JP2007326134A - Method and apparatus for judging welding performance and root gap accuracy in laser butt welding - Google Patents

Method and apparatus for judging welding performance and root gap accuracy in laser butt welding Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent poor weld from occurring by exactly estimating a root gap by conducting in-process monitoring for laser butt welding, and by determining root gap accuracy and welding performance. <P>SOLUTION: A laser head 2 is provided with sensors 7, 5 which detects the intensity of reflected light and thermal radiation light from a fusion part 6 of an irradiation laser, and monitores changes with time of the intensity of the reflected light or the thermal radiation light from the fusion part during butt welding, to determine the root gap accuracy. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザ突合せ溶接において溶接可否およびルートギャップ適否を判定する方法およびそのための装置に関する。   The present invention relates to a method for determining whether welding is possible and whether a root gap is appropriate in laser butt welding, and an apparatus therefor.

突合せレーザ溶接、とりわけレーザマイクロ溶接におけるルートギャップは、レーザビームのスポット径より小さいμmのオーダーなので、適正値に設定することが難しく、また、このルートギャップにレーザビームを照射するレーザヘッドを位置合わせするのも難しいため、溶接結果を左右する重要な因子となる。従来、ルートギャップの計測は、レーザ照射前に溶接すべき開先を撮影し、撮影した画像を処理して行われている。例えば、照明をルートギャップに当て、ルートギャップを通過した光を画像計測し、画像処理によってルートギャップを計測する方法や、試料全体に照明を当て、ルートギャップを含む試料表面を画像計測し、その後処理によってルートギャップを計測する方法などがある。
突合せ開先がI型の場合は、上記方法でルートギャップに垂直に照明光を当てて、画像処理により計測したルートギャップは、実際のルートギャップと一致するが、上面にRがあるI開先など開先形状が異なる場合や、照明が垂直でない場合は、計測したルートギャップが、実際のルートギャップに一致せず、計測誤差が生じる。さらに、加工用レーザや溶接時の粉塵が、ルートギャップ計測のための精密機器を傷つけ、計測誤差を生じる場合もある。後者の場合、加工点とは別の場所にルートギャップ検査ポイントを設けて、検査を行うことになるが、そうすると検査コストの増大や生産タクトの低減をもたらし、生産性が低下する。
The root gap in butt laser welding, especially laser micro welding, is on the order of μm, which is smaller than the laser beam spot diameter, so it is difficult to set an appropriate value, and the laser head that irradiates the laser beam to this root gap is aligned. It is also an important factor that affects the welding result because it is difficult to do. Conventionally, the root gap is measured by photographing a groove to be welded before laser irradiation and processing the photographed image. For example, the illumination is applied to the root gap, the light passing through the root gap is imaged, the root gap is measured by image processing, or the entire sample is illuminated and the sample surface including the root gap is imaged, and then There is a method of measuring the route gap by processing.
When the butt groove is an I type, the root gap measured by image processing by applying illumination light perpendicularly to the root gap by the above method matches the actual root gap, but the I groove with R on the upper surface. When the groove shape is different, or when the illumination is not vertical, the measured route gap does not coincide with the actual route gap, resulting in a measurement error. In addition, machining lasers and welding dust may damage precision equipment for route gap measurement, resulting in measurement errors. In the latter case, a route gap inspection point is provided at a location different from the processing point, and inspection is performed. However, this causes an increase in inspection cost and a reduction in production tact, resulting in a decrease in productivity.

計測誤差が生じると、照射されるレーザビームの最大パワー密度部分である中心が、ルートギャップ中心からにずれ、接合が不完全になって、溶接割れや溶接欠陥が発生する。このような溶接割れや溶接欠陥は、本発明の突合せレーザ溶接の主たる対象である薄板の精密接合を必要とする電気・電子部品等においては、致命的となる。
なぜなら、一般に、レーザ溶接の初期設備投資コストは他の接合機よりも1桁以上高いため、高速な生産タクトが要求される。従って、電気・電子部品の製造ラインでは、例えば、レーザビームを出射するレーザヘッドを静止させ、突合せI開先をもつ被溶接部材を高速で間欠的に送りつつ、レーザによって突合せ溶接することを繰り返してシーム溶接継手を得ており、加工効率向上のため被溶接部材の送りが高速なので、始動時に一旦レーザヘッドとルートギャップの位置合わせが行われると、その後位置調整なしで突合せシーム溶接が続行される。そして、レーザヘッドによる溶接回数は、例えば年間数億ショットと膨大であるから、毎週位置調整を行うとしても、ルートギャップの計測誤差によって始動時の位置合わせがずれると、膨大な不良品が出ることになる。特に溶接後に幾つもの他の加工工程があれば、それらの加工工程が全く無駄になり、多大な損失をもたらすうえ、不良品が市場に出回ってしまうと、回収のために更に多大な費用がかかることになる。
When a measurement error occurs, the center, which is the maximum power density portion of the irradiated laser beam, is shifted from the center of the root gap, resulting in incomplete joining, resulting in weld cracks and weld defects. Such weld cracks and weld defects are fatal in electrical and electronic parts that require precision joining of thin plates, which is the main object of butt laser welding of the present invention.
This is because, in general, the initial equipment investment cost of laser welding is higher by one digit or more than other joining machines, so that high-speed production tact is required. Therefore, in a production line for electrical / electronic parts, for example, a laser head that emits a laser beam is stopped, and a member to be welded having a butt I groove is intermittently sent at high speed and butt welding is repeatedly performed by a laser. Since the seam welded joint has been obtained and the workpiece to be welded is fed at a high speed to improve the processing efficiency, once the laser head and the root gap are aligned at the start, butt seam welding is continued without adjusting the position thereafter. The And since the number of weldings by the laser head is enormous, for example, several hundred million shots per year, even if the position is adjusted every week, if the alignment at the time of start is shifted due to the measurement error of the route gap, enormous defective products will appear. become. In particular, if there are several other processing steps after welding, these processing steps are completely wasted, causing great losses, and if defective products are put on the market, it will be even more expensive to recover. It will be.

また、ルートギャップが広いため溶融池が下降して溶着材料表面が陥没する溶接不良所謂アンダーフィルが発生すると、再度フィラーを入れて溶接する必要があり、その場合も生産タクトが大幅に低下する。   In addition, when the weld defect, so-called underfill, occurs where the weld pool descends and the surface of the welding material sinks due to the wide root gap, it is necessary to insert filler again and weld, and in that case, the production tact is greatly reduced.

ところで、本発明者らは、近年、レーザスポット溶接における穴欠陥の防止または修復方法に係る新規手法を提案した(特許文献1,非特許文献1)。この手法は、アルミニウム合金薄板のパルスレーザによる重ね溶接において、レーザ照射中の溶融部からの反射光や熱放射光を計測し、それらの情報に基づいてプロセス状態を判断して、レーザパワーと照射時間を制御し、インプロセスで穴あきを補修して、常時良好な接合部を得るものである。
しかしながら、ルートギャップをもつ突合せ開先をパルスレーザで溶接する際の溶接プロセスやルートギャップと溶接不良の関係などを開示する研究文献や特許文献は、皆無であり、溶接不良による製品歩留まりと生産性の低下が避けられないのが現状である。
特開2005-246434 Y. Kawahito and S. Katayama: "In-process monitoring and adaptive control for stable production of sound welds in laser micro-spot lap welding of aluminum alloy", J. Laser Applications, Vol.17, No.1, (2005), pp. 30-37
By the way, the present inventors have recently proposed a new technique related to a method for preventing or repairing a hole defect in laser spot welding (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). In this method, in the lap welding of aluminum alloy thin plate by pulse laser, the reflected light and thermal radiation from the melted part during laser irradiation are measured, the process state is judged based on the information, and the laser power and irradiation The time is controlled and the perforation is repaired in-process to obtain a good joint at all times.
However, there is no research literature or patent literature that discloses the welding process when welding a butt groove with a root gap with a pulse laser, the relationship between the root gap and welding failure, and the product yield and productivity due to welding failure. The current situation is that it is inevitable.
JP2005-246434 Y. Kawahito and S. Katayama: "In-process monitoring and adaptive control for stable production of sound welds in laser micro-spot lap welding of aluminum alloy", J. Laser Applications, Vol. 17, No. 1, (2005) , pp. 30-37

本発明は、かかる従来技術の課題に鑑み創案されたものであり、その目的は、従来の計測誤差を受けやすい撮影・画像処理による方法に代えて、ルートギャップを、レーザ突合せ溶接時にレーザが当たっている溶融部からのレーザの反射光または熱放射光の強度に基づいて正確に推定できる手法を確立し、この手法によってルートギャップの適否および溶接の可否を判定して、溶接不良を未然に排除することである。   The present invention was devised in view of the problems of the prior art. The object of the present invention is to replace the root gap with a laser at the time of laser butt welding, instead of the conventional method of photographing and image processing that is susceptible to measurement errors. Establish a method that can be accurately estimated based on the intensity of the reflected laser light or thermal radiation from the melted part, and determine whether the root gap is suitable and whether or not welding is possible, thereby eliminating welding defects. It is to be.

発明者らは、レーザ突合せ溶接の溶接現象をインプロセスモニタリングする種々の実験・研究を鋭意重ねた結果、溶融部でルートギャップが埋まるメカニズムを解明し、本発明を導き出すに至った。
即ち、本発明のレーザ突合せ溶接における判定方法は、所定のルートギャップをもつ材料に、このルートギャップより大きいビーム径をもつレーザを、レーザビームの最大パワー密度部分を上記ルートギャップに位置させて照射して突合せ溶接する過程において、溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度を計測し、計測した光強度の経時変化を、同一材料からなる試料について予め求められた基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定することを特徴とする。
As a result of earnestly conducting various experiments and researches for in-process monitoring of the welding phenomenon of laser butt welding, the inventors have elucidated the mechanism by which the root gap is filled in the melted part and led to the present invention.
That is, the determination method in laser butt welding according to the present invention irradiates a material having a predetermined root gap with a laser having a beam diameter larger than the root gap with the maximum power density portion of the laser beam positioned in the root gap. Then, in the process of butt welding, the intensity of the reflected light of the irradiation laser from the melting part or the thermal radiation light from the melting part was measured, and the change over time of the measured light intensity was obtained in advance for a sample made of the same material. Compared with the reference data, whether or not welding is possible and whether or not a route gap is appropriate are determined.

