JPWO2019198443A1

JPWO2019198443A1 - レーザ溶接装置

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Publication number: JPWO2019198443A1
Application number: JP2020513148A
Authority: JP
Inventors: 徹酒井; 篤寛川本; 潤司藤原; 櫻井　通雄; 通雄櫻井
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2019-03-19
Publication date: 2021-04-30
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: US20210023656A1; CN111971143A; WO2019198443A1; CN111971143B; EP3778101A1; EP3778101B1; JP7126221B2; EP3778101A4

Abstract

測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸と同軸となるキーホール３７位置と、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード３８位置とに切り替え可能とする。そして、溶接ビード３８位置で測定された窪み深さの測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップが生じているかを判定する。

Description

本発明は、レーザ溶接装置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、互いに重ね合わされた溶接部材に対してレーザ溶接を行う場合には、溶接部の溶け込み深さを正確に測定することができないおそれがある。

具体的に、互いに重ね合された溶接部材の間にギャップが生じている場合には、測定光の光路長が、そのギャップ量の分だけ長くなってしまう。そのため、溶接部の実際の溶け込み深さよりも大きな値が測定されてしまい、測定値に誤差が生じることとなる。

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、キーホール位置の深さを測定するとともに、互いに重ね合された溶接部材の状態を把握できるようにすることにある。

本開示の態様は、互いに重ね合わされた２つの溶接部材にレーザ光を照射して溶接するレーザ溶接装置を対象とし、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前記溶接部材に照射する照射部と、
前記照射部から照射されて前記溶接部材で反射した前記測定光に基づいて、所定の基準面からの深さを測定する測定部と、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、該レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード位置とに切り替える照射位置切替部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、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード位置とに切り替え可能としている。

これにより、測定光によって、キーホール位置の深さを測定するとともに、溶接ビード位置における溶接部材の状態を把握することができる。

ここで、溶接部材の状態とは、例えば、互いに重ね合された溶接部材の間にギャップが生じているか否かである。

第２の態様は、第１の態様において、
前記溶接ビード位置で測定された窪み深さの測定値に基づいて、２つの前記溶接部材の間に生じたギャップ量を判定する判定部を備えたことを特徴とするものである。

第２の態様では、溶接ビード位置で測定された窪み深さの測定値に基づいて、ギャップ量を判定するようにしている。これにより、例えば、溶接ビード位置の窪み深さが、ギャップが生じていない状態で予め測定していた窪み深さよりも深い場合に、その深さの割合に応じて、ギャップ量を求めることができる。

第３の態様は、第２の態様において、
前記ギャップ量に基づいて、前記キーホール位置で測定された測定値を補正する補正部を備えたことを特徴とするものである。

第３の態様では、ギャップ量に基づいて、キーホール位置の深さの測定値を補正するようにしている。これにより、ギャップに起因してキーホール位置の測定値が大きくなっているにもかかわらず、例えば、レーザ出力が強すぎると判断してレーザ出力を弱めてしまい、十分な溶け込み量が得られなくなるのを抑えることができる。

第４の態様は、第２又は第３の態様において、
前記ギャップ量が所定の基準値よりも大きい場合に、前記溶接部材の溶融量を増やすように溶接条件を変更する溶接条件変更部を備えたことを特徴とするものである。

第４の態様では、ギャップ量が所定の基準値よりも大きい場合に、溶接部材の溶融量を増やすように溶接条件を変更している。これにより、溶接部材の溶け落ちが発生するのを抑え、接合強度を十分に確保することができる。

なお、溶接条件の変更としては、例えば、レーザ光の出力を高める、溶接速度を遅くする、レーザ光をスピン軌道で広範囲に照射する等が考えられる。

第５の態様は、第２乃至第４の態様のうち何れか１つにおいて、
前記判定部は、前記ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、該ギャップ量が異常であると判定することを特徴とするものである。

第５の態様では、ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、ギャップ量が異常であると判定している。これにより、ギャップ量が大きすぎることに起因して、溶接部材の溶け落ちが発生するのを抑えることができる。

