JP4760408B2

JP4760408B2 - レーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法及び装置

Info

Publication number: JP4760408B2
Application number: JP2006024590A
Authority: JP
Inventors: 正剛菊山
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2011-08-31
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: JP2007203327A

Description

本発明は、金属帯同士を突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質をオンラインで監視するためのレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法及びそれに用いる装置に関する。

ダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機では、図４（ａ）に示すように、先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部をクランプ３，４で把持した状態で切断した後、図４（ｂ）に示すように、所定のギャップＧを形成して両切断面１Ａ，２Ａを突き合わせ、そのギャップＧにレーザービームで溶解した溶接金属を流し込み、溶接金属に金属帯材料を溶かし込むことで金属帯同士を接続している（特許文献１）。図４中、５は金属帯長手方向を示す。

レーザービーム溶接機により突き合わせ溶接する一連の操作手順を説明しておく。
まず、ライン外に退避してあったＣ形フレーム状をなす移動台に搭載されたダブルカットシャー装置をライン内の使用位置に移動し、ダブルカットシャー装置で切断を行う（図１参照方）。その際、クランプ３，４により先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を把持した状態で、下部シャー刃１０Ａを両金属帯の下面の位置まで上昇させ、その時点で、上部シャー刃１０Ｂを下降させる。このようにしてＣ形フレーム状をなす移動台に搭載されたダブルカットシャー装置により、先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を一度に切断する。

次いで、後行金属帯２を把持している方のクランプ４をクランプ３に向けて移動し、所定のギャップＧを形成して両切断面１Ａ，２Ａを突き合わせる。その後、ライン外に退避してあった溶接用レーザー装置の照射ヘッド部をライン内に移動し、レーザー発振器により発信されたレーザービームを照射ヘッド部に導きつつ、照射ヘッド部に配置した集光レンズでレーザービームを集光させ、照射ヘッド部を金属帯幅方向へ走査するようにしている。その際、照射ヘッド部に配置された集光レンズの光軸が金属帯長手方向の決めた位置を金属帯幅方向に沿って走査するように調整されている。また、両切断面１Ａ，２Ａを突き合わせる際には、コンピュータにギャップＧの値を設定し、後行金属帯２を把持している方のクランプ４を位置制御によって停止するようにしている。

こういったレーザー突き合わせ溶接法では、切断面の形状、突き合わせ溶接する際のギャップＧの精度、及び照射ヘッド部に配置された集光レンズの光軸の垂直度、および集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置などの精度を管理することが重要であり、定期的にダブルカットシャー装置のシャークリアランス、溶接用レーザー装置の光軸の精度およびセンサー等の精度測定を行うことで、突き合わせ溶接部の溶接品質を確保している。

なお、図５（ａ）には、レーザービーム溶接機により突き合わせ溶接した金属帯１，２を上から見た場合の溶接部６の模式図を示し、また図５（ｂ）には、Ｘ−Ｘ断面を模式的に示した。
ここで、板厚Ｈが２．０〜４．０ｍｍのステンレス鋼帯などをレーザー突き合わせ溶接法により突き合わせ溶接する場合、良好な溶接品質を得るためのギャップＧは、０．２〜０．４ｍｍと狭いため、レーザービーム溶接機に具備した各種装置の精度管理は厳しく行っている。

例えば、溶接品質を維持するために、図１に示すようなレーザービーム溶接機では、下部シャー刃取付台と下部シャー刃のラインに対して直角な方向の面に設けられた複数の貫通孔を介して圧縮空気を吹き付け、その背圧力を検出して得られた実シャークリアランス値と基準シャークリアランス値とを比較してシャークリアランス偏差を演算し、ダブルカットシャー装置のシャークリアランスの診断を行っていると記載されている（特許文献１）。

また、特許文献２には、突き合わせ溶接を行う溶接機において、精密突き合わせに必要な切断形状を得るための切断装置が開示されている。すなわち、特許文献２の溶接機に具備した切断装置は、Ｃ形フレーム状をなす移動台と、この移動台に上下に対向して設けられその間に配された被溶接材を切断する一対の切断装置と、該切断装置の一方に設けられたガイドピンと他方に設けられ被溶接材の切断時に上記ガイドピンを案内して切断時の横振れを防止するガイド機構を具備するものにおいて、上記ガイド機構にリニアモーションベアリングを用いている。特許文献２のようにガイド機構にリニアモーションベアリングを用いた溶接機によれば、図６で、金属帯長手方向５に対する実切断線２１，２２の直角度を向上させることができるとされている。図６中、２０は、金属帯長手方向５に直角な切断基準線を示す。
特開平８−２１５９２４号公報特開昭６１−１００３１１号公報

