JP2005224836A

JP2005224836A - レーザ照射アーク溶接方法

Info

Publication number: JP2005224836A
Application number: JP2004035914A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Yasufuku; 哲彌安福; Shinichi Hasegawa; 慎一長谷川; Yuji Ueda; 裕司上田; Naoyoshi Tomita; 直良冨田
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】集光レンズ光学系を保護する保護ガラスが、溶接中に発生するヒューム及びスパッタによって汚れて異常状態にあるときに、警報信号を出力するレーザ照射アーク溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザ光を集光する集光レンズ光学系１２及び前記集光レンズ光学系１２を保護する保護ガラスを有するレーザトーチ１６から被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、溶接中に溶接を妨げない位置に置かれた反射鏡１７を溶接終了後に前記レーザの照射部に移動させて、レーザダイオードからレーザ光を前記反射鏡１７に照射させて前記保護ガラスを通過させ、この透過したレーザ光を光検出器で検出してその検出値が予め定めた値以下のときには前記保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号を出力することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、集光レンズ光学系を保護する保護ガラスの汚れを検出する方法に関するものである。

炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ等を利用したレーザ溶接は、高エネルギー密度の熱源であるので、２［ｍ／分］を超える高速溶接が可能である。しかし、このレーザ溶接では、重ね継手、突き合わせ継手等への溶接において、その継手部分にギャップがある場合には、レーザ照射部のビームスポットが小さいために溶融金属量が少なく、ギャップを埋めながら溶接することが難しい。従って、レーザ溶接においては、被溶接物の継手部分にギャップがない状態にする必要があるために、実用上の適用範囲は非常に限定されていた。

上述したレーザ溶接の問題点を解決する１つの方法として、レーザ照射と消耗電極ガスシールドアーク溶接又はティグ溶接とを併用するレーザ照射アーク溶接方法が提案されている。この溶接方法は、前述したレーザ照射によって形成される高エネルギー密度の熱源による高速溶接性を確保した上で、アークによって形成される広がりのある熱源によって継手部分を幅広く溶融すると共に溶接ワイヤをギャップ部分に充填することによって、ギャップのある継手部分に対しても良好な高速溶接を行うことができるレーザ照射アーク溶接方法である。

図６は、一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図であり、図７は従来技術のレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図であり、図８はレーザトーチに保護ガラス及びクロスジェットを設けた従来技術のレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図であって、図８（Ａ）は側面図であり、図８（Ｂ）は正面図である。また、図６乃至図８は、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザと消耗電極ガスシールドアーク溶接装置とを使用する場合を示している。

図６において、溶接用電源装置ＰＳは、溶接ワイヤ送給装置ＷＭの溶接ワイヤ送給ロールＷＲの回転を制御して、溶接ワイヤ１が図７に示す溶接トーチ１５の溶接トーチボディ４を通して送給される。また、溶接用電源装置ＰＳは、溶接トーチ１５内に設けられた給電チップと被溶接物２との間に電力を供給してアーク３を発生させる。また、図８に示すレーザ・アークノズル６が給電チップ及びレーザ光１０を取囲み、このレーザ・アークノズル６からシールドガスが噴出される。このレーザ・アークノズル６は給電チップ及びレーザ光１０に沿って先細り形状であり、この形状は、複雑な形状の被溶接物２を溶接するときに有効である。

また、レーザ発振装置９から出力されたレーザ光１０は光ファイバ１１によって図７に示すレーザトーチ１６の集光レンズ光学系１２に伝送され、この集光レンズ光学系１２によって被溶接物２に焦点が生じるように収束されて照射される。上記のレーザ光１０を照射する位置は、被溶接物２のアーク３の発生部に対し適宜な距離を持つ位置である。

図８に示す保護ガラス２４は、ほこりが上記の集光レンズ光学系１２に付着することを防止したり、消耗電極ガスシールドアーク溶接によって発生するヒューム及びスパッタが集光レンズ光学系１２に付着することを防止するために設けられている。この保護ガラス２４にスパッタが付着して放置しておくと、レーザ光１０が照射されてスパッタの温度が上昇して保護ガラス２４が破壊されたり、被溶接物２に照射されるレーザ光１０の出力が減衰されることにより、適切な溶接結果を得ることができない。従って、保護ガラス２４を頻繁に交換することが必要であるが、その作業を行う代わりに、通常、図８に示すクロスジェット１４が上記保護ガラス２４の下部に設けられ、上記集光レンズ光学系１２から出力されたレーザ光１０に対して一方向からほぼ直角方向に空気を噴出してスパッタ等を除去している。

