JP4611620B2 - Quality control method in laser welding - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重ね合わせた樹脂などの被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接における品質管理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光を被溶接物に照射してレーザ溶接を行う場合、被溶接物の板厚、材質、形状に応じて設定して溶接を行うレーザ発振器の出力を設定する。ところが、単にこれらの条件でレーザ発振器の出力を設定すると、被溶接物の初期温度の不均一あるいは溶接の進行に伴ってすでに溶接された部分からの熱伝導による被溶接物の温度上昇の影響などに起因する溶接部の溶け込み深さや溶融幅の変動に対応することができず、均一で高品質な溶接を行うことができない場合がある。この問題に対して、特開平5−261576号公報においては、溶接を行っている間の被溶接物の表面温度分布を安定して測定することができる加熱加工装置が開示されている。温度分布を高精度で検出することにより、温度分布に応じた条件設定を行うことができる。
【0003】
【特許文献1】
特開平5−261576号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報に開示された加熱加工装置では、単に温度分布を測定できるにとどまり、溶接品質の向上に対する具体的な手段についてはなんら開示されていない。したがって、温度分布を測定したものの、どのような溶接条件を設定すればよいかについて知ることができないものであった。
【0005】
そこで、本発明の課題は、良好な溶接を行うために品質を管理するレーザ溶接における品質管理方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明に係るレーザ溶接における品質管理方法は、光透過性樹脂である上層被溶接物と光吸収性樹脂である下層被溶接物とを重ね合わせた被溶接物に対して相対的にレーザ照射手段を移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザビームを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接における被溶接物の溶接状態を管理するにあたり、上層被溶接物側から、上層被溶接物の下層被溶接物との溶着界面に照射されたレーザビームの照射領域内のうち、レーザ照射手段の移動方向に対して後部に設定された温度計測領域における上層被溶接物と下層被溶接物との間の溶着界面の温度を計測し、温度計測領域で計測された温度に基づいて、被溶接物の溶接状態を管理することを特徴とする。
【0007】
被溶接物をレーザ照射手段に対して相対的に移動させながら、レーザ照射手段から被溶接物にレーザを照射して被溶接物を溶接するレーザ溶接を行う際に、レーザビームの照射領域の温度を計測することにより、溶接状態をある程度判断することができる。ここで、レーザビームのプロファイルが一定である場合、レーザビームの照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の前方位置で温度を計測すると、その後のレーザの照射によって温度が上昇しうることから、どの程度の温度上昇を予測することが困難である。したがって、レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の前方位置で温度計測を行っても、その精度が高くできるとは言い難いものとなる。
【0008】
この点、本発明に係るレーザ溶接における品質管理方法では、レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置における温度を計測している。レーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置は、レーザビームの照射領域のうち、温度が高い位置となっている。この温度が高い位置では、被溶融物が蒸発することや、まったく溶融していないということの判断を適切に行うことができる。したがって、レーザビームの照射領域における最高温度の点であるレーザビームの照射領域におけるレーザ照射手段の移動方向の後方位置における温度を計測して、その計測温度に基づいて溶接状態を管理することにより、良好な品質管理を行うことができる。
また、溶着界面の温度を赤外線検出器によって計測する態様とすることができる。
【0009】
ここで、温度計測領域で計測された温度が所定の温度範囲から外れていたときに、溶接不良があると判断するのが好適である。このような判断を行うことにより、溶接不良を的確に判断することができる。
【0010】
また、所定の温度範囲が被溶接物の溶接条件に基づいて定められているのが好適である。被溶接物の溶接条件に基づいて温度範囲を定めることにより、被溶接物に応じた品質管理を良好に行うことができる。被溶接物の溶接条件としては、被溶接物の形状、レーザ光吸収特性、融点などを挙げることができる。
【0011】
さらに、温度計測領域が、レーザの照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の後端部に設定されているのが好適である。レーザの照射領域が複数のレーザビームからなる集団となっている場合には、レーザの照射領域における最高温度は、レーザ照射手段の移動方向の後端部となる。したがって、温度計測領域をレーザ照射領域のうち、レーザ照射手段の移動方向の後端部に設定することにより、さらに良好に被溶接物の品質管理を行うことができる。
【0012】
他方、レーザ照射手段が、レーザ照射手段の移動方向に沿って離間する2本のレーザビームを被溶接物に照射し、2本のレーザビームのうち、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射位置に温度計測領域が設定されている態様とするのが好適である。
【0013】
このように、レーザ照射手段が、レーザ照射手段の移動方向に沿って離間する2本のレーザビームを被溶接物に照射する場合には、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射範囲における温度が被溶接物の溶接状態を反映するものとなる。したがって、レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射範囲に温度計測領域を設定することにより、被溶接物の品質管理を良好に行うことができる。
また、上層被溶接物が光透過性樹脂であり、下層被溶接物が光吸収性樹脂である態様とすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面は説明の理解を容易にするため、誇張ないし省略している部分があり、その寸法比率は必ずしも実際のそれとは一致しない。
【0015】
図1は、本発明の第1の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す図であり、(a)が側断面図、(b)が平面図である。図1に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接の品質管理方法に用いるレーザ溶接装置1は、本発明のレーザ照射手段であるレーザ集光ヘッド2,3を備えている。レーザ集光ヘッド2,3には、図示しないレーザ発振器が接続されており、レーザ発振器から発せられるレーザがレーザ集光ヘッド2,3に供給される。レーザ集光ヘッド2,3では、供給されたレーザを集光し、それぞれレーザビームL1,L2として出射している。レーザ集光ヘッド2,3の下方位置には、本発明の被溶接物である棒状のワーク4が配置されている。ワーク4は、上層の光透過性樹脂からなる光透過性樹脂層5と下層の光吸収性樹脂からなり、光を受けて溶融する光吸収性樹脂層6とが重ね合わされて形成されている。そして、レーザ集光ヘッド2,3が、その移動方向(以下「スキャン方向」という)に沿って離間する2本のレーザビームL1,L2をワーク4に照射する。このようにワーク4にレーザビームL1,L2を照射することにより、光吸収性樹脂層6が溶融して、光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6とが溶着させられる。
【0016】
さらに、レーザ集光ヘッド2,3は、ワーク4が延在する方向に沿って移動させる図示しない移動装置に取り付けられており、この移動装置によって、レーザ集光ヘッド2,3を、ワーク4に沿って移動させることができる。こうして、レーザ集光ヘッド2,3に対して相対的にワーク4を移動させることができ、スキャン方向の前方位置に、第1レーザ集光ヘッド2が配置され、スキャン方向の後方位置に第2レーザ集光ヘッド3が配置される。以後、「前方」、「後方」の表現については、特に示さない限り、スキャン方向を基準とする。
【0017】
また、ワーク4におけるレーザビームL1,L2の照射領域である図1(b)に示すビームスポット(レーザスポット)B1,B2においては、それぞれ図示しない温度センサにより温度の計測が行われている。このように、本実施形態では、両ビームスポットB1,B2が本発明の温度計測領域となる。この温度計測領域で計測された温度に基づいて、ワーク4の溶接状態が管理される。温度の計測は、前方のビームスポットB1における温度と、後方のビームスポットB2における温度とを独立して行われる。このようなツインスポット溶接を行うことにより、入熱管理を行うことでき、さらには光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6との間の隙間の最小化を図ることができる。
【0018】