しかしながら、図１に示すようなレーザービーム溶接機には、シャー装置のガイド機構としてリニアベアリング内蔵ブッシュ１３が設けられており、ガイドロッド１２をリニアベアリング内蔵ブッシュ１３により支持する構成になっているが、このレーザービーム溶接機を設置した連続ライン内で突き合わせ溶接部の溶接品質不良によって溶接部６で破断するというライントラブルが発生する場合がある。

金属帯１，２の溶接破断部を詳細に観察したところ、突き合わせ溶接部に金属帯材料が十分溶かし込まれておらず、接合強度が不十分であることが判明し、その原因を種々検討した。その検討過程において、図１に示すようなレーザービーム溶接機では、下部シャー刃１０Ａの昇降が下部シャー刃取付台１０に固定したガイドロッド１２をリニアベアリング内蔵ブッシュ１３で案内しつつ、油圧シリンダー等により行われているため、金属帯長手方向５に対する実切断線２１，２２の直角度は良好であることがわかった。

また、前記検討過程において、ダブルカットシャー装置で切断された両切断面１Ａ，２Ａの形状、突き合わせ溶接する際の後行金属帯２を把持している方のクランプ４の停止精度、あるいは、照射ヘッド部に配置された集光レンズの光軸の垂直度、および照射ヘッド部が金属帯幅方向へ移動する際の集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置などの精度は管理範囲内に調整されていることもわかった。それにもかかわらず、突き合わせ溶接部の溶接品質が悪化する場合があることから考え、下部シャー刃１０Ａの上昇時において、下部シャー刃取付台１０が金属帯長手方向５に向かって力を受け、切断基準線２０からずれが発生した状態で、先行金属帯と後行金属帯の両対向端部を切断していることがその原因ではないかと推定した。それを実証するために、下部シャー刃取付台１０の金属帯長手方向への変位量を検出する検出器としてレーザー変位計９をダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機に設け、オンライン状態で下部シャー刃取付台１０の金属帯長手方向への変位量を測定した。そうしたところ、最大で１ｍｍの変位量が測定される場合あり、切断基準線２０に対する実切断線２１，２２の金属帯長手方向位置が大きくずれることが明確になった。

ところで、金属帯を連続して処理する連続ラインでは、レーザービーム溶接機により金属帯１，２同士を接続する時間が限られており、また、レーザービームを用い、突き合わせ溶接した溶接部品質の良、不良を確実に判定することができる監視装置が見あたらないこともあって、突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を目視によって判定している。従って、切断基準線２０に対する実切断線２１，２２の金属帯長手方向位置が大きくずれていた場合でも、そのずれ量が高々１ｍｍであるため、レーザー突き合わせ溶接法では金属帯１，２同士が溶接品質の悪い溶接部６で接続された状態となり、そのまま連続ラインに送り出されてしまうという、解決すべき課題があった。

本発明は、上記従来技術の問題点を解消し、金属帯同士を突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質を目視によらず、検出器によりオンラインで監視することにより連続ラインの操業の安定化を達成可能なレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明は、以下のとおりである。
１．上・下クランプにより把持した先行金属帯と後行金属帯の両対向端部を上・下部シャー刃を有するダブルカットシャー装置で切断した後、切断した金属帯同士の両端面を突き合わせ、レーザービームを用い、突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良を監視するレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法であって、
前記シャー装置によって金属帯の両対向端部を切断する工程の前記下部シャー刃を両金属帯の下面の位置まで上昇させた時に、前記下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を、下クランプ架台に取り付けられた非接触のレーザー変位計で検出し、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定することを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法。

２．上・下クランプにより把持した先行金属帯と後行金属帯の両対向端部を上・下部シャー刃を有するダブルカットシャー装置で切断した後、切断した金属帯同士の両端面を突き合わせ、レーザービームを用い、突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良を監視する溶接精度オンライン監視装置であって、
前記シャー装置によって金属帯の両対向端部を切断する工程の前記下部シャー刃を両金属帯の下面の位置まで上昇させた時に、前記下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を、下クランプ架台に取り付けられた非接触のレーザー変位計で検出する検出器と、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定する判断部を設けたことを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視装置。
３．上記１．において、溶接部の溶接品質の良、不良を判定するための前記ずれ量の閾値を０．３ｍｍとすることを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法。

本発明によれば、金属帯同士を突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質を目視によらず、検出器によりオンラインで監視することにより連続ラインの操業の安定化を達成することができる。

以下、本発明を図１に示したレーザービーム溶接機に適用した実施の形態について説明する。
本発明を適用したレーザービーム溶接機は、溶接精度オンライン監視装置として、金属帯の両対向端部を切断する工程の下部シャー刃１０Ａの上昇時に、切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を検出する検出器としてレーザー変位計９と、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良を判定する判断部を設けたラインコンピュータ１７を備えている。レーザー変位計９は、出側下クランプ架台８の所定高さ位置に取付けられている。その他の構成は、従来のダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機と同様である。ダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機によるレーザー突き合わせ溶接法については既に説明したので説明を省略する。

