JP2004058141A - レーザによる重ね合わせスポット溶接方法及び溶接装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザによる重ね合わせスポット溶接において、接合ギャップによる未溶接箇所の発生を防止する。
【解決手段】重ね合わされた複数の金属材料１の加工点４にレーザ光を照射して複数の金属材料を加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光の照射中に加工点４からのレーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、反射光強度が減少し且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、レーザ光の強度を増加させる。
【選択図】 図１
【解決手段】重ね合わされた複数の金属材料１の加工点４にレーザ光を照射して複数の金属材料を加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光の照射中に加工点４からのレーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、反射光強度が減少し且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、レーザ光の強度を増加させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザによる重ね合わせスポット溶接方法及び溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の金属材料（溶接対象物、被加工物）を重ね合わせて一方の面側からレーザ光を照射して複数の金属材料を溶接するスポット溶接が広く行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のレーザによる重ね合わせスポット溶接において以下の３つの課題が存在する。
【０００４】
第一の課題は、接合ギャップによる未溶接の問題である。溶接しようとする金属材料を重ね合わせたときに溶接箇所の金属材料間に隙間（接合ギャップ）が存在すると、両金属材料を良好に溶接することができず、未溶接箇所が発生する。レーザ重ね合わせ溶接では、溶接対象物の厚みの１０〜２０％以上の接合ギャップが存在すると一般に溶接するのが難しくなる。この接合ギャップによる未溶接箇所の発生を防止する方法として、レーザピーク強度を上げて加工することが知られている。しかし、レーザピーク強度を上げ過ぎると、加工領域にある溶融材料が吹き飛んでしまい、加工後に穴が埋まらない溶接不良であるアンダーフィルドスポットウェルド（アンダーフィルド溶接）が発生してしまう。一般的に個々の溶接対象物ごとに接合ギャップが異なるため、溶接対象物ごとに溶接条件を制御することなしに何千もの加工を行うと、そのうちのいくらかには未溶接あるいはアンダーフィルドスポットウェルドが生じてしまう恐れがある。この現象は、銅やアルミニウムといった難加工材料では、加工できる条件範囲が狭いために一層顕在化する。従って、未溶接やアンダーフィルドスポットウェルドが生じないようにレーザピーク強度を制御することが望まれるが、加工中に何を測定し、何を判断基準として、いつレーザピーク強度をどのように変化させればよいかは十分に検討されていないのが現状である。
【０００５】
第二の課題は、溶接形状および溶接割れの問題である。銅やアルミニウム等の難加工材料の熱伝導率は、基本波ＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接が適用される炭素鋼やニッケル等の材料に比べて、２から３倍高い。従って、溶接完了後レーザ照射を停止すると前述の難加工材料は急冷却され、その結果、加工中心部が盛り上がり、加工周辺部が陥没する溶接形状となりやすい。また、アルミニウムにマグネシュウムが混入された合金では、急冷却により溶接割れが生じやすくなる。このような溶接形状および溶接割れは、溶接部の接合強度を低下させる原因となる。
【０００６】
そこで、このような溶接形状および溶接割れを防止する方法として、ゆっくりと冷却することが有効であることが知られている。しかしながら、個々の溶接対象物に対して、加工中に何を測定し、何を判断基準として、どのような手段を採ればよいかは十分に検討されていないのが現状である。
【０００７】
第三の課題は、溶融スポット径のサイズのばらつきの問題である。一般的に、溶融スポット径のサイズは、溶接中に画像認識で計測すればよいと思われているが、１００μｓオーダーの非常に短い時間で画像認識し処理を行い、溶融スポット径のサイズを求め、レーザの指令電圧にまで反映させるのは、現状の技術ではかなりの困難性がある。その反面、精密機器および多機能電子機器ではマイクロ領域（約φ２ｍｍ以下）の加工が求められ、目的の溶融スポット径サイズに対して一桁高い精度が要求される。
【０００８】
本発明は、レーザによる重ね合わせスポット溶接における上記の課題を解決することを目的とする。即ち、本発明の第１の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、接合ギャップの存在による未溶接箇所の発生を防止することにある。また、本発明の第２の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、溶接形状が良好で溶接割れの発生を防止することにある。更に、本発明の第３の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、溶融スポット径を安定化させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の重ね合わせスポット溶接方法は、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、前記レーザ光の照射中に前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が減少し且つ前記熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、前記レーザ光の強度を増加させることを特徴とする。これにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００１０】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接方法は、波長１０６４ｎｍの光の吸収率が０．２５以下の複数の金属材料を重ね合わせて、加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、所望のサイズの接合部を形成した後、前記レーザ光を照射しながら前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が増加し且つ前記熱放射光強度が減少した時点で、前記レーザ光の強度を減少させることを特徴とする。これにより、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。この結果、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００１１】
本発明の第３の重ね合わせスポット溶接方法は、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光を照射中に、所望の大きさの溶融スポットの外周部に相当する、前記金属材料の表面上の地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定した前記金属材料が溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に、前記レーザ光の照射を停止することを特徴とする。これにより、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００１２】
