JP2755071B2 - レーザ溶接の品質管理方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ溶接の品質管理
方法に関し、特に溶接部での溶け込み状態を管理する方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】重ね継手のレーザ溶接において、その溶
け込み状態を管理する方法としては、溶け込み状態その
ものを定量的に把握することが困難であるために、レー
ザ光を被溶接物の裏面側まで貫通させてその光量変化を
センサでとらえて管理するのが最も信頼性が高いとされ
ている。

【０００３】図６はその従来の管理方法の一例を示す図
で、互いに重ね合わせた被溶接物Ｗ₁，Ｗ₂に対しレーザ
発振器１から出力されたレーザ光Ｌをレンズ等の集光光
学系２で集光した上で照射し、被溶接物Ｗ₁，Ｗ₂とレー
ザ光Ｌとを所定速度で相対移動させながら溶接を行う一
方、被溶接物Ｗ₂の裏面側にはその溶接部Ｂを指向する
フォトトランジスタ等のセンサ３を配置し、その被溶接
物Ｗ₂の裏面側に及ぶレーザ光Ｌの光量変化をセンサ３
で監視するものである。なお、センサ３の検出出力は信
号処理装置４で処理される。

【０００４】そして、溶接時の初期条件として、レーザ
光Ｌが被溶接物Ｗ₂の裏面側まで貫通してその溶接部Ｂ
の溶け込み深さが被溶接物Ｗ₂の裏面側にまで及ぶよう
にレーザ出力や溶接速度等の溶接条件を予め設定し、溶
接中は被溶接物Ｗ₂の裏面に貫通したレーザ光Ｌをセン
サ３でとらえて、そのセンサ３でとらえたレーザ光Ｌの
光量が所定の値となるように信号処理装置４から図示外
の溶接速度制御部やレーザ出力制御部に対してフィード
バックをかけるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図７に示した溶接継手
の溶接強度についてみた場合、その溶接強度は二枚の被
溶接物Ｗ₁，Ｗ₂同士の境界面でのビード幅寸法Ｅに大き
く依存し、必要以上に溶け込み深さを大きくしてもそれ
ほど溶接強度の向上にはつながらないことが知られてい
る。

【０００６】これに対して、図６に示した従来の溶接法
では、溶接部Ｂの溶け込み状態を管理する上でレーザ光
Ｌを被溶接物Ｗ₂の裏側まで貫通させることが必要不可
欠であることから、たとえ溶接強度の上では過剰ではあ
っても上記のようにレーザ光Ｌを貫通させると必然的に
その溶接部Ｂの溶け込みが被溶接物Ｗ₂の裏面まで及ぶ
ことになる。したがって、この過剰な溶け込み深さの確
保のために生産性が低下するとともに、エネルギーの無
駄を伴うことになる。

【０００７】本発明は以上のような課題に着目してなさ
れたもので、溶接長さの一部のみでレーザ光を被溶接物
の裏面まで貫通させることでその溶け込み状態を管理し
て、溶接長さの全長にわたって溶接品質上必要十分な溶
け込み深さとなることを保証できるようにした方法を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、溶接開始後の
初期もしくは末期において、前記溶接部の実効溶接エネ
ルギー密度が徐々に変化するように溶接速度およびレー
ザ出力のうちのいずれか一方の溶接条件を連続的に変化
させ、その溶接条件の連続的な変化に伴う溶け込み深さ
の変化を、前記被溶接物の裏面側に貫通するレーザビー
ムの光量変化としてその被溶接物の裏面に向けて配置し
たセンサにより監視し、前記レーザ光が被溶接物の裏面
まで貫通しなくなった時もしくは貫通し始めた時の現在
の溶接条件データを求めた上、その現在の溶接条件デー
タをもとに溶接部の溶け込みが被溶接物の裏面側まで及
ばないまでも現在溶接中の被溶接物について品質上必要
十分な溶け込み深さとなり得る効率的溶接条件データを
算出し、この算出した効率的溶接条件データを以降の溶
接時の溶接条件指令として出力することを特徴としてい
る。

