JP2005007415A - レーザ溶接における品質管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な溶接を行うために品質を管理するレーザ溶接における品質管理方法を提供する。
【解決手段】重ね合わせたワーク４に対してレーザ集光ヘッド２を移動させながら、レーザ集光ヘッド２からワーク２にレーザビームＬ１，Ｌ２を照射してワーク４を溶接する。このとき、ワーク４に照射されたレーザビームＬ１，Ｌ２のビームスポットＢ１，Ｂ２のうち、レーザ集光ヘッド２の移動方向に対して後部に設定された照射ビームスポットＢ２の温度を計測し、ビームスポットＢ２で計測された温度に基づいて、ワーク４の溶接状態を管理する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わせた樹脂などの被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接における品質管理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光を被溶接物に照射してレーザ溶接を行う場合、被溶接物の板厚、材質、形状に応じて設定して溶接を行うレーザ発振器の出力を設定する。ところが、単にこれらの条件でレーザ発振器の出力を設定すると、被溶接物の初期温度の不均一あるいは溶接の進行に伴ってすでに溶接された部分からの熱伝導による被溶接物の温度上昇の影響などに起因する溶接部の溶け込み深さや溶融幅の変動に対応することができず、均一で高品質な溶接を行うことができない場合がある。この問題に対して、特開平５−２６１５７６号公報においては、溶接を行っている間の被溶接物の表面温度分布を安定して測定することができる加熱加工装置が開示されている。温度分布を高精度で検出することにより、温度分布に応じた条件設定を行うことができる。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２６１５７６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報に開示された加熱加工装置では、単に温度分布を測定できるにとどまり、溶接品質の向上に対する具体的な手段についてはなんら開示されていない。したがって、温度分布を測定したものの、どのような溶接条件を設定すればよいかについて知ることができないものであった。
【０００５】
そこで、本発明の課題は、良好な溶接を行うために品質を管理するレーザ溶接における品質管理方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るレーザ溶接における品質管理方法は、重ね合わせた被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザビームを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接における被溶接物の溶接状態を管理するにあたり、被溶接物に照射されたレーザビームの照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向に対して後部に設定された温度計測領域における温度を計測し、温度計測領域で計測された温度に基づいて、被溶接物の溶接状態を管理することを特徴とする。
【０００７】
被溶接物をレーザ照射手段に対して相対的に移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接を行う際に、レーザビームの照射領域の温度を計測することにより、溶接状態をある程度判断することができる。ここで、レーザビームのプロファイルが一定である場合、レーザビームの照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の前方位置で温度を計測すると、その後のレーザの照射によって温度が上昇しうることから、どの程度の温度上昇を予測することが困難である。したがって、レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の前方位置で温度計測を行っても、その精度が高くできるとは言い難いものとなる。
【０００８】
この点、本発明に係るレーザ溶接における品質管理方法では、レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置における温度を計測している。レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置は、レーザビームの照射領域のうち、温度が高い位置となっている。この温度が高い位置では、被溶融物が蒸発することや、まったく溶融していないということの判断を適切に行うことができる。したがって、レーザビームの照射領域における最高温度の点であるレーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置における温度を計測して、その計測温度に基づいて溶接状態を管理することにより、良好な品質管理を行うことができる。
【０００９】
ここで、温度計測領域で計測された温度が所定の温度範囲から外れていたときに、溶接不良があると判断するのが好適である。このような判断を行うことにより、溶接不良を的確に判断することができる。
【００１０】
