JP7113315B2 - 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ものである。

従来より、溶接部の溶け込み深さを直接測定することで、溶接部の品質を評価するようにしたレーザ溶接装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、レーザ光と測定光とを同軸上に重ね合わせて溶接部のキーホール内部に照射して、キーホールの底部で反射した測定光を、ビームスプリッタを介して光干渉計に入射させるようにした構成が開示されている。ここで、光干渉計では、測定光の光路長を測定できるため、測定した光路長からキーホールの深さを、溶接部の溶け込み深さとして特定するようにしている。

特開２０１２－２３６１９６号公報

しかしながら、例えば、ビームスプリッタが熱によって歪んでしまい、レーザ光と測定光との光軸ずれが生じた場合には、キーホールの深さを正確に特定することができなくなるおそれがある。

具体的に、キーホールの底部の断面は、溶接方向の前方の部分で溶け込みが浅い湾曲形状となっている。ここで、レーザ光よりも溶接方向の前方に測定光が光軸ずれした場合には、キーホールの最深部ではなく、最深部よりも溶け込みの浅い湾曲部分に測定光が照射されることとなる。そのため、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さが測定されてしまうおそれがあった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができるようにすることにある。

本開示の態様は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の態様は、前記レーザ光と、該レーザ光とは波長の異なる測定光とを同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射するステップと、
前記レーザ光及び前記測定光の照射位置を、第１方向、該第１方向とは逆向きの第２方向、該第１方向と交差する第３方向、該第３方向とは逆向きの第４方向に少なくとも移動させながらレーザ溶接を行うステップと、
前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定するステップと、
測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定するステップと、
前記光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接を行う場合に、該レーザ溶接中に測定された測定値に対して所定の補正値を加算するステップとを備えたことを特徴とするものである。

第１の態様では、レーザ光及び測定光の照射位置を、第１方向から第４方向にそれぞれ移動させながらレーザ溶接を行い、それぞれの方向について、溶接部の溶け込み深さを測定する。そして、複数の測定値を相対比較して光軸ずれ方向を判定し、光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接を行う場合に、レーザ溶接中に測定された測定値に補正値を加算するようにしている。

これにより、レーザ光に対して測定光が光軸ずれした場合でも、測定値のばらつきを抑えて、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

具体的に、レーザ光よりも溶接方向の前方に測定光が光軸ずれした場合には、溶接部のキーホールの最深部ではなく、最深部よりも溶け込みの浅い部分に測定光が照射されてしまい、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さが測定されてしまう。

そこで、レーザ光に対してどの方向に測定光が光軸ずれしているのかを確認するために、レーザ溶接装置の起動時などに、レーザ光及び測定光の照射位置を第１方向から第４方向にそれぞれ移動させながらレーザ溶接を行う。

その結果、例えば、第１方向に光軸ずれが生じていると判定された場合、実際のレーザ溶接作業時には、溶接方向の前方となる第１方向に向かってレーザ溶接を行う際に、測定された測定値に補正値を加算する。

ここで、例えば、予め実験等により求めたキーホールの実際の最深部の深さが４ｍｍであり、第１方向に移動中の測定値が３ｍｍの場合には、補正値を１ｍｍとすればよい。

このように、光軸ずれが生じていると、レーザ溶接中に実際に測定された測定値は、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さとなるが、補正値を加算することで、測定値のばらつきを抑えることができる。

第２の態様は、第１の態様において、
前記光軸ずれを判定するステップでは、複数の測定値と所定の基準値とを比較して、該基準値よりも小さな測定値が測定された方向を前記光軸ずれ方向と判定することを特徴とするものである。

第２の態様では、所定の基準値よりも小さな測定値が測定された方向を、光軸ずれ方向と判定するようにしている。

第３の態様は、第２の態様において、
前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、第１方向及び第３方向の２方向で前記基準値よりも小さな測定値が測定された場合に、該第１方向及び第３方向の間の方向を光軸ずれ方向と判定することを特徴とするものである。

