KR20160058036A - 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 - Google Patents

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 관한 레이저 용접 장치는, 용접부에 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치이며, 용접부에 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급 수단과, 실드 가스의 유량을 제어하는 가스 공급량 제어 수단과, 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하는 광 강도 측정 수단과, 광 강도 측정 수단으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출하는 변화율 산출 수단을 구비한다. 그리고, 가스 공급량 제어 수단은, 산출된 광 강도의 변화율에 따라 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어한다.

Description

레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법{LASER WELDING APPARATUS AND LASER WELDING METHOD}
본 발명은 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것으로, 특히 용접부에 실드 가스를 공급하면서 용접하는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에 관한 것이다.
레이저 용접은, 레이저광을 가열원으로 하여 용접을 행하는 용접 방법이다. 2매의 금속판을 적층하여 용접하는 경우에는, 2매의 금속판을 겹친 후, 레이저광을 조사하여 주사한다. 이에 의해, 레이저광이 조사되고 있는 부분이 가열되어 2매의 금속판이 용융되고, 2매의 금속판의 용융액이 혼합된 후에 응고함으로써, 2매의 금속판이 적층된 상태에서 접합된다. 이때, 용접부에 공급되는 실드 가스에 따라, 비드의 단면 형상이 변화한다.
일본 특허 출원 공개 제2004-130360호 공보에는, 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 실드 가스로서 사용하고 있는 레이저 용접 장치에 관한 기술이 개시되어 있다.
배경 기술에서 설명한 바와 같이, 용접부에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치에서는, 용접부에 공급되는 실드 가스에 따라, 비드의 단면 형상이 변화한다. 예를 들어, 실드 가스로서 불활성 가스를 사용하면 비드의 단면이 와인 컵 형상(도 2 참조)으로 된다. 또한, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스를 혼합한 가스를 사용하면, 비드의 단면이 텀블러 형상(도 3 참조)으로 된다.
이와 같이, 용접부에 실드 가스를 공급하면서 용접하는 경우에는, 실드 가스의 종류나 공급량을 제어함으로써 비드의 단면 형상을 조정할 수 있다. 그러나, 용접할 때에 실드 가스의 공급량에 편차가 있으면, 용접부에 있어서의 비드의 단면 형상에 편차가 발생하고, 용접 불량이 발생한다고 하는 문제가 있다.
상기 과제에 비추어 본 발명의 목적은, 비드의 단면 형상에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 관한 레이저 용접 장치는, 용접부에 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치이며, 상기 용접부에 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급 수단과, 상기 실드 가스 공급 수단으로부터 공급되는 상기 실드 가스의 유량을 제어하는 가스 공급량 제어 수단과, 상기 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하는 광 강도 측정 수단과, 상기 광 강도 측정 수단으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출하는 변화율 산출 수단을 구비한다. 그리고, 상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 산출된 광 강도의 변화율에 따라 상기 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어한다.
본 발명에 관한 레이저 용접 방법은, 용접부에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 방법이며, 상기 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하고, 상기 측정한 광 강도의 변화율을 산출하고, 상기 산출된 광 강도의 변화율에 따라 상기 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어한다.
본 발명에 관한 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법에서는, 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하고, 측정한 광 강도의 변화율을 산출하고, 광 강도의 변화율에 따라 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어하고 있다. 따라서, 실드 가스의 공급 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 실드 가스의 공급량이 적절한 양으로 되도록 피드백 제어할 수 있다. 따라서, 실드 가스의 공급량이 변동되는 것을 억제할 수 있고, 용접부에 있어서의 비드의 단면 형상에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있다.
본 발명에 의해, 비드의 단면 형상에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 특징, 목적, 장점은, 본 발명을 제한하기 위한 것이 아닌 예로서의 부수되는 도면에의 참조와 함께 이하의 상세한 설명을 읽음으로써 명백하게 될 것이다.
도 1은 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치를 도시하는 도면.