以上の構成を有する本実施形態に係るレーザ溶接装置1を用いたレーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理の手順を主に図1および図2を参照して説明するが、その前に、ここで、溶接が行われる際のビームスポットにおける温度変化について説明する。良好に溶接されたワークのある一点において温度を観測した場合の時間−温度曲線の一例を図3に示す。図3に示す温度変化では、時間経過とともに温度が上昇し、最初のピークである第一ピークP1が現れる。それから、一旦温度が低下した後、最下点M1で折り返して再び上昇を開始し、2つ目のである第二ピークP2が現れ、その後は徐々に温度が低下する。第一ピークP1は、溶着最適温度である。また、最下点M1と第二ピークP2との間に光吸収性樹脂層6の融点温度が存在する。第一ピークP1は、前方のレーザビームL1が照射されているときに現れるものであり、第二ピークP2は、後方のレーザビームL2が照射されているときに現れるものである。そして、温度が第一ピークP1に達するまでの部分が前方のレーザビームL1が照射されている時間T1であり、温度が第二ピークP2に達するまでの部分が後方のレーザビームL2が照射されている時間T2である。時間T1では、主に光吸収性樹脂層6が溶融して光透過性樹脂層5との溶着が行われ、時間T2では、一旦溶着させたワーク4を再加熱することにより、その溶着を確実にする役割を果たしていると考えられる。
【0019】
また、図4(a)に示すように、レーザビームL1,L2を照射した時における熱影響層の形状Wは、側面視して略楕円形をなすように調整されている。通常のシングルスポットで溶接を行う場合、図4(a)に示すように、溶着界面ではレーザ光による急加熱のために急激な体積膨張が起こる。この際、固体と液体の界面には図4(b)に示すように液体側から固体側に向けて大きな圧力が生じる。このとき、固体側は変形しないため、固液界面に溶融した被加工材集中し、高密度が生じ、その結果として歪みが生じる。加工速度が速いと、熱源となるレーザビームL1は、その場所からすぐに去ってしまうために急冷却が起こる。この急加熱から急冷却という過程を経た場合、溶融時に発生した歪みは緩和されることなく固化から溶着が完成してしまい、溶接不良が起こりやすい状態となる。そこで、2つのレーザ集光ヘッド2,3を用いて、2つのレーザビームL1,L2を照射してツインスポットを形成したツインスポット溶接とし、歪みが残った部分を再加熱してやる。この再加熱を行うことにより、溶接部分に生じていた歪みを緩和することができ、溶接不良を防止することができる。
【0020】
ところが、このようなツインスポット溶接において、再加熱の際の温度が高すぎると、溶接位置に歪みが残るが、体積膨張を最小限に抑えてやることで歪みが緩和される。そこで、再加熱の際の温度である後方のビームスポットの温度を管理している。後方のビームスポットB2では、その温度を融点近傍の温度に維持している。その理由は前方のビームスポットで生じた熱歪みを後方のビームスポットで緩和させるためである。このように、後方のビームスポットB2の温度管理を行うことにより、ワーク4の溶接不良を好適に防止することができる。
【0021】
したがって、レーザ溶接の溶接品質を管理するにあたり、前後のビームスポットの温度をそれぞれ計測する場合、前方のビームスポットは溶着最適温度範囲にあるかどうかを判断すればよく、後方のビームスポットは急激な体積変化による歪みを是正しうる温度範囲にあるかどうかを判断すればよい。ただし、上記の温度範囲での判断を行うためには、ワーク4の面精度が高く、光透過性樹脂層5および光吸収性樹脂層6が互いに密着性がよいことが前提となる。したがって、密着性がよくない場合には、適切な判断をできないことが考えられる。密着性が良くない場合としては、ワークの形状精度が低い場合、ワークの面精度が低い場合、窪みなどがある場合が考えられる。
【0022】
ここでまず、ワークの形状精度が低い場合について考える。ワークの形状精度が低い場合の温度変化を図5に示す。図5において、前方のビームスポットの温度は1st exposureで示されており、後方のビームスポットの温度は2nd exposureで示されている。さて、ワークの形状精度が高い場合にはワークに対する印加圧力は均一なものとなるが、ワークの形状精度が低い場合にはワークに対する印加圧力に不均一が生じる。そのため、圧力が掛かっていない部分は光透過性樹脂層5への熱伝導が悪くなるので、前方のビームスポットの温度は、圧力が掛かっていない部分で高温となる。それに対して、後方のビームスポットの温度は、略均一になっている。この結果から、形状精度が低い場合でも、後方のビームスポットにおいては温度が均一であれば密着性が十分に保たれた状態で溶接が完了したことが判る。したがって、後方のビームスポットの温度を管理することにより、溶接が良好に行われたか否かを確認することができる。
【0023】
次に、ワークの面精度が低い場合について考える。ワークの面精度が低い場合の温度変化を図6に示す。図6においては、図5と同様、前方のビームスポットの温度は1st exposureで示されており、後方のビームスポットの温度は2nd exposureで示されている。ワークの面精度が低い場合、溶着面には微小な隙間が存在する。この微小な隙間のため、前方のビームスポットの温度は高温となるとともに安定していない。これに対して、後方のビームスポットの温度は略均一になっている。この結果から、形状精度が低い場合と同様、面精度が低い場合でも後方のビームスポットにおいて温度が均一であれば密着性が十分に保たれた状態で溶接が行われたことが判る。したがって、後方のビームスポットの温度を管理することにより、溶接が良好に行われたか否かを確認することができる。
【0024】
さらに、窪みなどがある場合について考える。窪みがある場合についての温度変化を調べるべく、光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6との間に意図的に窪みを作り、光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6とをビーム溶接した。そのときの温度測定の結果を図7に示す。図7に示すように、溶接部分に窪みがある場合には、後方のレーザビームによる溶接が済んだ後であっても、均一にならないことが判る。これはフロントスポットで溶融させても隙間が埋まらなかったことに起因するものである。
【0025】
このような密着性が良くない場合の判断を踏まえて、レーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理の手順を説明する。図2は、本実施形態に係るレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接およびその品質管理の手順を示すフローチャートである。
【0026】
レーザ溶接が始まると、レーザ集光ヘッド2,3がワーク4に対して移動を開始し、やがて2つのレーザ集光ヘッド2,3から出射されるレーザビームL1,L2がワーク4に照射される(S1)。このとき、前方の第1レーザ集光ヘッド2から照射されるレーザビームL1のビームスポットB1の強度は、いわゆるシングルスポット溶接における十分な接合強度が保持できる領域、具体的にはガラス転移点以上とする。また、後方の第2レーザ集光ヘッド3から照射されるレーザビームL2のビームスポットB2の強度は、光吸収性樹脂層6をレーザビームL1での加熱、冷却で生じた歪みを緩和できる程度(ガラス転移点以上)の温度となるように調節する。このように、レーザビームL1,L2がともにワーク4に照射された時点から、ワーク4のレーザ照射位置に設定された温度計測領域であるビームスポットにおける温度を計測し、それらの温度を取得する(S2)。前後のビームスポットの温度を取得したら、前方のレーザビームL1のビームスポットにおける温度が溶接基準値に該当するか否かを判断する(S3)。溶接基準値は、ガラス転移点以上の領域に設定された所定の温度領域の範囲内にある温度とすることができる。
【0027】
その結果、前方のビームスポットが溶接基準値に該当する場合には、前方のレーザビームL1による溶着が良好に行われているので、次に前方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する(S4)。その結果、振幅基準値に該当すると判断したら、溶着は安定しているので、後方のビームスポットの温度が温度基準値に該当するか否かを判断する(S5)。後方のビームスポットの温度基準値は、光吸収性樹脂層6の少なくともガラス転移点以上で融点から所定幅を持った範囲の中の温度とすることができる。
【0028】
その結果、後方のビームスポットの温度が温度基準値に該当する場合には、溶接が良好に行われたと判断することができるので、良品と判断する。一方、所定の温度範囲から外れて温度基準値に該当しない場合には、シングルスポットと等価であると同じ条件となるため(S6)、ワーク4の強度予測を行う(S7)。強度予測の結果、十分な強度があると判断された場合には良品と判断し、十分な強度がないと判断された場合には再溶着する(S9)。
【0029】
一方、ステップS3において前方のレーザビームL1のビームスポットにおける温度が溶接基準値に該当しないと判断した場合は、十分な溶着がなされていないと考えられる。またステップS4において前方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当しないと判断した場合には、溶着自体が不安定であると考えられる。よってこれらの場合には、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する(S8)。その結果、振幅基準値に該当すると判断したときには、原則どおりに再溶着する(S9)。一方、振幅基準値に該当しないと判断したときには、後方のビームスポットの温度が突発的に高温となっているか否かを判断する(S10)。突発的な高温となっているか否かの判断は、図7に示すグラフのように、突発的な高温が生じているか否かによって行うことができる。その結果、突発的な高温となっているときには、大きな窪みが生じているものと判断することができるので、この場合には不良品と判断する。一方、このような突発的な高温となっていないと判断したときには、原則どおり再溶着する(S9)。
【0030】
このようにして、後方のビームスポットの温度および前方のビームスポットの温度に基づいて、ビーム溶接されたワーク4の品質管理を行うことにより、良好な品質管理を行うことができる。
【0031】
