WO2022004610A1 - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 Download PDF

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WO2022004610A1
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laser
laser welding
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light
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静波 王
勤 杉山
俊輔 川合
憲三 柴田
雅史 石黒
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/22—Spot welding

Definitions

  • This disclosure relates to a laser welding apparatus and a laser welding method.
  • Laser welding has a high power density of laser light shining on the work to be welded, so high-speed and high-quality welding can be performed.
  • the laser beam can be moved to the next welding point at high speed during the non-welding period, thus shortening the total welding time. can do.
  • Patent Document 1 discloses a method of laser welding a double-layered object to be processed.
  • a laser beam is emitted on the surface of the first machined object. Be irradiated.
  • a scanning mirror that can be tilted in the X and Y directions is built in the laser head of the laser welding device, and the laser beam is reflected through this scanning mirror to irradiate the surface of the object to be machined. ..
  • the laser beam can be moved at high speed, so high-speed welding is possible.
  • Patent Document 1 Although the conventional configuration disclosed in Patent Document 1 is effective in reducing welding defects that may occur during welding as much as possible, there is no disclosure about a coping method when an unacceptable welding defect occurs once. Not.
  • the present disclosure has been made in view of this point, and an object thereof is a means for quickly and appropriately maintaining the welding strength of a welded portion where an unacceptable welding defect is detected during laser welding.
  • a laser oscillator to which an incident end of a fiber is connected and a laser beam connected to an emitting end of the fiber and emitted from the laser oscillator via the emitting end are focused on a work and irradiated.
  • a welding head for performing laser welding a detection unit for detecting the presence or absence of defects in the laser welding, and a controller for controlling the operation of the laser oscillator and the welding head based on the output signal of the detection unit are provided.
  • the controller receives an output signal indicating a defect at the welding point of the work from the detection unit during laser welding to the work, the controller executes auxiliary laser welding at a predetermined position around the welding point.
  • a laser welding device is provided.
  • the present disclosure relates to a step of performing laser welding while condensing and irradiating a work with laser light emitted from a laser oscillator to which an incident end of a fiber is connected via an emitting end of the fiber, and the laser.
  • a laser welding method comprising a step of performing auxiliary laser welding at a predetermined position around the welding point when an output signal indicating a defect is received.
  • the figure which shows the distribution example of the sensor signal intensity by the 1st optical sensor when the laser welding is abnormal The figure which shows the distribution example of the sensor signal intensity by the 2nd optical sensor at the time of normal laser welding.
  • the figure which shows the distribution example of the sensor signal intensity by the 2nd optical sensor when the laser welding is abnormal The figure which shows the distribution example of the sensor signal intensity by the 3rd optical sensor at the time of normal laser welding.
  • the figure which shows the distribution example of the sensor signal intensity by the 3rd optical sensor when the laser welding is abnormal The figure which shows typically the arrangement position example of the 1st optical sensor, the 2nd optical sensor, and the 3rd optical sensor constituting the welding state detection mechanism.
  • the figure which shows typically the arrangement position example of the 1st optical sensor, the 2nd optical sensor, and the 3rd optical sensor constituting the welding state detection mechanism The figure which shows typically the arrangement position example of the 1st optical sensor, the 2nd optical sensor, and the 3rd optical sensor constituting the welding state detection mechanism.
  • Patent Document 1 does not consider detecting a welding defect (welding defect) during laser welding at a position to be welded (that is, a welding point). Therefore, for example, a welding inspection step for confirming whether or not a welding defect is present after the entire laser welding to the work is completed is required. When an unacceptable welding defect was found in the welding inspection process, it was necessary to perform laser welding for correction (auxiliary) or other, for example, arc welding again at the corresponding welding point. In other words, it was difficult to reduce the tact time of the entire laser welding, including the time required for laser welding to the corresponding welding point or correction by other welding methods.
  • a laser welding apparatus and laser welding are provided by taking measures to quickly and appropriately maintain the welding strength of the welded portion where the welding defect is detected. An example of the method will be described.
  • FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of the laser welding apparatus 100 according to the first embodiment.
  • the laser welding apparatus 100 includes a laser oscillator 80, a controller 70, an optical fiber 90, a welding head 30, a welding state detecting mechanism 40, and a manipulator 60.
  • the laser oscillator 80 is a laser light source that is supplied with electric power from a power source (not shown) to generate laser light LB.
  • the laser oscillator 80 may be composed of a single laser light source or a plurality of laser modules. In the latter case, the laser oscillator 80 combines the laser beams emitted from the plurality of laser modules and emits them as the laser beam LB.
  • the laser light source or laser module used in the laser oscillator 80 is appropriately selected according to the material of the work W to be welded, the shape of the welded portion, and the like.
  • a fiber laser, a disk laser, or a YAG (Yttrium aluminum garnet) laser can be used as a laser light source.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 1000 nm to 1100 nm.
  • the semiconductor laser may be used as a laser light source or a laser module.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 800 nm to 1000 nm.
  • the visible light laser may be used as a laser light source or a laser module.
  • the wavelength of the laser beam LB is set in the range of 400 nm to 800 nm.
  • the optical fiber 90 as an example of the fiber has a laser oscillator 80 at one end side (incident end) and is optically coupled to the welding head 30 at the other end side (emission end), and has a core (not shown) at the axis.
  • a first clad (not shown) is provided coaxially with the core in contact with the outer peripheral surface of the core.
  • the core and the first clad each contain quartz as a main component, and the refractive index of the core is higher than that of the first clad. Therefore, the laser beam LB generated by the laser oscillator 80 is incident on the incident end of the optical fiber 90, and is transmitted from the inside of the core toward the exit end (see above).
  • a film or a resin-based protective layer (both not shown) that mechanically protects the optical fiber 90 is provided on the outer peripheral surface of the first clad.
  • the welding head 30 is attached to the exit end of the optical fiber 90, and once collimates the spread laser beam transmitted via the optical fiber 90 into parallel light, and then condenses the collimated parallel light into the laser light LB. Irradiate toward the work W. As a result, the work W is laser welded.
