JP6544312B2

JP6544312B2 - 溶接装置

Info

Publication number: JP6544312B2
Application number: JP2016141659A
Authority: JP
Inventors: 幸平久田; 亨日置; 潤一郎牧野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-07-19
Filing date: 2016-07-19
Publication date: 2019-07-17
Anticipated expiration: 2036-07-19
Also published as: JP2018012119A

Description

本発明は、被溶接材を溶接する溶接装置に関する。

特許文献１には、アーク溶接を行う溶接装置が開示されている。この溶接装置は、電源部から溶接用の電力が供給される溶接トーチを有している。溶接トーチに電力が供給されると、該溶接トーチと被溶接材との間にアークが発生し、その熱によって被溶接材が溶接される。この溶接装置では、被溶接材の溶接対象に沿って溶接トーチを移動させて溶接を行う。特許文献１に記載の溶接装置には、溶接対象を正確に検出するために、溶接トーチを中心軸として、該溶接トーチの周囲を回転移動するレーザーセンサが設けられている。レーザーセンサは、被溶接材にレーザー光を走査して被溶接材からの反射光を検知することで、溶接対象を検出する。特許文献１に記載の溶接装置では、溶接を行う際に、溶接トーチを中心にレーザー光を回転走査させ、溶接トーチの移動方向前方における溶接対象を検出する。そして、検出した溶接対象に沿って溶接トーチを移動させて溶接を行う。また、この溶接装置では、レーザーセンサによって、溶接トーチの移動方向後方において、被溶接材の溶接状態も検出する。

特開平８‐１５０４７６号公報

特許文献１に記載の溶接装置では、溶接を行う溶接トーチとは別に、溶接対象や溶接状態を検出するためのレーザーセンサを備えている。そのため、溶接装置の構成部品が多くなり、溶接装置の小型化やコスト低減を図ることが難しい。

上記課題を解決するための溶接装置は、レーザー光を被溶接材に照射するとともに該レーザー光の照射方向を変更可能な照射部と、前記照射部を移動させる移動部と、前記照射部から照射されたレーザー光の前記被溶接材からの反射光を検知する受光部と、前記照射部及び前記移動部を制御する制御部とを備える溶接装置であって、前記制御部は、前記照射部から照射されるレーザー光の出力を制御する出力制御部と、前記照射部から照射されるレーザー光の照射方向を制御する照射方向制御部と、前記照射部を前記被溶接材の溶接対象に沿って移動させつつ前記照射部から第１出力に設定されたレーザー光を照射することにより、前記被溶接材を溶接する溶接処理を実行する実行部と、前記実行部による前記溶接処理の実行に先立って、前記第１出力よりも弱い第２出力に設定された前記照射部からのレーザー光を前記被溶接材において第１所定方向に走査し、前記受光部によって検知された反射光に基づき前記被溶接材の溶接対象を検出する溶接対象検出部と、前記実行部による前記溶接処理の実行後に、前記第１出力よりも弱い第３出力に設定された前記照射部からのレーザー光を前記被溶接材において第２所定方向に走査し、前記受光部によって検知された反射光に基づき前記被溶接材の溶接状態を検出する溶接状態検出部とを有し、前記実行部は、前記溶接対象検出部によって検出された溶接対象に沿って前記照射部を移動させて前記溶接処理を実行する。

上記構成では、溶接に用いられる照射部を利用して、被溶接材の溶接対象の検出と溶接後の溶接状態の検出とを行う。したがって、上記構成によれば、溶接を行うための装置と、溶接対象や溶接状態を検出するための装置とを分けて溶接装置に具備する必要が無い。そのため、溶接装置の構成の簡素化に貢献でき、ひいては溶接装置の小型化や低コスト化を図ることが可能になる。

溶接装置の一実施形態の構成を示す模式図。溶接装置の照射部及び受光部の構成を示す模式図。第１ガルバノミラーを回転させたときの照射方向の変化を示す照射部の模式図。第２ガルバノミラーを回転させたときの照射方向の変化を示す照射部の模式図。溶接対象検出部によって制御されるレーザー光の走査態様を示す模式図であって、被溶接材の溶接対象が想定位置にある場合の図。（ａ）及び（ｂ）は、被溶接材の溶接対象が想定位置にある場合において、レーザー光を走査したときに受光部が受光する反射光の強度を示すグラフ。溶接対象検出部によって制御されるレーザー光の走査態様を示す模式図であって、被溶接材の溶接対象が想定位置から平行にずれている場合の図。（ａ）及び（ｂ）は、被溶接材の溶接対象が想定位置から平行にずれている場合において、レーザー光を走査したときに受光部が受光する反射光の強度を示すグラフ。溶接対象検出部によって制御されるレーザー光の走査態様を示す模式図であって、被溶接材の溶接対象が想定位置に対して傾斜してずれている場合の図。（ａ）及び（ｂ）は、被溶接材の溶接対象が想定位置に対して傾斜してずれている場合において、レーザー光を走査したときに受光部が受光する反射光の強度を示すグラフ。レーザー光の走査態様の他の例を示す模式図。レーザー光の走査態様の他の例を示す模式図。

