JP2008188622A - レーザ溶接部形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な処理でスポット状に形成された溶接部の溶接品質及び形成位置の異常の有無を精度良く判断できるレーザ溶接部形成方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接部形成方法では、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の監視にあたって、予め設定した基準用の出力信号の上管理限界値と下管理限界値との間に設定された許容領域を用いている。かかる許容領域は、基準用の出力信号の出力値の起伏やオーバーシュート部分を含めた状態で一定の数値幅をもって設定される。また、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を検出対象としているため、許容領域は、溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成位置に対応して櫛歯状に設定される。したがって、このレーザ溶接部形成方法では、測定用の出力信号の出力値が許容領域に収まっているか否かを判断することで、溶接部の溶接品質と形成位置とを一度に精度良く判断できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザビームの照射によって被加工物にスポット状の溶接部を形成するレーザ溶接部形成方法に関する。

この種の分野に関連する技術として、例えば特許文献1に記載のレーザ溶接制御装置がある。この従来のレーザ溶接制御装置では、加工点の近傍に配置したプラズマ光センサ及び温度センサによって検出したレーザ溶接時のプラズマ発光強度及び溶接部温度に基づいて溶接出力をフィードバック制御し、溶接部におけるブローホールの発生を抑えるようにしている。
特開２００３−１９５８９号公報

ところで、レーザ溶接においては、被加工物にスポット状の溶接部を形成する場合がある。このような場合、溶接部の溶接品質の他、溶接部の形成位置の異常の有無を判断する必要がある。しかしながら、各判断項目に対応してセンサを用意すると、解析すべき出力信号の種類が増加し、処理が複雑化してしまうという問題がある。

また、スポット状の溶接部を形成する場合では、例えばＹＡＧレーザに代表される高エネルギー密度のレーザが被加工物の表面に瞬間的に照射される。そのため、各種のセンサによって検出される出力信号は、その起伏も激しく、さらに瞬間的なピーク（オーバーシュート）が含まれることもある。したがって、上述した従来のレーザ溶接制御装置のような判断手法をそのまま適用したのでは、溶接部の溶接品質及び形成位置の異常の有無を捉えることが困難となるおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、簡単な処理でスポット状に形成された溶接部の溶接品質及び形成位置の異常の有無を精度良く判断することができるレーザ溶接部形成方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接部形成方法は、レーザビームの照射によって被加工物にスポット状の溶接部を形成するレーザ溶接部形成方法であって、溶接部を形成する際のレーザビームの出力強度の変化を出力強度検出手段によって検出し、当該出力強度検出手段から出力される出力信号を取得する信号取得ステップと、信号取得ステップで取得した出力信号の出力値が、予め設定した基準用の出力信号の上管理限界値と下管理限界値との間に設定された許容領域内に収まっているか否かに基づいて、溶接部の溶接品質及び形成位置の可否を判断する判断ステップとを備えたことを特徴としている。

このレーザ溶接部形成方法では、スポット状の溶接部の監視にあたって、予め設定した基準用の出力信号の上管理限界値と下管理限界値との間に設定された許容領域を用いている。上管理限界値と下管理限界値とは、基準用の出力信号の出力値の標準偏差を算出した上で、その標準偏差を整数倍して得られる正規化値を基準用の出力信号の出力値に加算及び減算してそれぞれ得られる値である。そのため、許容領域は、基準用の出力信号の出力値の起伏やオーバーシュート部分を含めた状態で一定の数値幅をもって設定されることとなる。またスポット状の溶接部を検出対象としているため、許容領域は、溶接部の形成位置に対応して櫛歯状に設定されることとなる。したがって、このレーザ溶接部形成方法では、判断項目ごとにセンサを用意しなくても、測定用の出力信号の出力値が許容領域に収まっているか否かを判断することで、溶接部の溶接品質と形成位置とを一度に精度良く判断できる。

また、基準用の出力信号における出力値の移動平均値の標準偏差を算出し、この標準偏差を整数倍して得られる正規化値を移動平均値に加算したものを前記上管理限界値として用い、正規化値を移動平均値から減算したものを下管理限界値として用いることが好ましい。このように、取得した出力信号の出力値の移動平均値を算出することにより、上管理限界値と下管理限界値との間の許容領域の変動が平坦化され、処理の一層の簡単化が図られる。

本発明に係るレーザ溶接部形成方法によれば、簡単な処理でスポット状に形成された溶接部の溶接品質及び形成位置の異常の有無を精度良く判断することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接部形成方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接部形成方法を実現するレーザ溶接システムを示す構成図である。図１に示すレーザ溶接システム１は、例えば鉄道車両構体に用いる外板パネルと骨部材と（以下、これらを「ワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）を重ね溶接するためのシステムである。レーザ溶接システム１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒにレーザビームを照射し、溶接予定領域Ｒに複数のスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５（図４参照）を形成するレーザ溶接装置２と、溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置の可否を評価する評価装置３とを備えて構成されている。

