JP7435543B2 - レーザ溶接システム及びレーザ溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明はレーザ溶接システム及びレーザ溶接制御方法に関する。

特許文献１には、監視用光ビームの材料表面からの反射光を受光素子で受光し、この受光素子の溶融加工中での出力の変化を検出して、溶融加工中の材料の溶融状態を監視する技術が開示されている。

特開平７－２８４９３１号公報

発明者らは、レーザ溶接システムに関し、以下の問題点を見出した。
レーザ溶接において溶融池から発生するスパッタは、異物として付着・混入して溶接部材に悪影響を及ぼす虞があるため、スパッタの発生はできる限り抑制したい。
しかしながら、特許文献１に開示された技術を用いて溶融池を監視するだけでは、レーザ溶接におけるスパッタの発生を効果的に抑制できなかった。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであって、スパッタの発生をより効果的に抑制可能なレーザ溶接システムを提供するものである。

本発明の一態様に係るレーザ溶接システムは、
溶接対象物にレーザビームを照射するレーザ照射部と、
前記レーザビームの照射によって、前記溶接対象物に形成された溶融池の温度分布を測定する温度分布測定部と、
前記温度分布測定部によって測定された前記溶融池の温度分布に基づいて、前記溶融池の対流状態を解析する対流解析部と、
前記レーザビームの照射条件を制御するレーザ制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記対流解析部によって解析された前記溶融池の対流状態が予め定められたスパッタ発生モードに該当する場合、
前記溶融池の対流状態が前記スパッタ発生モードから外れるように、前記レーザビームの照射条件を変更するものである。

本発明の一態様に係るレーザ溶接システムでは、溶融池の温度分布を測定する温度分布測定部と、温度分布測定部によって測定された溶融池の温度分布に基づいて、溶融池の対流状態を解析する対流解析部と、を備える。そして、制御部は、対流解析部によって解析された溶融池の対流状態が予め定められたスパッタ発生モードに該当する場合、溶融池の対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームの照射条件を変更する。
そのため、本発明の一態様に係るレーザ溶接システムは、スパッタの発生をより効果的に抑制できる。

前記溶融池のスパッタ発生状況を撮像するための撮像部と、前記撮像部によって撮像された前記溶融池のスパッタ発生状況と、前記対流解析部によって解析された前記溶融池の対流状態とを紐付けて記憶する記憶部と、をさらに備え、前記記憶部に紐付けて記憶された前記スパッタ発生状況と前記対流状態とに基づいて、前記スパッタ発生モードが予め定められていてもよい。

本発明の一態様に係るレーザ溶接制御方法は、
レーザビームの照射によって溶接対象物に形成された溶融池の温度分布を測定するステップと、
測定された前記温度分布に基づいて、前記溶融池の対流状態を解析するステップと、
解析された前記溶融池の対流状態が、予め定められたスパッタ発生モードに該当する場合、前記溶融池の対流状態が前記スパッタ発生モードから外れるように、前記レーザビームの照射条件を変更するステップと、を備えたものである。

本発明の一態様に係るレーザ溶接制御方法では、レーザビームの照射によって溶接対象物に形成された溶融池の温度分布を測定し、測定された溶融池の温度分布に基づいて、溶融池の対流状態を解析する。そして、溶融池の対流状態がスパッタ発生モードに該当する場合、溶融池の対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームの照射条件を変更する。
そのため、本実施形態に係るレーザ溶接制御方法では、スパッタの発生をより効果的に抑制できる。

前記溶融池のスパッタ発生状況を撮像するステップと、撮像された前記溶融池のスパッタ発生状況と、解析された前記溶融池の対流状態とを紐付けて記憶するステップと、を備え、紐付けて記憶された前記スパッタ発生状況と前記対流状態とに基づいて、前記スパッタ発生モードを予め定めておいてもよい。

本発明により、スパッタの発生をより効果的に抑制可能なレーザ溶接システムを提供できる。

第１の実施形態に係るレーザ溶接システムを示すブロック図である。 ガルバノスキャナ１０２の模式構成図である。 温度分布測定部１０３による溶融池ＭＰの温度分布の実際の測定結果の一例を示す図である。 対流解析部１０４による溶融池ＭＰの対流状態の解析結果の一例を示す図である。 第１の実施形態に係るレーザ溶接制御方法を示すフローチャートである。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

