JP6780544B2

JP6780544B2 - レーザ溶接装置

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Publication number: JP6780544B2
Application number: JP2017036785A
Authority: JP
Inventors: 康平高橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2020-11-04
Anticipated expiration: 2037-02-28
Also published as: JP2018140426A

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関する。

従来、レーザ光をワークに照射して溶接するレーザ溶接装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１のレーザ溶接装置は、レーザ光の焦点ずれを検出し、焦点距離を補正するように構成されている。具体的に、このレーザ溶接装置では、測定基準面に形成された小開口にレーザ光を照射し、そのレーザ光の照射による小開口の周囲の測定基準面からの放射光を測定する。そして、放射光の強度に基づいて焦点のずれ量を算出し、そのずれ量を用いて焦点距離が補正される。

特開２０１６−２５８０号公報

しかしながら、上記した従来のレーザ溶接装置では、出射されるレーザ光の焦点距離を補正することが可能であるが、ワーク側にばらつきが生じる場合に対応するのが困難である。すなわち、上記のレーザ溶接装置においてワーク側のばらつきに対応するためには、ワークに小開口を設ける必要があることから、現実的ではない。なお、ワーク側のばらつきとは、たとえば、ワークの搬送位置がずれる場合や、ワークの形状にばらつき（個体差）がある場合である。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、ワーク側にばらつきが生じる場合であっても、そのばらつきに起因する位置ずれを補正して溶接することが可能なレーザ溶接装置を提供することである。

本発明によるレーザ溶接装置は、溶接用レーザ光を出射する第１光源と、溶接用レーザ光の焦点距離を調整する焦点調整機構と、溶接用レーザ光を走査させる走査機構とを備え、溶接用レーザ光をワークに照射して溶接するように構成されている。レーザ溶接装置は、検査用レーザ光を出射するとともに、検査用レーザ光が焦点調整機構および走査機構を介してワークに照射されるように配置された第２光源と、検査用レーザ光がワークに照射された場合に、そのワークで反射される反射光を受光する受光素子と、検査用レーザ光がワークに照射されるときの受光素子の検出結果に基づいて、ワークの第１位置ずれおよび第２位置ずれを検査する検査部とを備える。第１位置ずれは、ワークに照射される検査用レーザ光の光軸方向と交差する方向におけるワークの位置ずれであり、第２位置ずれは、光軸方向におけるワークの位置ずれである。第１位置ずれが検査される場合には走査機構によって検査用レーザ光がワークに対して走査軌跡を描くように走査され、その際の反射光の強度がゼロとなる期間に基づいて第１位置ずれの補正値が算出される。第２位置ずれが検査される場合には焦点調整機構によって検査用レーザ光の焦点距離を変化させながらワークに対して検査用レーザ光が照射され、その際の反射光の強度が最大となる時点に基づいて第２位置ずれの補正値が算出される。そして、レーザ溶接装置は、第１位置ずれの検査が行われた後に、第１位置ずれが補正された状態で第２位置ずれの検査が行われ、その後に第１位置ずれおよび第２位置ずれが補正された状態で溶接用レーザ光がワークに照射されて溶接が行われるように構成されている。

このように構成することによって、溶接用レーザ光を照射する前に、ワークの第１位置ずれおよび第２位置ずれを検査することにより、溶接用レーザ光を照射するときに第１位置ずれおよび第２位置ずれを補正することができるので、ワーク側にばらつきが生じる場合であっても、そのばらつきに起因する位置ずれを補正して溶接することができる。

本発明のレーザ溶接装置によれば、ワーク側にばらつきが生じる場合であっても、そのばらつきに起因する位置ずれを補正して溶接することができる。

本実施形態によるレーザ溶接装置の概略構成を説明するための図である。平面ずれが発生している状態を説明するための図である。平面ずれが発生している場合の受光素子の検出結果の一例と、そのときの走査位置とを示した図である。図３の走査位置から算出される補正値を説明するための図である。焦点距離と反射光の強度との関係を説明するための図である。焦点ずれが発生している場合の受光素子の検出結果の一例を示した図である。本実施形態によるレーザ溶接装置の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の一実施形態によるレーザ溶接装置１００の概略構成について説明する。