次に、同様のレーザ溶接装置を用いて後方のビームスポットの温度のみに基づいて行う品質管理について説明する。この態様では、後方のビームスポットのみが温度計測領域となり、この温度計測領域で計測された温度の基づいて、ワークの溶接状態が管理される。図8は、レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接および後方のビームスポット温度のみに基づいて行う品質管理におけるの手順を示すフローチャートである。
【0032】
図8に示すように、レーザ溶接が開始されたら、レーザ集光ヘッド2,3がワーク4に対して移動を開始し、やがて2つのレーザ集光ヘッド2,3から出射されるレーザビームL1,L2がワーク4に照射される(S11)。次に、ワーク4のレーザ照射位置に設定された温度計測領域であるビームスポットにおける温度を計測し、それらの温度を取得する(S12)。ここまでは、図2に示す前方のビームスポットの温度をも用いる場合の手順と同様である。ただし、ステップS12では、後方のビームスポットのみの温度を計測する態様としてもよい。
【0033】
ビームスポットの温度を計測したら、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当するか否かを判断する(S13)。その結果、振幅基準値に該当すると判断したときには、溶着は安定していると考えられるので、続いて後方のビームスポットの温度が溶着基準値に該当するか否かを判断する(S14)。ここでの溶着基準値は、光吸収性樹脂層6の少なくともガラス転移点以上で融点から所定幅を持った範囲の中の温度とすることができる。そして、後方のビームスポットの温度が溶着基準値に該当すると判断したときには、溶接が良好に行われたと判断することができるので、良品と判断する。
【0034】
また、ステップS13において、後方のビームスポットの振幅が振幅基準値に該当しないと判断したときには、表面精度が向上しておらず、溶接自体が不安定であると考えられるので、原則的には再溶接とする。ただし、突発的な高温となっているときには、大きな窪みがあって光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6とが接触していない部分があると考えられるので、後方のビームスポットが突発的な高温となっているか否かを判断する(S15)。その結果、突発的な高温が生じている場合には、不良品と判断する。
【0035】
また、突発的な高温が生じていない場合、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高い(HI)か否かを判断する(S16)。他方、ステップS14で後方ビームスポットの温度が溶着基準値に該当しないと判断した場合にも、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高い(HI)か否かを判断する(S16)。その結果、後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高いと判断された場合には、シングルスポット溶接と等価であるので(S17)、強度予測を行う(S18)。そして、強度予測の結果、十分な強度があると判断されたら良品と判断され、十分な強度がないと判断された場合には、再溶接となる(S19)。また、ステップS16で後方のビームスポットの温度が溶着基準値と判断される範囲内の温度より高くないと判断されたときにも、再溶着となる(S19)。
【0036】
このように、後方のビームスポットの温度を管理するのみで、良好な品質管理を行うことができる。
【0037】
以上に説明した本実施形態に係るレーザ溶接では、図1に示す2つのレーザ集光ヘッド2,3を備えるレーザ溶接装置1を用いているが、これに代えて、図9に示すレーザ溶接装置10を用いることもできる。図9に示すレーザ溶接装置10は、レーザ集光ヘッド11を備えている。レーザ集光ヘッド11には、図示しないレーザ発振器が接続されており、レーザ発振器から発せられるレーザがレーザ集光ヘッド11に供給される。レーザ集光ヘッド11は、供給されたレーザを2つに分け、2本のレーザビームL11,L12を出射する。また、レーザ集光ヘッド11は、図示しない移動装置に取り付けられており、この移動装置によって、レーザ集光ヘッド2,3を、ワーク4に沿って移動させることができる。そして、2本のレーザビームL11,L12が、レーザ集光ヘッド11のスキャン方向に沿って離間して、ワーク4に照射される。このようなレーザ溶接装置10を用いることにより、上記の手順と同様のレーザ溶接およびこのレーザ溶接を行う際の品質管理を行うことができる。
【0038】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上記第1の実施形態では、いわゆるツインビーム式のレーザ溶接装置を用いたが、本実施形態ではシングルビーム式のレーザ溶接装置を用いる。
【0039】
図10は、本発明の第2の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す側断面図である。図10に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接の品質管理方法に用いるレーザ溶接装置20は、レーザ集光ヘッド21を備えている。レーザ集光ヘッド21には、レーザ発振器22が接続されており、レーザ発振器22からレーザ集光ヘッド21に対してレーザが供給される。レーザ集光ヘッド21では、供給されたレーザを集光し、レーザビームLとして出射する。レーザ集光ヘッド21の下方位置には、ワーク4が配置されている。ワーク4は、上記第1の実施形態と同様、光透過性樹脂層5および光吸収性樹脂層6の2層構造をなしている。
【0040】
さらに、レーザ集光ヘッド21の側方には、温度センサ23が設けられており、図示しない移動手段に取り付けられている。温度センサ23は、レーザ集光ヘッド21から出射されるレーザビームLのビームスポットBにおける後部に設定された図11に示す温度計測領域Sの温度を計測している。温度計測領域Sは、ビームスポットBの後端部に設定されており、ビームスポットBのうち、もっとも温度が高くなっている部分の温度を計測している。温度センサ23は、赤外線検出器となる温度モニタ24に接続されており、温度センサ23から出力された温度計測領域Sの温度を温度モニタ24に表示する。温度モニタ24に表示された温度に基づいて、ワーク4の溶接状態が管理される。
【0041】
次に、温度計測領域SをビームスポットBの後端部に設定した理由について説明する。レーザビームのプロファイルがスキャン方向に対して一定である場合、ワークはレーザが当たっている間加熱され続けることになる。ワークの蒸発や未溶融などの判断を行うには、スポット内の最高温度の点を観察するのがもっとも好適となる。スポットのスキャン方向に対する前方位置では、その後どのくらい温度が上昇するか予測できないことから、スキャン方向に対して最後方(後端部)の温度を計測することによって、好適にワークの蒸発や未溶融を確認することができる。
【0042】
また、溶接の欠陥を発見する際にも、スキャン方向の後端部の温度を計測するのが効果的である。スポットのサイズにもよるが、ビームスポットBの前方部分溶着面の凹凸をならし、後方部分で品質のよい溶接が行えている場合は温度の測定結果は一定の安定したものとなる。ところが、ビームスポットBの前方部で凹凸がならせず、隙間が残った場合などは、スポット後方部温度は非常に不安定なものとなる。このことから、スキャン方向の後端部に温度計測領域を設定することにより、溶接の欠陥などを発見することができる。
【0043】
それでは、本実施形態に係るレーザ溶接装置20を用いたレーザ溶接を行う際の品質管理について説明する。品質管理を行う際のもっとも簡単な方法は、単純に溶着最適温度範囲のしきい値を設定し、この溶着最適温度範囲を外れたときに不良品と判断する方法である。以下に、その方法について説明する。
【0044】
まず、ワークの蒸発や未溶融、溶接の欠陥といった溶接不良を判断するための温度のしきい値を決める方法について説明する。しきい値を決める第1の方法は、経験則によるものであり、この方法がもっとも簡単な方法である。しきい値を定めるために、いくつかのサンプルを試験的に作製し、その良品・不良品のデータから経験則によりしきい値を決定する。ここに、しきい値を決定するために実際にワークを安定した状態で作製し、強度試験を行った結果を図12に示す。図12に示すように、340℃〜360℃に温度が上がるときに強度が低下する現象が見られるが、この原因は溶着面の発泡(樹脂の分解)であると推定される。したがって、たとえば良品と判断するための条件を溶着温度4000N/mm2(MPa)以上であって、溶着面に気泡が存在しないこととすると、溶着最適温度範囲を270℃〜330℃と設定することができる。実際の製造ラインでは決定されたしきい値の範囲外は溶着不安定とし、不良品として処理を行う。なお、この例はしきい値決定の判断基準の一例であり、材質や製品の仕様などにより異なる。
【0045】
また、しきい値を決める第2の方法として、ニューラルネットワークを用いて決定する方法も考えられる。この方法について説明すると、経験則によって決定する方法と同様、試験的にいくつかのサンプルを作製し、そのデータをニューラルネットワークの学習させ、ニューラルネットによってしきい値を決定するものである。実際の製造ラインにおいてはやはり決定されたしきい値の範囲外のものは溶着不安定と判断し、不良品として処理を行う。なお、この方法でも、しきい値決定の判断基準は材質や製品の仕様によって異なる。
【0046】
そして、図12のデータおよび良品の条件から、溶着最適温度範囲は270℃〜330℃とし、このときの最低温度270度をTmin、最高温度をTmaxとして、温度センサ23で計測された温度がその範囲内にあるか否かで判断を行う。溶接の状態が非常に安定しており、良好な溶接が行われたときには、図13に示すように、略一定の温度変化を示す。
【0047】
