JP2017113789A - Laser welding apparatus - Google Patents

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哲広 三輪
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser welding apparatus capable of specifying cause of a poor weld by determining quickly soundness of a weld zone, even in the case of a welder having a complicated beam paths such as wobbling.SOLUTION: A laser welding apparatus includes a laser irradiation part 1 for irradiating a workpiece W which is a weld object with a laser beam RB, an infrared light detector 2 for measuring intensity of infrared light IR generated from the workpiece W, and a judgement part 4 for judging existence of incomplete penetration in a welding region by comparing intensity of infrared light IR measured in each fixed welding region by the infrared light detector 2 with a threshold set beforehand related to the intensity of the infrared light IR.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザビームを用いてワークの溶接を行う場合に、溶接部からの赤外光の強度を測定して溶接部が健全であるか否かの判定を行うレーザ溶接装置に関する。   The present invention relates to a laser welding apparatus that measures the intensity of infrared light from a welded part and determines whether or not the welded part is healthy when welding workpieces using a laser beam.

このようなレーザ溶接装置として、従来、例えば特許文献1に示すものがある。
この技術は、レーザビーム溶接によって生じる溶接不良を短時間で検出しようとするものである。溶接ワークをパルスレーザによって溶接する際に、溶接部分から放出される赤外光のうち、溶融池に形成されるキーホールから検出可能な赤外光の波長を選択し、この選択した赤外光の強度に基づいて溶接部分の状態の良否を判定する。
As such a laser welding apparatus, there is a conventional one shown in Patent Document 1, for example.
This technique is intended to detect welding defects caused by laser beam welding in a short time. When welding workpieces with a pulsed laser, the wavelength of the infrared light that can be detected from the keyhole formed in the molten pool is selected from the infrared light emitted from the welded portion. The quality of the welded part is determined based on the strength of the weld.

当該従来技術は溶接時における以下の機序を利用する。パルスレーザの1パルス出力中において、ワークの溶接部分に溶け込み不足が生じていない場合の赤外光強度の波形は、ワークの溶接部分に溶け込み不足が生じた場合の赤外光強度の波形よりもピーク値が大きく、全体として値が大きくなる。これは、ワークの溶接部分に溶け込み不足が生じず、所望の溶け込み深さを達成できた場合、ワークの溶接中にキーホールが形成されることに基づく。   The prior art utilizes the following mechanism during welding. During one pulse output of the pulse laser, the waveform of the infrared light intensity when there is no lack of penetration in the welded part of the workpiece is more than the waveform of the infrared light intensity when the lack of penetration occurs in the welded part of the workpiece. The peak value is large and the value is large as a whole. This is based on the fact that a keyhole is formed during welding of a workpiece when a desired penetration depth can be achieved without a lack of penetration in the welded portion of the workpiece.

つまり、溶融池にキーホールが形成されると、大きな溶け込み深さが達成できる。キーホールが形成されると、その周辺の温度が概ねワークの沸点にまで達し、さらにはキーホールによって溶融池の表面積が増加するため、赤外光強度が大きくなる。そのため、パルスレーザの1パルス出力中における赤外光強度を時間につき積分して算出された積分値に基づいて、ワークの溶接部分に溶け込み不足が生じているか否かの判定を行うというものである(特許文献1中〔0049〕段落)。   That is, when a keyhole is formed in the molten pool, a large penetration depth can be achieved. When the keyhole is formed, the ambient temperature reaches approximately the boiling point of the workpiece, and the surface area of the molten pool is increased by the keyhole, so that the infrared light intensity increases. Therefore, based on the integrated value calculated by integrating the infrared light intensity during one pulse output of the pulse laser with respect to time, it is determined whether or not there is insufficient penetration in the welded portion of the workpiece. (Paragraph 1 [0049] paragraph).

国際公開2013/171848A1International Publication 2013 / 171848A1

上記従来技術にあっては、特定の溶接箇所における溶融池から生じる赤外光を検知対象としている。照射するレーザはパルスレーザであるが、パルス間隔は極めて短かい。そのため、溶融池におけるワークの溶融現象を検討する場合、溶接ワークには断続的ではあるがエネルギーが注入され続けているのであり、通常の連続溶接と同じと捉えて差し支えない。尚、当該公知技術におけるビームの照射行程は直線であると思われる。   In the above prior art, infrared light generated from a molten pool at a specific welding location is a detection target. The laser to be irradiated is a pulse laser, but the pulse interval is very short. Therefore, when examining the melting phenomenon of the workpiece in the molten pool, energy is continuously injected into the welded workpiece, but it can be regarded as the same as normal continuous welding. In addition, it is thought that the irradiation process of the beam in the said well-known technique is a straight line.

つまり、当該技術では、パルスレーザの照射が続く領域において、連続的に形成された溶接箇所全体での溶接ビードの強度不足の検出を行うものである。ここでは、溶接開始から終了までの赤外光強度の検出値に基づいて判定する。よって、仮に溶接ビードの一部で溶込み不足が生じ、当該箇所で赤外光強度の減少が生じた場合でも、この減少に係るデータが他の多量の健全なデータの中に取り込まれて不良判定ができない可能性がある。   That is, in this technique, inadequate detection of the strength of the weld bead is detected in the entire welded portion formed continuously in the region where the pulse laser irradiation continues. Here, it determines based on the detected value of the infrared light intensity from the start to the end of welding. Therefore, even if a lack of penetration occurs in a part of the weld bead, and the infrared light intensity decreases at that location, the data related to this decrease is incorporated into a large amount of other healthy data and defective. Judgment may not be possible.

また、レーザビームをウォブリングさせる場合、溶接ビードからの赤外光強度は大きく変動するが、当該従来技術には、この変動に対処する構成は記載されていない。従来技術のように赤外光の閾値を一つ設定する場合、ウォブリング中の低い赤外光強度を的確に検出するには、低い閾値を設定することなども考えられる。ウォブリング中に赤外光強度が下がる要因としては、レーザ出力の不具合や、ワーク側の開先の問題など多くの要因がある。   In addition, when the laser beam is wobbled, the intensity of infrared light from the weld bead varies greatly, but the conventional technology does not describe a configuration that can cope with this variation. When one infrared light threshold is set as in the prior art, setting a low threshold may be considered in order to accurately detect the low infrared light intensity during wobbling. There are many factors that cause a decrease in the intensity of infrared light during wobbling, such as a problem in laser output and a problem in the groove on the workpiece side.