（第１の実施形態）
＜レーザ溶接システムの構成＞
まず、図１を参照して、第１の実施形態に係るレーザ溶接システムについて説明する。
図１は、第１の実施形態に係るレーザ溶接システムを示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接システムでは、重ね合わされた２枚の金属板Ｍ１、Ｍ２の上方からレーザビームＬＢを照射することによって、２枚の金属板Ｍ１、Ｍ２に跨がる溶融池ＭＰを形成し、２枚の金属板Ｍ１、Ｍ２を溶接する。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接システムは、レーザ発振器１０１、ガルバノスキャナ１０２、温度分布測定部１０３、対流解析部１０４、撮像部１０５、記憶部１０６、及びレーザ制御部１０７を備えている。
なお、当然のことながら、図１及びその他の図面に示した右手系ｘｙｚ直交座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。通常、ｚ軸正向きが鉛直上向き、ｘｙ平面が水平面であり、図面間で共通である。

溶接対象物である金属板Ｍ１、Ｍ２は、何ら限定されないが、例えば銅、アルミニウムあるいはそれらの合金からなる板である。金属板Ｍ１、Ｍ２は、例えば同種金属から構成されるが、異種金属から構成されてもよい。
なお、図１に示す例は、２枚の金属板Ｍ１、Ｍ２の重ね合わせ溶接であるが、何ら限定されず、突き合わせ溶接その他の溶接でもよい。

レーザ発振器１０１は、レーザ制御部１０７から出力された制御信号に基づくレーザ出力で、レーザビームＬＢを発振する。レーザ発振器１０１から出力されたレーザビームＬＢは、ガルバノスキャナ１０２に入力される。
レーザ発振器１０１及びガルバノスキャナ１０２は、溶接対象物である金属板Ｍ１、Ｍ２にレーザビームＬＢを照射するレーザ照射部を構成する。

ガルバノスキャナ１０２は、レーザ制御部１０７から出力された制御信号に基づいて、溶接対象物である金属板Ｍ１、Ｍ２上を走査しながら、金属板Ｍ１、Ｍ２にレーザビームＬＢを照射する。レーザ制御部１０７から出力された制御信号に基づいて、例えば、ガルバノスキャナ１０２から照射されるレーザビームＬＢの径、スキャン速度、軌跡が決定される。

ここで、図２は、ガルバノスキャナ１０２の模式構成図である。なお、図２に示すガルバノスキャナ１０２の構成はあくまでも一例であって、ガルバノスキャナ１０２の構成は、当該構成に限定されない。
図２に示すガルバノスキャナ１０２は、ダイクロイックミラーＤＭ、ミラーＭＲ、レンズＬ１を備えている。ここで、ダイクロイックミラーＤＭは、レーザビームＬＢを反射して熱放射光ＴＲを透過する。レーザ発振器１０１から入射したレーザビームＬＢは、ダイクロイックミラーＤＭ及びミラーＭＲを反射した後、レンズＬ１によって集光され、ガルバノスキャナ１０２から出射される。

ガルバノスキャナ１０２から出射されたレーザビームＬＢが、金属板Ｍ１、Ｍ２に照射され、溶融池ＭＰが形成される。
他方、図２に示すように、溶融池ＭＰから放出された熱放射光ＴＲは、ガルバノスキャナ１０２を介して、温度分布測定部１０３に入射する。より詳細には、ガルバノスキャナ１０２において、レンズＬ１を介してミラーＭＲを反射した後、ダイクロイックミラーＤＭを透過した熱放射光ＴＲが、温度分布測定部１０３に入射する。

図１に戻って、説明を続ける。
温度分布測定部１０３は、溶融池ＭＰから放出された熱放射光ＴＲの強度に基づいて、溶融池ＭＰの温度分布を逐次測定する。溶融池ＭＰにおいて温度が高い程、溶融池ＭＰから放出される熱放射光ＴＲの強度も高くなる。

