JP4078882B2

JP4078882B2 - レーザ溶接のモニタリング方法

Info

Publication number: JP4078882B2
Application number: JP2002153084A
Authority: JP
Inventors: 健一郎田中; 佳治佐名川
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2002-05-27
Filing date: 2002-05-27
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2022-05-27
Also published as: JP2003340585A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザを用いた溶接のモニタリング方法、殊に２枚の材料を重ね合わせて溶接する場合のモニタリング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
２枚の材料を重ね合わせて一方の材料面からレーザを照射し、裏面に配置された材料と溶接して重ね継手とする工程において、その溶接品質の良否を外観検査で判定することは困難である。
【０００３】
つまり、突き合わせ溶接や重ねすみ肉溶接などでは、接合すべき両者の材料を外観から観察することが可能であり、溶接状態を観察により判定することができるが、重ね継手においてはレーザ照射面の材料を観察することはできるが、裏面材料を観察することは困難である。また、レーザ溶接後に別途検査工程を設けることが必要であった。
【０００４】
一方、レーザ溶接時の加工現象をモニタリングすることにより、レーザ溶接と同時に溶接品質を判定することが特開平１１−１２９０８２号公報において提案されている。これはレーザ加工時に溶接部から発する光を検出し、その信号により溶接欠陥を検出するものである。
【０００５】
また、特開２０００−１５３３７９号公報においては、モニタリング結果の判定方法として、レーザ光が照射中の一定区間の測定信号の極値を用い、予め設定しておいた閾値との比較により判定することが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、重ね継手のレーザ溶接では深さ方向に溶接が進行するため、溶接品質が異なった場合でも観測された信号に顕著な違いが検出されにくく、あるレーザ照射中の測定信号の極値による判定では、外乱や溶接材料の状態により誤判定を行う可能性があり、信頼性を確保したレーザ溶接が困難である。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みなされたものであって、その目的とするところは深さ方向に溶接が進行する場合においても品質判定を確実に行うことができる溶接のモニタリング方法を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
しかして本発明は、第２の材料に第１の材料を重ねて第１の材料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と第１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の材料と第２の材料との間に、レーザ反射率が第１の材料及び第２の材料のレーザ反射率と異なる材料からなる中間層を介在させてレーザ溶接を行うとともに、上記観測によって中間層が存在することによる光の変化を基にレーザが第２の材料に至ったかどうかの判定を行うことに特徴を有している。
【０００９】
上記中間層を形成する材料として第１の材料及び第２の材料よりもレーザ反射率が高いものを用いても、低いものを用いてもよい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１に示すように２枚の材料１，２を重ね合わせて一方の材料１の表面側からレーザＬを照射して、裏面に配置された材料２とをレーザ溶接するにあたり、レーザ溶接品質をレーザ加工と同時に判定を行うため、レーザ溶接時の加工現象をモニタリングする。モニタリングする加工時の信号としては、溶接時に発生するプルームからのプラズマ光や、溶接材料に照射されたレーザの反射光、溶接部の発光画像などが挙げられる。
【００１１】