しかし、これら問題が発生したことによる赤外光強度の低下と、健全な溶接を行っているにも拘らず、ウォブリング中にワークの未加熱の領域にビームが照射されたために赤外光強度が低下することとを比べた場合、両者の差は大きくない。つまり、閾値を低く設定するほど、赤外光強度の低下が溶接不良に基づくものであるとの判定が難しくなる。   However, the infrared light intensity decreased due to the irradiation of the unheated area of the workpiece during wobbling despite the decrease in infrared light intensity caused by these problems and the sound welding. When compared with the decrease, the difference between the two is not large. That is, as the threshold value is set lower, it becomes more difficult to determine that the decrease in infrared light intensity is based on poor welding.

さらに、当該従来技術では、赤外光の強度が低下した場合、その原因が特定できず、速やかに溶接条件を改善することは不可能であり、効率的な溶接作業が行えないという問題がある。   Further, in the related art, when the intensity of infrared light is reduced, the cause cannot be specified, and it is impossible to improve the welding conditions promptly and there is a problem that efficient welding work cannot be performed. .

よってこのような問題点を解決すべく、ウォブリング等の複雑なビーム行程を有するレーザビーム溶接機において、溶接部の健全性を速やかに判定でき、また、不良判定がされた場合にはその原因が特定できるものが求められている。   Therefore, in order to solve such problems, in the laser beam welding machine having a complicated beam stroke such as wobbling, it is possible to quickly determine the soundness of the welded portion, and when the defect is determined, the cause is What can be identified is required.

本発明に係るレーザ溶接装置の特徴構成は、溶接対象であるワークにレーザを照射するレーザ照射部と、前記ワークから生じる赤外光の強度を測定する赤外光検出部と、前記赤外光検出部が一定の溶接領域ごとに測定した赤外光の強度と、予め設定した赤外光の強度に係る閾値とを比較して前記溶接領域における溶込み不足の有無を判定する判定部とを備えた点にある。   A characteristic configuration of the laser welding apparatus according to the present invention includes a laser irradiation unit that irradiates a workpiece to be welded with a laser, an infrared light detection unit that measures the intensity of infrared light generated from the workpiece, and the infrared light. A determination unit for comparing the intensity of the infrared light measured for each welding region by the detection unit with a threshold value relating to a preset infrared light intensity to determine whether there is insufficient penetration in the welding region; It is in the point prepared.

本構成のごとく、一定の溶接領域ごとに溶込み不足の判定を行うものであれば、溶込み不足の検出精度を高めることができる。即ち、長い溶接領域ごとに赤外光の強度を測定するものでは、仮に極小の領域において溶込み不足が発生して赤外光の強度が低下した場合に、当該強度の低下が、他の大きな溶接領域からの赤外光の測定結果に埋没して評価されなくなる可能性がある。しかし、本構成のように、一定の溶接領域ごとに赤外光の強度を測定するものでは、赤外光の測定データ量が少なくなり、結果的に赤外光の強度変化を敏感に捉えることができる。そのため、溶込み不足の評価を精度よく行うことができる。   As in this configuration, if the lack of penetration is determined for each fixed welding region, the detection accuracy of the lack of penetration can be increased. That is, in the case of measuring the intensity of infrared light for each long welded area, if there is insufficient penetration in the extremely small area and the intensity of infrared light is reduced, the reduction in the intensity is caused by another large intensity. There is a possibility of being buried in the measurement result of infrared light from the welding region and not being evaluated. However, in the case of measuring infrared light intensity for each fixed welding area as in this configuration, the amount of measurement data of infrared light is reduced, and as a result, changes in the intensity of infrared light are captured sensitively. Can do. Therefore, it is possible to accurately evaluate the lack of penetration.

本発明に係るレーザ溶接装置においては、前記レーザ照射部によるレーザ照射パターンをウォブリングとし、前記測定した赤外光の強度を、前記ウォブリングの一周期ごとの赤外光の平均強度とすることができる。   In the laser welding apparatus according to the present invention, the laser irradiation pattern by the laser irradiation unit can be set as wobbling, and the intensity of the measured infrared light can be set as the average intensity of the infrared light for each period of the wobbling. .

レーザ照射パターンがウォブリングの場合、レーザビームがワークの高温領域と低温領域とを交互に移動し、赤外光の検出強度が周期的に変化する。その場合、厳密には赤外光の強度が最大となる位置での溶接部の状態、あるいは、赤外光の強度が最小となる位置での溶接部の状態に鑑みて個々に閾値を設定することも可能である。ただし、もともと赤外光の測定時間を短く設定しているので、当該測定時間中に投入される総熱量に着目することで当該領域の溶接状態の健全性を評価することができる。   When the laser irradiation pattern is wobbling, the laser beam moves alternately between the high temperature region and the low temperature region of the workpiece, and the detection intensity of the infrared light changes periodically. In that case, strictly, the threshold value is individually set in consideration of the state of the welded portion at the position where the intensity of infrared light is maximized or the state of the welded portion at the position where the intensity of infrared light is minimized. It is also possible. However, since the measurement time of the infrared light is originally set to be short, the soundness of the welding state in the region can be evaluated by paying attention to the total heat input during the measurement time.

よって、本構成のごとくウォブリング一周期分の赤外光の強度を評価することで、測定の最大値のみに基づいて溶込み不足の存在を判定することも可能である。ただし、赤外光が最大となる位置、つまりキーホールが健全に形成されている箇所での溶込み不足の存否は判定できるものの、それ以外の、特に低温領域における未だ溶込みが十分でない領域については、正確な判定ができるとは限らない。高温領域での赤外光の強度が過大である場合には、低温領域での赤外光の強度が過小となる場合もある。しかしながら、赤外光の強度に係る閾値をいくつも設けておくことは測定を煩雑にする。そこで、本構成のごとく、ウォブリングの場合には一周期毎の赤外光の強度を測定し平均化することで、赤外光の測定を簡易なものとしつつ評価精度を向上させている。   Therefore, by evaluating the intensity of infrared light for one period of wobbling as in this configuration, it is possible to determine the presence of insufficient penetration based only on the maximum value of the measurement. However, although it can be determined whether or not there is insufficient penetration at the position where the infrared light is maximized, that is, where the keyhole is soundly formed, other areas where the penetration is not yet sufficient particularly in the low temperature region Is not always accurate. When the intensity of infrared light in the high temperature region is excessive, the intensity of infrared light in the low temperature region may be excessive. However, providing a number of thresholds related to the intensity of infrared light complicates the measurement. Therefore, as in this configuration, in the case of wobbling, the intensity of infrared light for each period is measured and averaged to improve the evaluation accuracy while simplifying the measurement of infrared light.