ここで、図３は、温度分布測定部１０３による溶融池ＭＰの温度分布の実際の測定結果の一例を示す図である。図３の例では、金属板Ｍ１、Ｍ２はいずれも銅板（融点：１０８５℃）である。図３では、上側（ｚ軸正方向側）から測定した温度分布であるため、金属板Ｍ１の温度分布を示している。図３では、金属板Ｍ１の温度分布が色によって示されている。
なお、図３では、所々、測定温度の数値が示されている。また、図３における破線は、レーザビームＬＢの照射位置を示す基準線である。

対流解析部１０４は、温度分布測定部１０３によって測定された温度分布の逐次変化に基づいて、溶融池ＭＰの対流状態を解析する。対流解析部１０４が実行する対流解析には、特に限定されないが、例えば市販の熱流体解析プログラムを使用できる。市販の熱流体解析プログラムとしては、例えばＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋（登録商標）やＦＬＯＷ－３Ｄ（登録商標）を挙げることができる。対流解析部１０４によって解析された溶融池ＭＰの対流状態は、記憶部１０６に記憶される。

なお、図示されていないが、対流解析部１０４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、熱流体解析プログラムやデータ等が格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部と、を備えている。すなわち、対流解析部１０４は、コンピュータとしての機能を有しており、上記熱流体解析プログラムに基づいて解析処理を行う。

そのため、図１に示す対流解析部１０４は、ハードウェア的には、上記ＣＰＵ、記憶部、その他の回路等によって構成でき、ソフトウェア的には、記憶部に格納された熱流体解析プログラムなどによって実現できる。すなわち、対流解析部１０４は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいは両者の組み合わせによって、様々な形態で実現できる。

ここで、図４は、対流解析部１０４による溶融池ＭＰの対流状態の解析結果の一例を示す図である。図４の例では、金属板Ｍ１、Ｍ２はいずれも銅板であるため、金属板Ｍ１、Ｍ２は一体に示されている。図４は、金属板Ｍ１、Ｍ２のｘｚ断面における溶融池ＭＰの対流状態を示している。溶融池ＭＰ内に示される矢印が、対流の方向を示し、矢印の色が流速の大きさを示している。

図１に示すように、撮像部１０５は、溶融池ＭＰのスパッタ発生状況を撮像する。撮像部１０５は、例えば高速度カメラであって、レーザビームＬＢを照射中に溶融池ＭＰから発生するスパッタを撮像する。撮像部１０５によって撮像されたスパッタ発生状況は、レーザ制御部１０７に対して出力されると共に、記憶部１０６に記憶される。

撮像部１０５によって撮像されたスパッタ発生状況は、その際に対流解析部１０４によって解析された対流状態と紐付けて記憶部１０６に記憶される。そして、当該スパッタ発生状況に基づいて、レーザ制御部１０７が対流状態の判定に用いるスパッタ発生モードが予め定められる。そのため、撮像部１０５は、実際に溶接する際には必須ではなく、本実施形態に係るレーザ溶接システムにおいても必須ではない。

図１に示すように、記憶部１０６は、撮像部１０５によって撮像された溶融池ＭＰのスパッタ発生状況と、対流解析部１０４によって解析された溶融池ＭＰの対流状態とを紐付けて記憶する。
なお、記憶部１０６は、上述の対流解析部１０４又は後述するレーザ制御部１０７に設けられていてもよい。

図１に示すように、レーザ制御部１０７は、対流解析部１０４によって解析された溶融池ＭＰの対流状態に基づいて、レーザ発振器１０１及びガルバノスキャナ１０２を制御する。すなわち、レーザ制御部１０７は、レーザビームＬＢの照射条件を制御する。上述の通り、レーザ制御部１０７は、レーザ発振器１０１によって発振されるレーザビームＬＢの出力（レーザ出力）を制御する。また、レーザ制御部１０７は、ガルバノスキャナ１０２から照射されるレーザビームＬＢの径、スキャン速度、軌跡を制御する。

