JP2003340585A

JP2003340585A - レーザ溶接のモニタリング方法

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Publication number: JP2003340585A
Application number: JP2002153084A
Authority: JP
Inventors: Kenichiro Tanaka; 健一郎田中; Yoshiharu Sanagawa; 佳治佐名川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2003-12-02
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP4078882B2

Abstract

(57)【要約】【課題】深さ方向に溶接が進行する場合においても品
質判定を確実に行う。【解決手段】第２の材料２に第１の材料１を重ねて第
１の材料１の表面側から照射したレーザＬによって第１
の材料１と第１の材料１の裏面側に位置する第２の材料
２とを溶接するとともに溶接の良否判定のためにレーザ
照射部を観測するにあたり、第１の材料１と第２の材料
２との間に中間層３を介在させておく。レーザＬが中間
層３に達し、更に第２の材料に達するまでに顕著な変化
を観察することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレーザを用いた溶接
のモニタリング方法、殊に２枚の材料を重ね合わせて溶
接する場合のモニタリング方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】２枚の材料を重ね合わせて一方の材料面
からレーザを照射し、裏面に配置された材料と溶接して
重ね継手とする工程において、その溶接品質の良否を外
観検査で判定することは困難である。

【０００３】つまり、突き合わせ溶接や重ねすみ肉溶接
などでは、接合すべき両者の材料を外観から観察するこ
とが可能であり、溶接状態を観察により判定することが
できるが、重ね継手においてはレーザ照射面の材料を観
察することはできるが、裏面材料を観察することは困難
である。また、レーザ溶接後に別途検査工程を設けるこ
とが必要であった。

【０００４】一方、レーザ溶接時の加工現象をモニタリ
ングすることにより、レーザ溶接と同時に溶接品質を判
定することが特開平１１−１２９０８２号公報において
提案されている。これはレーザ加工時に溶接部から発す
る光を検出し、その信号により溶接欠陥を検出するもの
である。

【０００５】また、特開２０００−１５３３７９号公報
においては、モニタリング結果の判定方法として、レー
ザ光が照射中の一定区間の測定信号の極値を用い、予め
設定しておいた閾値との比較により判定することが提案
されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、重ね継手のレ
ーザ溶接では深さ方向に溶接が進行するため、溶接品質
が異なった場合でも観測された信号に顕著な違いが検出
されにくく、あるレーザ照射中の測定信号の極値による
判定では、外乱や溶接材料の状態により誤判定を行う可
能性があり、信頼性を確保したレーザ溶接が困難であ
る。

【０００７】本発明はこのような点に鑑みなされたもの
であって、その目的とするところは深さ方向に溶接が進
行する場合においても品質判定を確実に行うことができ
る溶接のモニタリング方法を提供するにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】しかして本発明は、第２
の材料に第１の材料を重ねて第１の材料の表面側から照
射したレーザによって第１の材料と第１の材料の裏面側
に位置する第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否
判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の
材料と第２の材料との間に中間層を介在させておくこと
に特徴を有している。

【０００９】上記中間層には第１の材料及び第２の材料
よりもレーザ反射率が高い材質のものを用いることがで
きる。

【００１０】また、中間層として第１の材料及び第２の
材料よりもレーザ反射率が低い材質のものを用いてもよ
い。

【００１１】また、中間層として第１の材料及び第２の
材料よりも熱伝導率が低いものを用いてもよく、この場
合、第１の材料と第２の材料との間に設けた隙間を中間
層としたり、第１の材料の裏面側と第２の材料の表面側
の少なくとも一方に設けた凹凸によって第１の材料と第
２の材料との間に生じる隙間を中間層としてもよい。

【００１２】更に、第１の材料の裏面側に第２の材料を
重ねて第１の材料の表面側から照射したレーザによって
第１の材料と第２の材料とを溶接するとともに溶接の良
否判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１
の材料のレーザ溶接位置中心部に孔を設けておくように
してもよく、この場合の孔は第１の材料の表面側に設け
た凹部であることが好ましい。

