JP6596244B2 - レーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法に関する。

鉄道車両構体の形成には、主に抵抗スポット溶接が用いられてきた。鉄道車両構体における溶接箇所としては、例えば外板と出入口枠との溶接が挙げられる。出入口枠は、車両のドアなどが配置される部分であり、雨などが車両内に入り込まないように水密性が要求される。抵抗スポット溶接では、溶接部自体によってワークの水密性を確保することが難しいため、溶接個所に対応して樹脂シールを配置して水密性の確保が行われていた。しかしながら、樹脂シールは劣化が早く、水密性の維持のためのメンテナンスが不可欠となる。

このような問題に対し、近年では、溶接部自体によってワークの水密性を確保可能な技術としてレーザ溶接が着目されている。例えば特許文献１に記載の鉄道車両用構体では、外板の端部の外面側に出入口枠の端部を重ね合わせ、出入口枠の端面と外板の主面とをレーザ溶接によって連続溶接している。

特開２００７−１１２３４３号公報

現状、レーザ溶接を行うに当たっては、溶接予定線に沿って自動でレーザ光を走査する溶接機が用いられている。しかしながら、自動溶接では、上述した外板と出入口枠との溶接のように立体的なワーク同士を溶接する場合に、レーザ光の倣い性（溶接予定線への沿わせ易さ）を確保しにくいという問題がある。自動溶接においてレーザ光の倣い性を確保するためには、ワークの形状に応じた複数点のティーチング（コンピュータへの加工座標の入力）がその都度必要となるため、溶接の作業性の向上が課題となっている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、このような課題に対し、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いることが考えられる。ハンドトーチ型のレーザ溶接機では、レーザを出射させるトーチ部を手動で走査してワーク同士の溶接を実施するので、溶接前の複雑なティーチング作業は不要となる。一方、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いる場合、手元のぶれなどが生じるため、形成される溶接部の溶接品質が作業者の熟練度に依存し易いという問題がある。溶接部の溶接品質を低下させる要因は多岐にわたるため、溶接部の品質管理が煩雑となってしまうおそれがある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いる場合において、形成される溶接部の品質管理を簡単に実施できるレーザ溶接方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明の一側面に係るレーザ溶接方法は、第１のワークの主面に第２のワークの端部を重ね合わせる配置工程と、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用い、第１のワークの主面と第２のワークの端部側の端面とに重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接部を形成する溶接工程と、レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する溶接判断工程と、を備え、溶接工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、溶接工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいてレーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する。

このレーザ溶接方法では、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いることで、自動溶接の場合とは異なり、レーザ光の倣い性を確保するための複雑なティーチング作業が不要となり、溶接の作業性を向上できる。また、このレーザ溶接方法では、溶接判断工程において、レーザ溶接中にレーザ光の照射位置で生じる光の強度の検出結果に基づき、マハラノビス距離を用いてレーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する。多変量解析であるマハラノビス距離を用いることで、レーザ溶接作業時の手元のぶれによる種々の要因を加味してレーザ溶接部の溶接品質の良否を判断でき、形成される溶接部の品質管理を簡単に実施できる。

また、溶接工程において、レーザ溶接機からパルスレーザを照射してレーザ溶接部を形成し、溶接判断工程において、光検出部から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うと共に、移動平均差分処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいてマハラノビス距離を算出してもよい。溶接工程においてＣＷレーザを用いる場合、溶接の途中でトーチ部の走査を止めると、止めた位置でワークに孔が開いてしまうことが考えられる。これに対し、パルスレーザを用いる場合、溶接の途中でトーチ部の走査を止めた場合でも、止めた位置でワークに孔が開いてしまうことが防止され、その位置からレーザ溶接を再開できる。また、溶接判断工程において、光検出部から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うことで、データ中のＤＣ成分を除去できる。これにより、マハラノビス距離を用いた溶接品質の良否判断の精度を向上できる。

また、第２のワークの端部の面取り加工を行う加工工程と、端部の加工状態の良否を判断する加工判断工程と、を更に備え、加工工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、加工判断工程において、端部の面取り加工が正常に実施された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、加工工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて端部の加工状態の良否を判断してもよい。この場合、多変量解析であるマハラノビス距離を用いることで、面取り加工作業時の手元のぶれによる種々の要因を加味して加工状態の良否を判断できる。

また、加工工程において、レーザ溶接機からＣＷレーザを照射して端部の面取り加工を行い、加工判断工程において、光検出部から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うと共に、移動平均処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいてマハラノビス距離を算出してもよい。加工判断工程において、光検出部から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うことで、データ中の高周波ノイズ成分を除去できる。これにより、マハラノビス距離を用いた加工状態の良否判断の精度を向上できる。

また、溶接工程において、レーザ光の照射位置で生じる音の強度を音検出部によって検出し、溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度及び音強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、溶接工程で得られた光強度及び音強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいてレーザ溶接部の溶接品質の良否を判断してもよい。音強度の検出結果を多変量解析であるマハラノビス距離の算出に更に用いることで、溶接品質の良否判断の精度を一層向上できる。

また、出射するレーザ光の波長をカットする保護メガネが付属されたレーザ溶接機を用い、保護メガネにおけるレンズ又はフレームの内側に光検出部を設けてもよい。この場合、ワーク表面などで生じるレーザ光の反射光成分をカットできる。また、レーザ光の走査と共に作業者が移動することで、レーザ光の照射位置と光検出部とが離れてしまうことがないため、光検出部による検出結果の信号強度が低下してしまうことも防止できる。したがって、溶接品質の良否判断の精度を一層向上できる。