本発明に係るレーザ溶接装置は、前記レーザ照射部から照射されたレーザの出力を計測するモニタ出力計測部が備えられ、前記判定部が、前記モニタ出力計測部で計測されたモニタ出力を区別するための上限値および下限値を予め保持し、前記モニタ出力および前記上限値、前記下限値、さらには前記測定した赤外光の強度に基づいて、前記溶接領域における溶込み状態の健全性と、溶込み状態が不良であると判断した場合の当該不良の発生原因とを特定するように構成することができる。   The laser welding apparatus according to the present invention includes a monitor output measurement unit that measures the output of the laser emitted from the laser irradiation unit, and the determination unit distinguishes the monitor output measured by the monitor output measurement unit. An upper limit value and a lower limit value for holding in advance, based on the monitor output and the upper limit value, the lower limit value, and further the intensity of the measured infrared light, the soundness of the penetration state in the welding region, When the penetration state is determined to be defective, the cause of occurrence of the defect can be specified.

これまで述べたように、溶接領域から発せられる赤外光の強度を測定することで、溶接箇所の溶融状態が特定でき、溶込み不足の有無を判別することができる。
また、これに加えてモニタ出力を測定し、その測定値と、モニタ出力の上限値および下限値とを比較する。モニタ出力が当該上限値および下限値の間にあればレーザ照射は適切である。
よって、例えば、赤外光の強度が十分であってもモニタ出力が上限値を超えている場合、判定部は、レーザ出力が何らかの要因で過大であり溶接不良の可能性があると判定する。
As described above, by measuring the intensity of infrared light emitted from the welding region, the melted state of the welded portion can be specified, and whether or not there is insufficient penetration can be determined.
In addition, the monitor output is measured, and the measured value is compared with the upper limit value and the lower limit value of the monitor output. If the monitor output is between the upper limit value and the lower limit value, laser irradiation is appropriate.
Thus, for example, when the monitor output exceeds the upper limit even if the intensity of infrared light is sufficient, the determination unit determines that the laser output is excessive for some reason and there is a possibility of poor welding.

一方、赤外光の強度が不足している場合にはレーザ出力の不足が考えられる。この場合には、モニタ出力の下限値に着目する。モニタ出力が下限値以上であれば、レーザ照射部に異常はなく、ワークに関連する異常と判定する。これに対し、モニタ出力が下限値を下回っている場合には、レーザ照射部の異常或いはワークに関連する異常であると判定する。
このように、モニタ出力の検出機能を設けることで、溶込み不足が発生する原因をより具体的に特定することができ、レーザ装置の状態を適切に維持することができる。
On the other hand, when the intensity of infrared light is insufficient, the laser output may be insufficient. In this case, attention is paid to the lower limit value of the monitor output. If the monitor output is equal to or greater than the lower limit value, it is determined that there is no abnormality in the laser irradiation unit and that the abnormality is related to the workpiece. On the other hand, when the monitor output is below the lower limit, it is determined that the abnormality is related to the laser irradiation unit or the workpiece.
Thus, by providing the monitor output detection function, the cause of the lack of penetration can be more specifically specified, and the state of the laser device can be appropriately maintained.

本実施形態に係るレーザ溶接装置を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the laser welding apparatus which concerns on this embodiment. レーザビームのウォブリング態様を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the wobbling aspect of a laser beam. 赤外光の強度の測定要領を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the measurement point of the intensity | strength of infrared light. 溶接状態と溶接不良の発生要因とを特定するフローチャートである。It is a flowchart which specifies a welding state and the cause of welding failure.

以下には、図1乃至図4を参照しつつ本発明に関する実施形態を説明する。
〔レーザ溶接装置の構成〕
本実施形態で用いるレーザ溶接装置S(以下、「溶接装置S」と称する)の構成を図1に示す。溶接装置Sは、主に、レーザビームRBを照射するレーザ照射部1と、ワークWの溶接箇所から発生する赤外光IRの強度を測定する赤外光検出部2と、レーザビームRBの照射位置を制御する駆動制御部3と、赤外光検出部2で得た赤外光IRの強度データなどから溶接部の健全性を判定する判定部4とを備えている。以下、夫々の構成について説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
[Configuration of laser welding equipment]
The configuration of a laser welding apparatus S (hereinafter referred to as “welding apparatus S”) used in the present embodiment is shown in FIG. The welding apparatus S mainly includes a laser irradiation unit 1 that irradiates a laser beam RB, an infrared light detection unit 2 that measures the intensity of infrared light IR generated from a welding portion of the workpiece W, and irradiation with a laser beam RB. A drive control unit 3 that controls the position and a determination unit 4 that determines the soundness of the weld from the intensity data of the infrared light IR obtained by the infrared light detection unit 2 are provided. Hereinafter, each configuration will be described.

〔レーザ照射部〕
ワークWに照射されるレーザビームRBは、溶接対象となるワークWの材質や開先形状に応じて適宜照射強度が決定される。具体的には、レーザビームRBの照射強度はレーザ出力制御部11で決定され、レーザ発振器12で所定の強度に励起されたのち、溶接ヘッドHの内部に設けられた光学系に送られる。当該光学系は、レーザ発振器12で励起され光ファイバー13等を介して伝送されたレーザビームRBを受け取る中継器14や、中継器14を介したレーザビームRBを平行光に調整するコリメートレンズ15、当該平行光を再びワークWに対して集光させる集光レンズ16等を有する。
[Laser irradiation part]
The irradiation intensity of the laser beam RB irradiated to the workpiece W is appropriately determined according to the material of the workpiece W to be welded and the groove shape. Specifically, the irradiation intensity of the laser beam RB is determined by the laser output controller 11, excited to a predetermined intensity by the laser oscillator 12, and then sent to an optical system provided inside the welding head H. The optical system includes a repeater 14 that receives the laser beam RB excited by the laser oscillator 12 and transmitted through the optical fiber 13 and the like, a collimator lens 15 that adjusts the laser beam RB via the repeater 14 to parallel light, A condensing lens 16 and the like for condensing the parallel light on the workpiece W are provided.

