JP2006198682A - レーザ溶接検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】 実時間でレーザ溶接ビードを検査するシステムを提供する。
【解決手段】 レーザ溶接ヘッドに追従して溶接ビードの画像を捉える。画像処理は、合格基準値と比較して、所定の許容差範囲内にあると判断されたとき、溶接部は合格であると判断する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、自動車のボディパネル等の溶接ワークの改良品を製造するような自動レーザ溶接システム、並びにレーザ溶接機の改良及び視覚溶接検査装置の製造システム及びその方法に概ね関する。また本発明はレーザ溶接の自動品質管理検査を行う方法に関する。

過去において、自動車産業界で使用される車体パネル等の溶接されたワークは、綱等の延性金属板材料の単体ブランク又は溶接されている複数の該ブランクからパネルをスタンピング或いは引き抜くことによって製造されていた。溶接されたワーク或いは車体パネルには、その構造の強度を上げるために、パネルに溶接された追加のスチフナ及びパッドが通常必要であった。該追加のスチフナ及びパッドは、各種構造体及び固定アセンブリが固定作業或いは溶接作業の際に損傷なくパネルに固定及び溶接されるように、所定の箇所においてワークを厚くするために必要とされていた。スチフナ及びパッドを追加することによって、ワークの重量が増えるだけでなく、ワークを製造するのに要する製造時間が全体で長くなる。大抵、ワークは、成型、引き抜き、或いはスタンピングされて、自動車全体の形状に対応する３次元的な形状を有する最終形状となる。この分野での製造業者の数から結論づけると、品質、原材料のコスト、及び車両を完全に製造及び組み立てるのに必要な製造時間等に関して、自動車産業界は非常に競争が激しい業界であることが言える。競争力を持続するために、製造業者は、必要な高品質を維持する一方で、材料コストを削減しない場合には、部品重量、パートカウント（part count）及び製造時間を低減することによって、材料コストを含む莫大な資源を使い続けてきた。この莫大な量の資源は、各種ワーク並びにフェンダの車体パネル、クウォータパネル、トランクリッド、エンジンルームのフード、車両ドア、及びその他の各種部品等の車両部品を互いに固定する作業等の自動化された日常行われる作業に当てられてきた。

従来、多くの部分から成る金属板のブランクを溶接して単体のワークにし、スタンピングを行って最終形状にしていた。このブランクは、化学的な溶接、アーク溶接、及び炭酸ガスレーザ溶接、リベットによる接合、ボルトによる接合、コールドフォーミング、及びそれらに類似する方法を含む各種の固着技術によって、製造される。自動化された数値制御の製造過程において、炭酸ガスレーザを使用した比較的効率のよいレーザ溶接の利用が近年注目されている。このレーザ溶接は、例えば重ね溶接或いは突き合わせ溶接によって共有のシームにおいて金属板ブランクを接合する際に行われる。通常２つのシームを溶接しなければならない重ね継手とは違い、１つのシームのみを溶接するので、突き合わせ溶接が好ましい。

炭酸ガスレーザによって発生したエネルギを鋼のワークが十分に吸収できないことが原因で最適な溶接の速度を使用できないこと等の多くの問題が炭酸ガスレーザを使用する際に生じる。また、レーザ溶接された継手においても、製造業者がワークの製造に注意を払わなかったり、レーザ溶接過程の複雑さ及び危険性の認識が浅かったりした場合は、適切な溶接速度を採用しているのにも拘わらず問題が生じることがある。溶接されるブランク同士の厚さが互いに異なる場合、問題が生じる。この問題は、例えば、溶接された部分の間で少なくとも１つの外表面の継手に沿って生じる不整合、溶接ビードの寸法及び硬度の不適当、割れ、溶接部分の長さ方向に対して溶接ビードが連続的に横断していないこと、及び溶接ビードに形成されたピンホールである。これらの溶接に関する問題の多くは回避することが困難であり、検知することは更に難しい。大抵、視覚検査をゆっくりと長く行えば、このような問題を検知できる。さらに、溶接された継手に沿った部分に欠陥を発生させないように、溶接されたワークのブランクを引き抜き或いはスタンピングするために、引っ張り及び剪断等による破壊的な試験、顕微鏡写真による断面の分析、エッチ（etch）及び浸透染料検査、並びに成型性試験を行っても、割れ、溶接スパッタ、及びピンホール等の問題のいくつかを検出するにすぎない。

これらの問題は、自動車の車体或いはドアパネルの溶接部品等の綱のワークを突きあわせ溶接し、より大きな単体のワーク或いはドアパネルのブランクを形成し、その後でスタンピング或いは引き抜きを行って、車両に取り付けたり塗装する前のパネルを形成するときに、特に問題となる。多くの場合、この溶接部分は、改良が施されたレーザ溶接技術が使用可能である場合はより速く完成することができる直線状の溶接物である。更に、反射したレーザのエネルギによって作業者を損傷する危険性を最小にするような、多数のワークがレーザ溶接装置に自動的に導入される自動製造組み立てラインが望ましい。更に、この溶接製造過程は、溶接後の検査過程を迅速に行う技術がある場合はより効率よく実行される。

レーザ溶接検査の実用的な方法を発展させるための試みが行われてきた。米国特許第５６０７６０５号は、溶接される対象物にレーザビームが接するときに発生するプラズマの画像を捉えるＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラを利用する方法を開示している。該画像は、その後、プラズマクラウド（plasma cloud）の特定の選択された部分を測定する画像処理装置に送られる。測定値は、更に、該測定値と基準値とを比較する区分け装置に送られて、レーザ溶接の状態、つまり溶接された部分が許容可能か否かが判断される。

検査方法として、レーザ溶接状態を電気ー光学的に検知する方法が用いられてきた。米国特許第５２７２３１２号では、レーザ溶接の検査方法が記載されており、溶接処理の際に溶接池から噴出される液体素材の量を検出するフォトダイオード等の少なくとも１つの光検出器上に、レーザ処理スポットと呼ばれる素材のレーザビームと接触する領域が突き付けられている。フォトダイオードからの信号は電気的な信号に変換されて、処理ユニットに送信され、溶接シームに形成された孔や空洞の場所と大きさを断定する。この文献に記載されている実施例において、プラズマクラウドに存在する紫外線放射の検出が開示されている。

レーザ溶接によって特定の信号が発生し、該信号を監視することで溶接部の品質を決定することができる。米国特許第５６８１４９０号では、溶接過程の各工程を監視するために、フォトダイオード、ホトトランジスタ、ホトダーリントン（photo darlington）、焦電検波器、マイクロホン、並びに赤外線及び熱検出器等のセンサが配置されている。これらのセンサは、光、音、煙、温度等を監視するために利用されている。その後、該センサによって発生した信号はコンピュータによって分析されて溶接部の品質を予測する。

しかし、レーザ溶接部の品質を判断するために溶接ビードを直接検査するような装置及び方法を開示した技術は未だにない。概して従来の方法は、溶接の状況を予測するために不安定な過程を表示する機械の使用に依存しており、溶接部の品質に関する結論を出すために多数の信号を監視及び分析を行う必要がある場合が多い。

部品の数が少なくて最適な最小重量の自動レーザ溶接製造過程で製造されるレーザ溶接ワークが自動車産業界で求められている。本発明に従って製造された溶接ワーク並びにそのワークを製造するシステム及び方法は、既存の溶接されたワークの自動レーザ溶接及び検査方法の欠点を克服している。

概して、本発明は、改良が施されたレーザ溶接ワークと、該ワークを製造するように構成されている自動レーザ溶接及び視覚検査システム並びに方法と、に関する。溶接されたワークは、レーザ溶接部の構造的な特性を改良するような最小の隙間を備えている。新規な自動製造システムは、少なくとも１つの縁を精密剪断することによって溶接されるブランクのワークを製造し、該ブランクを精密に整列配置させて、単体或いはジュアルセル（dual cell）高速且つ高電力のレーザを用いてレーザ溶接するように構成されているロボットを備えた自動製造ラインを具備している。溶接と同時に、レーザ溶接部は視覚検査装置によって検査されて、溶接されたワークを合格或いは不合格にするかが判断される。作業者は、パレット或いはスキッドの金属板ブランク等のパレット上に配置された原材料を自動製造ラインを停止或いは中断させることなく継続して該製造ラインに供給することができる。溶接後、システムは、完成した溶接ワークをロボットで整理して再びパレットで合格ワークスキッド或いは不合格ワークスキッド上に輸送する。作業者は、連続稼働している製造ラインを停止或いは中断させることなく、該製造ラインから合格及び不合格ワークを除去することができる。