発明者らの実験・研究によって、ルートギャップのあるレーザ突合せ溶接では、溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度の経時変化により、ルートギャップが正確に推定できることが明らかになった。
即ち、溶融部がルートギャップを埋めるまでは、照射レーザはルートギャップを通り抜け、ルートギャップ周辺部からの散乱光が主に計測されるから、反射光の強度は小さい。しかし、溶融部がルートギャップを埋めると、照射レーザは溶融部の表面で総て反射され、反射光の強度はそれまでの略一定値(閾値)を超えて急増する。溶接開始からルートギャップが埋まって反射光の強度が急増する時点までの時間とルートギャップの間には比例関係がある。一方、溶融部からの熱放射光は、ルートギャップが埋まるまでは、レーザビームの周辺部で加熱され分離状態で溶融した部分から出るので、強度が弱く、ルートギャップが埋まると、溶融部が最大パワー密度のレーザビーム中心で加熱・昇温されるので、熱放射光の強度は、一定値(微係数閾値)を超えて急増する。溶接開始からルートギャップが埋まって熱放射光の強度が急増する時点までの時間とルートギャップの間にも比例関係がある。本発明の判定方法では、計測した光強度の経時変化を比較するため、被溶接材料と同じ試料について予め求めた上記比例関係を基準データとして備えている。従って、溶融部からの照射レーザの反射光または熱放射光の強度の経時変化から上記時点までの時間を読み取れば、ルートギャップが適正で接合できていると判定でき、ルートギャップが正確に推定できる一方、溶接を続けても閾値を超える反射光の急増および熱放射光の急増がなければ、ルートギャップが不適正(過大)で接合できず、溶接不可能と判定できる。
According to the experiments and research by the inventors, in laser butt welding with a root gap, it is possible to accurately estimate the root gap based on the change over time in the intensity of the reflected laser light from the fusion zone or the thermal radiation from the fusion zone. It was revealed.
That is, until the melted portion fills the root gap, the irradiation laser passes through the root gap, and the scattered light from the periphery of the root gap is mainly measured, so the intensity of the reflected light is small. However, when the melted portion fills the root gap, the irradiation laser is totally reflected on the surface of the melted portion, and the intensity of the reflected light rapidly increases beyond a substantially constant value (threshold value). There is a proportional relationship between the root gap and the time from the start of welding until the root gap is filled and the intensity of reflected light suddenly increases. On the other hand, until the root gap is filled, the heat radiation from the melted part comes out of the part that is heated in the peripheral part of the laser beam and melted in a separated state, so the intensity is weak, and when the root gap is filled, the melted part reaches the maximum. Since heating / heating is performed at the center of the power density laser beam, the intensity of the heat radiation light rapidly increases beyond a certain value (derivative threshold). There is also a proportional relationship between the root gap and the time from the start of welding until the root gap is filled and the intensity of the heat radiation light suddenly increases. In the determination method of the present invention, in order to compare the temporal change of the measured light intensity, the above-described proportional relationship obtained in advance for the same sample as the material to be welded is provided as reference data. Therefore, if the time from the time-dependent change in the intensity of the reflected laser light or heat radiation from the melted part to the above time is read, it can be determined that the root gap is properly joined, and the root gap can be accurately estimated. On the other hand, if there is no sudden increase in reflected light and thermal radiation that exceed the threshold even if welding is continued, the root gap cannot be joined due to inappropriateness (excessive), and it can be determined that welding is impossible.

本発明の一実施形態は、上記基準データが、所定の試料についてルートギャップを変化させて所定波形のレーザで溶接を行い、溶融部が上記ルートギャップを埋めた時点で、照射レーザの反射光の強度がそれを超えて増加する閾値あるいは照射レーザの反射光または熱放射光の強度の時間微係数がそれを超えて増加する微係数閾値と、溶接開始から上記時点までの経過時間と、ルートギャップ値と、上記所定波形の組からなるデータテーブルであることを特徴とする。
この実施形態では、計測している反射光または熱放射光の強度またはその時間微係数が、同じ試料を同じレーザ波形で溶接して予め求めたデータテーブルの閾値または微係数閾値を超えた時点までの経過時間から、データテーブルを照合して対応するルートギャップを求めることができる。
In one embodiment of the present invention, when the reference data is welded with a laser having a predetermined waveform while changing the root gap with respect to a predetermined sample, and the melting part fills the root gap, the reflected light of the irradiation laser is reflected. Threshold beyond which the intensity increases, or differential threshold at which the time derivative of the intensity of the reflected laser light or heat radiation increases beyond that, the elapsed time from the start of welding to the above point, and the root gap It is a data table comprising a set of values and the predetermined waveform.
In this embodiment, until the intensity of the reflected light or thermal radiation light being measured or the time derivative thereof exceeds the threshold value or derivative threshold value of the data table obtained in advance by welding the same sample with the same laser waveform. From the elapsed time, the corresponding route gap can be obtained by collating the data table.

本発明の一実施形態は、上記試料に照射するレーザの波形が、溶融部がルートギャップを埋めるに足る低いピーク出力と所定のレーザ照射持続時間を有することを特徴とする。
本発明の基礎となる実験・研究において、上記比例関係は、ルートギャップが溶融部で埋まるという条件下で、レーザのピーク出力(パワー)が低い場合に明瞭かつ顕著であることが明らかになった。従って、この実施形態によれば、ルートギャップを正確かつ確実に推定することができる。
One embodiment of the present invention is characterized in that the waveform of the laser applied to the sample has a low peak output sufficient for the melted portion to fill the root gap and a predetermined laser irradiation duration.
In the experiments and research that form the basis of the present invention, it has been clarified that the proportional relationship is clear and remarkable when the peak output (power) of the laser is low under the condition that the root gap is filled in the melted portion. . Therefore, according to this embodiment, the route gap can be estimated accurately and reliably.

本発明の一実施形態は、上記データテーブルに載ったルートギャップをもつ材料を上記データテーブルに載った波形のパルスレーザで溶接し、上記経過時間を過ぎる前に、計測する光強度が上記閾値を超えあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して溶接を続行する一方、上記経過時間が過ぎても、計測する光強度が上記閾値を超えずあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して溶接を停止することを特徴とする。
この実施形態では、溶接可能またはルートギャップ適正と判定した場合、溶接を続行し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定した場合、溶接を停止するので、溶接不良を未然に防止でき、適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直して、製品歩留まりを向上させることができる。
In one embodiment of the present invention, a material having a root gap listed in the data table is welded with a pulse laser having a waveform listed in the data table, and the light intensity to be measured reaches the threshold value before the elapsed time has passed. When the time derivative of the light intensity that exceeds or exceeds the above-described derivative threshold value, the welding is judged to be possible or the route gap is appropriate and welding is continued. When the threshold value is not exceeded or the time derivative of the light intensity to be measured does not exceed the derivative threshold value, it is determined that welding is impossible or the root gap is inappropriate, and welding is stopped.
In this embodiment, when it is determined that welding is possible or the route gap is appropriate, welding is continued. When it is determined that welding is not possible or the route gap is inappropriate, welding is stopped. The product yield can be improved by adjusting the gap and the laser head position again.

本発明の一実施形態は、上記材料に照射するレーザの波形が、照射初期にピーク出力が低く、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、ピーク出力が上昇することを特徴とする。
この実施形態では、照射初期にレーザのピーク出力が低いから、試料に低いピーク出力のレーザを照射して求めたデータテーブルを有効に利用して、正確かつ確実にルートギャップを推定でき、ルートギャップが溶融部で埋まった後、ピーク出力を上げて溶接するので、溶込み深さを深くできるとともに、ルートギャップが広い場合に溶融池の下降で発生しやすいアンダーフィルなどの溶接欠陥をなくすことができる。
One embodiment of the present invention is characterized in that the peak output of the waveform of the laser irradiating the material is low when it is determined that the peak output is low at the beginning of irradiation and that welding is possible or the route gap is appropriate.
In this embodiment, since the peak output of the laser is low at the initial stage of irradiation, the route gap can be estimated accurately and reliably by effectively using the data table obtained by irradiating the sample with a laser having a low peak output. After filling in the molten part, the peak output is increased and welding is performed, so that the penetration depth can be increased, and welding defects such as underfill that are likely to occur when the molten pool descends when the root gap is wide can be eliminated. it can.

本発明の突合せシーム溶接方法は、所定のルートギャップをもつ材料にパルスレーザを照射することを、照射点を変更して繰り返して突合せシーム溶接する場合、本発明のレーザ突合せにおける判定方法によって溶接可能またはルートギャップ適正と判定した後、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を含むことを特徴とする。
本発明の基礎となる実験・研究において、進行方向を変えない突合せ(スポット)シーム溶接では、ルートギャップは、進行方向側で減少し、逆側で増加することが明らかになった。そこで、本発明の判定方法によって確実に接合ができること、つまり溶接が可能またはルートギャップが適正であることを判定してから、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を入れることによって、溶接方向と逆側のルートギャップも減少できることを見出した。このシーム溶接方法によれば、より良好な突合せシーム溶接継手を歩留まり良く得ることができる。
The butt seam welding method of the present invention can be welded by the determination method in the laser butt welding of the present invention when irradiating a pulse laser to a material having a predetermined root gap and repeatedly performing butt seam welding by changing the irradiation point. Or after determining with root | route gap appropriateness, the process of returning an irradiation point to a reverse direction with respect to a seam welding direction and irradiating a laser is characterized.
In experiments and research that form the basis of the present invention, it has been clarified that in butt seam welding without changing the traveling direction, the root gap decreases on the traveling direction side and increases on the opposite side. Therefore, after determining that the joining can be surely performed by the determination method of the present invention, that is, welding is possible or the route gap is appropriate, the irradiation point is returned to the reverse direction with respect to the seam welding direction and the laser is irradiated. It was found that the root gap on the opposite side to the welding direction can be reduced by adding a process. According to this seam welding method, a better butt seam welded joint can be obtained with a high yield.

本発明の溶接可否およびルートギャップ適否の判定装置は、レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測するモニタ部と、このモニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定パルス波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部と、この制御部からの出力信号によって動作が制御されるレーザ発振器を備えたことを特徴とする。
本発明の判定装置では、モニタ部が、レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測し、制御部が、上記モニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定レーザ波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する。レーザ発振器は、上記制御部からの出力信号によって動作が制御され、溶接可能またはルートギャップ適正なときは、維持または変更される波形でレーザを照射し続け、そうでないときは、レーザ照射を止めて溶接を停止する。従って、この判定装置によれば、溶接が停止することで、溶接不良を未然に防止でき、作業者が適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直すことで、溶接不良による多大な損失、検査コストの増大、および生産タクトの低下を防いで、製品歩留まりを向上させることができる。
The apparatus for determining whether welding is possible and whether the root gap is suitable according to the present invention includes a monitor unit that measures the intensity of at least one of the reflected light of the irradiation laser from the melting part and the thermal radiation light from the melting part during laser irradiation, and the monitor. The time-dependent change of the measurement signal from the part was determined in advance for the same material to be welded, and compared with the stored reference data to determine whether welding was possible and whether the root gap was appropriate. When the control unit outputs a signal to maintain or change the set pulse waveform and outputs a signal to stop welding when it is determined that welding is not possible or the route gap is inappropriate, the operation is controlled by the output signal from this control unit. It is characterized by having a laser oscillator.
In the determination apparatus of the present invention, the monitor unit measures the intensity of at least one of the reflected light of the irradiation laser from the melting unit and the heat radiation light from the melting unit during laser irradiation, and the control unit receives from the monitoring unit. The time-dependent change of the measurement signal of the same material to be welded is obtained in advance and compared with the stored reference data to determine whether or not welding is possible and whether or not the root gap is appropriate. A signal for maintaining or changing the set laser waveform is output, and when it is determined that welding is impossible or the root gap is inappropriate, a signal for stopping welding is output. The operation of the laser oscillator is controlled by the output signal from the control unit. When the welding is possible or the route gap is appropriate, the laser is continuously irradiated with a waveform that is maintained or changed. Otherwise, the laser irradiation is stopped. Stop welding. Therefore, according to this determination apparatus, welding failure can be prevented in advance by stopping welding, and the operator can adjust the route gap and the laser head to an appropriate route gap. Product yield can be improved by preventing an increase in cost and a decrease in production tact.