第６の態様は、互いに重ね合わされた２つの溶接部材にレーザ光を照射して溶接するレーザ溶接装置を対象とし、
２つの前記溶接部材は、前記レーザ光の照射方向から見て奥側の該溶接部材の一部が露出するように、互いに面内方向にずれて配置され、
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前記溶接部材に照射する照射部と、
前記照射部から照射されて前記溶接部材で反射した前記測定光に基づいて、所定の基準面からの深さを測定する測定部と、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、該レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の前方で且つ２つの前記溶接部材の境界位置とに切り替える照射位置切替部とを備えたことを特徴とするものである。

第６の態様では、互いに重ね合わされた溶接部材が、レーザ光の照射方向から見て奥側の溶接部材の一部が露出するようにずれて配置されている。そして、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の前方で且つ溶接部材の境界位置とに切り替え可能としている。

これにより、測定光によって、キーホール位置の深さを測定するとともに、レーザ光よりも溶接方向の前方で、溶接部材の境界位置を把握することができる。

具体的に、２つの溶接部材の境界位置に沿ってレーザ光を照射する倣い制御を行う場合には、境界位置を正確に特定する必要がある。そこで、レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の前方に測定光を照射すれば、測定された測定値に基づいて境界位置を特定することができる。

そして、特定された境界位置に対する照射部の位置ずれを補正しながらレーザ溶接を行うようにすれば、レーザ光及び測定光を適切な位置に照射して、レーザ溶接の加工精度や測定精度を高めることができる。

第７の態様は、第６の態様において、
前記照射位置切替部は、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに旋回移動するように切り替え、
前記測定光が前記境界位置を横切る前後で測定された複数の測定値に基づいて、２つの前記溶接部材の間に生じたギャップ量を判定する判定部を備えたことを特徴とするものである。

第７の態様では、測定光の照射位置を旋回移動させ、溶接部材の境界位置を横切る前後で測定された複数の測定値に基づいて、ギャップ量を判定するようにしている。

具体的に、ギャップが生じていない場合には、レーザ光の照射方向から見て、手前側の溶接部材の表面で測定した測定値に対して手前側の溶接部材の厚み分を深さ方向に加算した値が、レーザ光の照射方向から見て奥側の溶接部材の表面で測定した測定値と一致することとなる。

これに対し、レーザ光の照射方向から見て、奥側の溶接部材の表面で測定した測定値が、手前側の溶接部材の表面で測定した測定値に対して手前側の溶接部材の厚み分を深さ方向に加算した値よりも大きい（深い）場合には、その差分値がギャップ量であると判定することができる。

第８の態様は、第７の態様において、
前記ギャップ量に基づいて、前記キーホール位置で測定された測定値を補正する補正部を備えたことを特徴とするものである。

第８の態様では、ギャップ量に基づいて、キーホール位置の深さの測定値を補正するようにしている。これにより、ギャップに起因してキーホール位置の測定値が大きくなっているにもかかわらず、例えば、レーザ出力が強すぎると判断してレーザ出力を弱めてしまい、十分な溶け込み量が得られなくなるのを抑えることができる。

第９の態様は、第７又は第８の態様において、
前記判定部は、前記ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、該ギャップ量が異常であると判定することを特徴とするものである。

第９の態様では、ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、ギャップ量が異常であると判定している。これにより、ギャップ量が大きすぎることに起因して溶接部材の溶け落ちが発生するのを抑えることができる。

