JP2004322166A

JP2004322166A - レーザ溶接品質評価装置および方法

Info

Publication number: JP2004322166A
Application number: JP2003122186A
Authority: JP
Inventors: Seiichi Matsumoto; 清市松本; Hiroyuki Kawaki; 博行河木; Koji Kitayama; 綱次北山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-04-25
Also published as: JP4054994B2

Abstract

【課題】モニタリング系を含めた光学系を複雑大型化することなく溶接状況を把握できるようにする。
【解決手段】光学系３、４を収めたレーザトーチ１の鏡筒２内の後端部に、溶接用レーザ光Ａと波長の異なる可視レーザ光（モニタリング光）Ｂを出射する発光ヘッド１１を設け、被溶接物Ｗに対する溶接用レーザＡの照射部位に、前記レーザ光学系３、４をそのまま利用して前記可視レーザ光Ｂを照射する。一方、溶接部から反射される前記可視レーザ光の反射光Ｃは、同じくレーザトーチ１の鏡筒２内の後端部に設けた受光ヘッド１２に受光させ、これを品質判定手段１６に導いて、フォトダイオード１８により光電変換し、信号処理装置１９により溶接品質の良否を判定する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握し評価する技術に係り、特にモニタリング光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モニタリング光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置、方法としては、特許文献１に記載されたものがある。このものは、溶接用レーザ光と波長の異なるモニタリング光を用い、このモニタリング光を被溶接物に対する溶接用レーザの照射部位に照射して、その反射光の強度変化等から溶接品質を評価するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−１７６６６７号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されるレーザ溶接品質評価装置、方法によれば、光学系を内蔵するレーザトーチ内に、その側方からモニタリング光を入射させ、このモニタリング光をレーザトーチ内に配置したミラーにより反射して、溶接用レーザ光の光軸に重ねて照射部位に導くようにしている。このため、モニタリング系を含めた光学系、したがってレーザトーチが複雑大型化し、狭い領域での溶接作業が困難になるばかりか、レーザトーチ自体のコスト上昇が避けられない、という問題があった。
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、モニタリング系を含めた光学系を複雑大型化することなく溶接状況を把握できるようにし、もって溶接作業範囲の拡大およびレーザトーチ自体のコスト低減に大きく寄与するレーザ溶接品質評価装置および方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、溶接用レーザ光とは波長の異なる光を発生する光源と、該光源から送られた光を出射する発光ヘッドと、溶接部から反射される前記光の反射光を受光する受光ヘッドと、該受光ヘッドで受光した前記反射光の強度変化等に基づいて溶接品質を判定する品質判定手段とを備え、前記発光ヘッドと前記受光ヘッドとは、溶接用レーザトーチの鏡筒内の後端部にそれぞれの軸が溶接用レーザ光の光軸と鋭角に交わるように配置されていることを特徴とする。
また、上記課題を解決するため、本発明に係るレーザ溶接品質評価方法は、被溶接物に対する溶接用レーザの照射部位にモニタリング光を照射し、該モニタリング光の反射光の強度変化等から溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法において、前記モニタリング光として、溶接用レーザ光とは波長の異なる光を用い、該光の照射およびその反射光の受光を、溶接用レーザを出射するレーザトーチ内の光学系をそのまま利用して行うことを特徴とする。
本レーザ溶接品質評価装置において、上記レーザトーチは、その鏡筒の内面が鏡面加工されている構成とするのが望ましい。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の第１の実施の形態を示したものである。同図において、１は、溶接用レーザ光Ａを後述の被溶接物Ｗに向けて出射するレーザトーチで、該レーザトーチ１を構成する鏡筒２内には、それぞれ２枚の凸レンズからなる第１レンズ組立体３と第２レンズ組立体４とが所定の間隔で配設されている。これら２つのレンズ組立体（光学系）のうち、鏡筒２の後端側に位置する第１レンズ組立体３は、レーザヘッド５から出射された溶接用レーザ光Ａを平行光に変更する機能を有し、一方、鏡筒２の先端側に位置する第２レンズ組立体４は、前記第１レンズ組立体３から出射された溶接用レーザ光Ａを集光する機能を有している。
【０００７】
