JP2007203312A - レーザ溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】溶接品質を確保して、レーザ溶接システムのランニングコストを著しく向上させることができるレーザ溶接システムを提供する。
【解決手段】レーザトーチから照射されるレーザ光の入熱量を測定するときのレーザ発振器の出力の設定値を設定するレーザ出力設定部と、レーザ光の入熱量を測定するレーザ入熱量測定器と、溶接開始前にレーザトーチからレーザ入熱量測定器にレーザ光を照射して、このレーザ入熱量測定器の測定値とレーザ出力設定部の設定値との差に基づいて入熱量の低下比率を算出し、レーザトーチから照射されるレーザ光のエネルギが減衰して入熱量の低下比率が所定値以上のとき、以後の溶接を行わず、入熱量の低下比率が所定値以下のとき、レーザ発振器の設定値を補正して、レーザ入熱量測定器の測定値を補正前のレーザ発振器の設定値に修正して溶接を行うレーザ入熱量制御部とを備えたレーザ溶接システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、被溶接物をレーザによって溶接するための改良されたレーザ溶接システム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。図３は、一般的なレーザ溶接装置を示す図であり、図４はレーザトーチ内の集光レンズ光学系を示す図である。また、図３及び図４は、ＹＡＧレーザ又は半導体レーザを使用する場合を示している。

図３おいて、レーザトーチ１がマニピュレータ２のアーム３の先端に取り付けられている。レーザ発振器４から出力されたレーザ光５は、光ファイバ６によってレーザトーチ１に伝送される。図４において、レーザトーチ１に伝送されたレーザ光５は、集光レンズ光学系７のコリメートレンズ８によって平行光に変換される。そして、平行光に変換されたレーザ光５は、集光レンズ９によって被溶接物１０に焦点が生じるように収束されて照射される。

図３おいて、ティーチペンダント１１からロボット制御装置１２に動作指令信号Ｓ１が出力される。そして、ロボット制御装置１２から動作制御信号Ｓ２がマニピュレータ２に入力されて、第１軸乃至第６軸から成る６つの軸を回転させて、レーザトーチ１のレーザ照射位置が制御される。ロボット制御装置１２からレーザ発振器４に、レーザ出力制御信号Ｓ３が出力されて、レーザ光５の出力値が制御される。

図４に示す保護ガラス１３は、レーザ溶接によって発生するヒュームや火花が、集光レンズ光学系７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１３にヒュームや火花が付着して放置しておくと、レーザ光５が照射されたときに、この付着物の温度が上昇して、保護ガラス１３が破壊されることがある。また、被溶接物１０に照射されるレーザ光５のエネルギが、付着物に吸収されて、被溶接物１０への入熱量が低下される。その結果、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１３が汚れた場合、交換する必要がある。（例えば、特許文献１参照。）。

従来、この保護ガラスが汚れたことを検出する方法として、例えば、レーザトーチの外周に検出器を設けて、この検出器で保護ガラスのレーザ光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光が散乱して生じる散乱照射の強度を測定する。そして、この測定値が基準値を超えている場合に、異常と判別して、運転を停止するシーケンスを選択する方法が提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００５−２２４８３６号公報 特開２００２−３６１４５２号公報

上述した方法は、単に、保護ガラスの汚れ度合いの基準値を設定して、検出値がその基準値以下の場合、運転を継続し、その基準値以上の場合、運転を停止する。そのために、検出器の感度を低く設定して、保護ガラスの汚れ度合いが少ないとき、異常と判別することなく、レーザ光の入熱量が低下しているという状態のままで、運転を継続することになる。その結果、溶接品質を確保することができない場合がある。逆に、検出器の感度を高く設定した場合、異常と判別して運転を停止するシーケンスを頻繁に選択することになり、生産性が低下するといった不具合があった。

さらに、レーザトーチから出力されるレーザ光の入熱量が低下する原因としては、上述した保護ガラスが汚れることの他に、レーザ発振器、光ファイバ又はレーザトーチ等の機器の性能低下が原因の場合もある。これらの機器の全ての故障をセンサ等で確認することは、非常に困難である。