レーザ照射は、前記従来例に示されたものと同様に、ファイバーなどにより導光されたＹＡＧレーザ光をミラーにより曲げて、レンズにより集光し、溶接材料に照射すればよく、レーザ溶接時の加工現象のモニタリングは、レーザ光を曲げるために使用するミラーとして、プラズマ光は透過し、レーザ光の一部を反射することができるものを選択しておくと、加工部から発せられたプラズマ光やレーザ反射光がミラーを透過し、ミラーの後部に配置されたダイクロイックミラーによりプラズマ光とレーザ反射光を分離して、受光器により計測することができる。この時、プラズマ光を検出する受光器の前面にはＹＡＧレーザ光を遮光するカットフィルターを、レーザ反射光を検出する受光器の前面にはＹＡＧレーザ光のみを透過するバンドパスフィルターを配置する。また、プラズマ光を検出する部分にカメラなどの画像計測装置を配置することで溶接部分の画像認識による判定を行うことも可能である。このような配置とすることで、レーザ光と同軸で計測することが可能となり、レンズとレーザ光を曲げるためのミラーとの間にガルバノミラーを配した加工機においても使用することが可能である。
【００１２】
そして、これらの計測された信号を演算処理することによりレーザ溶接品質を判定することは可能であるが、前述のように重ね継手のレーザ溶接の場合、深さ方向に溶接が進行するため、溶接品質が異なった場合でも観測された信号に顕著な違いが検出されにくく、誤判定を行う可能性があり、信頼性を確保したレーザ溶接が困難である。
【００１３】
このために本発明においては、２枚の溶接材料１，２の間に検査用の中間層３を配置した状態でレーザ溶接を行う。この中間層３としては、溶接すべき２枚の材料１，２と異なる材質のものを用いることが重要である。レーザＬを照射した時のプラズマ光やレーザ反射光は、レーザＬが照射される材料によって異なる。従って、中間層３としてレーザ照射時に発生するプラズマ光やレーザ光の反射率が溶接材料１，２と異なる材質を用いれば、計測信号の変化が検出された時、レーザ溶接が中間層３に到達し、さらに変化があれば裏面側の材料２までレーザ加工エネルギーが投入されたことがわかる。図１は材料１，２が同じ材質のもの、中間層３が異なる材質のものである場合に観察されるレーザ反射光とプラズマ光の変化を示しており、中間層３に達するとともに中間層３を貫通して材料２に達するまで顕著な変化が観察される。計測及び判定については、プラズマ光とレーザ反射光との少なくとも１つを用いればよい。このように中間層３を用いることによって溶接の進行状況を確実にモニタリングして確実なレーザ溶接品質判定を容易に行うことができる。
【００１４】
判定する基準値として、あらかじめ良品を得ることができたレーザ溶接の際の信号強度の変化を計測記録しておいて、その波形の変化に基づいて基準値を設けておき、レーザ溶接時の信号が、ある一定時間、あるいは、計測された信号強度、あるいは、測定された信号強度の総和が予め設定した基準値を超えたかどうかで上面材料１と裏面材料２とが良好に溶接されたと判定すればよい。
【００１５】
また、レーザ反射光あるいはプラズマ光を測定する受光器には、レーザ加工に対して同等またはそれ以上の応答性をもつものを用いることで、レーザ溶接と同時に検査を行うことができる。測定すべきプラズマ光が紫外光〜可視光である場合、マイクロチャンネルプレートフォトマルチプレーヤーなどを用いればよく、波長１９０ｎｍ〜１１００ｎｍではＳｉフォトダイオードを、波長７００ｎｍ〜２６００ｎｍの範囲ではＩｎＧａＡｓフォトダイオードを、赤外線領域で他にＰｂＳｅ光導電素子、ＩｎＡｓ光起電力素子、ＩｎＳｂ光起電力素子、ＭＣＴ光導電素子などを好適に用いることができる。また、レーザ反射光を検出する素子としては、Ｓｉフォトダイオード、ＩｎＧａＡｓフォトダイオードなどを好適に用いることができる。
【００１６】
上記中間層３の材質としては、材料１，２よりもレーザ反射率が高いものが好ましい。この場合、レーザ溶接時に観察されるレーザ反射光は中間層３にレーザＬが達した時に信号強度が増加し、裏面材料２までレーザＬが達するとレーザ反射光の信号強度が減少するために、判定が容易となる。この時、材料１，２よりもレーザ反射率が５％以上高い中間層３を用いるのが好ましく、たとえば材料１，２が鉄（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率６５％）やアルミニウム（（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率７３％）である場合、銅（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率９０％）を中間層３とすればよく、材料１，２が銅である場合は銀（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率９６％）を中間層３に用いればよい。
【００１７】