図１に示すように、レーザ溶接装置２は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、ワーク固定装置２２と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御装置（図示しない）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。

ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置である。送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置可能な可動ステージ２５を有している。そして、送り装置２１は、制御装置から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５を矢印Ａ方向に一定の速度で走査させる。これにより、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂは、溶接予定領域Ｒに沿って、レーザ照射装置２３によるレーザビームの照射位置に対して相対的に移動する。

ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する装置である。ワーク固定装置２２は、長尺の押さえ板２６ａを有する加圧治具２６を複数（本実施形態では２つ）備えている。ワーク固定装置２２は、制御装置から動作開始を指示する動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から長尺の加圧治具２６を下降させる。そして、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付けることにより、溶接予定領域Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性を向上させる。

レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームを照射する装置である。レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されたレーザヘッド２７を有している。レーザ照射装置２３は、制御装置から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザヘッド２７の先端から例えば波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザを出射させる。

また、このレーザ照射装置２３は、内部に出力切替機構（図示しない）を備えている。この出力切替機構により、レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して連続的にレーザビームを照射することもでき、パルス状にレーザビームを照射することもできるようになっている。

ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する装置である。ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２８を有している。ガス供給装置２４は、レーザ照射装置２３の動作中に制御装置から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームの照射位置にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

一方、評価装置３は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスクといった格納部、ディスプレイといった表示部等を備えたコンピュータシステムである。この評価装置３には、ワーク１０Ａ，１０Ｂに溶接部Ｗ１〜Ｗ５を形成する際にレーザ照射装置２３から出射するレーザビームの出力強度の変化を検出するためのレーザ出力強度検出センサ４が接続されている。レーザ出力強度検出センサ４は、レーザヘッド２７内において、レーザビームの照射位置の近傍に配置され、レーザビームと同波長の光の強度に対応する出力信号を評価装置３に出力する。

また、評価装置３は、機能的な構成要素として、異常判断部３１と、判断結果格納部３２とを有している。異常判断部３１は、レーザ出力強度検出センサ４からの出力信号を受け取る部分である。また、異常判断部３１は、受け取った出力信号を波形パターン化すると共に、この波形パターンに基づいて、ワーク１０Ａ，１０Ｂに形成した溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置の可否を判断する部分である。

異常判断部３１は、溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置の判断結果を示す判断結果情報を生成し、例えばワーク１０Ａ，１０Ｂの製品番号と関連付けて判断結果格納部３２に出力する。判断結果格納部３２は、異常判断部３１から出力される判断結果情報を受け取って格納する部分である。なお、異常判断部３１における溶接品質及び形成位置の可否判断の詳細については後述する。

続いて、上述した構成を有するレーザ溶接システム１の動作について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２及び図３は、レーザ溶接システム１の動作を示すフローチャートである。

レーザ溶接システム１では、まず始めに、図２に示すように、溶接部の溶接品質及び形成位置が正常であると判断される場合のワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）のレーザ溶接が行われる。

基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂが可動ステージ２５に載置された状態で、ユーザによる所定の操作がなされると、上位の制御装置からワーク固定装置２２に動作指示情報が出力される。動作指示情報を受け取ったワーク固定装置２２は、可動ステージ２５に載置された基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から加圧治具２６を下降させ、基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。

次に、制御装置からワーク固定装置２２、レーザ照射装置２３、送り装置２１、及びガス供給装置２４の各装置に動作指示情報が出力され、レーザ照射、ワーク送り、及びアシストガスの供給が開始される。レーザヘッド２７からは、ＹＡＧレーザが所定の間隔でパルス照射され、可動ステージ２５は、ワーク送り速度約１０ｍ／ｓでワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向（図１参照）に走査する。

これにより、基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒには、平面形状が略円形となるスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５が所定の間隔で順次形成される（ステップＳ０１）。なお、本実施形態では、図４に示すように、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５は、ワーク１０Ｂでの溶接痕が目立たないように、ワーク１０Ｂの一面側には露出しない非貫通のスポット溶接部となっている。

また、溶接を行っている間、レーザ出力強度検出センサ４によるレーザ出力強度の検出がなされる。評価装置３の異常判断部３１は、レーザ出力強度検出センサ４から出力される基準用の出力信号を取得し、この出力信号の波形パターンを取得する（ステップＳ０２）。

