JP2015182096A - レーザ溶接システム及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金属製の板材同士を接合するためのレーザ溶接について溶接品質の高い製品を高い生産性で製造するのに有効な技術を提供する。【解決手段】 本発明にかかるレーザ溶接システム１００は、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との板隙間寸法ｄを測定する測定機１１０と、測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄを予め設定されたレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによってレーザ溶接条件を選択する溶接条件選択装置１２０と、溶接条件選択装置１２０によって選択されたレーザ溶接条件に基づいて第１の板材Ｗ１の上面へのレーザ照射を行うレーザ照射装置１４０，１５０，１６０，１７０と、を含む。【選択図】 図１

Description

本発明は、金属製の板材同士をレーザ溶接によって接合するためのレーザ溶接技術に関する。

従来から、金属製の板材同士のレーザ溶接において溶接品質を向上させるための技術が種々提案されている。特許文献１には、不規則な寸法の板隙間を有する金属製の薄板同士の重ね合わせ部をレーザ溶接する方法において、レーザ溶接を２回に分けて実施し、１回目のレーザ溶接時にレーザの照射をデフォーカス状態で行うことによって２回目のレーザ溶接前に板隙間寸法のバラツキを低減する技術が開示されている。特許文献２には、金属製の被加工物同士の溶接予定領域をレーザ溶接する方法において、溶接前、溶接中、溶接後の各段階で溶接に関する状態を判定する技術が開示されている。具体的には、溶接前に板隙間寸法の計測結果に基づいて溶接の可否が判定され、溶接中に物理量に基づいて溶接状態が判定され、溶接後に溶接ビードの形状に基づいて溶接結果が判定される。特許文献３には、レーザ溶接直後の溶接ビードのアンダーフィル量をリアルタイムで計測し、アンダーフィル量が一定となるようにフィラーワイヤの供給量を制御する技術が開示されている。

特開２０１０−２３０４７号公報 特開２００７−２５３１９７号公報 特開２００６−１３６９０４号公報

（発明が解決しようとする課題）

特許文献１に開示の技術の場合、レーザ溶接を２回に分けて実施する必要があるためレーザ溶接がなされた製品の生産性について不利である。特許文献２に開示の技術の場合、溶接条件が一定であり板隙間寸法が一般的な値であるときのレーザ溶接は可能であるものの、レーザ溶接が可能な板隙間寸法の許容範囲を拡張させるのには限界がある。その結果、板隙間寸法が基準値を上回る場合にはレーザ溶接自体を行うことができない。特許文献３に開示の技術の場合、ビード形状を安定化することができる一方で、アンダーフィル量の基準値を外れた状態で既に形成されたビードの不良に対しては対処することができない。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的の１つは、金属製の板材同士を接合するためのレーザ溶接について溶接品質の高い製品を高い生産性で製造するのに有効な技術を提供することである。

（課題を解決するための手段）
上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ溶接システムは、金属製の板材同士をレーザ照射時の金属溶融によって接合するためのシステムであり、測定機、溶接条件選択装置及びレーザ照射装置を含む。測定機は、第１の板材とその下方に重ねられた第２の板材との板隙間寸法を測定する。溶接条件選択装置は、測定機によって測定された板隙間寸法を、第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量が板隙間寸法の小さい場合よりも大きい場合の方が相対的に大きくなるように予め設定されたレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによってレーザ溶接条件を選択する。この場合、レーザ溶接条件選択ロジックとして、実際にレーザ溶接を実施した結果から経験的に得られた数式やデータベース（マッピング）等を用いることができる。レーザ照射装置は、溶接条件選択装置によって選択されたレーザ溶接条件に基づいて第１の板材の上面へのレーザ照射を行う。このようなレーザ溶接システムによれば、第１の板材と第２の板材との板隙間寸法に見合ったレーザ溶接条件を木目細かく選択することが可能である。その結果、選択したレーザ溶接条件にしたがって実際のレーザ溶接を行うことによって、溶接品質の高い製品を製造することが可能になる。また、この場合、実際のレーザ溶接を複数回に分けて行う必要はなく製品の生産性が低下することがない。

