JPWO2014129639A1

JPWO2014129639A1 - レーザ溶接装置

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Publication number: JPWO2014129639A1
Application number: JP2014512570A
Authority: JP
Inventors: 三郎八木; 繁松　孝; 孝繁松; 佐藤　雅也; 雅也佐藤; 伸弥児嶋
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2013-02-22
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: JP5657181B1; WO2014129639A1

Abstract

レーザ溶接装置（１０）は、被加工物（８７）の突き合わせ界面（８６）に沿ってレーザ光（ＬＢ）を照射するガルバノスキャナ（３３）と、レーザ光（ＬＢ）の出力（Ｗｘ）を一定に保つべくレーザ光源（２０）の出力を制御するレーザ出力制御系（６０）と、突き合わせ界面（８６）に沿って形成された溶接ビードのビード幅を測定するための溶接ビード幅測定系（７０）とを備え、溶接ビード幅測定系（７０）による測定値に基づいてガルバノスキャナ（３３）によるレーザ光（ＬＢ）の掃引速度（ｖ）を制御し、レーザ光ＬＢの出力（Ｗｘ）と、掃引速度（ｖ）とを適正な値とすることで、被加工物（８７）の突き合わせ界面（８６）を高品質なレーザ溶接を行う。

Description

本発明は、被加工物の突き合わせ界面をレーザ照射により溶接するレーザ溶接装置に関する。

自動車の車内配線にはワイヤハーネスが多用される。ワイヤハーネスは、車内配線の仕様に合わせて複数の被覆電線を集合部品化したものである。各被覆電線の端末には、接続用の端子（以下、圧着端子という。）が圧着されている。圧着端子をワイヤハーネスの電線端末に接続する場合、電線端末の絶縁被覆層を皮剥ぎして芯線を露出させ、芯線露出部に圧着端子の芯線バレルを加締め圧着することにより、電線端末と圧着端子との電気的接続がなされる。そして、圧着端子との接続部から電線内への水分の浸入による芯線の腐食を防止するべく、圧着端子と電線端末との接続部が樹脂封止される。（特許文献１、特許文献２）

特開２００１−１６７８２１号特開２０１２−０６９４４９号

しかし、圧着端子と電線端末との接続部を樹脂封止することがワイヤハーネスの製造単価を増加させる要因となっている。これは使用される樹脂そのものが高価であることに加え、樹脂モールド処理或いはコーティング処理の工程で、樹脂の流し込みや硬化に時間を要することによる。

そこで、圧着端子の圧着部（電線接続部）をプレス成型により筒状に曲げ加工し、その筒状に曲げ加工した部分にできる板材両端の突き合わせ界面全体をレーザ溶接により接合して圧着部を密閉構造にする試みがなされている。

レーザ溶接による溶接部の接合強度は、照射されたレーザ光の出力と掃引速度とに左右される。両パラメータの値が適正範囲から外れた条件下でレーザ溶接が行われると、圧着に対する溶接部強度が不十分となる。このことが圧着端子を電線端末に圧着する際その溶接部に割れが発生する原因となる。

本発明が解決しようとする課題は、溶接部に照射されるレーザ光の光源と光学系の異常を簡単な構成で監視して、被加工物の突き合わせ界面を高品質にレーザ溶接することができるレーザ溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接装置は、突き合わせ界面を有する被加工物を溶接加工位置に順次供給しつつ、当該被加工物の突き合わせ界面をレーザ照射により溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ光源から出力されたレーザ光を前記突き合わせ界面に沿って掃引しつつ照射するレーザ光掃引照射手段と、前記被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定に保つべく前記レーザ光源の出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記突き合わせ界面に沿って形成された溶接ビード（溶接痕）の幅寸法（以下、「幅寸法」を「ビード幅」と記す。）を測定する溶接ビード幅測定手段と、を有する。

上記のように構成されたレーザ溶接装置は、突き合わせ界面に沿って形成された溶接ビードの幅寸法を測定することにより、溶接後の被加工物の品質を保証することができる。ここで、ビード幅の寸法測定で品質保証ができるのは、ビード幅が、溶接による投入熱量と対応関係にあるからである。例えば、レーザ出力、掃引速度、焦点位置、溶接前の端子寸法精度、溶接前の端子の位置決め精度が変わらなければ、溶接品質は安定的であり、その時のビード幅にも再現性がある。よって、溶接品質が良い時のビード幅が変化なく再現しているので、本発明のレーザ溶接装置は、この再現性を確認することにより、当該レーザ溶接装置により溶接加工された全数の被加工物の品質検査を行うことができる。