溶接装置の一実施形態について、図１〜図１０を参照して説明する。
図１に示すように、溶接装置は、レーザー光を照射可能な照射部１０と、該照射部１０に一端が連結されている移動部３０とを有している。照射部１０は、被溶接材６０にレーザー光を照射する。被溶接材６０は、例えばアルミニウムからなる金属の板材であって、第１金属板６１と第２金属板６２とによって構成されている。第１金属板６１と第２金属板６２とは一部が重なって当接しており、第１金属板６１よりも第２金属板６２が照射部側（図１の上方）に位置している。図１に示すように、溶接装置では、移動部３０によって照射部１０を移動させつつ、該照射部１０からレーザー光を照射することにより、被溶接材６０を溶接する。すなわち、第１金属板６１と第２金属板６２とを溶接する。なお、このように溶接を行うときの照射部１０の移動方向（図１の左右方向）を第１方向とする。

移動部３０は、固定部材２０に一端が固定された第１アーム３１を有している。第１アーム３１の他端には、支持孔３１Ａが形成されている。支持孔３１Ａには、第１回動軸３２が回動可能に支持されている。第１回動軸３２は、第１アクチュエータ３３によって回動動作が制御される。第１回動軸３２には、第２アーム３４の一端が連結されている。第１回動軸３２と第２アーム３４とは互いに固定されている。そのため、第１アクチュエータ３３によって第１回動軸３２を回動させると、第２アーム３４は該第１回動軸３２を中心として他端側を揺動させる。これにより、第１アーム３１に対して第２アーム３４が揺動する。

また、第２アーム３４の他端には、挿通孔３４Ａが形成されている。挿通孔３４Ａには、第２回動軸３５が回動可能に挿通されている。第２回動軸３５は、第２アクチュエータ３６によって回動動作が制御される。第２回動軸３５には、第３アーム３７の一端が連結されている。第２回動軸３５と第３アーム３７とは互いに固定されている。そのため、第２アクチュエータ３６によって第２回動軸３５を回動させると、第３アーム３７は該第２回動軸３５を中心として他端側を揺動させる。これにより、第２アーム３４に対して第３アーム３７が揺動する。第３アーム３７の他端には、照射部１０が連結されている。移動部３０は、第１回動軸３２及び第２回動軸３５を回動させて、第２アーム３４及び第３アーム３７を揺動させることにより、照射部１０を移動させる。第１アーム３１、第１回動軸３２、第１アクチュエータ３３、第２アーム３４、第２回動軸３５、第２アクチュエータ３６、及び第３アーム３７によって移動部３０が構成されている。

図２に示すように、照射部１０は、箱状のハウジング１１を有している。ハウジング１１の内部には、光源１２が収容されている。光源１２は、図２に一点鎖線の矢印で示すように、図２の下方に向かってレーザー光を出力する。ハウジング１１の内部には、ビームサンプラ１３も収容されている。ビームサンプラ１３は、光源１２からみてレーザー光の出力方向前方に配置されている。ビームサンプラ１３は、ガラスからなり、板状に形成されている。ビームサンプラ１３は、レーザー光の光軸に対して所定角度傾斜して配置されている。ビームサンプラ１３の光源１２側の面には、反射防止膜が形成されている。これにより、ビームサンプラ１３は、光源１２から出力されたレーザー光を透過させる一方で、光源１２とは反対側から入射する光を反射する。