溶接されたワーク
本発明は、自動車を製造する際に使用される溶接されたワークを含んでいる。該ワークは、第１の厚みを備えており少なくとも１つの第１精密剪断縁を有している綱板ストックの第１ブランクと、少なくとも１つの第２精密剪断縁を有している第２の厚みの綱板ストック材料で形成されている第２ブランクと、を備えている。第１及び第２精密剪断縁は、それぞれ、第１及び第２ブランクに形成されており、溶接を行う前に、第１精密剪断縁と第２精密剪断縁との間には、最小の隙間が形成される。該縁は、本願で開示される装置を用いて、レーザ溶接され、第１ブランクと第２ブランクとを恒久的に接合するビード状のシームが形成される。改良が施された溶接ワークを製造する方法において、綱板ストックの第１及び第２ブランクは、同じ或いは異なる厚さ及び精密剪断縁を有するものが選ばれる。第１及び第２精密剪断縁は、平坦な溶接板上に配置され、互いに密着するように当接された状態で押圧され、溶接前、第１及び第２精密剪断縁の間には最小の隙間が形成される。該縁はレーザ溶接され、ブランクを恒久的に接合するビード状シームが形成され、溶接ワークが形成される。

自動車を製造する際に使用される溶接されたワークが開示されている。該ワークは、厚さが同じ或いは異なる第１及び第２金属板ブランクから成り、該第１及び第２金属板ブランクは、それぞれ、少なくとも１つの精密剪断縁を備えて形成されている。ブランクは、精密剪断縁同士を当接させて配置したとき、最小の隙間を形成する。連続波レーザによる突き合わせ溶接されたシームは、少なくとも１つの精密剪断縁に沿ってブランクを堅く接合する。

システム
本発明は、更に、溶接されたワークを製造するシステムに関する。該システムは、パレット上に配置された金属板ブランクを所有している複数の供給スキッドの少なくとも１つから複数のブランクのうち少なくとも１つの金属板ブランクを取り出すように構成されている少なくとも１つの多関節アーム供給ロボットを備えている。該アームは、各ブランクを一度にスキッドから磁気的な搬送機の載置位置まで輸送する。各ブランクは、少なくとも１つの接合縁を備えて形成されている。厚さ或いはその他の寸法が異なるブランクを使用する場合、１つのスキッド上にブランクを交互に積載するか、又は、第２多関節アーム供給ロボットを採用して第２の複数のスキッド上に配置されている第２の複数のブランクから寸法の異なるブランクを１つ取り出ようにしてもよい。第２ロボットアームは、協働して動作して第２の寸法の異なるブランクを磁気的な搬送機に供給する。

システムの磁気的な搬送機は、供給ロボットから少なくとも２つのブランクを受け取る。搬送機は、実質的に平坦な搬送ベッド上にブランクを精密に配置するために、ブランク配置装置を備えて構成されている。ブランクは、予め近接して配置され、それぞれの接合縁は実質的に平行である。更に、磁気的な搬送機は、配置されたブランクを解放可能に適宜に即ち所定位置に拘束して、該ブランクを載置位置から剪断位置まで移動させる。

システムは、磁気的な搬送機の剪断位置の周辺に配置されている精密剪断装置を備えている。剪断装置は、各ブランクの接合縁の少なくとも１つを精密に剪断するために、少なくとも１つの下部スタンピングプラテンと協働する少なくとも１つの上部スタンピングダイを備えて構成されている。剪断を行った後、ブランクは、磁気的な搬送機によって、アイドルステーション上に移される。該アイドルステーションは、剪断されたブランクの溶接が可能となるときまで、該ブランクを一時的に保有する。ブランクは、その後、アイドルステーションの端部に位置する溶接ガントリまで第２搬送機によって、搬送される。

第２搬送機は、剪断されたブランクを溶接ガントリのレーザ溶接ベッド上まで移動させる。該ガントリは、ブランクの接合縁を解放可能に位置決めして、該接合縁を溶接ベッドに解放可能に平坦に押圧し、接合縁を互いに当接させて最小の隙間を形成するように動作するクランプ及び位置決めアセンブリ備えている。クランプ機構は、クランプアセンブリを備えて構成されている。該クランプアセンブリは、各ブランクをレーザ溶接ベッドに強く押し付けるために、下降して各ブランクを押さえつける多数のバーを有している。位置決めアセンブリは、精密剪断縁が密着して互いに押圧されるように精密にブランクを配置するべく、各ブランクの１以上の非接合縁に押圧される複数の配置アセンブリを備えている。精密剪断縁は、密着するように互いに押圧されると、その間に最小の隙間或いはシームを形成する。

システムは、また、溶接ガントリに移動可能に取り付けられているレーザ溶接機を備えている。レーザ溶接機は、遠隔レーザパワーユニットによって電気が供給される溶接ヘッドを備えて構成されている。溶接ヘッドは、ガントリに沿って移動し、エネルギを供給されると、ブランクの隙間或いはシームに入射して集中し溶接ビードシームを形成するレーザビームを放つ。システムは、また、レーザ溶接検査装置から成る。該レーザ溶接検査装置は、溶接ビードシームを検査する際にレーザ溶接ヘッドとともに或いはレーザ溶接ヘッドとは別に移動する。溶接されると、出口搬送機が作動してレーザ溶接ベッドから溶接されたワークを除去する。ワークを出口搬送機から出口ステーションまで移動させるように構成されている多関節アーム出口ロボットが備えられている。検査の結果、溶接部が合格であったとき、出口ロボットは、既に検査に合格したワークがある複数のスキッドのうちの１つに溶接されたワークを移す。若しくは、検査の結果、溶接ビードシームが不合格であったとき、出口ロボットは、その欠陥のある溶接ワークを、複数の不合格スキッドがあればそのうちの１つの不合格スキッドに移す。

溶接されたワークを製造するシステムが開示されている。該システムは、パレットに配置された金属板ブランクの複数の供給スキッドのうちの少なくとも１つから少なくとも１つのブランクを取り出すように構成される少なくとも１つの多関節アーム供給ロボットから成る。各ブランクは、少なくとも１つの接合縁を備えて形成されており、多関節アーム供給ロボットは、ブランクを磁気的な搬送機の載置位置まで輸送する。磁気的な搬送機は、供給ロボットから、複数のブランクのうちの少なくとも２つを受け取り、該ブランクを搬送ベッド上に精密に配置する。ブランクは予め近接して配置されており、各接合縁は実質的に平行であり、磁気的な搬送機は、更に、配置されたブランクを適宜に解放可能に拘束し、載置位置から剪断位置までブランクを移動させるように構成されている。システムは、更に、磁気的搬送機の剪断位置の周辺に配置されており、少なくとも１つの接合縁を精密に剪断するために少なくとも１つの下部スタンピングプラテンと協働する少なくとも１つの上部スタンピングダイを備えて構成されている精密剪断装置から成る。また、精密剪断装置から離隔配置されている溶接ガントリが提供されている。該溶接ガントリは、第２搬送機を備えて形成されている。該第２搬送機は、レーザ溶接ベッドを有しており、アイドルステーションを介して磁気的搬送機に連結している。第２搬送機は、アイドルステーションから剪断されたブランクをスライド可能に受け取り、レーザ溶接ベッド上まで移すように構成されている。システムは、ブランクの各接合縁を解放可能に位置決めして、溶接ベッドに平坦に解放可能に押圧して、該接合縁を互いに密着するように当接させて最小の隙間を形成するように動作するクランプ及び位置決めアセンブリを利用している。レーザ溶接機は、溶接ガントリ移動可能に取り付けられている。レーザ溶接機は、溶接ビードシームを形成するために隙間に沿ってブランクを溶接するべく隙間に入射して集中するレーザビームを放つために、遠隔レーザパワーユニットによって電気が供給される溶接ヘッドを有している。レーザ溶接検査装置は、溶接ガントリにスライド可能に連結され、溶接ビードを検査するように動作可能である。検査の後、第２搬送機に連結した出口搬送機はレーザ溶接ベッドから溶接されたワークを除去する。多関節アーム出口ロボットは、ワークを出口搬送機から出口ステーションまで移動させる。該出口ステーションは、複数の合格ワークスキッドのうちの１つの合格ワークスキッドと不合格ワークスキッドとから成るグループから選択される。

稼働している製造システムを中断することなく、空の供給スキッドの除去及び満たされた出口スキッドとの交換をするために、システムは、更に、複数の供給及び出口ステーションのスキッドの各々を包囲するように構成されている軽量のカーテンシステムを備えている。作業者は除去及び交換のためにスキッドに接近すると、軽量のカーテンは、ロボットに直接的或いは間接的に信号を送る。それに反応して、各ロボットは、軽量カーテンが動作している期間、他のスキッドに向かって、溶接されていないブランクを取り出したり、溶接されたワークを出力する。同様に、各スキッド或いはスキッドホルダユニットは、スキッドが空或いは充満されていることを示す信号を発生させるセンサを備えている。スキッドが空或いは充満していると、複数のスキッドの中から他のスキッドを使用するような指示を受ける。

更に、溶接されたワークを製造する方法が開示されている。該方法は、複数の金属板ブランクの各接合縁を精密剪断装置を用いて精密剪断するステップと、搬送機上にて精密剪断された複数のブランクを精密剪断装置から溶接ガントリのレーザ溶接ベッドまで同時に移動させるステップと、ブランクを精密配置して精密剪断された縁を密着するように当接させた状態で位置決めするステップと、ブランクの接合縁を密着するように当接させた状態で溶接ベッドに平坦に押しつけて最小の隙間を形成するステップと、縁をレーザ溶接してビード状シームを形成してブランクを恒久的に接合するステップと、から成り、精密剪断装置は、剪断作業を行うべく少なくとも１つの下部スタンピングプラテンと協働する少なくとも１つの上部スタンピングダイを備えて構成されている。