도 2는 용접부의 비드 형상을 도시하는 단면도(와인 컵 형상).
도 3은 용접부의 비드 형상을 도시하는 단면도(텀블러 형상).
도 4는 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 나타내는 도면.
도 5는 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 나타내는 도면.
도 6은 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치의 제어 플로우를 나타내는 흐름도(비드 형상이 와인 컵 형상인 경우).
도 7은 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도(상부 도면) 및 광 강도의 시간 미분(하부 도면)을 나타내는 도면.
도 8은 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치의 제어 플로우를 나타내는 흐름도(비드 형상이 텀블러 형상인 경우).
도 9는 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도(상부 도면) 및 광 강도의 시간 미분(하부 도면)을 나타내는 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명한다.
도 1은 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(1)를 도시하는 도면이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 레이저 용접 장치(1)는, 레이저 광원(10), 본체부(11), 광 강도 측정 수단(12), 변화율 산출 수단(13), 가스 공급량 제어 수단(14), 실드 가스 공급 수단(15) 및 노즐(16, 17)을 구비한다.
레이저 광원(10)은, 레이저광을 생성하는 장치이다. 레이저광에는, 예를 들어 탄산 가스 레이저나 YAG(Yttrium Aluminum Garnet) 레이저를 사용할 수 있다. 레이저 광원(10)에서 생성된 레이저광은, 본체부(11)를 통과하여 피용접재(18)의 표면으로 유도된다.
피용접재(18)의 표면에 레이저광(21)이 조사되면 피용접재(18)가 용접된다. 예를 들어, 도 2, 도 3에 도시하는 바와 같이, 피용접재(18)는 2매의 금속판(31, 32)이 적층된 부재이다. 이 적층된 2매의 금속판(31, 32)의 용접부(35)에 레이저광을 조사하면, 상부의 금속판(31)이 관통하고, 또한 하부의 금속판(32)의 상면이 용융되고, 2매의 금속판(31, 32)의 용융액이 혼합된 용융지[이후에 형성되는 비드(41, 42)의 형상에 대응하고 있음]가 생성된다. 그 후, 이 용융지가 냉각되어 응고함으로써, 2매의 금속판(31, 32)이 접합된다. 이때 용접부(35)에는 비드(41, 42)가 형성된다. 또한, 용접하고 있을 때, 용접부(35)(용융지)로부터 플라즈마광(22)이 방사된다.
2매의 금속판(31, 32)을 용접할 때에는, 피용접재(18)의 표면에 있어서 레이저광(21)을 주사시킨다. 예를 들어, 본체부(11)[레이저광(21)]를 고정하고, 피용접재(18)를 적재하고 있는 스테이지(도시하지 않음)를 이동시키도록 구성함으로써, 피용접재(18)의 표면에 있어서 레이저광(21)을 주사시킬 수 있다. 또한, 피용접재(18)를 적재하고 있는 스테이지(도시하지 않음)를 고정하고, 본체부(11)[레이저광(21)]를 이동시키도록 구성함으로써, 피용접재(18)의 표면에 있어서 레이저광(21)을 주사시킬 수 있다. 또한, 본체부(11)[레이저광(21)] 및 피용접재(18)의 양쪽을 이동 가능하게 구성해도 된다.
도 1에 도시하는 광 강도 측정 수단(12)은, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도를 측정한다. 광 강도 측정 수단(12)에는, 예를 들어 포토 다이오드를 사용할 수 있다. 또한, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서를 사용하여, 플라즈마광(22)의 광 강도를 관측해도 된다. 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도는, 변화율 산출 수단(13)에 공급된다.
변화율 산출 수단(13)은, 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출한다. 예를 들어, 변화율 산출 수단(13)은, 광 강도의 시간 함수(도 7의 상부 도면 참조)에 대해 시간 미분을 행함으로써, 광 강도의 변화율을 산출할 수 있다(도 7의 하부 도면 참조).