また、焦点位置と製品の位置決め精度はクランプ治具で担保でき、溶接前の端子寸法精度は順送プレス品なので基本的には短期的な変化はない。また、レーザの出力はＰＤに受光して監視することができる。この条件下でビード幅が所定の幅から外れることがあったときに本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光の光源か光学系に異常があると判断することができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記溶接ビード幅測定手段による測定値に基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御するレーザ光掃引速度制御手段、を更に有することが望ましい。

上記のように構成されたレーザ溶接装置は、被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定に保ち、被加工物の突き合わせ界面に沿ってレーザ光を掃引しつつ照射することにより、当該被加工物の突き合わせ界面を溶接し、その溶接後の突き合わせ界面に形成されている溶接ビードのビード幅を測定する。その測定値に基づいて、その後の溶接時のレーザ光の掃引速度を制御する。

被加工物に照射されるレーザ光の出力が一定であれば、ビード幅を目安にして、溶接品質の良、不良を判別することができる。したがって、被加工物へのレーザ光の照射出力を適正な範囲で一定に保って溶接を行い、その溶接後の突き合わせ界面に形成されている溶接ビードのビード幅を測定し、その測定値に基づいて、その後の溶接時のレーザ光の掃引速度を制御することにより、レーザ光の掃引速度を、適正な範囲で一定に保たれている照射出力との関係において適正な値に制御して、被加工物の突き合わせ界面を高品質にレーザ溶接することができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記レーザ光掃引速度制御手段は、前記被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定とした条件下におけるレーザ光の掃引速度と溶接ビードのビード幅との相関を示す相関データを記憶している記憶手段を有し、前記溶接ビード幅測定手段による測定値と前記相関データとに基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御することが望ましい。

上記相関データは、被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定とし、掃引速度を異ならせた複数の条件で溶接を行い、溶接品質が良好であった溶接部の溶接ビードのビード幅とレーザ光の掃引速度とを記録し、その記録結果（実測値）から両者の相関を表す曲線（図３参照）を求めこれを数値化したものである。したがって、被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定とすれば、ビード幅の目標値に対応する掃引速度の値をこの相関データから求めることにより、溶接品質が良好となる掃引速度の目標値を決定することができる。そして、ビード幅が目標値になるように掃引速度を制御することにより、良好な溶接品質を実現することができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記レーザ出力制御手段は、前記レーザ光源から出力されたレーザ光の一部を分岐させるレーザ光分岐手段と、前記レーザ光分岐手段により分岐させたレーザ光の出力を検出するレーザ光出力モニタ手段と、を備え、前記レーザ光出力モニタ手段により検出されたレーザ光の出力に基づいて前記レーザ光源の出力を制御することが望ましい。レーザ光源から出力されたレーザ光の一部を分岐させて、その出力を検出し、その検出値が一定になるようにレーザ光源を制御することにより、レーザ光源から出力されるレーザ光の出力を一定に保つことができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記溶接ビード幅測定手段は、前記被加工物を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記溶接ビードのビード幅を測定するための画像処理手段と、を有することが望ましい。この構成によれば、溶接加工が施された実際の被加工物の外観から溶接ビードのビード幅を測定することができるので、実際の溶接結果に基づいてレーザ光の掃引速度を適正な値に制御することができる。

本発明のレーザ溶接装置は、被加工物の突き合わせ界面に照射するレーザ光光源と光学系の異常を簡単な構成で監視することができるので、被加工物の突き合わせ界面を高品質にレーザ溶接することができる。

本発明の第１の実施形態の装置構成図（ａ）突き合わせ界面に隙間が生じている被加工物と当該被加工物を挟み込む前の状態におけるクランプ装置の形態とを例示する概念図（ｂ）被加工物をクランプ装置で挟み込んだ状態で被加工物の突き合わせ界面にレーザ光を照射している状態を例示する概念図レーザ光の出力が一定で且つ溶接品質が良好となる場合の掃引速度とビード幅との相関を表す相関曲線を例示したグラフ図図３の相関曲線を用いて掃引速度の目標値を変更する処理の説明図本発明の第３の実施形態の装置構成図本発明のレーザ溶接装置により溶接加工された圧着端子の斜視図図５の圧着端子の製造工程の概略を示す工程図

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

この実施形態では、図６に例示する圧着端子８０を製造するための装置構成について説明する。この圧着端子８０は、図７に示すように、（ａ）帯状の金属板８１をその長手方向（矢印Ａの向き）に一定のピッチで順送しつつ、（ｂ）キャリア部８２と展開状態の端子素材８３とを打ち抜き、（ｃ）端子素材８３を打ち抜き及び曲げ加工することにより箱状のコネクタ部８４と筒状の圧着部８５とを一体成型し、（ｄ）圧着部８５にできる板材両端の突き合わせ界面８６及び重ね合わせ部１００をレーザ溶接により接合する、という一連の工程を経て製造される。ここで、突き合わせ界面とは、圧着部を構成する板材の曲げ方向における一方の端面と、もう一方の端面とを突き合わせて接触させた部分のことをいう。