また、所定の温度範囲が被溶接物の溶接条件に基づいて定められているのが好適である。被溶接物の溶接条件に基づいて温度範囲を定めることにより、被溶接物に応じた品質管理を良好に行うことができる。被溶接物の溶接条件としては、被溶接物の形状、レーザ光吸収特性、融点などを挙げることができる。
【００１１】
さらに、温度計測領域が、レーザの照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の後端部に設定されているのが好適である。レーザの照射領域が複数のレーザビームからなる集団となっている場合には、レーザの照射領域における最高温度は、レーザ照射手段の移動方向の後端部となる。したがって、温度計測領域をレーザ照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の後端部に設定することにより、さらに良好に被溶接物の品質管理を行うことができる。
【００１２】
他方、レーザ照射手段が、レーザ照射手段の移動方向に沿って離間する２本のレーザビームを被溶接物に照射し、２本のレーザビームのうち、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射位置に温度計測領域が設定されている態様とするのが好適である。
【００１３】
このように、レーザ照射手段が、レーザ照射手段の移動方向に沿って離間する２本のレーザビームを被溶接物に照射する場合には、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射範囲における温度が被溶接物の溶接状態を反映するものとなる。したがって、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射範囲に温度計測領域を設定することにより、被溶接物の品質管理を良好に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の理解を容易にするため、誇張ないし省略している部分があり、その寸法比率は必ずしも実際のそれとは一致しない。
【００１５】
図１は、本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す図であり、（ａ）が側断面図、（ｂ）が平面図である。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接の品質管理方法に用いるレーザ溶接装置１は、本発明のレーザ照射手段であるレーザ集光ヘッド２，３を備えている。レーザ集光ヘッド２，３には、図示しないレーザ発振器が接続されており、レーザ発振器から発せられるレーザがレーザ集光ヘッド２，３に供給される。レーザ集光ヘッド２，３では、供給されたレーザを集光し、それぞれレーザビームＬ１，Ｌ２として出射している。レーザ集光ヘッド２，３の下方位置には、本発明の被溶接物である棒状のワーク４が配置されている。ワーク４は、上層の光透過性樹脂からなる光透過性樹脂層５と下層の光吸収性樹脂からなり、光を受けて溶融する光吸収性樹脂層６とが重ね合わされて形成されている。そして、レーザ集光ヘッド２，３が、その移動方向（以下「スキャン方向」という）に沿って離間する２本のレーザビームＬ１，Ｌ２をワーク４に照射する。このようにワーク４にレーザビームＬ１，Ｌ２を照射することにより、光吸収性樹脂層６が溶融して、光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６とが溶着させられる。
【００１６】
さらに、レーザ集光ヘッド２，３は、ワーク４が延在する方向に沿って移動させる図示しない移動装置に取り付けられており、この移動装置によって、レーザ集光ヘッド２，３を、ワーク４に沿って移動させることができる。こうして、レーザ集光ヘッド２，３に対して相対的にワーク４を移動させることができ、スキャン方向の前方位置に、第１レーザ集光ヘッド２が配置され、スキャン方向の後方位置に第２レーザ集光ヘッド３が配置される。以後、「前方」、「後方」の表現については、特に示さない限り、スキャン方向を基準とする。
【００１７】
また、ワーク４におけるレーザビームＬ１，Ｌ２の照射領域である図１（ｂ）に示すビームスポット（レーザスポット）Ｂ１，Ｂ２においては、それぞれ図示しない温度センサにより温度の計測が行われている。このように、本実施形態では、両ビームスポットＢ１，Ｂ２が本発明の温度計測領域となる。この温度計測領域で計測された温度に基づいて、ワーク４の溶接状態が管理される。温度の計測は、前方のビームスポットＢ１における温度と、後方のビームスポットＢ２における温度とを独立して行われる。このようなツインスポット溶接を行うことにより、入熱管理を行うことでき、さらには光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６との間の隙間の最小化を図ることができる。
【００１８】