上記のレーザ溶接システムでは、溶接条件選択装置は、測定機によって測定された板隙間寸法が、第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量の調整によって第１の板材と第２の板材との接合が可能な範囲内にあるときにのみ溶接条件選択装置によって選択されたレーザ溶接条件に基づいてレーザ照射を行うための溶接指令信号をレーザ照射装置へ出力するのが好ましい。即ち、レーザ溶接条件を調整しても良好な接合状態が得られないと予測される場合には、溶接対象となる板材同士のレーザ溶接自体を実行しない。これにより、レーザ溶接を実施しても溶接不良を起こす可能性の高い板材同士の組み合わせについては溶接対象から積極的に除外することによって、溶接不良の発生を防止するのに有効である。

上記のレーザ溶接システムでは、測定機は、レーザ照射装置による第１の板材の上面へのレーザ照射によって形成されたビード凹み深さを測定するように構成されるのが好ましい。また、上記のレーザ溶接システムは、更に溶接品質判定装置を含むのが好ましい。この溶接品質判定装置は、レーザ溶接後に測定機によって測定されたビード凹み深さがレーザ溶接前に測定機によって測定された板隙間寸法に応じて定まる上側閾値と下側閾値との間の判定基準領域内にあるときに第１の板材と第２の板材との接合が良好である判定する一方で、測定機によって測定されたビード凹み深さが判定基準領域外にあるときに第１の板材と第２の板材との接合が不良である判定する。この場合、判定基準領域を規定する上側閾値及び下側閾値は、実際にレーザ溶接を実施した結果から経験的に得られた値に基づいて設定されるのが好ましい。これにより、測定機によるレーザ溶接前後での２種類の測定結果のみに基づいてレーザ溶接後の接合状態を精度良く判定することができる。また、レーザ溶接前の板隙間寸法の測定とレーザ溶接後のビード凹み深さの測定とを同一の測定機によって測定することができ合理的である。

上記のレーザ溶接システムでは、判定基準領域の上側閾値は、第１の板材の板厚に応じて予め設定された一定値とされ、判定基準領域の下側閾値は、測定機によって測定された板隙間寸法に応じて変化する可変値（不定値）とされるのが好ましい。この場合、判定基準領域を規定するのに有効な上側閾値及び下側閾値を簡便に設定することができる。

上記のレーザ溶接システムでは、判定基準領域の下側閾値は、測定機によって測定された板隙間寸法が大きくなるにつれて直線的に大きくなる可変値であるのが好ましい。この場合、下側閾値を一次関数を用いて簡便に表すことが可能になる。

上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ溶接方法は、金属製の板材同士をレーザ照射時の金属溶融によって接合するための方法であり、第１ステップ及び第２ステップを含む。第１ステップは、第１の板材とその下方に重ねられた第２の板材との板隙間寸法を測定するステップである。第２ステップは、第１ステップにおいて測定した板隙間寸法を、第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量が板隙間寸法の小さい場合よりも大きい場合の方が相対的に大きくなるように予め設定されたレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによってレーザ溶接条件を選択し、選択したレーザ溶接条件に基づいて第１の板材の上面へのレーザ照射を行うステップである。このレーザ溶接方法によれば、第１の板材と第２の板材との板隙間寸法に見合ったレーザ溶接条件を木目細かく選択することが可能である。その結果、選択したレーザ溶接条件にしたがって実際のレーザ溶接を行うことによって、溶接品質の高い製品を製造することが可能になる。また、この場合、実際のレーザ溶接を複数回に分けて行う必要はなく製品の生産性が低下することがない。

上記のレーザ溶接方法では、第１ステップにおいて測定した板隙間寸法が、第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量の調整によって第１の板材と第２の板材との接合が可能な範囲内にあるときにのみ第２ステップを実行するのが好ましい。これにより、レーザ溶接を実施しても溶接不良を起こす可能性の高い板材同士の組み合わせについては溶接対象から積極的に除外することによって、溶接不良の発生を防止するのに有効である。

上記のレーザ溶接方法は、更に第３ステップ及び第４ステップを含むのが好ましい。第３ステップは、第１の板材の上面へのレーザ照射によって形成されたビード凹み深さを測定するステップである。第４ステップは、第３ステップにおいてレーザ溶接後に測定したビード凹み深さが第１ステップにおいてレーザ溶接前に測定した板隙間寸法に応じて定まる上側閾値と下側閾値との間の判定基準領域内にあるときに第１の板材と第２の板材との接合が良好である判定する一方で、第３ステップにおいて測定したビード凹み深さが判定基準領域外にあるときに第１の板材と第２の板材との接合が不良である判定するステップである。これにより、レーザ溶接前後での２種類の測定結果のみに基づいてレーザ溶接後の接合状態を精度良く判定することができる。