【０００９】

【作用】この方法によると、溶接動作の初期もしくは末
期の一部分では効率あるいは経済性を度外視した溶接条
件のもとでその溶接条件を連続的に変化させて溶接を行
い、レーザ光が被溶接物の裏面側まで貫通しなくなる
か、もしくは貫通し始める限界に達した時点でその時点
の現在の溶接条件データを求める。そして、この現在の
溶接条件データをもとに所定の演算を行って効率的溶接
条件データを算出し、以降はその効率的溶接条件データ
のもとで溶接を行うことにより、溶接部の溶け込みが被
溶接部の裏面側まで及ばないものの現在溶接中の被溶接
物について溶接品質上必要十分な溶け込み深さが保証さ
れる。

【００１０】

【実施例】図２は本発明の一実施例を示す構成説明図
で、被溶接物Ｗ₁，Ｗ₂とレーザ発振器１およびセンサ３
等の相互関係は図６に示したものと同様である。前記被
溶接物Ｗ₁，Ｗ₂は加工テーブル５に予め位置決め固定さ
れており、加工テーブル５にはモータ６により所定の溶
接速度で送りが与えられる。

【００１１】図３に示すように、レーザ溶接時のレーザ
出力については、その溶接開始から溶接終了時点まで所
定の一定の値に維持されるのに対して、溶接速度につい
ては溶接開始後の初期段階で連続的に変化する低速の初
期溶接速度Ｖａとそれ以外の一般部の一般部溶接速度Ｖ
ｂとの二段階に分けて与えられる。初期溶接速度指令Ｖ
ａは図２の初期溶接速度信号発生回路７から与えられる
に対して、一般部溶接速度Ｖｂは比較演算回路８から与
えられ、これらの初期溶接速度指令Ｖａと一般部溶接速
度指令Ｖｂとは同じく図２の切換回路９によって選択的
に切り換えられて加工テーブル５のモータ６に付与され
る。

【００１２】一方、前記センサ３の出力は信号処理回路
１０を経て比較回路１１，１２に取り込まれ、さらに一
方の比較回路１１の出力は切換回路９とサンプルホール
ド回路１３とに付与される。前記切換回路９では比較回
路１１の出力が切換信号として付与されることにより、
モータ６に与えるべき速度指令を初期溶接速度指令Ｖａ
から一般部溶接速度指令Ｖｂへと切り換えるはたらきを
する。また、前記サンプルホールド回路１３では比較回
路１１からの出力の出力タイミングで、それまで初期溶
接速度信号発生回路７から与えられていた初期溶接速度
Ｖａの現在の速度をホールドした上で比較演算回路８に
出力する。

【００１３】前記比較演算回路８の前段の基準溶接条件
データ設定部１４には、図４に示すように溶接部Ｂの溶
け込み深さと溶接速度との関係を規定する複数の実効レ
ーザエネルギー密度（実効溶接エネルギー密度）特性Ｅ
₁…Ｅｎの特性データが予め個別に記憶設定されてい
る。そして、後述するように、前記サンプルホールド回
路１３でホールドされた初期溶接速度Ｖａの現在の速度
データが比較演算回路８に入力されると、比較演算回路
８では前記基準溶接条件データ設定部１４のデータを参
照しながら、その後の一般部の溶接に際してその溶接部
Ｂでの溶け込みが被溶接物Ｗ₂の裏側まで及ばないまで
も溶接品質上必要十分な溶け込み深さとなる一般部溶接
速度Ｖｂの値を算出し、これを以降の溶接のための効率
的溶接条件データとして出力することになる。