가스 공급량 제어 수단(14)은, 실드 가스 공급 수단(15)을 제어한다. 실드 가스 공급 수단(15)은, 피용접재(18)의 용접부(35)에 실드 가스를 공급한다. 예를 들어, 실드 가스에는 질소 가스, 아르곤 가스, 헬륨 가스 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다. 실드 가스에 불활성 가스를 사용함으로써, 용접부(비드)의 산화를 억제할 수 있다. 또한, 불활성 가스에 산소 가스를 혼합한 가스를 실드 가스로서 사용해도 된다.
실드 가스 공급 수단(15)은, 배관(26)을 통해 노즐(16)에 불활성 가스를 공급한다. 또한, 실드 가스 공급 수단(15)은, 배관(27)을 통해 노즐(17)에 산소 가스를 공급한다. 실드 가스 공급 수단(15)은, 노즐(16)에 공급하는 불활성 가스의 유량과 노즐(17)에 공급하는 산소 가스의 유량을 조정함으로써, 실드 가스에 포함되는 불활성 가스와 산소 가스의 비율을 조정할 수 있다.
예를 들어, 도 2에 도시하는 바와 같이 비드(41)의 단면 형상을 와인 컵 형상으로 하는 경우에는, 실드 가스로서 불활성 가스만(또는, 산소 가스를 소량 포함하고 있어도 됨)을 사용한다. 이 경우에는, 비드(41)의 산화를 방지할 수 있다. 또한, 용융지[비드(41)에 대응]의 표면에 있어서의 폭을 넓게 할 수 있으므로, 용접 와이어를 사용할 때에 용접 와이어의 공급 위치의 적정 범위를 확장할 수 있다.
또한, 예를 들어 도 3에 도시하는 바와 같이 비드(42)의 단면 형상을 텀블러 형상으로 하는 경우에는, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용한다(예를 들어, 불활성 가스에 대해 산소 가스를 체적비로 20％ 혼합함). 이 경우에는, 금속판(31)과 금속판(32)의 접합 폭을 크게 할 수 있고, 접합 강도를 강하게 할 수 있다. 또한, 금속판(31)과 금속판(32)의 수축량의 차를 작게 할 수 있고, 용접 변형을 저감시킬 수 있다.
도 4는 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 나타내는 도면이며, 광 강도의 시간 함수를 나타내고 있다. 도 4에 나타내는 바와 같이, 실드 가스로서 불활성 가스만을 사용한 경우(비드의 단면 형상이 와인 컵 형상인 경우)에는, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용한 경우(비드의 단면 형상이 텀블러 형상인 경우)보다도 광 강도가 작아진다. 도 4에 나타내는 경우에는, 실드 가스로서 불활성 가스만을 사용한 경우, 및 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용한 경우의 양쪽에 있어서 광 강도가 안정되어 있으므로, 각각의 비드의 단면 형상이 안정되어 있다.
한편, 도 5에 나타내는 바와 같이, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용하여 용접하고 있을 때에 산소 가스가 부족하면, 용접부(35)로부터 방사되는 플라즈마광의 광 강도가 저하된다. 이때, 용접부(35)의 비드의 단면 형상은 텀블러 형상으로부터 와인 컵 형상으로 변화한다. 이와 같이, 실드 가스의 공급량에 편차가 있으면, 용접부(35)에 있어서의 비드의 단면 형상에 편차가 발생하므로, 용접 불량의 원인으로 된다.
본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(1)에서는, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 광 강도 측정 수단(12)을 사용하여 측정하고, 측정한 광 강도의 변화율을 변화율 산출 수단(13)을 사용하여 산출하고, 광 강도의 변화율에 따라 용접부(35)에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어함으로써 이 문제를 해결하고 있다. 이하, 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(1)의 제어 방법에 대해 상세하게 설명한다.