第３の態様では、基準値よりも小さな測定値が第１方向及び第３方向の２方向で測定された場合に、その間の方向を光軸ずれ方向と判定している。例えば、第１方向が前方向、第３方向が左方向であった場合に、レーザ光に対して左前方向に測定光が光軸ずれしていると判定することができる。

ここで、例えば、予め実験等により求めたキーホールの実際の最深部の深さが４ｍｍであり、第１方向の測定値が３．３ｍｍ、第３方向の測定値が３．３ｍｍであったとする。この場合のように、第１方向と第３方向との測定値が同じであれば、レーザ光よりも前方で且つ左方に４５°傾いた方向に測定光が光軸ずれしていると判定することができる。

第４の態様は、第３の態様において、
前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、前記第１方向を移動中に測定された測定値の方が、前記第３方向を移動中に測定された測定値よりも小さい場合に、該第１方向及び第３方向の間で且つ該第１方向寄りの方向を光軸ずれ方向と判定することを特徴とするものである。

第４の態様では、第１方向を移動中に測定された測定値が、第３方向を移動中に測定された測定値よりも小さい場合に、第１方向及び第３方向の間で且つ第１方向寄りの方向を光軸ずれ方向と判定している。

ここで、例えば、第１方向が前方向、第３方向が左方向であり、予め実験等により求めたキーホールの実際の最深部の深さが４ｍｍ、第１方向の測定値が３．１ｍｍ、第３方向の測定値が３．５ｍｍであったとする。この場合のように、第１方向の測定値が第３方向の測定値よりも小さければ、測定値の比率に応じて、例えば、レーザ光よりも前方で且つ左方に３０°傾いた方向に測定光が光軸ずれしていると判定することができる。

第５の態様は、第４の態様において、
前記補正値を加算するステップでは、前記第１方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値の方が、前記第３方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値よりも大きいことを特徴とするものである。

第５の態様では、第１方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値を、第３方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値よりも大きくしている。

例えば、予め実験等により求めたキーホールの実際の最深部の深さが４ｍｍ、第１方向の測定値が３．１ｍｍ、第３方向の測定値が３．５ｍｍの場合には、第１方向の補正値を０．９ｍｍ、第３方向の補正値を０．５ｍｍとすればよい。

第６の態様は、第１乃至第５の態様のうち何れか１つにおいて、
前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、前記レーザ光の出力及び溶接速度に応じて決定される複数の基準値が記憶されたテーブルに基づいて、前記測定値と前記基準値とを比較することを特徴とするものである。

第６の態様では、測定値との比較に用いられる基準値は、レーザ光の出力及び溶接速度に基づいて決定されるものであり、テーブルに記憶されている。これにより、測定値と基準値とを比較する際に、溶接条件に応じた基準値をテーブルから参照することができる。

第７の態様は、第１の態様において、
前記光軸ずれを判定するステップでは、複数の測定値のうち最も浅い測定値が測定された方向を前記光軸ずれ方向と判定することを特徴とするものである。

第７の態様では、最も浅い測定値が測定された方向を、光軸ずれ方向と判定するようにしている。

第８の態様は、第１乃至第７の態様のうち何れか１つにおいて、
前記補正値を加算するステップでは、複数の測定値のうち最も深い測定値と、前記光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値との差分を前記補正値とすることを特徴とするものである。

第８の態様では、複数の測定値のうち最も深い測定値と、光軸ずれ方向の測定値との差分を、補正値とするようにしている。

第９の態様は、第１乃至第７の態様のうち何れか１つにおいて、
前記補正値を加算するステップでは、前記光軸ずれ方向とは逆向きの方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値と、該光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値との差分を前記補正値とすることを特徴とするものである。