ハウジング１１の内部には、第１ガルバノミラー１４と第２ガルバノミラー１５とが収容されている。第１ガルバノミラー１４は、光を反射する第１ミラー１４Ａと、該第１ミラー１４Ａに固定された第１回転軸１４Ｂと、該第１回転軸１４Ｂを回転させる第１モータ１４Ｃとを有している。第１ガルバノミラー１４は、ビームサンプラ１３を透過したレーザー光を第２ガルバノミラー１５に向けて反射する。また、第２ガルバノミラー１５は、光を反射する第２ミラー１５Ａと、該第２ミラー１５Ａに固定された第２回転軸１５Ｂと、該第２回転軸１５Ｂを回転させる第２モータ１５Ｃとを有している。第２ガルバノミラー１５は、第１ガルバノミラー１４によって反射されたレーザー光を、被溶接材６０（図２の下方）に向けて反射する。ハウジング１１の下端面には、照射孔１１Ａが形成されており、第２ガルバノミラー１５によって反射されたレーザー光は、照射孔１１Ａを通じてハウジング１１の外部に照射される。このように、光源１２から出力されたレーザー光は、図２に一点鎖線の矢印で示すように、ビームサンプラ１３を透過して第１ガルバノミラー１４に入射する。そして、第１ガルバノミラー１４によって反射されたレーザー光は、第２ガルバノミラー１５に入射し、第２ガルバノミラー１５からハウジング１１の外部、すなわち被溶接材６０に照射される。

第１ガルバノミラー１４では、第１モータ１４Ｃの駆動が制御されることにより、第１回転軸１４Ｂを中心として第１ミラー１４Ａが回転する。これにより、第１ガルバノミラー１４におけるレーザー光の反射角度が変化する。第１ガルバノミラー１４は、第１回転軸１４Ｂの軸線が、上記第１方向（図２の左右方向）と直交する第２方向（図２の奥行き方向）に延びている。

図３に示すように、第１ガルバノミラー１４の第１回転軸１４Ｂを回転させると、照射部１０からのレーザー光の照射方向が被溶接材６０に対して上記第１方向に沿って変化する。

また、第２ガルバノミラー１５では、第２モータ１５Ｃの駆動が制御されることにより、第２回転軸１５Ｂを中心として第２ミラー１５Ａが回転する。第２ガルバノミラー１５は、第２回転軸１５Ｂの軸線が、平面視において、上記第１方向に延びるように配置されている。

図４に示すように、第２ガルバノミラー１５の第２回転軸１５Ｂを回転させると、照射部１０からのレーザー光の照射方向が被溶接材６０に対して上記第２方向に沿って変化する。照射部１０では、このように第１ガルバノミラー１４及び第２ガルバノミラー１５における光の反射角度を変更することにより、該照射部１０からのレーザー光の照射方向が変更可能になっている。照射部１０は、ハウジング１１、光源１２、ビームサンプラ１３、第１ガルバノミラー１４、及び第２ガルバノミラー１５によって構成されている。

図２に示すように、溶接装置は、受光部４０も有している。受光部４０は、照射部１０のハウジング１１に固定されたケース４１を有している。ケース４１の内部とハウジング１１の内部とは、ケース４１及びハウジング１１を貫通して延びている連通孔４２を通じて連通している。ケース４１の内部には、分光レンズ４３が配置されている。分光レンズ４３には、ビームサンプラ１３から反射された光が入射する。図２に二点鎖線の矢印で示すように、照射部１０から照射されたレーザー光は、被溶接材６０から反射して、その反射光が照射部１０に入射する。照射部１０に入射した反射光は、第２ガルバノミラー１５、及び第１ガルバノミラー１４を介して、ビームサンプラ１３に入射する。ビームサンプラ１３は、上述したように光源１２とは反対側から入射する光を反射するため、被溶接材６０からの反射光はビームサンプラ１３から分光レンズ４３に向けて反射される。分光レンズ４３は、入射光の光軸に対して傾いて配置されている。分光レンズ４３は、レーザー光と同じ波長範囲の光のみを反射し、それ以外の波長の光は透過させる。そのため、ビームサンプラ１３から分光レンズ４３に入射した光のうちレーザー光と同じ波長範囲の光は、分光レンズ４３によって反射されて第１検知部４４に入射する。また、ケース４１には、反射レンズ４５も収容されている。反射レンズ４５には、分光レンズ４３を透過した光が入射する。反射レンズ４５は、入射した光を反射して、第２検知部４６に入射させる。第１検知部４４及び第２検知部４６では、入射した光の強度が検知される。受光部４０は、ケース４１、分光レンズ４３、反射レンズ４５、第１検知部４４、及び第２検知部４６によって構成されている。

溶接装置には、制御部５０も設けられている。制御部５０には、第１検知部４４及び第２検知部４６の出力信号が入力される。制御部５０には、移動制御部５１、出力制御部５２、照射方向制御部５３、実行部５４、溶接対象検出部５５、及び溶接状態検出部５６が設けられている。