レーザヘッド５には、前記溶接用レーザ光Ａを発生するレーザ光源６が光ファイバ７を介して接続されている。この溶接用レーザ光Ａとしては、ＹＡＧレーザ光、炭酸ガスレーザ光等の高出力レーザ光を用いることができ、前記レーザ光源６としては、これら使用するレーザ光の種類に応じて適宜のレーザ発振器が選択採用される。また、被溶接物Ｗは、ここでは相互に重ね合された２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、溶接に際しては、レーザトーチ１から出射されるレーザ光Ａが上側の鋼板Ｗ１上に所定のパターンとなるように照射される。溶接は、レーザトーチ１と被溶接物Ｗとを相対移動させることで行われ、これにより２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２は重ね合せ溶接される。
【０００８】
上記レーザトーチ１を構成する鏡筒２内の後端部には、モニタリング光Ｂを出射する発光ヘッド１１と前記溶接用レーザ光Ａの照射部位（溶接部）から反射される前記モニタリング光の反射光Ｃを受光する受光ヘッド１２とが配設されている。これら発光ヘッド１１および受光ヘッド１２は、小口径の筒体からなっており、各ヘッド１１、１２は、それぞれの軸が溶接用レーザ光Ａの光軸Ｏと鋭角に交わるように配置されている。発光ヘッド１１から出射されたモニタリング光Ｂは、鏡筒２内で拡散して第１レンズ組立体３に到達し、さらに第２レンズ組立体４で集光されて溶接用レーザ光Ａの照射部位に照射される。一方、前記照射部位から反射されたモニタリング光の反射光Ｃは、第２レンズ組立体４および第１レンズ組立体３を透過して、その一部が受光ヘッド１２により受光される。
本第１の実施の形態において、上記レーザトーチ１を構成する鏡筒２の内面は、鏡面加工されている。
【０００９】
上記モニタリング光Ｂは、溶接用レーザ光Ａと波長の異なる光であれば、特にその種類を問わないが、ここでは可視レーザ光を用いている。発光ヘッド１１には、該可視レーザ光（モニタリング光）Ｂを発生するレーザ光源（モニタリング用レーザ光源）１３が光ファイバ１４を介して接続されている。本実施の形態において、前記可視レーザ光Ｂの種類は任意であり、ヘリウム−ネオンレーザ光、アルゴンレーザ光、半導体レーザ光等を用いることができる。ヘリウム−ネオンレーザ光は赤色、アルゴンレーザ光は緑色、半導体レーザ光は青色をそれぞれ発色するようになっており、これら使用する可視レーザ光Ｂの種類に応じて、レーザ光源１３として適宜のレーザ発振器が選択採用される。なお、これらレーザ発振器は、市場に多く流通しており、安価に入手可能である。
【００１０】
一方、受光ヘッド１２には、光ファイバ１５を介して品質判定手段１６が接続されている。品質判定手段１６は、前記可視レーザ光Ｂの反射光（以下、これを可視レーザ反射光という）Ｃのみを透過するバンドパスフィルタ１７と、このバンドパスフィルタ１７を透過した可視レーザ反射光Ｃを受けて電気信号を出力する、光電変換素子としてのフォトダイオード１８と、このフォトダイオード１８の出力を受けて信号処理をする信号処理装置１９とを備えている。
フォトダイオード１８は、可視レーザ反射光Ｃの受光量に応じた強さの電気信号を出力する機能を有している。また、信号処理装置１９は、フォトダイオード１８の出力に基づいて所定の演算を行って溶接品質の良否を判定する機能を備えている。この信号処理装置１９の処理内容は任意であり、例えば、フォトダイオード１８からの電気信号に対して、単純に信号強度変化（光量変化）をみて良否を判定するようにしても、あるいは周波数解析を行って良否を判定するようにしてもよい。なお、必要により、この品質判定手段１６による判定結果を表示装置に表示させるようにしてもよい。
【００１１】
以下、上記のように構成した溶接品質評価装置の作用を説明する。
レーザ溶接に際しては、溶接すべき二枚の鋼板Ｗ１とＷ２とを密着して重ね合せた被溶接物Ｗの上方に、例えば、産業用ロボットを用いて上記レーザトーチ１を位置決めし、溶接用レーザ光源６を起動させる。すると、溶接用レーザ光Ａが、第１、第２レンズ組立体３、４を含む光学系を通って被溶接物Ｗに照射され、その照射部位に金属の溶融池が形成される。この状態で、レーザトーチ１を溶接方向へ移動させると、前記溶融池が溶接方向へ移行する一方で、その移行跡の溶融金属が凝固し、これにより被溶接物Ｗを構成する２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２は、次第に重ね合せ溶接される。
【００１２】
上記レーザ溶接に際しては、上記した溶接用レーザ光源６の起動と同時にモニタリング用レーザ光源１３が起動される。すると、モニタリング光としての可視レーザ光Ｂが、第１、第２レンズ組立体３、４を含む光学系を通って溶接用レーザ光Ａの照射部位に照射される。レーザ溶接においては、溶接用レーザ光Ａの照射部位に、溶接品質と密接に相関するキーホールが形成されるようになっており、前記可視レーザ光Ｂは、このキーホールおよびその周辺を照射していることになる。一方、溶接用レーザ光Ａの照射部位（溶接部）から反射した可視レーザ反射光Ｃは、前記光学系４、３を通ってその一部が前記受光ヘッド１２に受光され、さらに前記品質判定手段１６に取り込まれる。すると、品質判定手段１６内のフォトダイオード１８が受光強度に応じた強さの電気信号を信号処理装置１９へ出力し、信号処理装置１９は、前記したように所定の演算を行って溶接品質の良否を判定する。
【００１３】