【００１３】第２の材料に第１の材料を重ねて第１の材
料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と第
１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接すると
ともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測する
にあたり、第２の材料のレーザ溶接位置中心部に貫通孔
を設けて第２の材料の裏面側から観測を行うようにして
もよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下本発明を実施の形態の一例に
基づいて詳述すると、図１に示すように２枚の材料１，
２を重ね合わせて一方の材料１の表面側からレーザＬを
照射して、裏面に配置された材料２とをレーザ溶接する
にあたり、レーザ溶接品質をレーザ加工と同時に判定を
行うため、レーザ溶接時の加工現象をモニタリングす
る。モニタリングする加工時の信号としては、溶接時に
発生するプルームからのプラズマ光や、溶接材料に照射
されたレーザの反射光、溶接部の発光画像などが挙げら
れる。

【００１５】レーザ照射は、前記従来例に示されたもの
と同様に、ファイバーなどにより導光されたＹＡＧレー
ザ光をミラーにより曲げて、レンズにより集光し、溶接
材料に照射すればよく、レーザ溶接時の加工現象のモニ
タリングは、レーザ光を曲げるために使用するミラーと
して、プラズマ光は透過し、レーザ光の一部を反射する
ことができるものを選択しておくと、加工部から発せら
れたプラズマ光やレーザ反射光がミラーを透過し、ミラ
ーの後部に配置されたダイクロイックミラーによりプラ
ズマ光とレーザ反射光を分離して、受光器により計測す
ることができる。この時、プラズマ光を検出する受光器
の前面にはＹＡＧレーザ光を遮光するカットフィルター
を、レーザ反射光を検出する受光器の前面にはＹＡＧレ
ーザ光のみを透過するバンドパスフィルターを配置す
る。また、プラズマ光を検出する部分にカメラなどの画
像計測装置を配置することで溶接部分の画像認識による
判定を行うことも可能である。このような配置とするこ
とで、レーザ光と同軸で計測することが可能となり、レ
ンズとレーザ光を曲げるためのミラーとの間にガルバノ
ミラーを配した加工機においても使用することが可能で
ある。

【００１６】そして、これらの計測された信号を演算処
理することによりレーザ溶接品質を判定することは可能
であるが、前述のように重ね継手のレーザ溶接の場合、
深さ方向に溶接が進行するため、溶接品質が異なった場
合でも観測された信号に顕著な違いが検出されにくく、
誤判定を行う可能性があり、信頼性を確保したレーザ溶
接が困難である。

【００１７】このために本発明においては、２枚の溶接
材料１，２の間に検査用の中間層３を配置した状態でレ
ーザ溶接を行う。この中間層３としては、溶接すべき２
枚の材料１，２と異なる材質のものを用いることが重要
である。レーザＬを照射した時のプラズマ光やレーザ反
射光は、レーザＬが照射される材料によって異なる。従
って、中間層３としてレーザ照射時に発生するプラズマ
光やレーザ光の反射率が溶接材料１，２と異なる材質を
用いれば、計測信号の変化が検出された時、レーザ溶接
が中間層３に到達し、さらに変化があれば裏面側の材料
２までレーザ加工エネルギーが投入されたことがわか
る。図１は材料１，２が同じ材質のもの、中間層３が異
なる材質のものである場合に観察されるレーザ反射光と
プラズマ光の変化を示しており、中間層３に達するとと
もに中間層３を貫通して材料２に達するまで顕著な変化
が観察される。計測及び判定については、プラズマ光と
レーザ反射光との少なくとも１つを用いればよい。この
ように中間層３を用いることによって溶接の進行状況を
確実にモニタリングして確実なレーザ溶接品質判定を容
易に行うことができる。

【００１８】判定する基準値として、あらかじめ良品を
得ることができたレーザ溶接の際の信号強度の変化を計
測記録しておいて、その波形の変化に基づいて基準値を
設けておき、レーザ溶接時の信号が、ある一定時間、あ
るいは、計測された信号強度、あるいは、測定された信
号強度の総和が予め設定した基準値を超えたかどうかで
上面材料１と裏面材料２とが良好に溶接されたと判定す
ればよい。

【００１９】また、レーザ反射光あるいはプラズマ光を
測定する受光器には、レーザ加工に対して同等またはそ
れ以上の応答性をもつものを用いることで、レーザ溶接
と同時に検査を行うことができる。測定すべきプラズマ
光が紫外光〜可視光である場合、マイクロチャンネルプ
レートフォトマルチプレーヤーなどを用いればよく、波
長１９０ｎｍ〜１１００ｎｍではＳｉフォトダイオード
を、波長７００ｎｍ〜２６００ｎｍの範囲ではＩｎＧａ
Ａｓフォトダイオードを、赤外線領域で他にＰｂＳｅ光
導電素子、ＩｎＡｓ光起電力素子、ＩｎＳｂ光起電力素
子、ＭＣＴ光導電素子などを好適に用いることができ
る。また、レーザ反射光を検出する素子としては、Ｓｉ
フォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードなど
を好適に用いることができる。

