JP2006159234A - レーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】母材同士の隙間余裕度の拡大化を図ったレーザ溶接方法を提供する。
【解決手段】レーザビームＬを照射部位Ｐに対しワイヤ供給装置１０側よりワイヤ供給モータ１３にてフィラーワイヤ１１を連続供給しながらレーザ溶接を施す。母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさに応じたワイヤ供給量をワイヤ供給比としてモータ１３側の負荷電圧値とともに段階的に予め設定しておく。溶接中に実際のモータ１３側の負荷電圧値をモニタリングし、そのモニタリング値に応じてワイヤ供給比を段階的に切り換える。ワイヤ供給比とは、フィラーワイヤ１１の供給量の度合いとして、ワイヤ供給速度を溶接速度で除した値であって、ワイヤ供給量に比例する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶加材としてフィラーワイヤを併用するレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関し、特に重ね溶接または突き合わせ溶接の形態でレーザ溶接を施す際に、溶接部における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御するようにしたレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関するものである。

周知のようにレーザ溶接は溶接速度を高く設定できるために生産性に優れる等の利点を有している反面、直径にして例えば０．３ｍｍ〜０．６ｍｍ程度の非常に小さいスポット径の範囲にレーザエネルギーを集中して照射し、その周辺のみを溶融して接合を行うため、溶接金属の量が少なく、母材精度のばらつきにより発生する隙間に対しての隙間余裕度が小さいという問題がある。例えば、板厚が１ｍｍ程度の薄鋼板を母材とするワイヤレスでのレーザ重ね溶接では、その隙間余裕度が０．３ｍｍ程度と言われている。

そこで、レーザ溶接中にフィラーワイヤを加えてレーザ照射にてそのフィラーワイヤを溶融させ、溶接金属を増加させることにより隙間余裕度が拡大化されることが知られている。例えば特許文献１に記載の技術では、フィラーワイヤの併用を前提としてシールドガスの供給方向を適正に管理することにより、隙間余裕度の拡大化と併せて溶接品質が向上するとされている。
特開平５−５７４６８号公報（図１）

しかしながら、フィラーワイヤの併用によって隙間余裕度の拡大化を図ろうとする場合、隙間の大きさに応じた適正なフィラーワイヤ供給量を設定しないと隙間余裕度拡大化の効果が十分に得られないだけでなく、溶接後のビードの外観品質が極端に悪化することとなって好ましくない。

また、レーザビームの照射位置とフィラーワイヤの供給狙い位置との間に何らかの理由で位置ずれが生じた場合には、フィラーワイヤが全く溶融せずに母材同士の隙間を埋めることができないこととなって好ましくない。

本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に溶接部における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を積極的に可変制御し、もって母材同士の隙間余裕度の拡大化を図るとともに、レーザビームの照射位置とフィラーワイヤの供給狙い位置との位置ずれに起因する二次的不具合の発生を未然に防止したレーザ溶接方法と溶接装置を提供しようとするものである。

請求項１に記載の発明は、溶接部位にレーザビームを照射するとともに同部位に対しフィラーワイヤを連続供給しながら重ね溶接または突き合わせ溶接の形態でレーザ溶接を施す方法として、溶接部における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の技術をレーザ溶接装置として捉えたものであって、溶接部における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御する制御手段を備えていることを特徴とする。

より具体的には、請求項２に記載のように、溶接部位に対しワイヤ供給手段からフィラーワイヤを連続供給するとともに、溶接中に上記ワイヤ供給手段からのフィラーワイヤの送り出し負荷を監視し、その実測送り出し負荷の度合いに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御するものとする。

望ましくは、請求項３に記載のように、上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量をその供給量のもとでの送り出し負荷とともに予め設定しておき、フィラーワイヤの実測送り出し負荷と設定送り出し負荷とを比較しながらフィラーワイヤの供給量を可変制御するものとする。

より望ましくは、請求項４に記載のように、上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量を設定送り出し負荷とともに数段階に分けて予め設定しておき、フィラーワイヤの実測送り出し負荷に応じてフィラーワイヤの供給量を段階的に切り換えるものとする。

この場合において、上記フィラーワイヤの送り出し負荷および設定送り出し負荷は、例えば請求項５に記載のようにワイヤ供給手段におけるワイヤ送り出しモータの負荷電圧値とし、また、フィラーワイヤの供給量の値としては、例えば請求項６に記載のようにフィラーワイヤの供給速度を溶接速度で除したワイヤ供給比を用いるものとする。

