JPH08215869A

JPH08215869A - レーザ溶接方法およびその装置

Info

Publication number: JPH08215869A
Application number: JP7030683A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitani; 靖木谷; Shizuo Yamamoto; 静夫山本; Kenji Oi; 健次大井; Koichi Yasuda; 功一安田
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-02-20
Filing date: 1995-02-20
Publication date: 1996-08-27

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ溶接において焦点位置の正確な規定を必
要とせずに、深溶け込みの溶接条件の設定を簡便に行
う。【構成】溶接ヘッド１の高さを変えながらレーザ照射部
からの発光２を、１ｍｍφのピンホール５を通してレー
ザ照射部から約２０ｃｍ離れたＳｉ素子の光検出器６で
測定し、その電気信号を演算機７を通して記録する。溶
接ヘッド１の高さは、コントローラ８と駆動モータ９に
よって適宜変化させ、高さの値を発光検出による電気信
号とともに記録する。発光量が極小となるように溶接ヘ
ッドの高さを制御すると最大の溶け込み深さが得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属材料のレーザ溶接
において深溶込みを狙った高出力レーザ溶接方法及びそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は高エネルギー密度の熱源を
用いた溶接であり、鋼材をはじめとする各種金属材料で
高品質、高速の溶接が可能である。レーザ溶接の特徴の
１つとしてアスペクト比（溶け込み深さ／溶接ビード
幅）の高いビード断面形状が挙げられ、狭いビード幅で
深い溶け込みの溶接を行うことができることが利点の１
つとされている。しかし、レーザ溶接において、溶け込
み深さはレーザ出力、溶接速度のほか、ビーム焦点位
置、シールドガスの種類および流量など多くのパラメー
タの影響を受けるため、深溶け込みが得られる溶接条件
を適正に設定することは難しい。

【０００３】特にビーム焦点位置は、溶接に用いられる
レーザビームが炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザなど不可
視であるため、正確に規定することが困難なうえ、溶接
中に光学系が熱誘起ひずみを生じて焦点位置が変動する
こともあり、これらの影響によって所定の溶け込み深さ
が得られないという問題が生じることがある。そのた
め、従来からレーザ溶接のモニタリング技術に関して数
多くの検討がなされている。例えば、特開昭６０−８３
７９２号公報では、溶接ビード部の温度を計測しその値
をもってレーザ出力および集光光学系の高さを調整し溶
接部の溶け込みを安定化させる方法が開示されている。
また、レーザ溶接時に、レーザビームと被溶接部材との
相互作用によって生じる、プラズマあるいはブルームと
呼ばれる発光に着目したモニタリング技術も多く、特開
昭５４−５１０９７号公報や特開昭５５−１１７５８６
号公報にあるように、プラズマ量を検知し、その量に応
じてレーザ出力を制御することによって、安定した溶接
を行う方法などが開発されている。

【０００４】しかし、これらの技術は一定の溶接状態を
維持し、温度やプラズマ量の変動から異常を検知し対応
することが目的であって、最大の溶け込み深さが得られ
る条件を設定するなどの最適制御を行う機能は有しな
い。また、温度を測定する装置、プラズマからの紫外光
などの特殊な波長の光量を測定する装置など複雑な測定
機器を必要とするうえに、測定した温度、光量を演算処
理し、レーザ出力や集光光学系の高さにフィードバック
する機構が定量的に示されているとはいい難く、ノウハ
ウに頼る部分が大きいといわざるを得ない。レーザ出力
へのフィードバックでは、特に深い溶け込みをねらって
レーザ発振器の能力限界付近の出力を用いている場合、
あるいは、焦点位置の変動によって溶け込み状態が変化
する場合など、フィードバック制御が効果的に働かない
ことが考えられる。また、プラズマのモニタリングに関
しても、従来数多くの研究がなされているが、通常時と
異常時のプラズマ量の変動から溶接欠陥などの異常を検
出するような技術が多く、簡便な方法で溶け込み量との
関係を定量的にとらえ、最大かつ安定な溶け込み深さが
得られるような制御を行う例はなかった。

【０００５】特開昭５９−１５０６８７号公報には、光
学手段で溶接プラズマのスペクトル線を溶接ビームの各
パルスごとに集め、このスペクトル線のエネルギーをア
ナログ電気信号に変換し、この信号を数値処理し、その
結果得られた信号を基準信号と比較することによって溶
接の深さをオンラインで制御する技術が開示されてい
る。しかしこの技術は基準信号の内容や具体的な制御手
段については何ら記載していない。