なお、ラインコンピュータ１７は、上位コンピュータ１８と接続され、突き合わせ溶接する金属帯１，２に関する情報を上位コンピュータから受けていると共に、表示装置（ＣＲＴ）１９に、レーザービーム溶接機により突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良の判定結果を表示することができる。図１中、１４は下部シャー刃昇降方向を示し、１５は上部シャー刃昇降方向、１６は金属帯進行方向を示す。また、９Ａは、レーザー変位計９から照射された、変位測定用レーザー光の照射方向を示す。

上記の実施の形態に係る溶接精度オンライン監視装置の作用について説明する。
前記ずれ量の基準となる切断基準線は、例えば、形状が良好な熱延ステンレス鋼帯１を用い、実際にレーザービーム溶接機によって突き合わせ溶接を行い、その後エリクセン試験などにより突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質を調べ、その試験結果に基づいて最も良好な溶接品質を得ることができる金属帯長手方向５の所定位置を切断基準線として決定することができる。このような切断基準線の決定は、シャー刃の交換時や定期点検毎に行うのがよい。また、レーザー変位計９の検出したずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定する判断部には、閾値を設定する。閾値の値は、当該レーザービーム溶接機に設けたレーザー照射装置の仕様などにより溶接部６が連続ライン内で破断しないような適切な値に設定する。

例えば、ラインコンピュータ１７の判断部に、突き合わせ溶接部６の溶接品質の良、不良を判定する閾値を０．３ｍｍと設定したしたときには、図２に示すように、金属帯進行方向へのずれ量が０．３ｍｍを超えた場合、あるいは金属帯反進行方向へのずれ量が０．３ｍｍを超えた場合、ラインコンピュータ１７により突き合わせ溶接部６の溶接品質が不良と判定される。図２に例示したように、レーザー変位計９が検出した下部シャー刃の上昇時のずれ量が金属帯反進行方向へ０．３ｍｍを超えてずれているときには、このまま連続ラインに送り出した場合、ライン内で溶接部破断が発生する危険性が高いため、ラインコンピュータ１７の指令により金属帯１，２の溶接をやり直す。一方、金属帯進行方向へのずれ量が０．３ｍｍ以内で、かつ金属帯反進行方向へのずれ量が０．３ｍｍ以内の場合には、ラインコンピュータ１７内の判断部で溶接品質良と判定し、ラインコンピュータ１７の指令により、そのまま連続ラインに送り出す。

このように下部シャー刃１０Ａの上昇時に、切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を検出し、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定するレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法によれば、金属帯同士を突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質を目視によらず、検出器によりオンラインで監視することができる。

ここで、図１に示したレーザービーム溶接機において、下部シャー刃１０Ａの上昇時に下部シャー刃取付台１０が金属帯長手方向５に向かって力を受け、切断基準線２０からのずれ量が大きい状態で両対向端部を切断した場合、突き合わせ溶接部の溶接品質が悪化する理由について図３により説明する。
本発明を適用したレーザービーム溶接機では、レーザービームを用い、突き合わせ溶接する際に、設定したギャップＧの値になったときに後行金属帯２を把持している方のクランプ４を位置制御によって停止するようにしている。従って、下部シャー刃１０Ａの上昇時に下部シャー刃取付台１０が金属帯長手方向５に向かって力をあまり受けず、切断基準線２０からのずれ量が小さい状態で先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を切断した場合、図３（ａ）に例示するように、突き合わせ溶接する際のギャップＧの金属帯長手方向５の位置は、集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置７に対してずれが少ない。

これに対して、下部シャー刃１０Ａの上昇時に下部シャー刃取付台１０が金属帯長手方向５に向かって力を受け、切断基準線２０からのずれ量が大きい状態で先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を切断した場合、図３（ｂ）に例示するように、突き合わせ溶接する際のギャップＧの金属帯長手方向５の位置は、集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置７に対して大きくずれる。このために、下部シャー刃１０Ａの上昇時に切断基準線２０からのずれ量が大きい状態で、先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を切断した場合には、突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質が悪化するのである。

下部シャー刃１０Ａの上昇時に下部シャー刃取付台１０が金属帯長手方向５に向かって変位する原因には、クランプ３，４により先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部を把持した状態で、下部シャー刃１０Ａを両金属帯の下面の位置まで上昇させるので、その際、先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部の少なくとの一方の形状が悪いと、下部シャー刃１０Ａを介して大きい力が下部シャー刃取付台１０に作用することが挙げられる。

ただし、下部シャー刃１０Ａと対応する上部シャー刃１０Ｂとの間にはシャークリアランスが設けられているため、切断基準線２０に対する実切断線２１，２２の金属帯長手方向位置へのずれ量が高々１ｍｍであるので、上部と下部のシャー刃同士が接触することもなく、Ｃ形フレーム状をなす移動台に搭載されたダブルカットシャー装置により先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部が一度に切断される。