  • the welding head 30 may be configured to scan the laser beam LB two-dimensionally and irradiate the work W. In this case, it has an optical scanning mechanism (see, for example, FIG. 9 or FIG. 10) that scans the laser beam LB.
  • the optical scanning mechanism may not be limited to the configuration shown in FIGS. 9 and 10.
  • the welding head 30 may have a focal position adjusting mechanism (not shown) for intentionally changing the focal position of the laser beam LB irradiated toward the work W. The details and functions of the structure of the welding head 30 will be described later.
  • the welding state detection mechanism 40 as an example of the detection unit detects the presence or absence of a welding defect (welding defect) in laser welding to the welding point (see FIGS. 8 to 10) of the work W by the welding head 30.
  • the welding state detection mechanism 40 generates an output signal indicating the detection result of the presence or absence of a welding defect in laser welding and sends it to the controller 70.
  • the welding state detection mechanism 40 of the first embodiment is configured by using a plurality of (for example, three types) different sensors and processors (not shown). Each sensor is, for example, a first optical sensor S1, a second optical sensor S2, and a third optical sensor S3. Details of the operation of these sensors will be described later.
  • This processor (not shown) detects the presence or absence of a welding defect (welding defect) in laser welding to the welding point (see FIGS. 8 to 10) of the work W by the welding head 30 based on the output of each sensor. ..
  • the configuration of this processor may be omitted. In this case, laser welding of the work W to the welding point (see FIGS. 8 to 10) by the welding head 30 is performed. The detection of the presence or absence of a welding defect (welding defect) may be determined by the control unit 71 of the controller 70.
  • the controller 70 has a configuration including a control unit 71, a storage unit 72, and a display unit 73.
  • the controller 70 controls the laser oscillation of the laser oscillator 80. Specifically, the controller 70 controls laser oscillation and laser output by supplying control signals such as an output current and an on / off time to a power source (not shown) connected to the laser oscillator 80. Further, the controller 70 controls the drive of the optical scanning mechanism (not shown) and the focal position adjusting mechanism (not shown) provided on the welding head 30 according to the content of the selected laser welding program. ). Further, the controller 70 controls the operation of the manipulator 60.
  • the storage unit 72 stores the laser welding program. As shown in FIG. 1, the storage unit 72 may be provided inside the controller 70, or may be provided outside the controller 70 so that data can be exchanged with the controller 70. Further, although the details will be described later, the storage unit 72 stores data in which the focal position of the laser beam LB and the penetration depth of the work W are associated with the material of the work W (see FIG. 3).
  • FIG. 2A and 2B are diagrams schematically showing the relationship between the molten pool and keyhole formed in the work W and the focal position of the laser beam LB.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a table showing the correspondence between the focal position of the laser beam LB and the penetration depth of the work W.
  • FIG. 2A shows a case where the focal point of the laser beam LB is located near the surface of the work W.
  • FIG. 2B shows a case where the focal point of the laser beam LB is located inside the work W.
  • a portion irradiated with the laser beam LB is heated to cause melting, and a molten pool 800 is formed. Further, in the portion irradiated with the laser beam LB, the material constituting the molten pool 800 is violently evaporated, and the reaction force forms a keyhole 810 inside the molten pool 800.
  • the keyhole 810 When the keyhole 810 is formed, most of the laser beam LB enters the inside of the keyhole 810 while being reflected multiple times by the inner wall surface of the keyhole 810 and is absorbed by the molten pool 800.
  • the absorption rate at which the laser beam LB is absorbed by the molten pool 800 is improved, the amount of heat input to the work W is increased, and the penetration depth is deepened.
  • the amount varies depending on the material of the work W or the welding conditions, and the amount is small (although it varies depending on the material, welding conditions, etc., but usually 10% or less), but a part of the work W is reflected by the keyhole wall near the entrance of the keyhole 810.
  • the reflected laser beam LB does not enter the keyhole 810 but is reflected outside the keyhole 810, resulting in a loss.
  • the keyhole 810 is an open space extending from the opening 811 of the keyhole 810 formed on the surface of the molten pool 800 toward the inside of the molten pool 800, the focal point of the laser beam LB is as shown in FIG. 2B.
  • the position is set to reach the inside from the surface of the work W, specifically, the inside of the keyhole 810, the power density of the laser beam LB irradiated on the inner wall surface of the keyhole 810 becomes high and the molten pool 800 is formed.
  • the amount of light absorbed increases, and the penetration depth can be made deeper than in the case shown in FIG. 2A.
  • the opening 811 of the keyhole 810 can be expanded as compared with the case shown in FIG. 2A, so that the laser beam LB reaches the inside of the keyhole 810 more. It will be easier to do.
  • the focal position of the laser beam LB is inside from the surface of the work W, the laser beam LB enters the interior of the keyhole 810 in a converged manner near the opening 811 of the keyhole 810, so that the entrance of the keyhole 810 is entered. It becomes difficult to be reflected by the nearby keyhole wall, and the amount of light absorbed by the molten pool 800 also increases, which also leads to an increase in the penetration depth.
  • the penetration depth of the work W becomes shallower.
  • the focal position of the laser beam LB moves below the surface of the work W, that is, to a predetermined position inside the work W, the penetration depth of the work W becomes deeper.
  • the power density of the laser beam LB on the surface of the work W decreases, and the amount of heat input to the work W at the initial stage of forming the molten pool 800. Decreases. Therefore, the penetration depth becomes rather shallow.
  • the penetration depth of the work W can be deepened.
  • the shape of the curve shown in FIG. 3 changes depending on the material of the work W and the output of the laser beam LB. Therefore, in the storage unit 72, the depth of penetration of the work W with respect to the focal position of the laser light LB, which is associated with the material of the work W, the output of the laser light LB, and the wavelength of the laser light LB, is data in a table format. It is saved as. In order to make the explanation of FIG. 3 easy to understand, the change in the penetration depth of the work W with respect to the focal position of the laser beam LB is shown in a graph format, but in reality, each plot of the curve shown in FIG. 3 is the data. It is associated with the material of the work W in the form.