また、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接装置は、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点における前記レーザ光の反射光を、共焦点型光学系を用いて強調して計測する反射光計測装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記反射光計測装置及び前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の強度を変更する制御装置とを備えることを特徴とする。これにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。また、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。
【００１３】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接装置は、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照射時間を変更する制御装置とを備えることを特徴とする。これにより、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００１４】
上記の第２の重ね合わせスポット溶接装置において、前記熱放射光計測装置はマスクを備え、前記マスクを介して前記被加工物の表面の所望する地点で発生する熱放射光を選択的に計測することが好ましい。これにより、任意サイズの溶融スポットを安定して得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ強度を制御するものである。
【００１６】
図１において、１は被加工物であり、純度９９．９％、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのタフピッチ銅を２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１と波長５３２ｎｍのレーザ光を発する第２高調波ＹＡＧレーザ２０を用いた。表１にこれらのレーザの照射条件を示す。
【００１７】
【表１】
【００１８】
また、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、それぞれ基本波ＹＡＧレーザ２１からのレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ２０からのレーザ光の波形図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、横軸は時間、縦軸はレーザピーク強度を示す。ここで、レーザピーク強度は、レーザ光の投入エネルギー（レーザパワー）をＥ（単位：Ｊ）、照射時間をＴ（単位：ｓ）としたとき、Ｅ／Ｔ（単位：Ｗ）で表される。
【００１９】
以下、図１及び図２を参照しながら、実施の形態１に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００２０】
基本波ＹＡＧレーザ２１からのレーザ光（以下、「基本波ＹＡＧレーザ光」という）を、反射ミラー１９で反射させ、次いで波長１０６４ｎｍの光を９８％反射し、波長５３２ｎｍの光を８０％以上通過させるビームスプリッター１８で反射させることにより、基本波ＹＡＧレーザ光を第２高調波ＹＡＧレーザ２０からのレーザ光（以下、「第２高調波ＹＡＧレーザ光」という）に空間的に重畳させた。更に、重畳したこれらのレーザ光を、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光をいずれも９８％反射して、波長１３００ｎｍの近赤外光（熱放射光）を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。
【００２１】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長６３２．８ｎｍの光のみを反射するビームスプリッター２２を通過後、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍ及び波長５３２ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００２２】
次いで、ビームスプリッター７を通過した反射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを透過させるバンドパスフィルター８を通過後、集光レンズ９で直径１００μｍのピンホール１０に集光された後、集光レンズ１１で再び集光され、ＳＩのフォトセンサー１２上に集光された。この集光された波長１０６４ｎｍの反射光をフォトセンサー１２で計測した。ここで、ピンホール１０の位置は、レンズ９の焦点位置である。以上のような共焦点型光学系を用いることで、加工時に発生するプルーム（加工部から吹き出す金属蒸気）が基本波ＹＡＧレーザ光の反射光に及ぼす影響を最小限に抑えて、加工表面からの基本波ＹＡＧレーザ光の反射光を強調して取り出すことが可能となる。
【００２３】
一方、ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、石英の集光レンズ１６でＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００２４】
さらに、加工中の加工点４の状態をレーザ光と同軸方向からリアルタイムで観測するために、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２４を照明光の光源として用いた。これからの光（照明光）を、ハーフミラー２５、波長６３２．８ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター２６を順に通過させ、波長６３２．８ｎｍの光のみを反射するビームスプリッター２２で反射させ、ビームスプリッター６を透過させ、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。加工点４からの波長６３２．８ｎｍの反射光は、上記と逆の経路をたどり、ハーフミラー２５で往路の光と分離されて、１秒間に１８０００コマ撮影可能な高速度カメラ２３に入射される。
【００２５】
図３にフォトセンサ１２で計測した波長１０６４ｎｍの反射光の強度の変化の様子を、また図４にフォトセンサ１７で計測した波長１３００ｎｍの熱放射光の強度の変化の様子を示す。これらの変化の様子と、高速度カメラ２３で観測された加工状態の変化との関連について検討した結果、加工点４にキーホールが発生したのとほぼ同時に、反射光強度の減少と熱放射光強度の増加とが開始することが分かった。ここで、キーホールとは、加工点４が溶融されて形成される、開口径が小さく、深さが深い穴を言う。キーホールは、溶接が良好に進行していることの判断指標になるものである。そして、加工が進行するにつれて、反射光強度が更に減少し、熱放射光強度が更に増加することも分かった。
【００２６】
また、図４において、熱放射光強度量の増加の程度が、時刻ｔ１で鈍化し、時刻ｔ２で再び増加し始めているが、これは、接合ギャップとも関連することを表している。即ち、熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時刻ｔ１は、レーザ光の入射側に配置されたタフピッチ銅の下面（レーザ光の入射側とは反対側）の直前にまでキーホールが形成された時と一致していた。また、熱放射光強度の増加が再び開始した時刻ｔ２は、レーザ光の入射側とは反対側に配置されたタフピッチ銅の上面にキーホールが形成され始めた時と一致していた。
【００２７】
本発明者らは、種々のサンプルについて実験を行った結果、接合ギャップが大きくて未溶接となる場合には、熱放射光強度の増加の程度が鈍化した後、再び増加に転じることがないことを見い出した。そして、このような熱放射光強度の増加の程度が再び増加に転じることがないサンプルであっても、基本波ＹＡＧレーザ光の強度を増加させると、熱放射光強度が増加し始め、キーホールが成長し、未溶接が防止できることをも見い出した。
【００２８】
そこで、図１に示すように、加工点４の表面からの波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、周波数５ｋＨｚ以下の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置１３に入力させた。そして、反射光強度が減少し、且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点（上記の時刻ｔ１）を検出し、この時点で制御装置１３により基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を１．９ｋＷから１．９５ｋＷへ２％程度増加させた（図２（Ａ））。このレーザ照射条件で多数のサンプルについて行った実験の結果、接合ギャップが３０μｍ程度の場合でも未溶接を発生することなく溶接できることを確認した。