本発明は、溶接品質を確保して、ランニングコストを著しく向上させることができるレーザ溶接システム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、
レーザ発振器から出力されたレーザ光をレーザトーチによって被溶接物へ照射するレーザ溶接システムにおいて、
前記レーザトーチから照射される前記レーザ光の入熱量を測定するときの前記レーザ発振器の出力の設定値を設定するレーザ出力設定部と、
前記レーザ光の入熱量を測定するレーザ入熱量測定器と、
溶接開始前に前記レーザトーチから前記レーザ入熱量測定器に前記レーザ光を照射してこのレーザ入熱量測定器の測定値と前記レーザ出力設定部の設定値との差に基づいて入熱量の低下比率を算出し前記レーザトーチから照射される前記レーザ光のエネルギが減衰して前記入熱量の低下比率が所定値以上のとき以後の溶接を行わず前記入熱量の低下比率が前記所定値以下のとき前記レーザ発振器の設定値を補正して前記レーザ入熱量測定器の測定値を補正前の前記レーザ発振器の設定値に修正して溶接を行うレーザ入熱量制御部と、
を備えたことを特徴とするレーザ溶接システムである。

第２の発明は、
第１の発明記載のレーザ出力設定部の設定値を前記レーザ入熱量測定器の測定入熱量の定格値以下とすることを特徴とするレーザ溶接システムである。

本発明のレーザ溶接システムは、溶接開始前に、レーザトーチ１から出力されるレーザ光５の被溶接物１０への入熱量を測定して、入熱量低下比率を算出する。そして、この入熱量低下比率が、運転継続しきい値よりも小さいときに、運転を継続する。そして、この入熱量低下比率が、運転継続しきい値と運転停止しきい値との間のとき、レーザ発振器４の設定値を補正して、レーザ入熱量測定器１５の測定値を補正前のレーザ発振器４の設定値に修正して、溶接を行う。そして、この入熱量低下比率が、運転停止しきい値よりも大きいとき、運転を停止して、保護ガラス１３を交換している。従って、高価な消耗品である保護ガラス１３を交換する頻度を低減することができ、溶接品質を確保して、レーザ溶接システムのランニングコストを著しく向上させることができる。

また、レーザトーチから出力されるレーザ光の入熱量が低下する原因としては、上述した保護ガラスが汚れることの他に、レーザ発振器、光ファイバ又はレーザトーチ等の機器の性能低下が原因の場合もある。この場合、レーザ発振器メーカ等の機器メーカによって点検又は修理を行うことになる。その場合でも、それまでの一時的な応急対策としてレーザ出力補正を行うことによって、溶接品質を確保して、生産ラインを停止させることがなく、生産性の低下を防ぐことができる。

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は、本発明のレーザ溶接システムの構成を示す図である。同図において、レーザトーチ１がマニピュレータ２のアーム３の先端に取り付けられている。ティーチペンダント１１からロボット制御装置１２に動作指令信号Ｓ１が入力される。そして、ロボット制御装置１２からの動作制御信号Ｓ２がマニピュレータ２に出力されて、第１軸乃至第６軸から成る６つの軸を回転させて、レーザトーチ１のレーザ照射位置が制御される。ロボット制御装置１２内の運転回数設定回路１４は、レーザ光５の被溶接物１０への入熱量を測定するまでの、例えば、同一形状の被溶接物１０の溶接が終わるまでの運転回数を設定する。

レーザ入熱量測定器１５は、レーザトーチ１から照射されるレーザ光５の入熱量を測定する。レーザ入熱量制御装置１６内のレーザ出力設定回路１７は、レーザトーチから照射されるレーザ光の入熱量を測定するときのレーザ発振器の出力の設定値を設定する。入熱量低下比率算出回路１８は、レーザ入熱量測定器１５の測定値とレーザ出力設定回路１７の設定値との差に基づいて、入熱量の低下比率を算出する。入熱量低下比率しきい値設定回路１９は、運転継続シーケンスとレーザ出力補正シーケンスと運転停止シーケンスとからなる３つのシーケンスを判別するための入熱量低下比率のしきい値が、予め設定される。即ち、出力補正しきい値と運転停止しきい値とが設定される。

