JP4273542B2 - レーザー溶接方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザー溶接方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、CO2 レーザー溶接では、放物面鏡などでレーザ−が集光され、光路が変更されて、レーザーの焦点が被溶接物にほぼ一致する位置にレーザーが照射され、被溶接物の溶接が行われる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、被溶接物が大型部品であると、レーザーの照射時間が長くなるので、レーザーの熱によって放物面鏡が膨張し焦点距離が変化する熱レンズ現象が生じることが知られている。焦点が被溶接物から大きくずれると、被溶接物に照射されるレーザーのエネルギ密度が低下し、溶接品質が低下する。したがって、溶接時に焦点位置が検知されることが望まれる。
本発明の目的は、溶接中に溶接用レーザーの焦点の位置が所定位置からずれたことを容易に検知することができるレーザー溶接方法を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
(1) 溶接用レーザー発振器から発振される溶接用レーザーの光路を集光系を含む媒体によって被溶接物へ誘導して溶接を行うレーザー溶接方法において、第1の測定用レーザーを発振受光し第1の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第1のレーザー距離計を、前記第1の測定用レーザーが前記集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、第2の測定用レーザーを発振受光し第2の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第2のレーザー距離計を、前記第2の測定用レーザーが前記集光系を含まない媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、レーザー溶接時に前記第1のレーザー距離計によって第1の測定用レーザーの光路の距離を測定するとともに、前記第2のレーザー距離計によって第2の測定用レーザーの光路の距離を測定し、測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、前記溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、前記集光系の熱レンズ現象によるずれの程度を検知する、レーザー溶接方法。
(2) 溶接用レーザー発振器から発振される溶接用レーザーの光路を集光系を含む媒体によって被溶接物へ誘導して溶接を行うレーザー溶接方法において、第1の測定用レーザーを発振受光し第1の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第1のレーザー距離計を、前記第1の測定用レーザーが前記集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、第2の測定用レーザーを発振受光し第2の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第2のレーザー距離計を、前記第2の測定用レーザーが前記集光系を含まない媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、レーザー溶接時に前記第1のレーザー距離計によって第1の測定用レーザーの光路の距離を測定するとともに、前記第2のレーザー距離計によって第2の測定用レーザーの光路の距離を測定し、測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、前記溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、前記集光系の熱レンズ現象によるずれの程度を検知し、焦点が所定位置になるまで被溶接物もしくは媒体の配置を変え溶接を行う、レーザー溶接方法。
【0005】
上記(1)のレーザー溶接方法では、第1の測定用レーザーを発振し受光する第1のレーザー距離計によって、溶接用レーザーが誘導される集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて被溶接物を照射する第1の測定用レーザーの光路の距離が測定される。第2の測定用レーザーを発振し受光する第2のレーザー距離計によって、溶接用レーザーが誘導される集光系を含まない媒体に誘導されて被溶接物を照射する第2の測定用レーザーの光路の距離が測定される。測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化があった場合は、溶接用レーザーの焦点が所定位置からずれたことを示すので、測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、集光系の熱レンズ現象によるずれの程度を容易に検知することができる。
上記(2)のレーザー溶接方法では、第1の測定用レーザーを発振し受光する第1のレーザー距離計によって、溶接用レーザーが誘導される集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて被溶接物を照射する第1の測定用レーザーの光路の距離が測定される。第2の測定用レーザーを発振し受光する第2のレーザー距離計によって、溶接用レーザーが誘導される集光系を含まない媒体に誘導されて被溶接物を照射する第2の測定用レーザーの光路の距離が測定される。測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、集光系の熱レンズ現象によるずれの程度が検知された場合に、焦点が所定位置になるまで被溶接物もしくは媒体の配置を変えて溶接を行うので、溶接時間が長い場合でも、安定した品質の溶接を行うことができる。