以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
図1は、本発明のレーザ突合せ溶接のルートギャップ適否判定方法の基礎研究に用いられ、本発明の判定方法のための装置でもあるレーザ突合せ溶接装置の概略図である。図1において、1は波長1.064μmのパルスレーザを発生するレーザ発振器としての適応制御型YAGパルスレーザ発生装置(以下、レーザ発生装置と略称する)、2はこのレーザ発生装置1から光ファイバ3を経て送られてくるレーザを金属材料の突合せ継手4に照射するレーザヘッド、5はレーザヘッド2の頂部に設けられ、レーザ照射中に溶融部6からの波長1.3μmの熱放射光を捉える熱放射光センサ、7はレーザヘッド2の側部に設けられ、レーザ照射中に溶融部6からの照射レーザの波長1.064μmの反射光を捉える反射光センサ、10は信号線8,9を経て夫々入力される熱放射光センサ5,反射光センサ7の計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定パルス波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部としてのコンピュータである。なお、熱放射光センサ5と反射光センサ7が、光強度を1パルス期間に亘って計測するモニタ部を構成している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to illustrated embodiments.
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser butt welding apparatus that is used for basic research of a method for determining the suitability of a root gap in laser butt welding according to the present invention and is also an apparatus for the determination method according to the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an adaptive control YAG pulse laser generator (hereinafter abbreviated as a laser generator) as a laser oscillator that generates a pulse laser having a wavelength of 1.064 μm, and 2 denotes an optical fiber 3 from the laser generator 1. A laser head 5 for irradiating a butt joint 4 made of a metal to the butt joint 4 made of metal is provided at the top of the laser head 2 and captures heat radiation light having a wavelength of 1.3 μm from the melting portion 6 during laser irradiation. An optical sensor 7 is provided on the side of the laser head 2, and a reflected light sensor 10 captures reflected light having a wavelength of 1.064 μm of the irradiation laser from the melting part 6 during laser irradiation, and 10 is input via signal lines 8 and 9, respectively. The time-dependent changes in the measurement signals of the thermal radiation light sensor 5 and the reflected light sensor 7 are compared with the reference data obtained in advance for the same material to be welded and stored, and whether or not welding is possible and When it is determined whether or not welding is possible or the root gap is appropriate, a signal to maintain or change the set pulse waveform is output, and when it is determined that welding is not possible or the root gap is inappropriate, a signal to stop welding is output. It is a computer as a control part. The thermal radiation sensor 5 and the reflected light sensor 7 constitute a monitor unit that measures the light intensity over one pulse period.

上記レーザ発生装置1は、50Wの平均出力を有し、コンピュータ10からの指令信号によって、パルスレーザのピーク出力を5kW以下の範囲において0.1ms間隔で制御できる。
上記レーザヘッド2は、ダイクロイックミラー11を介して光ファイバ3からのレーザを出射する一方、ダイクロイックミラー12を介して照射レーザの反射光を反射光センサ7に導き、反射光を選択的に減衰させるノッチフィルタ13と干渉フィルタ14を介してnWオーダの微弱な熱放射光を熱放射光センサ5に導いている。反射光センサ7の検出信号は、計測器で計測し、スポット径500μmで熱放射光センサ5によって捉えられた熱放射光の検出信号は、遮断周波数100kHz,増幅率6.8×105のプリアンプで増幅して計測した。
また、レーザ照射中の溶接現象を解析すべく、突合せ継手4の表面状態を高速撮影した。左斜め上のHe-Neレーザ発振器15から溶融部6に高速撮影用の背光を照射し、表面状態を右斜め上の高速カメラ16により毎秒9000コマで撮影した。なお、レーザが照射される溶融部6には、図示しないボンベから、シールドガスとしてアルゴンが所定流量で供給される。
The laser generator 1 has an average output of 50 W, and can control the peak output of the pulse laser at intervals of 0.1 ms within a range of 5 kW or less by a command signal from the computer 10.
The laser head 2 emits a laser beam from the optical fiber 3 through the dichroic mirror 11, and guides the reflected light of the irradiated laser to the reflected light sensor 7 through the dichroic mirror 12 to selectively attenuate the reflected light. Via the notch filter 13 and the interference filter 14, weak thermal radiation light on the order of nW is guided to the thermal radiation light sensor 5. The detection signal of the reflected light sensor 7 is measured by a measuring instrument, and the detection signal of thermal radiation light captured by the thermal radiation sensor 5 with a spot diameter of 500 μm is amplified by a preamplifier having a cutoff frequency of 100 kHz and an amplification factor of 6.8 × 10 5. And measured.
In addition, the surface state of the butt joint 4 was photographed at high speed in order to analyze the welding phenomenon during laser irradiation. The He-Ne laser oscillator 15 on the upper left side was irradiated with a back light for high-speed shooting on the melted part 6, and the surface state was shot at 9,000 frames per second by the high-speed camera 16 on the upper right side. Note that argon is supplied at a predetermined flow rate as a shielding gas from a cylinder (not shown) to the melting portion 6 irradiated with the laser.

まず、I型開先のルートギャップと突合せパルスレーザ溶接結果の関係を解明すべく、1対のチタン板からなる突合せ継手4に、表1に示す溶接条件でパルスレーザを照射して溶接を行った。なお、1対のチタン板は、両端に厚さ0.03mmの銅箔を1または複数枚挟んで人為的にルートギャップを作り、ルートギャップが押し縮められないように巻き付けた接着テープでx,yテーブル上に固定し、上記ルートギャップを実測するとともに、高速カメラ16の画像を観察しつつ、x,yテーブルを移動させてルートギャップの中心を定位置にあるレーザヘッド2の中心に位置合わせした。   First, in order to elucidate the relationship between the root gap of the I-type groove and the butt pulse laser welding result, welding is performed by irradiating the butt joint 4 made of a pair of titanium plates with a pulse laser under the welding conditions shown in Table 1. It was. In addition, a pair of titanium plates are artificially created with a root gap by sandwiching one or more copper foils with a thickness of 0.03mm at both ends, and the adhesive tape is wound around the root gap to prevent the root gap from being compressed. It is fixed on a table, the above-mentioned route gap is measured, and while the image of the high-speed camera 16 is observed, the x, y table is moved to align the center of the route gap with the center of the laser head 2 at a fixed position. .

図2Aは、ピーク出力Pkが0.4kW,パルス持続時間Wkが15ms,ルートギャップが98μmの溶接条件での溶接中の各時点(ms)における溶融部表面の撮影画像を、図2Bにピーク出力Pkが1.6kW,パルス持続時間Wkが2ms,ルートギャップが98μmの溶接条件での同様の撮影画像を夫々示している。また、溶融部の撮影画像の右側上,下に、溶接後の溶接部表面,溶接部断面の写真を示している。
ピーク出力0.4kWにおいては、レーザ照射開始後、ルートギャップの両側のチタン板が熱せられて溶融し、レーザ照射を続けると、溶融部の体積が徐々に拡大した。溶融部の体積がルートギャップを埋めるに足る量に達すると、両側の融液が接合することで突合せ溶接が完了した。ピーク出力が1.6kWにおいては、レーザ開始直後、ルートギャップの両側のチタン板が熱せられ溶融し、その直後に、溶融した融液がルートギャップに流れ落ち、レーザの焦点位置よりも低い所で融液同士が接合することで、突合せ溶接が完了した。
FIG. 2A shows a photographed image of the melt surface at each time point (ms) during welding under the welding conditions where the peak output P k is 0.4 kW, the pulse duration W k is 15 ms, and the root gap is 98 μm. Similar captured images are shown under welding conditions with an output P k of 1.6 kW, a pulse duration W k of 2 ms, and a root gap of 98 μm. Moreover, the photograph of the welded part surface after welding and the cross section of a welded part is shown in the upper right and the lower side of the photographed image of the melted part.
At the peak output of 0.4 kW, after starting laser irradiation, the titanium plates on both sides of the root gap were heated and melted, and when laser irradiation was continued, the volume of the melted portion gradually increased. When the volume of the molten part reached an amount sufficient to fill the root gap, butt welding was completed by joining the melts on both sides. At a peak output of 1.6 kW, immediately after the start of the laser, the titanium plates on both sides of the root gap are heated and melted, and immediately after that, the molten melt flows down into the root gap and melts at a position lower than the focal position of the laser. Butt welding was completed by joining together.