【００２０】上記中間層３の材質としては、材料１，２
よりもレーザ反射率が高いものが好ましい。この場合、
レーザ溶接時に観察されるレーザ反射光は中間層３にレ
ーザＬが達した時に信号強度が増加し、裏面材料２まで
レーザＬが達するとレーザ反射光の信号強度が減少する
ために、判定が容易となる。この時、材料１，２よりも
レーザ反射率が５％以上高い中間層３を用いるのが好ま
しく、たとえば材料１，２が鉄（ＹＡＧレーザに対する
レーザ反射率６５％）やアルミニウム（（ＹＡＧレーザ
に対するレーザ反射率７３％）である場合、銅（ＹＡＧ
レーザに対するレーザ反射率９０％）を中間層３とすれ
ばよく、材料１，２が銅である場合は銀（ＹＡＧレーザ
に対するレーザ反射率９６％）を中間層３に用いればよ
い。

【００２１】材料１，２のレーザ反射率が高い場合に
は、これらよりもレーザ反射率が低い材質からなる中間
層３を配してもよい。この場合、レーザ溶接時に観察さ
れるレーザ反射光は図２に示すように中間層３にレーザ
Ｌが達した時に信号強度が低下し、裏面材料２までレー
ザＬが達するとレーザ反射光の信号強度が増加するため
に、レーザＬが裏面材料２にまで達したことを容易に判
定することができる。この時、材料１，２よりもレーザ
反射率が５％以上低い中間層３を用いるのが好ましく、
たとえば材料１，２が銅（ＹＡＧレーザに対するレーザ
反射率９０％）である場合、中間層３に鉄（ＹＡＧレー
ザに対するレーザ反射率６５％）やアルミニウム（（Ｙ
ＡＧレーザに対するレーザ反射率７３％）を用いればよ
く、材料１，２が鉄やアルミニウムである場合、中間層
としてＳｎ（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率５４
％）や炭素（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率２７
％）を用いればよい。

【００２２】中間層３として、材料１，２に比して熱伝
導率が低い材質のもの、殊に熱伝導率が５０％以上低い
ものを用いてもよい。熱伝導率が低い中間層３を配して
材料１，２間の熱伝達を抑制したならば、レーザ溶接
時、まず材料１が加熱されるが、この時点ではプルーム
による発光は起こらないものの、材料１が溶融したなら
ばプルーム発光が生じ、更にレーザＬが中間層３を貫通
して材料２に達した時点では材料２は熱伝達を抑制する
中間層３が存在するために材料１が溶融しているにもか
かわらず材料２は十分に加熱されておらず、材料２から
のプルーム発光が生じない。しかし、材料２もレーザＬ
による加熱で溶融したならばプルーム発光が生じる。つ
まりレーザ溶接が順調に進行すれば、図３(a)に示すよ
うに、材料１によるプルーム発光と材料２によるプルー
ム発光との間に谷間が生じるものであり、２つの発光ピ
ークＰ１，Ｐ２が観察されたかどうかで溶接の良否を判
定することができる。ちなみに、図３(b)は未溶接（材
料１のみが溶融）した場合の発光プロファイルを示して
いる。また、中間層３を介在させていない場合は、材料
１の加熱溶融と同時に材料２の加熱も開始されるため
に、プルーム発光は連続した波形となって２つのピーク
を観察することはできない。なお、材料１，２がＣｕ
（熱伝導率３８５Ｗ／ｍ・Ｋ）である場合、中間層３と
してＮｉ（熱伝導率９１Ｗ／ｍ・Ｋ）やＳｎ（熱伝導率
６４Ｗ／ｍ・Ｋ）などを用いることができる。

【００２３】中間層３は図４に示すように材料１，２と
の間に設けた隙間であってもよい。隙間が材料１，２間
の熱伝達を抑制するために、上記の場合と同様に２つの
発光ピークＰ１，Ｐ２を観察することができる。もっと
も、この隙間が材料１，２の厚みの１／１０以上である
と、レーザＬを照射している材料１または材料２のみが
溶融する状態となって溶接不良が発生しやすくなり、１
／２０以下であれば、材料１の加熱溶融時に材料２も加
熱されることになって隙間による熱伝導抑制効果が現れ
にくくなるために、材料１，２の厚みの１／２０〜１／
１０の隙間とするのが好ましい。