【0006】
【発明の実施の形態】
図1は本発明実施例のレーザー溶接方法を実施可能なレーザー溶接設備の概要を示す。
【0007】
まず、本発明実施例のレーザー溶接方法を実施可能なレーザー溶接設備の概要を、図1を参照して、説明する。本発明実施例では、CO2 レーザー溶接を例にとって説明するが、YAGレーザー溶接にも適用できる。
本発明実施例のレーザー溶接方法を実施可能なレーザー溶接設備は、溶接用レーザーを発振する溶接用レーザー発振器1と、溶接用レーザーと異なる波長の第1の測定用レーザー20を発振し受光する第1のレーザー距離計(第1の測定用レーザー発振器受光器)2と、光路管4と、溶接用レーザー発振器1から発振される溶接用レーザーを被溶接物8へ誘導する媒体となる集光系5と反射鏡6と、を有する。また、溶接用レーザーと異なる波長の第2の測定用レーザー30を発振し受光する第2のレーザー距離計(第2の測定用レーザー発振器受光器)3が配置されていてもよい。
【0008】
溶接用レーザー発振器1から発振された溶接用レーザー10は、集光系5によって集光され、反射鏡6によって光路を変更されて、被溶接物8に照射される。溶接用レーザーの焦点位置は、媒体の配置(位置・角度)を調整することによって任意の位置(所定位置)に設定できる。本発明実施例では、溶接用レーザー10の焦点位置は、被溶接物8にほぼ一致する位置とされる。したがって、溶接開始直後、溶接用レーザー10の焦点は、被溶接物8にほぼ一致している。
【0009】
第1のレーザー距離計2は、第1の測定用レーザー20が、溶接用レーザー10が誘導される媒体5、6と同じ媒体5、6に誘導されて被溶接物8を照射するように配置される。第1の測定用レーザー20の焦点と被溶接物8は溶接開始直後は一致している。
第1のレーザー距離計2から発振された第1の測定用レーザー20は、溶接用レーザー発振器1から発振される溶接用レーザー10の光路の途中の、溶接用レーザー発振器1と集光系5との間に配置されたハーフミラー7に当たり、溶接用レーザー10と同一光路もしくは平行な光路になるように光路が変更される。
【0010】
第1のレーザー距離計2から発振され被溶接物8に照射された第1の測定用レーザー20は、一部が反射して第1のレーザー距離計2に受光される。なお、第1の測定用レーザー20の発振位置と受光位置が同じ場合は焦点位置が被溶接物に一致した状態を示し、第1の測定用レーザー20の発振位置と受光位置が異なる場合は焦点位置が被溶接物からずれている状態を示す。
【0011】
第1のレーザー距離計2が発振し受光する第1の測定用レーザー20の光路の距離は、溶接開始直後から溶接が行われている間、第1のレーザー距離計2によって測定可能とされている。溶接開始直後の第1のレーザー距離計2によって測定される測定値と、溶接中に測定された測定値が同じ場合は、焦点位置は溶接開始直後から変わっていないことを示す。また、溶接開始直後の第1のレーザー距離計2によって測定される測定値に対して、溶接中に測定された測定値の値が異なる場合には、焦点が溶接開始直後の位置からずれていることを示す。
第1のレーザー距離計2から発振される第1の測定用レーザー20は、溶接用レーザー10と同じ媒体5、6を通っているので、第1の測定用レーザー20の焦点が溶接開始直後の位置からずれている場合は、溶接用レーザー10の焦点が所定位置からずれていることを示す。したがって、第1のレーザー距離計2の測定値の変化は、溶接用レーザー10の光路の焦点が所定位置からずれていることを示し、第1のレーザー距離計2の測定値の変化から、溶接用レーザー10の焦点の所定位置からのずれが検知される。
【0012】
第2のレーザー距離計3は、第2の測定用レーザー30が集光系5を通らずに、被溶接物8に照射されるように配置される。なお、第2の測定用レーザー30の焦点位置は被溶接物8と一致している。
第2のレーザー距離計3から発振され被溶接物8に照射された第2の測定用レーザー30は、一部が反射して第2のレーザー距離計3に受光され、第2のレーザー距離計3によって、第2の測定用レーザー30の光路の距離が測定される。
【0013】
レーザーを集光するための集光系5には、凸レンズ、放物面鏡、球面鏡などが1枚もしくは複数枚用いられる。
反射鏡6には平面鏡が用いられる。
【0014】
つぎに、上記レーザー溶接設備を用いて実施される、本発明実施例のレーザー溶接を行う方法を、図1を参照して、説明する。
溶接用レーザー発振器1から発振された溶接用レーザー10が、ハーフミラー7を通過し、集光系5に集光され、反射鏡6で光路を変更され、被溶接物8に照射されることにより、被溶接物8の溶接が行われる。溶接開始直後は、溶接用レーザー10の焦点は被溶接物8にほぼ一致する所定位置にある。
溶接開始と同時に、第1のレーザー距離計2から第1の測定用レーザー20が発振される。第1の測定用レーザー20は、ハーフミラー7によって溶接用レーザー10に対して平行な光路に変更され、集光系5によって集光され、反射鏡6で光路を変更され、被溶接物8に照射され、一部が反射して第1のレーザー距離計2に受光される。そして、第1のレーザー距離計2によって、第1の測定用レーザー20の光路の距離が測定される。第1のレーザー距離計2による測定は、溶接が行われている間、実施される。