レーザ溶接装置１００は、図１に示すように、たとえば２枚の鋼板１５１および１５２からなるワーク１５０の溶接箇所１５０ａにレーザ光Ｌ１を照射することにより、その溶接箇所１５０ａを溶接するように構成されている。また、レーザ溶接装置１００は、ワーク１５０を溶接する前に、ワーク１５０側のばらつきに起因する位置ずれを検査し、溶接の際にその位置ずれを補正するように構成されている。なお、ワーク１５０側のばらつきとは、たとえば、ワーク１５０の搬送位置がずれる場合や、ワーク１５０の形状にばらつき（個体差）がある場合である。このレーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１と、光学系２と、受光部３と、制御装置４とを備えている。

レーザ発振器１は、溶接用のレーザ光Ｌ１および検査用のレーザ光Ｌ２を出射可能であり、光ファイバ５を介して光学系２に接続されている。このため、レーザ発振器１から出射されたレーザ光Ｌ１およびＬ２は、光ファイバ５を介して光学系２に入射される。レーザ光Ｌ１を出射する際の出力などは、ワーク１５０を溶接可能なように、ワーク１５０の材質などに応じて設定される。レーザ光Ｌ２を出射する際の出力などは、レーザ光Ｌ１を出射する場合に比べて低く設定されており、スパッタが発生しないように、ワーク１５０の材質などに応じて設定される。なお、レーザ発振器１は、本発明の「第１光源」および「第２光源」の一例である。レーザ光Ｌ１およびＬ２は、それぞれ、本発明の「溶接用レーザ光」および「検査用レーザ光」の一例である。

光学系２は、入射されたレーザ光Ｌ１およびＬ２をワーク１５０に導くために設けられている。この光学系２は、焦点調整機構２１と、走査機構２２と、ミラー２３および２４とを含んでいる。

焦点調整機構２１は、レーザ光Ｌ１およびＬ２の光軸方向に移動可能なレンズ２１ａを有する。この焦点調整機構２１は、レンズ２１ａの位置を調整することにより、レーザ光Ｌ１およびＬ２の焦点距離を調整するように構成されている。

走査機構２２は、ワーク１５０に対してレーザ光Ｌ１およびＬ２を走査させるために設けられている。この走査機構２２は、一対のガルバノミラー２２１および２２２を有しており、ガルバノミラー２２１がモータ２２１ａの回転軸に支持され、ガルバノミラー２２２がモータ２２２ａの回転軸に支持されている。そして、走査機構２２では、モータ２２１ａおよび２２２ａにより、ガルバノミラー２２１および２２２の角度を調整することにより、レーザ光Ｌ１およびＬ２を走査させることが可能である。なお、ガルバノミラー２２１は、レーザ光Ｌ１およびＬ２をワーク１５０に対してＸ方向（図１における左右方向）に走査させ、ガルバノミラー２２２は、レーザ光Ｌ１およびＬ２をワーク１５０に対してＹ方向（図１の紙面に対して直交する方向）に走査させる。

ミラー２３は、焦点調整機構２１を通過したレーザ光Ｌ１およびＬ２を走査機構２２に送るために設けられている。ミラー２４は、レーザ光Ｌ２がワーク１５０に照射されたときの反射光Ｌ３を受光部３に送るために設けられている。なお、ミラー２４は、レーザ発振器１から入射されて焦点調整機構２１に向かうレーザ光Ｌ１およびＬ２が通過可能に構成されている。

