JP7182392B2

JP7182392B2 - ハンディレーザ溶接機及びレーザ溶接方法

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Publication number: JP7182392B2
Application number: JP2018141173A
Authority: JP
Inventors: 佳維志村
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2018-07-27
Filing date: 2018-07-27
Publication date: 2022-12-02
Anticipated expiration: 2038-07-27
Also published as: JP2020015081A

Description

本発明は、パルスレーザ光の照射によって２つのワークを接合予定箇所に沿ってレーザ溶接するハンディレーザ溶接機及びレーザ溶接方法に関する。

従来から、溶接ロボット等の自動レーザ溶接機に比べて簡易な構成からなるハンディレーザ溶接機が広く普及している。ハンディレーザ溶接機は、２つのワークの接合予定箇所（溶接予定箇所）に向かってパルスレーザ光を照射するハンディ溶接トーチと、ハンディ溶接トーチに光学的に接続されかつパルスレーザ光を出力するレーザ発振器とを備えている（特許文献１参照）。

従って、ハンディ溶接トーチが作業者の手動操作によって２つのワークの接合予定箇所に沿う方向に移動させながら、加工プログラムに基づいてレーザ発振器を制御して、ハンディ溶接トーチから２つのワークの接合予定箇所に向かってパルスレーザ光を照射する。これにより、２つのワークを接合予定箇所に沿ってレーザ溶接することができ、２つのワークに接合予定箇所に相当する部位に連続した溶接部（溶接ビード部）を形成することができる。ここで、ハンディ溶接トーチが加工プログラムに設定された加工条件に応じた一定の移動速度で移動することにより、ワークの溶接部の品質を安定させることができる。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１の他に、特許文献２に示すものがある。

特許第４２４１９６２号公報特開２０００－２４７８７号公報

しかし、ハンディ溶接トーチを加工条件に応じた一定の移動速度で移動させるには、作業者の熟練が必要であり、作業者の習熟度によってワークの溶接部の品質にばらつきが生じる。また、特許文献２に示す自動送り装置によってハンディ溶接トーチを加工条件に応じた一定の移動速度で移動させることも考えられるが、その場合、ワーク上に自動送り装置の作業ペースを確保するためにワークの形状が限定され、ハンディ溶接トーチを用いたレーザ溶接の利用範囲が制限される。

つまり、ハンディ溶接トーチを用いたレーザ溶接の利用範囲の拡大を図りつつ、作業者の習熟度に拘わらず、ワークの溶接部の品質を安定させることは容易でないという問題がある。

そこで、ハンディ溶接トーチの移動速度が変わっても、パルスレーザ光のスポットの重なり率のばらつきを抑えることができる、新規な構成からなるハンディレーザ溶接機及びレーザ溶接方法を提供することを課題とする。

本発明の第１実施態様に係るハンディレーザ溶接機は、２つのワーク（金属板）の接合予定箇所（溶接予定箇所）に向かってパルスレーザ光を照射するハンディ溶接トーチと、前記ハンディ溶接トーチに光学的に接続され、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、加工プログラムに基づいて前記レーザ発振器を制御するレーザ制御部と、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を取得する移動速度取得部と、取得された前記ハンディ溶接トーチの移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットの重なり率が所定の重なり率（設定された重なり率）になるように、前記加工プログラムに設定された加工条件のうちパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新（調整）する加工条件更新部（加工条件調整部）と、を備えている。

本発明の第１実施態様では、前記ハンディ溶接トーチの加速度を検出する加速度センサを備え、前記移動速度取得部は、前記加速度センサからの検出結果に基づいて、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を推定によって取得してもよい。

本発明の第１実施態様によると、前記ハンディ溶接トーチを移動させながら、前記レーザ制御部が前記加工プログラムに基づいてレーザ発振器を制御して、前記ハンディ溶接トーチから２つのワークの接合予定箇所に向かってパルスレーザ光を照射させる。これにより、２つのワークを接合予定箇所に沿ってレーザ溶接して、２つのワークの接合予定箇所に相当する部位に連続した溶接部（接合部）を形成することができる。