【００２９】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７，２７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１と第２高調波ＹＡＧレーザ２０に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００３０】
一方、基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を２ｋＷで一定に維持した場合には、加工点４の表面の溶融金属がが吹き飛んでアンダーフィルドスポットウェルドが発生する場合があり、安定して溶接ができなかった。また、基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を１．７ｋＷで一定に維持した場合には、未接合が１％程度の頻度で発生した。
【００３１】
純銅の適正な加工条件は非常に狭く、かつ不安定であるが、本実施の形態１に示したように、加工中に加工点４からのレーザ光の反射光強度および熱放射光強度を計測し、反射光強度が減少し且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点でレーザ強度を増加させることにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００３２】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ強度を制御するものである。
【００３３】
図５において、１は被加工物であり、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのマグネシュウムを含むアルミニウムを２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１を用いた。上記被加工物１の波長１０６４ｎｍのレーザ光の吸収率は０．２３である。
【００３４】
以下、図５を参照しながら、実施の形態２に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００３５】
基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光を、波長１３００ｎｍ以上の光を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。
【００３６】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００３７】
次いで、ビームスプリッター７を通過した反射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを透過させるバンドパスフィルター８を通過後、集光レンズ９で直径１００μｍのピンホール１０に集光された後、集光レンズ１１で再び集光され、ＳＩのフォトセンサー１２上に集光された。この集光された波長１０６４ｎｍの反射光をフォトセンサー１２で計測した。ここで、ピンホール１０の位置は、レンズ９の焦点位置である。以上のような共焦点型光学系を用いることで、加工時に発生するプルーム（加工部から吹き出す金属蒸気）が基本波ＹＡＧレーザの反射光に及ぼす影響を最小限に抑えて、加工表面からの基本波ＹＡＧレーザ光の反射光を強調して取り出すことが可能となる。
【００３８】
一方、ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、石英の集光レンズ１６でＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００３９】
１００サンプルについて、波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、５ｋＨｚ以下の周波数の電気信号を通すローパスフィルター２７を通過させて、溶接時の反射光強度及び熱放射光強度の変化を測定した。そして、各サンプルごとに、レーザ光照射終了直後の反射光強度と、熱放射光強度の最大値の９０％を超えている時間とを求めた。また、各サンプルごとに表面と裏面の溶融径を求めた。そして、表面と裏面の溶融径と、レーザ照射終了直後の反射光強度及び熱放射光強度の最大値の９０％を超えている時間との相関をとった。この結果より、レーザ光照射中の反射光強度と熱放射光強度の変化を加工中にリアルタイムで計測することにより、目的とするサイズの溶融径に達したか否かの判断が可能になることを確認した。
【００４０】
そこで、図５に示すように、加工点４の表面からの波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、周波数５ｋＨｚ以下の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置に１３に入力させた。そして、反射光強度及び熱放射光強度を測定しながら、被加工物１にレーザ光を照射した。そして、反射光強度及び熱放射光強度に基づいて加工点４の溶融部が目的とする径に達したことを確認した後、更にレーザ光の照射を継続し、反射光強度が増加し、且つ熱放射光強度が減少した時、制御機器１３により基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光強度を減少させた。ここで、減少の程度は、レーザ光強度の減少によって生ずる熱放射光強度の変化量が、溶融部が目的とする径に達した時点でレーザ光の照射を停止し自然冷却した時に観測される熱放射光強度の変化量の１０分の１になるように制御した。その結果、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができた。
【００４１】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７，２７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００４２】
本実施の形態２に示したように、目的とするサイズの接合部を形成した後もレーザ光の照射を継続し、加工点からの反射光強度が増加し且つ熱放射光強度が減少した時点でレーザ光の強度を減少させることにより、加工点の冷却速度が緩和されるので、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。従って、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００４３】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ光の照射時間を制御するものである。
【００４４】
図６において、１は被加工物であり、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのマグネシュウムを含むアルミニウムを２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１を用いた。
【００４５】
以下、図６を参照しながら、実施の形態３に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００４６】
基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光を、波長１３００ｎｍ以上の光を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。レーザ光の加工点４でのスポット径はφ３００μｍとした。
【００４７】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００４８】
ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、加工点４での像を１：１で結像する石英の集光レンズ２８でマスク２９に集光され、これを通過して、集光レンズ１６で再び集光され、ＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００４９】
