JP2018183798A - レーザー溶接ロボットの制御装置、レーザー溶接ロボット、レーザー溶接ロボットシステム、及びレーザー溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】凹部又は孔部を有する第１被溶接部材と、その凹部又は孔部に嵌合する第２被溶接部材とをレーザー溶接で接合する場合に、十分な溶接結果が得られる技術を提供する。【解決手段】レーザー溶接ロボットシステムは、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットシステムであり、レーザーヘッドと送り装置とを含むレーザー溶接ロボットと、制御装置と、を備える。制御装置は、レーザーヘッドをワークに対して第１方向に沿って相対移動させ、レーザーヘッドから射出されるレーザー光を第２方向に沿って往復で走査させ、第２方向におけるレーザー光の走査範囲において、走査範囲の端部では中央部よりもレーザー光の走査速度が低くなるようにレーザーヘッドを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザー溶接に関するものである。

特許文献１には、レーザー溶接方法が記載されている。一般に、レーザー溶接では、局所的に大きな熱が集中して加えられるので、その溶融部がいわゆるキーホール形状（逆円錐形状）となる。

特開２０１５−２１７４２２号公報

ところで、レーザー溶接の対象となる被溶接部材としては、様々な形状の物が存在し、被溶接部材の形状に応じた適切な溶接方法や溶接条件が設定される。しかしながら、凹部又は孔部を有する第１被溶接部材と、その凹部又は孔部に嵌合する第２被溶接部材とをレーザー溶接で接合する場合については、その溶接方法や溶接条件について十分な工夫がなされていないのが実情であった。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態（aspect）として実現することが可能である。

（１）本発明の第１の形態によれば、レーザー光を射出するレーザーヘッドと、前記レーザーヘッドをワークに対して相対的に移動させる送り装置と、を備え、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットの制御装置が提供される。前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能である。前記制御装置は、前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ、前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する。
この制御装置によれば、溶接線と交差する第２方向におけるレーザー光の走査範囲において、走査範囲の端部では中央部よりもレーザー光の走査速度が低くなるようにレーザーヘッドを制御するので、第２方向の走査範囲の端部においてレーザー光からワークに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部を形成することができる。この結果、第１被溶接部材の嵌合部の端部において、第１被溶接部材と第２被溶接部材を十分に溶接することが可能である。

（２）上記制御装置において、前記第１被溶接部材の前記嵌合部は、前記第１被溶接部材の厚みが、前記第２方向に沿った前記嵌合部の端部において前記嵌合部の中央部よりも大きくなる形状に形成されているものとしてもよい。
この制御装置によれば、第１被溶接部材の厚みが大きな嵌合部の端部において深い溶融部を形成することができるので、第１被溶接部材と第２被溶接部材を十分に溶接することが可能である。

（３）上記制御装置において、前記制御部は、前記送り装置による前記レーザーヘッドの移動と、前記レーザーヘッドにおける前記レーザー光の走査とによって、前記ワークの表面における前記レーザー光の走査軌跡が周期的形状となるように前記送り装置及び前記レーザーヘッドを制御するものとしてもよい。
この制御装置によれば、ワークの表面におけるレーザー光の走査軌跡が周期的形状となるので、第１被溶接部材の嵌合部の端部において第１被溶接部材と第２被溶接部材を更に確実に溶接することが可能である。

（４）上記制御装置において、前記周期的形状は正弦波形状であるものとしてもよい。
この制御装置によれば、正弦波の頂点付近においてレーザー光の走査速度が低くなるので、その部分でより深い溶融部を形成することができ、第１被溶接部材の嵌合部の端部において、第１被溶接部材と第２被溶接部材を更に確実に溶接することが可能である。

（５）上記制御装置において、前記周期的形状における前記第１方向に沿った周期の長さであるピッチは、０．２３ｍｍ以上であるものとしてもよい。
この制御装置によれば、０．２３ｍｍ以上のピッチを有する周期的形状の走査軌跡が形成されるので、良好な形状を有する溶融部を形成することができる。

（６）上記制御装置、は、前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って一定速度で相対移動させるものとしてもよい。
この制御装置によれば、簡単な制御によって、嵌合部を有する第１被溶接部材と嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とのレーザー溶接を適切に行うことが可能となる。

（７）上記制御装置は、前記レーザー光の出力を一定に維持しつつ、前記送り装置による前記レーザーヘッドの移動と、前記レーザーヘッドにおける前記レーザー光の走査とを実行するものとしてもよい。
この制御装置によれば、簡単な制御によって、嵌合部を有する第１被溶接部材と嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とのレーザー溶接を適切に行うことが可能となる。