また、レーザ溶接機によるレーザ光の照射位置の走査量を走査計測部によって計測してもよい。レーザ光の照射位置の走査量を計測することで、レーザ溶接によって得られる接合体のトレーサビリティの確立が可能となる。

本発明の一側面に係るレーザ溶接方法によれば、ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用いる場合において、形成される溶接部の品質管理を簡単に実施できる。

本発明に係るレーザ溶接方法に用いるレーザ溶接機の一実施形態を示す概略正面図である。 図１に示したレーザ溶接機の機能的な構成要素を示すブロック図である。 レーザ溶接機を用いて形成される接合体の一例を示す断面図である。 図３に示した接合体を製造するレーザ溶接方法における配置工程の一例を示す断面図である。 溶接工程でレーザ溶接機に適用する第１のコンタクトチップの一例を示す図である。 溶接工程におけるレーザ照射位置近傍の断面図である。 加工工程でレーザ溶接機に適用する第２のコンタクトチップの一例を示す図である。 加工工程におけるレーザ照射位置近傍の断面図である。 溶接工程における溶接品質の異常の要因の例を示す図である。 加工工程における加工状態の異常の要因の例を示す図である。 溶接工程における光検出部での光強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。 図１１に示したデータに移動平均差分処理を行った結果を示す図である。 図１２に示したデータの正規化の様子を示す図である。 溶接工程における音検出部での音強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。 加工工程における光検出部での光強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。 図１５に示したデータに移動平均処理を行った結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の一側面に係るレーザ溶接方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接機の一実施形態を示す概略正面図である。同図に示すように、レーザ溶接機１は、ワーク同士を所定の溶接予定線に沿ってレーザ溶接する装置として構成されている。レーザ溶接機１は、いわゆるハンドトーチ型のレーザ溶接機であり、例えばファイバレーザ発振器を内蔵する箱状の本体部２と、本体部２から延びる可撓性のケーブル３の先端に設けられたトーチ部４とを備えている。

本体部２は、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスク等を備えたコンピュータシステムを内蔵し、レーザ発振条件等の制御を行う部分である。本体部２の上面側には、ディスプレイ５が設置されている。ディスプレイ５には、レーザ光の出力値やパルス幅などの諸条件の設定値、レーザ発振器の実温度・実出力値などが表示されるようになっている。また、本体部２の底面側には、キャスター６が設けられており、レーザ溶接機１が移動自在となっている。

トーチ部４は、ファイバレーザ発振器からのレーザ光を外部に出射する部分である。トーチ部４は、レーザ溶接を行う作業者が把持しやすい外径の略円筒状をなしている。トーチ部４の周面には、滑り止めや保護ガラスなどが設けられている。トーチ部４の先端には、コンタクトチップ７が着脱自在に取り付けられる。コンタクトチップ７は、中空の筒状部材であり、トーチ部４を通ったレーザ光は、コンタクトチップ７の先端から外部に出射する。レーザ溶接機１では、溶接対象や用途に応じて、先端形状の異なるコンタクトチップ７が用意されている。

レーザ溶接機１には、保護メガネ（不図示）が付属している。保護メガネの左右のレンズには、トーチ部４から出射するレーザ光に対応する波長の光をカットする機能が付加されている。このような保護メガネを装着することにより、レーザ溶接の際にレーザ光（若しくはその反射光）が作業者の目に直接入射してしまうことを防止でき、レーザ溶接時における作業者の安全性の向上が図られる。また、レーザ溶接機１には、インターロック機構のためのアースが設けられていることが好ましい。

さらに、レーザ溶接機１は、レーザ光の照射によって実施されたレーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する機能と、レーザ光の照射によって実施された面取り加工の加工状態の良否を判断する機能と、形成される接合体における接合過程を記録する機能とを有している。図２は、図１に示したレーザ溶接機の機能的な構成要素を示すブロック図である。同図に示すように、レーザ溶接機１は、上記機能を実現するための構成として、フォトダイオード（光検出部）５１と、マイクロホン（音検出部）５２と、走査計測部５３と、判断装置６１とを有している。

フォトダイオード５１は、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を検出する部分である。本実施形態では、フォトダイオード５１は、保護メガネにおけるレンズ又はフレームの内側に設けられている。したがって、フォトダイオード５１は、主として、レーザ光の照射位置で生じる可視光のうち、保護メガネでカットされる波長を除いた波長帯の光の強度を検出する。フォトダイオード５１は、光強度の検出結果を示すデータを判断装置６１に出力する。

マイクロホン５２は、レーザ光の照射位置で生じる音の強度を検出する部分である。本実施形態では、マイクロホン５２は、保護メガネにおけるレンズ又はフレームの外側に設けられている。マイクロホン５２は、主として、可聴域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ程度）の周波数の音の強度を検出する。マイクロホン５２は、音強度の検出結果を示すデータを判断装置６１に出力する。

走査計測部５３は、レーザ光の照射位置の走査量を計測する部分である。本実施形態では、走査計測部５３は、ロータリエンコーダによって構成されている。走査計測部５３は、例えばレーザ溶接機１のトーチ部４の先端部分に設けたローラ（不図示）の回転量を計測することにより、レーザ光の照射位置の走査量を計測する。走査計測部５３は、フォトダイオード５１及びマイクロホン５２と同期して走査量の計測を開始し、走査量の検出結果を示すデータを判断装置６１に出力する。

判断装置６１は、物理的には、レーザ溶接機１内に内蔵されるコンピュータシステムによって構成されている。判断装置６１は、図２に示すように、データ受信部６２と、前処理部６３と、判断部６４と、データ格納部６５とを備えている。