マスク２９の位置は集光レンズ２８の焦点位置である。マスク２９は、石英にアルミを蒸着させた後、リング状にアルミをくり抜いて形成した。リング状のくり抜き部分が開口となる。リング状の開口の内径は３００μｍ、外径は３５０μｍとした。このような開口を備えるマスク２９を介して加工点４からの熱放射光を測定することにより、加工点４でのマスク２９の開口に相当する部分からの熱放射光のみを選択的に観測できる。
【００５０】
レーザ光を被加工物１の加工点４に照射すると、被加工物１の材料が溶融を開始する。これと並行して加工点４から熱放射光が発せられる。熱放射光の強度は、それを発する地点での温度（溶融状態）に応じて変化する。従って、あらかじめ被加工物１と同一の材料が溶融時に発する熱放射光の強度を測定しておき、これとレーザ光を照射したときにフォトセンサ１７で観測される熱放射光の強度とを比較することで、加工点４の状態を知ることができる。
【００５１】
また、レーザ光はその光スポットの中心で最大となる強度分布を有するから、溶融部は光スポットの中心から徐々に外方向に拡大していく。従って、熱放射光が発せられる範囲も光スポットの中心から外方向に拡大する。
【００５２】
従って、図６に示した装置を用いてフォトセンサ１７で熱放射光の強度を測定し、それがあらかじめ測定した溶融状態の熱放射光の強度に達したとき、加工点４の溶融部がマスク２９のリング状の開口に相当する大きさまで拡大したことになる。
【００５３】
そこで、レーザ光を照射中に加工点４から発せられる熱放射光をフォトセンサ１７で検出し、その出力信号を５ｋＨｚ以下の周波数の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置１３に入力させた。そして、熱放射光の強度があらかじめ求めておいたアルミニウムが溶融時に発生する熱放射光の強度に達したとき、制御装置１３がレーザ２１を停止するように設定した。その結果、溶融スポットのサイズ（径）を安定化させることができた。
【００５４】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００５５】
上記においてマスク２９の開口径は、目標とする溶融スポット径に対応させて変更することは言うまでもない。
【００５６】
本実施の形態３に示したように、レーザ光を照射中に目標とする大きさの溶融スポットの外周部に相当する地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定しておいた溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に前記レーザ光の照射を停止することにより、１００μｓオーダーの非常に短い時間に溶融スポット径を認識でき、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接方法によれば、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、前記レーザ光の照射中に前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が減少し且つ前記熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、前記レーザ光の強度を増加させるので、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００５８】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接方法によれば、波長１０６４ｎｍの光の吸収率が０．２５以下の複数の金属材料を重ね合わせて、加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、所望のサイズの接合部を形成した後、前記レーザ光を照射しながら前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が増加し且つ前記熱放射光強度が減少した時点で、前記レーザ光の強度を減少させるので、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。この結果、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００５９】
本発明の第３の重ね合わせスポット溶接方法によれば、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光を照射中に、所望の大きさの溶融スポットの外周部に相当する、前記金属材料の表面上の地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定した前記金属材料が溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に、前記レーザ光の照射を停止するので、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００６０】
また、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接装置によれば、レーザを被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点における前記レーザ光の反射光を、共焦点型光学系を用いて強調して計測する反射光計測装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記反射光計測装置及び前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の強度を変更する制御装置とを備えるので、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。また、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。
【００６１】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接装置によれば、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照射時間を変更する制御装置とを備えるので、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のスポット溶接装置の概略構成図である。
【図２】図２（Ａ）は基本波ＹＡＧレーザからのレーザ光の波形図、図２（Ｂ）は第２高調波ＹＡＧレーザからのレーザ光の波形図である。
【図３】実施の形態１における波長１０６４ｎｍの反射光の強度の変化の様子を示した図である。
【図４】実施の形態１における波長１３００ｎｍの熱放射光の強度の変化の様子を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態２のスポット溶接装置の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３のスポット溶接装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 被加工物
２ 磁性金属
３ コバルト磁石
４ 加工点
５ 集光レンズ
６ ビームスプリッター
７ ビームスプリッター
８ バンドパスフィルター
９ 集光レンズ
１０ ピンホール
１１ 集光レンズ
１２ ＳＩフォトセンサー
１３ 制御機器
１４ ノッチフィルター
１５ バンドパスフィルター
１６ 石英の集光レンズ
１７ ＩｎＧａＡｓフォトセンサー
１８ ビームスプリッター
１９ 反射ミラー
２０ 第２高調波ＹＡＧレーザ
２１ 基本波ＹＡＧレーザ
２２ ビームスプリッター
２３ 高速度カメラ
２４ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２５ ハーフミラー
２６ バンドパスフィルター
２７ ローパスフィルター
２８ 石英の集光レンズ
２９ マスク
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザによる重ね合わせスポット溶接方法及び溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の金属材料（溶接対象物、被加工物）を重ね合わせて一方の面側からレーザ光を照射して複数の金属材料を溶接するスポット溶接が広く行われている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のレーザによる重ね合わせスポット溶接において以下の３つの課題が存在する。