  • the focal position of the laser beam LB is changed based on the shape of the welded portion in the work W and the data shown in FIG. 3, so that laser welding can be appropriately performed according to the shape of the welded portion. At the same time, the joint strength of the work W can be ensured.
  • the control unit 71 controls the output intensity (power density) of the laser beam LB of the laser oscillator 80 according to the laser welding program stored in the storage unit 72.
  • the control unit 71 transmits a position command to the servomotor (not shown) provided in the manipulator 60 according to the laser welding program stored in the storage unit 72 and the feedback signal from the encoder (not shown) provided in the manipulator 60. Then, the rotation speed and the rotation amount of the servo motor (not shown) are controlled.
  • control unit 71 controls the operation of the laser oscillator 80 and the welding head 30 based on the output signal (see below) obtained from the welding state detection mechanism 40. The details of the operation of the control unit 71 will be described later.
  • the display unit 73 displays the output status of the laser oscillator 80, the operating status of the manipulator 60, a warning, and the like under the control of the control unit 71.
  • the manipulator 60 has a servomotor (not shown) and an encoder (not shown) for each joint axis (for example, four joint axes in FIG. 1, but six axes are often provided in the case of laser welding). be.
  • the manipulator 60 is connected to the controller 70 and operates a servomotor and an encoder for each joint axis to move the welding head 30 so as to draw a predetermined trajectory according to the above-mentioned laser welding program.
  • FIG. 4 is a diagram schematically showing an example of the first arrangement position of the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 constituting the welding state detection mechanism 40.
  • the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 constituting the welding state detection mechanism 40 are lasers irradiating the work W on the side surface of the welding head 30. It may be appropriately arranged non-coaxially with the optical LB (in other words, the laser beam). In other words, the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 move in conjunction with the movement of the welding head 30.
  • the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 are respectively along the housing of the welding head 30. It may be arranged as appropriate.
  • the first optical sensor S1 is reflected from the welding point of the work W when the laser beam LB is irradiated from the welding head 30 to the work W (that is, laser welding).
  • the amount of light of a specific wavelength light is detected.
  • This specific wavelength light is the same as the wavelength of the laser light LB (in other words, the laser beam) irradiating the work W.
  • this specific wavelength light is referred to as reflected light L1.
  • the second optical sensor S2 is a plasma emission L2 (for example, visible light) generated by irradiation of the work W of the laser beam LB from the welding head 30 (that is, laser welding). Detects the amount of light (an example of sensor signal intensity) of light having a wavelength in the region.
  • L2 for example, visible light
  • the third optical sensor S3 raises the temperature at the welding point of the work W when the laser beam LB is irradiated to the work W from the welding head 30 (that is, laser welding). It detects the amount of light (an example of sensor signal intensity) of the radiated light generated by the above, particularly near-infrared light L3 (for example, light having a wavelength of 800 nm or more).
  • FIG. 5A is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the first optical sensor S1 when laser welding is normal.
  • FIG. 5B is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the first optical sensor S1 when laser welding is abnormal.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents sensor signal intensity (that is, the amount of reflected light L1 (see above) detected by the first optical sensor S1).
  • the first optical sensor S1 detects the reflected light L1 generated from the welding point during laser welding.
  • FIG. 5A shows the distribution characteristics (for example, the center curve MD1) of the detected light amount of the first optical sensor S1 when normal laser welding is executed from the start time to the end time of the laser welding, and the sensor signal intensity is shown. Is shown to take a value in the normal range from the lower limit curve LW1 to the upper limit curve UP1.
  • the work W is a metal, and at the start of laser welding, the work W is in a solid state until the work W begins to melt. Therefore, at the start of laser welding, the reflectance of the work W tends to be high, and the sensor signal intensity tends to be relatively high. As the work W begins to melt, the reflectance from the welding point gradually decreases with the formation of the keyhole, so that the sensor signal intensity gradually decreases from the initial high value and remains stable.
  • the distribution characteristic MS1 of the detected light amount of the first optical sensor S1 is A. It has a value deviating from the lower limit curve LW1 to the upper limit curve UP1 which is a normal range like the part and the part B.
  • the welding state detection mechanism 40 detects a welding defect (welding defect) at the corresponding welding point as a detection result of the first optical sensor S1. ) Is detected.
  • the sensor signal strength is even lower than the lower limit curve LW1.
  • the curve is lower than the curve LW1.
  • the gap between the upper plate and the lower plate becomes too wide and the molten pool also becomes large, so that the reflected light L1 may decrease.
  • the sensor signal strength is higher than the upper limit curve UP1. It is considered that this is because the amount of melting of the work W due to the fluctuation of the laser power was not sufficient in the laser welding, so that the reflected light L1 at the welding point became higher than the upper limit curve UP1.
  • FIG. 6A is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the second optical sensor S2 when laser welding is normal.
  • FIG. 6B is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the second optical sensor S2 when laser welding is abnormal.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the sensor signal intensity (that is, the amount of light of the plasma emission L2 (see above) detected by the second optical sensor S2).
  • the second optical sensor S2 detects plasma emission L2 generated from the welding point during laser welding.
  • FIG. 6A shows the distribution characteristics (for example, the center curve MD2) of the detected light amount of the second optical sensor S2 when normal laser welding is executed from the start time to the end time of the laser welding, and the sensor signal intensity is shown. Is shown to take a value in the normal range from the lower limit curve LW2 to the upper limit curve UP2.
  • the plasma emission L2 changes substantially stably from the start time to the end time of laser welding.
  • the distribution characteristic MS2 of the detected light amount of the second optical sensor S2 is C. It will have a value deviating from between the lower limit curve LW2 and the upper limit curve UP2, which are normal ranges such as the part and the part D.
  • the welding state detection mechanism 40 detects a welding defect (welding defect) at the corresponding welding point as a detection result of the second optical sensor S2. ) Is detected.
  • the sensor signal strength is higher than the upper limit curve UP2.
  • the plasma emission amount at the welding point temporarily increases from the upper limit curve UP2 because a phenomenon such as a large amount of work W melting and spattering occurs due to fluctuations in the laser power of laser welding or individual variations in the work W. It is possible that the price has increased. Even if there is no fluctuation in the laser power, if the keyhole shakes greatly due to the fluctuation in the molten pool, it may be accompanied by large plasma emission.