［第１の実施形態］
図１は本発明のレーザ溶接装置の第１の実施形態を示すシステム構成図である。このレーザ溶接装置１０は、被加工物である未溶接の圧着端子８７を溶接加工位置Ｐに順次供給し、その圧着端子８７の圧着部８５の突き合わせ界面８６をレーザ照射により溶接する装置である。圧着端子８７は、図７（Ｃ）に示すように一定の間隔でキャリア部８２に片持ち支持された連鎖端子８８の形態で溶接加工位置Ｐに順次送り込まれて、レーザ照射による溶接加工が施される。

レーザ溶接装置１０は、レーザ光源２０と、レーザ照射光学系３０と、送り装置４０と、クランプ装置５０と、レーザ出力制御系６０と、溶接ビード幅測定系７０と、制御装置９０と、を有している。

レーザ光源２０は、公知のファイバレーザであり、希土類元素を添加した石英光ファイバをレーザ媒体に使用して近赤外領域の波長のレーザ光を発振する。

レーザ照射光学系３０は、レーザ光源２０から出力されたレーザ光を溶接加工位置Ｐに導くための光学系である。レーザ照射光学系３０は、光路軸シフト光学系３１と、ガルバノスキャナ３２と、集光レンズ３３と、を有している。

光路軸シフト光学系３１は、レーザ光源２０から水平方向に出力されたレーザ光を複数回直角に反射させて、レーザ光の光路軸を上方に平行にシフトさせる光学系である。この例では、互いに平行且つ上下に離間させて入射角４５°の姿勢で配置された２つの誘電体多層膜平面ミラー３１Ａ、３１Ｂで構成されている。

ガルバノスキャナ３２は、２軸（ＸＹ）式ガルバノスキャナであり、光路軸シフト光学系３１からのレーザ光を、それぞれ回転軸に取り付けられた２つのミラー３２Ｘ，３２Ｙを高速且つ高精度に駆動させながら順次反射させることにより、溶接加工位置Ｐに停止している圧着端子８７の突き合わせ界面８６及び重ね合わせ部１００にレーザ光ＬＢを掃引照射する。レーザ光ＬＢの水平面内における照射位置は、ミラー３２Ｘ，３２Ｙの角度を制御することにより、レーザ光ＬＢの掃引速度はミラー３２Ｘ，３２Ｙの回動速度を制御することにより、各々調節することができる。

集光レンズ３３は、ガルバノスキャナ３２からのレーザ光を圧着端子８７の突き合わせ界面８６の位置に集光させる光結合系である。集光レンズ３３には、テレセントリックレンズ又はｆθレンズが用いられる。

送り装置４０は、連鎖端子８８を圧着端子８７の並んでいる間隔Ｌに相当する一定のピッチで間欠的に送ることにより、圧着端子８７を溶接加工位置Ｐに順次供給する装置である。送り装置４０は、連鎖端子８８の送り方向における溶接加工位置Ｐの上流側近傍と下流側近傍とに、連鎖端子８８のキャリア部８２を上下から挟んで回転する双ローラ４１、４２を有している。双ローラ４１、４２は、キャリア部８２の下面に接する送りローラ４３と、上面に接する押さえローラ４４とからなる。押さえローラ４４は、キャリア部８２を上方から押さえつつ従動回転する。送りローラ４３は、図示しない駆動機構により一定速度で回転駆動される。送りローラ４３の外周面には、周方向に等間隔に送り爪４５が突設されている。送り爪４５は、キャリア部８２の送り孔８９（図７参照）に係合する。送りローラ４３が一定角度回転する毎に、キャリア部８２の送り孔８９に係合している送り爪４５が連鎖端子８８を圧着端子８７の並んでいる間隔Ｌ分だけ移動させる。

クランプ装置５０は、溶接加工位置Ｐに供給された圧着端子８７を精度良く位置決めするための装置である。クランプ装置５０は、上クランプ治具５１と下クランプ治具５２とを有し、両クランプ治具５１、５２で圧着端子８７の圧着部８５に最低３点で接触するように上下から挟み込む。このため、クランプ治具５１には、例えば、圧着部８５と２点で当接して押さえ込む略ハ字型部５１ａが形成されている。一方、クランプ治具５２には、圧着部８５と一点で当接する略平らな当接面５２ａが形成されている。両クランプ治具５１、５２で圧着端子８７の圧着部８５を上下から挟み込むことにより、圧着部８５の突き合わせ界面８６を、図２（ｂ）に示すように、レーザ光ＬＢを照射可能な位置に位置決めをすることができる。また、上クランプ治具５１には、突き合わせ界面８６へのレーザ光ＬＢの照射の邪魔にならないようにスリット５１ｂが形成されている。