材料１，２のレーザ反射率が高い場合には、これらよりもレーザ反射率が低い材質からなる中間層３を配してもよい。この場合、レーザ溶接時に観察されるレーザ反射光は図２に示すように中間層３にレーザＬが達した時に信号強度が低下し、裏面材料２までレーザＬが達するとレーザ反射光の信号強度が増加するために、レーザＬが裏面材料２にまで達したことを容易に判定することができる。この時、材料１，２よりもレーザ反射率が５％以上低い中間層３を用いるのが好ましく、たとえば材料１，２が銅（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率９０％）である場合、中間層３に鉄（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率６５％）やアルミニウム（（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率７３％）を用いればよく、材料１，２が鉄やアルミニウムである場合、中間層としてＳｎ（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率５４％）や炭素（ＹＡＧレーザに対するレーザ反射率２７％）を用いればよい。
【００１８】
以下は本発明に係るものではないが、他の参考例を示す。中間層３として、材料１，２に比して熱伝導率が低い材質のもの、殊に熱伝導率が５０％以上低いものを用いてもよい。熱伝導率が低い中間層３を配して材料１，２間の熱伝達を抑制したならば、レーザ溶接時、まず材料１が加熱されるが、この時点ではプルームによる発光は起こらないものの、材料１が溶融したならばプルーム発光が生じ、更にレーザＬが中間層３を貫通して材料２に達した時点では材料２は熱伝達を抑制する中間層３が存在するために材料１が溶融しているにもかかわらず材料２は十分に加熱されておらず、材料２からのプルーム発光が生じない。しかし、材料２もレーザＬによる加熱で溶融したならばプルーム発光が生じる。つまりレーザ溶接が順調に進行すれば、図３(a)に示すように、材料１によるプルーム発光と材料２によるプルーム発光との間に谷間が生じるものであり、２つの発光ピークＰ１，Ｐ２が観察されたかどうかで溶接の良否を判定することができる。ちなみに、図３(b)は未溶接（材料１のみが溶融）した場合の発光プロファイルを示している。また、中間層３を介在させていない場合は、材料１の加熱溶融と同時に材料２の加熱も開始されるために、プルーム発光は連続した波形となって２つのピークを観察することはできない。なお、材料１，２がＣｕ（熱伝導率３８５Ｗ／ｍ・Ｋ）である場合、中間層３としてＮｉ（熱伝導率９１Ｗ／ｍ・Ｋ）やＳｎ（熱伝導率６４Ｗ／ｍ・Ｋ）などを用いることができる。
【００１９】
中間層３は図４に示すように材料１，２との間に設けた隙間であってもよい。隙間が材料１，２間の熱伝達を抑制するために、上記の場合と同様に２つの発光ピークＰ１，Ｐ２を観察することができる。もっとも、この隙間が材料１，２の厚みの１／１０以上であると、レーザＬを照射している材料１または材料２のみが溶融する状態となって溶接不良が発生しやすくなり、１／２０以下であれば、材料１の加熱溶融時に材料２も加熱されることになって隙間による熱伝導抑制効果が現れにくくなるために、材料１，２の厚みの１／２０〜１／１０の隙間とするのが好ましい。
【００２０】
上記の隙間である中間層３は、材料１，２の対向面の全面になくてもよく、図５に示すように、材料１の裏面側、もしくは材料２の表面側に表面粗さがその厚みの１／２０〜１／１０の凹凸を設けることで隙間が材料１，２間に生じるようにしてもよい。この場合、所要寸法の隙間（中間層３）の確保が容易となる。
【００２１】
図６に他の参考例を示す。これは材料１における溶接位置中心部に材料１を貫通する孔４を設けたもので、このような孔４が存在する場合、溶接時に観測されるレーザ反射光の信号プロファイルは図６(b) に示すようになる。つまり、レーザＬの照射初期では孔４においてレーザ反射光が乱反射するために孔４の周辺に照射されたレーザＬのレーザ反射光しか観測されず、孔４が無い場合よりもレーザ反射光が少なくなる。そして孔４の周辺も溶融してレーザ照射部が凹形状になるとさらに反射光が少なくなり、次いで凹部が溶融金属で埋まってレーザ照射表面がフラットになれば観測されるレーザ反射光が多くなる。しかし、凹部が埋まらずに穴あき不良になる場合は、反射光の乱反射が継続してレーザ照射終了まで反射光のピークは発生しない。従って、レーザ照射前半の反射光の小ピークの後、レーザ照射後半に反射光の大ピークを確認することで溶接良否の判定を行うことができる。なお、孔４の径が大きいと溶接時の穴あきが発生しやすくなるために、孔４の径はレーザ照射径の１／２以下であることが望ましい。
【００２２】
