JP2017177170A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、溶接の作業性を確保しつつ、溶接不良の発生を抑制する。【解決手段】レーザ溶接装置１は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出力されたレーザ光をコンタクトチップ１３を通して出射させるハンドトーチ１２と、コンタクトチップ１３に所定周期の振動を生じさせる振動素子１４と、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動により発生してワーク２内を伝播したＡＥ波の振動強度をワーク２との接触位置Ｐ１において検出するＡＥセンサ１５と、コンタクトチップ１３がワーク２に当接しているときに、ＡＥセンサ１５により検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定する判定部１６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

例えば鉄道車両構体には、雨等が車両内に入り込まないように水密性が要求される。水密性を確保するために、近年では、溶接部自体によってワークの水密性を確保可能なレーザ溶接が着目されている。例えば特許文献１に記載の鉄道車両用構体では、外板の端部の外面側に出入口枠の端部を重ね合わせ、出入口枠の端部と外板の主面とをレーザ溶接によって連続溶接している。

特開２００７−１１２３４３号公報

レーザ溶接に用いられる溶接装置としては、例えばレーザ光を出射させるハンドトーチを備えたレーザ溶接装置がある。このようなレーザ溶接装置では、ワークに対するハンドトーチの倣い性を確保するためのコンタクトチップがハンドトーチの先端部分に取り付けられる。ワークに当接させたコンタクトチップをガイドとすることで、ハンドトーチを安定して移動させることができ、所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接することが可能となる。

上述したようなレーザ溶接装置では、溶接の態様に応じて、材料や形状等が互いに異なる複数種類のコンタクトチップが用いられる場合がある。かかる場合においては、本来用いられるべきコンタクトチップと異なる種類のコンタクトチップが誤ってハンドトーチに取り付けられ、その状態のまま溶接が行われることで、溶接不良が生じてしまう可能性がある。また、上述したようなレーザ溶接装置では、コンタクトチップによってワークに対するハンドトーチの倣い性が確保されているが、依然としてハンドトーチのワークに対する姿勢が所望の姿勢からずれてしまう場合があり、当該姿勢のずれに起因して溶接不良が生じてしまうおそれがある。一方、それらの溶接不良の発生を防止するために、コンタクトチップの種類の確認やハンドトーチの姿勢の監視を作業者に過度に課すと、溶接の作業性が低下してしまうおそれがある。

そこで、本発明は、ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、溶接の作業性を確保しつつ、溶接不良の発生を抑制できるレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

本発明のレーザ溶接装置は、ワーク同士をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ溶接に用いられるレーザ光を出力するレーザ光源と、ワークに当接させられるコンタクトチップが取り付けられ、レーザ光源から出力されたレーザ光をコンタクトチップを通して出射させるハンドトーチと、コンタクトチップがワークに当接しているときに、コンタクトチップに所定周期の振動を生じさせる振動素子と、ワークに所定の接触位置において接触させられ、振動素子によるコンタクトチップの振動により発生してワーク内を伝播したＡＥ波の振動強度を接触位置において検出するＡＥセンサと、コンタクトチップがワークに当接しているときに、ＡＥセンサにより検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、ハンドトーチに取り付けられているコンタクトチップの種類及びハンドトーチのワークに対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定する判定部と、を備える。

このレーザ溶接装置では、ハンドトーチに取り付けられてワークに当接させられるコンタクトチップに振動素子によって振動を生じさせ、当該振動により発生してワーク内を伝播したＡＥ波をＡＥセンサによって検出する。そして、コンタクトチップがワークに当接しているときに、ＡＥセンサにより検出したＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、ハンドトーチに取り付けられているコンタクトチップの種類及びハンドトーチのワークに対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定する。判定結果は、例えば、レーザ光源によるレーザ光の出力の停止や、作業者への警報に用いられ得る。これにより、コンタクトチップの種類の確認やハンドトーチの姿勢の監視を作業者に過度に課すことなく、ハンドトーチに誤った種類のコンタクトチップが取り付けられたまま溶接が行われることや、ハンドトーチのワークに対する姿勢がずれることに起因して、溶接不良が生じることを抑制できる。よって、このレーザ溶接装置によれば、溶接の作業性を確保しつつ、溶接不良の発生を抑制できる。