さらに、請求項７に記載のように、上記設定送り出し負荷の限界値を上記隙間の大きさいに応じたフィラーワイヤの供給量ごとに個別に設定しておき、実測送り出し負荷がその限界値を越えた場合には溶接異常信号を出力するものとする。

したがって、少なくとも請求項１，８に記載の発明では、母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量の最適化が図られ、真の意味での隙間余裕度の拡大化が図れるようになる。

請求項１，８に記載の発明によれば、母材同士の隙間にばらつきがあっても必要十分な隙間余裕度の拡大化が図れるとともに、フィラーワイヤ供給量の安定化によって溶接後のビードの外観品質も向上する効果がある。

図１は本発明に係るレーザ溶接装置のより具体的な実施の形態を示しており、同図（Ａ）はその概略説明図を、同図（Ｂ）は同図（Ａ）の左側面図をそれぞれ示している。

図１の（Ａ），（Ｂ）に示すように、多関節型の溶接ロボットＲのロボットアーム１のリスト部２には取付ブラケット３を介してレーザ加工ヘッド４が装着されており、このレーザ加工ヘッド４にはレーザ発振器５から出力されたレーザビームが光ファイバーケーブル６や図示しない光学系を介して導入されて、そのレーザビームＬは被溶接部材である母材Ｗ１，Ｗ２上の溶接点Ｐに対して集光・照射される。また、取付ブラケット３には補助ブラケット７を介してワイヤノズル８が装着されており、このワイヤノズル８は溶接点Ｐ方向を指向しているとともに、ワイヤノズル８にはコンジットチューブ９を介してワイヤ供給手段としてのワイヤ供給装置１０からフィラーワイヤ１１が供給されるようになっている。

ワイヤ供給装置１０は、所定直径のフィラーワイヤ１１が巻回されたワイヤリール１２と、そのワイヤリール１２からフィラーワイヤ１１を繰り出しながらワイヤノズル８側に連続供給するワイヤ供給ローラ１４と、そのワイヤ供給ローラ１４を駆動するワイヤ供給モータとしてのサーボモータ１３と、複数のガイドローラ１５を備えており、例えば母材Ｗ１，Ｗ２を固定側、レーザ加工ヘッド４を可動側とした場合、レーザ加工ヘッド４の移動に基づく溶接動作の進行に併せて溶接点Ｐにフィラーワイヤ１１が所定速度で連続供給される。これにより母材Ｗ１，Ｗ２同士が溶接されることになる。なお、ワイヤ供給装置１０におけるワイヤ供給用のサーボモータ１３は、図２に示すように溶接ロボットＲやレーザ発振器５の制御のためのインターロック盤１６を上位に持つ制御手段としてのワイヤ供給制御装置１７によって制御される。

ここで、母材Ｗ１，Ｗ２同士の間にはその精度ばらつきのために隙間Ｇが発生しており（図１参照）、しかもその隙間Ｇ自体もまたばらついているため、隙間Ｇの大きさに応じて隙間余裕度が最も大きくなる溶接条件を設定する必要がある。

図３にはレーザ出力、溶接速度および隙間余裕度の関係を示す。同図は上下の母材Ｗ１，Ｗ２の板厚が共に１．０ｍｍの場合の実験結果であり、隙間余裕度が最大となる条件、すなわち隙間余裕度が最大となるレーザ出力と溶接速度との組み合わせがあることがわかる。図３では、符号Ａで示すように、レーザ出力３ｋＷ、溶接速度が１．３ｍ／ｍｉｎ程度の場合に隙間余裕度が最大となっている。

通常、レーザ出力は使用するレーザ発振器５の能力により決定されるべき事項であり、同様に溶接速度は生産性を考慮したサイクルタイムによって決定されるべき事項である。図３の実験結果のなかで隙間余裕度が最大となるレーザ出力３ｋＷ、溶接速度が１．３ｍ／ｍｉｎの条件でのワイヤ供給比と隙間Ｇの大きさおよび溶接結果の良否の関係を図４に示す。ここに言うワイヤ供給比とは、フィラーワイヤ１１の供給量の度合いを表すパラメータの一つであり、ワイヤ供給速度（ｍ／ｍｉｎ）を溶接速度（ｍ／ｍｉｎ）で除した値であって、この値が大きいほどワイヤ供給量は多くなる。