以上の構成を有する本実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理の手順を主に図１および図２を参照して説明するが、その前に、ここで、溶接が行われる際のビームスポットにおける温度変化について説明する。良好に溶接されたワークのある一点において温度を観測した場合の時間−温度曲線の一例を図３に示す。図３に示す温度変化では、時間経過とともに温度が上昇し、最初のピークである第一ピークＰ１が現れる。それから、一旦温度が低下した後、最下点Ｍ１で折り返して再び上昇を開始し、２つ目のである第二ピークＰ２が現れ、その後は徐々に温度が低下する。第一ピークＰ１は、溶着最適温度である。また、最下点Ｍ１と第二ピークＰ２との間に光吸収性樹脂層６の融点温度が存在する。第一ピークＰ１は、前方のレーザビームＬ１が照射されているときに現れるものであり、第二ピークＰ２は、後方のレーザビームＬ２が照射されているときに現れるものである。そして、温度が第一ピークＰ１に達するまでの部分が前方のレーザビームＬ１が照射されている時間Ｔ１であり、温度が第二ピークＰ２に達するまでの部分が後方のレーザビームＬ２が照射されている時間Ｔ２である。時間Ｔ１では、主に光吸収性樹脂層６が溶融して光透過性樹脂層５との溶着が行われ、時間Ｔ２では、一旦溶着させたワーク４を再加熱することにより、その溶着を確実にする役割を果たしていると考えられる。
【００１９】
また、図４（ａ）に示すように、レーザビームＬ１，Ｌ２を照射した時における熱影響層の形状Ｗは、側面視して略楕円形をなすように調整されている。通常のシングルスポットで溶接を行う場合、図４（ａ）に示すように、溶着界面ではレーザ光による急加熱のために急激な体積膨張が起こる。この際、固体と液体の界面には図４（ｂ）に示すように液体側から固体側に向けて大きな圧力が生じる。このとき、固体側は変形しないため、固液界面に溶融した被加工材集中し、高密度が生じ、その結果として歪みが生じる。加工速度が速いと、熱源となるレーザビームＬ１は、その場所からすぐに去ってしまうために急冷却が起こる。この急加熱から急冷却という過程を経た場合、溶融時に発生した歪みは緩和されることなく固化から溶着が完成してしまい、溶接不良が起こりやすい状態となる。そこで、２つのレーザ集光ヘッド２，３を用いて、２つのレーザビームＬ１，Ｌ２を照射してツインスポットを形成したツインスポット溶接とし、歪みが残った部分を再加熱してやる。この再加熱を行うことにより、溶接部分に生じていた歪みを緩和することができ、溶接不良を防止することができる。
【００２０】
ところが、このようなツインスポット溶接において、再加熱の際の温度が高すぎると、溶接位置に歪みが残るが、体積膨張を最小限に抑えてやることで歪みが緩和される。そこで、再加熱の際の温度である後方のビームスポットの温度を管理している。後方のビームスポットＢ２では、その温度を融点近傍の温度に維持している。その理由は前方のビームスポットで生じた熱歪みを後方のビームスポットで緩和させるためである。このように、後方のビームスポットＢ２の温度管理を行うことにより、ワーク４の溶接不良を好適に防止することができる。
【００２１】
したがって、レーザ溶接の溶接品質を管理するにあたり、前後のビームスポットの温度をそれぞれ計測する場合、前方のビームスポットは溶着最適温度範囲にあるかどうかを判断すればよく、後方のビームスポットは急激な体積変化による歪みを是正しうる温度範囲にあるかどうかを判断すればよい。ただし、上記の温度範囲での判断を行うためには、ワーク４の面精度が高く、光透過性樹脂層５および光吸収性樹脂層６が互いに密着性がよいことが前提となる。したがって、密着性がよくない場合には、適切な判断をできないことが考えられる。密着性が良くない場合としては、ワークの形状精度が低い場合、ワークの面精度が低い場合、窪みなどがある場合が考えられる。
【００２２】
ここでまず、ワークの形状精度が低い場合について考える。ワークの形状精度が低い場合の温度変化を図５に示す。図５において、前方のビームスポットの温度は１ｓｔ ｅｘｐｏｓｕｒｅで示されており、後方のビームスポットの温度は２ｎｄ ｅｘｐｏｓｕｒｅで示されている。さて、ワークの形状精度が高い場合にはワークに対する印加圧力は均一なものとなるが、ワークの形状精度が低い場合にはワークに対する印加圧力に不均一が生じる。そのため、圧力が掛かっていない部分は光透過性樹脂層５への熱伝導が悪くなるので、前方のビームスポットの温度は、圧力が掛かっていない部分で高温となる。それに対して、後方のビームスポットの温度は、略均一になっている。この結果から、形状精度が低い場合でも、後方のビームスポットにおいては温度が均一であれば密着性が十分に保たれた状態で溶接が完了したことが判る。したがって、後方のビームスポットの温度を管理することにより、溶接が良好に行われたか否かを確認することができる。
【００２３】
次に、ワークの面精度が低い場合について考える。ワークの面精度が低い場合の温度変化を図６に示す。図６においては、図５と同様、前方のビームスポットの温度は１ｓｔ ｅｘｐｏｓｕｒｅで示されており、後方のビームスポットの温度は２ｎｄ ｅｘｐｏｓｕｒｅで示されている。ワークの面精度が低い場合、溶着面には微小な隙間が存在する。この微小な隙間のため、前方のビームスポットの温度は高温となるとともに安定していない。これに対して、後方のビームスポットの温度は略均一になっている。この結果から、形状精度が低い場合と同様、面精度が低い場合でも後方のビームスポットにおいて温度が均一であれば密着性が十分に保たれた状態で溶接が行われたことが判る。したがって、後方のビームスポットの温度を管理することにより、溶接が良好に行われたか否かを確認することができる。
【００２４】
さらに、窪みなどがある場合について考える。窪みがある場合についての温度変化を調べるべく、光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６との間に意図的に窪みを作り、光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６とをビーム溶接した。そのときの温度測定の結果を図７に示す。図７に示すように、溶接部分に窪みがある場合には、後方のレーザビームによる溶接が済んだ後であっても、均一にならないことが判る。これはフロントスポットで溶融させても隙間が埋まらなかったことに起因するものである。