２つのワークをレーザ溶接する際に、前記移動速度取得部は、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を取得する。また、前記加工条件更新部は、取得された前記ハンディ溶接トーチの移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットの重なり率が所定の重なり率になるように、加工条件のうちパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新する。これにより、前記ハンディ溶接トーチの移動速度が変わっても、パルスレーザ光のスポットの重なり率、換言すれば、ワークの溶接部の溶融池の重なり率のばらつきを抑えることができる。

本発明の第２実施態様に係るレーザ溶接方法は、ハンディ溶接トーチを移動させながら、加工プログラムに基づいてレーザ発振器を制御して、前記ハンディ溶接トーチからパルスレーザ光を照射させることにより、２つのワークを接合予定箇所（溶接予定線）に沿ってレーザ溶接する際に、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を取得し、取得された前記ハンディ溶接トーチの移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットの重なり率が所定の重なり率になるように、前記加工プログラムに設定された加工条件のうちパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新することである。

本発明の第２実施態様では、前記ハンディ溶接トーチの加速度を検出し、検出された前記ハンディ溶接トーチの加速度に基づいて、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を推定によって取得してもよい。

本発明の第２実施態様によると、前記ハンディ溶接トーチの移動速度が変わっても、パルスレーザ光のスポットの重なり率、換言すれば、ワークの溶接部の溶融池の重なり率のばらつきを抑えることができる。

本発明によれば、前記ハンディ溶接トーチを用いたレーザ溶接の利用範囲の拡大を図りつつ、作業者の習熟度に拘わらず、ワークの溶接部の品質を安定させることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るハンディトーチを用いたレーザ溶接の様子を示す模式的な斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係るハンディレーザ溶接機を示す模式的な正面図である。図３は、本発明の実施形態に係るハンディレーザ溶接機の制御ブロックを示す図である。図４（ａ）は、パルスレーザの出力と時間との関係を示す図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）におけるIVB部の拡大図である。図５は、パルスレーザ光のスポットの重なり率を説明する図である。図６は、本発明の実施形態に係る溶接方法を示すフローチャート図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本願の明細書において、「設けられる」とは、直接的に設けられることの他に、別部材を介して間接的に設けられることを含む意である。

図１及び図２に示すように、本発明の実施形態に係るハンディレーザ溶接機１０は、パルスレーザ光の照射によって２つのワーク（金属板）Ｗ１，Ｗ２をライン状の接合予定箇所（溶接予定箇所）Ｌに沿ってレーザ溶接する。ハンディレーザ溶接機１０は、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに相当する部位に連続した溶接部（溶接ビード）を形成する。そして、ハンディレーザ溶接機１０の具体的な構成は、以下のようになる。

ハンディレーザ溶接機１０は、作業者の手Ｈで持つことが可能なハンディ溶接トーチ１２を備えている。ハンディ溶接トーチ１２は、作業者の手動操作（移動操作）によってワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに沿う方向に移動しながら、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに向かってパルスレーザ光を照射する。また、ハンディ溶接トーチ１２は、中空状の溶接トーチ本体１４を有しており、溶接トーチ本体１４の内側には、パルスレーザ光を集光する光学系（図示省略）が設けられている。溶接トーチ本体１４の先端部には、パルスレーザ光を照射するためのノズル１６が着脱可能に設けられている。ノズル１６は、導電性カーボン等の導電性材料からなり、ノズル１６の先端面１６ｆは、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに接触可能である。更に、溶接トーチ本体１４の適宜位置には、ハンディ溶接トーチ１２の加速度Ａを検出する加速度センサ１８が設けられている。