【０００４】
第一の課題は、接合ギャップによる未溶接の問題である。溶接しようとする金属材料を重ね合わせたときに溶接箇所の金属材料間に隙間（接合ギャップ）が存在すると、両金属材料を良好に溶接することができず、未溶接箇所が発生する。レーザ重ね合わせ溶接では、溶接対象物の厚みの１０〜２０％以上の接合ギャップが存在すると一般に溶接するのが難しくなる。この接合ギャップによる未溶接箇所の発生を防止する方法として、レーザピーク強度を上げて加工することが知られている。しかし、レーザピーク強度を上げ過ぎると、加工領域にある溶融材料が吹き飛んでしまい、加工後に穴が埋まらない溶接不良であるアンダーフィルドスポットウェルド（アンダーフィルド溶接）が発生してしまう。一般的に個々の溶接対象物ごとに接合ギャップが異なるため、溶接対象物ごとに溶接条件を制御することなしに何千もの加工を行うと、そのうちのいくらかには未溶接あるいはアンダーフィルドスポットウェルドが生じてしまう恐れがある。この現象は、銅やアルミニウムといった難加工材料では、加工できる条件範囲が狭いために一層顕在化する。従って、未溶接やアンダーフィルドスポットウェルドが生じないようにレーザピーク強度を制御することが望まれるが、加工中に何を測定し、何を判断基準として、いつレーザピーク強度をどのように変化させればよいかは十分に検討されていないのが現状である。
【０００５】
第二の課題は、溶接形状および溶接割れの問題である。銅やアルミニウム等の難加工材料の熱伝導率は、基本波ＹＡＧレーザを用いたレーザ溶接が適用される炭素鋼やニッケル等の材料に比べて、２から３倍高い。従って、溶接完了後レーザ照射を停止すると前述の難加工材料は急冷却され、その結果、加工中心部が盛り上がり、加工周辺部が陥没する溶接形状となりやすい。また、アルミニウムにマグネシュウムが混入された合金では、急冷却により溶接割れが生じやすくなる。このような溶接形状および溶接割れは、溶接部の接合強度を低下させる原因となる。
【０００６】
そこで、このような溶接形状および溶接割れを防止する方法として、ゆっくりと冷却することが有効であることが知られている。しかしながら、個々の溶接対象物に対して、加工中に何を測定し、何を判断基準として、どのような手段を採ればよいかは十分に検討されていないのが現状である。
【０００７】
第三の課題は、溶融スポット径のサイズのばらつきの問題である。一般的に、溶融スポット径のサイズは、溶接中に画像認識で計測すればよいと思われているが、１００μｓオーダーの非常に短い時間で画像認識し処理を行い、溶融スポット径のサイズを求め、レーザの指令電圧にまで反映させるのは、現状の技術ではかなりの困難性がある。その反面、精密機器および多機能電子機器ではマイクロ領域（約φ２ｍｍ以下）の加工が求められ、目的の溶融スポット径サイズに対して一桁高い精度が要求される。
【０００８】
本発明は、レーザによる重ね合わせスポット溶接における上記の課題を解決することを目的とする。即ち、本発明の第１の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、接合ギャップの存在による未溶接箇所の発生を防止することにある。また、本発明の第２の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、溶接形状が良好で溶接割れの発生を防止することにある。更に、本発明の第３の目的は、レーザによる重ね合わせスポット溶接において、溶融スポット径を安定化させることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の重ね合わせスポット溶接方法は、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、前記レーザ光の照射中に前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が減少し且つ前記熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、前記レーザ光の強度を増加させることを特徴とする。これにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００１０】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接方法は、波長１０６４ｎｍの光の吸収率が０．２５以下の複数の金属材料を重ね合わせて、加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、所望のサイズの接合部を形成した後、前記レーザ光を照射しながら前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が増加し且つ前記熱放射光強度が減少した時点で、前記レーザ光の強度を減少させることを特徴とする。これにより、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。この結果、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００１１】
本発明の第３の重ね合わせスポット溶接方法は、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光を照射中に、所望の大きさの溶融スポットの外周部に相当する、前記金属材料の表面上の地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定した前記金属材料が溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に、前記レーザ光の照射を停止することを特徴とする。これにより、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００１２】
また、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接装置は、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点における前記レーザ光の反射光を、共焦点型光学系を用いて強調して計測する反射光計測装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記反射光計測装置及び前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の強度を変更する制御装置とを備えることを特徴とする。これにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。また、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。
【００１３】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接装置は、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照射時間を変更する制御装置とを備えることを特徴とする。これにより、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００１４】
上記の第２の重ね合わせスポット溶接装置において、前記熱放射光計測装置はマスクを備え、前記マスクを介して前記被加工物の表面の所望する地点で発生する熱放射光を選択的に計測することが好ましい。これにより、任意サイズの溶融スポットを安定して得ることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ強度を制御するものである。
【００１６】
図１において、１は被加工物であり、純度９９．９％、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのタフピッチ銅を２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１と波長５３２ｎｍのレーザ光を発する第２高調波ＹＡＧレーザ２０を用いた。表１にこれらのレーザの照射条件を示す。
【００１７】
【表１】