【００２５】
このような密着性が良くない場合の判断を踏まえて、レーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理の手順を説明する。図２は、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接およびその品質管理の手順を示すフローチャートである。
【００２６】
レーザ溶接が始まると、レーザ集光ヘッド２，３がワーク４に対して移動を開始し、やがて２つのレーザ集光ヘッド２，３から出射されるレーザビームＬ１，Ｌ２がワーク４に照射される（Ｓ１）。このとき、前方の第１レーザ集光ヘッド２から照射されるレーザビームＬ１のビームスポットＢ１の強度は、いわゆるシングルスポット溶接における十分な接合強度が保持できる領域、具体的にはガラス転移点以上とする。また、後方の第２レーザ集光ヘッド３から照射されるレーザビームＬ２のビームスポットＢ２の強度は、光吸収性樹脂層６をレーザビームＬ１での加熱、冷却で生じた歪みを緩和できる程度（ガラス転移点以上）の温度となるように調節する。このように、レーザビームＬ１，Ｌ２がともにワーク４に照射された時点から、ワーク４のレーザ照射位置に設定された温度計測領域であるビームスポットにおける温度を計測し、それらの温度を取得する（Ｓ２）。前後のビームスポットの温度を取得したら、前方のレーザビームＬ１のビームスポットにおける温度が溶接基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ３）。溶接基準値は、ガラス転移点以上の領域に設定された所定の温度領域の範囲内にある温度とすることができる。
【００２７】
その結果、前方のビームスポットが溶接基準値に該当する場合には、前方のレーザビームＬ１による溶着が良好に行われているので、次に前方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ４）。その結果、振幅基準値に該当すると判断したら、溶着は安定しているので、後方のビームスポットの温度が温度基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ５）。後方のビームスポットの温度基準値は、光吸収性樹脂層６の少なくともガラス転移点以上で融点から所定幅を持った範囲の中の温度とすることができる。
【００２８】
その結果、後方のビームスポットの温度が温度基準値に該当する場合には、溶接が良好に行われたと判断することができるので、良品と判断する。一方、所定の温度範囲から外れて温度基準値に該当しない場合には、シングルスポットと等価であると同じ条件となるため（Ｓ６）、ワーク４の強度予測を行う（Ｓ７）。強度予測の結果、十分な強度があると判断された場合には良品と判断し、十分な強度がないと判断された場合には再溶着する（Ｓ９）。
【００２９】
一方、ステップＳ３において前方のレーザビームＬ１のビームスポットにおける温度が溶接基準値に該当しないと判断した場合は、十分な溶着がなされていないと考えられる。またステップＳ４において前方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当しないと判断した場合には、溶着自体が不安定であると考えられる。よってこれらの場合には、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ８）。その結果、振幅基準値に該当すると判断したときには、原則どおりに再溶着する（Ｓ９）。一方、振幅基準値に該当しないと判断したときには、後方のビームスポットの温度が突発的に高温となっているか否かを判断する（Ｓ１０）。突発的な高温となっているか否かの判断は、図７に示すグラフのように、突発的な高温が生じているか否かによって行うことができる。その結果、突発的な高温となっているときには、大きな窪みが生じているものと判断することができるので、この場合には不良品と判断する。一方、このような突発的な高温となっていないと判断したときには、原則どおり再溶着する（Ｓ９）。
【００３０】
このようにして、後方のビームスポットの温度および前方のビームスポットの温度に基づいて、ビーム溶接されたワーク４の品質管理を行うことにより、良好な品質管理を行うことができる。
【００３１】
次に、同様のレーザ溶接装置を用いて後方のビームスポットの温度のみに基づいて行う品質管理について説明する。この態様では、後方のビームスポットのみが温度計測領域となり、この温度計測領域で計測された温度の基づいて、ワークの溶接状態が管理される。図８は、レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接および後方のビームスポット温度のみに基づいて行う品質管理におけるの手順を示すフローチャートである。
【００３２】
図８に示すように、レーザ溶接が開始されたら、レーザ集光ヘッド２，３がワーク４に対して移動を開始し、やがて２つのレーザ集光ヘッド２，３から出射されるレーザビームＬ１，Ｌ２がワーク４に照射される（Ｓ１１）。次に、ワーク４のレーザ照射位置に設定された温度計測領域であるビームスポットにおける温度を計測し、それらの温度を取得する（Ｓ１２）。ここまでは、図２に示す前方のビームスポットの温度をも用いる場合の手順と同様である。ただし、ステップＳ１２では、後方のビームスポットのみの温度を計測する態様としてもよい。
