JP6513906B2 - レーザ溶着装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を照射してワークを溶着するレーザ溶着装置に関する。

例えば、特許文献１に記載の溶着装置では、溶着部の通電完了温度と通電中（加熱中）の溶着部温度との温度差を表示する機能を備えている。

特開平６−３１８１１号公報

特許文献１に記載の溶着装置では、表示される温度差を作業者が目視にて確認しながら溶着作業を行うものである。このため、溶着の適否判断は、作業者の習熟度に大きく影響される。

本発明は、上記点に鑑み、作業者の習熟度に大きく影響されることなく、溶着の適否判断をすることが可能なレーザ溶着装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、レーザ光にてワークを加熱溶着するレーザ溶着装置において、レーザ光を出射する発光部（７）と、レーザ光が照射された部位（以下、溶着部という。）の温度を検出する非接触式の温度検出部（９）と、溶着部が溶着したか否かを判断する判断部であって、レーザ光が照射された時から予め設定された第１所定時間（Ｔ１）が経過した時を基準時として、当該基準時から予め設定された第２所定時間（Ｔ２）が経過する時までを計測時間としたとき、計測時間（Ｔ３）内に温度検出部（９）にて検出された検出温度（Ｔｍ）が、予め設定された温度範囲（Ｔｗ）内である場合に溶着部が溶着したと判断し、計測時間（Ｔ３）内に検出された検出温度（Ｔｍ）が温度範囲外となった場合には溶着部が溶着していないと判断する判断部（１１）とを備えることを特徴とする。

これにより、本発明では、第２所定時間（Ｔ２）が経過する時までの間において、検出温度（Ｔｍ）が温度範囲外となった場合には溶着部が溶着していないと判断される。また、第２所定時間（Ｔ２）が経過する時までの間において、検出温度（Ｔｍ）が温度範囲（Ｔｗ）内である場合に溶着部が溶着したと判断される。したがって、作業者の習熟度に大きく影響されることなく、溶着の適否判断をすることができる。

因みに、上記各手段等の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段等との対応関係を示す一例であり、本発明は上記各手段等の括弧内の符号に示された具体的手段段等に限定されるものではない。

（ａ）及び（ｂ）は本発明の実施形態に係るレーザ溶着装置１の概念図である。 検出温度Ｔｍと時間経過との関係を示す図である。 本発明の実施形態に係るレーザ溶着装置１の溶着判断を示すフローチャートである。

以下に説明する「発明の実施形態」は実施形態の一例を示すものである。つまり、特許請求の範囲に記載された発明特定事項等は、下記の実施形態に示された具体的手段や構造等に限定されるものではない。

本実施形態は、溶着対象となる２つのワークを回転させながら、それらワークを溶着するレーザ溶着装置に本発明を適用したものである。各図に付された方向を示す矢印等は、各図相互の関係を理解し易くするために記載したものである。本発明は、各図に付された方向に限定されるものではない。

少なくとも符号を付して説明した部材又は部位は、「複数」や「２つ以上」等の断りをした場合を除き、少なくとも１つ設けられている。以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。

１．レーザ溶着装置の概略構成
本実施形態に係るレーザ溶着装置１は、図１（ａ）に示すように、鉛直方向（上下方向）に直列に並べられた２つのワークＷ１、Ｗ２をレーザ光にて加熱して溶着する。２つのワークＷ１、Ｗ２は、鉛直方向と平行な軸線Ｌ１を中心に回転しながらレーザ光により溶着される。

下部ワークホルダー３Ａは下側のワークＷ２が載置される回転テーブルである。当該下部ワークホルダー３Ａは、サーボモータ等の電動モータ５から回転力が供給されて回転駆動される。なお、本実施形態では、下部ワークホルダー３Ａは、減速機等の動力伝達機構を介すことなく、電動モータ５から直接的に駆動力を得ている。

上部ワークホルダー３Ｂは、上側に配置されたワークＷ１を下側のワークＷ２に押し付けるための回転体であって、ワークＷ１と一体的に回転可能である。加圧シリンダー３Ｃは上部ワークホルダー３ＢをワークＷ１に押し付ける押圧力を発揮する。これにより、ワークＷ１はワークＷ２に押圧される。

発光部７はレーザ光を出射する。当該レーザ光は、ワークＷ１とワークＷ２との接合部に向けて出射される。これにより、ワークＷ１及びワークＷ２のうちレーザ光が出射された部位が溶融して両者が溶着する。