本発明のレーザ溶接装置では、判定部は、時間変化波形に基づいて、所定周期に対応する長さの期間におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値との比較によって、ハンドトーチに取り付けられているコンタクトチップの種類及びハンドトーチのワークに対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定してもよい。これにより、コンタクトチップの種類及びハンドトーチの姿勢の少なくとも一方の可否の判定について、処理を簡易化しつつ、確実に判定を行うことができる。

本発明のレーザ溶接装置では、レーザ光は、パルス光であり、ＡＥセンサは、レーザ光の照射により発生してワーク内を伝播したＡＥ波の振動強度を更に検出し、判定部は、コンタクトチップがワークに当接し、ハンドトーチからレーザ光が出射されているときに、時間変化波形に基づいてワーク同士の間の隙間量の可否を更に判定してもよい。これにより、ワーク同士の間に許容量以上の隙間が形成されていることに起因する溶接不良の発生を抑制できる。

本発明のレーザ溶接装置では、レーザ光の周期は、所定周期よりも長く、判定部は、時間変化波形に基づいて、レーザ光の周期よりも長い期間におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値との比較によって、ワーク同士の間の隙間量の可否を判定してもよい。これにより、隙間量の可否の判定について、処理を簡易化しつつ、確実に判定を行うことができる。

本発明によれば、ハンドトーチを用いたレーザ溶接において、溶接の作業性を確保しつつ、溶接不良の発生を抑制できるレーザ溶接装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接装置の概略図である。 （ａ）は、一のコンタクトチップを用いて正常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、他のコンタクトチップを用いて正常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、更に他のコンタクトチップを用いて正常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、更に他のコンタクトチップを用いて正常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、上記一のコンタクトチップを用いて異常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、上記一のコンタクトチップを用いて他の異常姿勢で溶接した場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、ワーク同士の間の隙間量が許容量以下である場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。 （ａ）は、ワーク同士の間の隙間量が許容量よりも大きい場合のＡＥ波の波形を示すグラフであり、（ｂ）は、（ａ）の累積二乗和を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。

図１に示されるレーザ溶接装置１は、例えば板状のワーク２同士を所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接するための装置である。レーザ溶接装置１は、レーザ光源１１と、ハンドトーチ１２と、振動素子１４と、ＡＥ（Acoustic Emission）センサ１５と、制御部１６と、を備えている。

レーザ光源１１は、レーザ光を出力するレーザ発振器である。レーザ光源１１は、例えばファイバレーザ発振器であり、所定の周期Ｔ１（例えば、２０×１０^−３秒〜１００×１０^−３秒）のパルス光（換言すれば、所定の周波数（例えば、１０Ｈｚ〜５０Ｈｚ）のパルス光）を出力する。当該パルス光のパルス幅は、例えば０．２×１０^−３秒〜５０×１０^−３秒である。レーザ光源１１は、箱状の本体３に内蔵されている。レーザ光源１１のオンオフは、例えば制御部１６によって制御される。

ハンドトーチ１２は、レーザ光源１１から出力されたレーザ光を外部に出射させる部分である。ハンドトーチ１２は、本体３から延びる可撓性のケーブル１８の先端に設けられている。ハンドトーチ１２は、例えば、レーザ溶接を行う作業者が把持し易い外径の略円筒状をなしている。ハンドトーチ１２の外周面には、滑り止めや保護ガラス等が設けられている。

ハンドトーチ１２の先端には、コンタクトチップ１３が着脱自在に取り付けられる。コンタクトチップ１３は、中空の筒状部材であり、ハンドトーチ１２を通ったレーザ光は、コンタクトチップ１３を通ってコンタクトチップ１３の先端から外部に出射する。コンタクトチップ１３は、ハンドトーチ１２の先端に取り付けられた状態において、コンタクトチップ１３の中心軸とレーザ光源１１から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。

コンタクトチップ１３は、導電性材料により形成されている。コンタクトチップ１３を形成する導電性材料は、ワーク２に傷を発生させない観点から、ワーク２の形成材料よりも硬度が低い材料であると好適である。例えばワーク２がステンレス鋼板である場合、コンタクトチップ１３を形成する導電性材料としては、例えば銅、銅合金、導電性カーボン、又は導電性セラミックス等が挙げられる。