【００３３】
ビームスポットの温度を計測したら、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ１３）。その結果、振幅基準値に該当すると判断したときには、溶着は安定していると考えられるので、続いて後方のビームスポットの温度が溶着基準値に該当するか否かを判断する（Ｓ１４）。ここでの溶着基準値は、光吸収性樹脂層６の少なくともガラス転移点以上で融点から所定幅を持った範囲の中の温度とすることができる。そして、後方のビームスポットの温度が溶着基準値に該当すると判断したときには、溶接が良好に行われたと判断することができるので、良品と判断する。
【００３４】
また、ステップＳ１３において、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当しないと判断したときには、表面精度が向上しておらず、溶接自体が不安定であると考えられるので、原則的には再溶接とする。ただし、突発的な高温となっているときには、大きな窪みがあって光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６とが接触していない部分があると考えられるので、後方のビームスポットが突発的な高温となっているか否かを判断する（Ｓ１５）。その結果、突発的な高温が生じている場合には、不良品と判断する。
【００３５】
また、突発的な高温が生じていない場合、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高い（ＨＩ）か否かを判断する（Ｓ１６）。他方、ステップＳ１４で後方ビームスポットの温度が溶着基準値に該当しないと判断した場合にも、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高い（ＨＩ）か否かを判断する（Ｓ１６）。その結果、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高いと判断された場合には、シングルスポット溶接と等価であるので（Ｓ１７）、強度予測を行う（Ｓ１８）。そして、強度予測の結果、十分な強度があると判断されたら良品と判断され、十分な強度がないと判断された場合には、再溶接となる（Ｓ１９）。また、ステップＳ１６で後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高くないと判断されたときにも、再溶着となる（Ｓ１９）。
【００３６】
このように、後方のビームスポットの温度を管理するのみで、良好な品質管理を行うことができる。
【００３７】
以上に説明した本実施形態に係るレーザ溶接では、図１に示す２つのレーザ集光ヘッド２，３を備えるレーザ溶接装置１を用いているが、これに代えて、図９に示すレーザ溶接装置１０を用いることもできる。図９に示すレーザ溶接装置１０は、レーザ集光ヘッド１１を備えている。レーザ集光ヘッド１１には、図示しないレーザ発振器が接続されており、レーザ発振器から発せられるレーザがレーザ集光ヘッド１１に供給される。レーザ集光ヘッド１１は、供給されたレーザを２つに分け、２本のレーザビームＬ１１，Ｌ１２を出射する。また、レーザ集光ヘッド１１は、図示しない移動装置に取り付けられており、この移動装置によって、レーザ集光ヘッド２，３を、ワーク４に沿って移動させることができる。そして、２本のレーザビームＬ１１，Ｌ１２が、レーザ集光ヘッド１１のスキャン方向に沿って離間して、ワーク４に照射される。このようなレーザ溶接装置１０を用いることにより、上記の手順と同様のレーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理を行うことができる。
【００３８】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。上記第１の実施形態では、いわゆるツインビーム式のレーザ溶接装置を用いたが、本実施形態ではシングルビーム式のレーザ溶接装置を用いる。
【００３９】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す側断面図である。図１０に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接の品質管理方法に用いるレーザ溶接装置２０は、レーザ集光ヘッド２１を備えている。レーザ集光ヘッド２１には、レーザ発振器２２が接続されており、レーザ発振器２２からレーザ集光ヘッド２１に対してレーザが供給される。レーザ集光ヘッド２１では、供給されたレーザを集光し、レーザビームＬとして出射する。レーザ集光ヘッド２１の下方位置には、ワーク４が配置されている。ワーク４は、上記第１の実施形態と同様、光透過性樹脂層５および光吸収性樹脂層６の２層構造をなしている。
【００４０】
さらに、レーザ集光ヘッド２１の側方には、温度センサ２３が設けられており、図示しない移動手段に取り付けられている。温度センサ２３は、レーザ集光ヘッド２１から出射されるレーザビームＬのビームスポットＢにおける後部に設定された図１１に示す温度計測領域Ｓの温度を計測している。温度計測領域Ｓは、ビームスポットＢの後端部に設定されており、ビームスポットＢのうち、もっとも温度が高くなっている部分の温度を計測している。温度センサ２３は、赤外線検出器となる温度モニタ２４に接続されており、温度センサ２３から出力された温度計測領域Ｓの温度を温度モニタ２４に表示する。温度モニタ２４に表示された温度に基づいて、ワーク４の溶接状態が管理される。