また、たとえば、図14(a)に示す温度変化では、溶着開始後から一旦Tmaxを超え、その後溶着最適温度範囲に戻るが、今度はTminを下回り、それから溶着最適温度範囲に再び戻った後、さらにTmaxを超えている。その後、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。次に、図14(b)に示す温度変化では、温度の上昇を続け、溶着最適温度範囲に入った後、Tmaxを超えてから温度が下降して溶着最適温度範囲に戻る。その後、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。さらに、図14(c)に示す温度変化では、一旦溶着最適温度範囲に入った後、数回にわたってTmaxを超え、Tminを下回るような温度変化を示す。それから、最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。このように、図14(a)〜(c)のいずれの場合も、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れている温度がある。このような場合には、いずれも溶接不良と判断し、不良品として取り扱う。
【0048】
さらに、図15(a)に示す温度変化では、溶着最適温度範囲に一旦入った後、温度の上下動を数回繰り返すものの、一度も溶着最適温度範囲を出ることなく最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。次に、図15(b)に示す温度変化では、溶着最適温度範囲に一旦入った後、温度の上下動を多数回にわたって繰り返すものの、一度も溶着最適温度範囲を出ることなく最後に溶着最適温度範囲を出て温度がほぼ室温となる。このように、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れる温度がない。このような場合には、いずれも良好な溶接ができたと判断し、良品として取り扱う。
【0049】
このようにして、温度変化を計測しながら、溶着最適温度範囲を外れるか否かによって溶接の良否を判断している。ところで、光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6との間に隙間がある場合、光吸収性樹脂層6にのみ一方的に熱がたまるので、急激に温度が上昇し、ワーク4が発泡してしまう。この発泡現象が起こっているか、または逆に未溶融状態なのかの判断をするためには、最高温度を検出するのが好適となる。この点、本実施形態では、図11に示すように、温度計測領域SをビームスポットBの後端部に設定しているので、ビームスポットBの後端部に設定された温度計測領域Sでは、ビームスポットBにおける最高温度を計測していることになる。したがって、ワーク4の未溶融状態やワーク4に生じる発泡現象を確実に検出することができるので、溶接不良を的確に判断し、もって良好な品質管理を行うことができる。
【0050】
また、本実施形態では、ワーク4として樹脂材料が用いられている。樹脂は金属と比較して、熱の応答性(伝熱性)が低い。このため、ビームスポットBの後方の温度を計測する方が前方を計測するよりも正確に温度を検出することができる。この点からも、本実施形態のように、ビームスポットBの後端部を温度計測領域Sとすることにより、良好な品質管理を行うことができる。
【0051】
続いて、単純な品質管理よりも高度な品質管理の手順を説明する。図16は本実施形態に係るレーザ溶接装置の品質管理の手順を示すフローチャートである。
【0052】
レーザ溶接装置20によって溶着を開始すると(S21)、溶着温度のデータを収集する(S22)。温度データを収集したら、溶着最適温度範囲に入ってから、最後に溶着最適温度範囲を下回るまでの間の全領域で、計測温度が溶着最適温度範囲(基準値)以内にあったか否かを判断する(S23)。その結果、図17(a)に示すように、全領域で基準値以内であった場合には、単純な品質管理の場合と同様に、溶接不良は起こっていないので、良品とすることができる。一方、基準値を外れた場合には何らかの問題が生じていることになる。
【0053】
そこで、基準値を外れたときには、溶着最適温度範囲(Tmin≦T≦Tmax)を超えたか(Tmax<T、high)下回った(T<Tmin、low)かを判断する(S24)。その結果、溶着最適温度範囲を超えた(high)ことがある場合には、溶着最適温度範囲を超えた温度が異常な高温があるか否かを判断する(S25)。その結果、図17(c)に示すように、異常な高温がある場合には、窪みがあり、光透過性樹脂層5と光吸収性樹脂層6との間に隙間があることになる。したがって、この場合には、不良品と判断する。また、異常な高温ではない場合には、窪みではなく、溶着面に微小な隙間などがあることになる。この場合には、強度が十分であれば外観上問題ないことから、強度が十分であれば良品とすることができる。そこで、異常な高温ではない場合には、強度を測定して強度が十分であるか否かを判断する(S26)。その結果、強度が十分である場合には良品と判断し、十分でない(不十分である)場合には不良品と判断する。
【0054】
また、図17(b)に示すグラフのように、ステップS24で溶着最適温度範囲を超える(high)ことがなく、下回った(low)のみの温度変化と判断した場合には、界面に異物が混入していることが考えられる。そこで、異物が混入しているか否かを判断する(S27)。その結果、異物が混入しているときには、再溶接を行ったとしても同一箇所で温度低下を起こすので、不良品とする。一方、異物が混入していないと判断したときには、ワーク4へのダメージは比較的小さいので、再溶着することができるので、再溶着として(S28)、ステップS21に戻る。
【0055】
このようにして、溶融最適温度領域のみに基づいた品質管理よりも高度な品質管理を行うことができる。また、このような品質管理を行うにあたっても、図11に示すように、温度計測領域SがビームスポットBの後端部に設定されていることから、ビームスポットBにおける最高温度を計測していることになる。したがって、ワーク4の未溶融状態やワーク4に生じる発泡現象を確実に検出することができるので、溶接不良を的確に判断し、もって良好な品質管理を行うことができる。
【0056】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、好適な上記実施形態ではワークとして樹脂を用いているが、ワークが金属であってもよい。また、ワーク形状が複雑であったり、材質が途中で変化したりする場合には、それらの形状や材質に合わせて、適宜しきい値や溶融最適温度範囲などを設定しなおす態様とすることもできる。
【0057】
さらに、上記第1の実施形態においての温度の計測については、後方のビームスポットであればよく、後方のビームスポットにおけるいずれの位置の温度を用いてもよく、複数の位置で温度を計測し、それらの平均値とすることもできる。
【0058】
【発明の効果】
以上の説明のとおり、本発明によれば、良好な溶接を行うために品質を管理するレーザ溶接における品質管理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す図であり、(a)が側断面図、(b)が平面図である。
【図2】レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接およびその品質管理の手順を示すフローチャートである。
【図3】良好に溶接されたワークのある一点において温度を観測した場合の時間−温度曲線の一例を示すグラフである。
【図4】(a)はレーザビーム照射時における熱影響層の形状を模式的に示す側断面図、(b)は熱影響層に掛かる圧力を模式的に示す側断面図である。
【図5】ワークの形状精度が低い場合の温度変化の一例を示すグラフである。
【図6】ワークの面精度が低い場合の温度変化の一例を示すグラフである。
【図7】光透過性樹脂層と光吸収性樹脂層の間に意図的に窪みを作り、両者をビーム溶接したときの温度測定の結果を示すグラフである。
【図8】レーザ溶接装置を用いたレーザ溶接および後方のビームスポット温度のみに基づいて行う品質管理におけるの手順を示すフローチャートである。
【図9】第1の実施形態に係るレーザ溶接装置の変形例を示す側断面図である。
【図10】第2の実施形態に係るレーザ溶接を行う状態の概略を示す側断面図である。
【図11】ビームスポットにおける温度測定領域を説明する平面図である。
【図12】しきい値を決定するためにワークを安定した状態で作製し、強度試験を行った結果を示すグラフである。
【図13】良好な溶接が行われたときの温度変化を示すグラフである。
【図14】(a)〜(c)のいずれも、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れている温度がある温度変化を示すグラフである。
【図15】(a)、(b)とも、計測された温度が溶着最適温度範囲に入った後、最後に溶着最適温度範囲から外れるまでの間で溶着最適温度範囲から外れる温度がない温度変化を示すグラフである。
【図16】第2の実施形態に係るレーザ溶接装置の品質管理の手順を示すフローチャートである。
【図17】(a)は、計測された温度が全領域で基準値以内であった場合の温度変化を示すグラフ、(b)は、溶着最適温度範囲を超えることがなく、下回ったのみの場合の温度変化を示すグラフ、(c)は、計測された温度に異常な高温があった場合の温度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
1…レーザ溶接装置、2…第1レーザ集光ヘッド、3…第2レーザ集光ヘッド、4…ワーク、5…光透過性樹脂層、6…光吸収性樹脂層、10…レーザ溶接装置、11…レーザ集光ヘッド、20…レーザ溶接装置、21…レーザ集光ヘッド、22…レーザ発振器、23…温度センサ、24…温度モニタ、B,B1,B2…ビームスポット、L,L1,L2,L11,L12…レーザビーム、M1…最下点、P1…第一ピーク、P2…第二ピーク、S…温度計測領域、W…熱影響層の形状。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a quality in laser welding in which a laser irradiation unit is irradiated with a laser from a laser irradiation unit to weld the workpiece while moving the laser irradiation unit relative to the workpieces such as superposed resins. It relates to the management method.