コンタクトチップ１３の先端部は、コンタクトチップ１３の先端側が切り欠かれることによって先細り形状をなしており、当該先端部には、溶接時にワーク２に当接してワーク２に対する倣い面となる当接面が形成されている。溶接時には、作業者は、ハンドトーチ１２をワーク２に対して移動方向Ｄの進行側に傾け、コンタクトチップ１３の当接面をワーク２に当接させる。そして、ワーク２に当接させたコンタクトチップ１３をガイドとして、ハンドトーチ１２を溶接予定線に沿って移動方向Ｄに移動させることによって、レーザ溶接部Ｗを線状に形成する。なお、溶接の態様は、ワーク同士をレーザ溶接するものであれば任意の態様であってよく、例えば、板状のワーク同士の隅肉溶接、板状のワーク同士の重ね合わせ部分における端面溶接、又は柱状のワーク同士のフレア溶接等であってもよい。

振動素子１４は、例えばパルス発生器であり、印加された電圧に従って振動を発生させる。振動素子１４は、例えばハンドトーチ１２の内部に固定されており、ハンドトーチ１２に振動を付加することによって、コンタクトチップ１３にその中心軸に沿って所定の周期Ｔ２（例えば、０．０５×１０^−３秒〜５０×１０^−３秒）の振動（換言すれば、所定の周波数（例えば、２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）の振動）を生じさせる。周期Ｔ２は、振動素子１４による振動とレーザ光源１１からのレーザ光の照射による振動とが区別可能となるように、周期Ｔ１の２．５×１０^−３倍〜０．５倍となっている。振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動の振幅は、例えば数μｍ程度である。振動素子１４のオンオフは、例えばレーザ光源１１のオンオフと同期されており、制御部１６によって制御される。

ＡＥセンサ１５は、ＡＥ波の振動強度を検出するセンサであり、検出したＡＥ波の振動強度に対応する大きさの電圧値を制御部１６に出力する。ＡＥセンサ１５は、一方のワーク２に着脱自在に取り付けられる。ＡＥセンサ１５は、例えば、一方のワーク２における溶接開始位置の近傍に配置される。ＡＥセンサ１５は、溶接開始前に一方のワーク２に取り付けられ、一方のワーク２に対して所定の接触位置Ｐ１において接触させられる。そして、ＡＥセンサ１５は、レーザ光の照射位置Ｐ２（換言すれば、ワーク２とコンタクトチップ１３との接触位置）で発生してワーク２内を伝播したＡＥ波の振動強度を接触位置Ｐ１において検出する。より具体的には、ＡＥセンサ１５は、振動素子１４によるコンタクトチップ１３の振動によりワーク２内に発生したＡＥ波、及びレーザ光源１１からのレーザ光の照射によりワーク２内に発生したＡＥ波を検出する。なお、ＡＥセンサ１５と制御部１６との間には、ＡＥセンサ１５から出力された信号を増幅する増幅器（図示省略）が設けられていてもよい。

制御部１６は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、及びハードディスク等を備えたコンピュータである。制御部１６は、レーザ溶接装置１の各部の動作を制御する。例えば、制御部１６は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態である場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を許容し、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非通電状態である場合にレーザ光源１１によるレーザ光の出力を禁止する制御を行う（インターロック機能）。これにより、溶接開始時に作業者がコンタクトチップ１３をワーク２に当接させ、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非通電状態から通電状態に移行すると、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が開始される。一方、コンタクトチップ１３がワーク２から離され、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態から非通電状態に移行すると、レーザ光源１１によるレーザ光の出力が停止される。

また、制御部１６は、レーザ光源１１のオンオフに合わせて振動素子１４のオンオフを制御する。また、制御部１６は、本体３の上面側に設置されたディスプレイ１７の表示内容を制御する。なお、レーザ溶接装置１では、制御部１６及びワーク２に接続されたアースと、ケーブル１８を通って制御部１６及びコンタクトチップ１３に接続された配線とによってインターロック回路が構成されている。インターロック回路は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが導通している場合に成立し、ワーク２とコンタクトチップ１３とが非導通である場合に不成立となる。制御部１６は、インターロック回路が成立しているか否かに基づいて、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電（当接）しているか否かを判定する。

