JP3950351B2 - レーザー溶接における重ね継手の形成方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー溶接における重ね継手の形成方法に関するものであり、特に、その改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、レーザ溶接においては、トーチの走行方向前部にＣＣＤカメラを取り付けてトーチの走行に先立って撮影した画像の画像処理によって被溶接部を認識しており、前回の撮影によって認識した二次元座標と今回、認識した二次元座標とに基づく被溶接部の位置、及びトーチの溶接速度に対応させてトーチの溶接狙い位置を修正している。
【０００３】
ところで、レーザー溶接において、すみ肉部溶接や突合わせ溶接をする場合には、すみ肉溶接や突合わせ溶接の突合わせ面同士の境界線をターゲットとした倣い溶接をすることができるが、重ね継手を形成する場合には、倣い溶接のターゲットが存在しない。このために、被溶接部材の端面や、他の被溶接部材同士の突合わせ面を基準として、倣い溶接を行うことが試みられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
このように、被溶接部材の端面や、被溶接部材同士の突合わせ面を倣い溶接の基準とすると、直線的な重ね継手の形成は可能となるが、ジグザグや湾曲等、複雑な倣い溶接を要求された場合には対応が困難となる。
また、従来のレーザー溶接は、ＣＣＤカメラで散乱光を検出して被溶接線を認識するので、反射光の多い材料や、表面粗度の粗い材料では、散乱光によるノイズによって被溶接線の検出が難しく、大きな誤差を伴う。このために、被溶接部材の表面に、エネルギー吸収率の大きいカーボンブラック等を、あらかじめ塗布して反射光の光量を減少させることも試みられているが、この場合には、溶融した金属にカーボンブラック等が不純物となって入り込むという問題がある。
本発明は、前記事情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、レーザービームにより重ね継手を形成するに際し、被溶接部材の端面や、被溶接部材同士の境界線を倣い溶接の基準とせずに精度の高い溶接ができるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、被溶接部材同士を重ね合わせ、トーチからレーザービームをその重ね合わせ方向に照射して重ね継手を形成するに際し、レーザービーム照射側の被溶接部材の表面に、レーザー倣い溶接のターゲットとなる被溶接線を前記レーザービームの照射側に向かって順次拡開するＶ字形の断面に形成し、前記トーチの走行方向前方の側部に備えたレーザーセンサから検出光を前記被溶接線に照射し、前記被溶接線に照射された前記検出光の反射光を前記レーザーセンサに検出させることで前記被溶接線を認識し、溶接方向前方側で認識した被溶接線に倣わせて前記トーチからレーザービームを照射するようにしたレーザー溶接における重ね継手の形成方法を提供するものである。
【０００６】
このようにすると、被溶接線に沿った倣い溶接が可能となるので、直線や、曲線等の被溶接線に対応させて重ね継手を形成することができる。
また、このように被溶接線をＶ字形の断面とすると、被溶接線の一方側の斜面で反射したレーザービームが、他方側の斜面へ、また、他方側の斜面で反射したレーザービームが、一方側への斜面へと向かうので、被溶接線に向けて照射したレーザービームのエネルギーが全て被溶接線内に集中され、金属を溶融するためのエネルギーとして最大限に利用される。このため高密度エネルギビームであるレーザービームを用いた場合でも、さらに、溶け込み深さ、溶接幅を広げることができ、反射率の高いアルミニウム等の金属材料でも容易に溶かして溶接することができる。