レーザ溶接機
本発明は、更に、単体或いはマルチセル（multi-celled）レーザ溶接機が開示されている。レーザ溶接機は、複数のワーク上に少なくとも１つのレーザビームを移動しながら放ち該複数のワークを溶接するように構成されている少なくとも１つのレーザ溶接ヘッドを備えている。上述のように、ワークの縁同士が互いに密着して当接した状態で押圧されてシーム或いは隙間を形成するように、ワークが配置されている。ワークは、複合角度で隙間に入射するレーザビームを放つレーザ溶接ヘッドで溶接される。複合角度は、実質的に平坦な金属板のワークに実質的に直交する鉛直方向に対して測定される。複合角度のリーディング角度成分は、実質的に、レーザヘッドが溶接の際ブランクを横断するように移動するときのレーザ溶接ビームの移動方向への角度成分である。複合角度のリーニング成分は、リーディング角度に直交し、且つ実質的にブランク及び隙間に直交する方向への角度成分であり、鉛直方向から１のブランクの一側に傾いている。

複数のワークを溶接するためのレーザ溶接機が開示されている。該レーザ溶接機は、精密に剪断された縁を備えて形成されている複数の互いに隣り合う実質的に平坦なワークの間に形成されている最小の隙間にレーザビームを移動しながら放つように構成されているレーザ溶接ヘッドから成る。精密に剪断された縁は互いに当接して配置され、レーザ溶接ヘッドは、該縁の間に溶接ビードシーム形成することによって、該縁を溶接するように動作する。レーザ溶接機は、更に、複合角度で隙間に入射するレーザビームから成る。複合角度は、ワークに実質的に直交する鉛直方向に対して測定され、実質的にレーザ溶接ビームの移動方向への成分であるリーディング角度成分と、実質的に隙間に直交して鉛直方向から１つのブランクに傾いている方向への成分であるリーニング成分と、を含んでいる。

更に、マルチセルレーザ溶接機が開示されている。該レーザ溶接機は、複数のレーザ溶接ヘッドから成る。各レーザ溶接ヘッドは、精密に剪断された縁を備えて形成される複数の互いに隣り合う実質的に平坦なワークの間に形成される複数の最小の隙間にレーザビームを移動して放つ構成を有している。縁は互いに当接して配置され、レーザ溶接ヘッドは、縁の間に溶接ビードシームを形成することによって、縁を溶接するように動作することができる。レーザビームは、複合角度で隙間に入射する。複合角度は、ワークに実質的に直交する鉛直方向に対して測定され、実質的にレーザビームの移動方向への成分であるリーディング角度成分と、実質的に隙間に直交し、鉛直方向から１のブランクに傾いている方向へのリーニング成分と、を含んでいる。

検査システム
本発明は、また、実時間でレーザ溶接ビードを検査するような構成の特別仕様の視覚システムに関する。レーザビームの焦点がワークに接触すると、溶融溶接池を形成する過度な熱が発生する。レーザビームがワークを横断した後、後に残された溶接池は急速に冷却されて溶接ビードを形成する。ＣＣＤ或いはビデオカメラ等の視覚センサがレーザ溶接ヘッドに追従して溶接ビードを見せる。本発明の好適な実施例において、視覚センサはレーザ溶接ヘッドに固定され、該レーザ溶接ヘッドとともに移動するが、視覚センサはレーザ溶接ヘッドから取り外されて単独でも移動できる。溶接ビードの画像は、レーザ溶接ヘッドの速度及びその他の要因に基づく所定間隔で視覚センサによって捉えられる。視覚センサは該画像を画像処理盤に送る。画像処理盤は、合格とみなされる溶接ビードの幾つかの所定の特性と相関関係がある所定の好適な許容差のリストと該画像とをコプロセッサボード（coprocessor board）、コンピュータ 、及びシステムのソフトウェアと関連させて比較する。選択された溶接ビード画像の特性が特定の所定の許容差範囲内にあると判断されたとき、溶接部は合格であるとみなされて信号が発生する。溶接ビード画像が特定の所定の許容差の範囲外にあると判断されたとき、溶接部には欠陥があるとみなされて信号が発生する。

レーザ溶接検査システムが開示されている。該レーザ溶接検査システムは、レーザ溶接装置と、レーザ溶接ビードの画像を捉える画像獲得装置と、画像獲得装置と電子通信しており、画像獲得装置によって捉えられたレーザ溶接ビードの画像の少なくとも１つの寸法を測定するための画像処理装置と、から成る。更に、該レーザ溶接検査システムは、画像処理装置と電子通信している区分け装置から成る。該区分け装置は、画像処理装置によって測定されたレーザ溶接ビード画像の少なくとも１つの寸法の値と、基準値と、を比較してレーザ溶接部の質を判定する。

更に、レーザ溶接を検査する方法が開示されている。該方法は、溶接ビードの画像を捉えるステップと、レーザ溶接ビード画像の少なくとも１つの寸法を測定するステップと、レーザ溶接部の品質を判定するためにレーザ溶接ビード画像の寸法値と基準値とを比較するステップと、から成る。

その他の本発明の特徴及び効果は、本発明の特徴の一例を示した添付の図面とそれに関連する以下の説明から明白となるであろう。

上記特許請求の範囲に記載されている本発明の範囲を限定することなく図面を参照するとき、各図面中に付されている類似参照符号は、同一の特徴及び部品、対応する特徴及び部品或いは均等な特徴及び部品を示している。

本発明は、鋼、アルミニウム、合金等で形成される厚みが概ね同じ或いは異なる複数の板状金属ブランクを溶接することによって得られる改良が施された溶接ワークである。本発明によると、複数のブランクにおいて、従来よりも速い速度でレーザ溶接されて製造されたワークが不良品である割合が著しく低い。溶接を行う前に、ブランクは少なくとも１つの接合縁に沿って精密に剪断される。このように精度良く剪断することによって、剪断されたブランクの縁同士を当接させたとき、その間に形成される隙間は、たとえ存在したとしても、ごく僅かである。許容差を厳しくして隙間を最小にすることによって、最終的に溶接物は改良され、製造過程を終了させるのに要する時間は減少する。

図１を説明する。改良が施されたワーク１０は、第１金属板ブランク２０及び第２金属板ブランク３０を有している。ブランク２０、３０は、少なくとも１つの接合縁２２、３２をそれぞれ有している。各接合縁２２、３２は、精密に剪断された縁２５、３５で形成されている。突き合わせ溶接の前に、ブランク２０、３０は、溶接表面（図示せず）上に平坦になるように押圧されて、精度良く剪断された縁２５、３５は互いに密着して押圧される。図２及び図２ａから理解できるように、精密剪断縁２５、３５を配置したとき、両者の境界面が互いに接触し合うことが理想である。しかし、製造条件を良好にして、許容差を厳しくしても、縁２５、３５の境界面が連続的に接触することはなく、僅かではあるが、隙間３８が両者２５、３５の境界面にて、発生する。このような隙間３８は、製造過程での通常の製造許容差が原因であり、製造の際には常に発生する。好適な実施例において、精密に剪断された縁２５、３５の間の隙間３８は、好ましくは、約ゼロ乃至約０．０８ミリメータが好ましく、０．０４ミリメータ未満であると更に好ましい。

この隙間３８は、突き合わせ溶接部分等の溶接された継手等において問題となることがある。つまり、この隙間が形成される結果として不適当な溶接部が形成される可能性がある。不適当な溶接部が形成される原因は、溶接物の接合縁２２、３２間において、肉眼で確認できるような割れ及び微細な割れの発生、凸凹及び異形箇所の発生である。この種の凸凹及び異形箇所を設計、強度分析、及び製造過程の段階において適宜に考慮に入れなかったり、製造過程の際に最小にしなかったりすると、溶接されたワーク１０の中に数多くの不良品が存在する可能性がある。この異形箇所及び凸凹が存在しても、製造過程の際に隙間３８を可能な限り十分に小さくすれば、ワーク１０の不良品の数が実質的に減少する。隙間３８は、接合縁２２、３２を精密に剪断することによって最小にされ、溶接前に上記の隙間の寸法が得られる。図３、図３ａ、図３ｂは、溶接された境界面即ち溶接物４０を概略的に示している。該溶接物の特徴については、本発明のレーザ溶接検査装置の記載と関連させて後ほど説明する。

本発明の好適な実施例における溶接されたワークは、厚さが互いに実施的に同じ或いは異なるブランク２０、３０を備えている。説明の都合上、各ブランク２０、３０の厚さは、約０．４ミリメータ乃至約２．０ミリメータの範囲にあることが好ましく、約０．７ミリメータ乃至約１．４ミリメータであると更に好ましいが、これは本願を限定するものではない。本発明の１実施例において、一方のブランクの厚さは、約０．５０ミリメータ乃至約０．７５ミリメータであり、他方のブランクの厚さは、約１．２５ミリメータ乃至約１．５０ミリメータである。厚さが異なる例として、第１ブランク２０は、厚さが約０．７ミリメータのものが選ばれ、第２ブランク３０は、厚さが約１．４ミリメータのものが選ばれる。第１及び第２ブランク２０、３０は、上記の寸法以外の厚さを有していてもよい。前述の例は、ワークの一部の剛性を増加させる必要がある場合の溶接ワークの製造に特に有効である。この例は、スチフナ、パッド、或いは他の構造支持体をワークに追加した場合に起こりうるパートカウント或いは部品重量の増加を伴わずに剛性を増加する必要がある場合に特に効果的である。