溶接開始後、第1のレーザー距離計2の測定値が溶接開始直後の測定値と比較して、異なった値を示し始める。これは、レーザーが長時間照射されることによって、集光系5に歪みが生じ(熱レンズ現象)、第1の測定用レーザー20の焦点位置が変わったためである。したがって、第1のレーザー距離計2の測定値の変化から、溶接用レーザー10の焦点位置が所定位置からずれたことが容易に検知される。
【0015】
溶接開始と同時に、第2のレーザー距離計3から第2の測定用レーザー30を発振してもよい。第2のレーザー距離計3から発振される第2の測定用レーザー30は、集光系5を通らないことから熱レンズ現象の影響を受けない。そのため、第2のレーザー距離計3によって発振され受光される第2の測定用レーザー30の光路の距離は溶接開始直後から溶接が行われている間、常に一定である。したがって、第2のレーザー距離計3によって測定される測定値と、第1のレーザー距離計2によって測定される測定値との差を常時測定することにより、焦点の所定位置からのずれと、集光系5の熱レンズ現象による集光系5の歪みの程度が容易にわかる。
【0016】
焦点位置のずれが検知されたあと、焦点位置のずれ量に応じて、集光系5や反射鏡6もしくは被溶接物8を移動させ、焦点位置を溶接開始直後の所定位置に戻すことにより、高品質の溶接を維持することができる。
【0017】
【発明の効果】
本発明の請求項1のレーザー溶接方法によれば、第2のレーザー距離計によって測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する、第1のレーザー距離計によって測定される第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、溶接用レーザーの焦点が所定位置からのずれと、集光系の熱レンズ現象によるずれの程度を容易に検知できる。
本発明の請求項2のレーザー溶接方法によれば、第2のレーザー距離計によって測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する、第1のレーザー距離計によって測定される第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、溶接用レーザーの焦点が所定位置からのずれと、集光系の熱レンズ現象によるずれの程度が検知された場合に、焦点が所定位置とされるまで被溶接物もしくは媒体の配置を変え、溶接を行うので、長時間連続して溶接を行っても安定した溶接品質が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例のレーザー溶接方法を実施するために使用されるレーザー溶接設備の概要を示す図である。
【符号の説明】
1 溶接用レーザー発振器
2 レーザー距離計(第1のレーザー距離計)
5 媒体(集光系)
6 媒体(反射鏡)
8 被溶接物
10 溶接用レーザー
20 測定用レーザー(第1の測定用レーザー)
Claims (2)
- 溶接用レーザー発振器から発振される溶接用レーザーの光路を集光系を含む媒体によって被溶接物へ誘導して溶接を行うレーザー溶接方法において、第1の測定用レーザーを発振受光し第1の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第1のレーザー距離計を、前記第1の測定用レーザーが前記集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、第2の測定用レーザーを発振受光し第2の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第2のレーザー距離計を、前記第2の測定用レーザーが前記集光系を含まない媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、レーザー溶接時に前記第1のレーザー距離計によって第1の測定用レーザーの光路の距離を測定するとともに、前記第2のレーザー距離計によって第2の測定用レーザーの光路の距離を測定し、測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、前記溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、前記集光系の熱レンズ現象による前記集光系の歪みの程度を検知する、レーザー溶接方法。
- 溶接用レーザー発振器から発振される溶接用レーザーの光路を集光系を含む媒体によって被溶接物へ誘導して溶接を行うレーザー溶接方法において、第1の測定用レーザーを発振受光し第1の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第1のレーザー距離計を、前記第1の測定用レーザーが前記集光系を含む媒体と同じ媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、第2の測定用レーザーを発振受光し第2の測定用レーザーの光路の距離を測定可能な第2のレーザー距離計を、前記第2の測定用レーザーが前記集光系を含まない媒体に誘導されて前記被溶接物を照射する位置に配置し、レーザー溶接時に前記第1のレーザー距離計によって第1の測定用レーザーの光路の距離を測定するとともに、前記第2のレーザー距離計によって第2の測定用レーザーの光路の距離を測定し、測定した第2の測定用レーザーの光路の距離に対する測定した第1の測定用レーザーの光路の距離の変化から、前記溶接用レーザーの焦点の所定位置からのずれと、前記集光系の熱レンズ現象による前記集光系の歪みの程度を検知し、焦点が所定位置になるまで被溶接物もしくは媒体の配置を変え溶接を行う、レーザー溶接方法。
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