移動制御部５１は、移動部３０の第１アクチュエータ３３及び第２アクチュエータ３６の駆動を制御する。出力制御部５２は、照射部１０の光源１２を制御して、照射部１０から照射されるレーザー光の出力を制御する。照射方向制御部５３は、照射部１０における第１ガルバノミラー１４の第１モータ１４Ｃ、及び第２ガルバノミラー１５の第２モータ１５Ｃの駆動を制御して、照射部１０から照射されるレーザー光の照射方向を制御する。

実行部５４は、被溶接材６０の溶接対象を溶接する溶接処理を実行する。溶接処理では、移動制御部５１を制御して、照射部１０を被溶接材６０の溶接対象に沿って移動させつつ、照射部１０を制御して照射部１０から溶接対象にレーザー光を照射する。また、実行部５４は、出力制御部５２を制御して、溶接処理におけるレーザー光の出力を被溶接材６０を溶接可能な第１出力となるように制御する。

溶接対象検出部５５は、実行部５４による溶接処理の実行に先立って、被溶接材６０の溶接対象を検出する。溶接対象検出部５５は、出力制御部５２を制御して、照射部１０から照射されるレーザー光の出力を第２出力に設定する。第２出力は、被溶接材６０を溶接しない出力である。そのため、第２出力は、溶接処理において設定される第１出力よりも弱い。そして、溶接対象検出部５５は、第２出力のレーザー光を被溶接材６０において上記第２方向に走査させる。なお、この第２方向が「第１所定方向」に相当する。図１に示すように、第１金属板６１と第２金属板６２とは、それらの一部が重なっており、第２金属板６２の側面が第１金属板６１の表面に対して立設することで段差が形成されている。この段差を形成している第２金属板６２の側面は、溶接対象であるエッジ部６２Ａを構成している。照射部１０からレーザー光が走査されると、第２金属板６２のエッジ部６２Ａにおいて光が反射し、照射部１０に入射する反射光の光量が多くなる。これにより、受光部４０によって検知される光の強度が強くなる。このように、溶接対象検出部５５は、レーザー光を走査させたときに受光部４０によって検知された反射光に基づいて被溶接材６０の溶接対象を検出する。

図２に示す溶接状態検出部５６は、実行部５４による溶接処理の実行後に、被溶接材６０の溶接状態を検出する。溶接状態検出部５６は、出力制御部５２を制御して、照射部１０から照射されるレーザー光の出力を第３出力に設定する。第３出力は、被溶接材６０を溶接しない出力である。そのため、第３出力は、溶接処理において設定される第１出力よりも弱い。なお、第３出力は、溶接対象検出部５５によって設定される上記第２出力と同じ出力であってもよいし、異なる出力であってもよい。そして、溶接状態検出部５６は、第３出力のレーザー光を被溶接材６０において上記第２方向に走査させる。なお、この第２方向が「第２所定方向」に相当する。溶接処理が行われると、溶接対象には溶接ビードが形成される。レーザー光を溶接ビードに照射したときの反射光に基づけばビード形状の良否を判定することができる。そのため、溶接状態検出部５６は、レーザー光を走査させたときに受光部４０によって検知された反射光に基づいてビード形状の良否を判定し、被溶接材６０の溶接状態を検出する。

次に、溶接装置によって被溶接材６０を溶接する際の一連の流れについて説明する。
溶接装置では、溶接処理を実行する際に、移動部３０を制御して照射部１０を予め設定された初期位置に配置するとともに、照射方向制御部５３を制御して第１ガルバノミラー１４及び第２ガルバノミラー１５の反射角度をそれぞれ初期角度に設定する。この初期位置及び初期角度は、第１金属板６１と第２金属板６２とを所定の位置に配置して互いに重ねて当接した際に、第２金属板６２のエッジ部６２Ａが配置される想定位置に合わせて設定されており、予め制御装置に記憶されている。また、制御装置には、溶接処理の実行時に照射部１０を移動させる際の初期軌道が予め記憶されている。このため、エッジ部６２Ａの位置が想定位置と同じになっていれば、照射部１０を初期位置に設定して初期軌道で移動させつつレーザー光を照射することにより、溶接対象であるエッジ部６２Ａを溶接することができる。