代表的な寸法が記述されているが、これは、本願の特定の実施例を説明するために用いただけで、本願を限定するものではない。本願において、各種類の厚さの異なる鋼、スチール合金、及び他の材料が使用できることは当業者には理解できよう。

更なる例として、好適実施例は航空或いは自動車へ応用できることは容易に理解できよう。航空への用途において、航空機の全体の重量及び製造コストを最小限にするように重量及びパートカウントを可能な限り小さくして構造に剛性を備えさせることが必要である。同様に、同じ部品を数百万個組み立てる自動車の製造において、重量及びパートカウントを最小限にすることによって、素材に掛かる費用及び製造時間を実質的に節約できる。図４を参照すると、引き抜き或いはスタンピングされた車体パネル５０の製造に用いられる本願の好適実施例の改良が施された代表的な溶接ワークが示されている。該車体パネル５０は、自動車製造産業に使用されるような形状である。第１及び第２ブランク２０’、３０’は、それぞれの接合縁を精密に剪断した後で、溶接シーム４０’に沿って互いに溶接される。次いで、改良された溶接ワークにスタンピング或いは引き抜きを行い所望の自動車の車体パネルの形状にする。

システムの開示
本発明は、既存のワークの改良と、改良されたワークの製造システム及びその製造方法とを提供する。図５を参照すると、本発明は、自動溶接ワーク製造システム１００を包含する。該システム１００は、ロボットで複数のブランクを取り出し、少なくとも１つの精密に剪断された縁を該ブランクに形成し、該ブランクを溶接し、出来上がった溶接物を検査し、ロボットが適切に溶接されたワークを合格ステーションに出力し、ロボットが不適切に溶接されたワークを不良品ステーションに出力するように形成されている。

溶接されるブランクは、複数個ある多関節アーム供給ロボットの少なくとも１つによって、自動製造システム１００に供給される。自動製造システム１００は、１以上の制御コンピュータ１０５を備えている。該制御コンピュータ１０５は、システム１００を構成する各種装置及び該システムの部品に対して通信、監視、及び／又は制御を行うように構成されている。図５乃至図９を参照すると、複数のロボットステーションのうちの少なくとも１つが提供されている。該ロボットステーションは、少なくとも第１ロボット供給ステーション１１０を備えていることが好ましい。該第１ロボット供給ステーション１１０は、第１多関節アーム供給ロボット１２０を備えている。該ロボット１２０の動作速度は変更可能であり、実質的に２乃至実質的に５つの軸を有するロボットの関節は、約５乃至約３６０°の範囲で、１次元、２次元、或いは３次元的な動作をすることができる。好適な実施例では必要とされていないが、各ロボットを鉛直及び水平方向に伸縮できるようにして、撓み性を増加させてもよい。第１ロボット１２０は、更に、マニピュレータ１２５を備えている。該マニピュレータ１２５は、複数のブランク１３５の第１金属板ブランク１３０を取り外し可能に獲えて少なくとも２つの位置の間で該ブランクを輸送するように構成されている。多種の適当なロボットが商業的に入手可能であり、そのようなロボットとして、オハイオ州ウェスト・カーロルトン（West Carrolton）のモトマン社（Motoman, Inc.）より入手可能なモデル・エスケー１２０（Model SK-120）産業ロボットがある。

好ましくは、第１ロボット１２０は、パレット上に置かれた複数のブランク１３５を所有している第１の複数の供給パレット或いはスキッド１４０のうちの少なくとも１つからブランク１３０を取る。典型的に、第１ロボットは、１つのスキッドを１度で空にして、その後で、使用可能な隣のスキッドからブランクを除去し始めるように構成されている。若しくは、スキッド１４０から所定数のブランク１３０を取り出した後で使用可能な隣のスキッド１４０からブランク１３０を取り出し始めるように第１ロボット１２０を構成してもよい。若しくは、スキッド１４０は、少量或いは空であることを自身で検出できるような構成でもよい。これを実現するには、各スキッド１４０は、光センサ、重量検出機、ビデオ装置、又はそれらの組み合わせたものを使用することによって残存するブランク１３０の量が少ない或いはゼロか否かを決定する分量検出アセンブリ１４５を備える。分量が少ない或いはゼロであることが判断されると、検出アセンブリ１４５は、第１ロボット１２０或いはいずれかの制御コンピュータ１０５に信号を伝送する。それに反応して、第１ロボット１２０或いはいずれかの制御コンピュータ１０５は、選択されているスキッドを使用不可にして、使用可能な隣のスキッド１４０からのブランク１３０の取り出しを開始させる。空のスキッド１４０を再充填する必要があることを管理責任者に警告するために、検出アセンブリ１４５は、視覚的、可聴、或いは電子式のアラーム即ち信号を発生するようになっている。好適な実施例の変形例としては、分量検出アセンブリ１４５は第１ロボット１２０のマニピュレータ１２５に取り付けられるようになっており、もって、検出アセンブリ１４５は、スキッド１４０から次のブランクを取ろうとしたときに、スキッドの分量が少ない或いは空であることを検出する。

安全上、第１ロボット供給ステーション１１０は、セーフティフェンス即ちパーテーション１５０によって、実質的に包囲されている。該パーテーション１５０は、第１ロボット供給ステーション１１０の作業領域内への侵入を検出する軽量のカーテンアセンブリ、特別仕様のドア、又はそれら両者を備えている。パーテーション１５０は、互いに離隔した軽量のカーテンセンサ１５５を備えている。該カーテンセンサ１５５は、侵入発生の際、アラームの信号が発生するように動作する。このような種類のセンサは、カリフォルニア州のフレモント（Fremont）のサイエンティフィック・テクノロジー社（Scientific Technologies, Inc.）等の数多くの業者から商業的に入手可能である。アラームは、視覚式、音声式、電子式、又はそれらの組み合わせたものである。アラームは警告を１回以上出すように構成されている。まず、アラームは、個々の侵入者に視認可能或いは聞こえるように警告する、或いは第１ロボット１２０に隣接した危険性のある領域への侵入が起きていることを責任者に視認可能或いは聞こえるように警告する。また、アラームは、第１ロボット１２０、いずれかの制御コンピュータ１０５、或いはその両方に電子的な信号伝送を行い、第１ロボット供給ステーション１１０への侵入が起きていることを伝える。侵入者が第１ステーション１１０の作業領域に入った場合、第１ロボット１２０、制御コンピュータ１０５のうちのいずれか、又はその両者は、更なるアラームを発生することができる。第１ロボット１２０は、侵入者が損傷することを防止するために、動作を完全に停止することができるようになっている。同様に、如何なる制御コンピュータ１０５も第１ロボット１２０の動作を停止させるように構成でき、更に、システム１００の全体の動作を停止させることができ、もって、侵入者が安全に第１ステーション１１０から出ることができるようになっている。

更に、軽量のカーテンパーテーション１５０は、パレット上に置かれたブランク１３５の各供給スキッド１４０に隣接する軽量のカーテンスキッド除去センサ１６０を備えている。該センサは互いに離隔配置されている。除去センサ１６０は、空或いは少量のスキッド１４０を除去して充填されたスキッド１４０と交換するために作業者が供給スキッド１４０に接近して該スキッドに触れる際に、分量検出アセンブリ１４５と協働してスキッド除去警告信号をロボット１２０或いはいずれかの制御コンピュータ１０５に伝達する。スキッド１４０が空或いは少量であることが予め認識されているときは、除去センサ１６０は、スキッド除去信号を発生するか又は音を発しない。また、検出アセンブリ１４５がスキッド少量或いは無量警告信号を発生させなくても、スキッド除去センサ１６０は、検出アセンブリ１４５と同様に形成されており、隣の使用可能なスキッド１４０からブランク１３０を取り出す必要があることを第１ロボット１２０或いはいずれかの制御コンピュータ１０５に警告する。従って、作業者は少量或いは空のスキッド１４０の除去及び交換を容易に行うことができる。スキッド除去警告信号が発生したとき、第１ロボット１２０は、複数ある他のスキッド１４０のなかの１つからブランク１３０を取り出すように構成されている。このようにして、システム１００は、空或いは少量のスキッドが充填されたスキッドと交換されている間、フルスピードで作業を継続することができる。