［第１判定処理］
更に、制御部１６は、コンタクトチップ１３がワーク２に当接しているときに、ＡＥセンサ１５により検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類の可否、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の可否を判定する判定部としても機能する（第１判定処理）。この例では、制御部１６は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態である場合に、レーザ光源１１によるレーザ光の出力を許容すると共に、第１判定処理を行う。すなわち、第１判定処理は、レーザ溶接中に実行される。制御部１６は、第１判定処理による判定結果をディスプレイ１７に表示させる。また、制御部１６は、第１判定処理において、コンタクトチップ１３の種類及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の少なくとも一方に異常が生じていると判定した場合、レーザ光源１１によるレーザ光の出力を停止させる。

第１判定処理では、制御部１６は、例えば、ＡＥセンサ１５により検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、所定の長さの期間Ｔ３におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値Ｘ１との比較によって、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類の可否、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の可否を判定する。この判定処理は、例えば期間Ｔ３の長さの時間が経過するごとに逐次実行される。期間Ｔ３の長さは、周期Ｔ２に対応した長さに設定されている。具体的には、期間Ｔ３の長さは、期間Ｔ３内に振動素子１４による振動が少なくとも１回発生する長さに設定されており、例えば周期Ｔ２と同程度の長さに設定されている。設定値Ｘ１は、判定対象に従って適宜設定される。設定値Ｘ１の設定方法の具体例については後述する。

図２〜図７を参照しつつ、第１判定処理の具体例を説明する。この例では、本来用いられるべきコンタクトチップ１３は、銅製で隅肉溶接用のコンタクトチップ１３Ａであり、溶接に用いられ得る他のコンタクトチップ１３は、導電性カーボン製で隅肉溶接用のコンタクトチップ１３Ｂ、導電性セラミックス製で隅肉溶接用のコンタクトチップ１３Ｃ、及び銅製で面取り用のコンタクトチップ１３Ｄである。隅肉溶接用のコンタクトチップ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃは、互いに同形状である。面取り用のコンタクトチップ１３Ｄは、ワーク２の端部の角部をＲ状に加工する際に用いられるものであり、コンタクトチップ１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃとは形状が異なる。

この例では、周期Ｔ１は０．０６７秒であり、周期Ｔ２は０．０２秒である。期間Ｔ３の長さは０．０２秒に設定され、設定値Ｘ１は０．０４に設定されている。そして、制御部１６は、期間Ｔ３における累積二乗和が設定値Ｘ１以上である場合、正常状態と判定し、期間Ｔ３における累積二乗和が設定値Ｘ１よりも小さい場合、異常状態と判定する。ここでの正常状態とは、本来用いられるべきコンタクトチップ１３Ａを用いて正常姿勢で溶接されていることを意味し、異常状態とは、本来用いられるべきコンタクトチップ１３Ａとは異なる種類のコンタクトチップ１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄのいずれかが用いられている、及び／又はハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢が正常姿勢からずれていることを意味する。

図２（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ａを用いて正常姿勢で溶接した場合、銅はＡＥ波を伝播させ易いので、比較的大きな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図２（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０５程度となり、設定値Ｘ１よりも大きくなる。

一方、図３（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ｂを用いて正常姿勢で溶接した場合、導電性カーボンは銅よりもＡＥ波を伝播させ難いので、コンタクトチップ１３Ａの場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図３（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０１程度となり、設定値Ｘ１よりも小さくなる。

また、図４（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ｃを用いて正常姿勢で溶接した場合、導電性セラミックスは銅よりもＡＥ波を伝播させ難いので、コンタクトチップ１３Ａの場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図４（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０１程度となり、設定値Ｘ１よりも小さくなる。

また、図５（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ｄを用いて正常姿勢で溶接した場合、面取り用のコンタクトチップ１３Ｄは溶接用のコンタクトチップ１３Ａに比べてワーク２との間の接触面積が小さくなるので、コンタクトチップ１３Ａの場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図５（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０２５程度となり、設定値Ｘ１よりも小さくなる。