第９の態様では、光軸ずれ方向とは逆向きの方向の測定値と、光軸ずれ方向の測定値との差分を、補正値とするようにしている。

本開示の態様によれば、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 図２は、レーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。 図３は、レーザ光、測定光、キーホールの位置関係を示す側面断面図である。 図４は、測定光の光軸ずれが生じたときのレーザ光、測定光、キーホールの位置関係を示す側面断面図である。 図５は、光軸ずれが生じていない場合と、光軸ずれが生じている場合とで、溶け込み深さの測定結果を比較したグラフ図である。 図６は、レーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向と、レーザ光及び測定光の前後左右の移動方向との位置関係を示す図である。 図７は、光軸ずれが生じていない場合と、光軸ずれが生じており且つ測定値に補正値を加算した場合とで、溶け込み深さの測定結果を比較したグラフ図である。 図８は、溶接部の溶け込み深さの測定動作を示すフローチャート図である。 図９は、本変形例１に係るレーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向と、レーザ光及び測定光の前後左右の移動方向との位置関係を示す図である。 図１０は、本変形例２に係るレーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向と、レーザ光及び測定光の前後左右の移動方向との位置関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１に示すように、レーザ溶接装置１０は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１１と、測定光Ｓを出力する光干渉計１２と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを溶接対象物３０に向けて照射するレーザ照射ヘッド２０（照射部）と、レーザ照射ヘッド２０が取り付けられてレーザ照射ヘッド２０を移動させるロボット１８と、レーザ照射ヘッド２０やロボット１８の動作を制御してレーザ溶接を行う制御装置１６とを備えている。

レーザ発振器１１は、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ光Ｌを出力する。レーザ発振器１１とレーザ照射ヘッド２０とは、光ファイバ１９で接続されている。レーザ光Ｌは、光ファイバ１９を介して、レーザ発振器１１からレーザ照射ヘッド２０に伝送される。

光干渉計１２は、レーザ光Ｌとは波長の異なる測定光Ｓを出力する測定光発振器１３と、後述する溶接部３５の溶け込み深さを測定する測定部１４とを有する。測定光発振器１３は、制御装置１６からの指令に基づいて、測定光Ｓを出力する。光干渉計１２とレーザ照射ヘッド２０とは、光ファイバ１９で接続されている。測定光Ｓは、光ファイバ１９を介して、光干渉計１２からレーザ照射ヘッド２０に伝送される。

レーザ照射ヘッド２０は、ロボット１８のアーム先端部分に取り付けられており、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを溶接対象物３０で結像する。

ロボット１８は、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ照射ヘッド２０を指定された位置まで移動させ、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを走査する。

制御装置１６は、レーザ発振器１１、光干渉計１２、ロボット１８と接続されており、レーザ照射ヘッド２０の移動速度の他に、レーザ光Ｌの出力開始や停止、レーザ光Ｌの出力強度などを制御する機能も備えている。詳しくは後述するが、制御装置１６は、測定部１４で測定された複数の測定値に基づいて、溶接部３５の溶け込み深さを判定する判定部１７を有する。

溶接対象物３０は、上下に重ね合わされた上側金属板３１と下側金属板３２とを有する。レーザ溶接装置１０は、上側金属板３１の上面にレーザ光Ｌを照射することで、上側金属板３１と下側金属板３２とを溶接する。

ここで、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０では、レーザ溶接と同時に溶接部３５の溶け込み深さの測定を行うことができるようになっている。

具体的に、図２に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌが通過する第１のコリメートレンズ２１及び第１のフォーカスレンズ２２と、測定光Ｓが通過する第２のコリメートレンズ２３及び第２のフォーカスレンズ２４と、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを同軸の光束に結合するビームスプリッタ２５と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７とを有する。

ビームスプリッタ２５は、ダイクロイックミラーであり、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌを透過し、光干渉計１２からの測定光Ｓを反射するように、透過・反射させる波長が設定されている。

このとき、ビームスプリッタ２５で、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを十分に分離するために、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの波長差を１００ｎｍ以上とすることが望ましい。