  • the sensor signal strength is further lower than the lower limit curve LW2.
  • the work W may have holes due to fluctuations in the molten pool during laser welding, or there may be too many gaps to form a stable molten pool. It is considered that the amount of plasma emission at the welding point has become lower than the lower limit curve LW2.
  • FIG. 7A is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the third optical sensor S3 when laser welding is normal.
  • FIG. 7B is a diagram showing an example of distribution of sensor signal intensity by the third optical sensor S3 when laser welding is abnormal.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents sensor signal intensity (that is, the amount of near-infrared light L3 (see above) detected by the third optical sensor S3).
  • the third optical sensor S3 detects the near-infrared light L3 generated from the welding point, which has a strong relationship with the temperature of the molten pool during laser welding.
  • FIG. 7A shows the distribution characteristics (for example, the center curve MD3) of the detected light amount of the third optical sensor S3 when normal laser welding is executed from the start time to the end time of the laser welding, and the sensor signal intensity is shown. Is shown to take a value in the normal range from the lower limit curve LW3 to the upper limit curve UP3.
  • the work W is a metal, and at the start of laser welding, the work W is in a solid state until the work W begins to melt. Therefore, since the temperature of the work W is low at the start of laser welding, the temperature of the molten pool is also relatively low, and the sensor signal intensity tends to be relatively low.
  • the temperature of the work W gradually rises and becomes stable, so that the near-infrared light L3 tends to gradually increase toward the end of laser welding.
  • the intensity of the near-infrared light L3 tends to gradually increase toward the end point of welding, but the near-infrared light L3 becomes almost constant up to the end point of welding depending on the combination of the work W and the welding conditions. In some cases.
  • the distribution characteristic MS3 of the detected light amount of the third optical sensor S3 is E. It will have values that deviate from the normal range such as part and part F.
  • the welding state detection mechanism 40 detects a welding defect (welding defect) at the corresponding welding point as a detection result of the third optical sensor S3. ) Is detected.
  • the sensor signal strength is higher than the upper limit curve UP3. Similar to FIG. 6A, this is because the fluctuation of the laser output during laser welding still causes a phenomenon such as a large amount of the work W melting due to individual variation of the work W, so that the near infrared at the welding point is temporarily generated. It is conceivable that the light (in other words, the temperature) has become higher than the upper limit curve UP3.
  • the sensor signal strength is further lower than the lower limit curve LW3.
  • the amount of near-infrared light at the welding point is lower than the lower limit curve LW3 because, for example, a hole is opened in the work W during laser welding, or the gap is large and the molten pool is deeply dented. It is possible that it has been done.
  • FIG. 8 is a diagram schematically showing an example of the second arrangement position of the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 constituting the welding state detection mechanism 40.
  • the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 are all built in the welding head 30.
  • the welding head 30 is connected to the exit end of the optical fiber 90.
  • a collimating lens CLL1, a first mirror MRR1, a condenser lens FCL1, a protective glass PTG1, a second mirror MRR2, a condenser lens FCL2, and a first optical sensor S1 are included.
  • the third mirror MRR3, the condenser lens FCL3, the second optical sensor S2, the condenser lens FCL4, and the third optical sensor S3 are arranged.
  • the collimating lens CLL1, the first mirror MRR1, the condenser lens FCL1, and the protective glass PTG1 are arranged on the incident optical axis aa'. Further, the first mirror MRR1, the condenser lens FCL1, and the protective glass PTG1 are also arranged on the reflected optical axis a'b.
  • the first mirror MRR1, the second mirror MRR2, the third mirror MRR3, and the condenser lens FCL4 are arranged on the reflected optical axis bb'.
  • the second mirror MRR2, the condenser lens FCL2, and the first optical sensor S1 are arranged on the reflected optical axis cc'. Note that c is located on the reflected optical axis bb'.
  • the third mirror MRR3, the condenser lens FCL3, and the second optical sensor S2 are arranged on the reflected optical axis dd'. Note that d is located on the reflected optical axis bb'.
  • the laser beam LB that is, the emission beam BM1
  • the laser beam LB that is, the emission beam BM1
  • the collimated beam CLLBM1 passes through the first mirror MRR1 along the incident optical axis aa'and is condensed by the condenser lens FCL1.
  • the focused incident beam ICB1 irradiates the welding point of the work W along the incident optical axis aa'through the protective glass PTG1.
  • the first mirror MRR1 is for transmitting light in the direction of the incident optical axis aa'and reflecting light in the direction of the reflected light axis aa'b in a clockwise direction of about 90 degrees in the drawing. It is pre-coated.
  • Light including various wavelength bands (for example, reflected light L1, plasma emission L2, near infrared light L3) generated from the welding point of the work W travels along the reflected light axis a'b as the reflected beam RFB1. It passes through the protective glass PTG1 and the condenser lens FCL1 and is reflected by the first mirror MRR1.
  • various wavelength bands for example, reflected light L1, plasma emission L2, near infrared light L3
  • the reflected beam RFB1 travels along the reflected optical axis bb'.
  • the reflected beam RFB1 the reflected light L1 is reflected by the second mirror MRR2, and the light in the remaining wavelength band (specifically, the plasma emission L2 and the near infrared light L3) is transmitted through the second mirror MRR2.
  • the second mirror MRR2 is preliminarily coated with a coating for reflecting the reflected light L1 and transmitting light in the remaining wavelength band (specifically, plasma emission L2 and near-infrared light L3).
  • the reflected light L1 travels along the reflected light axis cc', is condensed through the condenser lens FCL2, is received by the first optical sensor S1, and the amount of light thereof is the sensor signal intensity (see FIG. 5A or FIG. 5B). Is detected as.
  • the plasma emission L2 is reflected by the third mirror MRR3, and the light in the remaining wavelength band (specifically, the near infrared light L3) is the third. It passes through the mirror MRR3.