データ受信部６２は、フォトダイオード５１、マイクロホン５２、及び走査計測部５３から検出結果を示すデータを受信する部分である。データ受信部６２は、フォトダイオード５１及びマイクロホン５２から受信したデータを前処理部６３に出力する。また、データ受信部６２は、走査計測部５３から受け取ったデータを受信時刻と合わせてデータ格納部６５に格納する。前処理部６３は、データ受信部６２から受け取ったデータに前処理を行う部分である。ここでの前処理は、例えば移動平均差分処理、移動平均処理などである。前処理部６３は、前処理実行後のデータを判断部６４に出力する。

判断部６４は、レーザ溶接部の溶接品質の良否、及び面取り加工の加工状態の良否を判断する部分である。判断部６４は、レーザ溶接部及び面取り加工が正常に実施された場合の基準データを保有しており、当該基準データと前処理部６３から前処理実行後のデータとに基づいてマハラノビス距離の算出を行い、算出されたマハラノビス距離を閾値と比較して良否判断を行う。判断部６４は、判断結果を示す情報をデータ格納部６５に格納する。データ格納部６５は、良否判断の判断結果を格納する部分である。データ格納部６５は、判断部６４から受け取った情報を、ワークの接合体の識別情報及び走査計測部５３の検出結果のデータと関連付けて記憶する。

図３は、レーザ溶接機を用いて形成される接合体の一例を示す断面図である。同図に示すように、本実施形態で例示する接合体１１は、ステンレス鋼製の鉄道車両の出入口枠（第１のワーク）１２を外板（第２のワーク）１３に溶接してなる接合体である。

出入口枠１２は、鉄道車両の側構体に設けられるドアの配置空間を形成する枠部材である。出入口枠１２は、例えば厚さ１．０ｍｍ〜６．０ｍｍ程度のステンレス鋼によって形成されている。出入口枠１２の一端側は平坦部１４となっており、他端側は平坦部１４から折れ曲がる折曲部１５となっている。また、外板１３は、鉄道車両の側構体の外郭部分を形成する平板部材である。外板１３は、例えば厚さ１．０ｍｍ〜３．０ｍｍ程度のステンレス鋼によって形成されている。外板１３は、例えば出入口枠１２よりも薄いが、厚さの大小関係に特に制限はない。外板１３と出入口枠１２とが等厚であってもよい。

接合体１１は、折曲部１５の折れ曲がり方向が車内側を向くように、鉄道車両構体に適用される。本実施形態では、出入口枠１２における平坦部１４の車両外側面（主面）１４ａに対して外板１３の端部１６が重ね合されている。出入口枠１２と外板１３との重ね合わせ部分Ｐには、レーザ溶接又は抵抗スポット溶接が施されており、当該重ね合わせ部分Ｐの延在方向（ここでは図３の奥行方向）に沿って所定の間隔でスポット溶接部Ｗ１が形成されている。

また、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３における端部１６側の端面１６ａとには、レーザ溶接による隅肉溶接が施されており、重ね合わせ部分Ｐの延在方向に沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２が形成されている。このような連続的なレーザ溶接部Ｗ２の形成により、出入口枠１２と外板１３とが強固かつ水密に接合されている。

外板１３における端部１６の車両外側の角部１６ｂには、面取り加工が施されている。接合体１１では、出入口枠１２の車両外側に外板１３が重ね合されており、外板１３の車両外側に出入口枠１２が重ね合される場合と比較すると、鉄道車両の側構体に出入口枠１２の厚さ分の張り出しが生じることがなく、良好な外観を形成できる。一方、出入口枠１２の近傍に外板１３の端部１６が位置しているため、接合体１１を側構体に適用した鉄道車両では、乗客等が外板１３の端部１６に触れる可能性がある。したがって、外板１３の角部１６ｂを面取り加工によってＲ形状としておくことが好適である。

続いて、上述した接合体１１の製造工程について説明する。

接合体１１を製造するにあたっては、図４に示すように、まず、出入口枠１２及び外板１３を用意し、出入口枠１２の車両外側面１４ａに外板１３の端部１６を重ね合わせる（配置工程）。次に、抵抗スポット溶接機などを用い、出入口枠１２と外板１３との重ね合わせ部分Ｐにスポット溶接部Ｗ１を形成する。

スポット溶接部Ｗ１の形成の後、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６側の端面１６ａとの重ね合わせ部分Ｐに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２を形成する（溶接工程）。図５は、溶接工程でレーザ溶接機に適用する第１のコンタクトチップ７Ａの一例を示す図である。同図に示すように、第１のコンタクトチップ７Ａは、例えば導電性材料によって形成され、中空の円筒状をなしている。第１のコンタクトチップ７Ａを形成する導電性材料は、ワークに傷を発生させない観点から、ワークの形成材料よりも硬度が低い材料であることが好適である。このような導電性材料としては、例えば銅、銅合金、導電性カーボンなどが挙げられる。

第１のコンタクトチップ７Ａは、ワークに対して所定の傾斜角をもって接触するように設計されている。ここでは、出入口枠１２及び外板１３に対し、第１のコンタクトチップ７Ａが４５°傾斜して接触するように設計されている。また、第１のコンタクトチップ７Ａは、トーチ部４の先端に取り付けられた状態において、第１のコンタクトチップ７Ａの中心軸Ｌ１とレーザ溶接機１の本体部２から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。