図４から明らかなように、ワイヤ供給比が大きい（フィラーワイヤ１１の供給量が多い）場合、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが比較的大きくて例えばその隙間Ｇが１．０ｍｍであっても溶接可能であるが、逆に隙間Ｇが小さいとフィラーワイヤ１１の溶け残りやビードの過大な盛り上がりが発生し、溶接後のビードの外観品質が問題となる（図５の（Ｄ），（Ｅ）参照）。このことは、同時に必要ワイヤ量よりも過剰にフィラーワイヤ１１を使用していることにほかならない。なお、図５は溶接結果の良否の典型的な状態を模式的に示しており、同図（Ａ），（Ｂ）が「溶接結果ＯＫ」の状態を示しているのに対して、同図（Ｃ）は「未溶接につきＮＧ」の状態を、同図（Ｄ）はビードＢｅの「盛り上がり過大につきＮＧ」の状態を、同図（Ｅ）はフィラーワイヤ１１の一部が溶けきらずに溶け残りＱとしてそのまま残っている「溶け残り発生につきＮＧ」の状態をそれぞれ示している。

他方、ワイヤ供給比が小さい（フィラーワイヤ１１の供給量が少ない）場合、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが例えば１．０ｍｍのように比較的大きいと図５の（Ｃ）のように未溶着となるが、その隙間Ｇが例えば０．２ｍｍのように小さい場合にも外観上問題のない良好なビードＢｅをもって溶接することが可能となる。このため、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさに応じてフィラーワイヤ１１の供給量を変化させれば、隙間Ｇの大きさにかかわらず外観上問題のないビードＢｅをもって溶接を行うことが可能となり、隙間余裕度が拡大化されることになる。また、常に必要なだけのワイヤ量を使用することになり、ワイヤ使用量の適正化も同時に可能となる。

そこで、本実施の形態では、ワイヤ供給装置１０のサーボモータ１３側に発生する送り出し負荷としてのトルクに応じた負荷電圧値と母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさに相関があることに着目し、その送り出し負荷である負荷電圧値を常時モニタリングすることによって当該負荷電圧値から母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさをリアルタイムで判断し、もって適正なワイヤ供給量ひいてはワイヤ供給比となるように制御するものである。

図６には、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさ、サーボモータ１３側に発生するトルクに応じた負荷電圧値、およびワイヤ供給比の関係を実験により求めた結果を示す。

同図から明らかなように、いずれのワイヤ供給比においても、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが小さくなるとサーボモータ１３のワイヤ送り出し負荷である負荷電圧値が増加し、逆に母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが大きくなると負荷電圧値が小さくなる。これは、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが小さいとある一定以上のフィラーワイヤ１１は溶融しないため、その隙間Ｇの可能溶融量以上のワイヤ供給比が設定されていることによってフィラーワイヤ１１が溶接点Ｐに入りにくくなり、その結果としてサーボモータ１３側に発生する送り出し負荷としてのトルク、ひいては負荷電圧値が増加するためである。

言い換えるならば、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさが大きいと、ワイヤ可能溶融量が大きい故に溶接点Ｐへフィラーワイヤ１１が入りやすくなり、サーボモータ１３側に発生するトルク、ひいては負荷電圧値は大きくならない。このため、サーボモータ１３側の負荷電圧値をモニタリングすることによって、その実測送り出し負荷である負荷電圧値から母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさを判断することが可能となる。そして、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが大きいと判断された時にはワイヤ供給比を大きくし、逆に母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが小さいと判断された時にはワイヤ供給比を小さくして、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇの大きさにかかわらず安定した溶接品質を得ようとするものである。

より具体的には、本実施の形態では、図６に示すように隙間余裕度が０．８ｍｍあるワイヤ供給比４．０をワイヤ供給制御装置１７側での初期設定値とする。隙間余裕度の中央値０．４ｍｍでの負荷電圧値のモニタリング値が０．７Ｖであるため、そのモニタリング値を中央値として上下に幅を持たせて０．６５〜０．７５Ｖの範囲を設定送り出し負荷（負荷電圧目標範囲）としてワイヤ供給制御装置１７に初期設定しておく。

さらに、各ワイヤ供給比毎に未溶接時（フィラーワイヤ１１の供給のみを行っている場合）の負荷電圧値を管理限界値として予めワイヤ供給制御装置１７に設定しておく。これは、各ワイヤ供給比における未溶接時（フィラーワイヤ１１の供給のみを行っている場合）の負荷電圧値と実際の溶接時の負荷電圧値とでは明確な差があるため、後述するように溶接中に未溶接時と同等の負荷電圧値まで電流が低下した際には、フィラーワイヤ１１とレーザビームＬの照射位置との間にずれが発生しているものとみなして直ちに溶接動作を停止するためである。