図５に出力信号の波形パターンの一例を示す。図５に示す波形パターンＡは、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を形成する際のレーザ出力強度検出センサ４からの各出力信号をプロットしたものであり、縦軸は出力信号の電圧、横軸は時間となっている。スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成にあたっては、ＹＡＧレーザが瞬間的に溶接予定領域Ｒに照射されるため、波形パターンＡは、５つのピークを有することとなる。各ピークでは、レーザビームの照射開始と共に出力強度が急激に増加し、オーバーシュート部分を経て一定時間ほぼフラットな状態となる。その後、レーザビームの照射終了と共に出力強度が急激に減少し、検出が終了する。

波形パターンを取得した後、異常判断部３１では、取得した波形パターンに基づいて、上管理限界値及び下管理限界値の算出がなされる（ステップＳ０３）。この上管理限界値及び下管理限界値の算出にあたっては、まず、基準用の出力信号における出力値の所定データ点（例えば５０データ点）ごとの移動平均値を求め、波形パターンの平坦化を行う。

次に、移動平均化した後の波形パターンに含まれる各出力値を、その標準偏差σに基づいて正規化する。そして、標準偏差σを３倍して得られる正規化値を移動平均値に加算したもの（＋３σ）を上管理限界値とし、正規化値を移動平均値から減算したもの（−３σ）を下管理限界値とする。

図６に算出された上管理限界値及び下管理限界値の波形パターンの一例を示す。図６に示す波形パターンＢ及び波形パターンＣは、基準となる溶接部Ｗ１〜Ｗ５を形成する際のレーザビームの出力強度の上管理限界値及び下管理限界値をそれぞれプロットしたものであり、縦軸は出力信号の電圧、横軸は時間となっている。

上述したように、波形パターンＢ及び波形パターンＣは、基準用の出力信号の移動平均値に正規化値を加算又は減算したものであるため、図５に示した波形パターンＡを平滑化させ、かつ縦軸方向に拡大・縮小したような形状となっている。波形パターンＢと波形パターンＣとの間に所定の数値幅をもって存在する櫛歯状の領域は、許容領域として設定される。

すなわち、後述する測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂにスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を形成する際の出力信号の波形パターンがこの許容領域内に収まっていれば、そのスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置は、基準となる溶接部Ｗ１〜Ｗ５と同等であると判断できることとなる。このようにして算出された上管理限界値及び下管理限界値は、異常判断部３１に記憶される。

上管理限界値及び下管理限界値の算出が終了した後、評価の対象とするワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」）のレーザ溶接を行う。この手順は、図３に示すように、上記のステップＳ０１及びＳ０２と同様であり、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに沿ってスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を順次形成すると共に（ステップＳ１１）、溶接中にレーザ出力強度検出センサ４から出力される測定用の出力信号の時間軸に対する波形パターンを取得する（ステップＳ１２）。

波形パターンを取得した後、異常判断部３１は、取得した波形パターンが、ステップＳ０３で算出した上管理限界値及び下管理限界値との間の許容領域に収まっているか否かに基づいて、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成したスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置の可否を判断する（ステップＳ１３）。

より詳細には、異常判断部３１は、取得した波形パターンに含まれるピークに縦ずれが生じている場合、すなわち、取得した波形パターンに含まれるピークに、上管理限界値を超えている部分が認められる場合、及び下管理限界値に満たない部分が認められる場合には、そのピークに対応するスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質が不可であると判断する。また、異常判断部３１は、取得した波形パターンに含まれるピークに横ずれが生じている場合、すなわち、取得した波形パターンに含まれるピークに、設定された許容範囲に対して時間的に早い部分又は遅い部分が認められる場合には、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成位置が不可であると判断する。

具体的な例を図７〜図１０に示す。図７に示す例では、ステップＳ１２で取得した波形パターンＤの５つのピーク全てが、上管理限界値及び下管理限界値との間の許容領域に収まっている。この場合、異常判断部３１は、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成したスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置がいずれも可であると判断する。

一方、図８に示す例では、ステップＳ１２で取得した波形パターンＤの５つのピークのうち、２番目〜４番目のピークについて、上管理限界値を超えている部分及び下管理限界値に満たない部分が認められる。この場合、異常判断部３１は、レーザ溶接の際のレーザビームの出力強度が異常であるとして、２番目〜４番目のピークに対応するスポット溶接部Ｗ２〜Ｗ４の溶接品質が不可であると判断する。