上記のレーザ溶接方法では、判定基準領域の上側閾値は第１の板材の板厚に応じて予め設定された一定値とされ、判定基準領域の下側閾値は第１ステップにおいて測定した板隙間寸法に応じて変化する可変値とされるのが好ましい。この場合、判定基準領域を規定するのに有効な上側閾値及び下側閾値を簡便に設定することができる。

上記のレーザ溶接方法では、判定基準領域の下側閾値は、第１ステップにおいて測定した板隙間寸法が大きくなるにつれて直線的に大きくなる可変値であるのが好ましい。この場合、下側閾値を一次関数を用いて簡便に表すことが可能になる。

以上のように、本発明によれば、金属製の板材同士を接合するためのレーザ溶接について溶接品質の高い製品を高い生産性で製造することが可能になった。

図１は、本実施の形態のレーザ溶接システム１００のシステム構成図である。 図２は、レーザ溶接処理のフローチャートを示す図である。 図３は、図１中の測定機１１０によってレーザ溶接前に第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との隙間１０２の板隙間寸法ｄを測定する様子を模式的に示す図である。 図４は、図１中の測定機１１０によってレーザ溶接後に溶接ビードＢのビード凹み深さｅを測定する様子を模式的に示す図である。 図５は、溶接施工位置１０３に実際に施工されたレーザ溶接の溶接品質の判定を行うための判定用データＤ３を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

図１に示すように、本実施の形態のレーザ溶接システム１００は、いずれも金属製の第１の板材Ｗ１（レーザ照射側に位置する上側の板材）と第２の板材Ｗ２（上側の板材のレーザ照射側とは反対側に位置する下側の板材）とを板厚方向について重ねてレーザ溶接によって互いに接合するためのシステムである。このレーザ溶接では、第１の板材Ｗ１の上面の所定の溶接予定位置１０１に向けてレーザ照射を作用させる。この場合、第１の板材Ｗ１及び第２の板材Ｗ２は、レーザ照射時の入熱による金属溶融によって、フィラーワイヤを使用することなく互いに接合される。第１の板材Ｗ１及び第２の板材Ｗ２がともに亜鉛メッキ鋼板である場合、レーザ溶接時に蒸発する亜鉛メッキの誘導経路を確保するために第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との間に隙間１０２を設けるのが好ましい。一方で、この隙間１０２の板隙間寸法ｄが大きくなり過ぎると溶接不良が生じ易くなるため、隙間１０２の板隙間寸法ｄの管理が重要である。そこで、本実施の形態のレーザ溶接システム１００は、この板隙間寸法ｄを管理しつつレーザ溶接についての溶接品質を向上させる機能を果たす。

このレーザ溶接システム１００は、測定機１１０、溶接条件選択装置１２０、記憶装置１３０、ロボット制御装置１４０、溶接ロボット１５０、レーザ発振器１６０、レーザ溶接ヘッド１７０、溶接品質判定装置１８０及び溶接品質出力装置１９０を備えている。このレーザ溶接システム１００は、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２とをレーザ溶接によって互いに接合するためのレーザ溶接方法に使用される。このレーザ溶接方法では、図２中のステップＳ１０１〜Ｓ１０８までの各ステップが順次に実行される。

測定機１１０は、レーザ溶接前の溶接予定位置１０１についての情報（第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との隙間１０２の板隙間寸法ｄ、第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置）を測定する（図２中のステップＳ１０１）機能を果たす。この測定機１１０は、典型的には光の明暗を電流の強弱に変換する半導体素子であるＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いて構成される。この測定機１１０は、溶接条件選択装置１２０及び記憶装置１３０のそれぞれと電気的に接続されている。このため、測定機１１０による測定結果が溶接条件選択装置１２０及び記憶装置１３０の双方に伝送される。この測定機１１０が本発明の「測定機」に相当する。また、この測定機１１０によって隙間１０２の板隙間寸法ｄを測定するステップが本発明の「第１ステップ」に相当する。この測定機１１０は更に、第１の板材Ｗ１の上面へのレーザ照射によってレーザ溶接後に形成された溶接ビードＢのビード凹み深さを測定する（図２中のステップＳ１０４）機能を果たす。この測定機１１０によってビード凹み深さを測定するステップが本発明の「第３ステップ」に相当する。