（８）本発明の第２の形態によれば、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットが提供される。このレーザー溶接ロボットは；レーザー光を射出するレーザーヘッドと；前記溶接線に平行な第１方向に沿って前記レーザーヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる送り装置と；を備える。前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能である。前記レーザーヘッドは、前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動し、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ、前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザー光を走査する。
このレーザー溶接ロボットによれば、溶接線と交差する第２方向におけるレーザー光の走査範囲において、走査範囲の端部では中央部よりも走査速度が低くなるようにレーザー光を走査するので、第２方向の走査範囲の端部においてレーザー光からワークに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部を形成することができる。この結果、第１被溶接部材の嵌合部の端部において、第１被溶接部材と第２被溶接部材を十分に溶接することが可能である。

（９）上記レーザー溶接ロボットにおいて、前記送り装置は、前記ワークに対する前記レーザーヘッドの姿勢及び位置を変更可能なマニピュレーターであるものとしてもよい。
このレーザー溶接ロボットによれば、ロボットアームなどのマニピュレーターを用いてレーザーヘッドの姿勢の設定や送り制御を容易に実現できる。

（１０）本発明の第３の形態によれば、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットシステムが提供される。このレーザー溶接ロボットシステムは、レーザー光を射出するレーザーヘッドと、前記溶接線に平行な第１方向に沿って前記レーザーヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる送り装置と、を含むレーザー溶接ロボットと；前記レーザーヘッド及び前記送り装置を制御する制御装置と；を備える。前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能である。前記制御装置は、前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ；前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する。
このレーザー溶接ロボットシステムによれば、溶接線と交差する第２方向におけるレーザー光の走査範囲において、走査範囲の端部では中央部よりも走査速度が低くなるようにレーザーヘッドを制御するので、第２方向の走査範囲の端部においてレーザー光からワークに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部を形成することができる。この結果、第１被溶接部材の嵌合部の端部において、第１被溶接部材と第２被溶接部材を十分に溶接することが可能である。

（１１）本発明の第４の形態によれば、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、前記第１被溶接部材の前記表面に対してレーザーヘッドからレーザー光を照射しながら予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接方法が提供される。このレーザー溶接方法は、前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記溶接線に平行な第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第１方向と交差する第２方向に沿って往復で走査させる工程を備え、前記工程では、前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する。
このレーザー溶接方法によれば、溶接線と交差する第２方向におけるレーザー光の走査範囲において、走査範囲の端部では中央部よりもレーザー光の走査速度が低くなるようにレーザーヘッドを制御するので、第２方向の走査範囲の端部においてレーザー光からワークに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部を形成することができる。この結果、第１被溶接部材の嵌合部の端部において、第１被溶接部材と第２被溶接部材を十分に溶接することが可能である。

本発明は、上記以外の種々の形態で実現することも可能である。例えば、レーザー溶接装置やレーザー溶接方法の機能を実現するためのコンピュータプログラム、そのコンピュータプログラムを記録した一時的でない記録媒体（non-transitory storage medium）等の形態で実現することができる。

レーザー溶接装置の概念図。 ロボットと制御装置のブロック図。 第１実施形態のワークの断面図。 第１実施形態のワークの平面図。 第１実施形態におけるレーザー光の走査軌跡を示す説明図。 第１実施形態における溶融部の形状を示す断面図。 レーザー光の他の走査軌跡を示す説明図。 レーザー光の走査軌跡を比較して示す説明図。 走査軌跡のピッチと振幅の好ましい範囲を示すグラフ。 他の実施形態のワークの断面図。 更に他の実施形態のワークの断面図。 他の実施形態のワークの断面図。 他の実施形態のワークの断面図。

A. 第１実施形態：
図１は、一実施形態におけるレーザー溶接装置の概念図である。このレーザー溶接装置は、ロボット１００と、レーザー発振器２００と、位置決め機構３００と、制御装置５００と、を備えるレーザー溶接ロボットシステムである。図１には、互いに垂直な３つの方向Ｘ，Ｙ，Ｚが示されている。Ｘ方向とＹ方向は水平方向であり、Ｚ方向は鉛直方向である。他の図においても必要に応じてこれらの方向を図示している。

ロボット１００は、基台１２０と、マニピュレーターとしてのアーム１３０とを備えている。アーム１３０は、６つの関節Ｊ１〜Ｊ６で順次接続されている。これらの関節Ｊ１〜Ｊ６のうち、３つの関節Ｊ２，Ｊ３，Ｊ５は曲げ関節であり、他の３つの関節Ｊ１，Ｊ４，Ｊ６はねじり関節である。関節Ｊ１〜Ｊ６に設けられたアクチュエーター（図示省略）の制御は、制御信号線１８２を介して制御装置５００から供給される制御信号に応じて実行される。