この場合、光電変換素子としてのフォトダイオード１８は、強度の大きい可視レーザ反射光Ｃを受けるので、その反応（感度）はきわめて良好となる。すなわち、フォトダイオード１８の出力は、溶接品質と密接に相関するキーホール周辺からの反射光量の変化に敏感に反応し、これにより信号処理装置１９の処理精度も向上し、溶接品質の良否の判定を正確に行うことができる。本第１の実施の形態においては特に、レーザトーチ１の鏡筒２の内面が鏡面加工されているので、可視レーザ反射光Ｃを効率よく受光できる。
【００１４】
また、本溶接品質評価装置は、モニタリング系の発光ヘッド１１、受光ヘッド１２が小型となっているので、これらをコンパクトにレーザトーチ１に組込むことができ、レーザトーチ１が複雑大型化することはない。すなわち、本溶接品質評価装置は、汎用のレーザトーチ１をそのまま利用することができるので、狭い領域（クローズスペース）でも操作することができ、これにより溶接作業範囲は拡大する。しかも、既存の光学系３、４をそのまま利用するので、レーザトーチ自体のコスト上昇も最小限に抑えられる。
【００１５】
図２は、本発明に係る溶接品質評価装置の第２の実施の形態を示したものである。なお、本第２の実施の形態の基本構造は前記第１の実施の形態と同じであるので、ここでは、図１に示した部分と同一部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。本第２の実施の形態の特徴とするところは、Ｌ字形に屈曲するレーザトーチ２１を用いた点にある。より詳しくは、レーザトーチ２１は、前記第１、第２レンズ組立体３、４を含む光学系を設けた鏡筒部２２と、前記レーザヘッド５、発光ヘッド１１および受光ヘッド１２を設けた案内部２３とを直交する配置で連接すると共に、その連接部にレーザ光を偏向する反射ミラー２４を配設した構造となっている。なお、各モニタリング系のヘッド１１、１２は、第１の実施の形態と同様に、それぞれの軸が溶接用レーザ光Ａの光軸Ｏと鋭角に交わるように配置されている。また、レーザトーチ２１を構成する鏡筒部２２および案内部２３の内面は、鏡面加工されている。
【００１６】
本第２実施の形態において、レーザヘッド５から出射された溶接用レーザ光Ａおよび発光ヘッド１１から出射されたモニタリング用可視レーザ光Ｂは、反射ミラー２４で９０度偏向されて第１レンズ組立体３に到達し、その後は、第１の実施の形態と同様に第２レンズ組立体４で集光されて、被溶接物Ｗ上に照射される。本第２の実施の形態における溶接の施工手順および溶接品質の評価内容は、第１の実施の形態と同じであり、また、奏する作用、効果も第１の実施の形態と同じであるが、レーザトーチ２１が、途中で屈曲していることから、よりクローズスペースにおける溶接作業が可能になる。
【００１７】
なお、上記２つの実施の形態においては、２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２の重ね合せ溶接に適用した例を示したが、本発明は、これ以外にも２つの部材の突合せ溶接、隅肉溶接等に適用できることはもちろんである。
また、上記各実施の形態においては、被溶接物Ｗに対して溶接トーチ１、２１を溶接方向へ移動させるようにしたが、溶接トーチ１、２１を位置固定して被溶接物Ｗを移動させるようにしてもよいことはもちろんである。
【００１８】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置および方法によれば、モニタリング光として、溶接用レーザ光とは波長の異なる光を用いるようにしたので、モニタリング系を含めた光学系をコンパクトにレーザトーチ内に収めることができ、レーザトーチが複雑大型化することがなくなって、溶接作業範囲の拡大およびレーザトーチ自体のコスト低減を達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の第２の実施の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
１、２１レーザトーチ
２鏡筒
３、４レンズ組立体（光学系）
５レーザヘッド
６溶接用レーザ光源
１１発光ヘッド
１２受光ヘッド
１３モニタリング用レーザ光源
１６品質判定手段
１８フォトダイオード
１９信号処理装置
Ａ溶接用レーザ光
Ｂ可視レーザ光（モニタリング光）
Ｃ可視レーザ光の反射光
Ｗ被溶接物

Claims

溶接用レーザ光とは波長の異なる光を発生する光源と、該光源から送られた光を出射する発光ヘッドと、溶接部から反射される前記光の反射光を受光する受光ヘッドと、該受光ヘッドで受光した前記反射光の強度変化等に基づいて溶接品質を判定する品質判定手段とを備え、前記発光ヘッドと前記受光ヘッドとは、溶接用レーザトーチの鏡筒内の後端部にそれぞれの軸が溶接用レーザ光の光軸と鋭角に交わるように配置されていることを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。
レーザトーチの鏡筒の内面が、鏡面加工されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質評価装置。
被溶接物に対する溶接用レーザの照射部位にモニタリング光を照射し、該モニタリング光の反射光の強度変化等から溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法において、前記モニタリング光として、溶接用レーザ光とは波長の異なる光を用い、該光の照射およびその反射光の受光を、溶接用レーザを出射するレーザトーチ内の光学系をそのまま利用して行うことを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。