우선, 비드의 단면 형상을 와인 컵 형상으로 하는 경우(도 2 참조)에 대해, 도 6에 나타내는 흐름도 및 도 7을 사용하여 설명한다. 비드의 단면 형상을 와인 컵 형상으로 하는 경우에는, 실드 가스로서 불활성 가스만(또는, 산소 가스를 소량 포함하고 있어도 됨)을 사용한다. 용접부(35)에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 주사하여 용접하고 있는 동안에, 레이저 용접 장치(1)는 도 6에 나타내는 처리를 실시한다.
우선, 광 강도 측정 수단(12)은, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도를 측정한다(스텝 S1). 다음으로, 변화율 산출 수단(13)은, 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출한다(스텝 S2). 예를 들어, 변화율 산출 수단(13)은, 도 7의 상부 도면에 나타내는 광 강도(V)의 시간 함수에 대해 시간 미분을 행함으로써, 광 강도의 변화율을 산출한다.
다음으로, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 미리 정해진 역치 a(제1 역치:a＞0) 이상인지 판단한다(스텝 S3). 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 a보다도 작은 경우(스텝 S3:"아니오"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 용접부(35)에 공급되고 있는 실드 가스의 공급량을 바꾸는 일 없이 스텝 S1∼S3의 동작을 반복한다. 이 상태는 실드 가스가 용접부(35)에 안정적으로 공급되고 있는 상태를 나타내고 있고(도 7의 구간 t1에 대응), 비드의 단면 형상도 안정되어 있다.
한편, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 a 이상인 경우(스텝 S3:"예"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 실드 가스 공급 수단(15)을 제어하여, 노즐(16)로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 증가시킨다(스텝 S4). 즉, 도 7의 타이밍 t2에 나타내는 바와 같이, 광 강도의 변화율이 역치 a 이상으로 된 경우에는, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도가 대폭으로 증가한 것을 나타내고 있다. 이 원인은, 산소 가스의 혼입(공급 과다)이나 불활성 가스가 부족한 것이 상정된다. 이로 인해, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 실드 가스 공급 수단(15)을 제어하여, 노즐(16)로부터 공급되는 불활성 가스의 유량을 증가시킨다. 이와 같이 불활성 가스의 유량을 증가시킴으로써, 비드의 단면 형상이 와인 컵 형상으로 되도록 할 수 있고, 용융지의 표면에 있어서의 폭이 좁아지는 것이나, 금속판끼리의 접합 폭이 지나치게 커지는 것을 억제할 수 있다.
그 후, 광 강도 측정 수단(12)은, 다시, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도를 측정한다(스텝 S5). 다음으로, 변화율 산출 수단(13)은, 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출한다(스텝 S6).
그리고, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 미리 정해진 역치 b(제2 역치:b＜0) 이하인지 판단한다(스텝 S7). 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 b보다도 큰 경우(스텝 S7:"아니오"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 용접부(35)에 공급되고 있는 불활성 가스의 유량을 증가시켜(스텝 S4), 스텝 S5∼S7의 동작을 반복한다. 이 상태는 불활성 가스의 유량을 늘렸지만, 불활성 가스의 유량이 아직 부족한 상태를 나타내고 있다.
한편, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 b 이하인 경우(스텝 S7:"예"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 현재 노즐(16)로부터 공급되고 있는 불활성 가스의 유량을 유지한다(스텝 S8). 즉, 도 7의 타이밍 t3에 나타내는 바와 같이, 광 강도의 변화율이 역치 b 이하로 된 경우에는, 불활성 가스의 유량이 증가하여 플라즈마광(22)의 광 강도가 저하되고, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도가 정상 상태로 복귀된 것을 나타내고 있다. 따라서, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 이 타이밍에서의 불활성 가스의 유량을 유지한다. 이에 의해, 실드 가스의 공급 상태를 적절한 상태로 유지할 수 있다.
그 후, 스텝 S1∼S8의 동작을 반복함으로써, 실드 가스의 공급 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 실드 가스의 공급량이 적절한 양으로 되도록 피드백 제어할 수 있다.