シーケンス選択回路２０は、入熱量低下比率算出回路１８の算出値を入熱量低下比率のしきい値と比較して、３つのシーケンスのいずれかのシーケンスを選択する。即ち、入熱量低下比率算出回路１８で算出された入熱量低下比率が、出力補正しきい値以下のときは、運転継続シーケンスを選択して、レーザ溶接システムの運転を継続する。入熱量低下比率が、出力補正しきい値以上で運転停止しきい値以下のときは、出力補正シーケンスを選択する。そして、入熱量低下比率が、運転停止しきい値以上のときは、運転停止シーケンスを選択して、運転停止指令信号を、ロボット制御装置１２とレーザ発振器４に出力して、レーザ溶接システムの運転を停止する。

レーザ出力加算値設定回路２１は、入熱量低下比率に対応したレーザ出力加算値が、予め設定される。レーザ出力補正回路２２は、シーケンス選択回路２０によってレーザ出力補正シーケンスが選択されたときに、被溶接物１０への入熱量がレーザ出力設定回路１７の設定値となるように、レーザ出力設定回路の出力が補正される。即ち、入熱量低下比率算出回路１８によって算出された入熱量低下比率に対応したレーザ出力加算値が、レーザ出力設定回路の出力に加算されて、この加算された設定値がレーザ出力補正値として、レーザ発振器４に出力される。レーザ入熱量制御装置１６は、レーザ出力設定回路１７、入熱量低下比率算出回路１８、入熱量低下比率しきい値設定回路１９、シーケンス選択回路２０、レーザ出力加算値設定回路２１及びレーザ出力補正回路２２からなる。

レーザ発振器４から出力されたレーザ光５は、光ファイバ６によってレーザトーチ１に伝送される。図４に示した集光レンズ光学系７によって被溶接物１０に焦点が生じるように収束されて照射される。

以下、図２の本発明のレーザ溶接システムの動作を示すフローチャート図を参照して、実施例の動作を説明する。同図に示すステップＬ１において、レーザ入熱量制御装置１６内のレーザ出力設定回路１７によって、レーザトーチから照射されるレーザ光の入熱量を測定するときのレーザ発振器の出力の設定値が設定される。例えば、レーザ発振器の設定値が２，０００Ｗに設定される。

ステップＬ２において、ロボット制御装置１２内の運転回数設定回路１４によって、レーザ光５の入熱量を測定するまでの運転回数が設定される。例えば、１５回に設定される。

ステップＬ３において、入熱量低下比率しきい値設定回路１９によって、運転継続シーケンスとレーザ出力補正シーケンスと運転停止シーケンスとからなる３つのシーケンスを判別するための、入熱量低下比率のしきい値が予め設定される。即ち、出力補正しきい値と運転停止しきい値とが設定される。例えば、出力補正しきい値が５％に、運転停止しきい値が１０％に設定される。

ステップＬ４において、ティーチペンダント１１からロボット制御装置１２に動作指令信号Ｓ１が出力される。そして、ロボット制御装置１２からの動作制御信号Ｓ２がマニピュレータ２に出力されて、第１軸乃至第６軸から成る６つの軸を回転させて、レーザトーチ１のレーザ照射位置が制御される。また、ロボット制御装置１２からレーザ入熱量制御装置１６へレーザ出力指令信号Ｓ４が出力されて、レーザ出力設定回路１７で設定されたレーザ出力制御信号Ｓ５が、レーザ入熱量制御装置１６からレーザ発振器４へ出力される。そして、レーザ発振器４からレーザ光５が出力される。

ステップＬ５において、運転回数が１５回に達するまで被溶接物１０の溶接が継続されて、１５回に達したとき、マニピュレータ２によってレーザトーチ１がレーザ入熱量測定器１５に移動される。そして、レーザ光５の被溶接物１０への入熱量を測定するために、レーザ入熱量測定器１５にレーザ光５が照射されて、入熱量が測定される。そして、レーザ入熱量測定器１５から、入熱量測定値信号Ｓ６が入熱量低下比率算出回路１８へ出力される。ここで、例えば、１，９６３Ｗの入熱量の信号Ｓ６が出力される。

ステップＬ６において、入熱量低下比率算出回路１８によって、（入熱量低下比率）＝［｛（入熱量測定値）−（レーザ出力設定値）｝÷（レーザ出力設定値）］×１００が算出される。即ち、（入熱量低下比率）＝［｛（１，９６３）−（２，０００）｝÷（２，０００）］×１００＝−１．８５％が算出される。