第１のコンタクトチップ７Ａの先端側には、凸状部２１と、切欠部２２とが設けられている。凸状部２１は、レーザ溶接の際にワークに接触する部分である。凸状部２１は、出入口枠１２の車両外側面１４ａに接する第１面２３と、外板１３の端面１６ａに接する第２面２４とによって構成されている。第１面２３と第２面２４とは、第１のコンタクトチップ７Ａの先端において略直角をなしている。第１面２３と第２面２４とがなす角部２５は、第１のコンタクトチップ７Ａの中心軸Ｌ１上に位置している。この角部２５には、Ｒ形状の切欠部２６が設けられている。

切欠部２２は、レーザ溶接の際にワークから発生する溶接ヒュームを第１のコンタクトチップ７Ａの外部に放出する部分である。溶接ヒュームとは、溶接時にワークの表面で発生した金属蒸気が空気中で凝固した粉塵である。切欠部２２は、第１のコンタクトチップ７Ａの周面の一部を第２面２４に連続して矩形に切り欠くことによって形成されている。切欠部２２により、凸状部２１をワークに接触させた状態においても凸状部２１の近傍の内部空間が外部に露出し、溶接ヒュームの放出経路が形成される。

溶接工程では、図６に示すように、上記の第１のコンタクトチップ７Ａをトーチ部４の先端に取り付ける。そして、トーチ部４を出入口枠１２及び外板１３に対して４５°程度傾けて把持し、第１のコンタクトチップ７Ａにおける凸状部２１の第１面２３を出入口枠１２の車両外側面１４ａに接触させると共に、第２面２４を外板１３の端面１６ａに接触させる。第１のコンタクトチップ７Ａの切欠部２６は、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとがなす隅部に対向する。

この状態で、トーチ部４からレーザ光を照射し、トーチ部４を出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐに沿って手動で走査していくことにより、重ね合わせ部分Ｐに沿って連続的なレーザ溶接部Ｗ２を形成する。これにより、出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとが隅肉溶接され、レーザ溶接部Ｗ２によって出入口枠１２と外板１３とが水密かつ強固に接合される。

なお、溶接工程においては、レーザ溶接機１のアースを出入口枠１２又は外板１３に対して接続しておくことが好ましい。この場合、第１のコンタクトチップ７Ａが銅、銅合金、導電性カーボンなどの導電性材料によって形成されているので、トーチ部４、ワーク、アースを介した回路の通電状態に基づいて、レーザ溶接機１のインターロック機構を実現できる。例えば、第１のコンタクトチップ７Ａがワークに接触しておらず、回路の通電状態がオフとなっている場合に、レーザ溶接機１からのレーザ光の出射を禁止することで、作業の安全性を担保できる。

レーザ溶接部Ｗ２の形成の後、外板１３の端部１６の面取り加工を行う（加工工程）。図７は、溶接工程でレーザ溶接機に適用する第２のコンタクトチップ７Ｂの一例を示す図である。同図に示すように、第２のコンタクトチップ７Ｂは、第１のコンタクトチップ７Ａと同様に、例えば銅、銅合金、導電性カーボンなどの導電性材料によって形成され、中空の円筒状をなしている。

第２のコンタクトチップ７Ｂは、ワークに対して所定の傾斜角をもって接触するように設計されている。ここでは、出入口枠１２及び外板１３に対し第２のコンタクトチップ７Ｂが４５°傾斜して接触するように設計されている。また、第２のコンタクトチップ７Ｂは、トーチ部４の先端に取り付けられた状態において、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２とレーザ溶接機１の本体部２から導光されるレーザ光の光軸とが略一致するように設計されている。

第２のコンタクトチップ７Ｂの先端側には、凹状部３１と、切欠部３２とが設けられている。凹状部３１は、レーザ溶接の際にワークに接触する部分である。凹状部３１は、外板１３の車両外側面１６ｃに接する第１面３３と、外板１３の端面１６ａに接する第２面３４とによって構成されている。第１面３３と第２面３４とは、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端において略直角をなしている。第１面３３と第２面３４とがなす隅部３５は、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２上に位置している。この隅部３５には、Ｒ形状の切欠部３６が設けられている。

切欠部３２は、第１のコンタクトチップ７Ａの切欠部２２と同様に、レーザ溶接の際にワークから発生する溶接ヒュームを第２のコンタクトチップ７Ｂの外部に放出する部分である。切欠部３２は、第２のコンタクトチップ７Ｂの周面の一部を第１面３３に連続して矩形に切り欠くことによって形成されている。切欠部３２により、凹状部３１をワークに接触させた状態においても凹状部３１の近傍の内部空間が外部に露出し、溶接ヒュームの放出経路が形成される。

また、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端側には、出入口枠１２の車両外側面１４ａに接する第３面３７が設けられている。第３面３７は、第２面３４に連続して切欠部３２の反対側に形成されている。第２面３４と第３面３７とは、第２のコンタクトチップ７Ｂの先端において略直角をなしている。第２面３４と第３面３７とがなす角部３８は、第２のコンタクトチップ７Ｂの中心軸Ｌ２に対し、切欠部３２の反対側にずれて位置している。

加工工程では、図８に示すように、上記の第２のコンタクトチップ７Ｂをトーチ部４の先端に取り付ける。そして、トーチ部４を出入口枠１２及び外板１３に対して４５°程度傾けて把持し、第２のコンタクトチップ７Ｂにおける凹状部３１の第１面３３を外板１３の車両外側面１６ｃに接触させると共に、第２面３４を外板１３の端面１６ａに接触させる。また、第２のコンタクトチップ７Ｂの第３面３７を出入口枠１２の車両外側面１４ａに接触させる。第２のコンタクトチップ７Ｂの切欠部３６は、外板１３の端部１６の角部１６ｂに対向する。