【００２４】上記の隙間である中間層３は、材料１，２
の対向面の全面になくてもよく、図５に示すように、材
料１の裏面側、もしくは材料２の表面側に表面粗さがそ
の厚みの１／２０〜１／１０の凹凸を設けることで隙間
が材料１，２間に生じるようにしてもよい。この場合、
所要寸法の隙間（中間層３）の確保が容易となる。

【００２５】図６に他例を示す。これは材料１における
溶接位置中心部に材料１を貫通する孔４を設けたもの
で、このような孔４が存在する場合、溶接時に観測され
るレーザ反射光の信号プロファイルは図６(b)に示すよ
うになる。つまり、レーザＬの照射初期では孔４におい
てレーザ反射光が乱反射するために孔４の周辺に照射さ
れたレーザＬのレーザ反射光しか観測されず、孔４が無
い場合よりもレーザ反射光が少なくなる。そして孔４の
周辺も溶融してレーザ照射部が凹形状になるとさらに反
射光が少なくなり、次いで凹部が溶融金属で埋まってレ
ーザ照射表面がフラットになれば観測されるレーザ反射
光が多くなる。しかし、凹部が埋まらずに穴あき不良に
なる場合は、反射光の乱反射が継続してレーザ照射終了
まで反射光のピークは発生しない。従って、レーザ照射
前半の反射光の小ピークの後、レーザ照射後半に反射光
の大ピークを確認することで溶接良否の判定を行うこと
ができる。なお、孔４の径が大きいと溶接時の穴あきが
発生しやすくなるために、孔４の径はレーザ照射径の１
／２以下であることが望ましい。

【００２６】孔４は図７に示すように材料１を貫通して
いないものであってもよい。貫通している孔４であると
溶接時の穴あきが発生するおそれが高くなるが、凹部と
しての孔４であれば、穴あき不良が発生しにくく、しか
も溶接の良否判定に関しては、貫通孔の場合と同様の判
定を行うことができる。この場合の孔４はレーザ照射径
の１／２以下、深さは板厚の１／２以上であることが好
ましい。

【００２７】孔４は図８に示すように裏面側の材料２に
貫通孔として設けてもよい。ただし、この場合はレーザ
透過光を観察するものとする。図中５は透過光検出器を
示している。材料２に孔４をあけた場合に観察される良
好溶接時の観測透過光（レーザ光でもプルーム発光でも
よい）は図８(b)に示すようになる。つまり、材料１が
裏面側の材料２との接触面まで溶融すれば、材料２の孔
４を通じて材料１のプルーム発光が観測されることにな
り、またキーホールが発生すれば、材料２の孔４を通し
てレーザ光が観測される。この２つの信号が観測できれ
ば、材料１のみ溶融の可能性はなくなる。そして、その
まま溶接が良好に進むと、孔４及びキーホールが溶融金
属で埋められるために観測される透過光（レーザ光及び
プルーム発光）は消失する。しかし、溶融金属で孔４及
びキーホールが埋め込まれないと、すなわち穴あき不良
が発生すると、図８(c)に示すように、レーザ光及びプ
ルーム発光は溶接完了時まで継続する。従って、透過光
の観測から溶接の良否を判定することができる。なお、
この場合の孔４もその径が大きいと穴あきの発生の要因
となってしまうことから、レーザ照射径の１／２以下の
径であることが望ましい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明においては、第２の
材料に第１の材料を重ねて第１の材料の表面側から照射
したレーザによって第１の材料と第１の材料の裏面側に
位置する第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否判
定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の材
料と第２の材料との間に中間層を介在させておくため
に、レーザ照射が中間層を貫通して第２の材料に達する
際に中間層が観測光に変化をもたらすものであり、これ
故にレーザ溶接の良否の判定を容易に行うことができ
る。

【００２９】上記中間層に第１の材料及び第２の材料よ
りもレーザ反射率が高い材質のものを用いた場合には、
中間層による反射光のピークから良否を判定することが
でき、中間層として第１の材料及び第２の材料よりもレ
ーザ反射率が低い材質のものを用いた場合には、中間層
による反射光の減少から良否を判定することができる。