[0002]
[Prior art]
When laser welding is performed by irradiating the workpiece with laser light, the output of the laser oscillator that performs welding is set according to the thickness, material, and shape of the workpiece. However, if the output of the laser oscillator is simply set under these conditions, the initial temperature of the workpiece is not uniform or the temperature of the workpiece is increased due to heat conduction from the part already welded as welding progresses. It may not be possible to cope with fluctuations in the penetration depth and melt width of the weld due to the above, and uniform and high-quality welding may not be performed. In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-261576 discloses a heat processing apparatus that can stably measure the surface temperature distribution of an object to be welded during welding. By detecting the temperature distribution with high accuracy, it is possible to set conditions according to the temperature distribution.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-5-261576
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the heat processing apparatus disclosed in the above publication, the temperature distribution can be simply measured, and no specific means for improving the welding quality is disclosed. Therefore, although the temperature distribution was measured, it was impossible to know what welding conditions should be set.
[0005]
Then, the subject of this invention is providing the quality control method in the laser welding which manages quality in order to perform favorable welding.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The quality control method in laser welding according to the present invention that has solved the above problems is as follows.Light transmissive resinWith the upper layer workpieceLight absorbing resinLaser welding means for welding the workpiece by irradiating the workpiece with the laser beam from the laser irradiation means while moving the laser irradiation means relative to the workpiece to be superposed on the lower layer workpiece. In managing the welding state of the welded material, the laser irradiation means move in the moving direction of the laser beam irradiated from the upper layer workpiece side to the welding interface between the upper layer workpiece and the lower layer workpiece. On the other hand, the temperature of the weld interface between the upper layer workpiece and the lower layer workpiece is measured in the temperature measurement region set at the rear, and the welding state of the workpiece is measured based on the temperature measured in the temperature measurement region. It is characterized by managing.
[0007]
When laser welding is performed in which the workpiece is welded by irradiating the workpiece from the laser irradiation means while moving the workpiece relative to the laser irradiation means, the temperature of the irradiation region of the laser beam By measuring the welding state, it is possible to determine the welding state to some extent. Here, when the laser beam profile is constant, if the temperature is measured at the front position in the moving direction of the laser irradiation means in the laser beam irradiation region, the temperature can be increased by the subsequent laser irradiation. It is difficult to predict how much temperature rise. Therefore, even if the temperature measurement is performed at the front position in the moving direction of the laser irradiation means in the laser beam irradiation region, it cannot be said that the accuracy can be increased.
[0008]
In this regard, the quality control method in laser welding according to the present invention measures the temperature at the rear position in the moving direction of the laser irradiation means in the laser beam irradiation region. The rear position in the moving direction of the laser irradiation means in the laser beam irradiation region is a position where the temperature is high in the laser beam irradiation region. At a position where the temperature is high, it can be appropriately determined that the material to be melted evaporates or is not melted at all. Therefore, by measuring the temperature at the rear position in the moving direction of the laser irradiation means in the laser beam irradiation region, which is the highest temperature point in the laser beam irradiation region, and managing the welding state based on the measured temperature, Good quality control can be performed.