アーム１３０の先端部であるアームエンド１３２には、エンドエフェクターとしてのレーザーヘッド２１０が装着されている。アームエンド１３２の関節Ｊ６の回転軸上の所定位置を「ツールセンターポイントＴＣＰ」と呼ぶ。ツールセンターポイントＴＣＰの位置は、ロボット１００の手先位置として使用可能である。なお、本実施形態では６軸ロボットを例示しているが、１個以上の関節を有する任意のアーム機構を有するロボットを用いることが可能である。

レーザーヘッド２１０は、光ファイバー２２０を介してレーザー発振器２００と接続されている。レーザー発振器２００で発生したレーザー光は、光ファイバー２２０を介してレーザーヘッド２１０に供給される。レーザー発振器２００としては、例えばファイバーレーザーや、ＹＡＧレーザー、ＣＯ_２レーザー、半導体レーザーなどの各種のレーザー源を使用可能である。

レーザーヘッド２１０は、レーザー光の射出方向を変えることによってレーザー光を走査させる機能を有している。このようなレーザー光の走査は、例えば、レーザーヘッド２１０内の光路上に配置されたミラーを揺動させることによって実現可能である。レーザーヘッド２１０におけるレーザー光の走査は、制御信号線１８６を介して制御装置５００から供給される制御信号に応じて実行される。なお、レーザーヘッド２１０には、アルゴンや窒素などのシールドガスも供給されているが、図１では図示が省略されている。

位置決め機構３００は、テーブル３１０上に載置されたワーク４００を、Ｘ方向とＹ方向の２軸方向に移動させることが可能な２軸ポジショナーである。位置決め機構３００の制御は、制御信号線１８４を介して制御装置５００から供給される制御信号に応じて実行される。ロボット１００は、ワーク４００に対するレーザーヘッド２１０の姿勢や位置を任意に変更可能である。ロボット１００と位置決め機構３００は、レーザーヘッド２１０をワーク４００に対して相対的に移動させる送り装置として機能する。なお、ロボット１００と位置決め機構３００のうちの一方は省略可能である。第１実施形態では、レーザーヘッド２１０をワーク４００に対して相対的に移動させる送り動作は、ロボット１００によって実行する。従って、位置決め機構３００を省略してもよい。このように、ロボット１００を用いてレーザーヘッド２１０の送り装置を構成すれば、レーザーヘッド２１０の姿勢の設定や送り制御を容易に実現できる。

図２は、ロボット１００と制御装置５００のブロック図である。ロボット１００は、アーム１３０とレーザーヘッド２１０の他に、アーム１３０の関節を駆動するための位置決め機構１４０を有している。位置決め機構１４０は、図示しないアクチュエーターと、位置センサ等を含んでいる。制御装置５００は、マイクロプロセッサ等で構成される処理装置５１０と、記憶部５２０とを有している。記憶部５２０は、ＲＡＭで構成された一時記憶装置と、不揮発性記憶装置とを含んでいる。不揮発性記憶装置には、ロボット１００を制御するための動作プログラムが記憶される。

図３は、第１実施形態のワーク４００ａの断面図である。このワーク４００ａは、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａとを含んでいる。第１被溶接部材４１０ａは、第１表面４１１ａと、これとは反対側の第２表面４１２ａとを有する平板状の部材である。第２表面４１２ａには、凹部である嵌合部４１４ａが形成されている。換言すれば、第１被溶接部材４１０ａでは、その第１表面４１１ａの下に嵌合部４１４ａが形成されている。第１実施形態における嵌合部４１４ａの断面形状は、半円形である。なお、円弧状のような滑らかな曲線で構成される断面形状を「Ｒ形状」とも呼ぶ。第２被溶接部材４２０ａは、嵌合部４１４ａに嵌合する形状を有する。第１実施形態では、第２被溶接部材４２０ａは断面円形の形状を有する棒状部材である。嵌合部４１４ａは、第１被溶接部材４１０ａの厚み（Ｚ方向の寸法）に関して、Ｙ方向における嵌合部４１４ａの端部における厚みが嵌合部４１４ａの中央部における厚みよりも大きくなる形状に形成されている。なお、Ｙ方向における嵌合部４１４ａの幅Ｗ４１４は、第２表面４１２ａにおける嵌合部４１４ａの開口の寸法である。