【０００６】また特開平４−３６１８８９号公報には、
レーザ溶接時の溶接部の光を取り出して伝送し、波長範
囲の異なる複数の光に分岐し、必要な波長の光を抽出
し、レーザ発振器がベース出力である時に、溶接金属か
ら発した波長の光の強度を検出して溶込み深さを判定す
る技術を記載している。そして、レーザプラズマの発光
状態を観察して溶込み深さをモニタする手法は、レーザ
プラズマがレーザビームの吸収による加熱、雰囲気ガス
の影響を受けて不安定であり、実用的でないとして排除
している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、レーザ溶接
のレーザ照射部からの発光量と溶込み深さとは特殊な関
係にあるという新しい知見に基づき、発光量からレーザ
溶接ヘッド高さを自動調節する技術を開発し、これを提
供することを目的とする。一般にレーザ溶接において
は、最大の溶け込み深さが得られるのは、下向き溶接の
場合、被溶接物の表面より１〜数ｍｍ下方に焦点位置を
設定した条件とされているが、レーザビームの焦点位置
の計測は困難で、レーザ出力変化によるレーザビームモ
ードパターンの変化や光学系に生じる熱誘起歪みなどの
影響で焦点位置が変動するため、焦点位置を正確に設定
するには、数多くの条件設定用の試験や高い技術が必要
とされるという問題は依然として解決されていない。

【０００８】本発明は、これらの問題点を解決した、深
く、安定した溶け込みの得られるレーザ溶接の具体的な
技術を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ溶接ヘ
ッドを上下動させレーザ溶接のレーザ照射部からの発光
量を検出してレーザ溶接ヘッド高さと発光量との関係を
求めておき、該発光量が極小となるようにレーザ溶接ヘ
ッド高さを自動調節して溶接することを特徴とするレー
ザ溶接方法である。

【００１０】上記本発明を好適に実施することができる
本発明の装置は、レーザ照射部からの発光量を検出する
レーザ検出器と、該発光量が極小となるようにレーザ溶
接ヘッドを上下動させる制御装置とを備えたことを特徴
とするレーザ溶接装置である。

【００１１】

【作用】本発明は、集光光学系と被溶接部材との距離す
なわち焦点位置を変化させたときのレーザ溶接中のレー
ザ照射部からの発光量と溶け込み深さの関係を定量的に
とらえ、３００〜９００ｎｍの波長の発光量が極小値を
とるときに最大の溶け込み深さが得られるという知見に
基づき、３００〜９００ｎｍの任意あるいは特定の波長
の光を検知し、電気信号に変換する光センサおよび演算
機を有した溶接ヘッドを用いて、溶接中にレーザ照射部
からの発光量が極小値あるいは予め設定した特定値以下
となるように溶接ヘッドの高さを調節することにより、
発振器出力などレーザ溶接装置の能力を最大に活かした
深溶け込みの溶接を安定して行うことを可能としたもの
である。

【００１２】本発明によれば、レーザビームの焦点位置
を正確に知る必要もなく、レーザ照射部からの発光量の
検知のみで安定した深溶け込みの溶接が可能となる。ま
た、溶接中のモニタリングの他に、焦点位置を意識せず
に、発光量が極小となる溶接ヘッドの高さを調べること
によって、最大溶け込みの得られる標準条件を設定する
ことも可能となる。

【００１３】本発明で、レーザ照射部の発光の検出波長
を３００〜９００ｎｍとしたのは、数多くの試験によ
り、この範囲内の波長の光量が、絶対量の差はあるもの
の、溶け込み深さに対して同様の挙動、すなわち、最大
溶け込み深さが得られる状態で光量が極小値になる傾向
を示すことを確認したことによる。また、３００〜９０
０ｎｍの範囲の光の検出器は、Ｓｉ素子を用いたフォト
ダイオードなど比較的安価で一般に手に入りやすいとい
う利点がある。