本開示の態様によれば、キーホール位置の深さを測定するとともに、互いに重ね合された溶接部材の状態を把握することができる。

図１は、本実施形態１に係るレーザ溶接装置の模式図である。図２は、測定光をキーホール位置に照射するときのレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図３は、測定光を溶接ビード位置に照射するときのレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図４は、レーザ光及び測定光の照射位置を説明するための斜視図である。図５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６Ａは、ギャップに起因して上側金属板が溶け落ちた状態を示す図である。図６Ｂは、レーザ光をスピン軌道で照射したことで溶け落ちを抑えることができた状態を示す図である。図７Ａは、ギャップが生じていない状態で溶接ビードの窪み深さを測定している図である。図７Ｂは、ギャップが生じている状態で溶接ビードの窪み深さを測定している図である。図８は、ギャップ量と窪み深さとの関係を示すグラフ図である。図９は、測定光の照射位置を、キーホール位置と溶接ビード位置とに切り替えるときの動作を示すフローチャート図である。図１０は、本実施形態２に係るレーザ溶接装置において、測定光をキーホール位置に照射するときのレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１１は、測定光を上側金属板と下側金属板との境界位置に照射するときのレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１２は、レーザ光及び測定光の照射位置を説明するための斜視図である。図１３は、上側金属板と下側金属板との境界位置を横切るように測定光をスピン軌道で照射したときの平面図である。図１４Ａは、ギャップが生じていない状態で測定光をスピン軌道で照射している図である。図１４Ｂは、ギャップが生じている状態で測定光をスピン軌道で照射している図である。図１５は、測定光の照射位置を、キーホール位置と境界位置とに切り替えるときの動作を示すフローチャート図である。図１６は、本実施形態３に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１７Ａは、測定光をキーホール位置に照射するときの図である。図１７Ｂは、測定光を溶接ビード位置に照射するときの図である。図１７Ｃは、測定光を溶接方向よりも前方の境界位置に照射するときの図である。図１８は、本実施形態４に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１９は、照射位置切替ユニットの構成を示す図である。図２０は、本実施形態５に係るレーザ照射ヘッドの照射位置切替ユニットの構成を示す図である。図２１は、本実施形態６に係るレーザ照射ヘッドの照射位置切替ユニットの構成を示す図である。

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。

《実施形態１》
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１５とを備えている。

レーザ発振器１１は、制御装置１５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１５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１５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１５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１５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。つまり、制御装置１５は、溶接条件を変更可能な溶接条件変更部を構成している。

また、詳しくは後述するが、制御装置１５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と、キーホール３７位置の測定値を補正する補正部１６とを有する。

溶接対象物３０は、上下に重ね合わされた溶接部材としての上側金属板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と測定光Ｓとが平行となるように調整するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７と、第３の平行平板２８（照射位置切替部）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。また、本実施形態では、レーザ光Ｌのスポット径を７００〜８００μｍ、測定光Ｓのスポット径を１００μｍとしている。

第１の平行平板２６、第２の平行平板２７、及び第３の平行平板２８は、図示しないモータに接続され、制御装置１５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、ビームスプリッタ２５を透過する。

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３の平行平板２８を通ることで、ビームスプリッタ２５への入射位置が切り替えられる。

具体的に、第３の平行平板２８を回転させ、図２に示す角度となるように第３の平行平板２８を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌと結合する位置に照射される。

そして、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。同軸に重ね合わされたレーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

一方、第３の平行平板２８を回転させ、図３に示す角度となるように第３の平行平板２８を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌよりも溶接方向の後方位置に照射される。

具体的に、図３に示す例では、レーザ照射ヘッド２０を右方向に移動させながら溶接を行っているので、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌよりも溶接方向の後方（左方向）の位置で屈折して、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となる。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

このように、本実施形態では、ビームスプリッタ２５よりも測定光Ｓの入射側に第３の平行平板２８を設け、第３の平行平板２８を回転させることにより、測定光Ｓ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（図４参照）。

これにより、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸と同軸となるキーホール位置と、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード位置とに切り替えることができる。

また、フォーカスレンズ２２で集光されたレーザ光Ｌ及び測定光Ｓは、制御装置１５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。

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５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が凝固することで溶接ビード３８が形成される。

ここで、レーザ溶接装置１０において、レーザ溶接と溶け込み深さの測定とを同時に行うために、第３の平行平板２８を、図２に示す角度に調整しておく。

これにより、光干渉計１２から出射されて第３の平行平板２８を透過した測定光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、測定した光路長に基づいて、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。

ところで、例えば、図６Ａに示すように、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じており、そのギャップ量が所定の基準値よりも大きい場合には、レーザ光Ｌによって溶融した上側金属板３１がギャップ部分に流れて溶け落ちが発生することがある。

そこで、上側金属板３１の溶け落ちの発生を抑えるために、上側金属板３１の溶融量を増やすように溶接条件を変更するようにしている。具体的には、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を回転させることで、図６Ｂに示すように、溶接対象物３０に対して、螺旋状にレーザ光Ｌを照射しながら溶接方向に相対的にビームスポットを移動させるスピン軌道でレーザ光Ｌを照射して、溶接対象物３０を溶接する。