なお、図３の説明において、ワーク４００ａ及びワーク４００ａを構成する各部の符号の末尾に付された小文字の「ａ」は、第１実施形態における具体的な形状例であることを示すために付された追加的な符号である。このような追加的な符号が不要な場合には、「ａ」を省略して説明する。後述する他の実施形態における符号「ｂ」「ｃ」等も同様である。

ワーク４００ａを構成する第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａは、例えばＳＥＣＣ（電気亜鉛めっき鋼板）やステンレス鋼等の各種の鋼板や、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル基耐熱合金などの各種の金属材料で形成することができる。

ワーク４００ａをレーザー溶接する際には、図３に示すように、第１被溶接部材４１０ａの嵌合部４１４ａとは反対側の第１表面４１１ａに対してレーザー光ＬＬを照射することが可能なようにレーザーヘッド２１０が配置される。レーザーヘッド２１０は、Ｙ方向に沿ってレーザー光ＬＬを走査させることが可能である。レーザー光ＬＬの強度は、ワーク４００ａを構成する部材の材質に応じて適宜設定される。例えばアルミニウムやアルミニウム合金で形成されたワークは、レーザー光ＬＬの反射率が高く、また、熱伝導率が高いので、鋼材で形成されたワークに比べて高いレーザー光強度が必要である。

図４は、第１実施形態のワーク４００ａの平面図である。ワーク４００ａの表面には、溶接線ＷＬが設定されている。本明細書において、「溶接線ＷＬ」とは、その線に沿ってレーザー溶接が行われる予定の線を意味する。通常は、溶接ビードの中心が、溶接線ＷＬに一致するように溶接が行われる。

この図４は、ワーク４００ａを第１被溶接部材４１０ａの第１表面４１１ａ（図３）の上方から観察した状態である。従って、第２被溶接部材４２０ａは、第１被溶接部材４１０ａの下に隠れている。溶接線ＷＬは、嵌合部４１４ａの中央の位置の真上を走っている。なお、図４の例では溶接線ＷＬは直線であるが、曲線としてもよい。レーザー溶接時には、送り装置としてのロボット１００は、溶接線ＷＬに平行なＸ方向（第１方向）に沿ってレーザーヘッド２１０をワーク４００ａに対して相対的に移動させる。なお、図３で説明したように、レーザーヘッド２１０は、Ｙ方向に沿ってレーザー光ＬＬを走査させることが可能である（図３）。このＹ方向（第２方向）は、溶接線ＷＬに平行なＸ方向（第１方向）と交差する方向である。なお、本明細書において、２つの方向が「交差する」とは、２つの方向が平行でないことを意味する。

図５は、第１実施形態におけるレーザー光ＬＬの走査軌跡ＳＬａを示す説明図である。制御装置５００は、溶接線ＷＬに平行なＸ方向（第１方向）に沿って、レーザーヘッド２１０をワーク４００ａに対して相対移動させ、レーザーヘッド２１０から射出されるレーザー光ＬＬ（図３）をＸ方向と交差するＹ方向（第２方向）に沿って往復で走査させる。この結果、図５に示すように、ワーク４００ａの表面上に、周期的形状を有する走査軌跡ＳＬａが形成される。第１実施形態の走査軌跡ＳＬａは、正弦波形状である。

第１実施形態において、制御装置５００は、レーザーヘッド２１０をワーク４００ａに対してＸ方向（第１方向）に沿って一定速度で相対移動させている。このとき、図５のような正弦波状の走査軌跡ＳＬａを形成するために、制御装置５００は、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２においてレーザー光ＬＬのＹ方向の走査速度を逆転させる。従って、レーザー光ＬＬのＹ方向の走査速度は、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２に近づくに従って減少し、走査軌跡ＳＬａのピークにおいて走査速度がゼロになった後に、反対向きに走査速度が上昇する、という変化を繰り返す。換言すれば、制御装置５００は、Ｙ方向（第２方向）におけるレーザー光ＬＬの走査範囲において、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２では、走査範囲の中央部よりも走査速度が低くなるようにレーザーヘッド２１０を制御する。従って、レーザー光ＬＬの出力をほぼ一定に維持したままで図５のような走査軌跡ＳＬａでレーザー光ＬＬを走査すれば、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２では、レーザー光ＬＬからワーク４００ａに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部を形成することができる。