また、被溶接線を認識するために照射された検出光をレーザーセンサの受光部に反射させることができるので、被溶接部材が反射率の高いアルミニウム合金で構成されていても、被溶接線の形状（幅、深さ、傾き、表面粗さ等）をクリアな状態で認識することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、図１ないし図８を参照して本実施の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施の形態に係るレーザー溶接における重ね継手の形成方法を示し、図２は図１の要部拡大図である。
図示されるように、重ね溶接をするための被溶接部材1，２は、上下に重ねて配置される。レーザービームを照射して重ね継手Ｔを形成するためのトーチ３には、トーチ３の走行方向前方側の側部に、倣い溶接のためのレーザーセンサ５がブラケット４を介して取り付けられる。前記被溶接部材１，２は、それぞれアルミニウム合金（５０００系アルミニウム合金、６０００系アルミニウム合金）で構成され、トーチ３側の被溶接部材１の表面には、倣い溶接のターゲットとなる被溶接線Ｌがケガキ、プレス加工、鍛造加工等の加工によって形成される。
【０００８】
図２の要部拡大断面図に示すように、被溶接線Ｌは、レーザービームＲの照射側、すなわち、トーチ３側に向かって順次拡開したＶ字形の断面に形成される。また、例えば、被溶接線Ｌの幅Ｂは１．５ｍｍ、深さＨは、０．５ｍｍに定められる。
【０００９】
被溶接部材１，２同士の重ね溶接のため、図３に示すように、前記したトーチ３から被溶接線ＬにレーザービームＲを照射すると、被溶接線Ｌの一方側の斜面で反射したレーザービームＲは他方側の斜面へ、また、他方側の斜面で反射したレーザービームＲは、一方側への斜面へと向かうので、被溶接線Ｌに向けて照射したレーザービームＲのエネルギーが全て被溶接線Ｌ内に集中され、金属を溶融するためのエネルギーとして全て利用される。この結果、高密度エネルギビームであるレーザービームを用いた場合でも、溶接幅、溶け込み深さを広げることができる。
また、被溶接線ＬをＶ字形の断面とすると、図４に示すように、被溶接線Ｌを認識するためのレーザーセンサ５から被溶接線Ｌに照射された検出光（レーザー光）Ｒ１が反射してレーザーセンサ５の受光部に戻るので、被溶接部材１が反射率の高いアルミニウム合金で構成されていても、被溶接線Ｌの形状（幅、深さ、傾き、表面粗さ等）がノイズの無いクリアな状態で検出される。なお、他の部分での散乱光の影響が大きく、被溶接線Ｌの認識性が低下する場合は、前記レーザーセンサ５に、必要に応じて散乱光の影響を排除するためのフィルタ（図示せず）を取り付ける。
【００１０】
図５（ａ），（ｂ）は、カッタナイフのケガキによって前記被溶接部材１の表面に前記被溶接線Ｌを形成した供試材を用い、被溶接線Ｌを同じ時間間隔でレーザーセンサ５によって認識した結果を示す。なお、溶接速度の影響を知るため、溶接速度は、それぞれ２ｍ／ｍｉｎ、８ｍ／ｍｉｎとした。
被溶接線ＬをＶ字形の断面に形成すると、図５（ａ），（ｂ）に示すように、レーザーセンサ５は、溶接速度の影響を受けることなく、被溶接線Ｌの幅Ｂ、深さＨを正確に認識し、また、被溶接部材１，２の表面粗さ、傾きも正確に認識する。さらに、被溶接線Ｌの底が時間の経過とともにＸ軸方向に移動することも正確に検出されるので、被溶接線Ｌが直線でなく、図１に示したように湾曲されていても、また、途中で折曲したり、斜めに延びていてもその方向が正確に検出される。したがって、被溶接線Ｌの断面をＶ字形として、前記レーザーセンサ５に被溶接線Ｌを検出させると、正確な倣い溶接が行われる。
【００１１】
なお、Ｖ形の被溶接線Ｌをケガキにより形成するには、前記カッタナイフだけでなく、ケガキ針、リング状のカッタ、振動ペンを用いてもよい。また、Ｖ形の被溶接線Ｌは、塑性加工で形成してもよい。ケガキによる場合は、例えば、定規にケガキ針、カッタナイフの刃先を沿わせて移動させることによって形成する。
また、プレス加工及び鍛造加工等の塑性加工で前記被溶接線Ｌを形成する際は、分割可能なプレス型（図示せず）の一方に被溶接線Ｌを形成するための凸部を形成しておき、両型を所定のプレス荷重で型合わせすることによって形成する。なお、被溶接線Ｌの幅を０．５〜１．５ｍｍ、深さＨを０．５〜１．５ｍｍとすると、被溶接線Ｌの認識性が良好となり、溶接の際の溶け込み幅が大きくなる。