溶接条件選択装置１２０は、レーザ溶接前での測定機１１０による測定結果である、レーザ溶接前の溶接予定位置１０１での板隙間寸法ｄを、予め記憶しているレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによって、最適なレーザ溶接条件を選択する（図２中のステップＳ１０３）機能を果たす。この溶接条件選択装置１２０は、具体的な構成についての説明は省略するが、信号が入力される信号入力部、信号を出力するための信号出力部、レーザ溶接条件選択ロジック等の情報を記憶するための記憶部、入力された信号や予め記憶されている情報に基づいて演算処理を行う演算処理部等、一般的な処理装置と同様の構成要素を備えている。「レーザ溶接条件」として、典型的には、レーザ強度、レーザスポット径（フォーカス）、溶接速度（スキャン速度）、レーザ軌跡（ウィービング幅）等が挙げられる。ここでいう溶接条件選択装置１２０が本発明の「溶接条件選択装置」に相当する。

この溶接条件選択装置１２０は、レーザ溶接条件の選択に際して、溶接予定位置１０１に形成される予定のレーザ溶接の形態が「重ね隅肉継手」であるか、或いは「重ね継手」であるかによって、適用するレーザ溶接条件選択ロジックを切替えるのが好ましい。この目的のために、溶接条件選択装置１２０は、測定機１１０によって測定された第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置と溶接予定位置１０１とを比較し、板端Ｗ１ａの位置と溶接予定位置１０１とが合致する場合に「重ね隅肉継手」と判定し、板端Ｗ１ａの位置と溶接予定位置１０１とが合致しない場合に「重ね継手」と判定することができる。

レーザ溶接条件選択ロジックの一例によれば、重ね隅肉継手と重ね継手のいずれの場合についても、例えば板厚みがいずれも１［ｍｍ］の２つの板材Ｗ１，Ｗ２の板隙間寸法ｄの測定結果を３つのパターンに区別してレーザ溶接条件の選択を行うことができる。

まず、測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄが基準値（例えば、０．１［ｍｍ］）を上回るか否かについて判定される。この判定の結果、板隙間寸法ｄが基準値以下であるときには、板隙間寸法ｄが基準値の場合に最適な条件として予め設定された初期のレーザ溶接条件を選択する。板隙間寸法ｄが基準値を上回る場合には、更に当該板隙間寸法ｄが上限値（例えば、０．５［ｍｍ］或いは０．７［ｍｍ］）を上回るか否かについて判定される。この判定の結果、板隙間寸法ｄが基準値から上限値までの範囲にあるときには、レーザ溶接条件の変更によって第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２とを良好に接合することが可能であるとして、初期のレーザ溶接条件が変更された最適なレーザ溶接条件を適用する。一方で、当該板隙間寸法ｄが上限値を上回るときには、レーザ溶接条件を変更したとしても第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２とを良好に接合することができないと判断して、これらの板材Ｗ１，Ｗ２を溶接対象から外すことができる。尚、基準値及び上限値の具体的な値については、上記の値に限定されるものではなく、必要に応じて適宜に設定可能である。

板隙間寸法ｄが基準値から上限値までの範囲内で相対的に大きいときには、隙間１０２に充填される溶融金属を相対的に増やすために、第１の板材Ｗ１の上面に供給される単位面積あたりの入熱量を大きくするレーザ溶接条件（以下、「第１のレーザ溶接条件」ともいう）が選択される。これとは反対に、板隙間寸法ｄが板隙間寸法ｄが基準値から上限値までの範囲内で相対的に小さいときには、隙間１０２に充填される溶融金属を相対的に減らすために、第１の板材Ｗ１の上面に供給される単位面積あたりの入熱量を小さくするレーザ溶接条件（以下、「第２のレーザ溶接条件」ともいう）が選択される。

第１のレーザ溶接条件として、典型的には、レーザスポット径を相対的に大きくするという条件、溶接速度を相対的に小さくする（低速化する）という条件、レーザ軌跡（ウィービング幅）を相対的に大きくするという条件、溶接予定位置１０１を第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置から離間する方向に移動するという条件のうちの少なくとも１つを採用することができる。溶接予定位置１０１を第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置から離間する方向に移動した場合には、レーザ溶接時に溶接ビードＢにおいて垂れ下がる溶融金属量を増やすことができる。この第１のレーザ溶接条件を用いて隙間１０２に充填される溶融金属を増やすことによって、板隙間寸法ｄが基準値を上回る場合であっても、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合強度を向上させることができる。