なお、走査軌跡ＳＬａの周期的形状のピッチＰｓは、例えば、０．１ｍｍ以上０．６ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。ピッチＰｓの最小値は、０．２３ｍｍ以上とすることが特に好ましい。また、ピッチＰｓの最大値は、０．５ｍｍ以下とすることが特に好ましい。このようなピッチＰｓを有する周期形状の走査軌跡ＳＬａを形成するように溶接を行えば、溶融部をＸ方向（第１方向）に沿って連続して形成することができる。また、走査軌跡ＳＬａの周期的形状のＹ方向（第２方向）の振幅Ｗｓは、例えば、嵌合部４１４ａの幅Ｗ４１４の±１ｍｍ以内の範囲とすることが好ましい。こうすれば、嵌合部４１４ａの端部において、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを更に確実に溶接することが可能である。ピッチＰｓの好ましい範囲については更に後述する。

図６は、第１実施形態における溶融部ＭＡの形状を示す断面図である。溶融部ＭＡは、砂地のハッチングを付した部分である。この溶融部ＭＡは、鞍型の形状を有する。すなわち、溶融部ＭＡは、嵌合部４１４ａの両端部において第１被溶接部材４１０ａの第１表面４１１ａからの深さが大きく、嵌合部４１４ａの中央部において深さが小さくなるように形成されている。この結果、溶融部ＭＡの下部が、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａの境界（すなわち嵌合部４１４ａの形状）に沿った形状となるので、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを良好に溶接することが可能である。

このように、第１実施形態では、溶接線ＷＬと交差する第２方向（Ｘ方向）におけるレーザー光ＬＬの走査範囲において、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２では走査範囲の中央部よりもレーザー光ＬＬの走査速度が低くなるようにレーザーヘッド２１０を制御するので、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２においてレーザー光ＬＬからワーク４００ａに供給されるエネルギーが大きくなり、より深い溶融部ＭＡを形成することができる。この結果、第１被溶接部材４１０ａの嵌合部４１４ａの端部において、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを十分に溶接することが可能である。

第１実施形態では、更に、第１被溶接部材４１０ａの嵌合部４１４ａは、第１被溶接部材４１０ａの厚みが、第２方向（Ｙ方向）に沿った嵌合部４１４ａの端部において嵌合部４１４ａの中央部よりも大きくなる形状に形成されている。従って、第１被溶接部材４１０ａの厚みが大きな嵌合部４１４ａの端部において深い溶融部ＭＡを形成することができるので、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを十分に溶接することが可能である。

なお、第１実施形態では、送り装置としてのロボット１００によってレーザーヘッド２１０をＸ方向（第１方向）に移動させ、レーザーヘッド２１０におけるレーザー光ＬＬの走査によってワーク４００ａの表面上においてレーザー光ＬＬをＹ方向（第２方向）に沿って移動させるようにしていたが、これ以外の動作によって、レーザー光ＬＬの周期的な走査軌跡ＳＬａを実現するようにしてもよい。すなわち、制御装置５００は、送り装置によるレーザーヘッド２１０の移動と、レーザーヘッド２１０におけるレーザー光ＬＬの走査とによって、ワーク４００ａの表面におけるレーザー光ＬＬの走査軌跡ＳＬａが周期的形状となるように、送り装置及びレーザーヘッド２１０を制御することが好ましい。こうすれば、ワーク４００ａの表面におけるレーザー光ＬＬの走査軌跡ＳＬａを周期的形状とすることができるので、第１被溶接部材４１０ａの嵌合部４１４ａの端部において、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを更に確実に溶接することが可能である。

このような動作の際に、レーザーヘッド２１０をワーク４００ａに対して第１方向（Ｘ方向）に沿って一定速度で相対移動させることが好ましい。また、レーザー光ＬＬの出力を一定に維持しつつ、送り装置によるレーザーヘッド２１０の移動と、レーザーヘッド２１０におけるレーザー光ＬＬの走査とを実行するようにしてもよい。これらの構成では、簡単な制御によって、嵌合部４１４ａを有する第１被溶接部材４１０ａと嵌合部４１４ａに嵌合する第２被溶接部材４２０ａとのレーザー溶接を適切に行うことが可能となる。但し、第１方向（Ｘ方向）に沿った相対移動の速度を変化させるようにしてもよい。また、レーザー光ＬＬの出力を、第２方向（Ｙ方向）の走査範囲の端部において中央部よりも増大させるようにしてもよい。