ステップＬ７において、シーケンス選択回路２０によって、上記の算出された入熱量低下比率の１．８５％が、出力補正しきい値の５％及び運転停止しきい値の１０％と比較されて、出力補正しきい値の５％よりも小さいので、運転継続シーケンスが選択される。

再び、ステップＬ４に戻り、運転回数が１５回に達するまで被溶接物１０の溶接が継続されて、１５回に達したとき、マニピュレータ２によってレーザトーチ１がレーザ入熱量測定器１５に移動されて、レーザ入熱量測定器１５にレーザ光５が照射されて、入熱量が測定される。そして、レーザ入熱量測定器１５から、入熱量測定値信号Ｓ６が入熱量低下比率算出回路１８へ出力される。ここで、例えば、１，８７０Ｗの入熱量の信号Ｓ６が出力される。

ステップＬ６において、入熱量低下比率算出回路１８によって、（入熱量低下比率）＝［｛（１，８７０）−（２，０００）｝÷（２，０００）］１００＝−６．５％が算出される。

ステップＬ７及びＬ８において、シーケンス選択回路によって、上記の算出された入熱量低下比率の６．５％が、出力補正しきい値の５％及び運転停止しきい値の１０％と比較されて、出力補正しきい値の５％よりも大きく、運転停止しきい値の１０％よりも小さいので、出力補正シーケンスが選択される。

ステップＬ９において、レーザ出力加算値設定回路２１によって、被溶接物１０への入熱量が２，０００Ｗになるように、１３０Ｗのレーザ出力加算値が設定される。そして、レーザ出力補正回路２２において、レーザ出力設定値の２，０００Ｗにレーザ出力加算値の１３０Ｗが加算されて、この加算された設定値の２，１３０Ｗがレーザ出力補正値として、レーザ発振器４に出力される。

再び、ステップＬ４に戻り、運転回数が１５回に達するまで被溶接物１０の溶接が継続されて、１５回に達したとき、マニピュレータ２によって、レーザトーチ１がレーザ入熱量測定器１５に移動されて、レーザ入熱量測定器１５にレーザ光５が照射されて、入熱量が測定される。そして、レーザ入熱量測定器１５から、入熱量測定値信号Ｓ６が入熱量低下比率算出回路１８へ出力される。ここで、例えば、１，７７０Ｗの入熱量の信号が出力される。

ステップＬ６において、入熱量低下比率算出回路１８によって、（入熱量低下比率）＝［｛（１，７７０）−（２，０００）｝÷（２，０００）］×１００＝−１１．５％が算出される。

ステップＬ７及びＬ８において、シーケンス選択回路２０によって、上記の算出された入熱量低下比率の１１．５％が、出力補正しきい値の５％及び運転停止しきい値の１０％と比較されて、運転停止しきい値の１０％よりも大きいので、運転停止シーケンスが選択される。

ステップＬ１０において、シーケンス選択回路２０からロボット制御装置１２に動作停止指令信号Ｓ７が出力される。そして、ロボット制御装置１２からの動作制御信号Ｓ２がマニピュレータ２に出力されて、マニピュレータ２の動作が停止する。また、レーザ入熱量制御装置１６からレーザ出力制御信号Ｓ５が、レーザ発振器４へ出力されて、レーザ発振器４の出力が停止される。

ステップＬ１１において、作業者によって、レーザ光５の被溶接物１０への入熱量の低下の原因がレーザトーチ１に取り付けられている保護ガラス１３の汚れと判断されると、保護ガラス１３が交換される。そして、運転が再開される。

上述したように、本発明のレーザ溶接システムは、溶接開始前に、レーザトーチ１から出力されるレーザ光５の被溶接物１０への入熱量を測定して、入熱量低下比率を算出する。そして、この入熱量低下比率が、運転継続しきい値よりも小さいときに、運転を継続する。そして、この入熱量低下比率が、運転継続しきい値と運転停止しきい値との間のとき、レーザ発振器４の設定値を補正して、レーザ入熱量測定器１５の測定値を補正前のレーザ発振器４の設定値に修正して、溶接を行う。そして、この入熱量低下比率が、運転停止しきい値よりも大きいとき、運転を停止して、保護ガラス１３を交換している。従って、高価な消耗品である保護ガラス１３を交換する頻度を低減することができ、溶接品質を確保して、レーザ溶接システムのランニングコストを著しく向上させることができる。