なお、スピン軌道とは、照射するレーザ光Ｌによるスポットを円形状の軌道で移動させながら溶接方向に移動させるレーザ光Ｌの軌道であり、言い換えると、溶接方向において、レーザ光Ｌの軌跡が回転しながら相対的に直線移動されている軌道である。

このように、図６Ｂに示すように、上側金属板３１に対して、レーザ光Ｌをスピン軌道で広範囲に照射して溶融量を増やすことで、溶接対象物３０の溶け落ちが発生するのを抑え、接合強度を十分に確保することができる。

なお、溶接条件の変更としては、例えば、レーザ光Ｌの出力を高める、溶接速度を遅くする等も考えられる。

次に、上側金属板３１及び下側金属板３２の間にギャップが生じているか否かを判定する手順について説明する。まず、図７Ａに示すように、溶接ビード３８に対して測定光Ｓを照射することで、溶接ビード３８の窪み深さを測定する。そして、測定された測定値を、ギャップｇが生じていない状態で予め測定していた窪み深さと比較する。

図７Ａに示す例では、測定値が略一致することとなるため、溶接ビード３８の窪み深さの測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じていないと判定することができる。

一方、図７Ｂに示す例では、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じており、溶接ビード３８の窪み深さの測定値が、ギャップｇが生じていない場合に測定した測定値よりも大きくなる。

ここで、図８のグラフ図に示すように、溶接ビード３８の窪み深さが大きいほど、ギャップ量が大きくなるという関係にあり、予め実験等により求めたこれらの値は、判定部１７にテーブルとして記憶されている。そのため、ギャップｇが生じている状態で測定された測定値とテーブルとに基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じていると判定することができ、さらに、そのギャップ量を算出することができる。

ところで、ギャップｇが生じている場合に、キーホール３７位置で深さを測定すると、測定値がギャップ量の分だけ大きくなることとなり、レーザ溶接の加工精度が低下するおそれがある。

具体的に、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、キーホール３７の深さの目標値を４ｍｍとしたい場合について検討する。

ここで、キーホール３７の深さが４ｍｍとなるようにレーザ出力を調整した場合に、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じていなければ、測定光Ｓによって測定したキーホール３７の深さが４ｍｍとなり、レーザ溶接の加工精度を確保することができる。

一方、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じており、そのギャップ量が、例えば、０．３ｍｍであった場合には、レーザ出力が同じであっても、測定光Ｓによって測定したキーホール３７の深さの測定値が４．３ｍｍとなる。そのため、制御装置１５は、レーザ出力が強すぎると判断して、レーザ出力を弱める方向に溶接条件を変更することとなる。

このように、ギャップｇに起因してキーホール３７位置の測定値が大きくなっているにもかかわらず、レーザ出力を弱めてしまうと、溶け込み深さが浅くなってしまい、接合強度が低下するおそれがある。

そこで、本実施形態では、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じていた場合には、そのギャップ量に応じて、キーホール３７位置の深さの測定値を、補正部１６で補正するようにしている。

具体的には、ギャップ量が０．３ｍｍであり、キーホール３７位置で測定された測定値が４．３ｍｍである場合に、補正部１６は、４．３ｍｍから０．３ｍｍを減算して、キーホール３７位置の測定値を４ｍｍに補正する。

そして、制御装置１５では、補正後のキーホール３７位置の測定値と、目標値とを比較する。このとき、補正後のキーホール３７位置の測定値が４ｍｍであり、目標値も４ｍｍであるので、制御装置１５は、レーザ出力をそのまま維持して、レーザ溶接を継続するように制御する。

ここで、例えば、厚み３０ｍｍのＢＫ７を第３の平行平板２８として用い、測定光Ｓの波長を１３００ｎｍ、第３の平行平板２８に対する測定光Ｓの入射角を４５°とすると、第３の平行平板２８から出力される測定光Ｓの旋回の直径はφ９．９ｍｍとなる。また、例えば、第３の平行平板２８を５０Ｈｚで回転させ、第３の平行平板２８から出力される測定光Ｓの旋回の直径が溶接対象物３０に照射されるレーザ光Ｌのスピン軌道に相当するとした場合、３ｍ／ｍｉｎの溶接速度では、第３の平行平板２８の１回転当たり、言い替えるとスピン１回転当たり溶接方向に１ｍｍ進むので、溶接方向のスピン軌道間の間隔が１ｍｍ単位で測定出来ることになり、測定光Ｓによる微細な測定及び測定値の補正が可能となる。第３の平行平板２８の回転数に応じて測定分解能が変更となり、より微細な測定が可能となる。なお、ＢＫ７は、光学ガラス材料としての屈折率ガラスである。