図3は、表1の溶接条件における代表的な溶接前の開先平面および溶接後の接合部平面と断面の形状を、2つのルートギャップについて示している。また、各ピーク出力における接合部表面の突合せ方向の直径とルートギャップの関係を図4に、溶接前と溶接後のルートギャップの関係を図5に、溶込み深さとルートギャップの関係を図6に、アンダーフィルの深さとルートギャップの関係を図7に夫々示している。
図3の中段および図4を見ると、接合部の形状は円形であったが、ルートギャップが広がるにつれて、直径は減少している。これは、レーザ出力が強いほど、融液がルートギャップに流れ落ちてしまうため、表面の溶融部の面積が小さくなってしまうからである。また、図5に示すように、溶接後にルートギャップが減少することが分かった。これは、ルートギャップの両側の融液が接合し、レーザ照射終了後に冷却されて凝固する際、両側のチタン板を引っ張ることによって、ルートギャップが減少するからである。
図3の下段および図6を見ると、溶込み深さは、ルートギャップが広がるにつれて深くなっている。また、レーザ出力が強いほどその傾向が顕著である。これは、融液がルートギャップに流れ落ちるためであり、出力が強いほど流れ落ちる融液の量が増えるからである。但し、融液がルートギャップに流れ落ちるため、図7に示すように、アンダーフィルも生じることが分かった。アンダーフィルは、ルートギャップが広がるにつれて増加し、レーザ出力が強いほどその傾向が顕著になる。一方、図3の下段に見られるように、ルートギャップが広がるにつれて、ポロシティが減少していることが分かる。これは、レーザ照射終了後、キーホールが崩壊する過程においてルートギャップのあるおかげで、キーホール下部にも空間があるため、ポロシティが接合部の下から抜けるからであると考えられる。
以上より、ルートギャップのある突合せ溶接で表1の溶接条件下においては、ルートギャップは接合後に減少する。但し、ルートギャップがあるため、表面の溶融部は減少し、溶込み深さは深くなるが、アンダーフィルが生じる一方、ポロシティは減少することが明らかになった。
FIG. 3 shows a groove plane before welding, a joint plane after welding, and a cross-sectional shape after welding under the welding conditions shown in Table 1 for two route gaps. FIG. 4 shows the relationship between the diameter in the butt direction of the joint surface and the root gap at each peak output, FIG. 5 shows the relationship between the root gap before and after welding, and FIG. 6 shows the relationship between the penetration depth and the root gap. FIG. 7 shows the relationship between the depth of the underfill and the route gap.
Looking at the middle part of FIG. 3 and FIG. 4, the shape of the joint was circular, but the diameter decreased as the root gap widened. This is because the stronger the laser output, the more the melt flows into the root gap, and the area of the melted portion on the surface becomes smaller. Moreover, as shown in FIG. 5, it turned out that a root gap reduces after welding. This is because the root gap is reduced by pulling the titanium plates on both sides when the melts on both sides of the root gap are joined and cooled and solidified after the end of laser irradiation.
Referring to the lower part of FIG. 3 and FIG. 6, the penetration depth becomes deeper as the root gap widens. Moreover, the tendency is so remarkable that laser output is strong. This is because the melt flows down into the root gap, and the amount of melt that flows down increases as the output increases. However, since the melt flowed down to the root gap, it was found that underfill also occurred as shown in FIG. The underfill increases as the root gap widens, and the tendency becomes more pronounced as the laser output becomes stronger. On the other hand, as seen in the lower part of FIG. 3, it can be seen that the porosity decreases as the route gap widens. This is considered to be because the porosity escapes from the bottom of the joint because there is a space below the keyhole due to the root gap in the process of the keyhole collapsing after the laser irradiation.
From the above, under the welding conditions shown in Table 1 in butt welding with a root gap, the root gap decreases after joining. However, it was clarified that the melted portion on the surface is reduced and the penetration depth is deepened due to the root gap, but the underfill is generated while the porosity is reduced.

次に、上述のルートギャップがある突合せ溶接中の溶接現象を解明すべく、インプロセスモニタリングを行った。このインプロセスモニタリングにおけるレーザパルスの出力、溶融部からの照射レーザの反射光の強度、溶融部からの熱放射光の強度の測定結果および高速カメラ16による溶融部の撮影画像の一例を、図8および図9に示す。
図8の溶接条件は、表1のうちのピーク出力Pk=0.4kW,パルス持続時間Wk=15ms,レーザ焦点合致,レーザスポット直径150μm,Arガス流量40リッター/min,ルートギャップ98μmであり、図8の上段のグラフは、横軸にレーザ照射開始からの時間を、縦軸に実測されたレーザ出力および反射光と熱放射光の強度を異なる単位([kW],[mW],[×5μW])を用いて共通の目盛で夫々プロットしている。中段の図は溶融部の撮影画像、下段の図は断面のマクロ写真を夫々示している。なお、マクロ写真は、別の試料に同じ条件で突合せ溶接を行い、写真に示す各照射時間でレーザ照射を停止し、溶融部をビードに垂直に切断してマクロ腐食した写真である。図9の溶接条件は、ピーク出力Pk=1.6kW,パルス持続時間Wk=2ms,ルートギャップが106μmである点のみが図8の溶接条件と異なる。
Next, in-process monitoring was performed to elucidate the welding phenomenon during butt welding with the above-mentioned route gap. FIG. 8 shows an example of the laser pulse output in this in-process monitoring, the measurement result of the reflected light of the irradiation laser from the melting part, the measurement result of the intensity of the thermal radiation from the melting part, and the photographed image of the melting part by the high-speed camera 16. And shown in FIG.
The welding conditions in FIG. 8 are the peak output P k = 0.4 kW in Table 1, pulse duration W k = 15 ms, laser focusing, laser spot diameter 150 μm, Ar gas flow rate 40 liter / min, route gap 98 μm. In the upper graph of FIG. 8, the horizontal axis represents the time from the start of laser irradiation, and the vertical axis represents the actually measured laser output and the units of reflected light and thermal radiation light in different units ([kW], [mW], [ × 5μW]), and each plot with a common scale. The middle figure shows a photographed image of the melted part, and the lower figure shows a macro photograph of the cross section. The macro photograph is a photograph in which butt welding was performed on another sample under the same conditions, laser irradiation was stopped at each irradiation time shown in the photograph, and the molten portion was cut perpendicularly to the bead and macro-corroded. The welding conditions in FIG. 9 differ from the welding conditions in FIG. 8 only in that the peak output P k = 1.6 kW, the pulse duration W k = 2 ms, and the root gap is 106 μm.

図8から次のことが分かる。レーザ照射開始からルートギャップの両側の融解したチタン部材が接合する5msまでの間、熱放射光強度は時間に比例して増加し、反射光強度は低い値で一定となっている。レーザ照射開始から5msで融解したチタン部材が接合した後は、熱放射光強度および反射光強度は急増している。その後、熱放射光は、時間の経過につれて増減を繰り返しながら徐々に増加した。これは、接合前は、反射光については、一部レーザ光がルートギャップを通り抜け、熱放射光では、ルートギャップの周辺部に当たっているレーザ光で加熱されて、溶融池が増加した結果と考えられる。5msでは、ルートギャップを跨ぐ溶融池が形成され、反射光も強く戻り、熱放射光は急激に増加し、その後は、ルートギャップがない場合と同様な傾向を示した。これは、レーザ光の通り抜けがなくなった結果、反射レーザ光の吸収も大幅に増加したことが原因であると考えられる。このように、熱放射光および反射光は、溶融池の有無により強度が大きく変化するので、ルートギャップをもつ突合せ溶接の場合、接合できたか否かの判定手段として有効であると考えられる。また、断面の観察から、接合前にレーザ照射を停止すると、融解した融液は冷却されて元の形状に戻り、接合後は、溶込み深さが顕著に深くなることはないことが夫々確認された。
図9から次のことが分かる。接合時の前後における熱放射光強度および反射光強度の変化は、ピーク出力0.4kWで溶接を行った図8の場合のように顕著ではない。これは、ピーク出力が1.6kWと高いので、多量の融液が振動を起こしたり、ルートギャップへ流れ落ちて接合したりするため、その影響が熱放射光および反射光の強度に現れたからと考えられる。
以上より、ルートギャップのある突合せ溶接では、パルスレーザのピーク出力が低い場合、熱放射光および反射光をモニタリングすることで接合が行えたかどうかを検出できる可能性があることが明らかになった。
The following can be seen from FIG. From the start of laser irradiation until 5 ms when the molten titanium members on both sides of the root gap are joined, the intensity of thermal radiation increases in proportion to time, and the intensity of reflected light is constant at a low value. After the titanium member melted in 5 ms from the start of laser irradiation, the heat radiation intensity and the reflected light intensity increase rapidly. Thereafter, the heat radiation light gradually increased while increasing and decreasing as time passed. This is considered to be a result of the increase in the molten pool due to a part of the reflected light passing through the root gap and the heat radiation light being heated by the laser light hitting the periphery of the root gap before the joining. . At 5 ms, a molten pool was formed across the root gap, the reflected light returned strongly, the heat radiation increased rapidly, and then the same trend as when there was no root gap was observed. This is considered to be due to the fact that the absorption of the reflected laser beam is greatly increased as a result of the laser beam not passing through. As described above, the intensity of the heat radiation light and the reflected light greatly varies depending on the presence or absence of the molten pool. Therefore, in the case of butt welding having a root gap, it is considered to be effective as a means for determining whether or not the joining has been achieved. Also, from the observation of the cross-section, if laser irradiation is stopped before joining, the molten melt is cooled and returns to its original shape, and after joining, the penetration depth is confirmed not to become significantly deeper. It was done.
The following can be seen from FIG. The changes in the intensity of the heat radiation light and the intensity of the reflected light before and after the joining are not as remarkable as in the case of FIG. This is because the peak output is as high as 1.6 kW, so a large amount of melt vibrates or flows down into the root gap and joins, so the effect appears in the intensity of thermal radiation and reflected light. .
From the above, it has been clarified that in butt welding with a root gap, if the peak output of the pulse laser is low, it is possible to detect whether or not the joining has been performed by monitoring the thermal radiation light and the reflected light.

さらに、熱放射光強度および反射光強度の急激な変化が、ルートギャップのある突合せ溶接において接合が行われた時間に起っているか否かを調査した。パルスレーザのピーク出力を3つに変化させ、ルートギャップを5つに変化させた溶接のインプロセスモニタリングで得られた図9の中段の如き高速カメラの撮影画像に基づき、レーザ照射開始から接合により溶融池が形成された時点までの時間とルートギャップの関係を、縦軸に時間,横軸にルートギャップをプロットして図10に示す。図10から、ルートギャップが広いほど、また、レーザのピーク出力Pkが低いほど接合に時間がかかっていることが分かる。ピーク出力が0.4kWの場合に、熱放射光強度が急増した、つまり熱放射光強度の時間微係数が閾値6mW/sを超えた時間とルートギャップの関係を図11に、反射光強度が閾値0.08mWを超えて増加した時間とルートギャップの関係を図12に夫々示す。図10,11,12を見比べると、接合が生じた時間と熱放射光強度および反射光強度に急激な変化の起きた時間は、略同じであることが分かる。
以上から、熱放射光強度および反射光強度は、ルートギャップのある突合せ溶接で接合が生じて溶融池が形成されると、急激に変化することが明らかになった。
Furthermore, it was investigated whether or not sudden changes in the heat radiation light intensity and the reflected light intensity occurred at the time of joining in butt welding with a root gap. Based on the captured image of the high-speed camera as shown in the middle of Fig. 9 obtained by in-process monitoring of the welding with the peak output of the pulse laser changed to 3 and the root gap changed to 5, The relationship between the time until the molten pool is formed and the root gap is plotted in FIG. 10, with time plotted on the vertical axis and route gap plotted on the horizontal axis. From FIG. 10, it can be seen that the longer the root gap and the lower the laser peak output P k , the longer the bonding takes. When the peak output is 0.4 kW, the thermal radiation intensity rapidly increases, that is, the relationship between the time when the time derivative of the thermal radiation intensity exceeds the threshold value of 6 mW / s and the route gap is shown in FIG. FIG. 12 shows the relationship between the time increased over 0.08 mW and the route gap. 10, 11, and 12, it can be seen that the time at which bonding occurs and the time at which abrupt changes occur in the thermal radiation light intensity and the reflected light intensity are substantially the same.
From the above, it has been clarified that the intensity of the heat radiation light and the intensity of the reflected light change rapidly when a weld pool is formed by butt welding with a root gap and a weld pool is formed.