【００４１】
次に、温度計測領域ＳをビームスポットＢの後端部に設定した理由について説明する。レーザビームのプロファイルがスキャン方向に対して一定である場合、ワークはレーザが当たっている間加熱され続けることになる。ワークの蒸発や未溶融などの判断を行うには、スポット内の最高温度の点を観察するのがもっとも好適となる。スポットのスキャン方向に対する前方位置では、その後どのくらい温度が上昇するか予測できないことから、スキャン方向に対して最後方（後端部）の温度を計測することによって、好適にワークの蒸発や未溶融を確認することができる。
【００４２】
また、溶接の欠陥を発見する際にも、スキャン方向の後端部の温度を計測するのが効果的である。スポットのサイズにもよるが、ビームスポットＢの前方部分溶着面の凹凸をならし、後方部分で品質のよい溶接が行えている場合は温度の測定結果は一定の安定したものとなる。ところが、ビームスポットＢの前方部で凹凸がならせず、隙間が残った場合などは、スポット後方部温度は非常に不安定なものとなる。このことから、スキャン方向の後端部に温度計測領域を設定することにより、溶接の欠陥などを発見することができる。
【００４３】
それでは、本実施形態に係るレーザ溶接装置２０を用いたレーザ溶接を行う際の品質管理について説明する。品質管理を行う際のもっとも簡単な方法は、単純に溶着最適温度範囲のしきい値を設定し、この溶着最適温度範囲を外れたときに不良品と判断する方法である。以下に、その方法について説明する。
【００４４】
まず、ワークの蒸発や未溶融、溶接の欠陥といった溶接不良を判断するための温度のしきい値を決める方法について説明する。しきい値を決める第１の方法は、経験則によるものであり、この方法がもっとも簡単な方法である。しきい値を定めるために、いくつかのサンプルを試験的に作製し、その良品・不良品のデータから経験則によりしきい値を決定する。ここに、しきい値を決定するために実際にワークを安定した状態で作製し、強度試験を行った結果を図１２に示す。図１２に示すように、３４０℃〜３６０℃に温度が上がるときに強度が低下する現象が見られるが、この原因は溶着面の発泡（樹脂の分解）であると推定される。したがって、たとえば良品と判断するための条件を溶着温度４０００Ｎ／ｍｍ^２（ＭＰａ）以上であって、溶着面に気泡が存在しないこととすると、溶着最適温度範囲を２７０℃〜３３０℃と設定することができる。実際の製造ラインでは決定されたしきい値の範囲外は溶着不安定とし、不良品として処理を行う。なお、この例はしきい値決定の判断基準の一例であり、材質や製品の仕様などにより異なる。
【００４５】
また、しきい値を決める第２の方法として、ニューラルネットワークを用いて決定する方法も考えられる。この方法について説明すると、経験則によって決定する方法と同様、試験的にいくつかのサンプルを作製し、そのデータをニューラルネットワークの学習させ、ニューラルネットによってしきい値を決定するものである。実際の製造ラインにおいてはやはり決定されたしきい値の範囲外のものは溶着不安定と判断し、不良品として処理を行う。なお、この方法でも、しきい値決定の判断基準は材質や製品の仕様によって異なる。
【００４６】
そして、図１２のデータおよび良品の条件から、溶着最適温度範囲は２７０℃〜３３０℃とし、このときの最低温度２７０度をＴｍｉｎ、最高温度をＴｍａｘとして、温度センサ２３で計測された温度がその範囲内にあるか否かで判断を行う。溶接の状態が非常に安定しており、良好な溶接が行われたときには、図１３に示すように、略一定の温度変化を示す。
【００４７】
また、たとえば、図１４（ａ）に示す温度変化では、溶着開始後から一旦Ｔｍａｘを超え、その後溶着最適温度範囲に戻るが、今度はＴｍｉｎを下回り、それから溶着最適温度範囲に再び戻った後、さらにＴｍａｘを超えている。その後、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。次に、図１４（ｂ）に示す温度変化では、温度の上昇を続け、溶着最適温度範囲に入った後、Ｔｍａｘを超えてから温度が下降して溶着最適温度範囲に戻る。その後、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。さらに、図１４（ｃ）に示す温度変化では、一旦溶着最適温度範囲に入った後、数回にわたってＴｍａｘを超え、Ｔｍｉｎを下回るような温度変化を示す。それから、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。このように、図１４（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合も、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れている温度がある。このような場合には、いずれも溶接不良と判断し、不良品として取り扱う。
【００４８】