第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、図示しないモータに接続され、制御装置１６からの指令に従って回転する。

レーザ発振器１１から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１９を通ってレーザ照射ヘッド２０に送られる。レーザ照射ヘッド２０に入ったレーザ光Ｌは、第１のコリメートレンズ２１によって平行化され、第１のフォーカスレンズ２２によって集光される。第１のフォーカスレンズ２２で集光されたレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ２５を透過する。

一方、光干渉計１２から出力された測定光Ｓは、光ファイバ１９を通ってレーザ照射ヘッド２０に送られる。レーザ照射ヘッド２０に入った測定光Ｓは、第２のコリメートレンズ２３によって平行化され、第２のフォーカスレンズ２４によって集光される。その後、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌと同心・同軸上に重ね合わされる。

なお、第２のフォーカスレンズ２４は、溶接部３５から反射した測定光Ｓを、ビームスプリッタ２５を介して、光干渉計１２に再度、入射させる機能も有している。

そして、同軸に重ね合わされたレーザ光Ｌと測定光Ｓとは、制御装置１６によって制御された第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を通ることによって、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置（焦点距離）が決定され、溶接対象物３０の溶接部３５にレーザ光Ｌ及び測定光が照射される。

このとき、レーザ照射ヘッド２０は、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を回転させることにより、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが円軌道となるように回転させ、旋回移動させることができる。つまり、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を変更可能な照射位置変化部を構成している。

また、ロボット１８によって、レーザ照射ヘッド２０を移動させることで、溶接対象物３０における溶接領域において、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させることができる。

図３に示すように、レーザ溶接装置１０では、上側金属板３１と下側金属板３２とを有する溶接対象物３０の溶接部３５を溶接するにあたり、溶接対象物３０の上方から上側金属板３１の上面にレーザ光Ｌが照射される。

レーザ光Ｌの照射された溶接部３５は、その上部から溶融し、溶接部３５に溶融池３６が形成される。溶接部３５が溶融する際に、溶融池３６から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール３７が形成される。ここでは、溶融池３６とキーホール３７とを合わせて溶接部３５として扱う。溶融池３６の溶接方向の後方には、溶融池３６が凝固することで凝固部３８が形成される。

このとき、光干渉計１２から出射される測定光Ｓが、ビームスプリッタ２５により、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌと同心・同軸上に重ね合わされ、キーホール３７の内部に照射される。照射された測定光Ｓは、キーホール３７の底部３７ａで反射し、ビームスプリッタ２５を介して、光干渉計１２に入射する。

光干渉計１２に入射した測定光Ｓの光路長は、測定部１４で測定される。測定部１４では、測定した光路長からキーホール３７の深さを、溶接部３５の溶け込み深さとして特定する。レーザ溶接装置１０では、特定した溶け込み深さに基づいて、溶接部３５の良否を判断するようにしている。

以上の構成により、レーザ溶接装置１０は、溶け込み深さ測定機能と、レーザ溶接機能とを同時に行うことを可能とする。

ところで、例えば、ビームスプリッタ２５が熱によって歪んでしまい、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの光軸ずれが生じることがある。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの光軸ずれが生じた場合には、光干渉計１２が、キーホール３７の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまい、溶け込み深さを精度良く測定することができない場合がある。

具体的に、キーホール３７は、溶接部３５で溶融した金属が蒸発し、蒸発時の蒸気の圧力によって形成される。形成されるキーホール３７の形状は、レーザ光Ｌの照射時間や溶融池３６の状態によって変化する。

ここで、キーホール３７の溶接方向の前方の内壁部は、レーザ照射ヘッド２０の移動速度（溶接速度）が速くなるほど、キーホール３７の後方に向かって湾曲した形状となる傾向を示す。そこで、キーホール３７の底部３７ａの湾曲部分の曲率を低減するために、レーザ溶接速度を適切に設定するのが好ましい。