以下、測定光Ｓの照射位置を、キーホール３７位置と溶接ビード３８位置とに切り替えるときの動作について、図９のフローチャート図を用いて説明する。

図９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、測定部１４が、キーホール３７の底部で反射した測定光Ｓに基づいて、キーホール３７位置の深さを測定し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード３８位置に向かうように旋回移動させ、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、測定部１４が、溶接ビード３８の底部で反射した測定光Ｓに基づいて、溶接ビード３８位置の窪み深さを測定し、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０５では、判定部１７が、溶接ビード３８の窪み深さの測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じているかを判定する。ステップＳ１０５での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１０６に分岐する。ステップＳ１０５での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０１に分岐する。

ステップＳ１０６では、溶接ビード３８の窪み深さの測定値に基づいて、ギャップ量を算出し、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、判定部１７が、ギャップ量が所定の基準値よりも大きいかを判定する。ステップＳ１０７での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１０８に分岐する。ステップＳ１０７での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１１０に分岐する。

ここで、所定の基準値は、溶け落ちが発生するギャップ量であり、予め実験等により求められ、判定部１７にテーブルとして記憶されている。

ステップＳ１０８では、判定部１７が、ギャップ量が所定の上限値よりも小さいかを判定する。ステップＳ１０８での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１０９に分岐する。ステップＳ１０８での判定が「ＮＯ」の場合には、ギャップ量が異常であると判定して、ステップＳ１１１に分岐する。

ここで、所定の上限値は、上側金属板３１の溶融量を増やしても溶け落ちの発生を抑えることができないギャップ量であり、予め実験等により求められ、判定部１７にテーブルとして記憶されている。例えば、上側金属板３１の板厚が１ｍｍであれば、上限値は０．５ｍｍ程度である。

ステップＳ１０９では、上側金属板３１の溶融量を増やすように溶接条件を変更、例えば、レーザ光Ｌをスピン軌道で広範囲に照射させ、ステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ギャップ量に応じて、キーホール３７位置の深さの測定値を補正して、処理を終了する。

ステップＳ１１１では、図示しない表示モニタに測定値の異常を警告するメッセージを表示する等、ユーザーに異常を報知して、処理を終了する。

《実施形態２》
図１０は、本実施形態２に係るレーザ溶接装置において、測定光をキーホール位置に照射するときのレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。以下、前記実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図１０に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となるように調整するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７と、第３の平行平板２８（照射位置切替部）とを有する。

具体的に、第３の平行平板２８を回転させ、図１０に示す角度となるように第３の平行平板２８を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌと結合する位置に照射される。

一方、第３の平行平板２８を回転させ、図１１に示す角度となるように第３の平行平板２８を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌよりも溶接方向の前方位置に照射される。

具体的に、図１１に示す例では、レーザ照射ヘッド２０を右方向に移動させながら溶接を行っているので、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌよりも溶接方向の前方（右方向）の位置で屈折して、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となる。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

このように、本実施形態では、ビームスプリッタ２５よりも測定光Ｓの入射側に第３の平行平板２８を設け、第３の平行平板２８を回転させることにより、測定光Ｓ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（図１２参照）。

これにより、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸と同軸となるキーホール位置と、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の前方とに切り替えることができる。

ここで、図１２に示すように、上側金属板３１と下側金属板３２とは、レーザ光Ｌの照射方向から見て、下側金属板３２の上面の一部が露出するように、互いに面内方向にずれて配置されている。そして、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と下側金属板３２との境界位置に沿ってレーザ光Ｌが照射される。

ここで、本実施形態では、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の前方に、測定光Ｓを旋回移動させながら照射して、測定された測定値に基づいて境界位置を特定するようにしている。そして、特定された境界位置に対するレーザ照射ヘッド２０の位置ずれを補正しながらレーザ溶接を行うようにしている。これにより、レーザ溶接の加工精度や測定精度を高めることができる。