図５及び図９に示されているように、システム１００は、第２ロボット供給ステーション１７０を備えることができる。該第２ロボット供給ステーション１７０は、例えば、第２ロボット１７５を具備している、といった第１ロボット供給ステーション１１０の機能の一部或いは全部を備えるように構成されている。本願の発明の限定を意図するものではなく、説明の都合上、第２ステーション１７０は、第１ステーション１１０に隣接或いは該ステーション１１０から離隔している。第２ステーション１７０は、例えば、第１ステーション１１０の各部品、アセンブリ、及び機能を備えていてもよく、又、それらを組み合わせて構成してもよい。第２ステーション１７０は、パレット上に配置された複数のブランク１８５から第２金属板のブランク１８０を取り出すように構成されている。該ブランク１８５は複数の供給スキッド１９０に格納されている。以前と同様に、スキッド１９０は、供給スキッド１４０の要素の一部或いは全部を有している。ブランク１８０の厚さはブランク１３０の厚さとほぼ等しいか或いは異なっていてもよい。

１以上のロボットステーション１２０、１７５は、精密搬送アセンブリ２００に近接配置されている。該アセンブリ２００は、図５、図８及び図９から理解できるように、精密剪断機２１０を備えている。精密搬送アセンブリ２００は、ブランク１３０、１８０等の複数のワークブランクを互いに対して精密に配置するように構成されている複数の精密副搬送機２２０、２２５及び実質的に平らなベッド即ち予備成形支持ジグ２１５を備えるように構成されている。精密搬送機２００は、ロボット供給ステーション１１０、１７０からブランク１３０、１８０を受け取った後で、該ブランク１３０、１８０を取り外し可能に拘束するようになっている。この拘束機構は、ブランク１３０、１８０を取り外し可能に保持するために、搬送アセンブリ２００即ち副搬送機２２０、２２５の周辺の搬送ベッド２３０上に配置されている複数の真空装置、磁気的な装置、或いはクランプ装置を備えてもよい。或いは拘束機構は、これらの装置の組み合わせでもよい。ブランクを受け取り保持した後、搬送アセンブリ２００即ち副搬送機２２０、２２５は、ブランク１３０、１８０を互いに対して精密に配置して、該ブランクを精密剪断機２１０に隣接する切削位置即ち剪断位置に移動させる。搬送アセンブリ２００、即ち副搬送機２２０、２２５は、それぞれ、搬送ベッド２１５の周辺に駆動可能な配置アセンブリ２２８を備えている。該アセンブリ２２８は、１以上のブランク１３０、１８０の外側部と係合する、即ち該外側部を押さえつけて、該ブランク１３０、１８０の接合縁を対向且つ実質的に平行に配置させた状態で、該ブランクを互いに且つ剪断機２１０に対して配置する。配置アセンブリ２２８は、空気圧シリンダ、或いは商業上入手可能な産業用の空気、ニュードローリック（pneudraulic system）システム、及び油圧システムで駆動されることが好ましい。このような配置アセンブリを有する搬送機が数多くあり、それらは多くの商業的な供給者から入手可能であり、上記の構成を有している好適な磁気的搬送機はイリノイ州のＶＩＬマグネチック・コンベヤ・オブ・シカゴ社（VIL Magnetic Conveyors of Chicago）から入手可能である。

好適な精密剪断機２１０は、各ブランク１３０、１８０から接合縁の一部を同時に剪断するように構成されている（図示されていない）２つの剪断ダイ或いはブレードとそれに対応するプラテンを備えている。各ダイ及び対応するプラテンの外側には、精密に切削された角の縁がある。該縁は互いに精密に整列配置しており、各ブランク１３０、１８０に精密に剪断された縁が形成される。各ダイ及びプラテンは、複数の精密に切削された縁を備えるように組み立てられており、もって、ダイ及びプラテンは、縁が摩耗して許容差を超えたとき、除去、反転、即ち回転、及び交換される。このようにして、各ダイ及びプラテンは、その外側にある角の縁を再び切削して精密且つ許容可能な縁を形成する前に、２回以上再利用することができる。従って、各ダイ及びプラテンは、精密に切削された４つの縁を備えていることが好ましい。若しくは、精密に切削された２つの縁も使用可能である。各ブランク１３０、１８０に精密に剪断された縁を形成するために、各縁は切削されており、もって、剪断された縁は、互いに当接されて配置されたとき、実質的に均一に接触して、その間に形成された隙間は最小となる。該隙間は、約ゼロ乃至０．０８ミリメータである。

好ましくは、約１ミリメータ乃至約１０ミリメータがブランクから除去される。更に好ましくは、約３ミリメータ乃至約５ミリメータが除去される。この量だけ除去することによって、在庫にある未処理の材料の縁に存在する可能性のある欠陥をなくすのに十分な量を除去することができる。また、少なくとも上記の量だけ除去することによって、許容差の不均一を最小にして剪断を行うことができる。更に、精密に剪断された縁を互いに押圧する際、該縁は、その境界面にて、実質的に均等に互いに接触し合って、対応してその間に形成される隙間は最小である。両ブランク１３０、１８０の剪断が１つの工程にて実行できるので、２つのダイ及びプラテンを使用することによって効率が上がる。しかし、スループットが少ない場合は、１つのダイ即ちブレードが適している。また、好適な精密剪断機２１０は、ブランクが該機械２１０から移される前に、剪断によるかすを自動的に除去する。本願発明の限定する意図ではなく説明の都合上、好適な油圧作動式の２つのダイを備えている精密剪断機はイリノイ州のＶＩＬ・オブ・シカゴ社（VIL of Chicago）から入手可能である。

ブランクの接合縁を剪断した後、搬送アセンブリ２００即ち副搬送機２２０、２２５は、図５及び図９に示されるように、ブランク１３０、１８０を開放してアイドルステーション、即ちキューイングステーション２３０に移動させる。キューイングステーション２３０は、剪断されたブランクが溶接前に一時的に保管されるように動作する。図示されていないが、別の実施例において、アイドルステーション２３０の代わりに、第１及び第２ロボット１２０、１７５の機能の一部或いは全てを有している少なくとも１つの移動ロボットを用いてもよい。剪断されたブランク１３０、１８０を一時的に保管することによって、他のブランクの組を取り出して整列させて、精密剪断機２１０で剪断することができる。

レーザ溶接の開示
図５及び図１０に示されるように、第２搬送機２４０は、ブランク１３０、１８０をスライド可能に再配置して、該ブランクをアイドルステーション２３０からレーザ溶接ガントリ３００の溶接ベッド３３０上まで移動させる。反射したレーザのエネルギ即ちプラズマ、スパッタ（sputter）、及び他の残骸によって作業者及び近くの設備が損傷を受けることがないように保護するために、レーザ溶接ガントリ３００は閉ざされていることが好ましい。図５、図６ａ、及び図６ｂを参照すると、ガントリ３００は、数値で制御されるレーザ溶接機３５０を内蔵している。該溶接機３５０は、ガントリ３００を横断するように形成されている。該溶接機３５０は、レーザ溶接ヘッド３５５及びレーザ溶接検査装置４００を内蔵している。自己内蔵型のレーザを使用できる例もあるが、本願の好適な実施例においては、ケーブル支持トレー３９０内の光ファイバケーブル３６０を介して遠隔レーザユニット３８０によって電気が供給されるレーザ溶接ヘッド３５５が使用されている。

レーザ溶接ガントリ３００は、レーザ溶接ベッド３３０の周辺において第２搬送機２４０に後退可能に配置されている複数の押し体要素３０５を有している自動位置調節及び方向システムを内蔵している。該押し体要素３０５は、ブランクがレーザ溶接ベッド３３０上に移動するまで、通常、第２搬送機２４０内に後退及び下降している。所定の位置に配置されると、配置アセンブリ３０５は駆動して上昇し、ブランク１３０、１８０の外側縁と取り外し可能に係合し、ブランクを押して整列させる。従って、精密に剪断された縁が互いに実質的に平行に位置決めされて互いに密着するように押圧され、もって、精密に剪断された該縁の間に形成される隙間は最小となる。この配置アセンブリは、精密搬送機２００に採用されているものと形状が類似していてもよい。該縁が位置決めされて互いに接触した状態にあると、溶接ベッド３３０上にてガントリ３００の幅を実質的に横断するように延びているクランプ機構３１０が配置され、溶接の際にブランク１３０、１８０をベッド３３０に所定位置にて押し付けるために、複数のクランプ部材３１５が下降して該ブランクに押圧される。

レーザ溶接機３５０は、溶接ガントリ３００に移動可能に取り付けられており、制御コンピュータ１０５のいずれかを備えている適性にプログラムされたコンピュータによって数値制御されることが好ましい。溶接機３５０は、溶接の際にガントリ３００を横断するときに、正確な速度を維持するように制御される。溶接機は、遠隔レーザパワーユニット３８０に光ファイバケーブル３６０によって接続されているレーザ溶接ヘッド３５５を備えている。図２、図３ａ、図３ｂ、図６ａ、図６ｂ、図６ｃ、図７を参照すると、溶接ヘッド３５５は、溶接ビードシーム４０、４０’を形成することによってブランク１３０、１８０の精密に剪断された縁を溶接するべく、該精密に剪断された縁の周辺領域を照射するレーザビーム３７０を放ち、ブランク１３０、１８０の精密に剪断された縁の間に形成される最小の隙間３８にビーム３７０が入射して集中するように構成されていることは理解できよう。