受光部３は、ミラー３１と、受光素子３２とを有する。ミラー３１は、ミラー２４からの反射光Ｌ３を受光素子３２に送るために設けられている。受光素子３２は、反射光Ｌ３の強度を検出するために設けられている。

制御装置４は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを有するコンピュータであり、レーザ溶接装置１００を制御するように構成されている。制御装置４には、レーザ発振器１、光学系２および受光部３が接続されている。そして、制御装置４は、レーザ発振器１および光学系２を制御するとともに、受光素子３２の検出結果が入力されるように構成されている。なお、制御装置４は、本発明の「検査部」の一例である。

このようなレーザ溶接装置１００では、ワーク１５０の溶接時に、レーザ発振器１から溶接用のレーザ光Ｌ１が出射され、そのレーザ光Ｌ１が光ファイバ５を介して光学系２に入射される。光学系２に入射したレーザ光Ｌ１は、ミラー２４および焦点調整機構２１を通過してミラー２３で反射される。そして、ミラー２３からのレーザ光Ｌ１は、ガルバノミラー２２１および２２２で反射され、ワーク１５０に照射される。このとき、レーザ発振器１から出射されるレーザ光Ｌ１は制御装置４により制御される。また、制御装置４が焦点調整機構２１を制御することにより、レーザ光Ｌ１の焦点距離が調整され、制御装置４が走査機構２２を制御することにより、ワーク１５０に対してレーザ光Ｌ１が走査される。なお、レーザ光Ｌ１は、たとえば円を描くように走査される。このように、ワーク１５０の溶接箇所１５０ａにレーザ光Ｌ１が照射されることにより、その溶接箇所１５０ａが溶融した後に凝固され、ワーク１５０が溶接箇所１５０ａで溶接される。

ここで、本実施形態では、レーザ溶接装置１００は、ワーク１５０を溶接する前に、ワーク１５０側のばらつきに起因する位置ずれを検査し、溶接の際にその位置ずれを補正するように構成されている。この位置ずれの検査は、ワーク１５０に対して検査用のレーザ光Ｌ２を照射し、その際の反射光Ｌ３の強度に基づいて行われる。また、位置ずれとしては、ワーク１５０に照射されるレーザ光Ｌ２の光軸方向と交差する方向における位置ずれ（以下、「平面ずれ」という）と、ワーク１５０に照射されるレーザ光Ｌ２の光軸方向における位置ずれ（以下、「焦点ずれ」という）とがある。そこで、平面ずれおよび焦点ずれの検査について説明する。

［平面ずれの検査］
次に、図１〜図４を参照して、本実施形態のレーザ溶接装置１００における平面ずれの検査について説明する。この平面ずれの検査は、制御装置４により行われる。なお、平面ずれは、本発明の「第１位置ずれ」の一例である。

図１に示すように、平面ずれの検査時には、レーザ発振器１から検査用のレーザ光Ｌ２が出射され、そのレーザ光Ｌ２が光ファイバ５を介して光学系２に入射される。光学系２に入射したレーザ光Ｌ２は、ミラー２４、焦点調整機構２１、ミラー２３および走査機構２２を介してワーク１５０に照射される。このとき、レーザ光Ｌ２の焦点距離および走査軌跡ＳＴ（図２参照）は、予め記録された教示データに基づいて設定される。走査軌跡ＳＴはたとえば円形であり、所定位置から開始されてその所定位置に戻るように円を描くように走査される。

そして、ワーク１５０にレーザ光Ｌ２が照射されると反射光Ｌ３が発生し、その反射光Ｌ３は、走査機構２２、ミラー２３、焦点調整機構２１およびミラー２４を介して受光部３に入射される。受光部３に入射された反射光Ｌ３は、ミラー３１を介して受光素子３２に照射される。そして、制御装置４では、反射光Ｌ３の強度である受光素子３２の検出結果に基づいて、ワーク１５０の平面ずれを検出する。

