JP4667446B2

JP4667446B2 - パルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法

Info

Publication number: JP4667446B2
Application number: JP2007311155A
Authority: JP
Inventors: 進塚本; 勲川口; 吾郎荒金; 博史本田
Original assignee: IHI Corp; National Institute for Materials Science
Current assignee: IHI Corp; National Institute for Materials Science
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: JP2008073771A

Description

本発明は、パルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法に関する。

近年の飛躍的なレーザ発振器の大出力化に伴い、レーザ発振器を深溶込みおよび高速溶接へと適用することが期待されている。しかし、溶込みが深くなるに伴い、レーザ照射部で形成されるキーホールを安定に維持することが困難となるため、ポロシティ、ブローホール、および、割れといった溶接欠陥が発生しやすくなることが問題となる。そこで、構造材などを含む広範囲な材料加工にレーザ溶接技術を適用する上で、溶接欠陥の発生の防止を実現する技術の開発が必要不可欠である。

このような技術的課題に対して、本発明者らは、図８に示したように、溶融池の固有振動と一致する周波数でレーザ出力を変動することにより、ポロシティ、ブローホール、および、割れといった溶接欠陥の発生を効果的に防止するレーザ溶接方法を開発した（特願２００１−２５９５４）。この方法においては、図９に示すように、溶接欠陥の防止効果がパルスレーザのパルス変調周波数に大きく依存する。すなわち、最適なパルス変調周波数において、顕著に欠損の抑制が行われるものであり、パルス変調周波数の選択方法が重要な課題である。この最適なパルス変調周波数ｆは、溶融池を波が往復する運動の周波数であるため、溶融池の長さＬと波の進行速度ｖとからｆ＝ｖ／２Ｌと求められる。溶融池の長さＬと波の進行速度ｖとを知るためには、予め溶融池表面を高速度撮影し、その画像から溶融池の長さＬと波の進行速度ｖとを算出する方法が知られているが、実際の利用を考えたときに即時性などの観点から不便が生じており、より簡便かつ高速に最適なパルス変調周波数を決定する方法が求められていた。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、出力のパルス変調を行うレーザ溶接において、溶接欠陥の発生を最小化するのに最適なレーザ出力変調周波数を簡便かつ高速に決定するための方法、すなわち、パルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の特徴を有している。
すなわち、第１の発明は、パルスレーザ溶接に際し、種々の条件下においてレーザ溶接部で形成されるプラズマ発光、あるいは、プルームから発生する発光の発光強度を光センサで検出し、発光強度が閾値以下となる時間帯からレーザ出力のパルス周波数を決定する方法であって、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ _0B 、あるいは、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ _0B が、最小となる周波数を最適なパルス変調周波数として決定することを特徴としている。

第２の発明は、パルスレーザ溶接に際し、種々の条件下においてレーザ溶接部で形成されるプラズマ発光、あるいは、プルームから発生する発光の発光強度を光センサで検出し、発光強度が閾値以下となる時間帯からレーザ出力のパルス周波数を決定する方法であって、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ_0B およびピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ _0P、あるいは、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ_0B およびピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ _0P を算出し、ｔ _0B ／ｔ _0P あるいはｐ _0B ／ｐ _0P が最小となる周波数を最適なパルス変調周波数として決定することを特徴としている。

本発明によれば、出力のパルス変調を行うレーザ溶接において、溶接欠陥の発生を最小化するのに最適なレーザ出力変調周波数を簡便かつ高速に決定する方法が提供される。したがって、従来技術においては困難であった厚板を対象とした高品質なレーザ溶接が簡便に実施可能となり、レーザ溶接の適用分野の拡大が期待される。

図１は、本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法を実施するための構成の一例を示したものである。レーザ光源４から出力されるレーザは放物面鏡５を介して、ワークテーブル７上に設置された被溶接物６に照射される。レーザ溶接部で形成されるプラズマ発光、あるいは、プルーム１から発生する発光の発光強度を光センサ２で検出し、レーザ出力と同期して検出信号を記憶装置３に記憶する。光センサとしては、フォトダイオードなどが用いられる。記憶装置３に記憶されたデータから光センサで検出される発光の強度が予め設定された閾値以下となる時間帯の出現頻度、すなわち、発光強度を検出するサンプリング・タイムに対する発光強度が閾値以下となる時間帯の度合いを調べ、最適なパルス変調周波数を決定する。決定した最適なパルス変調周波数は、レーザ光源４にフィードバックされ、出力のパルス変調が行える。