第２のレーザ溶接条件として、典型的には、レーザスポット径を相対的に小さくするという条件、溶接速度を相対的に大きくする（高速化する）という条件、レーザ軌跡を相対的に小さくするという条件、溶接予定位置１０１を第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置に近接する方向に移動するという条件のうちの少なくとも１つを採用することができる。低融点金属を含む亜鉛メッキ鋼板のような板材を用いる場合、隙間１０２に充填される溶融金属を減らしてレーザ溶接時に生じる蒸発金属量の増加を抑えることによって、穴あきやブローホールの発生を抑えて溶接品質を向上させることができる。

溶接条件選択装置１２０は、最適なレーザ溶接条件を選択した後、このレーザ溶接条件に基づいて実際にレーザ照射を行うための溶接指令信号（制御信号）をロボット制御装置１４０に出力する。この場合、測定機１１０及び溶接条件選択装置１２０は、互いに協働することによって、最適なレーザ溶接条件を選択するためのシステムを構築している。

一方で、この溶接条件選択装置１２０は、測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄが、第１の板材Ｗ１の上面に供給される単位面積あたりの入熱量の調整によって第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が可能な範囲内にあるときにのみ最適なレーザ溶接条件に基づいてレーザ照射を行うための溶接指令信号をレーザ照射装置へ出力するのが好ましい。即ち、前述のように、板隙間寸法ｄが前述の上限値を上回るときには、レーザ溶接条件を調整しても良好な接合状態が得られないと予測されため、ロボット制御装置１４０に対して溶接指令信号を出力しない、或いは溶接待機信号を出力する。この場合。レーザ溶接を実施しても溶接不良を起こす可能性の高い板材Ｗ１，Ｗ２の組み合わせについては溶接対象から積極的に除外することによって、溶接不良の発生を防止するのに有効である。

記憶装置１３０は、測定機１１０によって測定された測定結果（隙間１０２の板隙間寸法ｄ、第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置）を記憶する（図２中のステップＳ１０２）とともに、溶接条件選択装置１２０によって選択された最適なレーザ溶接条件を記憶する（図２中のステップＳ１０４）。

ロボット制御装置１４０は、溶接ロボット１５０、レーザ発振器１６０及びレーザ溶接ヘッド１７０のそれぞれに電気的に接続されている。溶接ロボット１５０のアーム先端部にレーザ溶接ヘッド１７０が取り付けられている。レーザ発振器１６０は、レーザを発生する機能を果たす既知の装置であり、レーザ媒質、励起源、光共振器（ミラー）等によって構成されている。このレーザ発振器１６０で発生したレーザはレーザ溶接ヘッド１７０から出力されて第１の板材Ｗ１の上面に照射される。溶接条件選択装置１２０が溶接条件選択後に出力した溶接指令信号にしたがって、溶接ロボット１５０、レーザ発振器１６０及びレーザ溶接ヘッド１７０がそれぞれ最適なレーザ溶接条件を実現するように制御される。この場合、レーザ強度が最適化されるようにレーザ発振器１６０が制御され、レーザスポット径が最適化されるようにレーザ溶接ヘッド１７０が制御され、溶接速度及びレーザ軌跡が最適化されるように溶接ロボット１５０が制御される。これにより、溶接条件選択装置１２０によって選択された最適なレーザ溶接条件に基づいて第１の板材Ｗ１の上面への実際のレーザ照射が行われる（図２中のステップＳ１０５）。これらロボット制御装置１４０、溶接ロボット１５０、レーザ発振器１６０及びレーザ溶接ヘッド１７０は、互いに協働することによって当該レーザ照射を行う「レーザ照射装置」を構成している。

溶接品質判定装置１８０は、レーザ溶接後に形成される溶接ビードＢのビード凹み深さと、予め記憶装置１３０に記憶されている情報（レーザ溶接前に測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄ、最適なレーザ溶接条件）とに基づいて、実際に施工されたレーザ溶接の溶接品質の判定を行う（図２中のステップＳ１０７）。この溶接品質判定装置１８０が本発明の「溶接品質判定装置」に相当する。この目的のため、この溶接品質の判定前に測定機１１０は溶接ビードＢのビード凹み深さを測定する（図２中のステップＳ１０６）。この場合、測定機１１０及び溶接品質判定装置１８０は、互いに協働することによって、溶接品質を判定するためのシステムを構築している。