レーザ発振器12から照射されるレーザビームRBについては、レーザ発振器12に併設されるモニタ出力計測部17により照射強度が測定される。このモニタ出力計測部17で得られたレーザビームRBの強度は、後述する判定部4に送られ、溶接部の健全性の判定に用いられる。   With respect to the laser beam RB irradiated from the laser oscillator 12, the irradiation intensity is measured by the monitor output measuring unit 17 provided in the laser oscillator 12. The intensity of the laser beam RB obtained by the monitor output measurement unit 17 is sent to the determination unit 4 described later, and is used for determination of the soundness of the welded portion.

〔駆動制御部〕
溶接ヘッドHは、例えば多関節型のロボットアームRに架構され、当該ロボットアームRの動作が駆動制御部3によって姿勢が制御される。これによりレーザビームRBの照射位置が決定される。レーザビームRBの照射位置については、ワークW上の溶接線を特定する座標等が予め駆動制御部3に入力されている。また、後述するウォブリングなどのビーム走査も可能である。勿論、その他のロボットを用いることも可能であり、例えば、直線状のレール上を走行する台車に溶接ヘッドHを揺動可能に架構する専用の装置であってもよい。
(Drive control unit)
The welding head H is constructed, for example, on an articulated robot arm R, and the posture of the operation of the robot arm R is controlled by the drive control unit 3. Thereby, the irradiation position of the laser beam RB is determined. As for the irradiation position of the laser beam RB, coordinates for specifying a weld line on the workpiece W are input to the drive control unit 3 in advance. Further, beam scanning such as wobbling described later is also possible. Of course, other robots can be used. For example, a dedicated device for swinging the welding head H on a cart traveling on a linear rail may be used.

〔赤外光検出部〕
ワークWの溶接部に溶込み不足が生じているか否かなどを判定するために、赤外光検出部2を備えている。これは、溶接が健全に行われている場合、溶接部から発生する赤外光IRの強度が所定の値を示すことを利用するものである。
[Infrared light detector]
In order to determine whether or not there is insufficient penetration in the welded portion of the workpiece W, the infrared light detection unit 2 is provided. This utilizes the fact that the intensity of the infrared light IR generated from the welded portion exhibits a predetermined value when welding is performed in a sound manner.

赤外光検出部2は、溶接ヘッドHの内部に設けられている。溶接部から発生した赤外光IRは、集光レンズ16によって平行光とされ、当該集光レンズ16とコリメートレンズ15との間に設けられた第1ハーフミラー21によって曲げられる。その後、第2ハーフミラー22を介して第2集光レンズ23に導かれる。ここで集められた赤外光IRは、フィルター24によって特定波長の赤外光IRが選別され、フォトディテクタ25で受光される。フォトディテクタ25では、赤外光IRの強度に応じて変換された電気信号をデータ処理部26に伝送する。データ処理部26では、赤外光IRの平均強度などを算出する。   The infrared light detection unit 2 is provided inside the welding head H. The infrared light IR generated from the welded portion is converted into parallel light by the condenser lens 16 and is bent by the first half mirror 21 provided between the condenser lens 16 and the collimator lens 15. Thereafter, the light is guided to the second condenser lens 23 via the second half mirror 22. The infrared light IR collected here is selected by the filter 24 and is received by the photodetector 25. The photodetector 25 transmits an electrical signal converted according to the intensity of the infrared light IR to the data processing unit 26. The data processing unit 26 calculates the average intensity of the infrared light IR.

データ処理部26では、所定の溶接領域から発生する赤外光強度、即ち、後述するようにウォブリングの1周期の時間に亘って発生する赤外光強度を積分し平均化する。これにより、溶込み不足を評価するための値が算出される。   The data processing unit 26 integrates and averages the infrared light intensity generated from a predetermined welding region, that is, the infrared light intensity generated over a period of one wobbling period as will be described later. Thereby, a value for evaluating the lack of penetration is calculated.

この値は判定部4に出力される。判定部4では、赤外光IRの検出値の他に、モニタ出力計測部17から伝送されたレーザビームRBの出力に係る信号を受け取り、後述するように溶接部の健全性を判定して、報知部5に報知する。   This value is output to the determination unit 4. In the determination unit 4, in addition to the detection value of the infrared light IR, a signal related to the output of the laser beam RB transmitted from the monitor output measurement unit 17 is received, and the soundness of the weld is determined as described later, Notify the notification unit 5.

以上のレーザ出力制御部11、および、駆動制御部3、赤外光検出部2、判定部4、報知部5は、例えば一つの制御盤6の内部に設置されている。   The laser output control unit 11, the drive control unit 3, the infrared light detection unit 2, the determination unit 4, and the notification unit 5 are installed, for example, in one control panel 6.

〔溶接要領〕
図2には、ワークWに対するレーザビームRBの照射態様の一例を示す。溶接開先Fは、例えば樹脂材料の端面どうしを突合せた所謂I型開先である。レーザビームRBの行程としては、このI型開先に沿って揺動させ且つ前後に往復移動させ、連続した長円を描きつつ溶接線上を進行する所謂ウォブリングとした。
(Welding procedure)
In FIG. 2, an example of the irradiation mode of the laser beam RB on the workpiece W is shown. The welding groove F is, for example, a so-called I-shaped groove in which the end faces of the resin material are butted together. The stroke of the laser beam RB is a so-called wobbling that is swung along the I-shaped groove and reciprocated back and forth, and proceeds on the weld line while drawing a continuous ellipse.

溶接装置Sとしては、対象物となるワークWを溶融可能なものであれば、パルスレーザあるいは連続波レーザなど各種のものを用いることができる。また、レーザの種類もYAGレーザ、COレーザなどを適宜利用可能である。 As the welding device S, various devices such as a pulse laser or a continuous wave laser can be used as long as the workpiece W that is an object can be melted. Further, a YAG laser, a CO 2 laser, or the like can be used as appropriate for the type of laser.