【００１４】次に、図２の構成のもとで溶け込み深さの
管理手順を図１のフローチャートを参照しながら説明す
る。

【００１５】溶接開始時には、図３の（Ａ）にも示すよ
うにレーザ発振器１を一定の出力で発振させて被溶接物
Ｗ₁，Ｗ₂に対してレーザ光Ｌを照射する一方（図１のス
テップＳ１）、同図（Ｂ）に示すように初期溶接速度信
号発生回路７から切換回路９を通してモータ６に初期溶
接速度指令Ｖａを出力して、被溶接物Ｗ₁，Ｗ₂が固定さ
れた加工テーブル５に送りを与える（図５のステップＳ
２）。そして、前記溶接部Ｂを被溶接物Ｗ₂の裏面側か
らセンサ３で監視する。

【００１６】この時の初期溶接速度Ｖａは図３に示すパ
ターンで与えられ、その初期溶接速度区間ｆの中期から
末期にかけてはその速度Ｖａが連続的に上昇するもの
の、初期溶接速度区間ｆの当初は極低速の溶接速度で送
りが与えられる。これは、溶接開始直後からレーザ光Ｌ
を被溶接物Ｗ₂の裏面まで貫通させるべく、レーザ光Ｌ
による実効溶接エネルギー密度すなわち実効溶接エネル
ギー密度を高めるためである。

【００１７】前記レーザ光Ｌが被溶接物Ｗ₂の裏面まで
貫通すると、そのレーザ光Ｌを被溶接物Ｗ₂の裏面側か
らセンサ３がとらえ、そのセンサ３の出力が図２のしき
い値設定部１５に予め設定されてしきい値ｅを越えてい
るかぎり図３の（Ｂ）の初期溶接速度パターンのもとで
少しずつ初期溶接速度を上昇させる（図５のステップＳ
３，Ｓ４，Ｓ５）。

【００１８】なお、溶接開始後、所定時間を経過しても
なおもセンサ３の出力がしきい値ｅ以下である場合に
は、例えばレーザ光Ｌの集光光学素２の汚れ等によるレ
ーザ出力異常と判断して、図２に示すように比較回路１
２の出力を監視している異常処理部１６では直ちに溶接
動作そのものを中止する等の異常処理動作を実行する
（図１のステップＳ６）。

【００１９】そして、上記のように初期溶接速度Ｖａが
少しずつ上昇してゆく過程では、図３に示したようにレ
ーザ出力レベルが一定であるために、その初期溶接速度
Ｖａの上昇に伴って溶接部Ｂに対する実効溶接エネルギ
ー密度が徐々に低下し、結果的には被溶接物Ｗ₂の裏面
側に届くレーザ光Ｌの光量が低下することになる。

【００２０】やがて、前記センサ３の出力レベルがしき
い値ｅよりも低くなると（図１のステップＳ５）、この
時点で初めて比較回路１１の出力信号が切換回路９およ
びサンプルホールド回路１３に対して出力される。な
お、前記センサ３の出力レベルがしきい値ｅよりも低く
なることは、上記の実効溶接エネルギー密度の低下によ
ってレーザ光Ｌが被溶接物Ｗ₂の裏面側まで届かなくな
ったことを意味する。

【００２１】前記比較回路１１の出力を受けて切換回路
９が切換動作し、加工テーブル５のモータ６に対する速
度指令を、それまでの初期溶接速度指令Ｖａから一般部
溶接速度指令Ｖｂへと切り換える。同時に、前記比較回
路１１の出力を受けてサンプルホールド回路１３では、
初期溶接速度信号発生回路７に設定されている初期溶接
速度Ｖａのうち、その比較回路１１の出力信号が出力さ
れたタイミングでの現在の速度値をホールドした上でレ
ーザ光貫通限界速度Ｖａ₁として比較演算回路８に出力
する（図１のステップＳ７）。