図２は、検出信号を時系列に並べた波形である。波形中には、＊印で示したように、発光強度が微弱となる区間が見られる。これは、キーホール内部から大量の溶融金属が噴出した直後に、キーホール内部にてレーザと溶融金属の相互作用が無くなるために、金属の蒸発が瞬間的に途絶えることを示しており、発光強度が微弱となる区間の出現を調べることで大きな溶融金属の噴出を検知することができる。

パルス変調の周波数が溶融池振動の周波数と一致する最適なパルス変調周波数においては、大きな溶融金属の噴出が、パルスレーザのピーク出力時に多く検出される。一方、パルス変調周波数が最適値から外れると、溶融金属の噴出がピーク出力時のみならず、ベース出力時にも、次第にランダムに検出されるようになる。このため、図２中に＊印で示したようなプラズマ発光あるいはプルームの発光が途絶える区間（発光強度が微弱となる区間）がパルス変動に対してどのような位相で出現するかを調べることで、最適なパルス変調周波数を知ることができる。以下に、最適なパルス変調周波数を決定するための具体的な方法を示す。

まず、図２にも示した通り、発光強度が微弱となる区間を限定するために、波形に対して閾値を設ける。この閾値よりも、発光強度が小さい区間を拾うことで、溶融金属の噴出時期を検出する。ここで、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和をｔ_0B、また、ピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和をｔ_0Pとする。このとき、ｔ_0Bが最小となるようなパルス変調周波数が、最適なパルス変調周波数として決定される。また、ｔ_0Bとｔ_0Pの比であるｔ_0B／ｔ_0Pが最小となるようにパルス変調周波数を決定することにより、さらに高い精度で最適なパルス変調周波数が求まることとなる。

また、ｔ_0Bおよびｔ_0Pを算出する替わりに、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ_0B、すなわち、ベース出力時間の総和に対して発光強度が閾値以下となる時間帯の度数およびピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ_0P、すなわち、ピーク出力時間の総和に対して発光強度が閾値以下となる時間帯の度数を求め、ｐ_0Bあるいはｐ_0B／ｐ_0Pが最小となるようにパルス変調周波数を求め、それを最適なパルス変調周波数としてもよい。

本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法においては、発光強度波形のノイズカット処理や信号演算等を施すことにより、さらに高い精度で最適なパルス変調周波数を求めることが可能となる。また、プラズマ発光またはプルームにおける発光の発光強度が閾値以下となる状態が、任意の設定時間以上持続する区間だけを選択し、その時間あるいは頻度をもとに最適なパルス変調周波数を決定してもよい。

本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法においては、最適なパルス変調周波数の決定に必要とされる計算量が少ないことから高速での最適なパルス変調周波数の決定が可能であり、決定された最適なパルス変調周波数によるリアルタイムでのレーザ光源に対するフィードバック制御が容易に実施可能である。

以上は、本発明における態様の一例であり、本発明が以上で示した形態に限定されることはなく、その細部について、様々な形態を通りうることが考慮されるべきであることは言うまでもない。

レーザ溶接時に、プラズマ発光あるいはプルームにおける発光を検出することで、溶接現象をモニターする方法に関しては、数多くの特許出願がなされており、既に公知である。本発明においては、プラズマ発光あるいはプルームにおける発光の検出により溶融池の固有振動周波数を高速かつ簡便に求め、求められた周波数をパルス変調周波数として設定してパルスレーザの出力を変動することで、溶接欠陥の発生を的確に防止することを実現するものであり、この点に関して公知の技術と大きく異なることを強調したい。

以下に実施例を示し、本発明についてさらに具体的に説明する。

図１に示したような実施構成により、一般溶接構造用鋼ＳＭ４９０Ａを被溶接物として、ビードオンプレートによりパルス変調部分溶込み溶接を行った。

プラズマの発光強度を感度波長範囲１９０〜１１００ｎｍのＳｉフォトダイオード２（Ｓｉ−ＰＤ）を用いて、サンプリング周波数５０ｋＨｚで計測した。Ｓｉ−ＰＤは、被溶接物と同一レベルの水平方向に設置した。レーザビームは、焦点距離５００ｍｍの放物面鏡により被溶接物表面に収束した。レーザの出力は、ピーク出力２０ｋＷ、ベース出力１２ｋＷ、デューティ５０％のパルス変調をかけ、パルス変調周波数を１２Ｈｚから９８Ｈｚの範囲で変化させた。

図３は、得られたプラズマ発光強度の波形の一例である。前述の通り、＊印で示されるような発光強度が微弱となる区間が随所で見られる。この区間においては、大量の溶融金属が噴出した後にレーザと溶融金属の相互作用がない状態となっていること示しており、パルス変調した出力信号においてこの状態が出現する位相を調べることで、最適なパルス変調周波数を決定することができる。