また、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）は、それぞれ基本波ＹＡＧレーザ２１からのレーザ光及び第２高調波ＹＡＧレーザ２０からのレーザ光の波形図である。図２（Ａ）及び図２（Ｂ）において、横軸は時間、縦軸はレーザピーク強度を示す。ここで、レーザピーク強度は、レーザ光の投入エネルギー（レーザパワー）をＥ（単位：Ｊ）、照射時間をＴ（単位：ｓ）としたとき、Ｅ／Ｔ（単位：Ｗ）で表される。
【００１９】
以下、図１及び図２を参照しながら、実施の形態１に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００２０】
基本波ＹＡＧレーザ２１からのレーザ光（以下、「基本波ＹＡＧレーザ光」という）を、反射ミラー１９で反射させ、次いで波長１０６４ｎｍの光を９８％反射し、波長５３２ｎｍの光を８０％以上通過させるビームスプリッター１８で反射させることにより、基本波ＹＡＧレーザ光を第２高調波ＹＡＧレーザ２０からのレーザ光（以下、「第２高調波ＹＡＧレーザ光」という）に空間的に重畳させた。更に、重畳したこれらのレーザ光を、波長１０６４ｎｍおよび波長５３２ｎｍの光をいずれも９８％反射して、波長１３００ｎｍの近赤外光（熱放射光）を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。
【００２１】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長６３２．８ｎｍの光のみを反射するビームスプリッター２２を通過後、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍ及び波長５３２ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００２２】
次いで、ビームスプリッター７を通過した反射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを透過させるバンドパスフィルター８を通過後、集光レンズ９で直径１００μｍのピンホール１０に集光された後、集光レンズ１１で再び集光され、ＳＩのフォトセンサー１２上に集光された。この集光された波長１０６４ｎｍの反射光をフォトセンサー１２で計測した。ここで、ピンホール１０の位置は、レンズ９の焦点位置である。以上のような共焦点型光学系を用いることで、加工時に発生するプルーム（加工部から吹き出す金属蒸気）が基本波ＹＡＧレーザ光の反射光に及ぼす影響を最小限に抑えて、加工表面からの基本波ＹＡＧレーザ光の反射光を強調して取り出すことが可能となる。
【００２３】
一方、ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、石英の集光レンズ１６でＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００２４】
さらに、加工中の加工点４の状態をレーザ光と同軸方向からリアルタイムで観測するために、Ｈｅ−Ｎｅレーザ２４を照明光の光源として用いた。これからの光（照明光）を、ハーフミラー２５、波長６３２．８ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター２６を順に通過させ、波長６３２．８ｎｍの光のみを反射するビームスプリッター２２で反射させ、ビームスプリッター６を透過させ、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。加工点４からの波長６３２．８ｎｍの反射光は、上記と逆の経路をたどり、ハーフミラー２５で往路の光と分離されて、１秒間に１８０００コマ撮影可能な高速度カメラ２３に入射される。
【００２５】
図３にフォトセンサ１２で計測した波長１０６４ｎｍの反射光の強度の変化の様子を、また図４にフォトセンサ１７で計測した波長１３００ｎｍの熱放射光の強度の変化の様子を示す。これらの変化の様子と、高速度カメラ２３で観測された加工状態の変化との関連について検討した結果、加工点４にキーホールが発生したのとほぼ同時に、反射光強度の減少と熱放射光強度の増加とが開始することが分かった。ここで、キーホールとは、加工点４が溶融されて形成される、開口径が小さく、深さが深い穴を言う。キーホールは、溶接が良好に進行していることの判断指標になるものである。そして、加工が進行するにつれて、反射光強度が更に減少し、熱放射光強度が更に増加することも分かった。
【００２６】
また、図４において、熱放射光強度量の増加の程度が、時刻ｔ１で鈍化し、時刻ｔ２で再び増加し始めているが、これは、接合ギャップとも関連することを表している。即ち、熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時刻ｔ１は、レーザ光の入射側に配置されたタフピッチ銅の下面（レーザ光の入射側とは反対側）の直前にまでキーホールが形成された時と一致していた。また、熱放射光強度の増加が再び開始した時刻ｔ２は、レーザ光の入射側とは反対側に配置されたタフピッチ銅の上面にキーホールが形成され始めた時と一致していた。
【００２７】
本発明者らは、種々のサンプルについて実験を行った結果、接合ギャップが大きくて未溶接となる場合には、熱放射光強度の増加の程度が鈍化した後、再び増加に転じることがないことを見い出した。そして、このような熱放射光強度の増加の程度が再び増加に転じることがないサンプルであっても、基本波ＹＡＧレーザ光の強度を増加させると、熱放射光強度が増加し始め、キーホールが成長し、未溶接が防止できることをも見い出した。
【００２８】
そこで、図１に示すように、加工点４の表面からの波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、周波数５ｋＨｚ以下の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置１３に入力させた。そして、反射光強度が減少し、且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点（上記の時刻ｔ１）を検出し、この時点で制御装置１３により基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を１．９ｋＷから１．９５ｋＷへ２％程度増加させた（図２（Ａ））。このレーザ照射条件で多数のサンプルについて行った実験の結果、接合ギャップが３０μｍ程度の場合でも未溶接を発生することなく溶接できることを確認した。
【００２９】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７，２７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１と第２高調波ＹＡＧレーザ２０に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００３０】
一方、基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を２ｋＷで一定に維持した場合には、加工点４の表面の溶融金属がが吹き飛んでアンダーフィルドスポットウェルドが発生する場合があり、安定して溶接ができなかった。また、基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザピーク強度を１．７ｋＷで一定に維持した場合には、未接合が１％程度の頻度で発生した。
【００３１】
純銅の適正な加工条件は非常に狭く、かつ不安定であるが、本実施の形態１に示したように、加工中に加工点４からのレーザ光の反射光強度および熱放射光強度を計測し、反射光強度が減少し且つ熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点でレーザ強度を増加させることにより、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００３２】
（実施の形態２）
図５は実施の形態２のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ強度を制御するものである。
【００３３】
図５において、１は被加工物であり、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのマグネシュウムを含むアルミニウムを２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１を用いた。上記被加工物１の波長１０６４ｎｍのレーザ光の吸収率は０．２３である。
【００３４】