ハンディレーザ溶接機１０は、ハンディ溶接トーチ１２をワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに沿う方向に案内するガイドプレート２０を付属品として備えている。ガイドプレート２０は、溶接トーチ本体１４を支持する支持面２０ｆを有している。なお、ガイドプレート２０の支持面２０ｆの形状（平面視形状）は、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌの形状に応じて適宜に変更可能である。

ハンディレーザ溶接機１０は、装置筐体２２を備えており、装置筐体２２の内側には、パルスレーザ光を出力（発振）するファイバレーザ発振器２４が設けられている。ファイバレーザ発振器２４は、光ファイバ２６を介してハンディ溶接トーチ１２に光学的に接続されている。なお、ファイバレーザ発振器２４の代わりに、ＹＡＧレーザ発振器、ＣＯ２レーザ発振器、又は半導体レーザ発振器等のレーザ発振器を用いてもよい。

図２及び図３に示すように、装置筐体２２の内側には、加工プログラム（溶接プログラム）に基づいてファイバレーザ発振器２４等を制御する制御装置２８が設けられている。また、制御装置２８は、１つ又は複数のコンピュータによって構成されており、制御装置２８には、加速度センサ１８等が接続されている。制御装置２８は、加工プログラム等を記憶するメモリ（図示省略）と、加工プログラム等を解釈して実行するＣＰＵ（図示省略）とを有している。

制御装置２８は、レーザ制御部３０としての機能、移動速度取得部３２としての機能、及び加工条件更新部３４としての機能を有している。そして、レーザ制御部３０、移動速度取得部３２、及び加工条件更新部３４の具体的な内容は、次の通りである。

図２から図４（ａ）（ｂ）に示すように、レーザ制御部３０は、加工プログラムに基づいてファイバレーザ発振器２４を制御する。換言すれば、レーザ制御部３０は、加工プログラムに設定された加工条件（溶接条件）に基づいてファイバレーザ発振器２４を制御する。ここで、加工条件には、パルスレーザ光のピーク出力（単位：W）、パルス幅（単位：ms）、繰り返し周波数（単位：Hz）が含まれる。繰り返し周波とは、１秒間当たりのパルスレーザ光のパルス数のことである（図４（ａ）（ｂ）参照）。

レーザ制御部３０は、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌとノズル１６が接触によって導通状態（通電状態）である場合に、ファイバレーザ発振器２４がパルスレーザ光を出力することを許容する。レーザ制御部３０は、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌとノズル１６が非接触によって非導通状態（非通電状態）である場合に、ファイバレーザ発振器２４がパルスレーザ光を出力することを禁止する。

移動速度取得部３２は、加速度センサ１８からの検出結果であるハンディ溶接トーチ１２の加速度に基づいて、ハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得する。具体的には、移動速度取得部３２は、下記の関係式（１）に基づいてハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定（演算）によって取得する。

Ｖn＝Ｖn-1＋Ａn×（Ｔn－Ｔn-1） …関係式（１）
ここで、Ｖnは、時間Ｔn（単位：sec）のときのハンディ溶接トーチ１２の移動速度（単位：mm／sec）であり、移動速度Ｖn-1は、時間Ｔn-1のときのハンディ溶接トーチ１２の移動速度である。Ａnは、時間Ｔnのときのハンディ溶接トーチ１２の加速度（単位：mm／sec2）である。なお、ｎは整数であり、Ｖ0＝０mm／sec、Ｔ0＝０sec、Ａ0＝０mm／sec2である。

図２から図５に示すように、加工条件更新部３４は、取得されたハンディ溶接トーチ１２の移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットＳの重なり率が所定の重なり率になるように、加工条件のうちのパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新（調整）する。具体的には、加工条件更新部３４は、下記の関係式（２）に基づいてパルスレーザ光の繰り返し周波数を演算し、その演算結果を加工条件に反映させる。