さらに、図１５（ａ）に示す温度変化では、溶着最適温度範囲に一旦入った後、温度の上下動を数回繰り返すものの、一度も溶着最適温度範囲を出ることなく最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。次に、図１５（ｂ）に示す温度変化では、溶着最適温度範囲に一旦入った後、温度の上下動を多数回にわたって繰り返すものの、一度も溶着最適温度範囲を出ることなく最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。このように、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れる温度がない。このような場合には、いずれも良好な溶接ができたと判断し、良品として取り扱う。
【００４９】
このようにして、温度変化を計測しながら、溶着最適温度範囲を外れるか否かによって溶接の良否を判断している。ところで、光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６との間に隙間がある場合、光吸収性樹脂層６にのみ一方的に熱がたまるので、急激に温度が上昇し、ワーク４が発泡してしまう。この発泡現象が起こっているか、または逆に未溶融状態なのかの判断をするためには、最高温度を検出するのが好適となる。この点、本実施形態では、図１１に示すように、温度計測領域ＳをビームスポットＢの後端部に設定しているので、ビームスポットＢの後端部に設定された温度計測領域Ｓでは、ビームスポットＢにおける最高温度を計測していることになる。したがって、ワーク４の未溶融状態やワーク４に生じる発泡現象を確実に検出することができるので、溶接不良を的確に判断し、もって良好な品質管理を行うことができる。
【００５０】
また、本実施形態では、ワーク４として樹脂材料が用いられている。樹脂は金属と比較して、熱の応答性（伝熱性）が低い。このため、ビームスポットＢの後方の温度を計測する方が前方を計測するよりも正確に温度を検出することができる。この点からも、本実施形態のように、ビームスポットＢの後端部を温度計測領域Ｓとすることにより、良好な品質管理を行うことができる。
【００５１】
続いて、単純な品質管理よりも高度な品質管理の手順を説明する。図１６は本実施形態に係るレーザ溶接装置の品質管理の手順を示すフローチャートである。
【００５２】
レーザ溶接装置２０によって溶着を開始すると（Ｓ２１）、溶着温度のデータを収集する（Ｓ２２）。温度データを収集したら、溶着最適温度範囲に入ってから、最後に溶着最適温度範囲を下回るまでの間の全領域で、計測温度が溶着最適温度範囲（基準値）以内にあったか否かを判断する（Ｓ２３）。その結果、図１７（ａ）に示すように、全領域で基準値以内であった場合には、単純な品質管理の場合と同様に、溶接不良は起こっていないので、良品とすることができる。一方、基準値を外れた場合には何らかの問題が生じていることになる。
【００５３】
そこで、基準値を外れたときには、溶着最適温度範囲（Ｔｍｉｎ≦Ｔ≦Ｔｍａｘ）を超えたか（Ｔｍａｘ＜Ｔ、ｈｉｇｈ）下回った（Ｔ＜Ｔｍｉｎ、ｌｏｗ）かを判断する（Ｓ２４）。その結果、溶着最適温度範囲を超えた（ｈｉｇｈ）ことがある場合には、溶着最適温度範囲を超えた温度が異常な高温があるか否かを判断する（Ｓ２５）。その結果、図１７（ｃ）に示すように、異常な高温がある場合には、窪みがあり、光透過性樹脂層５と光吸収性樹脂層６との間に隙間があることになる。したがって、この場合には、不良品と判断する。また、異常な高温ではない場合には、窪みではなく、溶着面に微小な隙間などがあることになる。この場合には、強度が十分であれば外観上問題ないことから、強度が十分であれば良品とすることができる。そこで、異常な高温ではない場合には、強度を測定して強度が十分であるか否かを判断する（Ｓ２６）。その結果、強度が十分である場合には良品と判断し、十分でない（不十分である）場合には不良品と判断する。
【００５４】
また、図１７（ｂ）に示すグラフのように、ステップＳ２４で溶着最適温度範囲を超える（ｈｉｇｈ）ことがなく、下回った（ｌｏｗ）のみの温度変化と判断した場合には、界面に異物が混入していることが考えられる。そこで、異物が混入しているか否かを判断する（Ｓ２７）。その結果、異物が混入しているときには、再溶接を行ったとしても同一箇所で温度低下を起こすので、不良品とする。一方、異物が混入していないと判断したときには、ワーク４へのダメージは比較的小さいので、再溶着することができるので、再溶着として（Ｓ２８）、ステップＳ２１に戻る。
【００５５】
このようにして、溶融最適温度領域のみに基づいた品質管理よりも高度な品質管理を行うことができる。また、このような品質管理を行うにあたっても、図１１に示すように、温度計測領域ＳがビームスポットＢの後端部に設定されていることから、ビームスポットＢにおける最高温度を計測していることになる。したがって、ワーク４の未溶融状態やワーク４に生じる発泡現象を確実に検出することができるので、溶接不良を的確に判断し、もって良好な品質管理を行うことができる。
【００５６】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、好適な上記実施形態ではワークとして樹脂を用いているが、ワークが金属であってもよい。また、ワーク形状が複雑であったり、材質が途中で変化したりする場合には、それらの形状や材質に合わせて、適宜しきい値や溶融最適温度範囲などを設定しなおす態様とすることもできる。
【００５７】
さらに、上記第１の実施形態においての温度の計測については、後方のビームスポットであればよく、後方のビームスポットにおけるいずれの位置の温度を用いてもよく、複数の位置で温度を計測し、それらの平均値とすることもできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、良好な溶接を行うために品質を管理するレーザ溶接における品質管理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す図であり、（ａ）が側断面図、（ｂ）が平面図である。