溶接品質出力装置１９０は、溶接品質判定装置１８０による判定結果を表示する（図２中のステップＳ１０８）。この場合、溶接品質出力装置１９０による出力形態として、画面表示、印字、音声等による形態のうちの少なくとも１つを用いることができる。尚、その他の比較として、アンダーフィル量などについて予め設定された閾値を実測値と比較し、その比較結果を溶接品質出力装置１９０によって出力させることもできる。

上記構成の測定機１１０による測定の様子については図３及び図４が参照される。

図３に示されるように、測定機１１０は、図２中のステップＳ１０１に対応した測定において、第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａから距離ｃだけ離間した溶接予定位置１０１の上方に配置される。この測定において、例えば図３中の右側に示されるような測定データＤ１が得られる。この測定データＤ１によれば、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との段差ｂから第１の板材Ｗ１の板厚ａを差し引いた値が溶接予定位置１０１での隙間１０２の板隙間寸法ｄとして導出される。また、第１の板材Ｗ１の板端Ｗ１ａの位置と溶接予定位置１０１とが距離ｃを隔てて離間しているため、この場合のレーザ溶接の形態が「重ね継手」であると判定される。

図４に示されるように、測定機１１０は、図２中のステップＳ１０６に対応した測定において、溶接施工位置１０３の上方に配置される。溶接施工位置１０３は、溶接予定位置１０１に対して実際にレーザ溶接が施工された部位として特定される。この測定において、例えば図４中の右側に示されるような測定データＤ２が得られる。この測定データＤ２によれば、溶接施工位置１０３に形成された溶接ビードＢの凹凸量の最大値（最も凹んだ部位の寸法）がビード凹み深さｅとして導出される。

上記の溶接品質判定装置１８０が図２中のステップＳ１０７において溶接品質を判定する際には、例えば図５に示される判定用データＤ３を用いることができる。ステップＳ１０７の判定ステップが本発明の「第４ステップ」に相当する。判定用データＤ３は、予め実施した複数のサンプルについて実際にレーザ溶接を実施した結果に基づいて作成されるのが好ましい。この判定用データＤ３によれば、溶接品質判定装置１８０は、図２中のステップＳ１０６においてレーザ溶接後に測定機１１０によって測定されたビード凹み深さｅが、レーザ溶接前に測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄに応じて定まる上側閾値ＶＨと下側閾値ＶＬとの間の判定基準領域Ａ１（ＯＫ領域）内にあるときには、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が良好である（第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との間で接合強度を保証できる溶接が行えている）と判定することができる。即ち、判定基準領域Ａ１は、レーザ溶接後のビード凹み深さｅがレーザ溶接前の板隙間寸法ｄに見合った値になっていることを示す領域である。従って、図５中の判定対象点Ｌ（レーザ溶接前の板隙間寸法：ｄ１、レーザ溶接後のビード凹み深さ：ｅ１）や、判定対象点Ｍ（レーザ溶接前の板隙間寸法：ｄ２（＞ｄ１）、レーザ溶接後のビード凹み深さ：ｅ２（＞ｅ１））のように判定基準領域Ａ１に属するという測定結果が得られた場合には、いずれの場合でも第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が良好であると判定することができる。

一方で、溶接品質判定装置１８０は、図２中のステップＳ１０６においてレーザ溶接後に測定機１１０によって測定されたビード凹み深さｅが判定基準領域Ａ１外にあるときには、第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が不良であると判定することができる。具体的には、測定機１１０によって測定されたビード凹み深さｅが上側閾値ＶＨよりも上方の第２領域Ａ２に属するときには、ビード凹み深さｅが板隙間寸法ｄに見合った値よりも大きいと判断される。この判断によれば、溶接ビードＢにおいて溶融金属が必要以上に垂れ下がっており溶接強度不足であるという理由で接合不良（接合状態がＮＧ）であると判定される。この場合、上側閾値ＶＨは、第１の板材Ｗ１の板厚ａに応じて予め設定された一定値（例えば、板厚ａの半分の値）とされるのが好ましい。