しかしながら、レーザ溶接速度を適切に設定したとしても、キーホール３７の開口径と底部３７ａの孔径とを略等しくするのは困難であり、キーホール３７の溶接方向の前方の内壁部では、溶け込みが浅い湾曲形状が生じてしまうこととなる。

そのため、図４の仮想線で示すように、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれした場合には、キーホール３７の底部３７ａの位置と、測定光Ｓのスポットの中心の位置とが一致しなくなり、測定光Ｓが底部３７ａに照射されない状態が生じ得る。

底部３７ａに測定光Ｓが照射されない状態、例えば、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれして、キーホール３７の前側の内壁部に測定光Ｓが照射された状態では、測定光Ｓの反射した位置を底部３７ａの位置として、光干渉計１２は、キーホール３７の深さを測定する。

つまり、底部３７ａに測定光Ｓが照射されなければ、光干渉計１２は、キーホール３７の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう。図４に示す例では、キーホール３７の実際の深さＤminよりも浅い深さＤを測定することとなる。このように、実際の深さよりも浅く測定したキーホール３７の深さからは、精度良く溶接部３５の検査を行うことはできない。

以下、光軸ずれが生じていない場合と、光軸ずれが生じている場合とで、溶接部３５の溶け込み深さ、つまり、キーホール３７の深さの測定値がどのように変化するのかについて説明する。

図４に示す例では、上側金属板３１の板厚が１ｍｍ、下側金属板３２の板厚が４．３ｍｍであり、測定光Ｓの光軸が、レーザ光Ｌの光軸よりも溶接方向の前方に１００μｍずれているものとする。

図５は、溶接対象物３０の表面又は基準となる仮想の面からの、溶接部３５の溶け込み深さとして、キーホール３７の深さを測定したときのグラフ図である。図５に示すように、光軸ずれが生じている方向に移動させながら溶け込み深さを測定した場合には、キーホール３７の深さの測定値が３ｍｍ付近を推移している。これに対し、光軸ずれが生じていない場合には、キーホール３７の深さの測定値が４ｍｍ付近を推移している。

なお、測定値が浅くなるのは、測定光Ｓがレーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれしている場合なので、例えば、レーザ光Ｌの溶接方向の後方向や左右方向に測定光Ｓが光軸ずれしている場合は、キーホール３７の深さの測定値が４ｍｍ付近を推移することとなる。

そこで、本実施形態では、レーザ光Ｌに対してどの方向に測定光Ｓが光軸ずれしているのかを確認するために、レーザ溶接装置１０の起動時などに、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を前後左右方向にそれぞれ移動させながらレーザ溶接を行うようにした。

図６に示すように、レーザ溶接装置１０は、溶接対象物３０に対して、第１方向から第４方向の４方向に移動しながらレーザ光Ｌ及び測定光Ｓを照射して、溶接対象物３０を溶接する。以下、第１方向は前方向、第２方向は後方向、第３方向は左方向、第４方向は右方向として説明する。また、図６に示す例では、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して前方向に１００μｍ光軸ずれしている。

レーザ溶接装置１０は、図６に中心線で示すような四角形状の溶接経路に沿ってレーザ溶接を行う。具体的に、まず、図６の左下角部の位置を基点として、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進させながらレーザ溶接を行う。図６の左上角部に到達した後は、同様に、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを右進、後進、左進させながらレーザ溶接を行う。

これにより、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を、前後左右の４方向に移動させながらレーザ溶接を行い、それぞれの方向について、溶接部３５の溶け込み深さを測定する。

そして、判定部１７において、レーザ溶接中に測定された複数の測定値を所定の基準値と比較することにより、測定光Ｓの光軸ずれの方向を判定する。ここで、所定の基準値は、例えば、レーザ光Ｌの出力や溶接速度に応じて予め決定される溶け込み深さを示す値であり、言い換えると、予め実験等により求めた、レーザ光Ｌの出力や溶接速度に応じた溶け込み深さとしてのキーホール３７の深さの値であり、判定部１７にテーブルとして記憶されている。