図６（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ａを用いて、正常姿勢よりもハンドトーチ１２のワーク２に対する傾斜角度が大きい異常姿勢で溶接した場合、正常姿勢の場合よりもコンタクトチップ１３Ａとワーク２との間の接触面積が小さくなるので、正常姿勢の場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図６（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０２５程度となり、設定値Ｘ１よりも小さくなる。

また、図７（ａ）に示されるように、コンタクトチップ１３Ａを用いて、正常姿勢よりもハンドトーチ１２のワーク２に対する傾斜角度が小さい異常姿勢で溶接した場合にも、正常姿勢の場合よりもコンタクトチップ１３Ａとワーク２との間の接触面積が小さくなるので、正常姿勢の場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図７（ｂ）に示されるように、累積二乗和は０．０１程度となり、設定値Ｘ１よりも小さくなる。

このように、この例では、コンタクトチップ１３の種類及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢に従って期間Ｔ３における累積二乗和の大きさが異なる。そして、本来用いられるべきコンタクトチップ１３Ａを用いて正常姿勢で溶接した場合以外には、累積二乗和が設定値Ｘ１よりも小さくなる。したがって、設定値Ｘ１を例えば０．０４に設定することにより、本来用いられるべきコンタクトチップ１３Ａがハンドトーチ１２に取り付けられているか否か、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する傾斜角度が予め設定された範囲内となっているか否かを判定できる。

［第２判定処理］
更に、制御部１６は、コンタクトチップ１３がワーク２に当接し、ハンドトーチ１２からレーザ光が出射されているときに、ＡＥセンサ１５により検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいてワーク２同士の間の隙間量の可否を判定する判定部としても機能する（第２判定処理）。この例では、制御部１６は、ワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態である場合に、第１判定処理と第２判定処理とを並行して行う。制御部１６は、第１判定処理による判定結果に加えて、第２判定処理による判定結果をディスプレイ１７に表示させる。

第２判定処理では、制御部１６は、例えば、ＡＥセンサ１５により検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、所定の長さの期間Ｔ４におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値Ｘ２との比較によって、ワーク２同士の間の隙間量の可否を判定する。この判定処理は、例えば期間Ｔ４の長さの時間が経過するごとに逐次実行される。期間Ｔ４は、周期Ｔ１よりも長く設定されている。具体的には、期間Ｔ４の長さは、期間Ｔ４内にレーザ光源１１からのレーザ光の照射による振動が所定回数以上発生する長さに設定されており、例えば周期Ｔ１の１００倍〜５００倍程度に設定されている。設定値Ｘ２は、隙間量の許容値に従って適宜設定される。設定値Ｘ２の設定方法の具体例については後述する。

図８及び図９を参照しつつ、第２判定処理の具体例を説明する。この例では、周期Ｔ１は０．０６７秒であり、周期Ｔ２は０．０２秒である。期間Ｔ４の長さは３０秒に設定され、設定値Ｘ２は値１０に設定されている。そして、制御部１６は、期間Ｔ４における累積二乗和が設定値Ｘ２以上である場合、隙間量が許容量以下である正常状態と判定し、期間Ｔ４における累積二乗和が設定値Ｘ２よりも小さい場合、隙間量が許容量よりも大きい異常状態と判定する。隙間量の許容量は、例えば、レーザ照射側のワーク２の板厚の１０％程度に設定される。例えば、レーザ照射側のワーク２の板厚が１．５ｍｍである場合、隙間量の許容値は、０．１５ｍｍに設定される。

図８は、隙間量が０ｍｍである場合のグラフである。図８（ａ）に示されるように、この場合、ワーク２同士の間でＡＥ波が伝播され易いので、比較的大きな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図８（ｂ）に示されるように、累積二乗和は値１５程度となり、設定値Ｘ２よりも大きくなる。なお、図８（ａ）では、期間Ｔ４よりも短い１秒の期間のグラフが示されている。この点は、下記図９（ａ）についても同様である。

図９は、隙間量が０．２ｍｍである場合のグラフである。図９（ａ）に示されるように、この場合、ワーク２同士の間でＡＥ波が伝播され難いので、隙間量が０ｍｍの場合よりも小さな電圧値のピークを有する波形が検出される。この場合、図９（ｂ）に示されるように、累積二乗和は値７程度となり、設定値Ｘ２よりも小さくなる。