【図２】レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接およびその品質管理の手順を示すフローチャートである。
【図３】良好に溶接されたワークのある一点において温度を観測した場合の時間−温度曲線の一例を示すグラフである。
【図４】（ａ）はレーザビーム照射時における熱影響層の形状を模式的に示す側断面図、（ｂ）は熱影響層に掛かる圧力を模式的に示す側断面図である。
【図５】ワークの形状精度が低い場合の温度変化の一例を示すグラフである。
【図６】ワークの面精度が低い場合の温度変化の一例を示すグラフである。
【図７】光透過性樹脂層と光吸収性樹脂層の間に意図的に窪みを作り、両者をビーム溶接したときの温度測定の結果を示すグラフである。
【図８】レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接および後方のビームスポット温度のみに基づいて行う品質管理におけるの手順を示すフローチャートである。
【図９】第１の実施形態に係るレーザ溶接装置の変形例を示す側断面図である。
【図１０】第２の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す側断面図である。
【図１１】ビームスポットにおける温度測定領域を説明する平面図である。
【図１２】しきい値を決定するためにワークを安定した状態で作製し、強度試験を行った結果を示すグラフである。
【図１３】良好な溶接が行われたときの温度変化を示すグラフである。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）のいずれも、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れている温度がある温度変化を示すグラフである。
【図１５】（ａ）、（ｂ）とも、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れる温度がない温度変化を示すグラフである。
【図１６】第２の実施形態に係るレーザ溶接装置の品質管理の手順を示すフローチャートである。
【図１７】（ａ）は、計測された温度が全領域で基準値以内であった場合の温度変化を示すグラフ、（ｂ）は、溶着最適温度範囲を超えることがなく、下回ったのみの場合の温度変化を示すグラフ、（ｃ）は、計測された温度に異常な高温があった場合の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１…レーザ溶接装置、２…第１レーザ集光ヘッド、３…第２レーザ集光ヘッド、４…ワーク、５…光透過性樹脂層、６…光吸収性樹脂層、１０…レーザ溶接装置、１１…レーザ集光ヘッド、２０…レーザ溶接装置、２１…レーザ集光ヘッド、２２…レーザ発振器、２３…温度センサ、２４…温度モニタ、Ｂ，Ｂ１，Ｂ２…ビームスポット、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１２…レーザビーム、Ｍ１…最下点、Ｐ１…第一ピーク、Ｐ２…第二ピーク、Ｓ…温度計測領域、Ｗ…熱影響層の形状。

Claims (6)

1. 重ね合わせた被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、前記レーザ照射手段から前記被溶接物にレーザビームを照射して前記被溶接物を溶接するレーザ溶接における前記被溶接物の溶接状態を管理するにあたり、
   前記被溶接物に照射されたレーザビームの照射領域のうち、前記レーザ照射手段の移動方向に対して後部に設定された温度計測領域における温度を計測し、
   前記温度計測領域で計測された温度に基づいて、前記被溶接物の溶接状態を管理することを特徴とするレーザ溶接における品質管理方法。
2. 前記温度計測領域で計測された温度が所定の温度範囲から外れていたときに、溶接不良があると判断する請求項１に記載のレーザ溶接における品質管理方法。
3. 前記所定の温度範囲が前記被溶接物の溶接条件に基づいて定められている請求項１または請求項２記載のレーザ溶接における品質管理方法。
4. 前記温度計測領域が、前記レーザの照射領域のうち、前記レーザ照射手段の移動方向の後端部に設定されている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接における品質管理方法。
5. 前記レーザ照射手段が、前記レーザ照射手段の移動方向に沿って離間する２本のレーザビームを前記被溶接物に照射し、
   前記２本のレーザビームのうち、前記レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射位置に前記温度計測領域が設定されている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接における品質管理方法。
6. 前記被溶接物が、樹脂である請求項１〜請求項５のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接における品質管理方法。

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