レーザ出力制御系６０は、圧着端子８７の圧着部８５に照射されるレーザ光ＬＢの出力を一定に保つべくレーザ光源２０の出力を制御するための光−電気複合系である。つまり、レーザ出力制御系６０は、レーザ光源２０から出力されたレーザ光ＬＢの一部を分岐させるためのレーザ光分岐光学系６１と、レーザ光分岐光学系６１により分岐させたレーザ光ＬＢ(ｐｄ）の出力を検出するためのレーザ光出力モニタ装置６２と、を有している。この例では、レーザ光分岐光学系６１として、光路軸シフト光学系３１の２つの誘電体多層膜平面ミラー３１Ａ、３１Ｂを利用している。レーザ光源２０から出力されたレーザ光ＬＢは、２つの誘電体多層膜平面ミラー３１Ａ、３１Ｂで大部分が順次反射されてガルバノスキャナ３２に導かれるが、その一部は上側の誘電体多層膜平面ミラー３１Ａを透過してレーザ光出力モニタ装置６２の受光部に入射する。レーザ光出力モニタ装置６２と誘電体多層膜平面ミラー３１Ａとの間には、集光レンズ１０２が設けられている。レーザ光出力モニタ装置６２は、受光素子としてフォトダイオード（ＰＤ）を備え、受光量に比例した電気信号を出力する。レーザ光出力モニタ装置６２の出力信号は制御装置９０に入力される。レーザ光源２０の出力をＷ_１、ミラー３１Ｂの反射率をＲ_３１Ｂ、集光レンズ１０２の透過率をＴ_ＬＰＤ、誘電体多層膜平面ミラー３１Ａの透過率をＴ_１、ガルバノスキャナ３２内のミラー３２Ｘ、３２Ｙの１枚当りの反射率をＲ_ｇ、集光レンズ３３の透過率をＴ_Ｌとすると、レーザ光出力モニタ装置６２により測定されるレーザ光ＬＢ（ｐｄ）の出力Ｗ_ｐｄ及び圧着端子８７に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｗｘは、次式（１）及び（２）で表される。

Ｗ_ｐｄ＝Ｗ_１×Ｒ_３１Ｂ×Ｔ_１×Ｔ_ＬＰＤ・・・（１）
Ｗｘ＝｛（１−Ｔ_１）×Ｒ_ｇ ^２×Ｔ_Ｌ｝Ｗ_ｐｄ／（Ｔ_１×Ｔ_ＬＰＤ）・・・（２）
ここで、ＰＤへの入射光をさらに減衰させる必要がある場合は、ＰＤと集光レンズ１０２の間もしくは、ミラー３１Ａと集光レンズ１０２の間に光学フィルタを挿入することが好ましい。

フィルタの透過率をＴ_２とすると、レーザ光ＬＢ（ｐｄ）の出力Ｗ_ｐｄ及び圧着端子８７に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｗｘは、次式（３）及び（４）で表される。

Ｗ_ｐｄ＝Ｗ_１×Ｒ_３１Ｂ×Ｔ_１×Ｔ_２×Ｔ_ＬＰＤ・・・（３）
Ｗｘ＝｛（１−Ｔ_１）×Ｒ_ｇ ^２×Ｔ_Ｌ｝Ｗ_ｐｄ／（Ｔ_１×Ｔ_２×Ｔ_ＬＰＤ）・・・（４）
フォトダイオード（ＰＤ）を用いてレーザ光ＬＢ（ｐｄ）の出力Ｗ_ｐｄを常に監視し、式（１）もしくは（３）から求められるＷ_１が出力許容値に収まるようレーザ光源２０の出力Ｗ_１を制御する。

たとえば、レーザ光源２０の出力Ｗ_１が４００Ｗであった場合、出力許容値を±２％の３９２〜４０８Ｗとする。つまり、レーザ光ＬＢ（ｐｄ）の出力Ｗ_ｐｄと式（１）もしくは（３）から求められるＷ_１が出力許容値から外れないように制御することで、Ｗｘは常に安定していることを保証できる。もし、出力許容値から外れれば出力エラーを出す。

溶接ビード幅測定系７０は、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に沿って形成された溶接ビード（溶接痕）のビード幅を測定する処理を行う光−電気複合系である。溶接ビード幅測定系７０は、圧着端子８７の圧着部８５を撮像するための撮像装置７１と、撮像装置７１により撮像された画像に基づいて溶接ビードの幅寸法を測定するための画像処理系７２と、を有している。