ｆn＝Ｖn／（ｄ×（１－ｋ）） …関係式（２）
ここで、ｆnは、時間Ｔnのときのパルスレーザ光の繰り返し周波数（単位：Hz）であり、ｄは、パルスレーザ光のスポット径であり、ワークＷ１，Ｗ２の溶接部Ｂの溶融池径に相当する。所定の重なり率とは、パルスレーザ光のスポットＳの重なり部分の長さｒに対するパルスレーザ光のスポット径ｄの割合のことであり、所定の重なり率は、溶接態様等に応じて適宜に変更可能である（図５参照）。

レーザ制御部３０は、更新されたパルスレーザ光の繰り返し周波数を含む加工条件に基づいて、ファイバレーザ発振器２４を制御する。換言すれば、レーザ制御部３０は、パルスレーザ光のスポットＳの重なり率が所定の重なり率になるように、ファイバレーザ発振器２４を制御する。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法を含めて、本発明の実施形態の作用について説明する。ここで、本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法は、パルスレーザ光の照射によって２つのワークＷ１，Ｗ２を接合予定箇所Ｌに沿ってレーザ溶接する方法である。本発明の実施形態に係るレーザ溶接方法は、加速度検出ステップと、移動速度取得ステップと、加工条件更新ステップ（加工条件調整ステップ）とを備えている。

図１、図３、及び図６に示すように、作業者の手動操作によってノズル１６の先端面１６ｆをワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌの始端部に接触させかつ溶接トーチ本体１４をガイドプレート２０の支持面２０ｆに支持させる（図６におけるステップＳ１０１）。そして、ハンディ溶接トーチ１２を作業者の手動操作によってワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに沿う方向に移動させる（図６におけるステップＳ１０２）。併せて、レーザ制御部３０は、加工プログラムに基づいてファイバレーザ発振器２４を制御して、ノズル１６からワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに向かってパルスレーザ光を照射させる。これにより、２つのワークＷ１，Ｗ２を接合予定箇所Ｌに沿ってレーザ溶接して、ワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌに相当する部位に連続した溶接部（接合部）Ｂを形成することができる。

２つのワークＷ１，Ｗ２をレーザ溶接する際に、加速度センサ１８は、ハンディ溶接トーチ１２の加速度を検出する（図６におけるステップＳ１０３、加速度検出ステップ）。次に、移動速度取得部３２は、加速度センサ１８からの検出結果に基づいて、ハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得する（図６におけるステップＳ１０４、移動速度取得ステップ）。更に、加工条件更新部３４は、取得されたハンディ溶接トーチ１２の移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットＳの重なり率が所定の重なり率になるように、加工プログラムに設定された加工条件のうちのパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新する（図６におけるステップＳ１０５、加工条件更新ステップ）。

そして、ノズル１６の先端面１６ｆがワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌの終端部に到達すると（図６におけるステップＳ１０６のＹｅｓの場合）、ハンディ溶接トーチ１２を用いたレーザ溶接が終了する。一方、ノズル１６の先端面１６ｆがワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌの終端部に到達していないと（図６におけるステップＳ１０６のＮｏの場合）、制御装置２８が図６おけるステップＳ１０２の処理に戻す。

前述のように、２つのワークＷ１，Ｗ２をレーザ溶接する際に、移動速度取得部３２がハンディ溶接トーチ１２の移動速度を取得し、パルスレーザ光のスポットＳの重なり率が所定の重なり率になるように、加工条件更新部３４が加工条件のうちのパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新する。これにより、ハンディ溶接トーチ１２の移動速度が変わっても、パルスレーザ光のスポットＳの重なり率、換言すれば、ワークＷ１，Ｗ２の溶接部Ｂの溶融池の重なり率のばらつきを抑えることができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ハンディ溶接トーチ１２を用いたレーザ溶接の利用範囲の拡大を図りつつ、作業者の習熟度に拘わらず、ワークＷ１，Ｗ２の溶接部Ｂの溶接ムラを抑えて、ワークＷ１，Ｗ２の溶接部Ｂの品質を安定させることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、次のように、種々の態様で実施可能である。