B. 他の実施形態：
図７は、レーザー光の他の走査軌跡ＳＬｂを示す説明図であり、第１実施形態の図５に対応する図である。なお、図１に示した装置構成や、図３及び図４に示したワーク４００ａの構成は第１実施形態と同じなので、説明を省略する。

図７の走査軌跡ＳＬｂは、矩形波状の形状を有している。この走査軌跡ＳＬｂは、周期的形状を有する点で、図５の走査軌跡ＳＬａと共通している。走査軌跡ＳＬｂの周期的形状のピッチＰｓと振幅Ｗｓは、第１実施形態と同様の範囲にそれぞれ設定することが好ましい。この走査軌跡ＳＬｂに沿ってレーザー光ＬＬを走査する際に、制御装置５００は図５と同様に、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２では走査範囲の中央部よりも走査速度が低くなるようにレーザーヘッド２１０を制御することが好ましい。こうすれば、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２においてレーザー光ＬＬからワーク４００ａに供給されるエネルギーが大きくなり、図６で説明した第１実施形態と同様に、嵌合部４１４ａの端部において深い溶融部ＭＡを形成することができる。

なお、走査軌跡ＳＬの周期的形状としては、図５に示した正弦波形状や、図７に示した矩形波形状以外の他の形状を採用することも可能である。例えば、走査軌跡ＳＬとして、三角波形状を採用するようにしてもよい。

図８は、レーザー光の走査軌跡を比較して示す説明図である。ここでは、三角波と正弦波と矩形波の３種類の走査軌跡について、ワーク４００上の光スポットの移動の様子と、溶融部の断面写真とを示している。三角波の走査軌跡は、１周期当たり２箇所の加減速領域が形成されるだけであり、その断面写真に示すように、溶融部ＭＡの両端部があまり深く形成されていない。正弦波の走査軌跡は、１周期当たり４箇所の加減速領域が形成されており、その断面写真に示すように、溶融部ＭＡの両端部がかなり深い略逆三角形となり、溶融部ＭＡの全体が明瞭な鞍型形状を呈している。矩形波の走査軌跡においても、１周期当たり４箇所の加減速領域が形成されており、その断面写真に示すように、溶融部ＭＡの全体が明瞭な鞍型形状を呈している。このような溶融部の断面形状から考えると、走査軌跡としては、三角波よりも、正弦波や矩形波の形状を採用することが好ましい。

なお、本願の発明者の実験によれば、正弦波状の走査軌跡を採用した場合に、他の形状の走査軌跡よりも溶接強度を高くすることができることが判明した。この理由は、正弦波状の走査軌跡では、正弦波の頂点付近においてレーザー光ＬＬの走査速度が十分に低くなるので、その部分でより深い溶融部を形成することができ、第１被溶接部材４１０ａの嵌合部４１４ａの端部において、第１被溶接部材４１０ａと第２被溶接部材４２０ａを更に確実に溶接することができるからであると推定される。なお、走査軌跡は、途中で途切れることの無い「一筆書き(traversable)」の軌跡とすることが好ましい。

図９は、走査軌跡のピッチＰｓと振幅Ｗｓの好ましい範囲を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は走査軌跡のピッチＰｓであり、縦軸は振幅Ｗｓである。走査軌跡の形状としては、正弦波形状を採用した。白丸のプロット点は、白三角のプロット点よりも良好な鞍型形状を有する溶融部が形成されていた条件である。ここで、「良好な鞍型形状」とは、溶融部の両端部に略逆三角形の部分が明瞭に形成されていることを意味している。この結果を考慮すると、走査軌跡のピッチＰｓを０．２３ｍｍ以上に設定することが好ましい。ピッチＰｓの上限値は、０．６ｍｍ以下とすることが好ましく、０．５ｍｍ以下とすることが更に好ましい。こうすれば、良好な形状を有する溶融部を形成することができる。

なお、ワーク４００としては、図３及び図４に説明した形状のワーク４００ａ以外の種々の形状のワーク４００を溶接対象として使用可能である。

図１０は、他の実施形態のワーク４００ｂの断面図である。このワーク４００ｂの第１被溶接部材４１０ｂは、第１表面４１１ｂと第２表面４１２ｂとを有する板状部材である。第１表面４１１ｂと第２表面４１２ｂの間には、断面円形の孔部である嵌合部４１４ｂが形成されている。すなわち、この第１被溶接部材４１０ｂにおいても、その第１表面４１１ｂの下に嵌合部４１４ｂが形成されている。なお、この嵌合部４１４ｂの断面形状も、「Ｒ形状」の一種である。第２被溶接部材４２０ｂは、嵌合部４１４ｂに嵌合する断面円形の棒状部材である。なお、Ｙ方向における嵌合部４１４ｂの幅Ｗ４１４は、嵌合部４１４ｂの内径である。このワーク４００ｂの溶接では、第１被溶接部材４１０ｂの第１表面４１１ｂと第２表面４１２ｂの両方からレーザー光ＬＬが照射される。なお、第１表面４１１ｂと第２表面４１２ｂにおけるレーザー溶接は、片面ずつ行うようにしてもよく、あるいは両面同時に行うようにしてもよい。この実施形態においても、第１実施形態とほぼ同様の効果を奏することが可能である。