또한, 스텝 S4∼S7의 동작을 반복해도 광 강도의 변화율이 역치 b 이하로 되지 않는 경우에는, 레이저 용접 장치의 설비 이상이라고 생각된다. 이 경우에는, 레이저 용접을 중지한다.
또한, 역치 a, b는, 예를 들어 다음의 방법을 이용하여 미리 구할 수 있다. 우선, 우량품에 있어서의 플라즈마광의 광 강도의 파형을 푸리에 변환하고, 노이즈로 되는 고주파 성분을 특정한다. 그 후, 로우 패스 필터에서 노이즈 성분을 제거한다. 그리고, 로우 패스 필터를 통과시킨 후의 플라즈마광의 광 강도의 파형을 시간 미분한 함수(dV/dt)를 구하고, 당해 함수(dV/dt)의 용접 시간의 평균값 μ와 표준 편차 σ를 구한다. 예를 들어, 표준 편차 σ의 3배의 값을 사용하여 역치를 설정하는 경우에는, 역치 a는 μ＋3σ, 역치 b는 μ－3σ로 된다. 또한, 평균값 μ는 광 강도의 파형을 시간 미분한 값의 평균값이므로, 0에 가까운 값으로 된다. 또한, 플라즈마광의 광 강도의 변화에 대한 감도를 높게 하기 위해, 표준 편차 σ의 2배의 값을 사용하여 역치 a, b를 설정해도 된다. 반대로, 플라즈마광의 광 강도의 변화에 대한 감도를 낮게 하기 위해, 표준 편차 σ의 4배의 값을 사용하여 역치 a, b를 설정해도 된다.
또한, 상기에서 설명한 역치 a, b의 설정 방법은 일례이며, 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치에서는, 다른 방법을 이용하여 역치 a, b를 설정하도록 해도 된다.
다음으로, 비드의 단면 형상을 텀블러 형상으로 하는 경우(도 3 참조)에 대해, 도 8에 나타내는 흐름도 및 도 9를 사용하여 설명한다. 비드의 단면 형상을 텀블러 형상으로 하는 경우에는, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스의 혼합 가스를 사용한다. 용접부(35)에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 주사하여 용접하고 있는 동안에, 레이저 용접 장치(1)는 도 8에 나타내는 처리를 실시한다.
우선, 광 강도 측정 수단(12)은, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도를 측정한다(스텝 S11). 다음으로, 변화율 산출 수단(13)은, 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출한다(스텝 S12). 예를 들어, 변화율 산출 수단(13)은, 도 9의 상부 도면에 나타내는 광 강도(V)의 시간 함수에 대해 시간 미분을 행함으로써, 광 강도의 변화율을 산출한다.
다음으로, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 미리 정해진 역치 c(제3 역치:c＜0) 이하인지 판단한다(스텝 S13). 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 c보다도 큰 경우(스텝 S13:"아니오"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 용접부(35)에 공급되고 있는 실드 가스의 공급량을 바꾸는 일 없이 스텝 S11∼S13의 동작을 반복한다. 이 상태는 실드 가스가 용접부(35)에 안정적으로 공급되고 있는 상태를 나타내고 있고(도 9의 구간 t11에 대응), 비드의 단면 형상도 안정되어 있다.
한편, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 c 이하인 경우(스텝 S13:"예"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 실드 가스 공급 수단(15)을 제어하여, 노즐(16)로부터 공급되는 산소 가스의 유량을 증가시킨다(스텝 S14). 즉, 도 9의 타이밍 t12에 나타내는 바와 같이, 광 강도의 변화율이 역치 c 이하로 된 경우에는, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도가 대폭으로 저하된 것을 나타내고 있다. 이 원인은, 산소 가스가 부족한 것(즉, 불활성 가스에 대한 산소 가스의 체적 비율이 저하되어 있음)이 상정된다. 이로 인해, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 실드 가스 공급 수단(15)을 제어하여, 노즐(17)로부터 공급되는 산소 가스의 유량을 증가시킨다. 이와 같이 산소 가스의 유량을 증가시킴으로써, 비드의 단면 형상이 텀블러 형상으로 되도록 할 수 있고, 금속판끼리의 접합 폭이 지나치게 작아지는 것을 억제할 수 있다.