この状態で、トーチ部４からレーザ光を照射し、トーチ部４を出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端部１６との重ね合わせ部分Ｐに沿って手動で走査していくことにより、外板１３の端部１６の角部１６ｂをＲ状に加工する。角部１６ｂの面取り加工により、角部１６ｂ及びその近傍に生じていたバリ等も同時に除去される。以上の工程により、図２に示した接合体１１が得られる。

なお、加工工程においても、レーザ溶接機１のアースを出入口枠１２又は外板１３に対して接続しておくことが好ましい。第２のコンタクトチップ７Ｂも銅、銅合金、導電性カーボンなどの導電性材料によって形成されているので、トーチ部４、ワーク、アースを介した回路の通電状態に基づいて、レーザ溶接機１のインターロック機構を実現できる。

上述の工程では、外板１３に出入口枠１２を重ねわせる配置工程の後、レーザ溶接部Ｗ２を形成する溶接工程の前に、出入口枠１２と外板１３とをスポット溶接部Ｗ１によって接合している。外板１３の厚さに比べて出入口枠１２の厚さが大きい場合、レーザ溶接のみでは溶接強度の確保に必要な入熱量が過剰になることが考えられる。したがって、スポット溶接部Ｗ１によって出入口枠１２と外板１３の溶接強度を十分に確保した上で、水密性確保のためのレーザ溶接を組み合わせることで、レーザ溶接時のワークへの入熱量を抑えることができる。

本実施形態では、溶接工程において、レーザ溶接機１からパルスレーザを出射してレーザ溶接部Ｗ２を形成する。レーザ溶接の条件は、例えばパルス幅１０ｍｓ〜３０ｍｓ、周波数１０Ｈｚ〜３０Ｈｚ、入熱量１０Ｊ〜３０Ｊ程度である。レーザ溶接部Ｗ２は、個々のナゲットをオーバーラップさせることによって形成してもよい。また、加工工程においては、レーザ溶接機１からＣＷレーザを出射して面取り加工を行う。この場合のＣＷレーザの出力は、例えば２００Ｗ〜２５０Ｗ程度である。

次に、溶接工程で形成するレーザ溶接部Ｗ２の溶接品質の良否を判断する溶接判断工程、及び加工工程で面取り加工を行った外板１３の端部１６の加工状態の良否を判断する加工判断工程について説明する。

上述した溶接工程及び加工工程では、レーザ溶接機１のトーチ部４を作業者が把持し、手動でトーチ部４の走査が行われる。トーチ部４の走査にあたって手元のぶれが生じると、レーザ溶接部Ｗ２の溶接品質及び端部１６の加工状態に異常が生じるおそれがある。

溶接工程では、例えば図９（ａ）に示すように、ワークに対する第１のコンタクトチップ７Ａの傾斜角が設定（ここでは４５°）よりも小さくなり、レーザ光の照射位置が出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとがなす隅部から外れてしまう場合がある。この場合、ワークの溶け込み量が減少し、観測される光の強度が正常時に比べて弱くなる傾向がある。

また、例えば図９（ｂ）に示すように、第１のコンタクトチップ７Ａが外板１３の車両外側面１６ｃに乗り上がり、車両外側面１６ｃのみにレーザ光が照射されてしまう場合がある。この場合、レーザ光の照射位置で生じる光が出入口枠１２の車両外側面１４ａと外板１３の端面１６ａとがなす隅部で遮られなくなるので、観測される光の強度が正常時に比べて強くなる傾向がある。

また、手元のぶれに起因するものではないが、例えば図９（ｃ）に示すように、出入口枠１２と外板１３との間の隙間量が許容範囲を超えてしまう場合がある。このような隙間量の異常は、ワークの平面度の不足、重ね合わせ部分Ｐでのスポット溶接部Ｗ１の形成などに起因して生じることがある。この場合、レーザ光の照射位置で生じる光が隙間に入り、観測される光の強度が正常時に比べて弱くなる傾向がある。

加工工程では、例えば図１０（ａ）に示すように、第２のコンタクトチップ７Ｂが外板１３の端面１６ａに当接せず、レーザ光の照射位置が外板１３の角部１６ｂから外れてしまう場合がある。この場合、レーザ光が外板１３の端面１６ａにのみ照射されるため、観測される光の強度が正常時に比べて弱くなる傾向がある。

また、例えば図１０（ｂ）に示すように、第２のコンタクトチップ７Ｂが外板１３の車両外側面１６ｃに当接せず、レーザ光の照射位置が外板１３の角部１６ｂから外れてしまう場合がある。この場合、レーザ光が外板１３の車両外側面１６ｃで反射するため、観測される光の強度が正常時に比べて強くなる傾向がある。

溶接工程において、上記図９（ａ）〜（ｃ）のような異常が生じた状態でレーザ溶接部Ｗ２が形成された場合には、いずれの場合も観測される音の強度が正常時に比べて弱くなる傾向がある。一方、加工工程において上記図１０（ａ）（ｂ）のような異常が生じた状態で面取り加工がなされた場合でも、観測される音の強度は正常時に対して差異が見られない傾向がある。