図１１は、更に他の実施形態のワーク４００ｃの断面図である。このワーク４００ｃの第１被溶接部材４１０ｃは、第１表面４１１ｃと、これとは反対側の第２表面４１２ｃとを有する板状部材である。第２表面４１２ｃには、凹部である嵌合部４１４ｃが形成されている。この嵌合部４１４ｃは、その頂部（第１表面４１１ｃに最も近い部分）は、図３に示した第１実施形態の嵌合部４１４ａと同様に、円弧状の形状（すなわち半円柱面）を有する。この嵌合部４１４ｃの断面形状も、「Ｒ形状」の一種である。第２被溶接部材４２０ｃは、嵌合部４１４ｃに嵌合する断面円形の先端部を有する棒状部材である。なお、Ｙ方向における嵌合部４１４ｃの幅Ｗ４１４は、第２表面４１２ｃにおける嵌合部４１４ｃの開口の寸法である。このワーク４００ｃの溶接では、第１実施形態と同様に、第１被溶接部材４１０ｃの第１表面４１１ｃ側からレーザー光ＬＬが照射される。この実施形態においても、第１実施形態とほぼ同様の効果を奏することが可能である。

図１２は、更に他の実施形態のワーク４００ｄの断面図である。このワーク４００ｄの第１被溶接部材４１０ｄは、第１表面４１１ｄと、これとは反対側の第２表面４１２ｄとを有する板状部材である。第２表面４１２ｄには、凹部である嵌合部４１４ｄが形成されている。この嵌合部４１４ｄは、矩形状の断面形状を有する。第２被溶接部材４２０ｄは、嵌合部４１４ｄに嵌合する矩形状の断面形状を有する棒状部材である。なお、Ｙ方向における嵌合部４１４ｄの幅Ｗ４１４は、第２表面４１２ｄにおける嵌合部４１４ｄの開口の寸法である。このワーク４００ｄの溶接では、第１実施形態と同様に、第１被溶接部材４１０ｄの第１表面４１１ｄ側からレーザー光ＬＬが照射される。この実施形態においても、第１実施形態とほぼ同様の効果を奏することが可能である。但し、図１２に示すワーク４００ｄでは、上述した他の実施形態のワーク４００に比べて、Ｙ方向（第２方向）における第１被溶接部材４１０ｄの厚みが、嵌合部４１４ｄの両端近傍において急激に変化している。従って、図１２に示すワーク４００ｄの溶接を行う際には、走査範囲の端部ＥＰ１，ＥＰ２（図５，図７）において、（ｉ）レーザー光ＬＬのＹ方向の走査速度を更に低下させること、及び、（ｉｉ）レーザー光ＬＬの強度を他の位置よりも高めること、の少なくとも一方を採用することが好ましい。こうすれば、嵌合部４１４ｄの両端近傍においてより深い溶融部を形成することが可能である。

図１３は、更に他の実施形態のワーク４００ｅの断面図である。このワーク４００ｅの第１被溶接部材４１０ｅは、第１表面４１１ｅと、これとは反対側の第２表面４１２ｅとを有する板状部材である。第２表面４１２ｅには、凹部である嵌合部４１４ｅが形成されている。この嵌合部４１４ｅは、多角形状（より具体的には台形状）の断面形状を有する。第２被溶接部材４２０ｅは、嵌合部４１４ｅに嵌合する多角形状の断面形状を有する棒状部材である。なお、Ｙ方向における嵌合部４１４ｅの幅Ｗ４１４は、第２表面４１２ｅにおける嵌合部４１４ｅの寸法である。このワーク４００ｅの溶接では、第１実施形態と同様に、第１被溶接部材４１０ｅの第１表面４１１ｅ側からレーザー光ＬＬが照射される。

以上の各種の実施形態から理解できるように、嵌合部４１４の断面形状としては、Ｒ形状（図３，図１０，図１１）に限らず、多角形状（図１２，図１３）や、その他の任意の形状を採用することが可能である。これらの各種のワーク４００に対してレーザー溶接を行う場合にも、図５及び図７を用いて説明したように、周期的形状を有する走査軌跡ＳＬに沿ってレーザー光ＬＬを走査することが好ましい。また、第１被溶接部材４１０の嵌合部４１４の形状としては、嵌合部４１４の端部における第１被溶接部材４１０の厚みが、嵌合部４１４の中央部における第１被溶接部材４１０の厚みよりも大きくなる形状に形成することが好ましい。こうすれば、第１被溶接部材４１０の厚みが大きな嵌合部４１４の端部において深い溶融部を形成することができるので、第１被溶接部材４１０と第２被溶接部材４２０を十分に溶接することが可能である。