撮像装置７１は、溶接加工処理済みの圧着端子８０の通過領域に臨ませて、溶接加工位置Ｐの下流側の所定の位置に設置されている。この例では、溶接加工位置Ｐから４ピッチ（Ｌ×４）分に相当する距離だけ下流側の位置に臨ませて設けられている。撮像装置７１には、ＣＣＤ（Charge Coupled Dice）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）など固体撮像素子を用いたイメージセンサが使用される。撮像装置７１は、圧着端子８０の圧着部８５を撮像し、得られた画像データを出力する。撮像装置７１から出力された画像データは、画像処理系７２に入力される。画像処理系７２は、入力された画像データにエッジ検出処理などの画像処理を施し、処理後のデータを出力する。画像処理系７２から出力されたデータは、制御装置９０に入力される。

上記のように構成されたレーザ溶接装置１０は、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｗｘを一定に保ち、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に沿ってレーザ光ＬＢを掃引しつつ照射することにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６を溶接し、その溶接後の突き合わせ界面８６に形成されている溶接ビードのビード幅を測定する。これにより、被加工物の突き合わせ界面を高品質にレーザ溶接するだけでなく、誘電体多層膜平面ミラー３１Ａ以降の光学系（例えば、ガルバノスキャナ３２、集光レンズ３３）に異常があった場合にエラーを出すことも可能となる。つまり、フォトダイオード（ＰＤ）を用いた制御系が正常であるのにビード幅が所定の幅から外れた場合はガルバノスキャナ３２等の光学系に異常があると判断することができる。

続いて、制御装置９０を追加した場合を説明する。制御装置９０は、このレーザ溶接装置１の全体の動作を統括制御するコンピュータシステムであり、レーザ出力制御手段及び溶接ビード幅測定手段として機能する。すなわち、制御装置９０は、レーザ光出力モニタ装置６２からの出力信号に基づいてレーザ光源２０の出力を一定となるように制御し、画像処理系７１からの画像データに基づいて、画像処理系７２で溶接ビードの幅寸法を測定する。さらに、制御装置９０は、レーザ光掃引速度制御手段として機能する。すなわち、制御装置９０は、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に照射されるレーザ光ＬＢの出力を一定とした条件下におけるレーザ光ＬＢの掃引速度と溶接ビードの幅寸法との相関を示す相関データを記憶しており、溶接ビードのビード幅の測定値と相関データとに基づいて、ガルバノスキャナ３２によるレーザ光ＬＢの掃引速度を制御する。

相関データは、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に照射されるレーザ光ＬＢの出力を一定に保ちつつ、レーザ光ＬＢの掃引速度を異ならせた複数の条件で溶接を行い、溶接品質が良好であった溶接部の溶接ビードのビード幅とレーザ光ＬＢの掃引速度とを記録し、その記録結果（実測値）から両者の相関を表す相関曲線（図３参照）を求め、これを数値化したものである。相関データは、レーザ光ＬＢの出力Ｗｘを一定として、掃引速度の値と溶接ビードの幅寸法の値とを対応させたデータテーブルとして、制御装置９０の記憶部に記憶されている。データテーブルは、レーザ光の出力を一定に保ちつつ、レーザ光の掃引速度を異ならせた複数の条件で溶接する実験から得られた実測データであって、掃引速度の値と、溶接品質が良好であった溶接部の溶接ビードの幅寸法の値とを対応させたデータで構成されている。このパラメータとして、圧着端子８０の製造に使用されるプレス金型の形状の経時変化を挙げることができる。例えば、突き合わせ界面８６の隙間が広がってくる可能性がある。

上記のように構成されたレーザ溶接装置１０は、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｗｘを一定に保ち、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に沿ってレーザ光ＬＢを掃引しつつ照射することにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６を溶接し、その溶接後の突き合わせ界面８６に形成されている溶接ビードのビード幅を測定する。そして、その測定値が目標値から外れた場合、その測定値と相関データ（図３参照）とに基づいて、その後の溶接時におけるレーザ光ＬＢの掃引速度を制御する。

たとえば、ビード幅の目標値が２００μｍの±５％つまり１９０〜２１０μｍ，ビード幅上限合格値２２０μｍ，下限合格値１８０μｍであるとする。レーザ溶接装置１０の稼働を開始して、端子１００個ごとにビード幅の平均値を求め、１〜５００００個までの圧着端子８０のビード幅の平均値が全て２００μｍであったのに対して、５０００１〜５０１０１個の圧着端子８０のビード幅の平均値が１８０μｍとなった場合、目標値との差分１０μｍの信号をガルバノスキャナ３２の制御系にフィードバックし、ビード幅が目標値である２００μｍ±５％に収まるように、レーザ光ＬＢの掃引速度を下限掃引速度側に向かってシフトするように制御する。そして、一連の作業によりビード幅が目標値に入るまでルーチン作業を繰り返す。ビード幅が上限もしくは下限合格値から出た場合はＮＧと判断してシステム全体を停止する。