なお、レーザトーチ１から照射されるレーザ光の入熱量を測定するときのレーザ発振器４の出力の設定値を、本溶接のときの設定値としてもよい。又は、レーザ入熱量測定器１５の測定入熱量の定格値が、レーザ出力設定回路１７の設定値よりも小さいときは、レーザ出力設定回路１７の設定値をレーザ入熱量測定器１５の測定入熱量の定格値以下としてもよい。

また、レーザトーチから出力されるレーザ光の入熱量が低下する原因としては、上述した保護ガラスが汚れることの他に、レーザ発振器、光ファイバ又はレーザトーチ等の機器の性能低下が原因の場合もある。この場合、レーザ発振器メーカ等の機器メーカによって点検又は修理を行うことになる。その場合でも、それまでの一時的な応急対策としてレーザ出力補正を行うことによって、溶接品質を確保して、生産ラインを停止させることがなく、生産性の低下を防ぐことができる。

また、入熱量低下比率の出力補正しきい値を設けずに、運転停止しきい値のみを設けて、入熱量低下比率が、運転停止しきい値以上のときに運転を停止する。そして、入熱量低下比率が運転停止しきい値以下のとき、レーザ発振器４の設定値を補正して、レーザ入熱量測定器１５の測定値を補正前のレーザ発振器４の設定値に修正して溶接を行ってもよい。

また、本発明は、レーザ溶接のみに適用されるだけでなく、アーク溶接トーチと組み合わせたレーザ照射アーク溶接装置にも適用することができる。

本発明のレーザ溶接システムの構成を示す図である。 本発明のレーザ溶接システムの動作を示すフローチャート図である。 一般的なレーザ溶接装置を示す図である。 レーザトーチ内の集光レンズ光学系を示す図である。

符号の説明

１ レーザトーチ
２ マニピュレータ
３ アーム
４ レーザ発振器
５ レーザ光
６ 光ファイバ
７ 集光レンズ光学系
８ コリメートレンズ
９ 集光レンズ
１０ 被溶接物
１１ ティーチペンダント
１２ ロボット制御装置
１３ 保護ガラス
１４ 運転回数設定回路
１５ レーザ入熱量測定器
１６ レーザ入熱量制御装置（レーザ入熱量制御部）
１７ レーザ出力設定回路（レーザ出力設定部）
１８ 入熱量低下比率算出回路
１９ 入熱量低下比率しきい値設定回路
２０ シーケンス選択回路
２１ レーザ出力加算値設定回路
２２ レーザ出力補正回路
Ｌ１〜Ｌ１０ 動作ステップ
Ｓ１ 動作指令信号
Ｓ２ 動作制御信号
Ｓ３ レーザ出力制御信号
Ｓ４ レーザ出力指令信号
Ｓ５ レーザ出力制御信号
Ｓ６ 入熱量測定値信号
Ｓ７ 動作停止指令信号

Claims (2)

1. レーザ発振器から出力されたレーザ光をレーザトーチによって被溶接物へ照射するレーザ溶接システムにおいて、
   前記レーザトーチから照射される前記レーザ光の入熱量を測定するときの前記レーザ発振器の出力の設定値を設定するレーザ出力設定部と、
   前記レーザ光の入熱量を測定するレーザ入熱量測定器と、
   溶接開始前に前記レーザトーチから前記レーザ入熱量測定器に前記レーザ光を照射してこのレーザ入熱量測定器の測定値と前記レーザ出力設定部の設定値との差に基づいて入熱量の低下比率を算出し前記レーザトーチから照射される前記レーザ光のエネルギが減衰して前記入熱量の低下比率が所定値以上のとき以後の溶接を行わず前記入熱量の低下比率が前記所定値以下のとき前記レーザ発振器の設定値を補正して前記レーザ入熱量測定器の測定値を補正前の前記レーザ発振器の設定値に修正して溶接を行うレーザ入熱量制御部と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接システム。
2. 請求項１記載のレーザ出力設定部の設定値を前記レーザ入熱量測定器の測定入熱量の定格値以下とすることを特徴とするレーザ溶接システム。
   

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