・変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

・変形例１：
上述した各種の実施形態では、第１被溶接部材４１０は、平板状の部材であるものとしたが、これ以外の任意の形状の部材を使用することが可能である。

本発明は、上述の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１００…ロボット、１２０…基台、１３０…アーム、１３２…アームエンド、１８２，１８４，１８６…制御信号線、２００…レーザー発振器、２１０…レーザーヘッド、２２０…光ファイバー、３００…位置決め機構、４００，４００ａ〜４００ｅ…ワーク、４１０，４１０ａ〜４１０ｅ…第１被溶接部材、４１１ａ〜４１１ｅ…第１表面、４１２ａ〜４１２ｅ…第２表面、４１４，４１４ａ〜４１４ｅ…嵌合部、４２０，４２０ａ〜４２０ｅ…第２被溶接部材、５００…制御装置

Claims (11)

1. レーザー光を射出するレーザーヘッドと、前記レーザーヘッドをワークに対して相対的に移動させる送り装置と、を備え、表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットの制御装置であって、
   前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能であり、
   前記制御装置は、
   前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ、
   前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置であって、
   前記第１被溶接部材の前記嵌合部は、前記第１被溶接部材の厚みが、前記第２方向に沿った前記嵌合部の端部において前記嵌合部の中央部よりも大きくなる形状に形成されている、制御装置。
3. 請求項１又は２に記載の制御装置であって、
   前記送り装置による前記レーザーヘッドの移動と、前記レーザーヘッドにおける前記レーザー光の走査とによって、前記ワークの表面における前記レーザー光の走査軌跡が周期的形状となるように前記送り装置及び前記レーザーヘッドを制御する、制御装置。
4. 請求項３に記載の制御装置であって、
   前記周期的形状は正弦波形状である、制御装置。
5. 請求項３又は４に記載の制御装置であって、
   前記周期的形状における前記第１方向に沿った周期の長さであるピッチは、０．２３ｍｍ以上である、制御装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の制御装置であって、
   前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って一定速度で相対移動させる、制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の制御装置であって、
   前記レーザー光の出力を一定に維持しつつ、前記送り装置による前記レーザーヘッドの移動と、前記レーザーヘッドにおける前記レーザー光の走査とを実行する、制御装置。
8. 表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットであって、
   レーザー光を射出するレーザーヘッドと、
   前記溶接線に平行な第１方向に沿って前記レーザーヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる送り装置と、
   を備え、
   前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能であり、
   前記レーザーヘッドは、前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動し、
   前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ、
   前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザー光を走査する、レーザー溶接ロボット。
9. 請求項８に記載のレーザー溶接ロボットであって、
   前記送り装置は、前記ワークに対する前記レーザーヘッドの姿勢及び位置を変更可能なマニピュレーターである、レーザー溶接ロボット。
10. 表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接ロボットシステムであって、 レーザー光を射出するレーザーヘッドと、前記溶接線に平行な第１方向に沿って前記レーザーヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる送り装置と、を含むレーザー溶接ロボットと、
    前記レーザーヘッド及び前記送り装置を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記レーザーヘッドは、前記第１被溶接部材の前記表面に対して前記レーザー光を照射することが可能に配置されるとともに、前記溶接線に平行な第１方向と交差する第２方向に沿って前記レーザー光を走査させることが可能であり、
    前記制御装置は、
    前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第２方向に沿って往復で走査させ、
    前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する、レーザー溶接ロボットシステム。
11. 表面下に凹部又は孔部である嵌合部を有する第１被溶接部材と前記嵌合部に嵌合する第２被溶接部材とを含むワークを、前記第１被溶接部材の前記表面に対してレーザーヘッドからレーザー光を照射しながら予め設定された溶接線に沿って溶接するレーザー溶接方法であって、
    前記レーザーヘッドを前記ワークに対して前記溶接線に平行な第１方向に沿って相対移動させ、前記レーザーヘッドから射出される前記レーザー光を前記第１方向と交差する第２方向に沿って往復で走査させる工程を備え、
    前記工程では、前記第２方向における前記レーザー光の走査範囲において、前記走査範囲の端部では、前記走査範囲の中央部よりも前記レーザー光の走査速度が低くなるように前記レーザーヘッドを制御する、レーザー溶接方法。