まず、５ｋＨｚのローパスフィルターによりプラズマの発光強度波形よりノイズを除去する。次いで、０．３Ｖの閾値を設定し、この閾値より発光強度が小さくなる状態が２ｍｓ以上継続する確率を各位相ごとに調べた。図４は、パルス変調周波数が１６Ｈｚと２０Ｈｚの場合について、閾値より発光強度が小さくなる状態が２ｍｓ以上継続する確率を、それぞれ示したものである。図４（ａ）より、パルス変調周波数を１６Ｈｚとした場合には、ピーク出力時にプラズマの発光強度が閾値以下となる確率が高いが、ベース出力時にはこの確率が低い。一方、図４（ｂ）より、パルス変調周波数を２０Ｈｚとした場合には、大きな溶融金属の噴出がランダムに発生するため、プラズマの発光強度が閾値以下になる確率が、ピーク出力時とベース出力時とで明確な区別が付かなくなっている。図５より、本実施例の溶接条件下において、ポロシティの発生が最も効果的に抑止されているパルス変調周波数は１６Ｈｚであり、１６Ｈｚが最適なパルス変調周波数であると考えられる。最適なパルス変調周波数においては、ピーク出力時にプラズマの発光強度が閾値以下となる確率が高くなるが、ベース出力時にはこの確率が低くなる傾向があることから、ピーク出力時およびベース出力時におけるプラズマの発光強度が閾値以下となる確率を調べることで、最適なパルス変調周波数が決定できる。

ベース出力時にプラズマの発光強度が閾値０．３Ｖ以下となる状態が２ｍｓ以上継続する時間の総和をｔ_0B、ベース出力の総和をｔ_Bとしたときの、各周波数におけるｔ_0Bの出現頻度ｐ_0B（＝ｔ_0B／ｔ_B）を図６に示す。同様に、ピーク出力時にプラズマの発光強度が閾値０．３Ｖ以下となる状態が２ｍｓ以上継続する時間の総和をｔ_0Pとしたときの、各周波数におけるｔ_0Bとｔ_0Pの比ｔ_0B／ｔ_0Pを図７に示す。図６および図７より、ポロシティの発生率が最も小さい最適なパルス変調周波数において、ｐ_0Bおよびｔ_0B／ｔ_0Pの値が最小となっている。

以上の通り、本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法により、レーザ照射位置から発生するプラズマの発光強度を検出することで、溶接欠陥の発生を防止するのに最適なパルス変調周波数を決定することができた。

本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法を実施するための装置構成の一例を示した概要図である。本発明のパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法の原理について示した図である。本発明の実施例において、Ｓｉ−ＰＤにより測定されたプラズマの発光強度の波形を示した図である。本発明の実施例において、閾値より発光強度が小さくなる状態が２ｍｓ以上継続する確率について示した図である。本発明の実施例において、ポロシティ発生率とパルス変調周波数との関係について示した図である。本発明の実施例において、パルス変調周波数とｐ_0Bとの関係について示した図である。本発明の実施例において、パルス変調周波数とｔ_0B／ｔ_0Pとの関係について示した図である。本発明の発明者らによる従来技術の原理について示した図である。本発明の発明者らによる従来技術の原理について示した図である。

符号の説明

１プルーム
２光センサ
３記憶装置
４レーザ光
５放物面鏡
６波溶接物
７ワークテーブル

Claims

パルスレーザ溶接に際し、種々の条件下においてレーザ溶接部で形成されるプラズマ発光、あるいは、プルームから発生する発光の発光強度を光センサで検出し、発光強度が閾値以下となる時間帯からレーザ出力のパルス周波数を決定する方法であって、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ _0B 、あるいは、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ _0B が、最小となる周波数を最適なパルス変調周波数として決定することを特徴とするパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法。
パルスレーザ溶接に際し、種々の条件下においてレーザ溶接部で形成されるプラズマ発光、あるいは、プルームから発生する発光の発光強度を光センサで検出し、発光強度が閾値以下となる時間帯からレーザ出力のパルス周波数を決定する方法であって、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ_0B およびピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の総和ｔ _0P、あるいは、ベース出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ_0B およびピーク出力時において検出される発光強度が閾値以下となる時間帯の出現頻度ｐ _0P を算出し、ｔ _0B ／ｔ _0P あるいはｐ _0B ／ｐ _0P が最小となる周波数を最適なパルス変調周波数として決定することを特徴とするパルスレーザ溶接におけるレーザ出力のパルス周波数の決定方法。