ここで、図２に示すように、ワーク１５０の平面ずれが発生している場合に、レーザ光Ｌ２の走査軌跡ＳＴにおいて、ワーク１５０にレーザ光Ｌ２が照射されない区間（レーザ光Ｌ２が外れる区間）ＳＴｚがあると、その区間ＳＴｚでは反射光Ｌ３が発生しない。このため、図３に示すように、受光素子３２により検出される反射光Ｌ３の強度は、走査開始時点ｔ１から上昇し、レーザ光Ｌ２が外れ始める時点ｔ２においてゼロになる。その後、レーザ光Ｌ２がワーク１５０に当たり始める時点ｔ３において上昇し、走査終了時点ｔ４においてゼロになる。この受光素子３２の検出結果における時点ｔ２から時点ｔ３までの期間Ｔが、レーザ光Ｌ２が照射されない区間ＳＴｚに相当する。また、図３には、円形の走査軌跡ＳＴの中心位置をＰ（ａ，ｂ）とした場合の走査位置のＸ軸およびＹ軸の値を示している。なお、Ｘ軸およびＹ軸の値は、それぞれ、ガルバノミラー２２１および２２２の角度に基づいて算出される。

そして、図４に示すように、時点ｔ２の走査位置Ｐ（ｃ，ｄ）と、時点ｔ３の走査位置Ｐ（ｅ，ｆ）とから補正値ＣＶを算出する。具体的には、走査位置Ｐ（ｃ，ｄ）と走査位置Ｐ（ｅ，ｆ）とを結ぶ直線Ｌ１に対して、レーザ光Ｌ２が照射されない区間ＳＴｚの反対側にワーク１５０が配置されている。このため、直線Ｌ１と直交するとともに、中心位置Ｐ（ａ，ｂ）を通る直線Ｌ２における、区間ＳＴｚの走査軌跡ＳＴと交わる点Ｐ（ｇ，ｈ）から、直線Ｌ１と交わる点Ｐ（ｉ，ｊ）に向かうベクトルが補正値ＣＶになる。

そして、この補正値ＣＶを用いて平面ずれが補正される。すなわち、予め記録された教示データにおける走査軌跡ＳＴの所定位置（走査開始位置）が補正値ＣＶを用いて補正される。つまり、平面ずれの補正では、走査機構２２による走査位置が補正される。

［焦点ずれの検査］
次に、図１、図５および図６を参照して、本実施形態のレーザ溶接装置１００における焦点ずれの検査について説明する。この焦点ずれの検査は、上記した平面ずれの検査後に、平面ずれが補正された状態で、制御装置４により行われる。なお、焦点ずれは、本発明の「第２位置ずれ」の一例である。

図１に示すように、焦点ずれの検査時には、レーザ発振器１から検査用のレーザ光Ｌ２が出射され、そのレーザ光Ｌ２が光ファイバ５を介して光学系２に入射される。光学系２に入射したレーザ光Ｌ２は、ミラー２４、焦点調整機構２１、ミラー２３および走査機構２２を介してワーク１５０に照射される。このとき、レーザ光Ｌ２の走査軌跡ＳＴは、教示データを補正値ＣＶで補正して設定される。

ここで、図５の（ｂ）に示すように、レーザ光Ｌ２の焦点距離がワーク１５０に合っているときに、反射光Ｌ３の強度が最大になるように受光部３が調整されている。このため、図５の（ａ）に示すように、レーザ光Ｌ２の焦点距離がプラス側にデフォーカスされた場合、および、図５の（ｃ）に示すように、レーザ光Ｌ２の焦点距離がマイナス側にデフォーカスされた場合には、焦点距離が合っている場合に比べて反射光Ｌ３の強度が弱くなる。