また、本実施形態では、測定光Ｓの照射位置を旋回移動させ、測定光Ｓが境界位置を横切る前後で測定された複数の測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップが生じているかを判定するようにしている。

具体的に、図１３に示すように、キーホール３７位置（Ａ点）に照射されていた測定光Ｓを、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の前方に向かって、反時計回り方向に旋回移動させる。

これにより、測定光Ｓを、下側金属板３２の表面（Ｂ点）、上側金属板３１と下側金属板３２との境界位置（Ｃ点）、上側金属板３１の表面（Ｄ点）を通過するように順に照射させ、Ａ点からＤ点における所定の基準面からの深さを測定することができる。なお、所定の基準面は、レーザ光Ｌの照射方向から見て、上側金属板３１の表面とする。

ここで、図１４Ａに示す例では、レーザ光Ｌの照射方向から見て、Ｄ点で測定した測定値に対して上側金属板３１の板厚ｔを深さ方向に加算した値が、Ｂ点で測定した測定値と一致することとなる。そのため、測定光Ｓが境界位置を横切る前後で測定された複数の測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じていないと判定することができる。

一方、図１４Ｂに示す例では、レーザ光Ｌの照射方向から見て、Ｂ点で測定した測定値は、Ｄ点で測定した測定値に対して板厚ｔを深さ方向に加算した値よりも、ギャップｇの分だけ大きく（深く）なるので、その差分値からギャップ量としてのギャップｇを算出することができる。

以下、測定光Ｓの照射位置を、キーホール３７位置と境界位置とに切り替えるときの動作について、図１５のフローチャート図を用いて説明する。

図１５に示すように、ステップＳ２０１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Ｓ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、測定部１４が、キーホール３７の底部で反射した測定光Ｓに基づいて、キーホール３７位置の深さを測定し、ステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の前方で且つ上側金属板３１下側金属板３２との境界位置を横切るように旋回移動させ、ステップＳ２０４に進む。

ステップＳ２０４では、測定部１４が、境界位置を横切る前後で反射した測定光Ｓに基づいて、境界位置を特定し、ステップＳ２０５に進む。

ステップＳ２０５では、特定された境界位置に沿ってレーザ光Ｌを照射するように、倣い制御を行い、ステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０６では、判定部１７が、境界位置を横切る前後で測定された測定値に基づいて、上側金属板３１と下側金属板３２との間にギャップｇが生じているかを判定する。ステップＳ２０６での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２０７に分岐する。ステップＳ２０６での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２０１に分岐する。

ステップＳ２０７では、境界位置を横切る前後で測定された測定値に基づいて、ギャップ量を算出し、ステップＳ２０８に進む。

ステップＳ２０８では、判定部１７が、ギャップ量が所定の基準値よりも大きいかを判定する。ステップＳ２０８での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２０９に分岐する。ステップＳ２０８での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ２１１に分岐する。

ステップＳ２０９では、判定部１７が、ギャップ量が所定の上限値よりも小さいかを判定する。ステップＳ２０９での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ２１０に分岐する。ステップＳ２０９での判定が「ＮＯ」の場合には、ギャップ量が異常であると判定して、ステップＳ２１２に分岐する。

ステップＳ２１０では、上側金属板３１の溶融量を増やすように溶接条件を変更、例えば、レーザ光Ｌをスピン軌道で広範囲に照射させ、ステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２１１では、ギャップ量に応じて、キーホール３７位置の深さの測定値を補正して、処理を終了する。

ステップＳ２１２では、図示しない表示モニタに測定値の異常を警告するメッセージを表示する等、ユーザーに異常を報知して、処理を終了する。

《実施形態３》
図１６は、本実施形態３に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１６に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となるように調整するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７と、照射位置切替部としての第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９とを有する。

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３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を通ることで、ビームスプリッタ２５への入射位置が切り替えられる。

具体的に、第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を回転させ、図１７Ａに示す角度となるように第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌと結合する位置に照射される。

また、第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を回転させ、図１７Ｂに示す角度となるように第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌよりも溶接方向の後方位置に照射される。