【００１２】
図６（ａ），（ｂ）はトーチ３側の被溶接部材１の表面に押し出し成形によって被溶接線Ｌ１を形成した一実施の形態を示す。
押し出し成形による場合は、押し出し型（図示せず）の型面に窪みを形成しておき、被溶接部材１となる押し出し材の上面又は下面に上向き又は下向きに突出した山形断面の凸部を形成してこれを前記被溶接線Ｌに対応する被溶接線Ｌ１としている。凸状の断面の被溶接線Ｌ１の高さ、幅は前記したＶ形の被溶接線Ｌの高さＨ、幅Ｂと同じ寸法としている。また、レーザービームＲは、図６（ａ）に示すように、凸状の断面の被溶接線Ｌ１に対して鉛直線方向上方から照射してもよいが、図６（ｂ）に示すように、被溶接線Ｌ１に対してトーチ角θだけずれた方向から照射してもよい。このように、トーチ角θだけずらして被溶接線Ｌ１のすみ肉部にレーザービームＲを照射すると、すみ肉部で反射が起こり、相対的に、溶接の溶け込み幅、溶け込み深さが増加する。
【００１３】
図７はレーザー溶接装置のブロック図である。レーザー溶接装置９は、周知のように、Ｘ軸モータ１０で、トーチ３を被溶接線Ｌの横断方向（Ｘ軸方向）に移動させ、Ｙ軸モータ１１でＸ軸と直交するＹ軸方向にトーチ３を走行させ、Ｚ軸モータ１２で被溶接部材１に対するトーチ３の高さ方向のギャップを調節する。前記レーザーセンサ５は、その照射部５ａから検出光Ｒ１を照射し、受光部５ｂでその反射光を受光して測距部５ｃに出力する。測距部５ｃは、受光部５ｂから被溶接部材１，２の表面までの距離と、受光部５ｂから被溶接線Ｌの表面までの距離を演算により算出し、結果をコントローラ１７に出力する。コントローラ１７は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ等を主要部とした周知のコンピュータ、またはシーケンサからなり、前記Ｘ軸モータ１０を制御するＸ軸モータ駆動回路１４、Ｙ軸モータ１１を制御するためのＹ軸モータ駆動回路１５、Ｚ軸モータ１２を制御するためのＺ軸モータ駆動回路１６に制御信号を出力する。なお、トーチ３のトーチ角及びレーザーセンサ５の検出角は、手動スイッチの操作により、設定する。
【００１４】
コントローラ１７に入力パネル１８から溶接における初期設定が入力されると、コントローラ１７は、Ｘ軸モータ駆動回路１４、Ｙ軸モータ駆動回路１５、Ｚ軸モータ駆動回路１６に初期制御値を出力して、トーチ３を初期位置に移動させて初期設定を終了し、前記入力パネル１８から溶接開始信号が入力されるまで待機する。そして、溶接開始信号が入力されたとき、コントローラ１７は、トーチ３を走行させるＹ軸モータ駆動回路１５に制御信号を出力し、トーチ３を定速度で走行させると同時に、レーザー溶接装置９のレーザー生成装置（図示せず）を起動させてトーチ３の先端から前記したように上側の被溶接部材１の被溶接線Ｌに向けてレーザービームＲを照射する。そして、互いに重ね合わされた被溶接部材１，２は、被溶接線Ｌに照射されたレーザービームＲの高密度エネルギーによって溶融され凝固して、図１に示したように、重ね継手Ｔを形成する。
【００１５】
前記レーザーセンサ５の受光部５ｂがトーチ３の走行に先行して被溶接部材１の表面と、被溶接線Ｌの表面とから反射光を受光すると、測距部５ｃが、被溶接部材１の表面の形状と、被溶接線Ｌの表面の形状を演算によって算出し、これをコントローラ１７に入力する。
コントローラ１７は、前回の演算によって取得した被溶接線Ｌに対する溶接狙い位置（ターゲット）と、今回の演算によって取得した溶接狙い位置とを二次元座標系で比較して、前回の溶接狙い位置に対する今回の溶接狙い位置の変化を算出する。そして、位置の変化と、トーチ３の移動速度とに基づいてＸ軸方向のトーチ３の移動速度を求め、対応する制御量を前記Ｘ軸モータ駆動回路１４に出力して、Ｘ軸モータ１０を駆動し、倣い位置を変更する。