本実施形態では、キーホール３７の最深部の深さが４ｍｍであるので、基準値を４ｍｍ、又は、測定値のばらつきを考慮して、例えば、基準値を３．８ｍｍ程度に設定すればよい。

図６に示す例では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進させながらレーザ溶接を行う場合に、測定値が３ｍｍ付近を推移して基準値よりも小さくなる。一方、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを右進、後進、左進させながらレーザ溶接を行う場合には、測定値が４ｍｍ付近を推移するため、基準値よりも小さくなることはない。

このように、レーザ溶接装置１０の起動時などで、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれの方向が分からない場合でも、測定された複数の測定値と基準値とを比較することで、基準値よりも小さな測定値が測定された方向を、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが光軸ずれした光軸ずれ方向と判定することができる。

そして、このような光軸ずれ方向の判定を行った後、実際にレーザ溶接を開始する場合には、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進させながらレーザ溶接するときの測定値に対して所定の補正値を加算するようにしている。

具体的に、キーホール３７の実際の深さは４ｍｍであるのに対し、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの前進時に測定された測定値は３ｍｍであるので、その差分値、つまり、１ｍｍを補正値として、測定値に加算すればよい。

図７に示すように、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの前進時に測定された測定値に対して補正値を加算すると、補正値を加算した後の測定値は、４ｍｍ付近を推移することとなる。これにより、測定値のばらつきを抑えることができる。

なお、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの右進、後進、左進時に測定された測定値については、４ｍｍ付近を推移するため、補正値を加算する必要はない。

以下、溶接部３５の溶け込み深さの測定動作について、図８のフローチャート図を用いて説明する。図８に示すように、まず、ステップＳ１０１では、レーザ照射ヘッド２０においてレーザ光Ｌと測定光Ｓとを同軸に重ね合わせて溶接部３５に照射し、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を前方向に移動させながら、溶接部３５で反射した測定光Ｓに基づいて溶接部３５の溶け込み深さを測定し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を右方向に移動させながら、溶接部３５で反射した測定光Ｓに基づいて溶接部３５の溶け込み深さを測定し、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を後方向に移動させながら、溶接部３５で反射した測定光Ｓに基づいて溶接部３５の溶け込み深さを測定し、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を左方向に移動させながら、溶接部３５で反射した測定光Ｓに基づいて溶接部３５の溶け込み深さを測定し、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、判定部１７において、前後左右のそれぞれの方向に移動させながら測定した複数の測定値が所定の基準値よりも小さいかを判定する。ステップＳ１０６での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１０７に分岐する。ステップＳ１０６での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０８に分岐する。

ステップＳ１０７では、基準値よりも小さな測定値が測定された方向を、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが光軸ずれした光軸ずれ方向と判定し、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０８では、光軸ずれが生じていないと判定し、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、溶接対象物３０の溶接部３５に対してレーザ溶接を行いながら、溶接部３５の溶け込み深さの測定を行い、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接を行う場合に、レーザ溶接中に測定された測定値に対して補正値を加算して、処理を終了する。

これにより、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが光軸ずれした場合でも、測定値のばらつきを抑えて、溶接部３５の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

《変形例１》
図９は、本変形例１に係るレーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向と、レーザ光及び測定光の前後左右の移動方向との位置関係を示す図である。図９に示す例では、測定光Ｓが、レーザ光Ｌよりも前方で且つ左方に４５°傾いた方向に１００μｍ光軸ずれしている。

レーザ溶接装置１０は、図９に中心線で示すような四角形状の溶接経路に沿ってレーザ溶接を行う。具体的に、まず、図９の左下角部の位置を基点として、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進させながらレーザ溶接を行う。図９の左上角部に到達した後は、同様に、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを右進、後進、左進させながらレーザ溶接を行う。