各種溶接に対して多種のレーザの商業的な利用が可能である。しかし、本願の目的から、（単体若しくは２重光ファイバを対応して備えている）単体若しくはジュアルセル固体非パルス連続レーザを使用することが好ましい。該レーザとしては、例えば、ネオジムがドープされた硬質合成イットリウムアルミニウムざくろ石レーザ（Ｎｄ−ＹＡＧ）がある。好ましくは、レーザは、少なくとも約２．５乃至約３．０キロワットの定格の出力電力を有する。該レーザは、レーザ溶接ヘッド３５５にて少なくとも約２．３乃至約２．８キロワットの電力出力を発生できることが好ましい。レーザ溶接ヘッド３５５にて発生する出力が約２．４キロワットであるとより好ましい。好適なＮｄ−ＹＡＧレーザとしては、ミシガン州のリボニア（Livonia）のルモニクス社（Lumonics, Inc.）より入手可能なモデル・ＬＷ−８・レーザ・ブランク・ウェルダー（Model LW-8 Laser Blank Welder）がある。同様に、電力で出力されたガス及びパルスレーザは、特定の範囲の電力を発生させることができるのであれば使用してもよい。単体セル、単体光ファイバが図面に示されているが、ジュアルセルレーザも同様の効果があり、その場合、レーザ溶接機３５０のスループットが上昇する。

ガスジェット３８５は、レーザ溶接機の一部であり、ガス流は、レーザビーム３７０の進行方向に沿って前方に流れて、レーザビームに照射されている縁の領域に辿り着く。ガスジェット３８５は、溶接のガス汚染を低減する、理想的には該ガス汚染を無くすジェット流を発生させて、プラズマシールディングエフェクト（plasma shielding effect）を最小にする。ガスジェットは、アルゴン、ヘリウム、或いは窒素等の数ある不活性ガスのいずれかであることが好ましい。該ガスジェットは溶接領域の下面に当てられて溶接部分を更に保護する。発生したジェット流が前方に流れることによって、プラズマクラウド（plasma cloud）及び他の溶接による残骸を前方向並びにレーザ溶接機３５５及び該溶接機の近傍にある部品から離れる方向に”吹き飛ばす”。該近傍にある部品とは、以下で説明する検査装置等である。

図６ｂ及び図６ｃを特に参照すると、レーザビーム３７０は、ブランクのシーム即ち境界面と交差して、ブランクの上面を照射するように集中する。ビーム３７０は、ブランク１３０、１８０の表面に直交する鉛直方向に対して複合角度で延びている。複合角度は、”リーディング”成分と”リーニング”成分とを含んでいる。鉛直方向は、図６ｂ及び図６ｃの”Ａ”で示される基準座標系の”Ｙ”方向によって示されている。”Ｘ”方向は、溶接の際、ガントリ３００を横断する入射レーザビーム３７０の前方向を示している。図６ｂを参照すると、レーザビーム３７０のリーディング角度成分は、”Θ”（シータ）で示され、”Ｙ”軸方向から測定される。好ましくは、リーディング角度Θは、約５度乃至１５度であり、７度乃至１２度だと更に好ましく、約１０度が最も好ましい。

リーディング角度は重要な機能を幾つか果たす。リーディング角度Θは、入射するレーザのエネルギが反射してレーザ溶接ヘッド３５５内に入り込んでレーザユニットに達することを防ぐ。次に、リーディング角度Θによって、レーザ溶接ヘッド３５５は、溶接が行われる表面上の点を断熱材で覆うことができる。これによって、溶接ヘッド３５５が溶接の際にプラズマクラウド、溶接のスパッタ及び残骸に接触することを防ぐことができる。３番目に、リーディング角度Θによって、溶接シーム領域を照射するレーザビームスポットの形状が変化する。通常、ビームがワーク表面に直交する場合、溶接ビームスポットは円形である。しかし、円形の溶接スポットの場合、エネルギ密度が非常に高くなり、レーザビーム３７０の進行速度の調節しただけでは制御し難い溶接の問題を引き起こす。従って、鉛直方向とレーザビーム３７０の入射方向との間に角度を形成することによって、レーザビームスポットが照射された表面上に楕円形状を形成することが判った。該楕円の長軸はレーザビームスポットの進行方向、即ち図６ｂのＸ方向に実質的に平行である。楕円形状は、比較的大きい領域に拡がることによって、照射された表面上におけるエネルギ密度は減少する。レーザビームスポットの効果的なエネルギ密度が減少することによって、溶接シームを横断するレーザビームスポットの進行速度等の１の溶接パラメータの違い等によって溶接過程を良好に制御することができる。このような技術は、Mumbo-Caristanに付与された米国特許第５５９５６７０号等の米国特許公報に数多く記載されており、本願では、これらを参考文献として本書に含めることとする。

図６ｃを参照すると、基準座標系Ａは、Ｙ方向を図６ｂと同じ方向にして表示している。”Ｚ”方向はブランク１３０、１８０の横方向を指している（Ｚ方向は上向きであり図６ｂの平面から突出している）。図６ｃにおいて、Ｘ方向は、上に向かって図面から突出している。複合レーザビーム角度のリーニング角度成分は、”γ”（ガンマ）で示される。角度γは約１乃至約１０度が好ましく、３乃至７度だとより好ましく、約５度が最適である。このリーニング角度γによって、レーザビームスポットには楕円形状が提供される。角度γによる該楕円の長軸は、ビームスポットの進行方向及び図６ｂのＸ方向に実質的に直交する。ほぼ同じ厚さを有するブランク同士を溶接する際、ビームスポットは、ブランクの溶接シームの両側に位置する互いに実質的に等しい領域に照射するように集中して配置される。しかし、実質的に厚さの異なるブランクを溶接するとき、リーニング角度γは、楕円形状のレーザビームスポットの断面積の約１５乃至３０％、好ましくは約２５％が厚さの大きいブランク（図２の参照符号３５を参照）の突出した鉛直面上に精密に形成されるように設定されている。該ビームスポットの残りの部分は、厚さの小さいブランクに照射されることは理解できよう。

所望のリーディング角度及びリーニング角度を用いた状態で、レーザ溶接機３５０の速度によって制御される最適な溶接ビードシームを形成するレーザビームスポットがブランクを横断する速度は、毎分約４乃至約１０メートルが好ましく、毎分約７メートルが更に好ましい。これらの溶接パラメータを用いて、少なくとも長さが３０インチであり、約９０００ポンドを越える引っ張り強さを有する溶接シームを備えている溶接ワークが形成される。

従来の気体パルス炭酸ガスレーザで可能な速度よりも速い速度で厚さの異なる素材を溶接する際のＮｄ−ＹＡＧの機能に関するデータが存在せず、上記の角度及び速度は実験によって得られたものであり、幅広い検査及び誤差実験に基づいている。溶落ち、割れ、気孔等のレーザ溶接における変形を最小にするような上述のパラメータが発見された。

検査システムの開示
レーザ溶接システム１００は、また、図６ａ及び図６ｂに示されているように、レーザ溶接検査及び品質管理装置４００を内蔵していることが好ましい。該装置４００は、ガントリ３００のレーザ溶接機アセンブリ３５０と協働するように取り付けられている。図６ａ及び図６ｂにおいて、図示されたレーザ溶接検査装置４００は、溶接作業の際、レーザ溶接機３５０とともに移動するようにガントリ３００に取り付けられている。

レーザ溶接ヘッド３５５がレーザビーム３７０を発してワーク１３０、１８０間のシーム４０を照射すると、溶融溶接池４０２がレーザビーム３７０の焦点４０４にて発生する。レーザビーム３７０及び溶接池４０２がシーム４０を横断するときに、溶接ビードが形成される。レーザ溶接検査装置４００は、画像獲得装置、即ちＣＣＤ或いはハイシャッタスピードビデオカメラ（high shutter speed video camera）等の視覚センサ４１０を使用している。本願発明の限定ではなく、説明の都合上、視覚センサ４１０は、例えば、カナダのモントリール（Montreal）のモジュラー・ビジョン・システムズ（Modular Vision Systems）より入手可能なモデルＭＶＳ−５（model MVS-5）カメラである。本願の他の実施例においては、視覚センサは自走可能で自身を支持する構造体を有するようにしているが、好ましくは、視覚センサ４１０は、カメラ取り付けブラケット４２０等の構造体を用いてレーザ溶接ヘッド３５５の後方に取り付けられる。視覚センサ４１０は、レーザ流の焦点４０４の後方にて所定距離４２５の位置にて溶接路に焦点を当てている。レーザ４０４の焦点と視覚センサ４３０の焦点との間の距離４２５は、視覚センサ４１０によって得られる画像が完全に固化した溶接ビードを映し出すように、選択されている。本発明の好適な実施例において、距離４２５は、約７５ミリメータ乃至約２００ミリメータの範囲にある。約１００ミリメータ乃至約２００ミリメータの間が更に好ましい。更に好ましい距離４２５としては約１５０ミリメータである。視覚センサ４１０は、特定の角度”φ”（ファイ）だけ傾いて取り付けられている。角度φは、図のＸ方向として示される移動方向に向かって約５乃至約１０度であることが好ましい。本願の好適な実施例において、視覚センサ４１０の視界は、検査される溶接サイズに基づいて変更できるが、約５ミリメータＸ約５ミリメータである。