このように、圧着端子８７の突き合わせ界面８６へのレーザ光のＬＢの照射出力Ｗｘを一定に保って溶接を行い、その溶接後の突き合わせ界面８６に形成されている溶接ビードのビード幅を測定し、その測定値に基づいて、その後の溶接時のレーザ光ＬＢの掃引速度を制御することにより、レーザ光ＬＢの掃引速度ｖを、適正な範囲で一定に保たれている照射出力Ｗｘとの関係において適正な値に制御して、圧着端子８７の突き合わせ界面８６を高品質にレーザ溶接することができる。

［第２の実施形態］
図３を用いて説明した制御方法とは別の掃引速度制御方法を、図４の例で説明する。図４では、掃引速度に応じたビード幅の変化を表す曲線Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３を示している。例えば、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は突き合せの隙間が０μｍ、１０μｍ、２０μｍのときの曲線とすることができる。

まず、ビード幅が目標値２００μｍからずれて１９０μｍとなった場合、そのときの掃引速度Ｖ１でビード幅が１９０μｍとなる曲線Ｃ２をデータテーブルから見つける。その曲線Ｃ２がビード幅の目標値２００μｍと交わる点における掃引速度Ｖ２（ｖ１＞ｖ２）の±２０ｍｍ/ｓｅｃを設定する。設定した掃引速度内でビード幅の目標値２００μｍとなるように掃引速度を上下させ、ビード幅の目標値となった掃引速度を新たな掃引速度ｖに設定する。レーザ光ＬＢの掃引速度ｖが当初の掃引速度ｖ１からそれよりも遅い掃引速度ｖ２に変更されたことで、その後の溶接においてはビード幅が目標値である２００μｍに制御される。上記では、複数の突き合せの隙間に対応付けたデータテーブルを使用したが、例えば、突合せ界面のローリングによるずれや、突き合せの隙間とローリングを組み合わせたデータテーブルを作成して制御装置９０の記憶部に記憶することがより好ましい。

［第３の実施形態］
図５は本発明のレーザ溶接装置の第３の実施形態を示すシステム構成図である。ここでは、第１の実施形態と共通の構成要素については図中に同一符号を付し、説明を適宜省略する。第１の実施形態では、ガルバノスキャナ３２を備え、レーザ光源２０からのレーザ光ＬＢをガルバノスキャナ３２内の2つのミラー３２Ｘ、３２ＹでＸＹ方向（水平方向）に振ることにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に沿ってレーザ光ＬＢを掃引する構成を採用しているが、図５に示す第３の実施形態では、レーザ加工ヘッド９０を備え、そのレーザ加工ヘッド９０自体をＸＹ方向（水平方向）に移動させることにより、レーザ光ＬＢを掃引する。レーザ加工ヘッド９０内には、レーザ光源２０からのレーザ光ＬＢを下向きに直角に反射させて溶接加工位置Ｐに落射させる誘電体多層膜平面ミラー９１と、誘電体多層膜平面ミラー９１からのレーザ光ＬＢを圧着端子８７の突き合わせ界面８６の位置に集光させる集光レンズ９２とが設けられている。さらに、レーザ加工ヘッド９０には、レーザ光出力モニタ装置６２が設けられている。レーザ光源２０からのレーザ光ＬＢは、誘電体多層膜平面ミラー９１を透過してレーザ光出力モニタ装置６２の受光部に入射する。

第３の実施形態においても、レーザ光源２０から出力されたレーザ光ＬＢの一部のレーザ光ＬＢ（ｐｄ）をモニタすることにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に照射されるレーザ光ＬＢの出力Ｗｘを一定に保ち、圧着端子８７の突き合わせ界面８６に沿ってレーザ光ＬＢを掃引しつつ照射することにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６を溶接し、その溶接後の突き合わせ界面８６に形成されている溶接ビードのビード幅を測定する。そして、その測定値が目標値から外れた場合、その測定値と相関データ（図３参照）とに基づいて、掃引方向へのレーザ加工ヘッド９０の移動速度を制御することにより、圧着端子８７の突き合わせ界面８６を高品質にレーザ溶接することができる。