  • the third mirror MRR3 is preliminarily coated with a coating for reflecting plasma emission L2 and transmitting light in the remaining wavelength band (specifically, near-infrared light L3).
  • the plasma emission L2 travels along the reflected optical axis dd', is condensed through the condenser lens FCL3, is received by the second optical sensor S2, and the amount of light thereof is the sensor signal intensity (see FIG. 6A or FIG. 6B). Is detected as.
  • the near-infrared light L3 transmitted through the third mirror MRR3 is condensed through the condenser lens FCL4 and received by the third optical sensor S3, and the amount of the light is detected as the sensor signal intensity (see FIG. 7A or FIG. 7B).
  • the sensor signal intensity see FIG. 7A or FIG. 7B.
  • FIG. 9 is a diagram schematically showing an example of a third arrangement position of the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 constituting the welding state detection mechanism 40.
  • the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 are all built in the welding head 30.
  • the same elements as those of FIG. 8 are given the same reference numerals to simplify or omit the description, and different contents will be described.
  • a collimating lens CLL1, a first mirror MRR1, a bend mirror BMRR1, a galvano scanner mechanism GLVU1, a condenser lens FCL1, a protective glass PTG1, and a second mirror MRR2 are included.
  • the condenser lens FCL2, the first optical sensor S1, the third mirror MRR3, the condenser lens FCL3, the second optical sensor S2, the condenser lens FCL4, and the third optical sensor S3 are arranged. Since the configuration of the welding state detecting mechanism 40 in FIG. 9 is the same as the configuration of the welding state detecting mechanism 40 shown in FIG. 8, the description thereof will be omitted.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 is adopted in FIG.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 is an X-axis mirror XMRR1 driven in the X-axis direction that defines any one of the XY planes parallel to the surface of the work W, and one of the XY planes parallel to the surface of the work W.
  • the configuration includes a Y-axis mirror YMRR1 driven in the Y-axis direction, and a control driver (not shown) for controlling the X-axis mirror XMRR1 and the Y-axis mirror YMRR1.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 works with the light incident on the galvano scanner mechanism GLVU1 (specifically, the collimated beam CLLBM1 reflected by the bend mirror BMRR1) as the incident beam ICB1. Irradiate toward the welding point of W.
  • the collimating lens CLL1, the first mirror MRR1, and the bend mirror BMRR1 are arranged on the incident optical axis aa'.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 is arranged on the incident optical axis a "" a "”. Further, the galvano scanner mechanism GLVU1, the condenser lens FCL1, and the protective glass PTG1 are arranged on the incident optical axis a "" a "a” "”. Further, the bend mirror BMRR1 and the first mirror MRR1 are also arranged on the reflected optical axis a'b.
  • the condenser lens FCL1 is arranged at a position close to the surface of the work W and the galvano scanner mechanism GLVU1 is adopted, so that the irradiation position of the laser beam on the work W can be freely set. Can be controlled to.
  • the laser beam LB that is, the emission beam BM1
  • the laser beam LB that is, the emission beam BM1
  • the laser beam LB travels along the incident optical axis aa'and collimates in parallel via the collimating lens CLL1. It is formed on the beam CLLBM1.
  • the collimated beam CLLBM1 passes through the first mirror MRR1 and is reflected by the bend mirror BMRR1 along the incident optical axis aa'.
  • the collimated beam CLLBM1 reflected by the bend mirror BMRR1 is incident on the galvano scanner mechanism GLVU1 along the incident optical axis a "a".
  • the collimated beam CLLBM1 is appropriately reflected by the X-axis mirror XMRR1 and the Y-axis mirror YMRR1 of the galvano scanner mechanism GLVU1, and the collimating beam CLLBM1 is formed along the incident optical axis a''''a''''' with the condenser lens FCL1 and The welding point of the work W is irradiated through the protective glass PTG1.
  • the bend mirror BMRR1 reflects light in the direction of the incident optical axis aa'in a counterclockwise direction of 90 degrees in the figure, and 90 light in the direction of the incident optical axis a''a''. It is pre-coated to reflect clockwise.
  • Light including various wavelength bands generated from the welding point of the work W (for example, reflected light L1, plasma emission L2, near infrared light L3) is used as a reflected beam RFB1 with an incident light optical axis a''''a''. Proceeding along the''', it passes through the protective glass PTG1 and the condenser lens FCL1 and is reflected by the galvano scanner mechanism GLVU1.
  • the reflected beam RFB1 travels along the reflected optical axis a "" a "” and is reflected by the bend mirror BMRR1.
  • the reflected beam RFB1 travels along the reflected optical axis a'b and is reflected by the first mirror MRR1. Since the optical path of the light after this reflection is the same as that in FIG. 8, the description thereof will be omitted.
  • FIG. 10 is a diagram schematically showing an example of a fourth arrangement position of the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 constituting the welding state detection mechanism 40. Also in FIG. 10, similarly to FIG. 8, the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3 are all built in the welding head 30. In the description of FIG. 10, the same elements as those of FIG. 9 are given the same reference numerals to simplify or omit the description, and different contents will be described.
  • a collimating lens CLL1 In the welding head 30 shown in FIG. 10, a collimating lens CLL1, a first mirror MRR1, a condenser lens FCL1, a bend mirror BMRR1, a galvano scanner mechanism GLVU1, a protective glass PTG1, and a second mirror MRR2 are included.
  • the condenser lens FCL2, the first optical sensor S1, the third mirror MRR3, the condenser lens FCL3, the second optical sensor S2, the condenser lens FCL4, and the third optical sensor S3 are arranged. Since the configuration of the welding state detecting mechanism 40 in FIG. 10 is the same as the configuration of the welding state detecting mechanism 40 shown in FIG. 9, the description thereof will be omitted.
  • FIGS. 10 and 9 The difference between FIGS. 10 and 9 is that the position where the condenser lens FCL1 is arranged is different in FIG.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 incidents the light focused by the condenser lens FCL1 and controls the X-axis mirror XMRR1 and the Y-axis mirror YMRR1 to control the light incident on the galvano scanner mechanism GLVU1 (specifically, the bend mirror).