このように、トーチ３は前回の溶接狙い位置と今回の溶接狙い位置及び溶接速度に対応して自動的にトーチ３の溶接狙い位置を修正し、被溶接線Ｌに沿った倣い溶接を実施するので、図１、図８に示すように、湾曲した被溶接線Ｌに倣った重ね継手Ｔが形成される。
なお、前回の溶接狙い位置と、今回の溶接狙い位置との間は、２点間の二次元座標、及び溶接速度に基づいて補間し、倣い溶接の精度を向上するものとする。また、前記測距部５ｃの演算によって、トーチ３の高さ方向の変化を検出し、前記Ｚ軸モータ駆動回路１６によりギャップの補正を行ってもよい。
このように、本発明は本発明の思想を逸脱しない限り、種々の改変が可能であり、本発明はこの改変された発明に及ぶことは当然である。
【００１６】
【発明の効果】
以上、説明したことから明らかなように、本発明によれば次の如き優れた効果を発揮する。
（１）請求項１記載の発明は、被溶接部材同士を重ね合わせてーザービームをその重ね合わせ方向に照射して重ね継手を形成するに際し、レーザービーム照射側の被溶接部材の表面に、レーザー倣い溶接のターゲットとなる被溶接線を表面の加工により形成し、この被溶接線に倣わせてレーザービームを照射するようにしたので、直線や、曲線等の倣い溶接線に対応した重ね継手を精度よく形成することができる。
【００１７】
（２）請求項２記載の発明は、被溶接線を、レーザービームの照射側に向かって順次拡開するＶ字形の断面に形成してレーザービームを被溶接線内に集中させる反射面を形成するので、被溶接線に向けて照射したレーザービームのエネルギーが全て被溶接線内に集中され、金属を溶融するためのエネルギーとして最大限に利用される。このため溶け込み深さ、溶接幅を広げることができる。
また、被溶接線を認識するために照射された検出光をレーザーセンサの受光部に反射させることができるので、被溶接部材が反射率の高いアルミニウム合金で構成されていても、被溶接線の形状（幅、深さ、傾き、表面粗さ等）をクリアな状態で認識させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るレーザー溶接における重ね継手の形成方法を示す解説図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係り、図１の要部拡大図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係り、被溶接線内でのレーザビームの集光状態を示す解説図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係り、被溶接線による検出光の反射状態を示す解説図である。
【図５】カッタナイフのケガキによって被溶接部材の表面に被溶接線を形成した供試材の被溶接線を同じ時間間隔で認識した認識結果を示す図である。
【図６】トーチ側の被溶接部材の表面に押し出しに成形によって被溶接線を形成した一実施の形態を示す解説図である。
【図７】レーザー溶接装置のブロック図である。
【図８】レーザービームによる重ね継手の完了状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 被溶接部材
２ 被溶接部材
３ トーチ
５ レーザーセンサ
Ｌ 被溶接線
Ｔ 重ね継手

Claims (1)

1. 被溶接部材同士を重ね合わせ、トーチからレーザービームをその重ね合わせ方向に照射して重ね継手を形成するに際し、
   レーザービーム照射側の被溶接部材の表面に、レーザー倣い溶接のターゲットとなる被溶接線を前記レーザービームの照射側に向かって順次拡開するＶ字形の断面に形成し、
   前記トーチの走行方向前方の側部に備えたレーザーセンサから検出光を前記被溶接線に照射し、前記被溶接線に照射された前記検出光の反射光を前記レーザーセンサに検出させることで前記被溶接線を認識し、
   溶接方向前方側で認識した被溶接線に倣わせて前記トーチからレーザービームを照射するようにしたことを特徴とするレーザー溶接における重ね継手の形成方法。

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