Moreover, it can be set as the aspect which measures the temperature of a welding interface with an infrared detector.
[0009]
Here, it is preferable to determine that there is a welding defect when the temperature measured in the temperature measurement region is out of the predetermined temperature range. By making such a determination, it is possible to accurately determine a welding failure.
[0010]
Further, it is preferable that the predetermined temperature range is determined based on the welding conditions of the workpiece. By determining the temperature range based on the welding conditions of the workpiece, quality control according to the workpiece can be performed satisfactorily. Examples of the welding conditions for the workpiece include the shape of the workpiece, the laser light absorption characteristics, and the melting point.
[0011]
Furthermore, it is preferable that the temperature measurement region is set at the rear end portion in the moving direction of the laser irradiation means in the laser irradiation region. When the laser irradiation region is a group of a plurality of laser beams, the maximum temperature in the laser irradiation region is the rear end portion in the moving direction of the laser irradiation means. Therefore, by setting the temperature measurement area at the rear end of the laser irradiation area in the moving direction of the laser irradiation means, the quality control of the workpiece can be performed more satisfactorily.
[0012]
On the other hand, the laser irradiation means irradiates the workpiece with two laser beams separated along the moving direction of the laser irradiation means, and the laser on the rear side in the moving direction of the laser irradiation means of the two laser beams. It is preferable that the temperature measurement region is set at the irradiation position of the beam.
[0013]
As described above, when the laser irradiation unit irradiates the workpiece with two laser beams separated along the moving direction of the laser irradiation unit, the laser beam irradiation on the rear side in the moving direction of the laser irradiation unit. The temperature in the range reflects the welding state of the workpiece. Therefore, by setting the temperature measurement region in the laser beam irradiation range on the rear side in the moving direction of the laser irradiation means, the quality control of the workpiece can be performed satisfactorily.
Moreover, it can be set as the aspect whose upper layer to-be-welded object is a light transmissive resin, and a lower layer to-be-welded object is a light absorptive resin.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In addition, each drawing has a part exaggerated or omitted for easy understanding of the description, and the dimensional ratio does not necessarily match the actual one.
[0015]
1A and 1B are diagrams schematically illustrating a state in which laser welding according to a first embodiment of the present invention is performed, in which FIG. 1A is a side sectional view and FIG. 1B is a plan view. As shown in FIG. 1, a
[0016]
Further, the laser condensing heads 2 and 3 are attached to a moving device (not shown) that moves along the direction in which the
[0017]
Further, in the beam spots (laser spots) B1 and B2 shown in FIG. 1B, which are the irradiation regions of the laser beams L1 and L2 on the
[0018]
The procedure of laser welding using the
[0019]
Further, as shown in FIG. 4A, the shape W of the heat-affected layer when irradiated with the laser beams L1 and L2 is adjusted so as to be substantially elliptical when viewed from the side. When welding is performed by a normal single spot, as shown in FIG. 4A, rapid volume expansion occurs at the welding interface due to rapid heating by laser light. At this time, a large pressure is generated from the liquid side toward the solid side at the interface between the solid and the liquid as shown in FIG. At this time, since the solid side is not deformed, the melted work material concentrates on the solid-liquid interface, resulting in high density, resulting in distortion. When the processing speed is high, the laser beam L1 serving as a heat source immediately leaves the place, and thus rapid cooling occurs. When the process of rapid heating to rapid cooling is performed, the distortion generated at the time of melting is not alleviated and the welding is completed from solidification, and a welding failure is likely to occur. Therefore, the two
[0020]
However, in such twin spot welding, if the temperature at the time of reheating is too high, distortion remains at the welding position, but distortion is reduced by minimizing volume expansion. Therefore, the temperature of the rear beam spot, which is the temperature at the time of reheating, is managed. In the rear beam spot B2, the temperature is maintained near the melting point. The reason is that the thermal distortion caused by the front beam spot is relaxed by the rear beam spot. In this way, by performing the temperature management of the rear beam spot B2, a welding failure of the
[0021]
Therefore, when controlling the welding quality of laser welding, when measuring the temperature of the front and rear beam spots, it is only necessary to determine whether the front beam spot is within the optimum welding temperature range, and the rear beam spot is abrupt. What is necessary is just to judge whether it exists in the temperature range which can correct the distortion by volume change. However, in order to make a determination in the above temperature range, it is premised that the surface accuracy of the
[0022]
First, consider the case where the shape accuracy of the workpiece is low. FIG. 5 shows the temperature change when the shape accuracy of the workpiece is low. In FIG. 5, the temperature of the front beam spot is indicated by 1st exposure, and the temperature of the rear beam spot is indicated by 2nd exposure. Now, when the shape accuracy of the workpiece is high, the pressure applied to the workpiece is uniform, but when the shape accuracy of the workpiece is low, the pressure applied to the workpiece is non-uniform. For this reason, the heat conduction to the light-transmitting
[0023]
Next, consider the case where the surface accuracy of the workpiece is low. FIG. 6 shows the temperature change when the surface accuracy of the workpiece is low. In FIG. 6, similarly to FIG. 5, the temperature of the front beam spot is indicated by 1st exposure, and the temperature of the rear beam spot is indicated by 2nd exposure. When the surface accuracy of the workpiece is low, a minute gap exists on the welding surface. Due to this minute gap, the temperature of the beam spot in front is high and unstable. On the other hand, the temperature of the rear beam spot is substantially uniform. From this result, it can be seen that, as in the case where the shape accuracy is low, even when the surface accuracy is low, if the temperature is uniform at the rear beam spot, the welding is performed with sufficient adhesion. Therefore, by managing the temperature of the rear beam spot, it can be confirmed whether or not the welding has been performed satisfactorily.
[0024]
Further, consider the case where there is a depression or the like. In order to investigate the temperature change when there is a depression, a depression is intentionally formed between the light-transmitting
[0025]
Based on the determination when the adhesion is not good, laser welding and a quality control procedure when performing this laser welding will be described. FIG. 2 is a flowchart showing the procedure of laser welding using the laser welding apparatus according to the present embodiment and its quality control.
[0026]
When laser welding starts, the laser condensing heads 2 and 3 start moving with respect to the
[0027]
As a result, when the front beam spot corresponds to the welding reference value, the welding by the front laser beam L1 is performed well, so whether the amplitude of the front beam spot corresponds to the amplitude reference value next. It is determined whether or not (S4). As a result, if it is determined that it corresponds to the amplitude reference value, since the welding is stable, it is determined whether or not the temperature of the rear beam spot corresponds to the temperature reference value (S5). The temperature reference value of the rear beam spot can be set to a temperature within a range having a predetermined width from the melting point at least above the glass transition point of the light-absorbing
[0028]
As a result, when the temperature of the rear beam spot corresponds to the temperature reference value, it can be determined that the welding has been performed satisfactorily. On the other hand, if the temperature is not within the predetermined temperature range and does not correspond to the temperature reference value, the condition is the same as being equivalent to a single spot (S6), so the strength of the
[0029]
On the other hand, when it is determined in step S3 that the temperature at the beam spot of the front laser beam L1 does not correspond to the welding reference value, it is considered that sufficient welding has not been performed. If it is determined in step S4 that the amplitude of the front beam spot does not correspond to the amplitude reference value, it is considered that the welding itself is unstable. Therefore, in these cases, it is determined whether or not the amplitude of the rear beam spot corresponds to the amplitude reference value (S8). As a result, when it is determined that it corresponds to the amplitude reference value, re-welding is performed in accordance with the principle (S9). On the other hand, when it is determined that it does not correspond to the amplitude reference value, it is determined whether or not the temperature of the rear beam spot suddenly becomes high (S10). Whether or not the temperature is suddenly high can be determined based on whether or not the temperature is suddenly high, as shown in the graph of FIG. As a result, when the temperature is suddenly high, it can be determined that a large depression has occurred. In this case, it is determined as a defective product. On the other hand, when it is determined that the temperature is not suddenly high, re-welding is performed as a rule (S9).