しかし、第１金属板６１と第２金属板６２とを配置する際には、第２金属板６２の寸法公差などにより、エッジ部６２Ａの位置が上記想定位置からずれることもある。そのため、本実施形態では、図５に示すように、所定の単位領域毎に区切って被溶接材６０の溶接対象に溶接処理を実行するとともに、各単位領域での溶接処理の実行に先立って、該単位領域における溶接対象の位置を検出するようにしている。そして、溶接処理の実行時には、検出された溶接対象に沿って照射部１０を移動させるように上記初期起動を補正する。

各単位領域における溶接処理に係る一連の処理の流れについて説明する。
溶接装置ではまず、溶接処理を実行する前に、溶接対象検出部５５が、照射部１０から被溶接材６０に対して第２方向に沿って上記第２出力にて２回レーザー光を走査させる。

図５に示すように、二点鎖線の矢印で示す１回目のレーザー光の走査位置と、一点鎖線で示す２回目のレーザー光の走査位置とは、第１方向（図５の左右方向）に離間している。すなわち、一回目のレーザー光の走査位置と２回目のレーザー光の走査位置とは、溶接処理の実行時における照射部１０の移動方向において離間している。また、図５にドットで示すように、各走査におけるレーザー光の走査開始点は、第２方向（図５の上下方向）において同じ位置になるように予め設定されている。そして、走査開始点から所定の速度で所定時間レーザー光を走査させる。この所定時間は、レーザー光がエッジ部６２Ａを通過するように余裕を持って設定されている。レーザー光がエッジ部６２Ａに照射されると、エッジ部６２Ａにおいてレーザー光が反射し、エッジ部６２Ａ以外の平面部分にレーザー光が照射されている場合に比して、受光部４０によって検出される反射光の強度が強くなる。

図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、受光部４０では、２回のレーザー光の走査において、それぞれ反射光の強度が検知される。反射光の強度が最大となるタイミングｔ０は、レーザー光がエッジ部６２Ａに照射されたタイミングに相当する。溶接対象検出部５５は、レーザー光の走査を開始してからタイミングｔ０までの時間と、レーザー光の走査速度とに基づいて、走査開始点からエッジ部６２Ａまでの距離を算出する。なお、図６に示す例では、仮にエッジ部６２Ａが想定位置にあると仮定したときに反射光の強度が最大となるタイミングｔｋと、上述したタイミングｔ０とが同じである。そのため、エッジ部６２Ａの位置は、上述した想定位置からずれていないと判断できる。この場合には、上記初期軌道に沿って移動させることにより照射部１０を溶接対象に沿って移動させることができる。なお、上記タイミングｔｋは、予め実験やシミュレーションによって求めることができる。こうして溶接対象検出部５５がこの単位領域における溶接対象を検出すると、実行部５４は、今回の単位領域において検出された溶接対象に沿って、例えば図５の左から右へ照射部１０を移動させつつ該照射部１０から第１出力に設定されたレーザー光を照射することにより被溶接材６０を溶接する。

また、図７に示すように、実線で示す溶接対象が、破線で示す想定位置から平行にずれる場合もある。この場合であっても、図７に示すようにレーザー光を２回走査することで溶接対象を検出することができる。なお、１回目の走査を二点鎖線の矢印で示し、２回目の走査を一点鎖線の矢印で示している。

図８（ａ）に示すように、この場合には、１回目のレーザー光の走査において反射光の強度が最大となるタイミングｔ１が、上述したタイミングｔｋよりも遅くなる。また、図８（ｂ）に示すように、２回目のレーザー光の走査においても反射光の強度が最大となるタイミングｔ２が、上述したタイミングｔｋよりも遅くなる。なお、タイミングｔ１とタイミングｔ２とはほぼ同じタイミングである。タイミングｔｋとタイミングｔ１との差Δｔａ（＝ｔ１−ｔｋ）、すなわち、タイミングｔｋとタイミングｔ２との差Δｔｂ（＝ｔ２−ｔｋ）は、想定位置からのエッジ部６２Ａのずれの影響を反映している。そのため、この差Δｔａ及び差Δｔｂと、レーザー光の走査速度とに基づけば、想定位置からエッジ部６２Ａがどの程度ずれているのかを検出することができる。こうして溶接対象検出部５５がこの単位領域における溶接対象を検出すると、実行部５４は、想定位置からのずれに応じて初期軌道を補正する。すなわち、図７に示すように、差Δｔａ，Δｔｂに相当する距離Ｌ１分だけ走査開始点から離間する側に初期軌道を補正する。その後、実行部５４は、補正後の初期軌道に沿って、例えば図７の左から右へ照射部１０を移動させることにより、照射部１０を溶接対象に沿って移動させる。そして、照射部１０を移動しつつ該照射部１０から第１出力に設定されたレーザー光を照射することにより被溶接材６０を溶接する。