以下、図５を参照しながら、実施の形態２に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００３５】
基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光を、波長１３００ｎｍ以上の光を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。
【００３６】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００３７】
次いで、ビームスプリッター７を通過した反射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを透過させるバンドパスフィルター８を通過後、集光レンズ９で直径１００μｍのピンホール１０に集光された後、集光レンズ１１で再び集光され、ＳＩのフォトセンサー１２上に集光された。この集光された波長１０６４ｎｍの反射光をフォトセンサー１２で計測した。ここで、ピンホール１０の位置は、レンズ９の焦点位置である。以上のような共焦点型光学系を用いることで、加工時に発生するプルーム（加工部から吹き出す金属蒸気）が基本波ＹＡＧレーザの反射光に及ぼす影響を最小限に抑えて、加工表面からの基本波ＹＡＧレーザ光の反射光を強調して取り出すことが可能となる。
【００３８】
一方、ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、石英の集光レンズ１６でＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００３９】
１００サンプルについて、波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、５ｋＨｚ以下の周波数の電気信号を通すローパスフィルター２７を通過させて、溶接時の反射光強度及び熱放射光強度の変化を測定した。そして、各サンプルごとに、レーザ光照射終了直後の反射光強度と、熱放射光強度の最大値の９０％を超えている時間とを求めた。また、各サンプルごとに表面と裏面の溶融径を求めた。そして、表面と裏面の溶融径と、レーザ照射終了直後の反射光強度及び熱放射光強度の最大値の９０％を超えている時間との相関をとった。この結果より、レーザ光照射中の反射光強度と熱放射光強度の変化を加工中にリアルタイムで計測することにより、目的とするサイズの溶融径に達したか否かの判断が可能になることを確認した。
【００４０】
そこで、図５に示すように、加工点４の表面からの波長１０６４ｎｍの反射光を受光するフォトセンサ１２の出力信号、及び熱放射光を受光するフォトセンサ１７の出力信号を、周波数５ｋＨｚ以下の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置に１３に入力させた。そして、反射光強度及び熱放射光強度を測定しながら、被加工物１にレーザ光を照射した。そして、反射光強度及び熱放射光強度に基づいて加工点４の溶融部が目的とする径に達したことを確認した後、更にレーザ光の照射を継続し、反射光強度が増加し、且つ熱放射光強度が減少した時、制御機器１３により基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光強度を減少させた。ここで、減少の程度は、レーザ光強度の減少によって生ずる熱放射光強度の変化量が、溶融部が目的とする径に達した時点でレーザ光の照射を停止し自然冷却した時に観測される熱放射光強度の変化量の１０分の１になるように制御した。その結果、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができた。
【００４１】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７，２７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００４２】
本実施の形態２に示したように、目的とするサイズの接合部を形成した後もレーザ光の照射を継続し、加工点からの反射光強度が増加し且つ熱放射光強度が減少した時点でレーザ光の強度を減少させることにより、加工点の冷却速度が緩和されるので、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。従って、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００４３】
（実施の形態３）
図６は実施の形態３のスポット溶接装置の概略構成図である。この装置は、インプロセスで加工状態を判断し、レーザ光の照射時間を制御するものである。
【００４４】
図６において、１は被加工物であり、サイズ４０×５０ｍｍ×厚み１００μｍのマグネシュウムを含むアルミニウムを２枚重ね合わせたものを用いた。この被加工物１を、厚さ１ｍｍの鉄板２枚からなる磁性金属２とコバルト磁石３との間に挟んで固定した。また、使用するレーザとしては、波長１０６４ｎｍのレーザ光を発する基本波ＹＡＧレーザ２１を用いた。
【００４５】
以下、図６を参照しながら、実施の形態３に係るスポット溶接技術の動作手順を説明する。
【００４６】
基本波ＹＡＧレーザ２１のレーザ光を、波長１３００ｎｍ以上の光を９０％以上透過させるビームスプリッター６で折り返し、集光レンズ５で被加工物１上の加工点４に集光させた。レーザ光の加工点４でのスポット径はφ３００μｍとした。
【００４７】
加工点４からの反射光およびこれと同軸の熱放射光（波長１３００ｎｍ）をビームスプリッター６に入射させた。入射した反射光のほとんどはビームスプリッター６で反射されるが、２％程度はこれを通過する。ビームスプリッター６を通過した反射光及び熱放射光は、波長１３００ｎｍの熱放射光を反射し、波長１０６４ｎｍの反射光を透過させるビームスプリッター７で反射光と熱放射光とに分離された。
【００４８】
ビームスプリッター７で反射された波長１３００ｎｍの熱放射光は、波長１０６４ｎｍの光のみを１０−７倍に減衰させるノッチフィルター１４を通過し、さらに波長１３００ｎｍの光を透過させるバンドパスフィルター１５を通過し、加工点４での像を１：１で結像する石英の集光レンズ２８でマスク２９に集光され、これを通過して、集光レンズ１６で再び集光され、ＩｎＧａＡｓのフォトセンサー１７上に集光された。
【００４９】
マスク２９の位置は集光レンズ２８の焦点位置である。マスク２９は、石英にアルミを蒸着させた後、リング状にアルミをくり抜いて形成した。リング状のくり抜き部分が開口となる。リング状の開口の内径は３００μｍ、外径は３５０μｍとした。このような開口を備えるマスク２９を介して加工点４からの熱放射光を測定することにより、加工点４でのマスク２９の開口に相当する部分からの熱放射光のみを選択的に観測できる。
【００５０】
レーザ光を被加工物１の加工点４に照射すると、被加工物１の材料が溶融を開始する。これと並行して加工点４から熱放射光が発せられる。熱放射光の強度は、それを発する地点での温度（溶融状態）に応じて変化する。従って、あらかじめ被加工物１と同一の材料が溶融時に発する熱放射光の強度を測定しておき、これとレーザ光を照射したときにフォトセンサ１７で観測される熱放射光の強度とを比較することで、加工点４の状態を知ることができる。
【００５１】
また、レーザ光はその光スポットの中心で最大となる強度分布を有するから、溶融部は光スポットの中心から徐々に外方向に拡大していく。従って、熱放射光が発せられる範囲も光スポットの中心から外方向に拡大する。
【００５２】
従って、図６に示した装置を用いてフォトセンサ１７で熱放射光の強度を測定し、それがあらかじめ測定した溶融状態の熱放射光の強度に達したとき、加工点４の溶融部がマスク２９のリング状の開口に相当する大きさまで拡大したことになる。
【００５３】
そこで、レーザ光を照射中に加工点４から発せられる熱放射光をフォトセンサ１７で検出し、その出力信号を５ｋＨｚ以下の周波数の電気信号を通過させるローパスフィルター２７を介して制御装置１３に入力させた。そして、熱放射光の強度があらかじめ求めておいたアルミニウムが溶融時に発生する熱放射光の強度に達したとき、制御装置１３がレーザ２１を停止するように設定した。その結果、溶融スポットのサイズ（径）を安定化させることができた。
【００５４】
なお、制御装置１３としては、フォトセンサ１７からの信号を処理するＡ−Ｄ変換機能、Ｄ−Ａ変換機能、及び各種演算を行う機能を備え、１５０μｓごとに基本波ＹＡＧレーザ２１に出力する電圧を調整できるものを用いた。