これにより、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を、前後左右の４方向に移動させながらレーザ溶接を行い、それぞれの方向について、溶接部３５の溶け込み深さを測定する。

図９に示す例では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進及び左進させながらレーザ溶接を行う場合に、レーザ光Ｌよりも溶接方向の前方に測定光Ｓが照射されることとなるので、前進時と左進時との測定値が基準値よりも小さくなる。

そのため、レーザ溶接装置１０の起動時などで、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれの方向が分からない場合でも、レーザ光Ｌに対してどの方向に光軸ずれが生じているかを判定することができる。

例えば、予め実験等により求めたキーホール３７の実際の最深部の深さが４ｍｍであり、前進時の測定値が３．３ｍｍ、左進時の測定値が３．３ｍｍであったとする。この場合のように、前進時と左進時との測定値が同じであれば、レーザ光Ｌよりも前方で且つ左方に４５°傾いた方向に測定光Ｓが光軸ずれしていると判定することができる。

そして、このような光軸ずれ方向の判定を行った後、実際にレーザ溶接を開始する場合には、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進及び左進させながらレーザ溶接するときの測定値に対して所定の補正値を加算するようにしている。

具体的に、キーホール３７の実際の深さは４ｍｍであるのに対し、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの前進時及び左進時に測定された測定値は３．３ｍｍであるので、その差分値、つまり、０．７ｍｍを補正値として、測定値に加算すればよい。

《変形例２》
図１０は、本変形例２に係るレーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向と、レーザ光及び測定光の前後左右の移動方向との位置関係を示す図である。図１０に示す例では、測定光Ｓが、レーザ光Ｌよりも前方で且つ左方に３０°傾いた方向に１００μｍ光軸ずれしている。

レーザ溶接装置１０は、図１０に中心線で示すような四角形状の溶接経路に沿ってレーザ溶接を行う。具体的に、まず、図１０の左下角部の位置を基点として、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進させながらレーザ溶接を行う。図１０の左上角部に到達した後は、同様に、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを右進、後進、左進させながらレーザ溶接を行う。

これにより、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を、前後左右の４方向に移動させながらレーザ溶接を行い、それぞれの方向について、溶接部３５の溶け込み深さを測定する。

図１０に示す例では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進及び左進させながらレーザ溶接を行う場合に、レーザ光Ｌよりも溶接方向の前方に測定光Ｓが照射されることとなるので、前進時と左進時との測定値が基準値よりも小さくなる。

そのため、レーザ溶接装置１０の起動時などで、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれの方向が分からない場合でも、レーザ光Ｌに対してどの方向に光軸ずれが生じているかを判定することができる。

例えば、予め実験等により求めたキーホール３７の実際の最深部の深さが４ｍｍであり、前進時の測定値が３．１ｍｍ、左進時の測定値が３．５ｍｍであったとする。この場合のように、前進時に測定された測定値の方が、左進時に測定された測定値よりも小さい場合には、測定値の比率に応じて、レーザ光Ｌよりも左前方向で且つ前方向寄りの方向、つまり、レーザ光Ｌよりも前方で且つ左方に３０°傾いた方向に測定光Ｓが光軸ずれしていると判定することができる。

そして、このような光軸ずれ方向の判定を行った後、実際にレーザ溶接を開始する場合には、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを前進及び左進させながらレーザ溶接するときの測定値に対して所定の補正値を加算するようにしている。

具体的に、キーホール３７の実際の深さは４ｍｍであるのに対し、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの前進時に測定された測定値は３．１ｍｍであるので、その差分値、つまり、０．９ｍｍを補正値として、測定値に加算すればよい。また、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの左進時に測定された測定値は３．５ｍｍであるので、その差分値、つまり、０．５ｍｍを補正値として、測定値に加算すればよい。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、光軸ずれ方向を判定するために、四角形状の溶接経路に沿ってレーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させながらレーザ溶接を行うようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、円形状やその他の多角形状の溶接経路に沿って移動させてもよい。また、前後左右方向に連続的に移動させるのではなく、第１方向に移動させた後、別の場所に移動してから第２方向や第３方向に移動させる等、不連続で移動させてもよい。また、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置の移動方向は、時計回りであっても良いし、反時計回りであっても良い。