このように、この例では、隙間量の大きさに従って期間Ｔ４における累積二乗和の大きさが異なる。そして、隙間量が許容量よりも大きい場合には、累積二乗和が設定値Ｘ２よりも小さくなる。したがって、設定値Ｘ２を例えば値１０に設定することにより、隙間量が許容量以下であるか否かを判定できる。

以上説明したレーザ溶接装置１では、ハンドトーチ１２に取り付けられてワーク２に当接させられるコンタクトチップ１３に振動素子１４によって振動を生じさせ、当該振動により発生してワーク２内を伝播したＡＥ波をＡＥセンサ１５によって検出する。そして、コンタクトチップ１３がワーク２に当接しているときに、ＡＥセンサ１５により検出したＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類の可否、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の可否を判定する。判定結果は、レーザ光源１１によるレーザ光の出力の停止や、ディスプレイ１７への表示による作業者への警報に用いられる。これにより、コンタクトチップ１３の種類の確認やハンドトーチ１２の姿勢の監視を作業者に過度に課すことなく、ハンドトーチ１２に誤った種類のコンタクトチップ１３が取り付けられたまま溶接が行われることや、ハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢がずれることに起因して、溶接不良が生じることを抑制できる。よって、レーザ溶接装置１によれば、溶接の作業性を確保しつつ、溶接不良の発生を抑制できる。

また、レーザ溶接装置１では、制御部１６は、ＡＥセンサ１５により検出したＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、周期Ｔ２に対応する長さの期間Ｔ３におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と設定値Ｘ１との比較によって、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類の可否、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の可否を判定する。これにより、コンタクトチップ１３の種類の可否及びハンドトーチ１２の姿勢の可否の判定について、処理を簡易化しつつ、確実に判定を行うことができる。

また、レーザ溶接装置１では、レーザ光は、パルス光であり、ＡＥセンサ１５は、レーザ光の照射により発生してワーク２内を伝播したＡＥ波の振動強度を更に検出する。そして、制御部１６は、コンタクトチップ１３がワーク２に当接し、ハンドトーチ１２からパルス光が出射されているときに、ＡＥセンサ１５により検出したＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいてワーク２同士の間の隙間量の可否を判定する。これにより、ワーク２同士の間に許容量以上の隙間が形成されていることに起因する溶接不良の発生を抑制できる。

このような隙間量の異常は、ワーク２の平面度の不足により予め生じている場合もあれば、溶接部の形成に起因して事後的に生じることもある。レーザ溶接装置１では、隙間量の異常が予め生じている場合に、当該部分の溶接前に、隙間量の異常が生じていることを検出することが可能となる。この場合、例えば、当該部分に溶接不良が生じないように溶接することが可能となる。また、レーザ溶接装置１では、隙間量の異常が事後的に生じた場合に、隙間量の異常が生じたことを検出することが可能となる。この場合、隙間量の異常により溶接不良が生じたとしても、例えば再度の溶接により当該部分を補修することが可能となる。

また、レーザ溶接装置１では、判定部は、ＡＥセンサ１５により検出したＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、レーザ光の周期Ｔ１よりも長い期間Ｔ４におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値Ｘ２との比較によって、ワーク２同士の間の隙間量の可否を判定する。これにより、隙間量の可否の判定について、処理を簡易化しつつ、確実に判定を行うことができる。

また、レーザ溶接装置１では、溶接時に、振動素子１４によってコンタクトチップ１３に微細な振動を生じさせることで、コンタクトチップ１３をワーク２から断続的に離間させることができる。これにより、ワーク２の表面のバリ等に引っ掛かることによってコンタクトチップ１３の進行が阻害されることを抑制でき、ハンドトーチ１２の送り速度を安定化することが可能となる。また、コンタクトチップ１３に生じる振動によってワーク２とコンタクトチップ１３との間の摩擦が低減されるため、ハンドトーチ１２の送り易さを向上できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、第１判定処理は、溶接中ではなく溶接前に行われてもよい。この場合、振動素子１４のオンオフは、例えばハンドトーチ１２に設けられたスイッチによって手動にて切り替えられ、レーザ溶接装置１は、例えばワーク２とコンタクトチップ１３とが通電状態であってもレーザ光源１１によるレーザ光の出力を行わないモードを有する。そして、振動素子１４をオンとすると共にレーザ溶接装置１を当該モードとした状態で、ワーク２にコンタクトチップ１３を当接させることで、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類の可否、及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の可否を判定してもよい。この場合、溶接中には、振動素子１４がオフとされ、第２判定処理のみが行われてもよい。