また、図９に示すように、実線で示す溶接対象が、破線で示す想定位置に対して傾斜してずれる場合もある。この場合であっても、図９に示すようにレーザー光を２回走査することで溶接対象を検出することができる。なお、１回目の走査を二点鎖線の矢印で示し、２回目の走査を一点鎖線の矢印で示している。

図１０（ａ）に示すように、１回目のレーザー光の走査においては、反射光の強度が最大となるタイミングｔ３が、上述したタイミングｔｋよりも早くなる。一方で、図１０（ｂ）に示すように、２回目のレーザー光の走査においては、反射光の強度が最大となるタイミングｔ４が、上述したタイミングｔｋよりも遅くなる。タイミングｔｋとタイミングｔ３との差Δｔｃ（＝ｔｋ−ｔ３）、及びタイミングｔｋとタイミングｔ４との差Δｔｄ（＝ｔ４−ｔｋ）は、想定位置からのエッジ部６２Ａのずれの影響を反映している。そのため、この差Δｔｃ及び差Δｔｄと、レーザー光の走査速度とに基づけば、想定位置に対してエッジ部６２Ａがどのようにずれているのかを検出することができる。こうして溶接対象検出部５５がこの単位領域における溶接対象を検出すると、実行部５４は、想定位置からのずれに応じて初期軌道を補正する。すなわち、図９に示すように、１回目のレーザー光の走査位置では、差Δｔｃに相当する距離Ｌ２分だけ走査開始点側にずれるように初期起動を補正し、２回目のレーザー光の走査位置では、差Δｔｄに相当する距離Ｌ３分だけ走査開始点から離間する側にずれるように初期起動を補正する。これにより、補正後の初期起動は、想定位置に対して傾斜することになる。そして、この補正後の初期軌道に沿って移動させることで照射部１０を溶接対象に沿って移動させる。実行部５４は、照射部１０を移動させつつ該照射部１０から第１出力に設定されたレーザー光を照射することにより被溶接材６０を溶接する。

溶接装置は、単位領域において溶接処理を終了すると、次に溶接状態検出部５６によって、被溶接材６０に対して第２方向に沿って上記第３出力にてレーザー光を１回走査させる。そして、このときに受光部４０によって検知された反射光に基づき被溶接材６０の溶接状態を検出する。なお、溶接状態を検出する際には、例えば、溶接が良好に行われたときの溶接ビードの形状を予め実験などによって求め、この形状に対して所定の許容幅を持たせた適正形状を予め記憶する。そして、反射光に基づいて検出された溶接ビードの形状が、上記適正形状の範囲内であるか否かに基づいてビード形状の良否を判定し、溶接状態を検出する。

こうして溶接状態を検出すると、次の単位領域における溶接に移行する。以降は、単位領域毎に溶接対象の検出、溶接処理の実行、溶接状態の検出を同様に繰り返し、溶接対象全体を溶接する。

次に本実施形態にかかる溶接装置の作用効果について説明する。
本実施形態では、溶接に用いられる照射部１０を利用して、被溶接材６０の溶接対象の検出と溶接後の溶接状態の検出とを行う。そのため、溶接を行うための装置と、溶接対象や溶接状態を検出するための装置とを分けて溶接装置に具備する必要が無い。そのため、溶接装置の構成の簡素化に貢献でき、ひいては溶接装置の小型化や低コスト化を図ることが可能になる。

上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・照射部１０の構成は上記実施形態のものに限られない。例えば、ハウジング１１、光源１２、ビームサンプラ１３、第１ガルバノミラー１４、及び第２ガルバノミラー１５に加えてまたは代えて、他の部材を備えていてもよい。すなわち、照射部１０は、光源１２をハウジング１１の外部に配置し、光源１２から出力されたレーザー光をハウジング１１の内部に導出する光ファイバを備えるものであってもよい。こうした構成であっても、レーザー光を被溶接材６０に照射するとともに該レーザー光の照射方向を変更可能な照射部１０を構成することができる。

・照射部１０に集光レンズを備える構成を採用してもよい。この構成では、集光レンズの焦点の位置を被溶接材６０の溶接対象に合わせて設定することにより、光源から出力されたレーザー光を集光して溶接を行う。この構成では、出力制御部５２は、集光レンズの位置などを可変制御することによって焦点の位置を変更し、集光径を変化させることで照射部１０から被溶接材６０に照射されるレーザー光のエネルギー密度を制御することも可能である。