なお、本実施形態に係るワークＷ１、Ｗ２は、レーザ光の透過率が高い樹脂（例えば、ポリアミド６１２等）製である。これは、発光部７は、ワークＷ１、Ｗ２の外側側、つまり外表面側からレーザ光を照射するのに対して、本実施形態では、ワークＷ１とワークＷ２との接合部は、外表面より内側にずれた部位に位置しているからである。

レーザ光は、ワークＷ１、Ｗ２を１回転（３６０度）以上回転させながら照射される。なお、本実施形態では、レーザ光の照射開始点から４５０度回転した位置までレーザ光が照射される。これは、照射開始点においてワークＷ１、Ｗ２の温度が過度に上昇することを抑制するためである。

図１（ｂ）に示すように、レーザ溶着装置１には温度検出部９が設けられている。温度検出部９は、レーザ光が照射された部位（以下、溶着部という。）の温度を検出する非接触式である。

本実施形態に係る温度検出部９は受光部９Ａ及び検出部９Ｂ等を有する。受光部９Ａは赤外線を受光する。検出部９Ｂは、受光部９Ａで受光した赤外線のうち予め設定された特定範囲の波長を有する赤外線を利用して溶着部の温度を検出する。

なお、上記「特定範囲の波長を有する赤外線」とは、外表面より内側にずれた部位に位置する「溶着部」から発せられる赤外線を意図する。つまり、発光部７から出射されるレーザ光は溶着部にて最も収束する。

このため、溶着部とそれ以外の部位とでは、放射される赤外線の波長が異なる。そこで、本実施形態では、予め実機試験又はコンピュータを用いた数値シミレーションにより溶着部から発せられる赤外線の波長範囲を調査し、その波長範囲の赤外線を利用して溶着部の温度を検出する。

判断部１１は溶着部が溶着したか否かの判断（以下、溶着判断ともいう。）をする。なお、本実施形態に係る判断部１１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等を有するコンピュータにて構成されたものであって、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されたプログラムに従って溶着破断をする。

そして、判断部１１は、溶着部が溶着していないと判断したときには、報知部１３を作動させるとともに、発光部７を停止させる。報知部１３は作業者に情報を報知する。本実施形態に係る報知部１３は、音声及び画像（文字も含む。）にて作業者に情報を報知する。

冷却部１５は、レーザ光が照射される部位（以下、照射部位という。）に向けて冷却用の媒体を供給して当該部位を冷却する。本実施形態に係る冷却部１５は、冷却用の媒体として空気を用いているとともに、空気をジョット流として照射部位に吹き付けている。

本実施形態では、ワークＷ１、Ｗ２を中心に等間隔で複数の冷却部１５が配設されている。具体的には、軸線Ｌ１を中心に１２０度間隔で３つに冷却部１５が配設されている。
２．溶着判断
＜判断手法の概要（図２参照）＞
判断部１１は、以下のようにして溶着判断を実行する。

すなわち、レーザ光が照射された時から予め設定された第１所定時間Ｔ１が経過した時を基準時として、当該基準時から予め設定された第２所定時間Ｔ２が経過する時までを計測時間Ｔ３とする。

そして、判断部１１は、計測時間Ｔ３内に温度検出部９にて検出された検出温度Ｔｍが、予め設定された温度範囲Ｔｗ内である場合に溶着部が溶着したと判断する。また、判断部１１は、計測時間Ｔ３内に検出された検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗ外となった場合には溶着部が溶着していないと判断する。

＜判断作動（図３参照）＞
図３は、溶着判断を行う際に判断部１１で実行される制御を示すフローチャートである。当該制御を実行するためのプログラムは、ＲＯＭ等の不揮発性記憶部に予め記憶されている。

図３に示す制御は、発光部７からレーザ光が出射された時に判断部１１のＣＰＵに読み込まれて実行される。発光部７からレーザ光が出射されると、判断部１１が有するタイマー部（図示せず。）によってレーザ光が照射された時からの経過時間が計時される。

そして、当該計時された時間（以下、計時時間という。）が第１所定時間Ｔ１を経過したか否かが判断される（Ｓ１）。計時時間が第１所定時間Ｔ１未満であると判断された場合には（Ｓ１：ＮＯ）、再び、Ｓ１が実行される。

計時時間が第１所定時間Ｔ１以上であると判断された場合には（Ｓ１：ＹＥＳ）、検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗ内にあるか否かが判断される（Ｓ３）。検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗ内にないと判断された場合には（Ｓ３：ＮＯ）、溶着不良が発生した旨が報知部１３を介して報知されるとともに、発光部７が停止させられる（Ｓ５）。