そこで、ルートギャップのある突合せ溶接のモニタリングで接合が生じたか否かの判定基準およびルートギャップの推定基準として、図12に示される比例関係から、パルスレーザのピーク出力が低い場合(0.4kW)の反射光強度が所定の閾値(0.08mW)を超える時間、あるいは図11に示される比例関係から、熱放射光強度の時間微係数が所定の微係数閾値(6mW/s)を超える時間を選んだ。
なお、熱放射光強度は、図11でルートギャップ54μmに相当する箇所にプロット点がないことから分かるように、ルートギャップが小さくなると、時間微係数の顕著な閾値が認められず、判定基準および推定基準にならない。これは、図13から明らかである。図13は、ピーク出力0.4kWのパルスレーザによるルートギャップが54μm, 98μmの突合せ溶接のモニタリングで接合が生じる時点付近での0.04ms毎の熱放射光強度の増分を夫々左側,右側に示している。撮影画像から、接合は、ルートギャップが54μmの場合は1.44msで、98μmの場合は4.81msで夫々生じている。ルートギャップ大きい右側の図では、接合が生じた時点で熱放射光強度の時間勾配が急増しているが、ルートギャップ小さい左側の図では、熱放射光強度の時間勾配に顕著な変化が見受けられない。
Therefore, from the proportional relationship shown in FIG. 12, as a criterion for determining whether or not joining has occurred in butt welding monitoring with a root gap and a criterion for estimating the root gap, when the peak output of the pulse laser is low (0.4 kW) The time when the reflected light intensity exceeds the predetermined threshold (0.08 mW) or the time when the time derivative of the thermal radiation intensity exceeds the predetermined derivative threshold (6 mW / s) is selected from the proportional relationship shown in FIG. .
As can be seen from the fact that there is no plot point at the position corresponding to the route gap of 54 μm in FIG. 11, the thermal radiation intensity does not show a significant threshold of the time derivative when the route gap becomes small. Not an estimation criterion. This is apparent from FIG. FIG. 13 shows the increment of thermal radiation light intensity every 0.04 ms near the time when joining occurs in the butt welding monitoring with a root gap of 54 μm and 98 μm with a pulse laser with a peak output of 0.4 kW on the left and right sides, respectively. . From the photographed image, bonding occurs at 1.44 ms when the root gap is 54 μm and at 4.81 ms when 98 μm. In the figure on the right side where the root gap is large, the time gradient of the thermal synchrotron radiation intensity increases sharply at the time of joining, while in the figure on the left side where the root gap is small, there is a noticeable change in the temporal gradient of the thermal synchrotron radiation intensity. Absent.

以上のインプロセスモニタリングの結果に基づき、本発明の判定装置を兼ねる図1に示すレーザ突合せ溶接装置の制御部であるのコンピュータ10には、照射レーザの溶融部からの反射光の強度がそれを超えて増加する所定の閾値または溶融部からの熱放射光の強度がそれを超えた増加率で増加する所定の微係数閾値と溶接開始から超える時点までの経過時間の図12または図11で示されるような関係と、その溶接条件,ルートギャップ値,パルスレーザの波形(ピーク出力,パルス持続時間)との組からなるデータテーブルが基準データとして予め格納されている。
コンピュータ10は、レーザ発生装置1で発生され、レーザヘッド2から出射されるパルスレーザによって溶接が行われる際、作業者が入力する溶接条件に対応するルートギャップ-経過時間のデータテーブルを基準データから選択し、モニタ部である熱放射光センサ5および反射光センサ7からの検出信号の経時変化を、選択したデータテーブルと比較して、経時変化する反射光強度がデータテーブルの経過時間を過ぎる前に所定閾値を超えあるいは熱放射光強度の時間微係数がデータテーブルの経過時間以前に所定微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して、その溶接条件で溶接を続行させる一方、経時変化する光強度がデータテーブルの経過時間以降も、所定閾値を超えずあるいは光強度の時間微係数が所定微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して、溶接を停止させる。
上記レーザ突合せ溶接装置のコンピュータ10によれば、溶接が停止することで、ルートギャップまたはビーム位置合わせ不適に起因する溶接不良を未然に防止でき、作業者が適正なルートギャップとレーザヘッド位置に調整し直すことで、溶接不良による多大な損失、検査コストの増大、および生産タクトの低下を防いで、製品歩留まりを向上させることができる。
Based on the result of the above in-process monitoring, the intensity of the reflected light from the melting part of the irradiation laser is shown in the computer 10 which is the control part of the laser butt welding apparatus shown in FIG. FIG. 12 or FIG. 11 shows a predetermined threshold value that increases beyond or a predetermined derivative threshold value that increases the intensity of the heat radiation light from the melted portion at an increase rate exceeding the predetermined threshold value, and the elapsed time from the start of welding to the point in time. A data table composed of a set of such a relationship, a welding condition, a root gap value, and a pulse laser waveform (peak output, pulse duration) is stored in advance as reference data.
When welding is performed by a pulse laser generated by the laser generator 1 and emitted from the laser head 2, the computer 10 generates a route gap-elapsed time data table corresponding to the welding conditions input by the operator from the reference data. The time-dependent changes in the detection signals from the thermal radiation light sensor 5 and the reflected light sensor 7 that are selected and monitored are compared with the selected data table, and before the reflected light intensity that changes with time passes the elapsed time of the data table. When the specified threshold value is exceeded or the time derivative of the thermal radiation intensity exceeds the specified derivative threshold value before the elapsed time of the data table, it is determined that welding is possible or the root gap is appropriate, and welding is continued under the welding conditions. On the other hand, the light intensity changing with time does not exceed the predetermined threshold even after the elapsed time of the data table, or the time derivative of the light intensity is given. When the definite coefficient threshold is not exceeded, it is determined that welding is impossible or the root gap is inappropriate, and welding is stopped.
According to the computer 10 of the laser butt welding apparatus, welding is stopped, so that it is possible to prevent welding failure due to inadequate root gap or beam alignment, and an operator can adjust the proper root gap and laser head position. By reworking, it is possible to prevent a great loss due to poor welding, an increase in inspection cost, and a decrease in production tact, and to improve the product yield.

本発明のルートギャップ適否判定方法の一実施形態として、アンダーフィル低減のための適応制御法を次に述べる。
先の実施形態において図6で述べたように、パルスレーザのピーク出力が高い場合、融液がルートギャップに流れ落ちてアンダーフィルが発生する一方、ピーク出力が低い場合、アンダーフィルは低減されるものの、十分な溶込み深さを得ることができない。そこで、この実施形態では、レーザ照射開始直後はピーク出力の低いレーザで照射を行い、溶融部が接合した後にピーク出力を増加させて、深い溶込みを得る。これは、接合で溶融池ができると、高いピーク出力でも、融液がルートギャップに流れ落ちないからである。なお、接合が生じたか否かは、先の実施形態と同様、照射レーザの溶融部からの反射光をモニタリングして判定する。
適応制御法のフローチャートおよびその際の反射光強度とレーザ出力の経時変化を、図14Aおよび図14Bに夫々示す。適応制御が始まると、コンピュータ10は、熱放射光センサ5および反射光センサ7からの検出信号の0.15msごとのモニタリングを開始し、図12AのステップS1で、レーザのピーク出力を0.4kWと低い値に設定し、ステップS2で、反射光強度が0.08mWを超えたか否かにより接合が生じたか否かを判断する。ステップS2で否と判断すれば、ステップS1に戻ってピーク出力を0.4kWに維持する一方、肯と判断すれば、ステップS4に進んで、接合が生じたのでピーク出力を1.6kWに上昇させる。そして、ステップS4で、熱放射光強度が1.7μWを超えたか否かでアンダーフィルが抑えられ、かつ十分な溶込み深さが得られるほど溶融池が安定化したか否かを判断し、否と判断すれば、ピーク出力を1.6kWに維持する一方、肯と判断すれば、レーザ照射を停止させ、適応制御を終了する。
As an embodiment of the route gap suitability determination method of the present invention, an adaptive control method for underfill reduction will be described below.
As described in FIG. 6 in the previous embodiment, when the peak output of the pulse laser is high, the melt flows down to the root gap and underfill occurs. On the other hand, when the peak output is low, the underfill is reduced. A sufficient penetration depth cannot be obtained. Therefore, in this embodiment, irradiation is performed with a laser having a low peak output immediately after the start of laser irradiation, and the peak output is increased after the melted portion is joined to obtain deep penetration. This is because if the molten pool is formed by joining, the melt does not flow down to the root gap even at a high peak output. Whether or not bonding has occurred is determined by monitoring the reflected light from the melted portion of the irradiation laser, as in the previous embodiment.
FIG. 14A and FIG. 14B show the flow chart of the adaptive control method and the temporal change in reflected light intensity and laser output at that time, respectively. When the adaptive control starts, the computer 10 starts monitoring the detection signals from the thermal radiation sensor 5 and the reflected light sensor 7 every 0.15 ms, and the peak output of the laser is as low as 0.4 kW in step S1 of FIG. 12A. In step S2, it is determined whether or not bonding has occurred depending on whether or not the reflected light intensity exceeds 0.08 mW. If NO is determined in step S2, the process returns to step S1 to maintain the peak output at 0.4 kW. If YES is determined, the process proceeds to step S4, where the junction is generated and the peak output is increased to 1.6 kW. Then, in step S4, it is determined whether or not the underfill is suppressed depending on whether or not the heat radiation light intensity exceeds 1.7 μW, and whether or not the molten pool is stabilized to obtain a sufficient penetration depth. If it is determined that the peak output is maintained at 1.6 kW, if it is determined affirmative, the laser irradiation is stopped and the adaptive control is terminated.