【００２２】ここで、レーザ溶接時の溶け込み深さと溶
接速度および実効レーザエネルギー密度（実効溶接エネ
ルギー密度）との相互関係は図５のようになる。この場
合、被溶接物Ｗ₂の裏側までレーザ光Ｌが貫通するかし
ないかのぎりぎりの状態での溶け込み深さ、すなわちレ
ーザ光貫通限界速度Ｖａ₁での溶け込み深さａは被溶接
物Ｗ₁，Ｗ₂の板厚の和にほぼ等しいことから既知の値と
みなすことができ、したがって上記のレーザ光貫通限界
速度Ｖａ₁と溶け込み深さａの値がわかればその時の実
効レーザエネルギー密度の特性を特定できる。さらに、
上記のレーザ光貫通限界速度Ｖａ₁のもとでの溶け込み
深さａに対する溶接品質上必要十分な溶け込み深さｂの
値を予め特定しておけば、ａとｂとの値の比とＶａ₁の
値とから、上記の溶接品質上必要十分な溶け込み深さｂ
となり得る溶接速度Ｖｂ₁の値を算出できる。

【００２３】そして、前述したように、たとえレーザ発
振器１からのレーザ出力が一定であったとしても、レー
ザ光Ｌの集光光学系２の汚れ等のために図５に示すよう
に実際に溶接部Ｂに及ぼす実効レーザエネルギー密度の
特性が例えば変動域ｄの範囲内で変動することになる
が、この実効レーザエネルギー密度特性が変動したとし
ても上記のａとｂの値の比率およびＶａ₁（Ｖａ₁′）と
Ｖｂ₁（Ｖｂ₁′）の値の比率は一定とみなすことができ
る。

【００２４】そこで、上記のように前記レーザ光貫通限
界速度Ｖａ₁の値が比較演算回路８に入力されると、比
較演算回路８では図４に示すように基準溶接条件データ
設定部１４に予め記憶設定されている基準溶接条件デー
タを参照しながら、前記レーザ光貫通限界速度Ｖａ₁の
もとでの実効レーザエネルギー密度特性の値を算出する
（図１のステップＳ８）。

【００２５】すなわち、比較演算回路８では、前記レー
ザ光貫通限界速度Ｖａ₁の値とその時の溶け込み深さの
値ａ（この値は被溶接物Ｗ₁，Ｗ₂の板厚にほぼ等しく既
知の値である）とに基づき、図４上においてａの値とＶ
ａ₁の値との交点でこれに交差するいずれかの実効レー
ザエネルギー密度特性を複数の特性Ｅ₁…Ｅｎのなかか
ら特定する。さらに、該当する実効レーザエネルギー密
度特性が特定されたならば、上記の溶け込み深さａに対
する溶接品質上必要十分な溶け込み深さｂの値が予め既
知であることから、先に特定された実効レーザエネルギ
ー密度特性の曲線上でその溶け込み深さｂのなり得る一
般部溶接速度Ｖｂ₁の値を以降の溶接のための効率的溶
接条件データとして算出する（図１のステップＳ９）。

【００２６】こうして、一般部溶接速度Ｖｂ₁の値が算
出されると比較演算回路８はその値を速度指令値として
出力し（図１のステップＳ１０）、図２の切換回路９で
は既に初期溶接速度指令から一般部溶接速度指令側に切
り換えられていることから、前記比較演算回路８から出
力された一般部溶接速度指令Ｖｂ₁は直ちに加工テーブ
ル５のモータ６に付与される。

【００２７】したがって、以降はレーザ光Ｌが被溶接物
Ｗ₂の裏面側まで貫通しないものの、溶接部Ｂの溶け込
み深さが溶接品質上必要十分な溶け込み深さｂとなるよ
うに保証した上で、図３に示すように初期溶接速度Ｖａ
₁（Ｖａ）よりも高い一定の一般部溶接速度Ｖｂ₁（Ｖ
ｂ）のもとで溶接が行われる（図１のステップＳ１
１）。

【００２８】ここで、上記実施例では、レーザ光Ｌが被
溶接物Ｗ₂の裏面側まで貫通する限界の溶接速度を溶接
初期に確認したのち、以降は溶接品質上必要十分な溶け
込み深さとなる高速の一般部溶接速度に切り換えて溶接
を行うようにしているが、逆に溶接速度を一定としてレ
ーザ出力を制御するようにしても上記と同様の作用効果
が得られる。