・移動部３０の構成は上記実施形態のものに限られない。例えば、第１アーム３１、第１回動軸３２、第１アクチュエータ３３、第２アーム３４、第２回動軸３５、第２アクチュエータ３６、及び第３アーム３７に加えてまたは代えて、他の部材を備えていてもよい。すなわち、第３アーム３７の他端に、照射部１０を直接連結するのではなく、第３回動軸を介して第４アームを連結し、該第４アームに照射部１０を連結する構成を採用してもよい。このようにアームの数は適宜変更が可能である。また、移動部３０は、第１アーム３１の一端を固定部材２０ではなく、可動部材に固定するようにしてもよい。こうした構成であっても、照射部１０を移動させる機能は担保できる。

・受光部４０の構成は上記実施形態のものに限られない。例えば、ケース４１、分光レンズ４３、第１検知部４４、反射レンズ４５、及び第２検知部４６に加えてまたは代えて、他の部材を備えていてもよい。すなわち、分光レンズ４３及び第１検知部４４を省略し、ビームサンプラ１３によって反射された光を全て反射レンズ４５を介して第２検知部４６に入射させるようにしてもよい。また、分光レンズ４３及び反射レンズ４５を省略し、これらに代えて、ビームサンプラ１３からの入射光を複数の波長毎に分光するプリズムを配置することも可能である。こうした構成では、それぞれ分光された光に対応する検知部を備えてもよい。

・溶接対象検出部５５において、レーザー光を走査する回数は、２回に限られない。例えば、３回以上であってもよい。また、レーザー光の走査は、直線状に限られない。
例えば、図１１に二点鎖線で示すように、レーザー光を回転走査するようにしてもよい。この構成では、図１１に一点鎖線の矢印で示すように、走査開始点から走査終了点に向かって第１方向に沿って延びる方向にレーザー光が走査される。この矢印で示す方向が「第１所定方向」に相当する。こうしてレーザー光を回転走査させた場合にも、上記実施形態と同様に、レーザー光が溶接対象に照射されたときに受光部４０によって検知される反射光強度が強くなる。回転走査させることによって短時間に複数回溶接対象が検出されるため、受光部４０によって検知される反射光にノイズが多くなり、検出が安定しないこともある。そのため、溶接対象検出部５５では、受光部４０によって検出した検出信号に対して例えばフーリエ変換などの周波数解析を実行し、周波数成分を取り出す。これにより、ノイズの影響を取り除いた反射光の検出信号を算出することができる。溶接対象検出部５５には、溶接対象が想定位置にあるときに同様にレーザー光を回転走査したときの反射光の検出信号が予め実験などによって求められて想定信号として記憶されている。この想定信号と算出した検出信号とのずれに基づけば、溶接対象の想定位置からのずれを算出することが可能である。なお、こうしてフーリエ変換を行った場合には、フーリエ変換後の虚数成分に着目することで、溶接対象が想定位置からずれている方向を判定することができる。したがって、こうしてレーザー光を回転走査させることによって、溶接対象を検出することは可能である。

また、図１２に二点鎖線で示すように、レーザー光を折れ線状に走査するようにしてもよい。この構成では、図１２に一点鎖線の矢印で示すように、走査開始点から走査終了点に向かって第１方向に沿って延びる方向にレーザー光が走査される。この矢印で示す方向が「第１所定方向」に相当する。この構成でも上記と同様に、受光部４０によって検出した検出信号に対して周波数解析を実行し、周波数成分を取り出す。これにより、ノイズの影響を取り除いた反射光の検出信号を算出することができる。溶接対象が想定位置にあるときに同様にレーザー光を折れ線状に走査したときの想定信号を予め記憶しておき、この想定信号と算出した検出信号とのずれに基づいて、溶接対象の想定位置からのずれを算出する。

これらの構成においても、検出された溶接対象に基づいて初期軌道を補正することにより、実行部５４は、照射部を溶接対象に沿って第１方向に移動させて溶接処理を実行することができる。

・溶接状態検出部５６において、レーザー光を走査する回数は、１回に限られない。例えば、２回以上であってもよい。また、溶接状態検出部５６では、例えば、溶接対象と交差するようにレーザー光を走査してもよいし、溶接対象に沿って該溶接対象をなぞるようにレーザー光を走査してもよい。