また、図５中の判定対象点Ｎ（レーザ溶接前の板隙間寸法：ｄ３（＞ｄ２）、レーザ溶接後のビード凹み深さ：ｅ３（＜ｅ１））のように、測定機１１０によって測定されビード凹み深さｅが下側閾値ＶＬよりも下方の第３領域Ａ３に属するときには、ビード凹み深さｅが板隙間寸法ｄに見合った値よりも小さいと判断される。この判断によれば、溶接ビードＢにおいて隙間を埋めるための溶融金属の垂れ下がりが不十分である（第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２とが分離されている）という理由で接合不良（接合状態がＮＧ）であると判定される。この場合、下側閾値ＶＬは、図２中のステップＳ１０１において測定機１１０によって測定された板隙間寸法ｄに応じて、板隙間寸法ｄが大きくなるにつれて直線的に大きくなる可変値（不定値）であり、図５に示す例では（板隙間寸法ｄ×比例定数＋判定切片）なる一次関数（一次式）よって特定される。尚、ビード凹み深さｅは、溶接条件（例えば、レーザ強度、レーザスポット径、溶接速度、ビード幅等）によって変わるため、予め設定した溶接条件に応じて下側閾値ＶＬの比例定数及び判定切片を適宜に変更するのが好ましい。

上記実施形態のレーザ溶接システム１００及びレーザ溶接方法によれば、レーザ溶接前の第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との板隙間寸法ｄを測定することによって、レーザ溶接条件の変更なしに第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が良好になるもの、レーザ溶接条件の変更によって第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が良好になるもの、レーザ溶接条件の変更によっても第１の板材Ｗ１と第２の板材Ｗ２との接合が不良になるもの区分けすることができる。このため、本来、レーザ溶接条件が一定である場合には接合不良になるものであっても、レーザ溶接条件を適宜に変更することで接合不良になるのを回避することができる。この場合、接合可能な板隙間寸法ｄの許容値を広げることによって、レーザ溶接によって製造される溶接製品の歩留まりを改善することができる。

また、レーザ溶接前の板隙間寸法ｄの測定結果に基づいてレーザ溶接条件を変更することで、板隙間寸法ｄに見合ったレーザ溶接条件を木目細かく選択することが可能である。その結果、選択したレーザ溶接条件にしたがって実際のレーザ溶接を行うことによって、溶接品質の高い製品を製造することが可能になる。また、この場合、実際のレーザ溶接を複数回に分けて行う必要はなく製品の生産性が低下することがない。

また、測定機１１０による溶接前後での２種類の測定結果（板隙間寸法ｄ及びビード凹み深さｅ）のみに基づいてレーザ溶接後の接合状態を精度良く判定することができる。この場合、判定基準領域Ａ１を規定するのに有効な上側閾値ＶＨ及び下側閾値ＶＬを簡便に設定することができる。特に、下側閾値ＶＬを一次関数を用いて簡便に表すことができる。また、レーザ溶接前の板隙間寸法ｄの測定とレーザ溶接後のビード凹み深さｅの測定とを同一の測定機１１０によって測定することができ合理的である。

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記実施の形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

上記実施の形態では、レーザ溶接前に測定された板隙間寸法ｄに基づいて最適なレーザ溶接条件を選択する第１の機能と、レーザ溶接前に測定された板隙間寸法ｄとレーザ溶接後に測定された溶接ビードＢのビード凹み深さｅとに基づいて溶接品質を判定する第２の機能との双方を兼ね備えたレーザ溶接システム１００について記載したが、本発明では、少なくとも第１の機能を有するレーザ溶接システムを採用することができる。

上記実施の形態では、溶接品質の判定にかかる判定基準領域Ａ１について、上側閾値ＶＨを一定値とし、下側閾値ＶＬを板隙間寸法ｄに応じた可変値（一次関数で特定される値）とする場合について記載したが、本発明では、これらの閾値ＶＨ，ＶＬはいずれも必要に応じて一定値或いは可変値とすることができる。また、閾値ＶＨ，ＶＬを可変値とする場合、当該閾値は一次関数以外に、二次以上の多次関数によって特定される可変値であってもよい。

１００…レーザ溶接システム、１０１…溶接予定位置、１０２…隙間、１０３…溶接施工位置、１１０…測定機、１２０…溶接条件選択装置、１３０…記憶装置、１４０…ロボット制御装置、１５０…溶接ロボット、１６０…レーザ発振器、１７０…レーザ溶接ヘッド、１８０…溶接品質判定装置、１９０…溶接品質出力装置、Ｗ１…第１の板材、Ｗ２…第２の板材、ｄ…板隙間寸法、ｅ…ビード凹み深さ

Claims (10)