그 후, 광 강도 측정 수단(12)은, 다시, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도를 측정한다(스텝 S15). 다음으로, 변화율 산출 수단(13)은, 광 강도 측정 수단(12)으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출한다(스텝 S16).
그리고, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 미리 정해진 역치 d(제4 역치:d＞0) 이상인지 판단한다(스텝 S17). 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 d보다도 작은 경우(스텝 S17:"아니오"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 용접부(35)에 공급되고 있는 산소 가스의 유량을 증가시켜(스텝 S14), 스텝 S15∼S17의 동작을 반복한다. 이 상태는 산소 가스의 유량을 늘렸지만, 산소 가스의 유량이 아직 부족한 상태를 나타내고 있다.
한편, 변화율 산출 수단(13)으로 산출된 광 강도의 변화율이 역치 d 이상인 경우(스텝 S17:"예"), 가스 공급량 제어 수단(14)은, 현재 노즐(17)로부터 공급되고 있는 산소 가스의 유량을 유지한다(스텝 S18). 즉, 도 9의 타이밍 t13에 나타내는 바와 같이, 광 강도의 변화율이 역치 d 이상으로 된 경우에는, 산소 가스의 유량이 증가하여 플라즈마광(22)의 광 강도가 증가하고, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광(22)의 광 강도가 정상 상태로 복귀된 것을 나타내고 있다. 따라서, 가스 공급량 제어 수단(14)은, 이 타이밍에서의 산소 가스의 유량을 유지한다. 이에 의해, 실드 가스의 공급 상태를 적절한 상태로 유지할 수 있다.
그 후, 스텝 S11∼S18의 동작을 반복함으로써, 실드 가스의 공급 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 실드 가스의 공급량이 적절한 양으로 되도록 피드백 제어할 수 있다.
또한, 스텝 S14∼S17의 동작을 반복해도 광 강도의 변화율이 역치 d 이상으로 되지 않는 경우에는, 레이저 용접 장치의 설비 이상이라고 생각된다. 이 경우에는, 레이저 용접을 중지한다.
또한, 역치 c, d는, 상기에서 설명한 역치 a, b의 설정 방법과 마찬가지의 방법을 이용하여 설정할 수 있다. 예를 들어, 표준 편차 σ의 3배의 값을 사용하여 역치를 설정하는 경우에는, 역치 c는 μ－3σ, 역치 d는 μ＋3σ로 된다. 또한, 상기에서 설명한 역치 c, d의 설정 방법은 일례이며, 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치에서는, 다른 방법을 이용하여 역치 c, d를 설정하도록 해도 된다.
배경 기술에서 설명한 바와 같이, 용접부에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치에서는, 용접부에 공급되는 실드 가스에 따라, 비드의 단면 형상이 변화한다. 예를 들어, 실드 가스로서 불활성 가스를 사용하면 비드의 단면이 와인 컵 형상(도 2 참조)으로 된다. 또한, 실드 가스로서 불활성 가스와 산소 가스를 혼합한 가스를 사용하면, 비드의 단면이 텀블러 형상(도 3 참조)으로 된다.
이와 같이, 용접부에 실드 가스를 공급하면서 용접하는 경우에는, 실드 가스의 종류나 공급량을 제어함으로써 비드의 단면 형상을 조정할 수 있다. 그러나, 용접할 때에 실드 가스의 공급량에 편차가 있으면, 용접부에 있어서의 비드의 단면 형상에 편차가 발생하고, 용접 불량이 발생한다고 하는 문제가 있었다.