孔４は図７に示すように材料１を貫通していないものであってもよい。貫通している孔４であると溶接時の穴あきが発生するおそれが高くなるが、凹部としての孔４であれば、穴あき不良が発生しにくく、しかも溶接の良否判定に関しては、貫通孔の場合と同様の判定を行うことができる。この場合の孔４はレーザ照射径の１／２以下、深さは板厚の１／２以上であることが好ましい。
【００２３】
孔４は図８に示すように裏面側の材料２に貫通孔として設けてもよい。ただし、この場合はレーザ透過光を観察するものとする。図中５は透過光検出器を示している。材料２に孔４をあけた場合に観察される良好溶接時の観測透過光（レーザ光でもプルーム発光でもよい）は図８(b) に示すようになる。つまり、材料１が裏面側の材料２との接触面まで溶融すれば、材料２の孔４を通じて材料１のプルーム発光が観測されることになり、またキーホールが発生すれば、材料２の孔４を通してレーザ光が観測される。この２つの信号が観測できれば、材料１のみ溶融の可能性はなくなる。そして、そのまま溶接が良好に進むと、孔４及びキーホールが溶融金属で埋められるために観測される透過光（レーザ光及びプルーム発光）は消失する。しかし、溶融金属で孔４及びキーホールが埋め込まれないと、すなわち穴あき不良が発生すると、図８(c) に示すように、レーザ光及びプルーム発光は溶接完了時まで継続する。従って、透過光の観測から溶接の良否を判定することができる。なお、この場合の孔４もその径が大きいと穴あきの発生の要因となってしまうことから、レーザ照射径の１／２以下の径であることが望ましい。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように本発明においては、第２の材料に第１の材料を重ねて第１の材料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と第１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の材料と第２の材料との間に、レーザ反射率が第１の材料及び第２の材料のレーザ反射率と異なる材料からなる中間層を介在させてレーザ溶接を行うとともに、上記観測によって中間層が存在することによる光の変化を基にレーザが第２の材料に至ったかどうかの判定を行うために、レーザ照射が中間層を貫通して第２の材料に達する際に中間層が観測光に明確な変化をもたらすものであり、これ故にレーザ溶接の良否の判定を容易に行うことができる。
【００２５】
上記中間層に第１の材料及び第２の材料よりもレーザ反射率が高い材質のものを用いた場合には、中間層による反射光のピークから良否を判定することができ、中間層として第１の材料及び第２の材料よりもレーザ反射率が低い材質のものを用いた場合には、中間層による反射光の減少から良否を判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例を示すもので、(a)は断面図、(b)はプロファイル図である。
【図２】他例のプロファイル図である。
【図３】(a)は更に他例における良好溶接時のプロファイル図、(b)は未溶接時のプロファイル図である。
【図４】(a)は参考例における断面図、(b)はプロファイル図である。
【図５】更に別の参考例における断面図である。
【図６】(a)は異なる参考例における断面図、(b)はプロファイル図である。
【図７】(a)は他の参考例における断面図、(b)はプロファイル図である。
【図８】(a)は更に他の参考例における断面図、(b)は良好溶接時のプロファイル図、(c)は穴あき時のプロファイル図である。
【符号の説明】
１材料
２材料
３中間層
Ｌレーザ

Claims

第２の材料に第１の材料を重ねて第１の材料の表面側から照射したレーザによって第１の材料と第１の材料の裏面側に位置する第２の材料とを溶接するとともに溶接の良否判定のためにレーザ照射部を観測するにあたり、第１の材料と第２の材料との間に、レーザ反射率が第１の材料及び第２の材料のレーザ反射率と異なる材料からなる中間層を介在させてレーザ溶接を行うとともに、上記観測によって中間層が存在することによる光の変化を基にレーザが第２の材料に至ったかどうかの判定を行うことを特徴とするレーザ溶接のモニタリング方法。
中間層を形成する材料として第１の材料及び第２の材料よりもレーザ反射率が高いものを用いることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接のモニタリング方法。
中間層を形成する材料として第１の材料及び第２の材料よりもレーザ反射率が低いものを用いることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接のモニタリング方法。