1. 金属製の板材同士をレーザ溶接によって接合するためのレーザ溶接システムであって、
   第１の板材とその下方に重ねられた第２の板材との板隙間寸法を測定する測定機と、
   前記測定機によって測定された前記板隙間寸法を、前記第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量が前記板隙間寸法の小さい場合よりも大きい場合の方が相対的に大きくなるように予め設定されたレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによってレーザ溶接条件を選択する溶接条件選択装置と、
   前記溶接条件選択装置によって選択された前記レーザ溶接条件に基づいて前記第１の板材の上面へのレーザ照射を行うレーザ照射装置と、
   を含む、レーザ溶接システム。
2. 請求項１に記載のレーザ溶接システムであって、
   前記溶接条件選択装置は、前記測定機によって測定された前記板隙間寸法が、前記第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量の調整によって前記第１の板材と前記第２の板材との接合が可能な範囲内にあるときにのみ前記レーザ溶接条件に基づいてレーザ照射を行うための溶接指令信号を前記レーザ照射装置へ出力する、レーザ溶接システム。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ溶接システムであって、
   前記測定機は、前記レーザ照射装置による前記第１の板材の上面へのレーザ照射によって形成されたビード凹み深さを測定するように構成され、
   更に、レーザ溶接後に前記測定機によって測定された前記ビード凹み深さがレーザ溶接前に前記測定機によって測定された前記板隙間寸法に応じて定まる上側閾値と下側閾値との間の判定基準領域内にあるときに前記第１の板材と前記第２の板材との接合が良好である判定する一方で、前記測定機によって測定された前記ビード凹み深さが前記判定基準領域外にあるときに前記第１の板材と前記第２の板材との接合が不良である判定する溶接品質判定装置を含む、レーザ溶接システム。
4. 請求項３に記載のレーザ溶接システムであって、
   前記判定基準領域の前記上側閾値は前記第１の板材の板厚に応じて予め設定された一定値とされ、前記判定基準領域の前記下側閾値は前記測定機によって測定された前記板隙間寸法に応じて変化する可変値とされる、レーザ溶接システム。
5. 請求項４に記載のレーザ溶接システムであって、
   前記判定基準領域の前記下側閾値は、前記測定機によって測定された前記板隙間寸法が大きくなるにつれて直線的に大きくなる可変値である、レーザ溶接システム。
6. 金属製の板材同士をレーザ溶接によって接合するためのレーザ溶接方法であって、
   第１の板材とその下方に重ねられた第２の板材との板隙間寸法を測定する第１ステップと、
   前記第１ステップにおいて測定した前記板隙間寸法を、前記第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量が前記板隙間寸法の小さい場合よりも大きい場合の方が相対的に大きくなるように予め設定されたレーザ溶接条件選択ロジックに適用することによってレーザ溶接条件を選択し、選択した前記レーザ溶接条件に基づいて前記第１の板材の上面へのレーザ照射を行う第２ステップと、
   を含む、レーザ溶接方法。
7. 請求項６に記載のレーザ溶接方法であって、
   前記第１ステップにおいて測定した前記板隙間寸法が、前記第１の板材の上面に供給される単位面積あたりの入熱量の調整によって前記第１の板材と前記第２の板材との接合が可能な範囲内にあるときにのみ前記第２ステップを実行する、レーザ溶接方法。
8. 請求項６又は７に記載のレーザ溶接方法であって、
   更に、前記第１の板材の上面へのレーザ照射によって形成されたビード凹み深さを測定する第３ステップと、
   前記第３ステップにおいてレーザ溶接後に測定した前記ビード凹み深さが前記第１ステップにおいてレーザ溶接前に測定した前記板隙間寸法に応じて定まる上側閾値と下側閾値との間の判定基準領域内にあるときに前記第１の板材と前記第２の板材との接合が良好である判定する一方で、前記第３ステップにおいて測定した前記ビード凹み深さが前記判定基準領域外にあるときに前記第１の板材と前記第２の板材との接合が不良である判定する第４ステップと、
   を含む、レーザ溶接方法。
9. 請求項８に記載のレーザ溶接方法であって、
   前記判定基準領域の前記上側閾値は前記第１の板材の板厚に応じて予め設定された一定値とされ、前記判定基準領域の前記下側閾値は前記第１ステップにおいて測定した前記板隙間寸法に応じて変化する可変値とされる、レーザ溶接方法。
10. 請求項９に記載のレーザ溶接方法であって、
    前記判定基準領域の前記下側閾値は、前記第１ステップにおいて測定した前記板隙間寸法が大きくなるにつれて直線的に大きくなる可変値である、レーザ溶接方法。

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