【００５５】
上記においてマスク２９の開口径は、目標とする溶融スポット径に対応させて変更することは言うまでもない。
【００５６】
本実施の形態３に示したように、レーザ光を照射中に目標とする大きさの溶融スポットの外周部に相当する地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定しておいた溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に前記レーザ光の照射を停止することにより、１００μｓオーダーの非常に短い時間に溶融スポット径を認識でき、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００５７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接方法によれば、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、前記レーザ光の照射中に前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が減少し且つ前記熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、前記レーザ光の強度を増加させるので、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。
【００５８】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接方法によれば、波長１０６４ｎｍの光の吸収率が０．２５以下の複数の金属材料を重ね合わせて、加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、所望のサイズの接合部を形成した後、前記レーザ光を照射しながら前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が増加し且つ前記熱放射光強度が減少した時点で、前記レーザ光の強度を減少させるので、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。この結果、溶接部の接合強度の向上が期待できる。
【００５９】
本発明の第３の重ね合わせスポット溶接方法によれば、重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、レーザ光を照射中に、所望の大きさの溶融スポットの外周部に相当する、前記金属材料の表面上の地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定した前記金属材料が溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に、前記レーザ光の照射を停止するので、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【００６０】
また、本発明の第１の重ね合わせスポット溶接装置によれば、レーザを被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点における前記レーザ光の反射光を、共焦点型光学系を用いて強調して計測する反射光計測装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記反射光計測装置及び前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の強度を変更する制御装置とを備えるので、加工条件範囲を広げることができ、接合ギャップによる未溶接の発生を防止でき、加工品質を向上できる。また、良好な溶接形状が得られ、溶接割れを防止することができる。
【００６１】
本発明の第２の重ね合わせスポット溶接装置によれば、レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照射時間を変更する制御装置とを備えるので、溶融スポットのサイズを安定化させることができる。この結果、溶接部の接合強度の安定化が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１のスポット溶接装置の概略構成図である。
【図２】図２（Ａ）は基本波ＹＡＧレーザからのレーザ光の波形図、図２（Ｂ）は第２高調波ＹＡＧレーザからのレーザ光の波形図である。
【図３】実施の形態１における波長１０６４ｎｍの反射光の強度の変化の様子を示した図である。
【図４】実施の形態１における波長１３００ｎｍの熱放射光の強度の変化の様子を示した図である。
【図５】本発明の実施の形態２のスポット溶接装置の概略構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３のスポット溶接装置の概略構成図である。
【符号の説明】
１ 被加工物
２ 磁性金属
３ コバルト磁石
４ 加工点
５ 集光レンズ
６ ビームスプリッター
７ ビームスプリッター
８ バンドパスフィルター
９ 集光レンズ
１０ ピンホール
１１ 集光レンズ
１２ ＳＩフォトセンサー
１３ 制御機器
１４ ノッチフィルター
１５ バンドパスフィルター
１６ 石英の集光レンズ
１７ ＩｎＧａＡｓフォトセンサー
１８ ビームスプリッター
１９ 反射ミラー
２０ 第２高調波ＹＡＧレーザ
２１ 基本波ＹＡＧレーザ
２２ ビームスプリッター
２３ 高速度カメラ
２４ Ｈｅ−Ｎｅレーザ
２５ ハーフミラー
２６ バンドパスフィルター
２７ ローパスフィルター
２８ 石英の集光レンズ
２９ マスク
Claims (6)
- 重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、
前記レーザ光の照射中に前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が減少し且つ前記熱放射光強度の増加の程度が鈍化した時点で、前記レーザ光の強度を増加させることを特徴とするレーザによる重ね合わせスポット溶接方法。 - 波長１０６４ｎｍの光の吸収率が０．２５以下の複数の金属材料を重ね合わせて、加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、
所望のサイズの接合部を形成した後、前記レーザ光を照射しながら前記加工点からの前記レーザ光の反射光強度及び熱放射光強度を計測し、前記反射光強度が増加し且つ前記熱放射光強度が減少した時点で、前記レーザ光の強度を減少させることを特徴とするレーザによる重ね合わせスポット溶接方法。 - 重ね合わされた複数の金属材料の加工点にレーザ光を照射して前記複数の金属材料を前記加工点でスポット溶接する方法であって、
レーザ光を照射中に、所望の大きさの溶融スポットの外周部に相当する、前記金属材料の表面上の地点から発生する熱放射光を計測し、前記熱放射光の強度が、あらかじめ測定した前記金属材料が溶融時に発生する熱放射光の強度に達した時に、前記レーザ光の照射を停止することを特徴とするレーザによる重ね合わせスポット溶接方法。 - レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、
前記加工点における前記レーザ光の反射光を、共焦点型光学系を用いて強調して計測する反射光計測装置と、
前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、
前記反射光計測装置及び前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の強度を変更する制御装置と
を備えることを特徴とするレーザによる重ね合わせスポット溶接装置。 - レーザ光を被加工物の加工点に照射することで加工する加工装置と、
前記加工点で発生する熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、
前記熱放射光計測装置からの出力信号に基づいて前記レーザ光の照射時間を変更する制御装置と
を備えることを特徴とするレーザによる重ね合わせスポット溶接装置。 - 前記熱放射光計測装置はマスクを備え、前記マスクを介して前記被加工物の表面の所望する地点で発生する熱放射光を選択的に計測することを特徴とする請求項５に記載のレーザによる重ね合わせスポット溶接装置。
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