図１にはレーザ溶接の溶接態様として突き合わせ溶接を行う様子を図示してあるが、レーザ溶接の溶接態様は、突き合わせ溶接から隅肉溶接、重ね継ぎ溶接、開先溶接、角継手溶接、又は重ね溶接等に変更してもよい。また、制御装置２８が加工プログラムを実行することによりレーザ制御部３０、移動速度取得部３２、及び加工条件更新部３４を備えるが、レーザ制御部３０としての機能、移動速度取得部３２としての機能、及び加工条件更新部３４としての機能を実行するハードウェアを備えてもよい。

加速度センサ１８からの検出結果に基づいてハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得する代わりに、ハンディ溶接トーチ１２の移動に追従して回転する回転子の回転数を回転センサによって検出して、回転センサの検出結果に基づいてハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得してもよい。また、ガイドプレート２０の支持面２０ｆにノズル１６との接触の有無を検出する複数の接触センサをガイドプレート２０の長手方向に間隔を置いて設け、複数の稙センサからの検出結果に基づいてハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得してもよい。更に、撮像素子によってハンディ溶接トーチ１２及びワークＷ１，Ｗ２の接合予定箇所Ｌを撮像し、撮像素子からの撮像結果に基づいてハンディ溶接トーチ１２の移動速度を推定によって取得してもよい。

そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されるものでない。

１０ハンディレーザ溶接機
１２ハンディ溶接トーチ
１４溶接トーチ本体
１６ノズル
１６ｆノズルの先端面
１８加速度センサ
２０ガイドプレート
２０ｆガイドプレートの支持面
２２装置筐体
２４ファイバレーザ発振器（レーザ発振器）
２６光ファイバ
２８制御装置
３０レーザ制御部
３２移動速度取得部
３４加工条件更新部
Ｓパルスレーザ光のスポット
Ｈ作業者の手
Ｗ１ワーク（金属板）
Ｗ２ワーク（金属板）
Ｌ接合予定箇所
Ｂ溶接部（溶接ビード）

Claims

２つのワークの接合予定箇所に向かってパルスレーザ光を照射するハンディ溶接トーチと、
前記ハンディ溶接トーチに光学的に接続され、パルスレーザ光を出力するレーザ発振器と、
加工プログラムに基づいて前記レーザ発振器を制御するレーザ制御部と、
前記ハンディ溶接トーチの加速度を周期的に検出する加速度センサと、
前記加速度センサの周期的な検出結果に基づいて、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を推定によって取得する移動速度取得部と、
取得された前記ハンディ溶接トーチの移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットの重なり率が所定の溶融池の重なり率になるように、前記加工プログラムに設定された加工条件のうちパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新する加工条件更新部と、を備えたことを特徴とするハンディレーザ溶接機。
前記所定の溶融池の重なり率は、前記パルスレーザ光のスポットの重なり部分の長さに対する前記パルスレーザ光のスポット径の割合であることを特徴とする請求項１に記載のハンディレーザ溶接機。
ハンディ溶接トーチを移動させながら、加工プログラムに基づいてレーザ発振器を制御して、前記ハンディ溶接トーチからパルスレーザ光を照射させることにより、２つのワークを接合予定箇所に沿ってレーザ溶接する際に、
周期的に検出した前記ハンディ溶接トーチの加速度の検出結果に基づいて、前記ハンディ溶接トーチの移動速度を推定によって取得し、
取得された前記ハンディ溶接トーチの移動速度に基づいて、パルスレーザ光のスポットの重なり率が所定の溶融池の重なり率になるように、前記加工プログラムに設定された加工条件のうちパルスレーザ光の繰り返し周波数を更新することを特徴とするレーザ溶接方法。
前記所定の溶融池の重なり率は、前記パルスレーザ光のスポットの重なり部分の長さに対する前記パルスレーザ光のスポット径の割合であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接方法。