検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗ内にあると判断された場合には（Ｓ３：ＹＥＳ）、第１所定時間Ｔ１が経過した時から第２所定時間Ｔ２が経過したか否かが判断される（Ｓ７）。第２所定時間Ｔ２が経過していないと判断された場合には（Ｓ７：ＮＯ）、再び、Ｓ３が実行される。

第２所定時間Ｔ２が経過したと判断された場合には（Ｓ７：ＹＥＳ）、正常に溶着が終了した旨が報知部１３を介して報知された後（Ｓ９）、レーザ溶着装置１が停止して本制御が終了する。

３．本実施形態に係るレーザ溶着装置の特徴
本実施形態では、第２所定時間Ｔ２が経過する時までの間において、検出温度Ｔｍが温度範囲外となった場合には、その時点で溶着部が溶着していないと判断される（Ｓ３：ＮＯ）。第２所定時間Ｔ２が経過する時までの間において、検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗ内である場合に溶着部が溶着したと判断される（Ｓ３：ＹＥＳ）。したがって、作業者の習熟度に大きく影響されることなく、溶着の適否判断をすることができる。

すなわち、検出温度Ｔｍは、図２に示すように、微視的に変動しながら巨視的には上昇していく。このとき、仮に第１所定時間Ｔ１が経過する前に検出温度Ｔｍが大きく上昇すると、検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗより上方側に大きく外れる。そして、この場合には、溶着部の温度が過度に上昇しているので、熱変形等の溶着不良が発生している可能性が高い。

仮に第１所定時間Ｔ１が経過した時点で検出温度Ｔｍが温度範囲Ｔｗを下回っている場合には、ワークＷ１とワークＷ２とが十分に溶着しておらず、溶着不良（接合強度不足）が発生している可能性が高い。

なお、第１所定時間Ｔ１、第２所定時間Ｔ２及び温度範囲Ｔｗは、試作・試験により予め決められる値である。したがって、ワークＷ１、ワークＷ２の材質及び大きさ等により適宜選定される値である。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、ワークＷ１、Ｗ２は共にレーザ光の透過率が高い樹脂製であったが、本発明はこれに限定されるもではなく、例えば、いずれか一方のワークをレーザ光の吸収率が高い樹脂製としてもよい。

上述の実施形態では、ワークＷ１、Ｗ２を４５０度回転させながらレーザ光を照射したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、ワークＷ１、Ｗ２を３６０度又は４５０度以上回転させながらレーザ光を照射してもよい。

上述の実施形態では、空気を冷却媒体とした冷却部１５を複数設けたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、冷却部１５を１つとする、若しくは冷却部１５を廃止する、又は空気以外を冷却媒体としてもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

１… レーザ溶着装置
３Ａ… 下部ワークホルダー
３Ｂ… 上部ワークホルダー
３Ｃ… 加圧シリンダー
５… 電動モータ
７… 発光部
９… 温度検出部
９Ａ… 受光部
９Ｂ… 検出部
１１… 判断部
１３… 報知部
１５… 冷却部

Claims (4)

1. レーザ光にてワークを加熱溶着するレーザ溶着装置において、
   レーザ光を出射する発光部と、
   レーザ光が照射された部位（以下、溶着部という。）の温度を検出する非接触式の温度検出部と、
   前記溶着部が溶着したか否かの判断をする判断部とを備え、
   レーザ光が照射された時から予め設定された第１所定時間が経過した時を基準時とし、当該基準時から予め設定された第２所定時間が経過する時までを計測時間としたとき、
   前記判断部は、前記計測時間内に前記温度検出部にて検出された検出温度（以下、計測時間内温度という。）に基づき前記判断をし、
   さらに、前記判断部は、前記計測時間内温度が予め設定された温度範囲内である場合に前記溶着部が溶着したとして第１判断し、かつ、前記計測時間内温度が前記温度範囲外となった場合には前記溶着部が溶着していないとして第２判断するとともに、前記第１判断又は前記第２判断をしたときに前記発光部を停止させてレーザ光の照射を停止させる
   ことを特徴とするレーザ溶着装置。
2. 前記温度検出部は、
   赤外線を受光する受光部、及び
   前記受光部で受光した赤外線のうち、予め設定された範囲の波長を有する赤外線を利用して前記溶着部の温度を検出する検出部
   を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶着装置。
3. 作業者に情報を報知する報知部を備え、
   前記判断部は、前記溶着部が溶着していないと判断したときには、前記報知部を作動させるとともに、前記発光部を停止させることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶着装置。
4. レーザ光が照射される部位に向けて冷却用の媒体を供給する冷却部を備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ溶着装置。