そして、図７のフローチャートに示すように、実際の溶接動作を開始するとともに（同図のステップＳ１）、その溶接動作中にサーボモータ１３の負荷電圧値を実測送り出し負荷として図１，２に示したワイヤ供給制御装置１７側に取り込んで常時モニタリングする。その上で、一定周期でそのモニタリング値を予め設定してあるところの設定送り出し負荷である負荷電圧目標範囲と比較し、そのモニタリング値が負荷電圧目標範囲０．６５〜０．７５Ｖの範囲内にあるかどうか判断する（ステップＳ２）。モニタリング値が負荷電圧目標範囲０．６５〜０．７５Ｖの範囲内にある場合には、レーザビームＬの照射があることを条件に上記ステップＳ１以降のステップを繰り返す一方（ステップＳ３）、レーザビームＬの照射がない場合には溶接動作の終了指示と判断して溶接終了となる（ステップＳ４）。

上記ステップＳ２において、負荷電圧値のモニタリング値が負荷電圧目標範囲０．６５〜０．７５Ｖの範囲外にある場合にはステップＳ５に移行し、そのモニタリング値が負荷電圧目標範囲の上限値である０．７５Ｖを越える場合には母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが小さい故に、溶接後のビードＢｅの外観不良あるいはフィラーワイヤ１１の過剰供給となるものと判断して、ワイヤ供給比を３．０に低下させるべくワイヤ供給制御装置１７側で設定し直す（ワイヤ供給比の設定値の更新）。ワイヤ供給比が３．０となると、同時に負荷電圧目標範囲の更新動作としてその負荷電圧目標範囲を０．５〜０．６Ｖの範囲にワイヤ供給制御装置１７側で設定し直す（ステップＳ６）。なお、これらのワイヤ供給比３．０および負荷電圧目標範囲０．５〜０．６Ｖの値も同様にワイヤ供給制御装置１７側に予め設定されているものであることは言うまでもない。

逆に、ワイヤ供給比４．０の場合において、負荷電圧値のモニタリング値が目標範囲よりも小さい場合であって且つ下限値である０．６Ｖ未満の時には、その負荷電圧値のモニタリング値が管理限界値（図６の例では０．４程度）まで低下していないことを条件に（ステップＳ７）、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇが大きいと判断して、ワイヤ供給量を増加させるべくワイヤ供給比をワイヤ供給制御装置１７側で５．０に設定し直す。ワイヤ供給比が５．０となると、同時にワイヤ供給制御装置１７側でその負荷電圧目標範囲を０．８〜０．９Ｖの範囲に設定し直す（ステップＳ８）。

なお、上記のワイヤ供給比３．０および負荷電圧目標範囲０．５〜０．６Ｖの値のほか、上記のワイヤ供給比５．０および負荷電圧目標範囲０．８〜０．９Ｖの値も同様にワイヤ供給制御装置１７側に予め設定されているものであることは言うまでもない。

また、ステップＳ７において、いずれのワイヤ供給比であるかにかかわらず、溶接中に未溶接時と同等の負荷電圧値（管理限界値）まで電流が低下した際には、フィラーワイヤ１１とレーザビームＬの照射位置Ｐとの間にずれが発生し、そのためにフィラーワイヤ１１の未溶融不具合が発生しているものと判断して、直ちに溶接動作に異常停止を実行する（ステップＳ９）。これにより、溶接不具合のままの製品の流出を予め防止できるようになる。

このように本実施の形態によれば、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間Ｇと相関のあるワイヤ供給用のサーボモータ１３の負荷電圧値をリアルタイムでモニタリングして、そのモニタリング値に応じてフィラーワイヤ１１の供給量であるところのワイヤ供給比を積極的且つ段階的に可変制御することにより、母材Ｗ１，Ｗ２同士の隙間余裕度の拡大化が図れるとともに、レーザビームＬの照射位置Ｐとフィラーワイヤ１１の供給狙い位置との位置ずれに起因する二次的不具合の発生を未然に防止できるようになる。