また、図９に示す例では、ステップＳ１２で取得した波形パターンＤに５番目のピークが存在していない。このような波形パターンＤは、例えば送り装置２１によるワーク１０Ａ，１０Ｂの送り速度が設定値よりも速く、スポット溶接部Ｗ５を形成するためのレーザビームがレーザヘッド２７から出射される前にレーザヘッド２７が溶接予定領域Ｒの終端に到達し、レーザ照射装置２３が自動的に停止してしまった場合などに生じ得る。この場合、異常判断部３１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの送り速度が異常であるとして、実際に形成されていないスポット溶接部Ｗ５を含め、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成位置が不可であると判断する。

図１０に示す例では、ステップＳ１２で取得した波形パターンＤの各ピークの出現位置が、設定された許容範囲に対して時間的に徐々に早くなっている。このような波形パターンＤは、例えばレーザ照射装置２３内の出力切替機構に異常があり、レーザヘッド２７から出射するレーザビームのパルス照射間隔が規定値からずれてしまった場合などに生じ得る。この場合、異常判断部３１は、レーザビームのパルス照射間隔が異常であるとして、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成位置が不可であると判断する。

この後、異常判断部３１は、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質及び形成位置の可否の判断結果と、ワーク１０Ａ，１０Ｂの製品番号とを関連付けた判断結果情報を生成し、判断結果格納部３２に出力する（ステップＳ１４）。全ての測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂについて、ステップＳ１１〜ステップＳ１４までの処理が完了すると、レーザ溶接システム１の動作が終了する。

このレーザ溶接部形成方法では、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成したスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の監視にあたって、予め設定した基準用の出力信号の上管理限界値と下管理限界値との間に設定された許容領域（図６参照）を用いている。このような許容領域は、基準用の出力信号の出力値の起伏やオーバーシュート部分を含めた状態で一定の数値幅をもって設定されることとなる。またスポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を検出対象としているため、許容領域は、溶接部Ｗ１〜Ｗ５の形成位置に対応して櫛歯状に設定される。したがって、このレーザ溶接部形成方法では、判断項目ごとにセンサを用意しなくても、測定用の出力信号の出力値が許容領域に収まっているか否かを判断することで、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５の溶接品質と形成位置とを一度に精度良く判断できる。

また、このレーザ溶接部形成方法では、基準用の出力信号における出力値の移動平均値の標準偏差を算出する。そして、この標準偏差を整数倍して得られる正規化値を移動平均値に加算したものを上管理限界値として用い、正規化値を移動平均値から減算したものを下管理限界値として用いている。このように、取得した出力信号の出力値の移動平均値を算出することにより、スポット溶接部Ｗ１〜Ｗ５を形成する際の基準用の出力信号にオーバーシュート部分が含まれていても、上管理限界値と下管理限界値との間の許容領域の変動を平坦化することができる。このことは、処理の一層の簡単化を実現する。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接部形成方法を実現するレーザ溶接システムを示す構成図である。 図１に示したレーザ溶接システムの動作を示すフローチャートである。 図２の後続の動作を示すフローチャートである。 ワークに形成するスポット溶接部の状態を示す断面図である。 基準用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 上管理限界値及び下管理限界値の波形パターンの一例を示す図である。 スポット溶接部の溶接品質及び形成位置が可であると判断される場合の測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 スポット溶接部の溶接品質が不可であると判断される場合の測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 スポット溶接部の形成位置が不可であると判断される場合の測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 スポット溶接部の形成位置が不可であると判断される場合の測定用の出力信号の波形パターンの他の例を示す図である。

符号の説明

１…レーザ溶接システム、４…レーザ出力強度検出センサ（出力強度検出手段）、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、Ａ…基準用の出力信号の波形パターン、Ｂ…上管理限界値の波形パターン、Ｃ…下管理限界値の波形パターン、Ｄ…測定用の出力信号の波形パターン、Ｗ１〜Ｗ５…スポット溶接部。

Claims (2)

1. レーザビームの照射によって被加工物にスポット状の溶接部を形成するレーザ溶接部形成方法であって、
   前記溶接部を形成する際の前記レーザビームの出力強度の変化を出力強度検出手段によって検出し、当該出力強度検出手段から出力される出力信号を取得する信号取得ステップと、
   前記信号取得ステップで取得した前記出力信号の出力値が、予め設定した基準用の出力信号の上管理限界値と下管理限界値との間に設定された許容領域内に収まっているか否かに基づいて、前記溶接部の溶接品質及び形成位置の可否を判断する判断ステップとを備えたことを特徴とするレーザ溶接部形成方法。
2. 前記基準用の出力信号における出力値の移動平均値の標準偏差を算出し、この標準偏差を整数倍して得られる正規化値を前記移動平均値に加算したものを前記上管理限界値として用い、前記正規化値を前記移動平均値から減算したものを前記下管理限界値として用いることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接部形成方法。

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