  • the light reflected by the BMRR1) is irradiated toward the welding point of the work W as the incident beam ICB1.
  • the collimating lens CLL1, the first mirror MRR1, the condenser lens FCL1, and the bend mirror BMRR1 are arranged on the incident optical axis aa'.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 and the protective glass PTG1 are arranged on the incident optical axis a "" a "a” "”.
  • the bend mirror BMRR1, the condenser lens FCL1, and the first mirror MRR1 are also arranged on the reflected optical axis a'b. Since the elements arranged on the reflected optical axis bb', the reflected optical axis cc', and the reflected optical axis dd'are the same as those in FIG. 8, detailed description thereof will be omitted.
  • the condenser lens FCL1 is arranged in front of the incident side to the galvano scanner mechanism GLVU1 and the galvano scanner mechanism GLVU1 is adopted, so that the work W can be obtained as in FIG.
  • the irradiation position of the laser beam can be freely controlled.
  • FIG. 11 is a diagram schematically showing an example of a laser welding point and an auxiliary welding point according to the first embodiment.
  • FIG. 12 is a flowchart showing an example of an operating procedure of the laser welding apparatus according to the first embodiment.
  • the laser welding apparatus 100 laser-welds each of a plurality of welding points WLP1, WLP2, WLP3, WLP4, and WLP5 along the welding line WLN1 of the work W defined in advance in the laser welding program.
  • the laser welding program for example, it is assumed that laser welding is executed in the order of welding points WLP1, WLP2, WLP3, WLP4, and WLP5.
  • laser welding at three welding points WLP1, WLP2, and WLP5 was normally executed, but it was detected that an abnormality (that is, a welding defect) in laser welding at two welding points WLP3 and WLP4 occurred. Suppose it was done.
  • the laser welding apparatus 100 performs auxiliary laser welding (repair welding) on the auxiliary welding point SPWLP1 indicating a predetermined position near the welding point WLP3 where the welding defect has occurred.
  • auxiliary laser welding air welding
  • the laser welding apparatus 100 executes laser welding of the welding point WLP4 next to the welding point WLP3.
  • the laser welding apparatus 100 has an auxiliary welding point SPWLP2 that indicates a predetermined position near the welding point WLP4 where the welding defect has occurred. Perform laser welding (repair welding). When this repair welding is executed, the laser welding apparatus 100 executes laser welding of the welding point WLP5 next to the welding point WLP4.
  • the laser welding apparatus 100 performs laser welding at the Kth welding point (St1).
  • K may be 1 or an integer of 2 or more.
  • the laser welding apparatus 100 determines whether or not the state of the K-th welding point is OK (that is, the output signal from the welding state detecting mechanism 40 indicates that there is no welding defect) (St2). This determination may be executed, for example, by the control unit 71 of the controller 70, and the same applies hereinafter.
  • the laser welding apparatus 100 determines that the state of the K-th welding point is not OK (St2, NO)
  • the laser welding apparatus 100 executes auxiliary laser welding at a predetermined position (auxiliary welding point) near the K-th welding point. (St3).
  • the laser welding apparatus 100 performs laser welding on the (K + 1) th welding point (St4).
  • the laser welding apparatus 100 determines whether or not the state of the (K + 1) th welding point is OK (that is, the output signal from the welding state detecting mechanism 40 indicates that there is no welding defect) (St5). ..
  • the laser welding apparatus 100 determines that the state of the (K + 1) th welding point is not OK (St5, NO)
  • the laser welding apparatus 100 is used for auxiliary at a predetermined position (auxiliary welding point) near the (K + 1) th welding point.
  • Perform laser welding (St6).
  • step St6 or when it is determined that the state of the (K + 1) th welding point is OK (St5, YES)
  • the laser welding apparatus 100 performs laser welding on the (K + 2) th welding point (St7). ..
  • the processing after step St7 is, for example, the processing of steps St2 to St3 as one set, and is similarly repeated for each set until the laser welding to all the welding points is completed.
  • step St3 has described the welding method (step St3) of the auxiliary welding point when a welding defect occurs (determined as NO in step St2).
  • a welding point that does not require an auxiliary welding point in terms of design may be regarded as a YES determination in step St2, and subsequent welding may be performed.
  • the laser welding apparatus 100 is connected to the laser oscillator 80 to which the incident end of the fiber is connected and the laser beam emitted from the laser oscillator 80 via the emitted end.
  • a welding head 30 that performs laser welding while concentrating LB on the work W and irradiating it, a detection unit that detects the presence or absence of defects in laser welding, and a laser oscillator 80 and a welding head 30 based on the output signals of the detection unit.
  • a controller 70 for controlling the operation of the above is provided. When the controller 70 receives an output signal indicating a defect at the welding point of the work W from the detection unit during laser welding to the work W, the controller 70 performs auxiliary laser welding at a predetermined position around the welding point.
  • the laser welding apparatus 100 can quickly and appropriately maintain the welding strength of the welded portion where the welding defect is detected even if the welding defect at the welding point is detected during laser welding. For example, after all the welding points (for example, welding points WLP1 to WLP5) prepared in the work W are laser-welded, the presence or absence of a welding defect is individually detected, and then the auxiliary laser welding is performed only on the portion where the welding defect is present. Or, compared to the case of welding by other methods, performing auxiliary laser welding immediately near the welding point where the welding defect is detected not only reduces the overall tact time, but also reduces the quality of the laser welding. Can be improved.
  • welding points for example, welding points WLP1 to WLP5
  • the auxiliary laser welding is performed only on the portion where the welding defect is present.
  • performing auxiliary laser welding immediately near the welding point where the welding defect is detected not only reduces the overall tact time, but also reduces the quality of the laser welding. Can be improved.
  • all the welding points (for example, welding points WLP1 to WLP5) prepared in the work W are laser-welded, and then the presence or absence of welding defects is individually detected, and then the welding defects are present.
  • Auxiliary laser welding may be performed only on the surface.
  • the controller 70 performs laser welding of a second welding point (for example, welding point WLP4) indicating a welding point next to the welding point (for example, welding point WLP3) in which a welding defect is detected after performing auxiliary laser welding.