〔赤外光検出の様子〕
図2には、ウォブリングの経路を見易くするために1周期毎に線種を異ならせて表示してある。ウォブリングを行う場合、レーザビームRBは、溶接するワークWの未溶融の箇所と既に溶融した個所とを交互に通過する。例えば、実線で示した経路上においてレーザビームRBの照射位置がA点にあるとき、レーザビームRBは進行方向に対して後退中であり、一度溶融した領域に再度進入する。既に溶融された領域に深く入り込むB点が最高温となる位置であり、レーザビームRBがB点に近付くほど溶接部から発せられる赤外光IRの強度は強くなる。B点を通過した後、レーザビームRBは再び未溶融の領域に差し掛かりC点に至る。A点からC点に至る領域ではワークWが十分に溶融し、ワークWの蒸気圧力によって溶融池の表面が沈み込んでキーホールが形成される。これらの位置では2度目に照射されるビームによってさらに多くの熱量が投入され、表面積を広げた溶融池から発生する赤外光IRの量が増大に伴って強度も上昇する。
[Infrared light detection]
In FIG. 2, the line types are displayed differently for each cycle in order to make the wobbling route easy to see. When wobbling is performed, the laser beam RB alternately passes through unmelted portions and already melted portions of the workpiece W to be welded. For example, when the irradiation position of the laser beam RB is at point A on the path indicated by the solid line, the laser beam RB is retreating with respect to the traveling direction and reenters the once melted region. The point B that penetrates deeply into the already melted region is the position where the maximum temperature is reached, and the intensity of the infrared light IR emitted from the welded portion increases as the laser beam RB approaches the point B. After passing through point B, the laser beam RB again reaches the unmelted region and reaches point C. In the region from point A to point C, the workpiece W is sufficiently melted, and the surface of the molten pool sinks due to the vapor pressure of the workpiece W to form a keyhole. At these positions, a larger amount of heat is input by the beam irradiated for the second time, and the intensity increases as the amount of infrared light IR generated from the molten pool with an increased surface area increases.

この先では、レーザビームRBの有する熱量はワークWを溶融させるために消費される。この溶融の際には、ワークWは常温から溶融温度まで加熱されるものの、そこから発生する赤外光IRの強度は低い。レーザビームRBが溶接進行方向の最も先端側に位置するD点を通過する瞬間に溶接部の温度は最低となる。D点は既に溶接が終了している領域に比べて最も先端側にあるため、既に溶融している領域からの熱伝達が少ない。よって、溶接部の温度はD点で最も低くなる。その後、レーザビームRBの進行方向が後退し、一度溶融した溶接部に近付きつつE点に至る。D点からE点においては赤外光IRの強度は高まり、E点での赤外光強度は先のA点での赤外光強度とほぼ同じとなる。ウォブリングを伴った溶接では、このようなA点からE点に至る行程が繰り返し行われる。   In the future, the heat quantity of the laser beam RB is consumed to melt the workpiece W. During the melting, the workpiece W is heated from room temperature to the melting temperature, but the intensity of the infrared light IR generated therefrom is low. At the moment when the laser beam RB passes through the point D located on the most distal side in the welding progress direction, the temperature of the welded portion becomes the lowest. Since the point D is closest to the tip side compared to the area where welding has already been completed, heat transfer from the already melted area is small. Therefore, the temperature of the welded portion is the lowest at point D. Thereafter, the traveling direction of the laser beam RB moves backward, and reaches the point E while approaching the welded portion once melted. From point D to point E, the intensity of infrared light IR increases, and the intensity of infrared light at point E is substantially the same as the intensity of infrared light at point A above. In welding with wobbling, such a process from point A to point E is repeatedly performed.

〔赤外光の検出〕
図3には、赤外光IRの強度の検出例を示す。上段の図は、溶接ヘッドHに設けたフォトディテクタ25によって検出した赤外光強度の時間変化を表したものである。グラフを構成する折れ線の一つの山がウォブリングの一周期分を示す。また、当該グラフの中程のI領域では、特に右側の赤外光強度の強い領域に比べて全般に赤外光強度が低下している。これは、例えば、溶接ヘッドHから照射されるレーザビームRBの強度が何らかの原因で低下したためと思われる。
[Detection of infrared light]
FIG. 3 shows an example of detecting the intensity of infrared light IR. The upper diagram shows the time change of the infrared light intensity detected by the photodetector 25 provided in the welding head H. FIG. One peak of the broken line constituting the graph shows one cycle of wobbling. In addition, in the middle I region of the graph, the infrared light intensity is generally lower than that of the right region where the infrared light intensity is strong. This is probably because, for example, the intensity of the laser beam RB irradiated from the welding head H has decreased for some reason.

上段のグラフのうちII領域に係る部分を拡大したのが下段のグラフである。当該領域には、ウォブリングの数周期分の波形が示されている。この図のうち、細線が適切な溶接が行われている状態を示し、太線が溶接状態に不都合があって溶込み不足が生じている可能性がある状態を示す。つまり、太線の折れ線は、赤外光強度の最大値が、細線のものに比べて小さくなっている。これは、例えば、レーザビームRBの伝送系を構成する保護ガラスの汚れ等のためにレーザビームRBの照射強度が低下したことなどが原因と考えられる。   In the upper graph, the lower graph is an enlarged portion related to the region II. In this area, waveforms for several wobbling cycles are shown. In this figure, a thin line indicates a state where appropriate welding is performed, and a thick line indicates a state where there is a possibility that welding is insufficient due to inconvenience in the welding state. That is, the thick broken line has a smaller infrared light intensity maximum value than that of the thin line. This is considered to be caused, for example, by a decrease in the irradiation intensity of the laser beam RB due to contamination of the protective glass constituting the laser beam RB transmission system.