また、第１判定処理及び第２判定処理には、期間Ｔ３における累積二乗和と設定値Ｘ１，Ｘ２との比較以外の判定手法を用いてもよい。例えば、正常状態の波形と異常状態の波形との形状の違いに基づく波形解析や、累積二乗和に代えて移動平均値を算出する手法等を用いてもよい。また、第１判定処理では、ハンドトーチ１２に取り付けられているコンタクトチップ１３の種類及びハンドトーチ１２のワーク２に対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定すればよく、いずれか一方の可否のみを判定してもよい。また、第１判定処理において、本来用いられるべきコンタクトチップ１３と溶接に用いられ得る他のコンタクトチップ１３との組み合わせは、上記の例に限られない。また、第２判定処理は行われなくてもよく、作業者が目視で隙間量の可否を確認してもよい。

また、振動素子１４は、圧電素子（ピエゾ素子）や超音波モータ等であってもよい。振動素子１４が圧電素子である場合、振動素子１４は、例えば０．０１×１０^−３秒〜０．０５×１０^−３秒の周期Ｔ２の振動（換言すれば、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの周波数の振動）を生じさせる。振動素子１４は、ハンドトーチ１２の外面に固定されていてもよく、あるいはコンタクトチップ１３に固定されていてもよい。

１…レーザ溶接装置、２…ワーク、１２…ハンドトーチ、１３…コンタクトチップ、１４…振動素子、１５…ＡＥセンサ、１６…制御部（判定部）、１７…ディスプレイ、１８…ケーブル、Ｐ１…接触位置。

Claims (4)

1. ワーク同士をレーザ溶接するレーザ溶接装置であって、
   前記レーザ溶接に用いられるレーザ光を出力するレーザ光源と、
   前記ワークに当接させられるコンタクトチップが取り付けられ、前記レーザ光源から出力された前記レーザ光を前記コンタクトチップを通して出射させるハンドトーチと、
   前記コンタクトチップが前記ワークに当接しているときに、前記コンタクトチップに所定周期の振動を生じさせる振動素子と、
   前記ワークに所定の接触位置において接触させられ、前記振動素子による前記コンタクトチップの振動により発生して前記ワーク内を伝播したＡＥ波の振動強度を前記接触位置において検出するＡＥセンサと、
   前記コンタクトチップが前記ワークに当接しているときに、前記ＡＥセンサにより検出されたＡＥ波の振動強度の時間変化波形に基づいて、前記ハンドトーチに取り付けられている前記コンタクトチップの種類及び前記ハンドトーチの前記ワークに対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定する判定部と、を備える、レーザ溶接装置。
2. 前記判定部は、前記時間変化波形に基づいて、前記所定周期に対応する長さの期間におけるＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値との比較によって、前記ハンドトーチに取り付けられている前記コンタクトチップの種類及び前記ハンドトーチの前記ワークに対する姿勢の少なくとも一方の可否を判定する、請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. 前記レーザ光は、パルス光であり、
   前記ＡＥセンサは、前記レーザ光の照射により発生して前記ワーク内を伝播したＡＥ波の振動強度を更に検出し、
   前記判定部は、前記コンタクトチップが前記ワークに当接し、前記ハンドトーチから前記レーザ光が出射されているときに、前記時間変化波形に基づいて前記ワーク同士の間の隙間量の可否を更に判定する、請求項１又は２記載のレーザ溶接装置。
4. 前記判定部は、前記時間変化波形に基づいて、前記レーザ光の周期よりも長い期間における前記ＡＥ波の振動強度の累積二乗和を算出し、算出した累積二乗和と所定の設定値との大きさの比較によって、前記ワーク同士の間の隙間量の可否を判定する、請求項３記載のレーザ溶接装置。
   

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