（Ａ）は本発明に係るレーザ溶接装置の概略構成を示す説明図、（Ｂ）は同図（Ａ）左側面説明図。 図１に示すレーザ溶接装置の制御系のブロック回路図。 レーザ出力と溶接速度および隙間余裕度の実験による相関を示す特性図。 レーザ出力３ｋＷ、溶接速度１．３ｍ／ｍｉｎでのもとでの実験による溶接結果として母材同士の隙間とワイヤ供給比との関係を示す特性図。 溶接結果の状態を示す模式図であって、（Ａ）は溶接後のビードの要部斜視図、（Ｂ）は同図（Ａ）のａ−ａ線に沿う断面図、（Ｃ）は同ａ−ａ線に沿う断面での「未溶着ＮＧ」の状態を示す説明図、（Ｄ）は同ａ−ａ線に沿う断面での「盛上がり過大ＮＧ」の状態を示す説明図、（Ｅ）は同ａ−ａ線に沿う断面での「溶け残りＮＧ」の状態を示す説明図。 母材同士の隙間とワイヤ供給モータの負荷電圧およびワイヤ供給比との関係を示す特性図。 図１，２の装置での処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…溶接ロボット
４…レーザ加工ヘッド
５…レーザ発振器
１０…ワイヤ供給装置（ワイヤ供給手段）
１１…フィラーワイヤ
１３…サーボモータ（ワイヤ供給モータ）
１７…ワイヤ供給制御装置（制御手段）
Ｇ…隙間
Ｌ…レーザビーム
Ｐ…溶接点（溶接部位）
Ｗ１，Ｗ２…母材

Claims (14)

1. 溶接部位にレーザビームを照射するとともに同部位に対しフィラーワイヤを連続供給しながら重ね溶接または突き合わせ溶接の形態でレーザ溶接を施す方法であって、
   溶接部位における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 溶接部位に対しワイヤ供給手段からフィラーワイヤを連続供給するとともに、
   溶接中に上記ワイヤ供給手段からのフィラーワイヤの送り出し負荷を監視し、
   その実測送り出し負荷の度合いに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接方法。
3. 上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量をその供給量のもとでの送り出し負荷とともに予め設定しておき、
   フィラーワイヤの実測送り出し負荷と設定送り出し負荷とを比較しながらフィラーワイヤの供給量を可変制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接方法。
4. 上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量を設定送り出し負荷とともに数段階に分けて予め設定しておき、
   フィラーワイヤの実測送り出し負荷に応じてフィラーワイヤの供給量を段階的に切り換えることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。
5. 上記フィラーワイヤの送り出し負荷および設定送り出し負荷がワイヤ供給手段におけるワイヤ供給モータの負荷電圧値であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
6. フィラーワイヤの供給量が、フィラーワイヤの供給速度を溶接速度で除したワイヤ供給比であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
7. 上記設定送り出し負荷の限界値を上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量ごとに個別に設定しておき、
   実測送り出し負荷がその限界値を越えた場合には溶接異常信号を出力することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載のレーザ溶接方法。
8. 溶接部位にレーザビームを照射するとともに同部位に対しフィラーワイヤを連続供給しながら重ね溶接または突き合わせ溶接の形態でレーザ溶接を施す装置であって、
   溶接部位における母材同士の隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御する制御手段を備えていることを特徴とするレーザ溶接装置。
9. 溶接部位に対しワイヤ供給手段からフィラーワイヤを連続供給するようになっているとともに、
   上記制御手段は、溶接中に上記ワイヤ供給手段からのフィラーワイヤの送り出し負荷を監視し、その実測送り出し負荷の度合いに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御するものであることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接装置。
10. 上記制御手段では、隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量をその供給量のもとでの送り出し負荷とともに予め設定しておき、フィラーワイヤの実測送り出し負荷と設定送り出し負荷とを比較しながらフィラーワイヤの供給量を可変制御ものであることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接装置。
11. 上記制御手段では、隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量を設定送り出し負荷とともに数段階に分けて予め設定しておき、フィラーワイヤの実測送り出し負荷に応じてフィラーワイヤの供給量を段階的に切り換えるものであることを特徴とする請求項１０に記載のレーザ溶接装置。
12. 上記フィラーワイヤの送り出し負荷および設定送り出し負荷がワイヤ供給手段におけるワイヤ供給モータの負荷電圧値であることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
13. フィラーワイヤの供給量が、フィラーワイヤの供給速度を溶接速度で除したワイヤ供給比であることを特徴とする請求項８〜１２のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
14. 上記制御手段では、設定送り出し負荷の限界値を上記隙間の大きさに応じたフィラーワイヤの供給量ごとに個別に設定しておき、実測送り出し負荷がその限界値を越えた場合には溶接異常信号を出力することを特徴とする請求項１０〜１３のいずれかに記載のレーザ溶接装置。

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