[0030]
In this way, good quality control can be performed by performing quality control of the
[0031]
Next, quality control performed based on only the temperature of the rear beam spot using the same laser welding apparatus will be described. In this aspect, only the rear beam spot becomes the temperature measurement region, and the welding state of the workpiece is managed based on the temperature measured in this temperature measurement region. FIG. 8 is a flowchart showing procedures in quality control performed based on only laser welding using a laser welding apparatus and the beam spot temperature at the rear.
[0032]
As shown in FIG. 8, when laser welding is started, the
[0033]
When the temperature of the beam spot is measured, it is determined whether or not the amplitude of the rear beam spot corresponds to the amplitude reference value (S13). As a result, when it is determined that it corresponds to the amplitude reference value, it is considered that the welding is stable, and it is subsequently determined whether or not the temperature of the rear beam spot corresponds to the welding reference value (S14). Here, the welding reference value can be a temperature within a range having a predetermined width from the melting point at least above the glass transition point of the light-absorbing
[0034]
If it is determined in step S13 that the amplitude of the rear beam spot does not correspond to the amplitude reference value, the surface accuracy is not improved and the welding itself is considered unstable. Welding. However, when the temperature is suddenly high, it is considered that there is a portion where there is a large depression and the light-transmitting
[0035]
If no sudden high temperature has occurred, it is determined whether the temperature of the rear beam spot is higher (HI) than the temperature within the range determined as the welding reference value (S16). On the other hand, even if it is determined in step S14 that the temperature of the rear beam spot does not correspond to the welding reference value, whether or not the temperature of the rear beam spot is higher (HI) than the temperature within the range determined as the welding reference value. Is determined (S16). As a result, if it is determined that the temperature of the rear beam spot is higher than the temperature within the range determined as the welding reference value, it is equivalent to single spot welding (S17), and strength prediction is performed (S18). . As a result of the strength prediction, when it is determined that there is sufficient strength, it is determined as a non-defective product, and when it is determined that there is not sufficient strength, re-welding is performed (S19). Further, when it is determined in step S16 that the temperature of the rear beam spot is not higher than the temperature within the range determined as the welding reference value, re-welding is performed (S19).
[0036]
Thus, good quality control can be performed only by managing the temperature of the rear beam spot.
[0037]
In the laser welding according to the present embodiment described above, the
[0038]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment, a so-called twin beam type laser welding apparatus is used, but in this embodiment, a single beam type laser welding apparatus is used.
[0039]
FIG. 10 is a side sectional view schematically showing a state in which laser welding according to the second embodiment of the present invention is performed. As shown in FIG. 10, the
[0040]
Further, a
[0041]
Next, the reason why the temperature measurement region S is set at the rear end portion of the beam spot B will be described. If the profile of the laser beam is constant with respect to the scanning direction, the workpiece will continue to be heated while the laser strikes. In order to determine whether the workpiece is evaporated or not melted, it is most preferable to observe the highest temperature point in the spot. Since it is not possible to predict how much the temperature will rise after the spot in the scanning direction, measuring the temperature at the end (rear end) with respect to the scanning direction will favorably evaporate or unmelt the workpiece. Can be confirmed.
[0042]
In addition, it is effective to measure the temperature of the rear end portion in the scanning direction when finding a welding defect. Although it depends on the size of the spot, if the unevenness of the front welding surface of the beam spot B is leveled and the welding is performed with good quality at the rear part, the temperature measurement result is constant and stable. However, when the unevenness is not formed in the front part of the beam spot B and a gap remains, the spot rear part temperature becomes very unstable. From this, it is possible to find a welding defect or the like by setting a temperature measurement region at the rear end of the scanning direction.
[0043]
Now, quality control when performing laser welding using the
[0044]
First, a method for determining a temperature threshold value for judging welding defects such as work evaporation, unmelting, and welding defects will be described. The first method for determining the threshold value is based on an empirical rule, and this method is the simplest method. In order to determine the threshold value, several samples are produced on a trial basis, and the threshold value is determined based on empirical rules from the data of the non-defective products and defective products. Here, FIG. 12 shows the result of actually producing a workpiece in a stable state and determining the strength in order to determine the threshold value. As shown in FIG. 12, a phenomenon is observed in which the strength decreases when the temperature rises from 340 ° C. to 360 ° C., and this is presumed to be caused by foaming of the weld surface (decomposition of the resin). Therefore, for example, the condition for determining a good product is a welding temperature of 4000 N / mm.2If it is equal to or higher than (MPa) and no bubbles are present on the welding surface, the optimum welding temperature range can be set to 270 ° C to 330 ° C. In an actual production line, welding is unstable outside the determined threshold range, and processing is performed as a defective product. This example is an example of a criterion for determining the threshold value, and differs depending on the material, product specifications, and the like.
[0045]
As a second method for determining the threshold value, a method using a neural network is also conceivable. This method will be described. Similar to the method of determining by empirical rule, several samples are produced on a trial basis, the data is learned by a neural network, and the threshold value is determined by the neural network. In an actual production line, those outside the determined threshold range are determined to be unstable, and are processed as defective products. Even in this method, the criterion for determining the threshold value varies depending on the material and product specifications.
[0046]
Then, from the data of FIG. 12 and the non-defective product conditions, the optimum welding temperature range is 270 ° C. to 330 ° C., the
[0047]
Further, for example, in the temperature change shown in FIG. 14 (a), after the start of welding, it once exceeds Tmax and then returns to the optimum temperature range for welding, but this time is less than Tmin and then returns to the optimum temperature range for welding again. Furthermore, it exceeds Tmax. Thereafter, the temperature is finally brought to about room temperature after leaving the optimum welding temperature range. Next, in the temperature change shown in FIG. 14 (b), the temperature continues to rise and enters the optimum welding temperature range, and after exceeding Tmax, the temperature falls and returns to the optimum welding temperature range. Thereafter, the temperature is finally brought to about room temperature after leaving the optimum welding temperature range. Furthermore, in the temperature change shown in FIG. 14 (c), after entering the welding optimum temperature range, the temperature change exceeds Tmax several times and falls below Tmin. Then, the temperature is finally brought to about room temperature after leaving the optimum welding temperature range. As described above, in any of the cases shown in FIGS. 14A to 14C, after the measured temperature enters the welding optimum temperature range, it is finally from the welding optimum temperature range until it is out of the welding optimum temperature range. There is a temperature that is off. In such a case, all are judged as welding defects and handled as defective products.