具体的に、図１７Ｂに示す例では、レーザ照射ヘッド２０を右方向に移動させながら溶接を行っているので、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌよりも溶接方向の後方（左方向）の位置で屈折して、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となる。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

また、第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を回転させ、図１７Ｃに示す角度となるように第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を調整した場合には、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５を透過したレーザ光Ｌよりも溶接方向の前方位置に照射される。

具体的に、図１７Ｃに示す例では、レーザ照射ヘッド２０を右方向に移動させながら溶接を行っているので、測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌよりも溶接方向の前方（右方向）の位置で屈折して、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となる。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

このように、本実施形態では、ビームスプリッタ２５よりも測定光Ｓの入射側に第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を設け、第３の平行平板２８及び第４の平行平板２９を回転させることにより、測定光Ｓ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。

これにより、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌの光軸と同軸となるキーホール位置と、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の後方と、レーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の前方とに切り替えることができる。

《実施形態４》
図１８は、本実施形態４に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。図１８に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが平行となるように調整するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７と、第３の平行平板２８と、照射位置切替ユニット４０とを有する。

照射位置切替ユニット４０は、光ファイバ１９の光軸位置を調整するものであり、レーザ照射ヘッド２０の入射端部に配設されている。光干渉計１２から出力された測定光Ｓは、光ファイバ１９を通って照射位置切替ユニット４０を通過した後で、レーザ照射ヘッド２０に送られる。測定光Ｓは、照射位置切替ユニット４０を通過することで、レーザ照射ヘッド２０内部の第３の平行平板２８への入射位置が切り替えられる。

具体的に、図１９に示すように、照射位置切替ユニット４０は、外枠４１と、外枠４１の内部に配設されて光ファイバ１９を保持する保持体４２と、外枠４１内部での保持体４２の位置を調整するための第１の付勢バネ４３、第１の調整ネジ４４、第２の付勢バネ４５、及び第２の調整ネジ４６とを有する。

第１の付勢バネ４３は、図１９で保持体４２の下面と外枠４１の内面との間に配設され、保持体４２を上方に向かって付勢している。第１の調整ネジ４４は、保持体４２を挟んで第１の付勢バネ４３に対向して配設され、外枠４１に螺合されている。

そして、第１の調整ネジ４４の先端部が保持体４２の上面に摺動可能に押し付けられた状態で、第１の調整ネジ４４の締め付け量を調整することで、保持体４２を上下方向に移動させることができる。

第２の付勢バネ４５は、図１９で保持体４２の左側面と外枠４１の内面との間に配設され、保持体４２を右方に向かって付勢している。第２の調整ネジ４６は、保持体４２を挟んで第２の付勢バネ４５に対向して配設され、外枠４１に螺合されている。

そして、第２の調整ネジ４６の先端部が保持体４２の右側面に摺動可能に押し付けられた状態で、第２の調整ネジ４６の締め付け量を調整することで、保持体４２を左右方向に移動させることができる。

《実施形態５》
図２０は、本実施形態５に係るレーザ照射ヘッドの照射位置切替ユニットの構成を示す図である。以下、前記実施形態４と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

図２０に示すように、第１の調整ネジ４４の頭部には、第１のモータ４７の回転軸が接続されている。第１のモータ４７を回転させ、第１の調整ネジ４４の締め付け量を調整することで、保持体４２を上下方向に移動させることができる。

また、第２の調整ネジ４６の頭部には、第２のモータ４８の回転軸が接続されている。第２のモータ４８を回転させ、第２の調整ネジ４６の締め付け量を調整することで、保持体４２を左右方向に移動させることができる。

《実施形態６》
図２１は、本実施形態６に係るレーザ照射ヘッドの照射位置切替ユニットの構成を示す図である。図２１に示すように、照射位置切替ユニット４０は、外枠４１と、外枠４１の内部に配設されて光ファイバ１９を保持する保持体４２と、外枠４１内部での保持体４２の位置を調整するための第１の付勢バネ４３、第１の軸部５１、第１のカム５２、第２の付勢バネ４５、第２の軸部５３、及び第２のカム５４とを有する。