視覚センサ４１０は、レーザ溶接ヘッド３５５の線速度及び検査される溶接ビード特有の特徴等を考慮して所定時間間隔で溶接ビードの画像を捉えるように構成されている。本発明の１の好適な実施例において、視覚センサ４１０は、毎分約６メートルの線速度で移動しながら、４ミリメータ移動する毎に約１つの画像を捉える。

検査される溶接の代表的な断面を図３ａに示す。ブランク１３０、１８０は、厚さが異なるものが選ばれている。該ブランク１３０、１８０は、例えば綱板金属ブランク等の素材から形成されている。ブランクは、本紙表面に直交する長さのシームを介して接合されている。ブランク１３０、１８０は、レーザ溶接機３５０を用いて溶接によって接合されている。レーザビーム３７０の過度な熱がブランク間のシーム４０に接触するので、融合領域４４０が形成される。この融合領域が冷却されると、溶接ワークの上面及び下面上には溶接ビードが形成される。

図７は、本発明のシステムのソフトウェアに含まれている代表的な比較手順を示している。レーザ溶接ヘッド３５５がシームに沿って移動すると、そのすぐ後を視覚センサが追って完全な状態で形成された溶接ビードの画像を所定間隔で見せる。視覚センサで捉えた画像は、例えば制御コンピュータ１０５のうちのいずれかのコンピュータのように、選択されたコンピュータに電子的に伝達される。該コンピュータは、画像処理のハードウェア、ソフトウェア或いはその両方を兼ね揃えた画像処理機を内蔵している。画像処理機は、画像を分析して溶接ビードの縁を決定する。画像処理機は、次いで、以下で詳細に述べられる予め選択された幾つかの寸法領域にて画像を測定する。画像の測定は、まず最初に、ビード幅Ａ及び上部の不整合の大きさＢ（図３ａ）に対して行われる。ビード幅Ａ及び上部の不整合の大きさＢを算出した後、画像処理機は、上凹部の大きさＣ及び上凸部の大きさＤに関して画像を測定する。また、選択されたコンピュータ、その他のコンピュータ１０５のいずれか、或いはその両者は、画像処理機と電子通信即ち電子的に通じている状態で、ハードウェア若しくはソフトウェア成分又はその両者を有している画像コプロセッサ（coprocessor）を内蔵している区分け装置を備えている。該区分け装置は、画像処理機と協働してビード幅Ａ、上部の不整合の大きさＢ、上凹部の大きさＣ、及び上凸部の大きさＤの値と、許容可能な溶接パラメータ及び寸法の値を示す対応基準画像、値、或いはその両者と、を比較する。

各選択された寸法領域の比較が終了すると、区分け装置は、溶接の品質を判定し、溶接されたワークが合格か不合格かを決定する。溶接ビード画像の選択された特性が所定の合格溶接パラメータ及び寸法の限度を超えていない、と判断された場合、溶接は合格であるとして信号が発生する。画像が所定の合格溶接パラメータ及び寸法を逸脱している、と判断された場合、溶接は不合格であるとして信号が発生する。信号は、溶接部品に施される次の適正なる機械加工過程を開始するために使用してもよい。例えば、該信号は、以下で述べられる除去ステーション５１０及び合格ワークスキッド５３０或いは不合格ワークスキッド５４０に送るための多関節アームロボット５２０に送信される。

図７の手順で示されるように、本発明の好適な実施例において、捉えた画像及び基準画像が４つの特定の寸法領域において示された。図３ａに戻ると、これらの寸法領域が、ビード幅Ａ、上部の不整合の大きさＢ、上凹部の大きさＣ、そして上凸部の大きさＤとして示されている。

ビード幅Ａは溶接ビード４４５の縁を形成する境界点間の距離である。該幅Ａは、ワーク１３０、１８０の上面のシームの長さに直交する軸に沿って測定される。

図３ａに示されるように、ワーク１３０、１８０は、下面同士が同一平面内に位置するように、並べられることが好ましい。ワークの厚さが実質的に異なる場合、上部の不整合の大きさＢがブランク１３０の上面とブランク１８０の上面との高低差として存在する。上部の不整合の大きさＢが図３ａに示されているが、ワークは実質的に同じ厚さを有するものでもよく、その場合、上面同士及び下面同士はそれぞれ同一平面内にある。この場合、隣接するワーク表面間の不整合の大きさを考慮する必要がない。

また画像は、一方のブランク或いは厚さの異なるブランクを使用しているときは薄い方のブランク１３０の上面から測定される上凹部の大きさＣで比較される。該上凹部の大きさＣは溶接ビード４４５が沈んだ深さの最大値である。上凹部の大きさＣの測定の基準面は、ワーク１３０、１８０の整列状態及び厚さに基づいて変更可能である。

比較を行うために選ばれる第４の寸法領域は上凸部の大きさＤである。上凸部の大きさＤは溶接ビード４４５の高さの最大値であり、ブランクの上面或いは厚さの異なるブランクを使用する場合は厚い方のブランク１８０の上面から測定される。上凹部の大きさＣと同様、上凸部の大きさＤの測定の基準面はワーク１３０、１８０の整列状態及び厚さに基づいて変更可能である。

図３ａに示される実施例において、溶接ビード４４５の画像は全て上記のワークから視覚センサ４１０によって得られる。しかし、ワーク１３０、１８０の下面に沿って形成されている溶接ビード４５０の一部を見せるための視覚センサを追加して利用することが他の実施例で可能であることは理解できよう。溶接ビードの分析において、寸法の比較を行うために他の領域を使用してもよい。それらには、図３ａに示されるルート幅Ｅ、下凹部の大きさＦ、及び下凸部の大きさＧが含まれている。更に、本願のジュアルセルレーザの形成に使用するために視覚センサを追加してもよく、もって、ジュアルレーザ溶接ヘッドのそれぞれが協働して、溶接ビードの１以上のセグメントを検査することができる。ルート幅Ｅは溶接ビード４５０の縁を形成する２つの境界点の間の距離であり、ワークの下面に形成されたシームの長さに直交する軸に沿った長さである。

図３ｂに示されているように、ブランク１３０、１８０は、整列しており、それぞれのブランクの上面及び下面同士は同一平面内にない。この状況において、一方のブランクの下面と他方のブランクの下面との高さの差である下部の不整合の大きさＨが存在する。下部の不整合の大きさも寸法の比較する領域として選択することができる。

図３ａを再び参照すると、下凹部の大きさＦが、ワーク１３０、１８０の下面より下に向かう溶接ビード４５０の深さの最大値として示されている。ワークの下面から測定される溶接ビード４５０の高さの最大値を調べてもよい。これによって得られる測定値は下凸部の大きさＧである。

以上、選択した寸法を比較する工程を本発明の好適実施例の代表的な順序で示した。しかし、上述の工程は他の順序でもよく、上記の順序は一例であり本願を限定するものではない。更に、比較及び分析の手順は、上記寸法領域の特定の数或いは上記寸法領域の特定の組み合わせに限定されることはない。本願の範囲内で、検査工程を追加してもよく、既存の工程を削除してもよい。

既存の寸法比較領域を採用したり、新しい領域を作り出したり、或いは両方を利用する新しい基準画像を作り出してもよい。基準画像は、寸法比較の各領域に設定される調節可能な許容差領域を有してもよい。このようにして、特定の条件下での使用に際して、それぞれ異なる基準画像が存在することになる。

視覚センサ４１０によって捉えられた溶接ビードの画像を表示するために、既に知られているような視覚表示モニタを画像処理盤、制御コンピュータ１０５のいずれか、或いはその両者に接続してもよい。例えば、所定のパラメータのグラフィックオーバーレイ（graphic overlay）を使用して、寸法比較領域の許容差領域或いは基準画像を表示するために、モニタを追加して接続してもよい。また、システムは、溶接ビードの分析結果によって命令された際、捉えた画像を以後の分析及び比較用に保管する目的で信号を制御コンピュータ１０５のいずれか等の他の設備に送るために通信盤を採用してもよい。

本願において、溶接ビードの画像は鮮明であることが非常に重要である。従って、視覚センサ４１０を汚染から保護することが必要である。視覚センサ４１０はレーザ溶接ヘッド３５５から後方に所定の距離４２５（図６ｂ）離れて保持されているが、視覚センサ４１０は、プラズマ、溶接スパッタ、及び他の残骸の影響を受けるくらい十分溶接池に接近している。溶接の際に溶接池４０２から放出されるプラズマ、煙、及び液体金属の粒子（スパッタ）は視覚センサ４１０に進入して損傷を与える可能性がある。従って、このような損傷を防止する手段を使用することが好ましい。本発明の好適な１実施例において、圧縮空気流４８５が横断するように流れて浮遊する残骸を反らして視覚センサから遠ざける。圧縮空気流以外で同等な機能を発揮するものとして使用可能なものは、レーザ溶接ヘッド３５５に使用されているガスジェット３８５、フィルタ、或いは真空手段等である。