なお、炭酸ガスレーザの場合は、波長が赤外線領域の１０．６［μｍ］と長いので、光ファイバ１１を使用することができない。従って、レーザ発振装置９から出力されたレーザ光１０を反射ミラーなどを用いて集光レンズ光学系１２に伝送する。

上述したように、クロスジェット１４を噴出することによって、溶接中に発生するヒューム及びスパッタを除去しているが、長時間の溶接又は突発的な溶接状況の変化によって、保護ガラス２４上にそれらの皮膜が形成されることが少なくない。この形成された皮膜によってレーザ光１０の質が低下し、溶接品質が劣化する。

［従来技術１］
そこで、溶接品質を均一にするために、保護ガラスの汚れの程度を自動的に監視できる方法が提案されている。例えば、特許文献１に記載の「レーザ出射口保護ガラス板の汚れ検出装置」には、レーザ光の光路の傍らの位置であって、レーザ照射口の外側に光センサを保護ガラスに受光面を向けて配置し、この光センサの出力信号に基づいて保護ガラスの汚れ具合を判定する判定回路を備えたレーザ出射口保護ガラス板の汚れ検出装置が開示されている。この保護ガラス板の汚れ検出装置は、保護ガラスに付着した汚れによって保護ガラスで内面反射された光をレーザ光の光路の傍らで受光するので、レーザ照射に影響することなく、保護ガラスの汚れを検出することができる。そして、保護ガラスの汚れ具合に対応した光センサの出力信号に基づいて判定回路により自動的に汚れ具合を判定するので、適時な保護ガラスの交換を可能とし、目視検査を不要とする。

［従来技術２］
また、特許文献２に記載の「レーザ加工ヘッドの保護ガラスの汚れの程度を測定する方法およびこの方法を実施するレーザ加工システム」には、レーザ加工ヘッドによって保持されて、レーザ加工ヘッド内に存在するレンズ機構のビーム出口側に設けられ、レーザビームが通過する保護ガラスの汚れの程度を測定する方法が開示されている。
この方法において、レーザビームの外側に配置された第１の照射検出器機構が、保護ガラスのレーザビームが透過する面を観察し、保護ガラスに付着した粒子上でレーザビームが散乱することによって生じる保護ガラスから来る散乱照射の強度を測定し、散乱照射測定値を生成する。さらに、散乱照射測定値が、基準散乱照射測定値と比較され、基準散乱照射測定値を超えている場合に第１のエラー信号が生成される。
この方法によって保護ガラスの汚れの程度をより簡単に評価できる。
特開平１−１８６２９６号公報特開２００２−３６１４５２号公報

上述した従来技術１及び従来技術２は、被溶接物にレーザ光のみを照射するレーザ加工装置において、保護ガラスに付着した粒子にレーザ光が照射されたときの散乱光を検出することによって、保護ガラスの汚れを検出する方法であって、同時に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うことを想定していない。従って、上述した方法をレーザ照射アーク溶接方法に適用すると、この溶接方法においては、レーザ光だけではなく様々な波長帯をもつアーク光を散乱照射検出器が誤検出するために、適用することができない。

本発明は、前記集光レンズ光学系を保護する保護ガラスが、溶接中に発生するヒューム及びスパッタによって汚れて異常状態にあるときに、警報信号を出力するレーザ照射アーク溶接方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、第１の発明は、
レーザ光を集光する集光レンズ光学系及び前記集光レンズ光学系を保護する保護ガラスを有するレーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
溶接中に溶接を妨げない位置に置かれた反射鏡を溶接終了後に前記レーザの照射部に移動させて、レーザーダイオードからレーザ光を前記反射鏡に照射させて前記保護ガラスを通過させ、この透過したレーザ光を光検出器で検出してその検出値が予め定めた値以下のときには前記保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号を出力することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。