上記アンダーフィル防止の適応制御法を用いて、ルートギャップを60μm, 78μm, 84μm, 95μm, 106μmと変化させた5つのチタン製突合せ継手をレーザ溶接した。そのうちのルートギャップが95μmの継手の突合せ溶接におけるレーザ出力,反射光強度と熱放射光強度の経時変化および溶融部の高速カメラによる撮影画像を、図8と同様の図15の上段のグラフおよび下段の写真に夫々示す。但し、グラフの縦軸は、実測されたレーザ出力および反射光と熱放射光の強度を異なる単位([kW],[×0.1mW],[×2μW])を用いて共通の目盛でプロットしている。溶接条件は、材料がチタンの継手、熱源が焦点を合致させたスポット直径150μmのパルスレーザ、雰囲気がArガス流量40リッター/minであった。
図15を見ると、初期のピーク出力0.4kWでのレーザ照射中は、ルートギャップの両側のチタン部材が熱せられて溶融した。その間,熱放射光強度は、時間に比例して上昇し、反射光強度は、0.04mW程度で一定であった。レーザ照射開始から5.4ms経過すると、融液同士が接合し、熱放射光強度および反射光強度が急増した。そして、反射光強度が0.08mWを超えたことを判定して、ピーク出力を1.6kWに増加した。ピーク出力を増加しても、融液は流れ落ちず、溶接を続けることができた。最後に、レーザ照射開始から7.0ms後に熱放射光強度が1.7μWを越えたので、レーザ照射を終了した。
Using the above-mentioned adaptive control method for preventing underfill, five titanium butt joints with different root gaps of 60 μm, 78 μm, 84 μm, 95 μm and 106 μm were laser welded. The upper graph of FIG. 15 and the lower graph of FIG. 15 show the laser output in the butt welding of the joint having a root gap of 95 μm, the temporal change of reflected light intensity and thermal radiation light intensity, and the image taken by the high-speed camera of the melted part. Shown in each photo. However, the vertical axis of the graph plots the measured laser output and the intensity of reflected light and thermal radiation light on a common scale using different units ([kW], [× 0.1mW], [× 2μW]). ing. The welding conditions were a titanium joint material, a pulse laser with a spot diameter of 150 μm focused on a heat source, and an Ar gas flow rate of 40 liters / min.
Referring to FIG. 15, during the laser irradiation with the initial peak output of 0.4 kW, the titanium members on both sides of the root gap were heated and melted. Meanwhile, the intensity of heat radiation increased in proportion to the time, and the intensity of reflected light was constant at about 0.04 mW. When 5.4 ms passed from the start of laser irradiation, the melts joined together, and the intensity of heat radiation and reflected light increased rapidly. Then, it was determined that the reflected light intensity exceeded 0.08 mW, and the peak output was increased to 1.6 kW. Even if the peak power was increased, the melt did not flow down and welding could be continued. Finally, after 7.0 ms from the start of laser irradiation, the intensity of heat radiation exceeded 1.7 μW, so laser irradiation was terminated.

突合せ溶接終了後の溶接部の表面および断面の状態を、図16に示す。各写真の下の数値は、溶接前の継手のルートギャップである。図16から、ルートギャップが106μmであれば,適応制御を用いることで,アンダーフィルを低減し、かつ、深い溶込みを得ることができることが分かった。溶接後に実測した溶融部表面直径,溶込み深さおよびアンダーフィルとルートギャップの関係を、夫々図17,図18,図19に示す。各図には、比較のために、レーザピーク出力1.6kW,照射時間2msでの突合せ溶接で得られた値も適応制御なしの点としてプロットしている。図17から、適応制御を用いた場合の溶融部表面直径は、適応制御を用いなかった場合に比して、ルートギャップが大きくなっても減少せず、略一定値に安定していることが分かる。図18から、溶込み深さは、適応制御の有無による差はなく、ルートギャップが大きくなると深くなる傾向にあることが分かる。図19から、適応制御を用いた場合のアンダーフィルは、適応制御を用いなかった場合に比してかなり減少し、溶接部の表面の陥没が抑えられることが分かる。但し、ルートギャップが大きくなると増加する傾向は認められる。
以上より、この実施形態の適応制御は、ルートギャップをもつ突合せ溶接においてアンダーフィルを低減し、溶融部表面直径を安定化する効果があることが明らかになった。
本発明の判定装置を兼ねる図1のレーザ突合せ溶接装置の制御部であるコンピュータ10には、被溶接材料の板厚,ルートギャップを含む溶接条件に対応して予め求められたレーザの初期および増加後のピーク出力が既述のデータテーブルに基準データとして格納されている。そして、作業者によってアンダーフィル低減の適応制御が選択されると、溶接条件に対応するピーク出力をデータテーブルから読み出して上記適応制御を行う。従って、図1のレーザ突合せ溶接装置を用いれば、アンダーフィルを低減し、溶融部表面直径を安定化することができる。
FIG. 16 shows the state of the surface and cross section of the welded portion after the butt welding. The number below each photo is the root gap of the joint before welding. From FIG. 16, it was found that if the root gap is 106 μm, underfill can be reduced and deep penetration can be obtained by using adaptive control. 17, 18, and 19 show the relationship between the melted part surface diameter, the penetration depth, and the underfill and route gap measured after welding, respectively. For comparison, the values obtained by butt welding with a laser peak output of 1.6 kW and an irradiation time of 2 ms are also plotted as points without adaptive control for comparison. From FIG. 17, it can be seen that the surface diameter of the melted part when adaptive control is used does not decrease even when the root gap becomes larger and is stable at a substantially constant value than when adaptive control is not used. I understand. It can be seen from FIG. 18 that the penetration depth is not different depending on the presence or absence of adaptive control, and tends to become deeper as the route gap becomes larger. It can be seen from FIG. 19 that the underfill when adaptive control is used is considerably reduced as compared with the case where adaptive control is not used, and depression of the surface of the weld is suppressed. However, a tendency to increase as the route gap increases is recognized.
From the above, it has been clarified that the adaptive control of this embodiment has an effect of reducing the underfill in the butt welding having the root gap and stabilizing the melted part surface diameter.
The computer 10 which is the control unit of the laser butt welding apparatus of FIG. 1 which also serves as the determination apparatus of the present invention includes the initial and increase of lasers determined in advance corresponding to the welding conditions including the plate thickness of the material to be welded and the root gap. The later peak output is stored as reference data in the data table described above. When adaptive control for underfill reduction is selected by the operator, the peak output corresponding to the welding conditions is read from the data table and the adaptive control is performed. Therefore, if the laser butt welding apparatus of FIG. 1 is used, underfill can be reduced and the surface diameter of the melted part can be stabilized.

本発明のルートギャップ適否判定方法の他の実施形態として、この判定方法を用いた突合せシーム溶接について次に述べる。
先の実施形態は、被溶接材料とレーザヘッドを相対移動させずにパルスレーザを被溶接材料の1点に照射するものであるが、この照射点を変更して溶接部が繋がるように溶接を繰り返す突合せシーム溶接も、電気・電子部品の製造分野では多用されている。そこで、基礎研究として、ルートギャップをもつ突合せシーム溶接を行い、溶接後のルートギャップの変化を調査した。突合せシーム溶接は、ルートギャップが0.101mmの純チタン材に対して、ピーク出力1.6kWで持続時間2msのパルスレーザを照射し、照射位置を0.34mmずつずらして10回照射を繰り返して行った。また,同様の条件で先の実施形態で述べた適応制御を用いたシーム溶接を行った。
適用制御を用いない場合および用いた場合の溶接後のシームの表面と断面の状態を、図20Aおよび図20Bの上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。レーザ照射の順番は、写真に向かって左から右である。
As another embodiment of the route gap suitability determination method of the present invention, butt seam welding using this determination method will be described below.
In the previous embodiment, the pulse laser is irradiated to one point of the material to be welded without relatively moving the material to be welded and the laser head. Welding is performed so that the welded portion is connected by changing this irradiation point. Repeated butt seam welding is also frequently used in the field of manufacturing electrical and electronic components. Therefore, as a basic study, butt seam welding with a root gap was performed, and changes in the root gap after welding were investigated. Butt seam welding was performed by irradiating a pure titanium material with a root gap of 0.101 mm with a pulsed laser with a peak output of 1.6 kW and a duration of 2 ms, and repeating the irradiation 10 times while shifting the irradiation position by 0.34 mm. In addition, seam welding was performed using the adaptive control described in the previous embodiment under the same conditions.
The surface and cross-sectional state of the seam after welding when application control is not used and when it is used are shown in the upper and lower photographs of FIGS. 20A and 20B, respectively. The left and right sides of the surface state photograph show the root gaps at the left and right ends of the joint. The order of laser irradiation is from left to right as viewed in the photo.

レーザ照射の順番と溶融部表面直径,溶込み深さおよびアンダーフィルの関係を、適応制御を用いた場合と用いない場合の両方について、レーザ照射の順番を横軸にプロットして図21,図22,図23に夫々示す。なお、アンダーフィルは、母材表面を基準として下がった場合を正、上がった場合を負の値としてプロットした。
図21の溶融部表面直径は、適応制御を用いない場合は、最初のレーザ照射による溶融部の直径が小さくなったが、照射が繰り返されるにつれて増加し、安定化している。一方、適応制御を用いた場合は、適応制御を用いない場合に比して最初のレーザ照射による溶融部から変動が少なく安定化している。この傾向は、適応制御を用いない最初の3回のレーザ照射においては顕著であるが、4回目以降からは適応制御を用いた場合と略同じ直径となった。
図22の溶込み深さは、適応制御を用いた場合も用いない場合も、レーザ照射が繰り返されるにつれて減少している。
図23のアンダーフィルは、適応制御を用いない場合、1回目の照射で深くなったが、レーザ照射が繰り返されるにつれて浅くなり、安定化した。適応制御を用いた場合は、1回目の照射で浅かったが、2回目以降では適応制御を用いない場合とあまり差はなかった。このことから、レーザ照射が繰り返されるにつれ、溶融状態が変化していくと考えられる。図20A,Bの突合せ溶接後の試料の両端の写真を見ると、両端のルートギャップは、照射位置移動方向である右端のルートギャップが減少し、反対側の左端のルートギャップが増加している。これは、最初の実施形態で、ルートギャップが溶接後に減少すると述べたように、レーザ照射を繰り返し行うと、図24に示すように、照射位置移動方向のルートギャップがレーザ照射によって減少し、その分、逆方向のルートギャップが増加するからであると考えられる。従って、レーザ照射を繰り返すほどルートギャップが減少し、融液がルートギャップに流れ落ちなくなるので、溶融部直径が安定し、アンダーフィルが浅くなり、溶込み深さが浅くなるのである。
以上より、ルートギャップをもつ突合せシーム溶接を行うと、照射位置移動方向のルートギャップが減少し、アンダーフィルが浅くなることが明らかになった。
The relationship between the order of laser irradiation and the melted part surface diameter, penetration depth, and underfill is plotted on the horizontal axis in both cases where adaptive control is used and not used, with the horizontal axis plotted in FIGS. 22 and FIG. 23, respectively. In addition, the underfill was plotted as a positive value when it was lowered with respect to the surface of the base material, and a negative value when it was raised.
When the adaptive control is not used, the melted part surface diameter in FIG. 21 decreases and becomes stable as the melted part diameter by the first laser irradiation decreases. On the other hand, when adaptive control is used, there is less fluctuation from the melted portion due to the first laser irradiation and stabilization compared to when adaptive control is not used. This tendency is conspicuous in the first three laser irradiations without using adaptive control, but from the fourth time onward, the diameter was almost the same as when using adaptive control.
The penetration depth in FIG. 22 decreases as laser irradiation is repeated, whether or not adaptive control is used.
When the adaptive control is not used, the underfill in FIG. 23 became deeper by the first irradiation, but became shallower and stabilized as the laser irradiation was repeated. When adaptive control was used, it was shallow at the first irradiation, but the second and subsequent times were not much different from the case where adaptive control was not used. From this, it is considered that the molten state changes as the laser irradiation is repeated. 20A and 20B, when the photographs of both ends of the sample after butt welding are seen, the root gap at the right end, which is the irradiation position movement direction, is decreased, and the root gap at the opposite left end is increased. . As described in the first embodiment, when the root gap is reduced after welding, as shown in FIG. 24, when the laser irradiation is repeated, the root gap in the irradiation position movement direction is reduced by the laser irradiation. This is probably because the route gap in the reverse direction increases. Therefore, as the laser irradiation is repeated, the root gap decreases, and the melt does not flow down into the root gap. Therefore, the melted part diameter becomes stable, the underfill becomes shallow, and the penetration depth becomes shallow.
From the above, it was clarified that when butt seam welding with a root gap is performed, the root gap in the irradiation position movement direction decreases and the underfill becomes shallow.