そこで、レーザ光Ｌ２の焦点距離を変化させながらレーザ光Ｌ２を走査し、そのときの受光素子３２の検出結果に基づいて焦点ずれを検出する。具体的には、走査開始時点に、予め記録された教示データの焦点距離から所定量だけプラス側に焦点をシフトさせ、レーザ光Ｌ２の走査の際に焦点を徐々にマイナス側に変化させ、走査終了時点に、予め記録された教示データの焦点距離から所定量だけマイナス側に焦点をシフトした状態にする。

このように、レーザ光Ｌ２の焦点距離を変化させながらレーザ光Ｌ２を走査した場合に、教示データの焦点距離が合っていた場合には、図６の破線で示すように、走査開始時点ｔ１１から走査終了時点ｔ１３までの間において、その走査期間の中間時点ｔ１２で反射光Ｌ３の強度が最大になる。そして、図６の実線で示すように、たとえばマイナス側に焦点ずれが発生していた場合には、中間時点ｔ１２を経過した後の時点ｔ２１において反射光Ｌ３の強度が最大になる。このため、時点ｔ１２から時点ｔ２１までの焦点距離の変化（焦点距離の差）を補正値として算出する。

そして、この補正値を用いて焦点ずれが補正される。すなわち、予め記録された教示データにおける焦点距離が補正値を用いて補正される。つまり、焦点ずれの補正では、焦点調整機構２１により調整される焦点距離が補正される。たとえば、ワーク１５０がレーザ溶接装置１００に対して教示データよりも近い場合に、焦点距離を教示データからマイナス側に補正して焦点が合わされるようになっている。

−溶接時の動作−
次に、図７を参照して、本実施形態のレーザ溶接装置１００における溶接時の動作について説明する。なお、レーザ溶接装置１００に対してワーク１５０は搬送装置（図示省略）により所定の位置に配置される。このとき、ワーク１５０側のばらつきに起因する位置ずれが発生し得る。

そこで、まず、ステップＳ１において、平面ずれの検査が行われる。具体的には、上記したように、ワーク１５０に対して検査用のレーザ光Ｌ２を走査させ、その際の反射光Ｌ３を受光素子３２により検出し、その検出結果に基づいて補正値が算出される。

次に、ステップＳ２において、平面ずれを補正した状態で、焦点ずれの検査が行われる。具体的には、上記したように、ワーク１５０に対して検査用のレーザ光Ｌ２を照射しながら焦点距離を変化させ、その際の反射光Ｌ３を受光素子３２により検出し、その検出結果に基づいて補正値が算出される。なお、レーザ光Ｌ２がワーク１５０に照射される際に、教示データの走査軌跡がステップＳ１で算出された補正値を用いて補正されているため、平面ずれが補正される。

次に、ステップＳ３において、平面ずれおよび焦点ずれを補正した状態で、溶接が行われる。具体的には、ワーク１５０の溶接箇所１５０ａに溶接用のレーザ光Ｌ１が照射されることにより、その溶接箇所１５０ａが溶融した後に凝固され、ワーク１５０が溶接箇所１５０ａで溶接される。なお、レーザ光Ｌ１がワーク１５０に照射される際に、教示データの走査軌跡がステップＳ１で算出された補正値を用いて補正されているため、平面ずれが補正され、教示データの焦点距離がステップＳ２で算出された補正値を用いて補正されているため、焦点ずれが補正される。

−効果−
本実施形態では、上記のように、溶接用のレーザ光Ｌ１を照射する前に、ワーク１５０の平面ずれおよび焦点ずれを検査することによって、レーザ光Ｌ１を照射するときに平面ずれおよび焦点ずれを補正することができるので、ワーク１５０側にばらつきが生じる場合であっても、そのばらつきに起因する位置ずれを補正して溶接することができる。したがって、ワーク１５０の搬送位置がずれる場合や、ワーク１５０の形状にばらつき（個体差）がある場合であっても、適切に溶接を行うことができる。