赤外光IRの強度不足は、赤外光波形のうち特にピーク値が下がることで生じる場合が多い。下段の図中、A点からE点のプロットは、図2におけるウォブリング中のレーザビームRBの位置を示す。つまり、通常、A点からB点を通過しC点に至る領域では、一度溶融して高温となっている領域にレーザビームRBが戻るため、溶接部から生じる赤外光IRの強度は上昇する。しかし、太線の折れ線では、特に最大ピークの位置でB点にまで至らず、赤外光強度が低下している。このような場合には、例えば、何らかの原因でレーザビームRBの出力不足が生じた結果、溶融池の温度が適切に上昇せず、キーホールも形成されなかったためと推測できる。   The insufficiency of infrared light IR often occurs particularly when the peak value of the infrared light waveform decreases. In the lower diagram, a plot from point A to point E shows the position of the laser beam RB during wobbling in FIG. That is, normally, in the region from point A to point B and to point C, the laser beam RB returns to the region where it has once melted and becomes high temperature, so the intensity of infrared light IR generated from the weld increases. . However, the thick broken line does not reach point B particularly at the position of the maximum peak, and the infrared light intensity is reduced. In such a case, it can be inferred that, for example, the output of the laser beam RB was insufficient for some reason, and as a result, the temperature of the molten pool did not rise properly and no keyhole was formed.

〔レーザビーム出力のモニタ出力および赤外光強度の算出〕
上記の如く、溶接ビードからは赤外光IRが発せられ、赤外光検出部2では当該赤外光IRの強度を検出する。その際、測定された赤外光強度の値は、それが適切なものであるかを検証する必要がある。本実施形態では、以下のごとく閾値y1を設定して検証を行う。
[Monitor output of laser beam output and calculation of infrared light intensity]
As described above, infrared light IR is emitted from the weld bead, and the infrared light detector 2 detects the intensity of the infrared light IR. At that time, it is necessary to verify whether the measured infrared light intensity value is appropriate. In the present embodiment, verification is performed by setting a threshold value y1 as follows.

具体的には、レーザ発振器12から照射されるレーザビームRBのモニタ出力を用いる。ワークWから発せられる実際の赤外光強度は、溶接装置Sから照射された実際のレーザ出力に比例する。この実際のレーザ出力は、例えば、ワークWに正常な状態のレーザビームRBを照射し、ワークWから放出される赤外光強度の値を測定したり、ワークWの実際の温度上昇を測定して算出することができる。ただし、現実の溶接時には、レーザビームRBが正しく照射されているか否かはわからない。よって、レーザ出力を間接的に知る指標として照射されたレーザビームRBについてモニタ出力計測部17が検出するモニタ出力の値を用いる。   Specifically, the monitor output of the laser beam RB irradiated from the laser oscillator 12 is used. The actual infrared light intensity emitted from the workpiece W is proportional to the actual laser output irradiated from the welding apparatus S. The actual laser output is obtained by, for example, irradiating the workpiece W with the laser beam RB in a normal state, measuring the value of the infrared light emitted from the workpiece W, or measuring the actual temperature rise of the workpiece W. Can be calculated. However, during actual welding, it is not known whether the laser beam RB is correctly irradiated. Therefore, the monitor output value detected by the monitor output measurement unit 17 for the irradiated laser beam RB is used as an index for indirectly knowing the laser output.

このモニタ出力と実際のレーザ出力とは比例関係にある。よって、モニタ出力を知ることでレーザ出力を間接的に知ることができ、さらに溶接部からの赤外光強度を算出することができる。これらの関係は以下の如く一次関数の式(1)に表すことができる。

y1=ax+b (1)

y1:赤外光強度の閾値 x:レーザ発振器のモニタ出力 a、b:定数
The monitor output and the actual laser output are in a proportional relationship. Therefore, by knowing the monitor output, the laser output can be indirectly known, and the infrared light intensity from the weld can be calculated. These relationships can be expressed by the linear function equation (1) as follows.

y1 = ax + b (1)

y1: Infrared light intensity threshold x: Monitor output of laser oscillator a, b: Constant

このように、レーザビームRBが正常に照射されているとしてモニタ出力から算出した赤外光強度を、溶接状態の良否を判定する閾値y1として設定する。本実施形態では、レーザビームRBはウォブリングさせるため、実際に溶融池から発せられる赤外光強度は変動する。よって、この閾値y1と比較する赤外光強度値としては、ウォブリング1周期の間に得られる赤外光強度の平均値としている。この平均値が閾値y1よりも小さい場合、溶接部への入熱が少なく溶込み不足が発生している可能性があると判定する。   In this way, the infrared light intensity calculated from the monitor output assuming that the laser beam RB is normally irradiated is set as the threshold value y1 for determining the quality of the welding state. In this embodiment, since the laser beam RB is wobbled, the intensity of infrared light actually emitted from the molten pool varies. Therefore, the infrared light intensity value to be compared with the threshold value y1 is an average value of the infrared light intensity obtained during one wobbling cycle. When this average value is smaller than the threshold value y1, it is determined that the heat input to the welded portion is small and there is a possibility of insufficient penetration.

〔サンプリング周期〕
赤外光強度のサンプリングは、所定の溶接長さあるいは所定の溶接時間に区切って行う。そうすることで、比較的短い長さの溶接箇所につき赤外光強度の変化を敏感に測定することができる。ウォブリング溶接を行う場合は、得られる赤外光強度の波形をウォブリング周期ごとに区切って評価するとよい。一方、直線溶接を行う場合には、例えば予め設定したビード長さ毎や時間毎に赤外光強度の波形を区切るとよい。
[Sampling period]
The sampling of the infrared light intensity is performed by dividing it into a predetermined welding length or a predetermined welding time. By doing so, a change in infrared light intensity can be sensitively measured for a welding portion having a relatively short length. In the case of performing wobbling welding, it is preferable to evaluate the obtained waveform of the infrared light intensity by dividing it every wobbling period. On the other hand, when performing linear welding, for example, a waveform of infrared light intensity may be divided for each preset bead length or time.