ここで、レーザ制御部１０７は、対流解析部１０４によって解析された対流状態が、予め定められたスパッタ発生モードに該当するか否か判定する。ここで、スパッタ発生モードとは、スパッタが発生し易い対流状態である。スパッタ発生モードは、記憶部１０６に紐付けて記憶された溶融池ＭＰのスパッタ発生状況と対流状態とに基づいて、例えばレーザ制御部１０７によって予め定められている。

そして、レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードに該当すると判定した場合、対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームＬＢの照射条件を変更する。換言すると、レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードに該当すると判定した場合、対流状態が非スパッタ発生モードに移行するように、レーザビームＬＢの照射条件を変更する。ここで、非スパッタ発生モードとは、スパッタが発生し難い対流状態すなわちスパッタ発生モードから外れた対流状態である。

レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードに該当すると判定した場合、例えばレーザ出力、レーザビームＬＢの径、スキャン速度、軌跡の少なくともいずれか一つを変更する。
他方、レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードに該当しないと判定した場合、レーザビームＬＢの照射条件を変更せずに、そのまま維持する。

なお、図示されていないが、レーザ制御部１０７は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算部と、各種制御プログラムやデータ等が格納されたＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶部と、を備えている。すなわち、レーザ制御部１０７は、コンピュータとしての機能を有しており、上記制御プログラムに基づいて各種制御処理を行う。

そのため、図１に示すレーザ制御部１０７は、ハードウェア的には、上記ＣＰＵ、記憶部、その他の回路等によって構成でき、ソフトウェア的には、記憶部に格納された各種制御プログラムなどによって実現できる。すなわち、レーザ制御部１０７は、ハードウェア、ソフトウェア、あるいは両者の組み合わせによって、様々な形態で実現できる。

以上に説明した通り、本実施形態に係るレーザ溶接システムは、溶融池ＭＰの温度分布を測定する温度分布測定部１０３と、温度分布測定部１０３によって測定された溶融池ＭＰの温度分布に基づいて、溶融池ＭＰの対流状態を解析する対流解析部１０４と、を備える。そして、レーザ制御部１０７は、対流解析部１０４によって解析された溶融池ＭＰの対流状態が、スパッタ発生モードに該当する場合、溶融池ＭＰの対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームＬＢの照射条件を変更する。そのため、本実施形態に係るレーザ溶接システムでは、スパッタの発生をより効果的に抑制できる。

＜レーザ溶接制御方法＞
次に、図５を参照して、本実施形態に係るレーザ溶接制御方法について説明する。図５は、第１の実施形態に係るレーザ溶接制御方法を示すフローチャートである。
まず、図５に示すように、レーザビームＬＢの照射によって溶接対象物である金属板Ｍ１、Ｍ２に形成された溶融池ＭＰの温度分布を、温度分布測定部１０３が測定する（ステップＳＴ１）。

次に、図５に示すように、温度分布測定部１０３によって測定された溶融池ＭＰの温度分布に基づいて、対流解析部１０４が溶融池ＭＰの対流状態を解析する（ステップＳＴ２）。

次に、図５に示すように、レーザ制御部１０７は、対流解析部１０４によって解析された対流状態が、スパッタ発生モードに該当するか否か判定する（ステップＳＴ３）。
ここで、スパッタ発生モードは、記憶部１０６に紐付けて記憶された溶融池ＭＰのスパッタ発生状況と対流状態とに基づいて、例えばレーザ制御部１０７によって予め定められている。

対流状態がスパッタ発生モードに該当すると判定した場合（ステップＳＴ３ＹＥＳ）、レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームＬＢの照射条件を変更する（ステップＳＴ４）。具体的には、レーザ制御部１０７は、レーザ出力、レーザビームＬＢの径、スキャン速度、軌跡の少なくともいずれか一つを変更する。

対流状態がスパッタ発生モードに該当しないと判定した場合（ステップＳＴ３ＮＯ）、レーザ制御部１０７は、レーザビームＬＢの照射条件を変更せずに、そのまま維持し、ステップＳＴ１に戻る。すなわち、レーザ制御部１０７は、対流状態がスパッタ発生モードに該当すると判定するまで、レーザビームＬＢの照射条件を変更せずに、そのまま維持し続ける。