［その他の実施形態］
本発明の構成は上記実施形態の構成に限定されるものではない。たとえば、各種ミラーやレンズの配置、溶接加工位置ＰからＰＤ間のミラーの枚数などは適宜変更可能である。ただし、ＰＤ６２の設置位置は、溶接加工位置Ｐからの反射光（レーザの散乱光つまりは戻り光）がミラーから透過してくる位置にあってはならない。これは戻り光成分を誤ってレーザの出力として検知し、測定したい出力に合算してしまう可能性があるからである。なお、ＰＤ６２は、被加工物に照射されるレーザ光の出力を検出すればよく、例えば、ＰＤ６２の設置位置を、加工物の直前、つまり溶接加工位置Ｐの直前にしてもよい。この場合も、例えば溶接加工位置Ｐの直前にミラーなどを配置して、ＰＤ６２が溶接加工位置Ｐからの反射光を受光しないようにする。

また、被加工物についても圧着端子に限るものではない。すなわち本発明は金属板材相互の突合せ界面を有する被加工物全般のレーザ溶接装置に適用できる。また、上記の例では、レーザ光源２０としてファイバレーザを使用した場合について説明したが、レーザ光源２０はファイバレーザに限定されない。また、被加工物表面にめっき処理が施されている場合には、溶接後の突き合わせ界面において、メッキがない箇所の幅を、ビード幅として測定してもよい。また、撮像画像に限らず、例えばレーザ距離計を用いて溶接部の外径や内径の大きさの変化を計測することで、溶接ビードの幅寸法を測定してもよい。また、溶接ビード幅の測定結果などから何かしらの異常を検知した時には、同時に、プレス機による成型処理とレーザ溶接装置による溶接処理とを停止するようにしてもよい。

１０レーザ溶接装置
２０レーザ光源
３０レーザ照射光学系
３２ガルバノスキャナ（レーザ掃引照射手段）
４０送り装置
５０クランプ装置
６０レーザ出力制御系
６１レーザ光分岐光学系
７１撮像装置
８０制御装置（レーザ出力制御手段、溶接ビード幅測定手段、レーザ光掃引速度制御手段）
８５圧着部
８６突き合わせ界面
８７圧着端子（被加工物）
ＬＢレーザ光
Ｐ溶接加工位置

上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接装置は、筒状に曲げ加工した板材の両端面を突き合わせた突き合わせ界面を有する圧着端子を溶接加工位置に順次供給しつつ、前記圧着端子の突き合わせ界面をレーザ照射により溶接するレーザ溶接装置であって、レーザ光源から出力されたレーザ光を前記突き合わせ界面に沿って掃引しつつ照射するレーザ光掃引照射手段と、前記圧着端子の突き合わせ界面に照射されるレーザ光の出力を一定に保つべく前記レーザ光源の出力を制御するレーザ出力制御手段と、前記圧着端子の突き合わせ界面に沿って形成された溶接ビード（溶接痕）の幅寸法（以下、「幅寸法」を「ビード幅」と記す。）を測定する溶接ビード幅測定手段と、前記溶接ビード幅測定手段による測定値に基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御するレーザ光掃引速度制御手段と、を有し、前記レーザ出力制御手段は、前記レーザ光源から出力されたレーザ光の一部を分岐させるレーザ光分岐手段と、前記レーザ光分岐手段により分岐させたレーザ光の出力を検出するレーザ光出力モニタ手段と、を有し、前記レーザ光掃引速度制御手段は、前記圧着端子の突き合わせ界面に生じる隙間に対応して、前記突き合わせ界面に照射されるレーザ光の出力を一定とした条件下におけるレーザ光の掃引速度と溶接ビードの幅寸法との相関を示す相関データを記憶している記憶手段を有し、前記溶接ビード幅測定手段による溶接ビード幅の測定値と目標値とのずれ量に基づき前記隙間に対応した相関データを参照し、参照した相関データに基づき溶接ビードの幅寸法が前記目標値になるようにレーザ光の掃引速度を制御する。

上記のように構成されたレーザ溶接装置は、突き合わせ界面に沿って形成された溶接ビードの幅寸法を測定することにより、溶接後の圧着端子の品質を保証することができる。ここで、ビード幅の寸法測定で品質保証ができるのは、ビード幅が、溶接による投入熱量と対応関係にあるからである。例えば、レーザ出力、掃引速度、焦点位置、溶接前の端子寸法精度、溶接前の端子の位置決め精度が変わらなければ、溶接品質は安定的であり、その時のビード幅にも再現性がある。よって、溶接品質が良い時のビード幅が変化なく再現しているので、本発明のレーザ溶接装置は、この再現性を確認することにより、当該レーザ溶接装置により溶接加工された全数の圧着端子の品質検査を行うことができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記溶接ビード幅測定手段による測定値に基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御するレーザ光掃引速度制御手段、を更に有する。