このような異常の要因と、異常の要因に基づく光強度及び音強度の傾向とを鑑み、溶接工程では、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を、作業者が装着した保護メガネのレンズ又はフレームの内側に設けたフォトダイオード５１によって検出する。また、溶接工程では、レーザ光の照射位置で生じる音の強度を、作業者が装着した保護メガネのレンズ又はフレームの外側に設けたマイクロホン５２によって検出する。一方、加工工程では、音の強度の検出は行わず、レーザ光の照射位置で生じる光の強度のみを、作業者が装着した保護メガネのレンズ又はフレームの内側に設けたフォトダイオード５１によって検出する。

まず、溶接判断工程について説明する。図１１は、溶接工程におけるフォトダイオード５１での光強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が電圧（光強度）となっている。溶接工程では、トーチ部４からパルスレーザを出射してレーザ溶接部Ｗ２の形成を行っている。したがって、データの波形パターンは、レーザのパルス間隔に応じた時間間隔で複数のピークを有するものとなる。各ピークでは、典型的には、パルスの照射開始と共に光強度が急激に増加し、オーバーシュート部分を経て、パルスの照射終了と共に光強度が急激に減少する。つまり、各ピークにおいて、光強度が極めて急峻に大きく立ち上がり、そして、その後すぐ急峻に立ち下がる。

次に、前処理部６３において、フォトダイオード５１で得られたデータに移動平均差分処理が施される。移動平均差分処理は、所定データ点ごとの移動平均値を算出し、算出された移動平均値を元の値から減算する処理である。移動平均差分処理により、図１１で示したデータの波形パターンからＤＣ成分が除去され、図１２に示すように、各ピークの頂部に含まれる高周波成分のみが抽出される。

移動平均差分処理の実行後、判断部６４において、データの波形パターンの正規化が行われる。この正規化では、始めに移動平均差分処理後の値の平均値μ及び標準偏差σが算出され、これらに基づいて標本線が設定される。図１３に示す例では、μ、±１．５σ、±３．０σの５本の標本線が設定されている。標本線の設定数に理論上の制限はないが、解析負荷を考慮すると、５本〜１１本程度とすることが好適である。

標本線の設定後、正規化値として存在量及び変化量が算出される。存在量は、標本線よりも絶対値の大きい値を有するデータの数である。また、変化量は、データの波形パターンが標本線と交差する回数である。図１３に示す例では、例えば＋３．０σの標本線に対しては、存在量＝２、変化量＝０となる。存在量及び変化量は、例えば各標本線について所定のサンプリング区間（例えば０．１秒）内で算出される。サンプリング周波数が１ｋＨｚ、サンプリング区間が０．１秒である場合、サンプリング区間中に１００個のデータが存在する。サンプリング区間を時間軸に沿ってずらしていくことにより、各区間内での存在量及び変化量がそれぞれ算出される。

図１４は、溶接工程におけるマイクロホン５２での音強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が電圧（音強度）となっている。同図に示すように、データの波形パターンは、レーザ光の照射の開始に応じて立ち上がり、レーザ光の照射中はほぼ一定となり、レーザ光の照射の終了に応じて立ち下がる。マイクロホン５２で得られたデータは、前処理部６３による前処理が施されずに判断部６４に出力される。

次に、判断部６４において、ＭＴ（Mahalanobis-Taguchi）システムを利用したマハラノビス距離の算出が行われる。ＭＴシステムとは、マハラノビスの距離という基本概念を用いて状態の変化を判別する多変量解析手法であり、複数の測定量（多変数）をマハラノビスの距離（１つの変数）で表現して取り扱う手法である。マハラノビスの距離の詳細については、例えば特開２００６−１６０１５３号公報等を参照されたい。

マハラノビス距離の算出に当たっては、光強度のデータの正規化値と、音強度のデータ（生データ）の出力値とに基づいて、ＭＴシステムの単位空間の生成がなされる。判断部６４には、予め基準となる単位空間（以下、「基準単位空間」と称す）が格納されている。基準単位空間は、レーザ溶接部Ｗ２が正常に形成された場合の光強度の検出結果のデータの正規化値と、音強度のデータ（生データ）の出力値とを含む数値行列を、データ数に応じて形成したものである。

判断部６４では、溶接工程における光強度のデータの正規化値と、音強度のデータ（生データ）の出力値とに基づいて、判断対象となる単位空間（以下、「対象単位空間」と称す）の生成が行われる。対象単位空間は、溶接工程において得られた光強度の検出結果のデータの正規化値と、音強度のデータ（生データ）の出力値とを含む数値行列を、データ数に応じて形成したものである。

判断部６４では、基準単位空間と対象単位空間とを用いてマハラノビス距離が算出される。判断部６４では、マハラノビス距離の閾値が例えば４に設定されており、マハラノビス距離が４以下である場合にはレーザ溶接部Ｗ２の溶接品質が正常であると判断され、マハラノビス距離が４を超えている場合にはレーザ溶接部Ｗ２の溶接品質が異常であると判断される。

続いて、加工判断工程について説明する。図１５は、加工工程における光検出部での光強度の検出結果を示すデータの一例を示す図である。同図では、横軸が時間、縦軸が電圧（光強度）となっている。加工工程では、トーチ部４からＣＷレーザを出射して外板１３の端部１６の面取り加工を行っている。したがって、データの波形パターンは、レーザ光の照射の開始に応じて立ち上がり、レーザ光の照射中はほぼ一定となり、レーザ光の照射の終了に応じて立ち下がる。

次に、前処理部６３において、フォトダイオード５１で得られたデータに移動平均処理が施される。移動平均処理は、一定区間ごとのデータの平均値を区間をずらしながら算出する処理である。移動平均処理により、図１５で示したデータの波形パターンから高周波ノイズ成分が除去され、図１６に示すように、波形パターンがスムージングされる。