따라서 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(1)에서는, 용접부(35)로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 광 강도 측정 수단(12)을 사용하여 측정하고, 측정한 광 강도의 변화율을 변화율 산출 수단(13)을 사용하여 산출하고, 광 강도의 변화율에 따라 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어하고 있다. 따라서, 실드 가스의 공급 상태를 실시간으로 모니터링하면서, 실드 가스의 공급량이 적절한 양으로 되도록 피드백 제어할 수 있다. 따라서, 실드 가스의 공급량이 변동되는 것을 억제할 수 있고, 용접부에 있어서의 비드의 단면 형상에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있다. 이에 의해, 용접 불량이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
특히 본 실시 형태에 관한 레이저 용접 장치(1)에서는, 광 강도의 변화율을 사용하여 실드 가스의 공급량의 적부를 판단하고 있으므로, 피드백 제어 시의 응답 속도를 빠르게 할 수 있다. 즉, 플라즈마광의 광 강도를 사용하여 실드 가스의 공급량의 적부를 판단한 경우에는, 광 강도가 저하된 후에 실드 가스의 공급량이 부적절하다고 판단하게 된다. 이 경우에는, 광 강도가 저하될 때까지의 긴 시간, 용접 불량이 계속되므로 용접의 품질이 저하된다. 한편, 광 강도의 변화율을 사용하여 실드 가스의 공급량의 적부를 판단한 경우에는, 광 강도의 저하의 징후를 즉시 파악할 수 있으므로, 광 강도가 저하될 때까지 기다리는 일 없이, 실드 가스의 공급량을 적절한 양으로 피드백 제어할 수 있다. 따라서, 용접 불량을 저감시킬 수 있어 용접의 품질을 향상시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 실시 형태에 관한 발명에 의해, 비드의 단면 형상에 편차가 발생하는 것을 억제할 수 있는 레이저 용접 장치 및 레이저 용접 방법을 제공할 수 있다.
이상의 본 발명의 설명으로부터, 본 발명을 다양하게 변형할 수 있는 것은 명백하다. 그러한 변형은 본 발명의 사상 및 범위로부터 일탈하는 것이라고 간주되는 것이 아니고, 또한 모든 당업자에 있어서 자명한 그러한 개량은 이하의 청구범위에 포함되는 것이다.

Claims (6)

  1. 용접부에 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 장치이며,
    상기 용접부에 실드 가스를 공급하는 실드 가스 공급 수단과,
    상기 실드 가스 공급 수단으로부터 공급되는 상기 실드 가스의 유량을 제어하는 가스 공급량 제어 수단과,
    상기 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하는 광 강도 측정 수단과,
    상기 광 강도 측정 수단으로 측정된 광 강도의 변화율을 산출하는 변화율 산출 수단을 구비하고,
    상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 산출된 광 강도의 변화율에 따라 상기 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어하는, 레이저 용접 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 광 강도의 변화율이 제1 역치(0보다도 큰 값) 이상인 경우, 상기 실드 가스에 포함되는 불활성 가스의 유량을 증가시키는, 레이저 용접 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 불활성 가스의 유량을 증가시킨 후, 상기 광 강도의 변화율이 제2 역치(0보다도 작은 값) 이하로 된 타이밍에서 상기 불활성 가스의 유량을 유지하는, 레이저 용접 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 광 강도의 변화율이 제3 역치(0보다도 작은 값) 이하인 경우, 상기 실드 가스에 포함되는 산소 가스의 유량을 증가시키는, 레이저 용접 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가스 공급량 제어 수단은, 상기 산소 가스의 유량을 증가시킨 후, 상기 광 강도의 변화율이 제4 역치(0보다도 큰 값) 이상으로 된 타이밍에서 상기 산소 가스의 유량을 유지하는, 레이저 용접 장치.
  6. 용접부에 실드 가스를 공급하면서 레이저광을 조사하여 용접하는 레이저 용접 방법이며,
    상기 용접부로부터 방사된 플라즈마광의 광 강도를 측정하고,
    상기 측정한 광 강도의 변화율을 산출하고,
    상기 산출된 광 강도의 변화율에 따라 상기 용접부에 공급하는 실드 가스의 유량을 제어하는, 레이저 용접 방법.
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