第２の発明は、
レーザ光を集光する集光レンズ光学系及び前記集光レンズ光学系を保護する保護ガラスを有するレーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
溶接中に溶接を妨げない位置に置かれた反射鏡を溶接終了後に前記レーザの照射部に移動させて、レーザーダイオードからレーザ光を前記反射鏡に照射させて前記保護ガラスの付着物に反射させて前記反射鏡に反射させ、この反射したレーザ光を光検出器で検出してその検出値が予め定めた値以上のときには前記保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号を出力することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法である。

本発明のレーザ照射アーク溶接方法は、集光レンズ光学系を保護する保護ガラスの汚れを検出する光検出器がアーク光を誤検出することがなく、この保護ガラスが、溶接中に汚れて異常状態にあることを正確に検出して警報信号を出力し、レーザ照射アーク溶接を中止することができる。

発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
図１（Ａ）は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するための可動式反射鏡を設けたレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図であり、図１（Ｂ）は可動式反射鏡の動作を示す図である。図２は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するためのレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を示す図である。図３は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するための可動式反射鏡と光検出器との位置関係を示す図である。図４は、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するためのレーザーダイオードからレーザ光を反射鏡に照射させたときの状態を説明する図である。

図１に示すレーザ照射アーク溶接ヘッドのレーザトーチ１６の集光レンズ光学系１２に可動式反射鏡１７を設けており、エアシリンダ又はモータでこの可動式反射鏡１７を移動させる反射鏡駆動機構１８が設けられている。この機構１８によって、可動式反射鏡１７は、レーザ照射アーク溶接中に、集光レンズ光学系１２に設けられた反射鏡保護材１３に位置決めされ、溶接終了後に集光レンズ光学系１２に設けられた保護ガラス２４の下部に位置決めされる。

図２において、ロボット本体８の先端部にはレーザ照射アーク溶接ヘッド７が取付けられている。ロボット制御装置５は、上記のロボット本体８及び反射鏡駆動機構１８の動作を制御するための動作制御信号Ｍｃを出力すると共に、アーク溶接及びレーザ照射の開始及び停止のタイミングを同期制御するための出力同期信号Ｐｃを出力する。溶接用電源装置ＰＳは、アーク溶接を維持するための溶接電流Ｉｗ及び溶接電圧を出力すると共に、溶接ワイヤ１の送給を制御し、上記の出力同期信号Ｐｃを入力としてアーク溶接の開始及び停止を制御する。レーザ発振装置９は、上記の出力同期信号Ｐｃを入力として、所定のレーザ出力値Ｐｗ［ｋｗ］でのレーザ光１０の照射の開始及び停止を制御する。

また、図３に示すように、可動式反射鏡１７の横にレーザダイオード２３と光検出器１９とが設けられている。レーザダイオード２３は、図４に示すように、レーザ光２０を可動式反射鏡１７に照射させる。このとき保護ガラス２４に付着物２１が有るときは、これに反射させて反射鏡１７に反射させ、この反射したレーザ光を光検出器１９で検出する。その検出値が予め定めた値以上のときには保護ガラス２４が溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号をロボット制御装置５に出力する。
この光検出器１９には、レーザ光のみの波長を透過するバンドパスフィルタ２２が取付けられていて、レーザ光以外の光を検出して誤動作信号を出力することを防いでいる。

次に、本発明のレーザ照射アーク溶接方法を説明する。図２に示すレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置において、ロボット制御装置５に溶接開始指令が入力されると、ロボット本体８が動作してレーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接開始位置に移動する。レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接開始位置に達すると、出力同期信号Ｐｃが出力されて、溶接ワイヤ１が送給されてアーク溶接が開始すると共に、レーザ照射も開始する。溶接中は、レーザ照射アーク溶接ヘッド７は予め定めた教示動作データに従って移動し、アーク発生部前方にレーザ光１０を照射しながら溶接が行われる。そして、レーザ照射アーク溶接ヘッド７が溶接終了位置に達すると、アーク溶接及びレーザ照射が終了する。

アーク溶接及びレーザ照射が終了すると、ロボット本体８が動作してレーザ照射アーク溶接ヘッド７が保護ガラス検出位置に移動する。レーザ照射アーク溶接ヘッド７が保護ガラス検出位置に達すると、ロボット制御装置５から可動式反射鏡１７の反射鏡駆動機構１８に反射鏡検出位置移動指令信号が入力されて、図３に示すように、可動式反射鏡１７が、集光レンズ光学系１２の保護ガラス２４の下部に位置決めされる。