・溶接対象検出部５５が制御するレーザー光の走査方向と、溶接状態検出部５６が制御するレーザー光の走査方向とを、それぞれ第２方向とする構成を例示したが、これらの走査方向を第２方向以外にしてもよい。また、溶接対象検出部５５が制御するレーザー光の走査方向と、溶接状態検出部５６が制御するレーザー光の走査方向とは互いに異なっていてもよい。すなわち、第１所定方向と第２所定方向とは異なる方向であってもよい。

・実行部５４は、予め設定された初期軌道に対して補正を行うことで、溶接処理時に溶接対象に沿って照射部１０を移動させるようにした。しかし、照射部１０を溶接対象に沿って移動させる構成はこの構成に限られない。例えば、走査開始点からエッジ部６２Ａまでの距離に基づいて単位領域毎に移動軌道を算出し、この移動軌道に沿って照射部１０を移動させる。こうした構成であっても、溶接対象に沿って照射部１０を移動させることは可能である。

・溶接装置では、被溶接材６０へのレーザー光の照射によりプラズマが発生する。上記実施形態において、受光部４０においてレーザー光の反射光としてこのプラズマを検知し、溶接処理の実行中における溶接の安定性を確認することも可能である。また、溶接対象検出部５５では、受光部４０においてプラズマを検知することで溶接対象を検出してもよい。また、溶接状態検出部５６では、受光部４０においてプラズマを検知することで溶接状態を検出してもよい。

・溶接装置の被溶接材６０として、第１金属板６１及び第２金属板６２を重ねた重ね継手を採用し、第２金属板６２のエッジ部６２Ａを溶接対象として隅肉溶接を行う構成を例示したが、被溶接材は適宜変更が可能である。例えば、Ｔ字継手の隅肉溶接や、Ｔ字継手及び突合わせ継手の突合わせ溶接を行う溶接装置にも上記実施形態と同様の構成を適用可能である。また、反射光の強度が最大になる点を溶接対象として検出していたが、反射光の強度が最小となる点や、特定の値を閾値とすることにより、溶接対象を検出することも可能である。

１０…照射部、１１…ハウジング、１１Ａ…照射孔、１２…光源、１３…ビームサンプラ、１４…第１ガルバノミラー、１４Ａ…第１ミラー、１４Ｂ…第１回転軸、１４Ｃ…第１モータ、１５…第２ガルバノミラー、１５Ａ…第２ミラー、１５Ｂ…第２回転軸、１５Ｃ…第２モータ、２０…固定部材、３０…移動部、３１…第１アーム、３１Ａ…支持孔、３２…第１回動軸、３３…第１アクチュエータ、３４…第２アーム、３４Ａ…挿通孔、３５…第２回動軸、３６…第２アクチュエータ、３７…第３アーム、４０…受光部、４１…ケース、４２…連通孔、４３…分光レンズ、４４…第１検知部、４５…反射レンズ、４６…第２検知部、５０…制御部、５１…移動制御部、５２…出力制御部、５３…照射方向制御部、５４…実行部、５５…溶接対象検出部、５６…溶接状態検出部、６０…被溶接材、６１…第１金属板、６２…第２金属板、６２Ａ…エッジ部。

Claims

レーザー光を被溶接材に照射するとともに該レーザー光の照射方向を変更可能な照射部と、
前記照射部を移動させる移動部と、
前記照射部から照射されたレーザー光の前記被溶接材からの反射光を検知する受光部と、
前記照射部及び前記移動部を制御する制御部と
を備える溶接装置であって、
前記制御部は、
前記照射部から照射されるレーザー光の出力を制御する出力制御部と、
前記照射部から照射されるレーザー光の照射方向を制御する照射方向制御部と、
前記照射部を前記被溶接材の溶接対象に沿って移動させつつ前記照射部から第１出力に設定されたレーザー光を照射することにより、前記被溶接材を溶接する溶接処理を実行する実行部と、
前記実行部による前記溶接処理の実行に先立って、前記第１出力よりも弱い第２出力に設定された前記照射部からのレーザー光を前記被溶接材において第１所定方向に走査し、前記受光部によって検知された反射光に基づき前記被溶接材の溶接対象を検出する溶接対象検出部と、
前記実行部による前記溶接処理の実行後に、前記第１出力よりも弱い第３出力に設定された前記照射部からのレーザー光を前記被溶接材において第２所定方向に走査し、前記受光部によって検知された反射光に基づき前記被溶接材の溶接状態を検出する溶接状態検出部とを有し、
前記実行部は、前記溶接対象検出部によって検出された溶接対象に沿って前記照射部を移動させて前記溶接処理を実行する溶接装置。