〔判定のフロー〕
図3には、赤外光強度をウォブリング周期Tでサンプリングした例を示す。また、図4には、溶込み不足の評価を行う判断フローを示す。溶接開始とともに、レーザ発振器12のモニタ出力と、溶接部からの赤外光強度を測定する(#10)。次に、これらモニタ出力と赤外光強度との夫々においてウォブリング周期Tにおける平均値を演算する(#20)。得られたモニタ出力の平均値に基づき、上記式(1)を用いて算出した閾値y1と、測定した赤外光強度の平均値との比較を行う(#30)。この閾値y1は、予め行った溶接実験等から求めたものであり、溶込み不足が生じない赤外光の強度を特定するものである。勿論、この閾値y1は、溶接するワークWの形状や、照射するレーザ出力の値、あるいは、溶接に際してのワークWの予熱・後熱条件などによって変動する。#30で、赤外光強度が閾値y1以上であれば、溶込み不足は生じていないと判断して構わない。一方、閾値y1を下回っていれば、溶込み不足が生じている可能性が極めて高いと判断できる。
[Judgment flow]
FIG. 3 shows an example in which the infrared light intensity is sampled at the wobbling period T. FIG. 4 shows a determination flow for evaluating the lack of penetration. Along with the start of welding, the monitor output of the laser oscillator 12 and the infrared light intensity from the weld are measured (# 10). Next, an average value in the wobbling period T is calculated for each of the monitor output and the infrared light intensity (# 20). Based on the average value of the obtained monitor outputs, the threshold value y1 calculated using the above equation (1) is compared with the measured average value of infrared light intensity (# 30). This threshold value y1 is obtained from a welding experiment or the like conducted in advance, and specifies the intensity of infrared light that does not cause insufficient penetration. Of course, the threshold value y1 varies depending on the shape of the workpiece W to be welded, the value of the laser output to be irradiated, the preheating / postheating conditions of the workpiece W during welding, and the like. If the infrared light intensity is greater than or equal to the threshold y1 at # 30, it may be determined that insufficient penetration has occurred. On the other hand, if it is below the threshold value y1, it can be judged that the possibility of insufficient penetration is very high.

ただし、#30の判定において赤外光強度が閾値y1以上であった場合でも、常に溶接部が健全であるとは限らない。例えば、赤外光強度が過度に大きい場合には、入熱過多となって溶接開先Fで溶け落ちが生じたり、溶接部の強度が低下したりするなどの不都合が生じる場合がある。   However, even when the infrared light intensity is greater than or equal to the threshold value y1 in the determination of # 30, the welded portion is not always healthy. For example, if the intensity of infrared light is excessively high, heat input may be excessive, causing inconveniences such as melting at the welding groove F or lowering of the strength of the welded portion.

そこで、本実施形態では、モニタ出力につき上限値である閾値y2を設けている(#40)。この閾値y2は、予め実験により特定したものであり、モニタ出力が閾値y2以上の場合には、健全な溶接部が得られないことが多い。つまり、#30で赤外強度が適正か否かを判定し、ここで適正と判定されたものについて、#40でモニタ出力が適切か否かを判定する。双方の条件を満たしていた場合のみ溶接部は健全であると判定する(#50)。データ処理部26は溶接部が健全であるとの判定結果を判定部4に出力する。判定部4は、溶接装置Sの何れかの箇所に設けた例えばモニタ画面などの報知部5に溶接部が正常であることを報知する。   Therefore, in this embodiment, a threshold value y2 that is an upper limit value is provided for the monitor output (# 40). This threshold value y2 is specified in advance by experiments, and when the monitor output is equal to or greater than the threshold value y2, a sound welded part is often not obtained. That is, it is determined whether or not the infrared intensity is appropriate in # 30, and it is determined whether or not the monitor output is appropriate in # 40 for those determined to be appropriate here. Only when both conditions are satisfied, the weld is determined to be healthy (# 50). The data processing unit 26 outputs a determination result that the welded part is healthy to the determination unit 4. The determination unit 4 notifies the notifying unit 5 such as a monitor screen provided in any part of the welding apparatus S that the welding unit is normal.

一方、#30で赤外強度が適正であっても、#40でモニタ出力が過大であった場合、例えばレーザ光路に異常があるなどの原因が考えられる。モニタ出力が大きくなるということは、レーザ照射部1からレーザビームRBが照射される時点で既に異常が存在している可能性が高いことを示唆している。この場合には、判定部4は装置が異常であると判定し(#60)、異常の判定信号を報知部5に出力する。   On the other hand, even if the infrared intensity is appropriate at # 30, if the monitor output is excessive at # 40, there may be a cause such as an abnormality in the laser optical path. The increase in the monitor output suggests that there is a high possibility that an abnormality already exists at the time when the laser beam RB is irradiated from the laser irradiation unit 1. In this case, the determination unit 4 determines that the apparatus is abnormal (# 60), and outputs an abnormality determination signal to the notification unit 5.

#30で赤外光強度が閾値y1を下回る場合、溶接部には何らかの不都合が生じている可能性が高い。それを判定するためにモニタ出力についての下限値である閾値y3を設定する(#70)。この閾値y3も、予め実験により特定したものであり、モニタ出力が閾値y3以上の場合、通常であれば、健全な溶接部が得られる可能性が高い。ただし、モニタ出力が閾値y3以上であっても#30で赤外光強度が少ない場合には、ワークWに対するレーザビームRBの照射条件に問題があるなどワークWが上手く加熱されていない可能性があると判定する(#80)。   If the infrared light intensity falls below the threshold value y1 at # 30, there is a high possibility that some inconvenience has occurred in the welded portion. In order to determine this, a threshold value y3 which is a lower limit value for the monitor output is set (# 70). This threshold value y3 is also specified in advance by experiments. When the monitor output is equal to or higher than the threshold value y3, a normal welded portion is highly likely to be obtained. However, even if the monitor output is greater than or equal to the threshold value y3, if the infrared light intensity is low at # 30, there is a possibility that the work W is not heated well, for example, there is a problem with the irradiation condition of the laser beam RB on the work W. It is determined that there is (# 80).

一方、#70においてモニタ出力が閾値y3を下回っている場合には、明らかにレーザビームRBの照射異常であると判定できる(#90)。例えば、レーザ発振器12から中継器14に至る光ファイバー13など、ワークWまでの何れかの箇所における光学系の汚れ等が考えられる。この場合には、まず、レーザ光路中の何れかに異常がある旨の判定を行う。さらに、ワークWに対する入熱が少ないことから、ワークWに対する入熱量にも異常がある旨の判定を行う。#80の判定および#90の判定も、上記と同様に溶接装置Sのモニタ画面などの報知部5に報知される。   On the other hand, when the monitor output is lower than the threshold value y3 in # 70, it can be clearly determined that the laser beam RB is abnormally irradiated (# 90). For example, contamination of the optical system at any location up to the workpiece W, such as the optical fiber 13 from the laser oscillator 12 to the repeater 14, is conceivable. In this case, first, it is determined that there is an abnormality in any of the laser light paths. Furthermore, since there is little heat input with respect to the workpiece | work W, it determines with the amount of heat input with respect to the workpiece | work W having abnormality. The determinations of # 80 and # 90 are also notified to the notification unit 5 such as the monitor screen of the welding apparatus S in the same manner as described above.