[0048]
Further, in the temperature change shown in FIG. 15 (a), once entering the optimum welding temperature range, the temperature is repeatedly moved up and down several times. However, the optimum welding temperature range is finally reached without leaving the optimum welding temperature range. The temperature will come out to about room temperature. Next, in the temperature change shown in FIG. 15 (b), once entering the optimum welding temperature range, the temperature is repeatedly moved up and down many times. However, the optimum welding temperature is finally reached without leaving the optimum welding temperature range. Out of the range, the temperature is about room temperature. Thus, after the measured temperature enters the welding optimum temperature range, there is no temperature that deviates from the welding optimum temperature range until it finally departs from the welding optimum temperature range. In such a case, it is judged that good welding has been achieved in all cases, and are handled as non-defective products.
[0049]
In this way, whether or not welding is good is determined by measuring the temperature change and determining whether or not the welding optimum temperature range is deviated. By the way, when there is a gap between the light-transmitting
[0050]
In the present embodiment, a resin material is used as the
[0051]
Next, a procedure for quality control that is more sophisticated than simple quality control will be described. FIG. 16 is a flowchart showing the quality control procedure of the laser welding apparatus according to this embodiment.
[0052]
When welding is started by the laser welding apparatus 20 (S21), data on the welding temperature is collected (S22). After collecting the temperature data, determine whether the measured temperature is within the optimum welding temperature range (reference value) in the entire range from entering the optimum welding temperature range until it is finally below the optimum welding temperature range. (S23). As a result, as shown in FIG. 17 (a), when it is within the reference value in all regions, no welding failure has occurred as in the case of simple quality control, so that it can be made non-defective. . On the other hand, if the reference value is not met, some problem has occurred.
[0053]
Therefore, when the value is outside the reference value, it is determined whether the welding optimum temperature range (Tmin ≦ T ≦ Tmax) is exceeded (Tmax <T, high) or below (T <Tmin, low) (S24). As a result, if the welding optimum temperature range has been exceeded (high), it is determined whether or not there is an abnormally high temperature exceeding the welding optimum temperature range (S25). As a result, as shown in FIG. 17C, when there is an abnormally high temperature, there is a recess, and there is a gap between the light-transmitting
[0054]
Also, as shown in the graph of FIG. 17B, when it is determined in step S24 that the temperature change has not exceeded the optimum welding temperature range (high) and is only lower (low), there is foreign matter on the interface. It may be mixed. Therefore, it is determined whether or not foreign matter is mixed (S27). As a result, when foreign matter is mixed, even if re-welding is performed, the temperature is lowered at the same location, so that it is regarded as a defective product. On the other hand, when it is determined that no foreign matter is mixed, since the damage to the
[0055]
In this way, it is possible to perform quality control that is more sophisticated than quality control based only on the optimum melting temperature region. Further, in performing such quality control, the temperature measurement region S is set at the rear end of the beam spot B as shown in FIG. It will be. Therefore, since the unmelted state of the
[0056]
The preferred embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above embodiment. For example, although resin is used as a workpiece in the preferred embodiment, the workpiece may be a metal. In addition, when the workpiece shape is complicated or the material changes in the middle, it is also possible to set the threshold value, the optimum melting temperature range, etc. appropriately according to the shape and material. it can.
[0057]
Furthermore, for the temperature measurement in the first embodiment, it may be a rear beam spot, the temperature at any position in the rear beam spot may be used, the temperature is measured at a plurality of positions, It can also be set as the average value of them.
[0058]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a quality control method in laser welding for managing quality in order to perform good welding.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A and 1B are diagrams schematically illustrating a state in which laser welding according to a first embodiment is performed, in which FIG. 1A is a side sectional view and FIG. 1B is a plan view;
FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of laser welding using a laser welding apparatus and quality control thereof.
FIG. 3 is a graph showing an example of a time-temperature curve when the temperature is observed at a certain point of a workpiece that is well welded.
4A is a side sectional view schematically showing the shape of a heat-affected layer at the time of laser beam irradiation, and FIG. 4B is a side sectional view schematically showing the pressure applied to the heat-affected layer.
FIG. 5 is a graph showing an example of a temperature change when the shape accuracy of a workpiece is low.
FIG. 6 is a graph showing an example of a temperature change when the surface accuracy of a workpiece is low.
FIG. 7 is a graph showing a result of temperature measurement when a depression is intentionally formed between the light-transmitting resin layer and the light-absorbing resin layer and both are beam-welded.
FIG. 8 is a flowchart showing a procedure in quality control performed based only on laser welding using a laser welding apparatus and a beam spot temperature at the rear.
FIG. 9 is a side sectional view showing a modification of the laser welding apparatus according to the first embodiment.
FIG. 10 is a side sectional view schematically showing a state in which laser welding according to a second embodiment is performed.
FIG. 11 is a plan view for explaining a temperature measurement region in a beam spot.
FIG. 12 is a graph showing a result of a strength test that was performed in a stable state in order to determine a threshold value.
FIG. 13 is a graph showing temperature changes when good welding is performed.
14 (a) to 14 (c) are temperatures that deviate from the optimum welding temperature range after the measured temperature has entered the optimum welding temperature range and are finally outside the optimum welding temperature range. It is a graph which shows a temperature change.
FIGS. 15A and 15B show temperature changes in which there is no temperature deviating from the optimum welding temperature range after the measured temperature has entered the optimum welding temperature range and until the last deviating from the optimum welding temperature range. It is a graph which shows.
FIG. 16 is a flowchart showing a quality control procedure of the laser welding apparatus according to the second embodiment.
FIG. 17A is a graph showing a temperature change when the measured temperature is within the reference value in the entire region, and FIG. 17B is a graph showing that the temperature does not exceed the optimum welding temperature range and is only below The graph which shows the temperature change in a case, (c) is a graph which shows a temperature change when there exists abnormally high temperature in the measured temperature.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記上層被溶接物側から、前記上層被溶接物の前記下層被溶接物との溶着界面に照射されたレーザビームの照射領域内のうち、前記レーザ照射手段の移動方向に対して後部に設定された温度計測領域における前記上層被溶接物と前記下層被溶接物との間の溶着界面の温度を計測し、
前記温度計測領域で計測された温度に基づいて、前記被溶接物の溶接状態を管理することを特徴とするレーザ溶接における品質管理方法。 The laser irradiation means is moved from the laser irradiation means to the workpiece to be welded while moving the laser irradiation means relatively with respect to the welding object in which the upper-layer workpiece to be light-transmitting resin and the lower-layer workpiece to be light-absorbing resin are overlapped. In managing the welding state of the workpiece in laser welding in which the workpiece is irradiated with a laser beam to weld the workpiece,
Within the irradiation region of the laser beam irradiated from the upper layer workpiece side to the welding interface between the upper layer workpiece and the lower layer workpiece, it is set at the rear with respect to the moving direction of the laser irradiation means. Measure the temperature of the weld interface between the upper layer workpiece and the lower layer workpiece in the measured temperature range,
A quality control method in laser welding, wherein a welding state of the workpiece is managed based on a temperature measured in the temperature measurement region.
前記2本のレーザビームのうち、前記レーザ照射手段の移動方向の後側におけるレーザビームの照射位置に前記温度計測領域が設定されている請求項1〜請求項4のうちのいずれか1項に記載のレーザ溶接における品質管理方法。The laser irradiation means irradiates the workpiece with two laser beams separated along the moving direction of the laser irradiation means,
The temperature measurement region is set at any one of the two laser beams at a laser beam irradiation position on the rear side in the moving direction of the laser irradiation means. Quality control method in laser welding as described.
Priority Applications (1)
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