また、金属帯１，２の溶接を再度やり直した場合には、ダブルカットシャー装置により２回目の切断を行う際、先行金属帯１と後行金属帯２の両対向端部の形状が１回目の切断を行う際に比べて良好となるため、下部シャー刃１０Ａの上昇時にレーザー変位計９の検出する切断基準線２０からのずれ量が１回目の切断を行う際に比べて２回目の方が小さくなることによって、突き合わせ溶接部の溶接品質が良と判定される可能性が高まる。

なお突き合わせ溶接する際のギャップＧが１．０ｍｍ以下であるレーザービーム溶接機では、良好な突き合わせ溶接部の溶接品質を得るために、ギャップＧの精度は、±０．０１ｍｍ以内に管理し、集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置７の精度は、±０．０３ｍｍ以内に管理し、ガイドロッド１２をリニアベアリング内蔵ブッシュに挿入した状態で金属帯長手方向の隙間（金属帯長手方向へのがた）は、０．５ｍｍ以下に管理するのが好ましい。

板厚Ｈが２．０〜６．０ｍｍ、板幅Ｗが７００〜１６００ｍｍの熱延ステンレス鋼帯に焼鈍・酸洗を施すことができる熱延板焼鈍酸洗ラインのレーザービーム溶接機に本発明を適用した。本発明を適用する以前の熱延板焼鈍酸洗ラインでは、下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ、もしくは原因不明の溶接破断の回数は、図２に示すように、月平均で１．５回であったが、本発明を適用した以降では、下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ、もしくは原因不明の溶接破断は皆無となった。なお、図２に示す頻度は、本発明を適用する前１年間の値である。

本発明を適用したダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機の概略構成図である。本発明を適用したダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機の溶接良、不良の範囲を示す特性図である。本発明を適用したダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機において溶接品質が良好である場合または悪化する場合を説明する模式図である。ダブルカットシャー装置を備えたレーザービーム溶接機の動作を説明する模式図である。（ａ）は、レーザービーム溶接機で接続した金属帯１，２を上から見た場合の溶接部６の模式図であり、（ｂ）は、金属帯１，２の溶接部６を示すＸ−Ｘ断面図である。ダブルカットシャー装置の切断基準線２０に対する切断線２１，２２を示す模式図である。

符号の説明

１，２金属帯
１Ａ，２Ａ切断面
３出側クランプ
４入側クランプ
５金属帯長手方向
６溶接部
Ｇ両切断面突き合わせ時のギャップ
Ｈ板厚
Ｗ板幅
７集光レンズの光軸の金属帯長手方向位置
８出側下クランプ架台
９レーザー変位計
９Ａ変位測定用レーザー光の照射方向
１０下部シャー刃取付台
１１上部シャー刃取付台
１０Ａ，１０Ｂシャー刃
１２ガイドロッド
１３リニアベアリング内蔵ブッシュ
１４下部シャー刃昇降方向
１５上部シャー刃昇降方向
１６金属帯進行方向
１７ラインコンピュータ
１８上位コンピュータ
１９表示装置（ＣＲＴ）
２０切断基準線
２１，２２実切断線

Claims

上・下クランプにより把持した先行金属帯と後行金属帯の両対向端部を上・下部シャー刃を有するダブルカットシャー装置で切断した後、切断した金属帯同士の両端面を突き合わせ、レーザービームを用い、突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良を監視するレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法であって、
前記シャー装置によって金属帯の両対向端部を切断する工程の前記下部シャー刃を両金属帯の下面の位置まで上昇させた時に、前記下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を、下クランプ架台に取り付けられた非接触のレーザー変位計で検出し、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定することを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法。
上・下クランプにより把持した先行金属帯と後行金属帯の両対向端部を上・下部シャー刃を有するダブルカットシャー装置で切断した後、切断した金属帯同士の両端面を突き合わせ、レーザービームを用い、突き合わせ溶接した溶接部の溶接品質の良、不良を監視する溶接精度オンライン監視装置であって、
前記シャー装置によって金属帯の両対向端部を切断する工程の前記下部シャー刃を両金属帯の下面の位置まで上昇させた時に、前記下部シャー刃の切断基準線に対する実切断線の金属帯長手方向へのずれ量を、下クランプ架台に取り付けられた非接触のレーザー変位計で検出する検出器と、該ずれ量に基づいて突き合わせ溶接部の溶接品質の良、不良を判定する判断部を設けたことを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視装置。
請求項１において、溶接部の溶接品質の良、不良を判定するための前記ずれ量の閾値を０．３ｍｍとすることを特徴とするレーザービーム溶接機の溶接精度オンライン監視方法。