  • a second welding point for example, welding point WLP4
  • the laser welding apparatus 100 can continuously perform repair welding to assist the welding point in which a welding defect is detected, so that the tact time of laser welding to the work W can be reduced.
  • the detection unit has a plurality of different sensors, and when it receives a signal indicating an abnormality from at least one sensor, it outputs an output signal indicating that there is a defect in laser welding.
  • the laser welding apparatus 100 can comprehensively detect the presence or absence of welding defects at the welding point by a plurality of sensors.
  • the detection unit receives the light of a specific wavelength (for example, reflected light L1) generated by the laser welding and detects the presence or absence of an abnormality based on the intensity of the reflected light L1 and the laser welding.
  • the second optical sensor S2 which receives the plasma emission L2 generated by the laser welding and detects the presence or absence of an abnormality based on the intensity of the plasma emission L2, and the near-infrared light L3 from the welding point generated by the laser welding. It also has a third optical sensor S3 that detects the presence or absence of an abnormality based on the intensity of the near-infrared light L3.
  • the laser welding apparatus 100 can appropriately and highly accurately detect the presence or absence of welding defects at the welding point in view of the characteristics of light having various wavelength bands generated during laser welding.
  • the first optical sensor S1 receives the reflected light L1 from the welding point as the specific wavelength light.
  • the second optical sensor S2 receives light having a wavelength of 400 nm to 800 nm in the plasma emission.
  • the third optical sensor S3 receives light having a wavelength of 800 nm to 2000 nm among near-infrared light.
  • the laser welding apparatus 100 has a welding defect at the welding point in view of the characteristics of light that each sensor (that is, the first optical sensor S1, the second optical sensor S2, and the third optical sensor S3) easily receives light. Can be detected appropriately and with high accuracy.
  • each of the plurality of different sensors is arranged around the welding head 30. This not only simplifies the attachment of a plurality of different sensors to the welding head 30, but also facilitates the presence or absence of welding defects at the welding point during laser welding because each of the plurality of different sensors moves together with the welding head 30. Can be detected.
  • each of the plurality of different sensors is arranged coaxially with the irradiation direction of the laser beam to the work W and in the welding head 30.
  • each sensor is arranged coaxially with the irradiation direction of the laser beam LB on the work W. Since it is possible, the presence or absence of welding defects at the welding point can be detected with high accuracy during laser welding.
  • each of the plurality of different sensors is arranged in the welding head 30, and the welding head 30 incorporates a galvano scanner mechanism GLVU1 that irradiates the welding point of the work W with the laser beam LB.
  • the galvano scanner mechanism GLVU1 in the welding head 30, the irradiation position of the laser beam LB (in other words, the laser beam) on the work W can be freely controlled, and welding is performed during laser welding. The presence or absence of welding defects at points can be detected with high accuracy.
  • the present disclosure is useful as a laser welding apparatus and a laser welding method for quickly and appropriately maintaining the welding strength of a welded portion where an unacceptable welding defect is detected during laser welding. ..
  • Welding head 40 Welding state detection mechanism 60 Manipulator 70 Controller 71 Control unit 72 Storage unit 73 Display unit 80 Laser oscillator 90 Optical fiber 100 Laser welding device LB Laser light S1 First optical sensor S2 Second optical sensor S3 Third optical sensor W work

Abstract

レーザ溶接装置は、ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器と、ファイバの出射端と接続され、レーザ発振器から出射端を介して出射されたレーザ光をワークに集光して照射しながらレーザ溶接を行う溶接ヘッドと、レーザ溶接の欠陥の有無を検知する検知部と、レーザ発振器および溶接ヘッドの動作を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、ワークへのレーザ溶接中にワークの溶接点の欠陥を示す出力信号を検知部から受領した時、溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する。

Description

レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法
　本開示は、レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関する。