図５及び図１１を参照すると、出口搬送ステーション５００は、自動溶接システム１００の一部として示されている。該ステーション５００は、第２搬送機２４０と協働して溶接されたワークをレーザ溶接ベッド３３０から除去ステーション５１０に移動させる出口搬送機５０５を備えている。除去ステーションは、上記ロボット１２０、１７５の特徴のいずれか或いは全てを備えており、該ロボット１２０、１７５に形状が類似している多関節ロボット５２０を備えている。レーザ溶接の検査において溶接されたワークが合格であるか不合格であるかで、除去ロボット５２０は、出口搬送機５０５からワークを除去して複数ある合格スキッド５３０のどれか或いは不合格スキッド５４０に載せる。不合格である部品の量が傾向としては非常に少なく、不合格のワークを直ぐに除去して検査することが望ましいので、不合格のワークをスキッドに載せる必要がない。この場合、不合格スキッド５４０は、重力ローラ搬送機或いは自動溶接システム１００からワークを除去する他の手段と交換してもよい。作業者の安全のため、出口搬送ステーション５００は、供給ステーション１１０と同様に構成されて、安全柵即ちパーテーション５４５で包囲されている。該パーテーション５４５は、軽量のカーテンアセンブリ或いは特別なドア、或いはその両者で構成されており、出口ステーション５００の作業領域内への侵入を検知する。更に、合格スキッド、不合格スキッド或いはその両者は、供給ステーション１１０に関連して述べた機能と同じ機能を有する軽量のカーテン５５５に包囲されている。

以上、本発明は、比較的安価に製造できて、部品が少なくて、比較的軽量である構造的な改良が施されたワークによって、かつて達成することのできなかった切なる要望を満たしていることは理解できよう。また、本発明は、既存のワーク及びその製造方法が抱えている望ましくない特徴、不備、欠点を克服するワーク等の製造方法の要望を叶えている。溶接されるワークを照射するために複合角度だけ傾いて該ワークに向かうレーザビームから成る溶接ガントリの新規な構成によって、本発明は、自動車産業界の要望に応えている。溶接ガントリは、溶接の際にレーザ溶接機と共に移動する検査装置で構成できる。検査装置は、溶接ビードの画像を捉えて、該画像を画像処理盤に伝送する。次いで、各種溶接ビードのパラメータは、区分け装置によって基準値と比較される。溶接ビードの全パラメータが許容差内にあるとき、ワークは合格とみなされて合格ワークスキッドに移される。溶接ビードの全パラメータが許容差内にないとき、ワークは不合格とみなされて不合格ワークスキッドに移される。溶接ガントリは、ガス流等の溶接ヘッド及び／又は検査装置用保護手段で構成できる。

本発明は、金属板ブランクを搬送システムに輸送するロボットと、搬送システムと、精密剪断装置と、レーザ溶接ガントリと、搬送機から溶接されたワークを輸送するロボットと、から成る自動システムを使用することによって、自動車産業界からの改良されたワークの要求に応えている。

上記実施例及び変形例と、その他の記載されていない自明な本発明の実施例と、それらの均等例は、個々又は組み合わせて実現させてもよい。本発明の特定の好適な実施例を図示して説明したが、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しないような各種の変形例及びその組み合わせが可能であり、その変形例、組み合わせ、及び均等例は全て上記の特許請求の範囲にて包含されている。

本発明の実施例において製造された溶接ワークの縮小平面図 溶接する前のワークの図１の２−２線部分拡大断面図 図２のワークの寸法の一例を示す図 溶接した後のワークの図１の３−３線部分拡大断面図 本発明の別実施例における図３のワークの概略図 本発明の別実施例における下面同士が整合していない図３のワークの概略図 図１のワークから製造されたスタンピングされた車体パネルの縮小斜視図 本発明のレーザ溶接されたワークを製造するシステムのレイアウトを示す縮小平面図 図５の６−６線の示す方向に見た場合の代表的なレーザ溶接ガントリ、レーザ溶接機、及びレーザ溶接検査装置の拡大前面図 レーザビームの複合角度のリーディング角度成分を示している図６ａの一部の拡大詳細図 レーザビームの複合角度のリーニング角度成分を示している図６ｂの６ｃ−６ｃ線断面図 図５、図６ａ、図６ｂの制御コンピュータ、レーザ溶接検査装置、或いはその両者による比較手順の一例のフロー図 本発明の製造システムの複数の供給スキッドと供給ロボットアームと軽量カーテンとを示している図５の一部の拡大図 本発明の製造システムの複数の供給スキッドと供給ロボットアームと磁気搬送機の一部と精密剪断機の一部とを示している図５の一部の拡大図 本発明の製造システムの第２搬送機と溶接ガントリとレーザ溶接ヘッドとワーク配置機とを示している図５の一部の拡大図 本発明の製造システムの出口搬送機と出口ロボットアームと複数の合格ワークスキッドと不合格ワークスキッドとを示している図５の一部の拡大図

符号の説明

１０５： 制御コンピュータ
１３０，１８０： ワーク
３５５： レーザ溶接ヘッド
４００： レーザ溶接検査装置
４０２： 溶融溶接池
４１０： 視覚センサ

Claims (20)

1. レーザ溶接検査システムであって、
   レーザ溶接装置と、
   レーザ溶接ビードの画像を捉える画像獲得装置と、
   前記画像獲得装置と電子通信しており、前記画像獲得装置によって捉えられた前記レーザ溶接ビードの画像の少なくとも１つの寸法を測定する画像処理装置と、
   前記画像処理装置と電子通信しており、前記画像処理装置によって測定された前記レーザ溶接ビードの画像の前記少なくとも１つの寸法の値と基準値とを比較してレーザ溶接部の質を判定する区分け装置と、
   から成るシステム。
2. 前記画像獲得装置は前記レーザ溶接装置に取り付けられており、前記レーザ溶接装置とともに移動することを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記画像獲得装置は、前記レーザ溶接装置に依存せずに移動可能であることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記画像獲得装置はビデオカメラであることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
5. 前記レーザ溶接ビードの前記少なくとも１つの寸法は、ビード幅と、上部の不整合の大きさと、上凹部の大きさと、上凸部の大きさと、ルート幅と、下部の不整合の大きさと、下凹部の大きさと、下凸部の大きさと、から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
6. 前記ビード幅の寸法と、前記上部の不整合の大きさの寸法と、前記上凹部の大きさの寸法と、前記上凸部の大きさの寸法と、前記ルート幅の寸法と、前記下部の不整合の大きさの寸法と、前記下凹部の大きさの寸法と、前記下凸部の大きさの寸法と、前記グループから選択された寸法の組み合わせとは、前記画像処理装置によって測定されることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記画像処理装置によって測定された前記寸法の組み合わせは、それぞれ、前記測定された寸法の組み合わせに対応する基準値と前記区分け装置によって比較されることを特徴とする請求項６に記載のシステム。
8. 前記システムは、更に、溶接の後で検査される溶接されたワークから成ることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
9. 前記ワークは、厚さが同じであるブランクを溶接したものであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記ワークは、厚さが異なるブランクを溶接したものであることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
11. 前記ブランクは、整列して配置され、前記ブランクの下面同士は溶接後に同一平面内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
12. 前記ブランクは、整列して配置され、前記ブランクの上面同士は溶接後に同一平面内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
13. 前記ブランクは、整列して配置され、前記ブランクの上面同士及び下面同士は溶接後に同一平面内に配置されていないことを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
14. 前記システムは、更に、第２画像獲得装置から成り、前記画像獲得装置は溶接されたワークの下面にある溶接ビード画像を捉えるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
15. 厚さの異なる金属板のレーザ溶接を検査する方法であって、
    レーザ溶接ビードの２次画像を捉えるステップと、
    前記レーザ溶接ビードの画像の少なくとも１つの寸法を測定するステップと、
    前記レーザ溶接ビードの画像の前記少なくとも１つの寸法の値と基準値とを比較して前記レーザ溶接部の質を判定するステップと、
    から成る方法。
16. 前記レーザ溶接ビードの前記少なくとも１つの寸法は、ビード幅と、上部の不整合の大きさと、上凹部の大きさと、上凸部の大きさと、ルート幅と、下部の不整合の大きさと、下凹部の大きさと、下凸部の大きさと、から成るグループから選択されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 前記ビード幅の寸法と、前記上部の不整合の大きさの寸法と、前記上凹部の大きさの寸法と、前記上凸部の大きさの寸法と、前記ルート幅の寸法と、前記下部の不整合の大きさの寸法と、前記下凹部の大きさの寸法と、前記下凸部の大きさの寸法と、前記グループから選択された寸法の組み合わせとは、画像処理装置によって測定されることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. 前記画像処理装置によって測定された前記寸法の組み合わせは、前記測定された寸法の組み合わせに対応する基準値と区分け装置によって比較されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
19. 前記方法は、更に、
    前記区分け装置によって判定された前記レーザ溶接部の質に基づいて信号を発生させるステップと、
    前記信号を出力して溶接されたワークの質を認識するステップと、
    から成ることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
20. 前記方法は、更に、
    前記溶接されたワークをレーザ溶接機から除去するステップと、
    前記レーザ溶接部の質に基づいて選択した場所に前記ワークを配置するステップと、
    から成る請求項１９に記載の方法。

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