【００３０】また、中間層として第１の材料及び第２の
材料よりも熱伝導率が低いものを用いた時には、プルー
ム発光に２つのピークが生じることから溶接の良否を判
定することができる。

【００３１】この場合、第１の材料と第２の材料との間
に設けた隙間を中間層とすれば、別途材質のものを用意
する必要がなくなり、第１の材料の裏面側と第２の材料
の表面側の少なくとも一方に設けた凹凸によって第１の
材料と第２の材料との間に生じる隙間を中間層とすれ
ば、隙間の管理が容易となる。

【００３２】更に、第１の材料の裏面側に第２の材料を
重ねて第１の材料の表面側から照射したレーザによって
第１の材料と第２の材料とを溶接するとともに溶接の良
否判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１
の材料のレーザ溶接位置中心部に孔を設けておくように
しても、観測結果からの溶接の良否判定を容易に且つ確
実に行うことができる。この場合の孔は第１の材料の表
面側に設けた凹部であることが穴あきの発生を抑えるこ
とができる点で好ましい。

【００３３】第２の材料に第１の材料を重ねて第１の材
料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と第
１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接すると
ともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測する
にあたり、第２の材料のレーザ溶接位置中心部に貫通孔
を設けて第２の材料の裏面側から観測を行うようにして
も、やはり観測結果からの溶接の良否判定を容易に且つ
確実に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)
は断面図、(b)はプロファイル図である。

【図２】他例のプロファイル図である。

【図３】(a)は更に他例における良好溶接時のプロファ
イル図、(b)は未溶接時のプロファイル図である。

【図４】(a)は別の例における断面図、(b)はプロファイ
ル図である。

【図５】更に別の例における断面図である。

【図６】(a)は異なる例における断面図、(b)はプロファ
イル図である。

【図７】(a)は他の例における断面図、(b)はプロファイ
ル図である。

【図８】(a)は更に他の例における断面図、(b)は良好溶
接時のプロファイル図、(c)は穴あき時のプロファイル
図である。

【符号の説明】

１材料２材料３中間層Ｌレーザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G043 AA03 CA05 EA10 FA01 FA03 GA07 GB01 GB05 GB16 HA01 HA02 JA02 KA01 KA02 KA03 KA05 KA09 LA03 2G059 AA05 BB08 EE01 EE02 EE06 FF01 FF04 GG01 HH01 HH02 HH03 HH06 JJ02 JJ11 JJ13 KK04 MM05 4E068 BF00 CA17 CB09 CC01 CF00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第２の材料に第１の材料を重ねて第１の
材料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と
第１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接する
とともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測す
るにあたり、第１の材料と第２の材料との間に中間層を
介在させておくことを特徴とするレーザ溶接のモニタリ
ング方法。
【請求項２】中間層として第１の材料及び第２の材料
よりもレーザ反射率が高い材質のものを用いることを特
徴とする請求項１記載のレーザ溶接のモニタリング方
法。
【請求項３】中間層として第１の材料及び第２の材料
よりもレーザ反射率が低い材質のものを用いることを特
徴とする請求項１記載のレーザ溶接のモニタリング方
法。
【請求項４】中間層として第１の材料及び第２の材料
よりも熱伝導率が低いものを用いることを特徴とする請
求項１記載のレーザ溶接のモニタリング方法。
【請求項５】第１の材料と第２の材料との間に設けた
隙間を中間層とすることを特徴とする請求項４記載のレ
ーザ溶接のモニタリング方法。
【請求項６】第１の材料の裏面側と第２の材料の表面
側の少なくとも一方に設けた凹凸によって第１の材料と
第２の材料との間に生じる隙間を中間層とすることを特
徴とする請求項４記載のレーザ溶接のモニタリング方
法。
【請求項７】第１の材料の裏面側に第２の材料を重ね
て第１の材料の表面側から照射したレーザによって第１
の材料と第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否判
定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の材
料のレーザ溶接位置中心部に孔を設けておくことを特徴
とするレーザ溶接のモニタリング方法。
【請求項８】孔は第１の材料の表面側に設けた凹部で
あることを特徴とする請求項７記載のレーザ溶接のモニ
タリング方法。
【請求項９】第２の材料に第１の材料を重ねて第１の
材料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と
第１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接する
とともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測す
るにあたり、第２の材料のレーザ溶接位置中心部に貫通
孔を設けて第２の材料の裏面側から観測を行うことを特
徴とするレーザ溶接のモニタリング方法。