そして、ロボット制御装置５からレーザダイオード２３にレーザ照射指令信号が入力されると、図４に示すように、レーザダイオード２３からレーザ光２０が可動式反射鏡１７に照射される。このとき保護ガラスに付着物が無いときは、レーザ光２０は集光レンズ光学系１２を透過するので、光検出器１９は何も検出しない。
その場合は、ロボット制御装置５から可動式反射鏡１７の反射鏡駆動機構１８に反射鏡待避指令信号が入力されて、可動式反射鏡１７が、集光レンズ光学系１２の図１に示す反射鏡保護材１３に位置決めされる。そして、ロボット制御装置５に溶接開始指令が入力されて、レーザ照射アーク溶接が再開される。

一方、保護ガラスに付着物が有るときは、レーザ光２０はこれに吸収されると同時に、散乱光が発生して、この散乱光は反射鏡１７に反射され、この反射したレーザ光２０が光検出器１９で検出される。その検出値が予め定めた値以上のときには保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号をロボット制御装置５に出力して、ロボット本体の動作を停止する。

図４において、光検出器１９を集光レンズ光学系１２の横に設けているが、この代わりに、図５に示すように、光検出器１９を集光レンズ光学系１２のレーザ照射基に設けてもよい。図５は、本発明の他の実施の形態を示す図である。この場合、レーザダイオード２３からレーザ光２０を反射鏡１７に照射させて保護ガラスを通過させ、この透過したレーザ光２０を光検出器１９で検出して、その検出値が予め定めた値以下のときには保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号をロボット制御装置５に出力する。

本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するための可動式反射鏡を設けたレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図である。本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するためのレーザ照射アーク溶接ヘッド制御装置を示す図である。本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するための可動式反射鏡と光検出器との位置関係を示す図である。本発明のレーザ照射アーク溶接方法を実施するためのレーザーダイオードからレーザ光を反射鏡に照射させたときの状態を説明する図である。本発明の他の実施の形態を示す図である。一般的なレーザ照射アーク溶接装置を示す図である。従来技術のレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図である。レーザトーチに保護ガラス及びクロスジェットを設けた従来技術のレーザ照射アーク溶接ヘッドを示す図である。

符号の説明

１溶接ワイヤ
２被溶接物
３アーク
４溶接トーチボディ
５ロボット制御装置
６レーザ・アークノズル
７レーザ照射アーク溶接ヘッド
８ロボット本体
９レーザ発振装置
１０レーザ光
１１光ファイバ
１２集光レンズ光学系
１３反射鏡保護材
１４クロスジェット
１５溶接トーチ
１６レーザトーチ
１７可動式反射鏡
１８反射鏡駆動機構
１９光検出器
２０レーザ光
２１付着物
２２バンドパスフィルタ
２３レーザダイオード
２４保護ガラス
Ｉｗ溶接電流
Ｍｃ動作制御信号
Ｐｃ出力同期信号
ＰＳ溶接用電源装置
Ｐｗレーザ出力値
ＷＭ溶接ワイヤ送給装置
ＷＲ溶接ワイヤ送給ロール

Claims

レーザ光を集光する集光レンズ光学系及び前記集光レンズ光学系を保護する保護ガラスを有するレーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
溶接中に溶接を妨げない位置に置かれた反射鏡を溶接終了後に前記レーザ光の照射部に移動させて、レーザーダイオードからレーザ光を前記反射鏡に照射させて前記保護ガラスを通過させ、この透過したレーザ光を光検出器で検出してその検出値が予め定めた値以下のときには前記保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号を出力することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法。
レーザ光を集光する集光レンズ光学系及び前記集光レンズ光学系を保護する保護ガラスを有するレーザトーチから被溶接物にレーザ光を照射すると共に消耗電極ガスシールドアーク溶接を行うレーザ照射アーク溶接方法において、
溶接中に溶接を妨げない位置に置かれた反射鏡を溶接終了後に前記レーザ光の照射部に移動させて、レーザーダイオードからレーザ光を前記反射鏡に照射させて前記保護ガラスの付着物に反射させて前記反射鏡に反射させ、この反射したレーザ光を光検出器で検出してその検出値が予め定めた値以上のときには前記保護ガラスが溶接中に汚れて異常状態にあると判断して警報信号を出力することを特徴とするレーザ照射アーク溶接方法。