【００２９】また、同一の被溶接物の溶接作業を繰り返
し行う場合には、レーザ光貫通限界速度を溶接動作の初
期でなく末期に確認するようにしてもよい。この場合に
は、第３図の（Ｂ）とは逆に、溶接動作の末期において
一般部溶接速度Ｖｂ（Ｖｂ₁）から初期溶接送り速度Ｖ
ａ（Ｖａ₁）に相当する低速の溶接速度へと連続的に変
化させ、被溶接物Ｗ₂の裏面側にレーザ光Ｌが貫通しな
い状態からレーザ光Ｌが貫通し始めた時の現在の溶接速
度をレーザ光貫通限界速度とする。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、溶接動作
の初期もしくは末期に溶接速度およびレーザ出力のうち
のいずれか一方の溶接条件を連続的に変化させて、溶接
部に及ぶ実効溶接エネルギー密度を徐々に変化させ、レ
ーザ光が被溶接物の裏面側まで貫通しなくなった限界も
しくは貫通し始める限界での現在の溶接条件データを求
めた上、この現在の溶接条件データをもとに溶接部の溶
け込みが被溶接物の裏面側まで及ばないまでも現在溶接
中の被溶接物について必要十分な溶け込み深さとなり得
る効率的溶接条件データを算出し、この算出した新たな
効率的溶接条件データに基づいて以降の溶接を行うよう
にしたものである。

【００３１】したがって、従来のように、溶接品質を管
理するだけのために、溶接長さの全長にわたって被溶接
物の裏面側まで溶け込みを及ぼして過剰な溶け込み深さ
を確保する必要がなくなり、レーザ溶接時の生産性を大
幅に向上させることができるとともに、エネルギーの無
駄を少なくしてエネルギー効率の向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す処理手順のフローチャ
ート。

【図２】図１の処理手順を実現するためのブロック回路
図。

【図３】図２におけるレーザ出力，溶接速度およびセン
サ出力の変化を示すタイムチャート。

【図４】基準溶接条件データの説明図。

【図５】溶接速度と溶け込み深さおよび実効レーザエネ
ルギー密度（実効溶接エネルギー密度）との関係を示す
説明図。

【図６】従来の溶け込み状態管理方法の一例を示す説明
図。

【図７】図６の要部拡大説明図。

【符号の説明】

１…レーザ発振器 ３…センサ ５…加工テーブル ６…モータ ７…初期溶接速度信号発生回路 ８…比較演算回路 １３…サンプルホールド回路 １４…基準溶接条件データ設定部 Ｂ…溶接部 Ｌ…レーザ光 Ｗ₁，Ｗ₂…被溶接物

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接物に対してレーザ光を照射してそ
   の被溶接物とレーザ光とを溶接方向に相対移動させなが
   ら溶接を行い、その溶接部の溶け込み深さを管理するレ
   ーザ溶接の品質管理方法であって、 溶接開始後の初期もしくは末期において、前記溶接部の
   実効溶接エネルギー密度が徐々に変化するように溶接速
   度およびレーザ出力のうちのいずれか一方の溶接条件を
   連続的に変化させ、 その溶接条件の連続的な変化に伴う溶け込み深さの変化
   を、前記被溶接物の裏面側に貫通するレーザ光の光量変
   化としてその被溶接物の裏面に向けて配置したセンサに
   より監視し、 前記レーザ光が被溶接物の裏面まで貫通しなくなった時
   もしくは貫通し始めた時の現在の溶接条件データを求め
   た上、その現在の溶接条件データをもとに溶接部の溶け
   込みが被溶接物の裏面側まで及ばないまでも現在溶接中
   の被溶接物について品質上必要十分な溶け込み深さとな
   り得る効率的溶接条件データを算出し、 この算出した効率的溶接条件データを以降の溶接時の溶
   接条件指令として出力することを特徴とするレーザ溶接
   の品質管理方法。