移動平均処理の実行後、判断部６４において、データの波形パターンの正規化が行われる。この正規化では、溶接判断工程と同様に、始めに移動平均処理後の値の平均値μ及び標準偏差σが算出され、これらに基づいて標本線が設定される。ここでの標本線の設定は、例えば溶接判断工程と同様に、μ、±１．５σ、±３．０σの５本とされる。そして、サンプリング区間を時間軸に沿ってずらしていくことにより、各区間内での存在量及び変化量がそれぞれ算出される。

判断部６４では、基準単位空間と対象単位空間とを用いてマハラノビス距離が算出される。判断部６４では、マハラノビス距離の閾値が例えば４に設定されており、マハラノビス距離が４以下である場合には外板１３の端部１６の加工状態が正常であると判断され、マハラノビス距離が４を超えている場合には外板１３の端部１６の加工状態が異常であると判断される。なお、加工判断工程では、加工工程における光強度のデータの正規化値と、光強度のデータ（生データ）の出力値とに基づいてＭＴシステムの単位空間の生成を行うことが好適である。

溶接判断工程及び加工判断工程における判断結果は、接合体１１の識別情報及び走査計測部５３の検出結果のデータと関連付けてデータ格納部６５に記憶される。また、溶接判断工程及び加工判断工程における判断結果は、レーザ溶接機１のディスプレイ５に表示される。

以上説明したように、このレーザ溶接方法では、ハンドトーチ型のレーザ溶接機１を用いることで、自動溶接の場合とは異なり、レーザ光の倣い性を確保するための複雑なティーチング作業が不要となり、溶接の作業性を向上できる。また、このレーザ溶接方法では、溶接判断工程において、レーザ溶接中にレーザ光の照射位置で生じる光の強度及び音の強度の検出結果に基づき、マハラノビス距離を用いてレーザ溶接部Ｗ２の溶接品質の良否を判断する。多変量解析であるマハラノビス距離を用いることで、レーザ溶接作業時の手元のぶれによる種々の要因を加味してレーザ溶接部Ｗ２の溶接品質の良否を精度良く判断でき、形成される溶接部の品質管理を簡単に実施できる。

また、このレーザ溶接方法では、溶接工程において、レーザ溶接機１からパルスレーザを照射してレーザ溶接部Ｗ２を形成している。そして、溶接判断工程において、フォトダイオード５１から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うと共に、移動平均差分処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいてマハラノビス距離を算出している。

溶接工程においてＣＷレーザを用いる場合、溶接の途中でトーチ部４の走査を止めると、止めた位置でワークに孔が開いてしまうことが考えられる。これに対し、パルスレーザを用いる場合、溶接の途中でトーチ部４の走査を止めた場合でも、止めた位置でワークに孔が開いてしまうことが防止され、その位置からレーザ溶接を再開できる。また、溶接判断工程において、フォトダイオード５１から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うことで、データ中のＤＣ成分を除去できる。これにより、マハラノビス距離を用いた溶接品質の良否判断の精度を向上できる。

さらに、このレーザ溶接方法では、また、外板１３の端部１６の面取り加工を行う加工工程において、レーザ溶接機１からＣＷレーザを照射して端部１６の面取り加工を行っている。そして、加工判断工程において、フォトダイオード５１から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うと共に、移動平均処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいてマハラノビス距離を算出している。加工判断工程において、フォトダイオード５１から得られた光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うことで、データ中の高周波ノイズ成分を除去できる。これにより、マハラノビス距離を用いた加工状態の良否判断の精度を向上できる。

本実施形態では、出射するレーザ光の波長をカットする保護メガネが付属されたレーザ溶接機１を用い、保護メガネにおけるレンズ又はフレームの内側にフォトダイオード５１を設けている。これにより、ワーク表面などで生じるレーザ光の反射光成分をカットできる。また、レーザ光の走査と共に作業者が移動することで、レーザ光の照射位置とフォトダイオード５１とが離れてしまうことがないため、フォトダイオード５１による検出結果の信号強度が低下してしまうことも防止できる。したがって、溶接品質及び加工状態の良否判断の精度を一層向上できる。

また、本実施形態では、レーザ溶接機１によるレーザ光の照射位置の走査量を走査計測部５３によって計測している。レーザ光の照射位置の走査量を計測することで、レーザ溶接によって得られる接合体１１のトレーサビリティの確立が可能となる。走査計測部５３は、フォトダイオード５１及びマイクロホン５２と同期して走査量の計測を行っているので、異常の判断がなされた時刻と走査量とを照合することで、ワークにおける異常の発生箇所の特定が可能となっている。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば上記実施形態では、第１のワークとして出入口枠１２を例示したが、第１のワークは、鉄道車両構体における開口部を保持する他の枠部材であってもよい。このような枠部材としては、例えば窓枠や幌枠などが挙げられる。また、第２のワークは、外板に限られない。本発明は、第１のワークと第２のワークとの隅肉溶接に広く適用可能である。また、本発明は、アルミニウム合金製の鉄道車両構体に用いられるワーク、マグネシウム合金製の鉄道車両構体のワークなどにも適用可能である。

また、上記実施形態では、出入口枠１２及び外板１３に対し、第１のコンタクトチップ７Ａ及び第２のコンタクトチップ７Ｂが４５°傾斜するように凸状部２１及び凹状部３１が設計されているが、当該傾斜角が４５°〜７５°となる範囲で凸状部２１及び凹状部３１が設計されていてもよい。いずれの傾斜角の場合においても、第１のコンタクトチップ７Ａ及び第２のコンタクトチップ７Ｂは、トーチ部４に対して同軸に取り付けられることが好ましい。