第１の付勢バネ４３は、図２１で保持体４２の下面と外枠４１の内面との間に配設され、保持体４２を上方に向かって付勢している。第１の軸部５１は、保持体４２を挟んで第１の付勢バネ４３に対向して配設され、外枠４１に対して上下方向に摺動可能に嵌め込まれている。第１の軸部５１の頭部は、外枠４１から突出している。第１の軸部５１の頭部には、第１のカム５２のカム面が当接している。

そして、第１の軸部５１の先端部が保持体４２の上面に摺動可能に押し付けられた状態で、第１のカム５２を回転させて第１の軸部５１をカム面に沿って上下に動かすことで、保持体４２を上下方向に移動させることができる。

第２の付勢バネ４５は、図２１で保持体４２の左側面と外枠４１の内面との間に配設され、保持体４２を右方に向かって付勢している。第２の軸部５３は、保持体４２を挟んで第２の付勢バネ４５に対向して配設され、外枠４１に対して左右方向に摺動可能に嵌め込まれている。第２の軸部５３の頭部は、外枠４１から突出している。第２の軸部５３の頭部には、第２のカム５４のカム面が当接している。

そして、第２の軸部５３の先端部が保持体４２の右側面に摺動可能に押し付けられた状態で、第２のカム５４を回転させて第２の軸部５３をカム面に沿って左右方向に動かすことで、保持体４２を左右方向に移動させることができる。

《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、第３の平行平板２８等の光学部品を用いたレーザ照射ヘッド２０によって、測定光Ｓの照射位置を移動させているが、螺旋状の軌跡を通るようにレーザ照射位置を変更できれば、測定光Ｓを走査させるためのガルバノスキャナなどの光学装置を用いてもよい。

以上説明したように、本発明は、キーホール位置の深さを測定するとともに、互いに重ね合された溶接部材の状態を把握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
１５制御装置（溶接条件変更部）
１６補正部
１７判定部
２０レーザ照射ヘッド（照射部）
２８第３の平行平板（照射位置切替部）
２９第４の平行平板（照射位置切替部）
３１上側金属板（溶接部材）
３２下側金属板（溶接部材）
３７キーホール
３８溶接ビード
４０照射位置切替ユニット（照射位置切替部）
Ｌレーザ光
Ｓ測定光

Claims

互いに重ね合わされた２つの溶接部材にレーザ光を照射して溶接するレーザ溶接装置であって、
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前記溶接部材に照射する照射部と、
前記照射部から照射されて前記溶接部材で反射した前記測定光に基づいて、所定の基準面からの深さを測定する測定部と、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、該レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方の溶接ビード位置とに切り替える照射位置切替部とを備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項１において、
前記溶接ビード位置で測定された窪み深さの測定値に基づいて、２つの前記溶接部材の間に生じたギャップ量を判定する判定部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項２において、
前記ギャップ量に基づいて、前記キーホール位置で測定された測定値を補正する補正部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項２又は３において、
前記ギャップ量が所定の基準値よりも大きい場合に、前記溶接部材の溶融量を増やすように溶接条件を変更する溶接条件変更部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項２乃至４のうち何れか１つにおいて、
前記判定部は、前記ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、該ギャップ量が異常であると判定することを特徴とするレーザ溶接装置。
互いに重ね合わされた２つの溶接部材にレーザ光を照射して溶接するレーザ溶接装置であって、
２つの前記溶接部材は、前記レーザ光の照射方向から見て奥側の該溶接部材の一部が露出するように、互いに面内方向にずれて配置され、
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前記溶接部材に照射する照射部と、
前記照射部から照射されて前記溶接部材で反射した前記測定光に基づいて、所定の基準面からの深さを測定する測定部と、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸と同軸となるキーホール位置と、該レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の前方で且つ２つの前記溶接部材の境界位置とに切り替える照射位置切替部とを備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項６において、
前記照射位置切替部は、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに旋回移動するように切り替え、
前記測定光が前記境界位置を横切る前後で測定された複数の測定値に基づいて、２つの前記溶接部材の間に生じたギャップ量を判定する判定部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項７において、
前記ギャップ量に基づいて、前記キーホール位置で測定された測定値を補正する補正部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
請求項７又は８において、
前記判定部は、前記ギャップ量が所定の上限値よりも大きい場合に、該ギャップ量が異常であると判定することを特徴とするレーザ溶接装置。