【００１４】また、光量が極小値あるいはある特定値以
下になるように溶接ヘッド位置を調節するというのは、
鋼材をはじめとする金属材料の溶接において、レーザビ
ームにより被溶接物を溶融させ溶接可能とされる範囲に
おいては、最大溶け込み深さが得られる溶接ヘッド高さ
とレーザ照射部の発光量が最小となる溶接ヘッド高さが
ほぼ一致するという知見に基づく。照明など溶接以外の
外的要因による光量を一定にできる場合、予め条件出し
用の試験溶接で溶接ヘッド高さを変えてある波長の光の
測定を行い、例えば、その波長の光の光量を極小値の１
２０％以下になるように制御することでも安定した深溶
け込み溶接が可能となる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の１実施例を示す装置構成図で
ある。被溶接材３を溶接方向４の方向に、表１に示す条
件でレーザ溶接を行った。溶接ヘッド１の高さを変えな
がらレーザ照射部からの発光（プラズマ）２を、１ｍｍ
φのピンホール５を通してレーザ照射部から約２０ｃｍ
離れたＳｉ素子の光検出器６で測定し、その電気信号を
演算機７を通して記録した。また、溶接ヘッド１の高さ
は、コントローラ８と駆動モータ９によって適宜変化さ
せ、高さの値を発光検出による電気信号とともに記録し
た。例えばヘッド高さと発光量との関係は図２のように
なる。

【００１６】別途計測によって求めた焦点位置をもと
に、ヘッド高さを焦点位置として表した値と、６００ｎ
ｍの波長の発光量（測定値）、および溶接後のビード断
面観察によって求めた溶け込み深さの関係を図３に示
す。焦点位置の−（マイナス）は被溶接材表面より下
側、＋（プラス）は溶接材表面より上側を示す。図３に
おいて、被溶接材が溶融し、十分溶接可能と判断される
のは、焦点位置が−４ｍｍより大きい範囲であるが、こ
の範囲において、発光量が極小となる付近で最大の溶け
込み深さが得られている。また、溶接可能な範囲の中
で、受光量が０．８ｍＷ以下となる焦点位置範囲、すな
わち−２〜＋１ｍｍの範囲では、７ｍｍ以上の安定した
深溶け込みが得られる。

【００１７】このように、本発明によれば、鋼材をはじ
めとする金属材料のレーザ溶接において、簡便に安定し
た深溶け込みの溶接を行うことができ、また、最大溶け
込み深さの得られる条件設定が可能となる。

【００１８】

【表１】 ─────────────────────────── 被溶接材ＳＳ４００鋼被溶接材板厚２０ｍｍレーザ波長１０．６μｍレーザ出力５，０００Ｗ集光光学系放物面境（焦点距離：１０インチ）溶接速度１ｍ／分シールドガスアルゴン（流量：２０リットル／分）検出光波長６００ｎｍ ───────────────────────────

【００１９】

【発明の効果】本発明は、レーザ溶接中に、被溶接材の
レーザ照射部からの発光を、比較的容易に測定できる、
３００〜９００ｎｍの波長の発光量と溶け込み深さの関
係に着目し、３００〜９００ｎｍの特定もしくは任意の
波長の光量を電気信号に変換する光センサおよび演算
機、並びにその電気信号によってヘッド高さを制御する
機構を有する溶接ヘッドを用いて、発光量が極小値ある
いはある特定値以下となるように溶接ヘッド高さを制御
するようにしたため、簡便に、金属材料の深溶け込み溶
接を安定して行えるようになった。また、本発明の装置
および原理によれば、レーザ溶接において困難とされる
焦点位置の正確な規定を必要とせずに、深溶け込みの溶
接条件の設定を簡便に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例を示す装置の構成図である。

【図２】ヘッド高さと発光量との関係を示すグラフであ
る。

【図３】実施例のレーザビーム焦点位置と発光量および
溶け込み深さの関係を示したグラフである。

【符号の説明】

１溶接ヘッド２発光（プラズ
マ）３被溶接材４溶接方向５ピンホール６光検出器７演算機８コントローラ９モータ１０記録計

フロントページの続き (72)発明者大井健次千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者安田功一千葉県千葉市中央区川崎町１番地川崎製鉄株式会社技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ溶接ヘッドを上下動させレーザ照
射部からの発光量を検出してレーザ溶接ヘッド高さと発
光量との関係を求めておき、該発光量が極小となるよう
にレーザ溶接ヘッド高さを自動調節して溶接することを
特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】レーザ照射部からの発光量を検出するレ
ーザ検出器と、該発光量が極小となるようにレーザ溶接
ヘッドを上下動させる制御装置とを備えたことを特徴と
するレーザ溶接装置。