また、本実施形態では、溶接用のレーザ光Ｌ１と検査用のレーザ光Ｌ２とをレーザ発振器１が出射することによって、溶接用のレーザ光を出射する光源と検査用のレーザ光を出射する光源とを別個に設ける場合に比べて、装置の簡略化を図ることができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、本実施形態では、溶接用のレーザ光Ｌ１および検査用のレーザ光Ｌ２を出射するレーザ発振器１が設けられる例を示したが、これに限らず、溶接用のレーザ光を出射する光源と検査用のレーザ光を出射する光源とが別個に設けられていてもよい。

また、本実施形態において、平面ずれの補正の際に、算出された補正値ＣＶをそのまま用いて補正してもよいし、溶接用のレーザ光Ｌ１が照射される際の溶融池の幅を考慮して、その分を補正値ＣＶに加えて補正してもよく、また、算出された補正値ＣＶに所定の余裕しろを加えて補正してもよい。

また、本実施形態では、検査用のレーザ光Ｌ２の焦点距離を変化させながらレーザ光Ｌ２を走査させる例を示したが、これに限らず、検査用のレーザ光を所定の位置に照射しながら焦点距離を変化させるようにしてもよい。

また、本実施形態において、平面ずれおよび焦点ずれの補正値を教示データに積算して、教示データを更新するようにしてもよいし、教示データを更新しないようにしてもよい。

また、本実施形態において、平面ずれおよび焦点ずれの補正を溶接箇所１５０ａ毎に行うようにしてもよいし、平面ずれおよび焦点ずれの補正をワーク１５０毎に行うようにしてもよい。

また、本実施形態では、走査軌跡ＳＴが円形である例を示したが、これに限らず、走査軌跡が直線状などのその他の形状であってもよい。

また、本実施形態において、ｆΘレンズなどのその他の光学部品が光学系２に設けられていてもよい。

本発明は、レーザ光をワークに照射して溶接するレーザ溶接装置に利用可能である。

１レーザ発振器（第１光源、第２光源）
４制御装置（検査部）
２１焦点調整機構
２２走査機構
３２受光素子
１００レーザ溶接装置
Ｌ１レーザ光（溶接用レーザ光）
Ｌ２レーザ光（検査用レーザ光）
Ｌ３反射光

Claims

溶接用レーザ光を出射する第１光源と、
前記溶接用レーザ光の焦点距離を調整する焦点調整機構と、
前記溶接用レーザ光を走査させる走査機構とを備え、
前記溶接用レーザ光をワークに照射して溶接するように構成されたレーザ溶接装置であって、
検査用レーザ光を出射するとともに、前記検査用レーザ光が前記焦点調整機構および前記走査機構を介してワークに照射されるように配置された第２光源と、
前記検査用レーザ光がワークに照射された場合に、そのワークで反射される反射光を受光する受光素子と、
前記検査用レーザ光がワークに照射されるときの前記受光素子の検出結果に基づいて、ワークの第１位置ずれおよび第２位置ずれを検査する検査部とを備え、
前記第１位置ずれは、ワークに照射される前記検査用レーザ光の光軸方向と交差する方向におけるワークの位置ずれであり、前記第２位置ずれは、前記光軸方向におけるワークの位置ずれであり、
前記第１位置ずれが検査される場合には前記走査機構によって前記検査用レーザ光がワークに対して走査軌跡を描くように走査され、その際の反射光の強度がゼロとなる期間に基づいて前記第１位置ずれの補正値が算出され、
前記第２位置ずれが検査される場合には前記焦点調整機構によって前記検査用レーザ光の焦点距離を変化させながらワークに対して前記検査用レーザ光が照射され、その際の反射光の強度が最大となる時点に基づいて前記第２位置ずれの補正値が算出され、
前記第１位置ずれの検査が行われた後に、前記第１位置ずれが補正された状態で前記第２位置ずれの検査が行われ、その後に前記第１位置ずれおよび前記第２位置ずれが補正された状態で前記溶接用レーザ光がワークに照射されて溶接が行われるように構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。