上述の基礎研究で、ルートギャップは、突合せ溶接を繰り返すと進行方向で減少するが、逆方向で増加するという欠点があることが分かった。そこで、この実施形態では、ルートギャップが増加しないような突合せシーム溶接方法について述べる。この実施形態では、レーザ照射位置を内側から外側に広がるように移動させる。即ち、図25に示すように、レーザを右方向に順に2回照射した後、3回目は1回目の照射点の左側に照射する。これにより、左側のルートギャップが減少することが期待される。次に、4回目は逆に2回目の照射点の右側に照射し、5回目は3回目の照射点の左側に照射するというように順次照射していく。アンダーフィル低減のための既述の適応制御法を用いつつ、この順番で0.095mmのルートギャップをもつ突合せ継手のシーム溶接を行った。溶接後のシームの表面および断面の状態を図26の上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。図26から明らかなように、継手の左,右端のルートギャップを共に減少させることができた。
以上より,ルートギャップをもつ突合せシーム溶接において、レーザ照射の順番を変えることによって、ルートギャップを減少できることが明らかになった。
In the basic research described above, it has been found that the root gap decreases in the traveling direction when butt welding is repeated, but increases in the opposite direction. Therefore, in this embodiment, a butt seam welding method that does not increase the root gap will be described. In this embodiment, the laser irradiation position is moved so as to spread from the inside to the outside. That is, as shown in FIG. 25, after the laser is irradiated twice in order in the right direction, the third time is irradiated to the left side of the first irradiation point. This is expected to reduce the left route gap. Next, irradiation is performed sequentially in such a manner that the fourth irradiation is performed on the right side of the second irradiation point and the fifth irradiation is performed on the left side of the third irradiation point. Seam welding of butt joints with a root gap of 0.095 mm was performed in this order using the adaptive control method described above for underfill reduction. The surface and cross-sectional state of the seam after welding are shown in the upper and lower photographs in FIG. The left and right sides of the surface state photograph show the root gaps at the left and right ends of the joint. As is clear from FIG. 26, both the root gaps at the left and right ends of the joint could be reduced.
From the above, it became clear that the root gap can be reduced by changing the order of laser irradiation in butt seam welding with a root gap.

先の実施形態で、一定方向に突合せシーム溶接を行うと、進行方向とは逆のルートギャップが増加すること、および、ルートギャップの大きい突合せ溶接を行うとポロシティが減少することを述べた。そこで、レーザ照射の順を変化させて、ルートギャップを増加させ、同時にポロシティを減少できるか否かを検討した。例えば、図27に示すように、左方向に2回レーザ照射を行った後、3回目は1回目の右側にレーザ照射1回分の距離を空けて照射を行い、4回目で3回目の左側に照射する。これにより、右側のルートギャップが増加することが期待される。次に、5回目は3回目の照射点から1回分空けた右側に照射し、6回目は5回目の左側に照射するというように順次照射していく。アンダーフィル低減のための既述の適応制御法を用いつつ、この順番で0.092mmのルートギャップをもつ突合せ継手のシーム溶接を行った。溶接後のシームの表面および断面の状態を図28の上下の写真に夫々示す。なお、表面状態の写真の左右は、継手の左,右端のルートギャップを示している。図28の断面写真から、顕著なポロシティの減少は認められなかった。
図29は、照射レーザの溶融部からの反射光をモニタリングし、レーザ照射開始から反射光強度が急増するまでの時間を、レーザ照射を行った順番にプロットしたグラフである。先の実施形態で、レーザのピーク出力が低い場合、反射光強度が急増するまでの時間はルートギャップに比例することを述べた。また、アンダーフィル低減の適応制御においては,接合が生じたか否かの判定の際、初期に低ピーク出力のレーザで照射を行っている。そのため、図29のグラフで、反射光強度が急増するまでの時間が長い1,3,5回目のレーザ照射においては、かなりのルートギャップが生じており、それ以外のレーザ照射においては、ルートギャップが非常に狭いということが分かる。つまり、レーザ照射の順番を上述のように変化させてシーム溶接を行っても、ルートギャップを増加させることが困難であったため、図28の断面写真に見られるようにポロシティの低減は実現できなかったと結論できる。
In the previous embodiment, it has been described that when butt seam welding is performed in a certain direction, the root gap opposite to the traveling direction increases, and when butt welding with a large root gap is performed, the porosity decreases. Therefore, we examined whether the laser irradiation order can be changed to increase the root gap and simultaneously reduce the porosity. For example, as shown in FIG. 27, after laser irradiation is performed twice in the left direction, the third irradiation is performed on the right side of the first time with a distance of one laser irradiation, and the fourth time is performed on the left side of the third time. Irradiate. This is expected to increase the right route gap. Next, irradiation is performed sequentially in such a manner that the fifth irradiation is performed on the right side that is one time away from the third irradiation point, and the sixth irradiation is performed on the left side of the fifth. Seam welding of butt joints with a root gap of 0.092 mm was performed in this order using the adaptive control method described above for underfill reduction. The state of the surface and cross section of the seam after welding is shown in the upper and lower photographs in FIG. 28, respectively. The left and right sides of the surface state photograph show the root gaps at the left and right ends of the joint. From the cross-sectional photograph of FIG. 28, no significant decrease in porosity was observed.
FIG. 29 is a graph obtained by monitoring the reflected light from the melted part of the irradiation laser and plotting the time from the start of laser irradiation until the reflected light intensity rapidly increases in the order in which the laser irradiation was performed. In the previous embodiment, when the peak output of the laser is low, the time until the reflected light intensity increases rapidly is proportional to the root gap. Also, in adaptive control for underfill reduction, irradiation with a low peak output laser is initially performed when determining whether or not bonding has occurred. Therefore, in the graph of FIG. 29, a considerable root gap is generated in the first, third, and fifth laser irradiations that take a long time until the reflected light intensity rapidly increases, and the root gap is generated in other laser irradiations. It can be seen that is very narrow. In other words, even if seam welding was performed with the laser irradiation order changed as described above, it was difficult to increase the root gap, and as a result, the reduction in porosity could not be realized as seen in the cross-sectional photograph of FIG. It can be concluded that

本発明のレーザ突合せ溶接におけるルートギャップ適否判定方法およびそのための装置は、電子・電気分野における金属製の電子部品や電池パッケージのシーム溶接、およびプラズマテレビや液晶などの大板のガラスを切断する刃の溶接に利用できる。   A method for determining the suitability of a root gap in laser butt welding according to the present invention and an apparatus therefor are used for seam welding of metal electronic parts and battery packages in the electronic / electric field, and blades for cutting large plates of glass such as plasma televisions and liquid crystals. Can be used for welding.