このように、一定の溶接領域ごとに赤外光強度の平均値を算出し閾値y1と比較することで、赤外光強度の僅かな変動を捉えて溶接部の溶込み不足の有無を判定することができる。また、さらにレーザビームRBのモニタ出力を観測し、モニタ出力に係る閾値y2、y3と比較することで、溶接不良が生じた可能性およびその原因を特定することができる。   In this way, by calculating the average value of the infrared light intensity for each fixed welding region and comparing it with the threshold value y1, it is possible to detect the slight fluctuation of the infrared light intensity and determine whether or not the weld has insufficient penetration. be able to. Further, by observing the monitor output of the laser beam RB and comparing it with the threshold values y2 and y3 related to the monitor output, it is possible to identify the possibility of the welding failure and its cause.

〔他の実施形態〕
溶融池の赤外光強度を測定する際には、上記の如く一定周期毎の平均値ではなく、例えば、最大値を測定してもよい。ウォブリングを伴うレーザビーム溶接を行う場合、ビーム照射位置の不都合や、レーザビームRBの強度不足などが生じた場合、その影響が表れ易いのは溶融池の温度が最大となる位置である。つまり、レーザビームRBの強度などが不適切であると、ワークWが十分に溶かされず蒸気発生量が不足して健全な溶融池が形成されなくなる。その結果、得られるはずの赤外光IRが観測されなくなるからである。このように健全な溶融池が形成されるか否かは、特に入熱量の大きな部位で生じる。
[Other Embodiments]
When the infrared light intensity of the molten pool is measured, for example, the maximum value may be measured instead of the average value for each fixed period as described above. When laser beam welding with wobbling is performed, if the inconvenience of the beam irradiation position or the intensity of the laser beam RB is insufficient, the influence of the influence easily appears at the position where the temperature of the molten pool becomes maximum. That is, if the intensity of the laser beam RB is inappropriate, the workpiece W is not sufficiently melted and the amount of generated steam is insufficient, so that a healthy molten pool cannot be formed. As a result, the infrared light IR that should be obtained is not observed. Whether or not a healthy molten pool is formed in this way occurs particularly in a portion with a large heat input.

よって、赤外光強度の波形をモニタし、最大となるピーク強度が所定の閾値を超えたか否かで溶接部の健全性を評価することも可能である。このように赤外光強度のピーク値を得る方法は、所定時間に亘る赤外光強度の平均値を得る方法に比べて演算処理が大幅に簡略化される。   Therefore, it is possible to monitor the waveform of the infrared light intensity and evaluate the soundness of the welded portion based on whether or not the maximum peak intensity exceeds a predetermined threshold. As described above, the method of obtaining the peak value of the infrared light intensity greatly simplifies the arithmetic processing as compared with the method of obtaining the average value of the infrared light intensity over a predetermined time.

本発明は、特にレーザビームを揺動させつつ溶接を行うレーザ溶接装置に広く用いることができる。   The present invention can be widely used particularly for laser welding apparatuses that perform welding while oscillating a laser beam.

1 レーザ照射部
2 赤外光検出部
3 判定部
17 モニタ出力計測部
IR 赤外光
RB レーザビーム
S レーザ溶接装置
W ワーク
y1 閾値
y2 上限値(閾値)
y3 下限値(閾値)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser irradiation part 2 Infrared light detection part 3 Determination part 17 Monitor output measurement part IR Infrared light RB Laser beam S Laser welding apparatus W Work y1 Threshold value y2 Upper limit (threshold value)
y3 lower limit (threshold)

Claims (3)

溶接対象であるワークにレーザビームを照射するレーザ照射部と、
前記ワークから生じる赤外光の強度を測定する赤外光検出部と、
前記赤外光検出部が一定の溶接領域ごとに測定した赤外光の強度と、予め設定した赤外光の強度に係る閾値とを比較して前記溶接領域における溶込み不足の有無を判定する判定部とを備えたレーザ溶接装置。
A laser irradiation unit for irradiating a workpiece to be welded with a laser beam;
An infrared light detector for measuring the intensity of infrared light generated from the workpiece;
The infrared light detection unit compares the intensity of infrared light measured for each welding region with a preset threshold value relating to the intensity of infrared light to determine whether or not there is insufficient penetration in the welding region. The laser welding apparatus provided with the determination part.
前記レーザ照射部によるレーザ照射パターンがウォブリングであり、
前記測定した赤外光の強度が、前記ウォブリングの一周期ごとの赤外光の平均強度である請求項1に記載のレーザ溶接装置。
The laser irradiation pattern by the laser irradiation unit is wobbling,
The laser welding apparatus according to claim 1, wherein the measured intensity of infrared light is an average intensity of infrared light for each period of the wobbling.
前記レーザ照射部から照射されたレーザビームの出力を計測するモニタ出力計測部が備えられ、
前記判定部が、前記モニタ出力計測部で計測されたモニタ出力を区別するための上限値および下限値を予め保持し、前記モニタ出力および前記上限値、前記下限値、さらには前記測定した赤外光の強度に基づいて、前記溶接領域における溶込み状態の健全性と、溶込み状態が不良であると判断した場合の当該不良の発生原因とを特定する請求項1または2に記載のレーザ溶接装置。
A monitor output measuring unit for measuring the output of the laser beam irradiated from the laser irradiation unit,
The determination unit holds in advance an upper limit value and a lower limit value for distinguishing the monitor output measured by the monitor output measurement unit, and the monitor output and the upper limit value, the lower limit value, and further, the measured infrared 3. The laser welding according to claim 1, wherein the soundness of the penetration state in the welding region and the cause of the occurrence of the failure when it is determined that the penetration state is defective are determined based on the intensity of light. apparatus.
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