以上に説明した通り、本実施形態に係るレーザ溶接制御方法では、レーザビームＬＢの照射によって溶接対象物に形成された溶融池ＭＰの温度分布を測定し、当該温度分布に基づいて、溶融池ＭＰの対流状態を解析する。そして、当該対流状態がスパッタ発生モードに該当する場合、溶融池ＭＰの対流状態がスパッタ発生モードから外れるように、レーザビームＬＢの照射条件を変更する。そのため、本実施形態に係るレーザ溶接制御方法では、スパッタの発生をより効果的に抑制できる。

上述の例において、プログラムは、コンピュータに読み込まれた場合に、実施形態で説明された１又はそれ以上の機能をコンピュータに行わせるための命令群（又はソフトウェアコード）を含む。プログラムは、非一時的なコンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体に格納されてもよい。限定ではなく例として、コンピュータ可読媒体又は実体のある記憶媒体は、random-access memory（ＲＡＭ）、read-only memory（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、solid-state drive（ＳＳＤ）又はその他のメモリ技術、ＣＤ－ＲＯＭ、digital versatile disc（ＤＶＤ）、Blu-ray（登録商標）ディスク又はその他の光ディスクストレージ、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスクストレージ又はその他の磁気ストレージデバイスを含む。プログラムは、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体上で送信されてもよい。限定ではなく例として、一時的なコンピュータ可読媒体又は通信媒体は、電気的、光学的、音響的、又はその他の形式の伝搬信号を含む。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０１ レーザ発振器
１０２ ガルバノスキャナ
１０３ 温度分布測定部
１０４ 対流解析部
１０５ 撮像部
１０６ 記憶部
１０７ レーザ制御部
ＤＭ ダイクロイックミラー
Ｌ１ レンズ
ＬＢ レーザビーム
ＭＲ ミラー
Ｍ１、Ｍ２ 金属板
ＭＰ 溶融池
ＴＲ 熱放射光

Claims (4)

1. 溶接対象物にレーザビームを照射するレーザ照射部と、
   前記レーザビームの照射によって、前記溶接対象物に形成された溶融池の温度分布を測定する温度分布測定部と、
   前記温度分布測定部によって測定された前記溶融池の温度分布に基づいて、前記溶融池の対流状態を解析する対流解析部と、
   前記レーザビームの照射条件を制御するレーザ制御部と、を備え、
   前記レーザ制御部は、
   前記対流解析部によって解析された前記溶融池の対流状態が、予め定められたスパッタ発生モードに該当する場合、
   前記溶融池の対流状態が前記スパッタ発生モードから外れるように、前記レーザビームの照射条件を変更する、
   レーザ溶接システム。
2. 前記溶融池のスパッタ発生状況を撮像するための撮像部と、
   前記撮像部によって撮像された前記溶融池のスパッタ発生状況と、前記対流解析部によって解析された前記溶融池の対流状態とを紐付けて記憶する記憶部と、をさらに備え、
   前記記憶部に紐付けて記憶された前記スパッタ発生状況と前記対流状態とに基づいて、前記スパッタ発生モードが予め定められている、
   請求項１に記載のレーザ溶接システム。
3. レーザビームの照射によって溶接対象物に形成された溶融池の温度分布を測定するステップと、
   測定された前記溶融池の温度分布に基づいて、前記溶融池の対流状態を解析するステップと、
   解析された前記溶融池の対流状態が、予め定められたスパッタ発生モードに該当する場合、前記溶融池の対流状態が前記スパッタ発生モードから外れるように、前記レーザビームの照射条件を変更するステップと、を備えた、
   レーザ溶接制御方法。
4. 前記溶融池のスパッタ発生状況を撮像するステップと、
   撮像された前記溶融池のスパッタ発生状況と、解析された前記溶融池の対流状態とを紐付けて記憶するステップと、を備え、
   紐付けて記憶された前記スパッタ発生状況と前記対流状態とに基づいて、前記スパッタ発生モードを予め定めておく、
   請求項３に記載のレーザ溶接制御方法。

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