図1は、本発明の判定方法のための装置であるレーザ突合せ溶接装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic view of a laser butt welding apparatus which is an apparatus for the determination method of the present invention. 図2Aは、突合せ溶接中における溶融部表面の撮影画像および溶接後の溶接部の表面および断面の写真である。FIG. 2A is a photographed image of the surface of the melted part during butt welding and a photograph of the surface and cross section of the welded part after welding. 図2Bは、パルス波形の異なる突合せ溶接中および溶接後の同様の画像および写真である。FIG. 2B is a similar image and photograph during and after butt welding with different pulse waveforms. 図3は、3つのルートギャップをもつ突合せ継手に3種のパルス波形で溶接した際の溶接前の開先平面および溶接後の接合部平面と断面の状態を示す写真である。FIG. 3 is a photograph showing the state of the groove plane before welding and the joint plane and cross-section after welding when welding a butt joint having three root gaps with three kinds of pulse waveforms. 図4は、各ピーク出力で溶接した接合部表面直径とルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the joint surface diameter welded at each peak output and the root gap. 図5は、各ピーク出力で溶接した溶接前後のルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the root gap before and after welding at each peak output. 図6は、各ピーク出力で溶接した接合部の溶け込み深さとルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the penetration depth and the root gap of the joint welded at each peak output. 図7は、各ピーク出力で溶接した接合部のアンダーフィルとルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the underfill and the root gap of the joint welded at each peak output. 図8は、ルートギャップをもつ突合せ溶接中のインプロセスモニタリングにおけるレーザパルス出力、溶融部からの照射レーザの反射光の強度、溶融部からの熱放射光の強度の測定結果および高速カメラによる溶融部の撮影画像を示す図である。FIG. 8 shows the laser pulse output in in-process monitoring during butt welding with a root gap, the intensity of reflected light of the irradiation laser from the melting part, the measurement result of the intensity of thermal radiation from the melting part, and the melting part by a high-speed camera. It is a figure which shows the picked-up image. 図9は、パルス波形の異なる突合せ溶接中のインプロセスモニタリングにおける図7と同様の図である。FIG. 9 is a view similar to FIG. 7 in in-process monitoring during butt welding with different pulse waveforms. 図10は、レーザ照射開始から溶融部が接合するまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the time from the start of laser irradiation to the time when the melted portion joins and the root gap. 図11は、レーザ照射開始から熱放射光強度の時間微係数が閾値(6mW/s)を超えるまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 11 is a graph showing the relationship between the time from the start of laser irradiation until the time derivative of the intensity of thermal radiation exceeds the threshold (6 mW / s) and the root gap. 図12は、レーザ照射開始から反射光強度が閾値(0.08mW)を超えるまでの時間とルートギャップの関係を示すグラフである。FIG. 12 is a graph showing the relationship between the time from the start of laser irradiation until the reflected light intensity exceeds the threshold (0.08 mW) and the root gap. 図13は、ピーク出力0.4kWのパルスレーザによる2種のルートギャップをもつ突合せ溶接で溶融部の接合が生じる時点付近における0.04msごとの熱放射光強度の増分を示すグラフである。FIG. 13 is a graph showing the increment of thermal radiation light intensity every 0.04 ms in the vicinity of the time when the fusion zone is joined by butt welding with two types of root gaps by a pulse laser having a peak output of 0.4 kW. 図14Aは、アンダーフィル防止の適応制御法の流れを示すフローチャートである。FIG. 14A is a flowchart showing a flow of an adaptive control method for preventing underfill. 図14Bは、この適応制御中の反射光強度とレーザ出力の経時変化を示すグラフである。FIG. 14B is a graph showing changes in reflected light intensity and laser output over time during this adaptive control. 図15は、アンダーフィル防止の適応制御法を用いて所定ルートギャップをもつ突合せ継手をパルスレーザ溶接した際のレーザ出力,反射光強度と熱放射光強度の経時変化を示すグラフおよび溶融部の高速カメラによる撮影画像を示す写真である。FIG. 15 is a graph showing changes over time in laser output, reflected light intensity, and thermal radiation light intensity when pulsed laser welding is performed on a butt joint having a predetermined root gap using an adaptive control method for preventing underfill, and a high speed of a melted portion. It is a photograph which shows the picked-up image by a camera. 図16は、5種のルートギャップをもつ突合せ継手をアンダーフィル防止適応制御を用いた所定溶接条件でパルスレーザ溶接した後の溶接部の表面および断面の状態を示す写真である。FIG. 16 is a photograph showing the surface and cross-sectional states of the welded portion after pulse laser welding of a butt joint having five types of route gaps under predetermined welding conditions using underfill prevention adaptive control. 図17は、図16の試料で実測した溶融部表面直径とルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing the relationship between the melt surface diameter and the root gap measured with the sample of FIG. 16 together with a comparative example by butt welding without underfill prevention adaptive control. 図18は、図16の試料で実測した溶け込み深さとルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。FIG. 18 is a graph showing the relationship between the penetration depth and the root gap measured with the sample of FIG. 16 together with a comparative example by butt welding without underfill prevention adaptive control. 図19は、図16の試料で実測したアンダーフィルとルートギャップの関係をアンダーフィル防止適応制御なしの突合せ溶接による比較例と共に示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the relationship between the underfill and the root gap measured with the sample of FIG. 16 together with a comparative example by butt welding without underfill prevention adaptive control. 図20Aは、アンダーフィル防止適応制御なしで突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。FIG. 20A is a photograph showing the surface and cross-sectional shape of a seam after butt seam welding without adaptive control of underfill prevention. 図20Bは、アンダーフィル防止適応制御を用いて突合せシーム溶接した後の同様の写真である。FIG. 20B is a similar photograph after butt seam welding using adaptive control to prevent underfill. 図21は、図20A,Bの試料で実測した溶融部表面直径とレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the relationship between the melted part surface diameter measured with the samples of FIGS. 20A and 20B and the order of laser irradiation. 図22は、図20A,Bの試料で実測した溶け込み深さとレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the relationship between the penetration depth actually measured for the samples of FIGS. 20A and 20B and the order of laser irradiation. 図23は、図20A,Bの試料で実測したアンダーフィルとレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing the relationship between the underfill measured in the samples of FIGS. 20A and 20B and the order of laser irradiation. 図24は、レーザ照射位置を一方向に移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。FIG. 24 is a schematic diagram showing changes in the root gap when the laser irradiation position is moved in one direction and butt seam welding is performed. 図25は、レーザ照射位置を両方向に移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。FIG. 25 is a schematic diagram showing a change in the root gap when the laser irradiation position is moved in both directions and butt seam welding is performed. 図26は、図25の方法で突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。FIG. 26 is a photograph showing the surface and cross-sectional shape of the seam after butt seam welding by the method of FIG. 図27は、レーザ照射1回分の距離を空けて照射位置を両方向へ移動して突合せシーム溶接する際のルートギャップの変化を示す概略図である。FIG. 27 is a schematic diagram showing a change in the root gap when the irradiation position is moved in both directions with a distance of one laser irradiation and butt seam welding is performed. 図28は、図27の方法で突合せシーム溶接した後のシームの表面および断面の形状を示す写真である。FIG. 28 is a photograph showing the surface and cross-sectional shape of the seam after butt seam welding by the method of FIG. 図29は、レーザ照射開始から反射光強度が急増するまでの時間とレーザ照射の順番の関係を示すグラフである。FIG. 29 is a graph showing the relationship between the time from the start of laser irradiation until the reflected light intensity suddenly increases and the order of laser irradiation.

符号の説明Explanation of symbols

1 適応制御型YAGパルスレーザ発生装置
2 レーザヘッド
3 光ファイバ
4 突合せ継手
5 熱放射光センサ
6 溶融部
7 反射光センサ
10 コンピュータ
11,12 ダイクロイックミラー
13 ノッチフィルタ
14 干渉フィルタ
15 He-Neレーザ発振器(背光用)
16 高速カメラ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Adaptive control type YAG pulse laser generator 2 Laser head 3 Optical fiber 4 Butt joint 5 Thermal radiation sensor 6 Melting part 7 Reflected light sensor 10 Computer 11,12 Dichroic mirror 13 Notch filter 14 Interference filter 15 He-Ne laser oscillator ( (For back light)
16 High-speed camera

Claims (7)

所定のルートギャップをもつ材料に、このルートギャップより大きいビーム径をもつレーザを、レーザビームの最大パワー密度部分を上記ルートギャップに位置させて
照射して突合せ溶接する過程において、
溶融部からの照射レーザの反射光または溶融部からの熱放射光の強度を計測し、計測した光強度の経時変化を、同一材料からなる試料について予め求められた基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定することを特徴とするレーザ突合せ溶接における判定方法。
In the process of butt welding by irradiating a material having a predetermined root gap with a laser having a beam diameter larger than the root gap with the maximum power density portion of the laser beam positioned in the root gap,
We measure the intensity of the reflected light from the laser irradiated from the fusion zone or the intensity of the thermal radiation from the fusion zone, and compare the time-dependent change in the measured light intensity with the reference data obtained in advance for a sample made of the same material. A determination method in laser butt welding, characterized in that determination is made as to whether or not a route gap is appropriate and whether or not a route gap is appropriate.
請求項1に記載の判定方法において、上記基準データは、所定の試料についてルートギャップを変化させて所定波形のレーザで溶接を行い、溶融部が上記ルートギャップを埋めた時点で、照射レーザの反射光の強度がそれを超えて増加する閾値あるいは照射レーザの反射光または熱放射光の強度の時間微係数がそれを超えて増加する微係数閾値と、溶接開始から上記時点までの経過時間と、ルートギャップ値と、上記所定波形の組からなるデータテーブルであることを特徴とする判定方法。   2. The determination method according to claim 1, wherein the reference data is a reflection of an irradiation laser when a predetermined sample is welded with a laser having a predetermined waveform while changing a root gap, and the melted portion fills the root gap. A threshold value over which the intensity of light increases, or a differential coefficient threshold value over which the time derivative of the intensity of reflected light or heat radiation of the irradiation laser increases, and the elapsed time from the start of welding to the above point, A determination method comprising a data table including a set of a root gap value and the predetermined waveform. 請求項2に記載の判定方法において、上記試料に照射するレーザの波形は、溶融部がルートギャップを埋めるに足る低いピーク出力と所定のレーザ照射持続時間を有することを特徴とする判定方法。   3. The determination method according to claim 2, wherein the waveform of the laser applied to the sample has a low peak output sufficient for the melted portion to fill the root gap and a predetermined laser irradiation duration. 請求項2に記載の判定方法において、上記データテーブルに載ったルートギャップをもつ材料を上記データテーブルに載った波形のレーザで溶接し、上記経過時間を過ぎる前に、計測する光強度が上記閾値を超えあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えたとき、溶接可能またはルートギャップ適正と判定して溶接を続行する一方、上記経過時間が過ぎても、計測する光強度が上記閾値を超えずあるいは計測する光強度の時間微係数が上記微係数閾値を超えないとき、溶接不可能またはルートギャップ不適と判定して溶接を停止することを特徴とする判定方法。   3. The determination method according to claim 2, wherein a material having a root gap on the data table is welded with a laser having a waveform on the data table, and the light intensity to be measured before the elapsed time exceeds the threshold value. Or when the time derivative of the measured light intensity exceeds the derivative threshold, welding is determined to be possible or the route gap is appropriate and welding is continued. A determination method comprising: determining that welding is impossible or route gap inadequate and stopping welding when the threshold value does not exceed or the time derivative of the light intensity to be measured does not exceed the derivative threshold value. 請求項4に記載の判定方法において、上記材料に照射するレーザの波形は、照射初期にピーク出力が低く、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、ピーク出力が上昇することを特徴とする判定方法。   5. The determination method according to claim 4, wherein the laser waveform irradiated to the material has a low peak output at the beginning of irradiation, and the peak output increases when it is determined that welding is possible or the route gap is appropriate. Method. 所定のルートギャップをもつ材料にレーザを照射することを、照射点を変更して繰り返して突合せシーム溶接する方法において、請求項4に記載の判定方法によって溶接可能またはルートギャップ適正と判定した後、シーム溶接方向に対して照射点を逆方向に戻してレーザを照射する工程を含むことを特徴とする突合せシーム溶接方法。   In the method of repeatedly butt seam welding by changing the irradiation point to irradiate a material having a predetermined route gap with laser, after determining that welding is possible or the route gap is appropriate by the determination method according to claim 4, A butt seam welding method comprising a step of irradiating a laser by returning an irradiation point in a direction opposite to a seam welding direction. レーザ突合せ溶接における溶接可否およびルートギャップ適否を判定する装置であって、
レーザ照射中に溶融部からの照射レーザの反射光および溶融部からの熱放射光の少なくとも何れかの強度を計測するモニタ部と、
このモニタ部からの計測信号の経時変化を、同じ被溶接材料について予め求められ、格納された基準データと比較して、溶接の可否およびルートギャップの適否を判定し、溶接可能またはルートギャップ適正と判定したとき、設定レーザ波形を維持または変更する信号を出力し、溶接不可能またはルートギャップ不適と判断したとき、溶接を停止させる信号を出力する制御部と、
この制御部からの出力信号によって動作が制御されるレーザ発振器を備えたことを特徴とする判定装置。
An apparatus for determining whether or not welding is possible and whether or not a root gap is appropriate in laser butt welding,
A monitor unit that measures the intensity of at least one of the reflected light of the irradiation laser from the melting part and the heat radiation light from the melting part during laser irradiation;
The change over time of the measurement signal from the monitor unit is obtained in advance for the same material to be welded and compared with the stored reference data to determine whether or not welding is possible and whether or not the route gap is appropriate. A control unit that outputs a signal for maintaining or changing the set laser waveform when it is determined, and that outputs a signal for stopping welding when it is determined that welding is impossible or the route gap is inappropriate;
A determination apparatus comprising a laser oscillator whose operation is controlled by an output signal from the control unit.
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