また、本実施形態では、複数の測定値と所定の基準値とを比較して、基準値よりも小さな測定値が測定された方向を光軸ずれ方向と判定するようにしたが、これに限定するものではない。例えば、複数の測定値のうち最も浅い測定値が測定された方向を、光軸ずれ方向と判定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、予め実験等により求めた、レーザ光Ｌの出力や溶接速度に応じた溶け込み深さとしてのキーホール３７の深さの値を基準値として、この基準値と測定値との差分を補正値として用いているが、この形態に限定するものではない。

例えば、予め基準値を設けていない場合であれば、複数の測定値のうち最も深い測定値と光軸ずれ方向の測定値との差分を補正値として用いてもよい。また、光軸ずれ方向とは逆向きの方向の測定値と光軸ずれ方向の測定値との差分を補正値として用いてもよい。

また、本実施形態では、上側金属板３１及び下側金属板３２の２枚を重ねてレーザ溶接を行う構成について説明したが、例えば、３枚以上の金属板を重ねてレーザ溶接を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１０ レーザ溶接装置
１４ 測定部
１７ 判定部
２０ レーザ照射ヘッド
３５ 溶接部
Ｌ レーザ光
Ｓ 測定光

Claims (9)

1. レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、
   前記レーザ光と、該レーザ光とは波長の異なる測定光とを同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射するステップと、
   前記レーザ光及び前記測定光の照射位置を、第１方向、該第１方向とは逆向きの第２方向、該第１方向と交差する第３方向、該第３方向とは逆向きの第４方向に少なくとも移動させながらレーザ溶接を行うステップと、
   前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定するステップと、
   測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定するステップと、
   前記光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接を行う場合に、該レーザ溶接中に測定された測定値に対して所定の補正値を加算するステップとを備えたことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１において、
   前記光軸ずれを判定するステップでは、複数の測定値と所定の基準値とを比較して、該基準値よりも小さな測定値が測定された方向を前記光軸ずれ方向と判定することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項２において、
   前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、第１方向及び第３方向の２方向で前記基準値よりも小さな測定値が測定された場合に、該第１方向及び第３方向の間の方向を光軸ずれ方向と判定することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項３において、
   前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、前記第１方向を移動中に測定された測定値の方が、前記第３方向を移動中に測定された測定値よりも小さい場合に、該第１方向及び第３方向の間で且つ該第１方向寄りの方向を光軸ずれ方向と判定することを特徴とするレーザ溶接方法。
5. 請求項４において、
   前記補正値を加算するステップでは、前記第１方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値の方が、前記第３方向を移動中に測定された測定値に加算する補正値よりも大きいことを特徴とするレーザ溶接方法。
6. 請求項１乃至５のうち何れか１つにおいて、
   前記光軸ずれ方向を判定するステップでは、前記レーザ光の出力及び溶接速度に応じて決定される複数の基準値が記憶されたテーブルに基づいて、前記測定値と前記基準値とを比較することを特徴とするレーザ溶接方法。
7. 請求項１において、
   前記光軸ずれを判定するステップでは、複数の測定値のうち最も浅い測定値が測定された方向を前記光軸ずれ方向と判定することを特徴とするレーザ溶接方法。
8. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記補正値を加算するステップでは、複数の測定値のうち最も深い測定値と、前記光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値との差分を前記補正値とすることを特徴とするレーザ溶接方法。
9. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記補正値を加算するステップでは、前記光軸ずれ方向とは逆向きの方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値と、該光軸ずれ方向に向かってレーザ溶接中に測定された測定値との差分を前記補正値とすることを特徴とするレーザ溶接方法。

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