上記のように構成されたレーザ溶接装置は、圧着端子の突き合わせ界面に照射されるレーザ光の出力を一定に保ち、圧着端子の突き合わせ界面に沿ってレーザ光を掃引しつつ照射することにより、当該圧着端子の突き合わせ界面を溶接し、その溶接後の突き合わせ界面に形成されている溶接ビードのビード幅を測定する。その測定値に基づいて、その後の溶接時のレーザ光の掃引速度を制御する。

圧着端子に照射されるレーザ光の出力が一定であれば、ビード幅を目安にして、溶接品質の良、不良を判別することができる。したがって、圧着端子へのレーザ光の照射出力を適正な範囲で一定に保って溶接を行い、その溶接後の突き合わせ界面に形成されている溶接ビードのビード幅を測定し、その測定値に基づいて、その後の溶接時のレーザ光の掃引速度を制御することにより、レーザ光の掃引速度を、適正な範囲で一定に保たれている照射出力との関係において適正な値に制御して、圧着端子の突き合わせ界面を高品質にレーザ溶接することができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記レーザ光掃引速度制御手段は、前記圧着端子に照射されるレーザ光の出力を一定とした条件下におけるレーザ光の掃引速度と溶接ビードのビード幅との相関を示す相関データを記憶している記憶手段を有し、前記溶接ビード幅測定手段による測定値と前記相関データとに基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御する。

上記相関データは、圧着端子に照射されるレーザ光の出力を一定とし、掃引速度を異ならせた複数の条件で溶接を行い、溶接品質が良好であった溶接部の溶接ビードのビード幅とレーザ光の掃引速度とを記録し、その記録結果（実測値）から両者の相関を表す曲線（図３参照）を求めこれを数値化したものである。したがって、圧着端子に照射されるレーザ光の出力を一定とすれば、ビード幅の目標値に対応する掃引速度の値をこの相関データから求めることにより、溶接品質が良好となる掃引速度の目標値を決定することができる。そして、ビード幅が目標値になるように掃引速度を制御することにより、良好な溶接品質を実現することができる。

本発明のレーザ溶接装置において、前記溶接ビード幅測定手段は、前記圧着端子の突き合わせ界面を撮像するための撮像手段と、前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記溶接ビードのビード幅を測定するための画像処理手段と、を有することが望ましい。この構成によれば、溶接加工が施された実際の圧着端子の突き合わせ界面の外観から溶接ビードのビード幅を測定することができるので、実際の溶接結果に基づいてレーザ光の掃引速度を適正な値に制御することができる。
本発明のレーザ溶接装置において、前記レーザ光出力モニタ手段は、前記溶接加工位置からの反射光を受光せず、かつ前記レーザ光分岐手段を透過するレーザ光の出力を受光する位置に配置されていることが望ましい。

Claims

突き合わせ界面を有する被加工物を溶接加工位置に順次供給しつつ、当該被加工物の突き合わせ界面をレーザ照射により溶接するレーザ溶接装置であって、
レーザ光源から出力されたレーザ光を前記突き合わせ界面に沿って掃引しつつ照射するレーザ光掃引照射手段と、
前記被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定に保つべく前記レーザ光源の出力を制御するレーザ出力制御手段と、
前記突き合わせ界面に沿って形成された溶接ビードの幅寸法を測定する溶接ビード幅測定手段と、を有するレーザ溶接装置。
前記溶接ビード幅測定手段による測定値に基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御するレーザ光掃引速度制御手段、を更に有する請求項１記載のレーザ溶接装置。
前記レーザ光掃引速度制御手段は、
前記被加工物に照射されるレーザ光の出力を一定とした条件下におけるレーザ光の掃引速度と溶接ビードの幅寸法との相関を示す相関データを記憶している記憶手段を有し、
前記溶接ビード幅測定手段による測定値と前記相関データとに基づいて、前記レーザ光掃引照射手段によるレーザ光の掃引速度を制御する、請求項２記載のレーザ溶接装置。
前記レーザ出力制御手段は、
前記レーザ光源から出力されたレーザ光の一部を分岐させるレーザ光分岐手段と、
前記レーザ光分岐手段により分岐させたレーザ光の出力を検出するレーザ光出力モニタ手段と、を備え、
前記レーザ光出力モニタ手段により検出されたレーザ光の出力に基づいて前記レーザ光源の出力を制御する、請求項１乃至３のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
前記溶接ビード幅測定手段は、
前記被加工物を撮像するための撮像手段と、
前記撮像手段により撮像された画像に基づいて前記溶接ビードの幅寸法を測定するための画像処理手段と、を有する請求項１乃至４のいずれかに記載のレーザ溶接装置。