また、上記実施形態では、保護メガネのレンズ又はフレームの内側にフォトダイオード５１を設けているが、保護メガネのレンズ又はフレームの外側に設けてもよく、溶接ブースの天井部、ワークの近傍に設けてもよい。マイクロホン５２の位置についても同様である。マイクロホン５２による音強度の検出は、省略してもよい。また、マイクロホン５２に代えてＡＥ波を検出する手段を音検出部として用いてもよい。

また、上記実施形態では、ロータリエンコーダによって走査計測部５３を構成しているが、タコジェネレータなどを用いてトーチ部４の走査速度を計測するようにしてもよい。この場合も、速度と時間の関係から異常の発生箇所の特定を行うことが可能である。トーチ部４を直接把持してレーザ溶接を行うのではなく、トーチ部４を台車等で保持する場合、台車の走行ローラの回転数などを走査計測部５３で計測するようにしてもよい。

１…レーザ溶接機、４…トーチ部、１２…出入口枠（第１のワーク）、１３…外板（第２のワーク）、１４ａ…車両外側面（主面）、１６…端部、１６ａ…端面、５１…フォトダイオード（光検出部）、５２…マイクロホン（音検出部）、５３…走査計測部、Ｐ…重ね合わせ部分、Ｗ２…レーザ溶接部。

Claims (11)

1. 第１のワークの主面に第２のワークの端部を重ね合わせる配置工程と、
   ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用い、前記第１のワークの前記主面と前記第２のワークの前記端部側の端面とに重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接部を形成する溶接工程と、
   前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する溶接判断工程と、を備え、
   前記溶接工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、
   前記溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記溶接工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断し、
   前記第２のワークの端部の面取り加工を行う加工工程と、
   前記端部の加工状態の良否を判断する加工判断工程と、を更に備え、
   前記加工工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、
   前記加工判断工程において、前記端部の面取り加工が正常に実施された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記加工工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記端部の加工状態の良否を判断するレーザ溶接方法。
2. 前記溶接工程において、前記レーザ溶接機からパルスレーザを照射して前記レーザ溶接部を形成し、
   前記溶接判断工程において、前記光検出部から得られた前記光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うと共に、移動平均差分処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいて前記マハラノビス距離を算出する請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. 前記加工工程において、前記レーザ溶接機からＣＷレーザを照射して前記端部の面取り加工を行い、
   前記加工判断工程において、前記光検出部から得られた前記光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うと共に、移動平均処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいて前記マハラノビス距離を算出する請求項１又は２記載のレーザ溶接方法。
4. 前記溶接工程において、前記レーザ光の照射位置で生じる音の強度を音検出部によって検出し、
   前記溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度及び音強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記溶接工程で得られた光強度及び音強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
5. 前記レーザ溶接機による前記レーザ光の前記照射位置の走査量を走査計測部によって計測する請求項１〜４のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
6. 第１のワークの主面に第２のワークの端部を重ね合わせる配置工程と、
   ハンドトーチ型のレーザ溶接機を用い、前記第１のワークの前記主面と前記第２のワークの前記端部側の端面とに重ね合わせ部分に沿って連続的なレーザ溶接部を形成する溶接工程と、
   前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する溶接判断工程と、を備え、
   前記溶接工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、
   前記溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記溶接工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断し、
   前記溶接工程では、出射するレーザ光の波長をカットする保護メガネが付属された前記レーザ溶接機を用い、
   前記保護メガネにおけるレンズ又はフレームの内側に前記光検出部を設けるレーザ溶接方法。
7. 前記溶接工程において、前記レーザ溶接機からパルスレーザを照射して前記レーザ溶接部を形成し、
   前記溶接判断工程において、前記光検出部から得られた前記光強度の検出結果のデータに対して移動平均差分処理を行うと共に、移動平均差分処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいて前記マハラノビス距離を算出する請求項６記載のレーザ溶接方法。
8. 前記第２のワークの端部の面取り加工を行う加工工程と、
   前記端部の加工状態の良否を判断する加工判断工程と、を更に備え、
   前記加工工程において、レーザ光の照射位置で生じる光の強度を光検出部によって検出し、
   前記加工判断工程において、前記端部の面取り加工が正常に実施された場合の光強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記加工工程で得られた光強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記端部の加工状態の良否を判断する請求項６又は７記載のレーザ溶接方法。
9. 前記加工工程において、前記レーザ溶接機からＣＷレーザを照射して前記端部の面取り加工を行い、
   前記加工判断工程において、前記光検出部から得られた前記光強度の検出結果のデータに対して移動平均処理を行うと共に、移動平均処理後のデータを標準偏差に基づいて正規化し、得られた正規化値を含む数値行列に基づいて前記マハラノビス距離を算出する請求項８記載のレーザ溶接方法。
10. 前記溶接工程において、前記レーザ光の照射位置で生じる音の強度を音検出部によって検出し、
    前記溶接判断工程において、レーザ溶接部が正常に形成された場合の光強度及び音強度の検出結果に基づく単位空間に基づいて、前記溶接工程で得られた光強度及び音強度の検出結果のマハラノビス距離を算出し、前記マハラノビス距離と予め定められた閾値との比較に基づいて前記レーザ溶接部の溶接品質の良否を判断する請求項６〜９のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。
11. 前記レーザ溶接機による前記レーザ光の前記照射位置の走査量を走査計測部によって計測する請求項６〜１０のいずれか一項記載のレーザ溶接方法。