　レーザ溶接は、被溶接物であるワークに照射されるレーザ光のパワー密度が高いため、高速かつ高品質の溶接を行うことができる。特に、レーザ光をワークの表面で高速にスキャンしながら溶接を行うスキャニング溶接では、溶接をしない期間中にレーザビームを次の溶接点へ高速に移動することができるため、トータルな溶接時間を短縮することができる。
　例えば、特許文献１には、２枚重ねの加工対象物をレーザ溶接する方法が開示されている。この方法では、第１の加工対象物と第２の加工対象物とが重ねされた加工対象物の全体を貫通するキーホールを形成するために、第１の加工対象物の表面にレーザビームが照射される。レーザビームの照射時、レーザ溶接装置のレーザヘッド内ではＸ方向およびＹ方向に傾斜可能なスキャニングミラーが内蔵され、このスキャニングミラーを介してレーザビームが反射されて加工対象物の表面に照射される。スキャンニングミラーを駆動することによってレーザビームを高速に動かすことができるので、高速溶接ができる。
米国特許出願公開第２０１７／０２３９７５０号明細書
　ところで、レーザ溶接で加工対象物に溶接ビードを形成する場合、溶接する加工対象物寸法のばらつきやその表面状態の変動または溶接条件の変動などの諸要因によって溶接欠陥が発生する恐れがあった。特に、高速溶接を行うスキャンニング溶接では、溶接速度が速いため、わずかな変動でも溶接欠陥の発生につながってしまうことがある。実際の生産現場では、レーザ溶接中に許容できない溶接欠陥が発生した場合、コストの視点からは、そのワークを捨てるのではなく、溶接終了後にそれを補修して再利用する手段が取られている。この作業は、溶接終了後に行うため、補修するための時間と労力が必要になるので、トータルの生産効率が落ちるだけではなく、生産コストも上昇してしまう。
　しかし、特許文献１に開示された従来の構成では、溶接中に発生しうる溶接欠陥をできるだけ減少させるのに有効であるものの、一旦許容できない溶接欠陥が発生した場合の対処方法については何ら開示されていない。
　本開示はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、レーザ溶接中に許容できない溶接欠陥が検知された場合、溶接欠陥が検知された溶接部位の溶接強度を迅速かつ適切に維持する手段を講じるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を提供する。
　本開示は、ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器と、前記ファイバの出射端と接続され、前記レーザ発振器から前記出射端を介して出射されたレーザ光をワークに集光して照射しながらレーザ溶接を行う溶接ヘッドと、前記レーザ溶接の欠陥の有無を検知する検知部と、前記検知部の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器および前記溶接ヘッドの動作を制御するコントローラと、を備え、前記コントローラは、前記ワークへのレーザ溶接中に前記ワークの溶接点の欠陥を示す出力信号を前記検知部から受領した時、前記溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する、レーザ溶接装置を提供する。
　また、本開示は、ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器から、前記ファイバの出射端を介して出射されたレーザ光をワークに集光して照射しながらレーザ溶接を行う工程と、前記レーザ溶接の欠陥の有無を検知する工程と、前記検知部の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器および前記溶接ヘッドの動作を制御する工程と、前記ワークへのレーザ溶接中に前記ワークの溶接点の欠陥を示す出力信号を受領した時、前記溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する工程と、を有する、レーザ溶接方法を提供する。
　本開示によれば、レーザ溶接中に許容できない溶接欠陥が検知された場合、溶接欠陥が検知された溶接部位の溶接強度を迅速かつ適切に維持する手段を講じることができる。
実施の形態１に係るレーザ溶接装置の概略構成例を示す図 ワークに形成された溶融池およびキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を模式的に示す図 ワークに形成された溶融池およびキーホールとレーザ光の焦点位置との関係を模式的に示す図 レーザ光の焦点位置とワークの溶け込み深さとの対応関係を示すテーブル例を示す図 溶接状態検知機構を構成する第１光センサ、第２光センサ、第３光センサの配置位置例を模式的に示す図 レーザ溶接が正常である時の第１光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 レーザ溶接が異常である時の第１光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 レーザ溶接が正常である時の第２光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 レーザ溶接が異常である時の第２光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 レーザ溶接が正常である時の第３光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 レーザ溶接が異常である時の第３光センサによるセンサ信号強度の分布例を示す図 溶接状態検知機構を構成する第１光センサ、第２光センサ、第３光センサの配置位置例を模式的に示す図 溶接状態検知機構を構成する第１光センサ、第２光センサ、第３光センサの配置位置例を模式的に示す図 溶接状態検知機構を構成する第１光センサ、第２光センサ、第３光センサの配置位置例を模式的に示す図 実施の形態１に係るレーザ溶接点と補助溶接点の一例を模式的に示す図 実施の形態１に係るレーザ溶接装置の動作手順例を示すフローチャート
（本開示に至る経緯）
　特許文献１では、溶接対象となる位置（つまり溶接点）において溶接欠陥（溶接不良）をレーザ溶接中に検知することは考慮されていない。このため、例えばワークへのレーザ溶接全体が終了した後に溶接欠陥が存在するかどうかを確認するための溶接検査工程が必要となる。溶接検査工程に許容できない溶接欠陥が判明できた場合、再度該当する溶接点に修正（補助）用のレーザ溶接またはその他、例えばアーク溶接を施す必要があった。言い換えると、該当する溶接点へのレーザ溶接またはその他溶接方法での修正に要する時間も含めレーザ溶接全体のタクトタイムの低減が困難であった。
　そこで、以下の実施の形態では、レーザ溶接中に許容できない溶接欠陥が検知された場合、溶接欠陥が検知された溶接部位の溶接強度を迅速かつ適切に維持する手段を講じるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法の例を説明する。
　以下、適宜図面を参照しながら、本開示に係るレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法を具体的に開示した実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために提供されるものであり、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
（レーザ溶接装置の構成）
　図１は、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００の概略構成例を示す図である。レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器８０と、コントローラ７０と、光ファイバ９０と、溶接ヘッド３０と、溶接状態検知機構４０と、マニピュレータ６０と、を含む構成である。
　レーザ発振器８０は、電源（図示略）から電力が供給されてレーザ光ＬＢを発生させるレーザ光源である。レーザ発振器８０は、単一のレーザ光源で構成されてもよいし、複数のレーザモジュールで構成されてもよい。後者の場合、レーザ発振器８０は、複数のレーザモジュールからそれぞれ出射されたレーザ光を結合してレーザ光ＬＢとして出射する。
　レーザ発振器８０で使用されるレーザ光源あるいはレーザモジュールは、被溶接物であるワークＷの材質あるいは溶接部位の形状等に応じて、適宜選択される。例えば、ファイバレーザ、ディスクレーザ、あるいは、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ　Ａｌｕｍｉｎｕｍ　Ｇａｒｎｅｔ）レーザをレーザ光源とすることもできる。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、１０００ｎｍ～１１００ｎｍの範囲に設定される。また、半導体レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、８００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲に設定される。また、可視光レーザをレーザ光源あるいはレーザモジュールとしてもよい。この場合、レーザ光ＬＢの波長は、４００ｎｍ～８００ｎｍの範囲に設定される。
　ファイバの一例としての光ファイバ９０は、一端側（入射端）がレーザ発振器８０かつ他端側（出射端）が溶接ヘッド３０にそれぞれ光学的に結合され、軸心にコア（図示略）を有し、コアの外周面に接してコアと同軸に第１クラッド（図示略）が設けられている。コアと第１クラッドはそれぞれ石英を主成分とし、コアの屈折率が第１クラッドの屈折率よりも高くなっている。このため、レーザ発振器８０で発生したレーザ光ＬＢは、光ファイバ９０の入射端に入射されて、コアの内部を出射端（上述参照）に向けて伝送される。また、第１クラッドの外周面には光ファイバ９０を機械的に保護する皮膜または樹脂系の保護層（いずれも図示略）が設けられている。
　溶接ヘッド３０は、光ファイバ９０の出射端に取り付けられ、光ファイバ９０を介して伝送されて広がったレーザビームを一旦平行光にコリメートし、その後コリメートされた平行光を集光してレーザ光ＬＢとしてワークＷに向けて照射する。これにより、ワークＷがレーザ溶接されることになる。
　また、溶接ヘッド３０は、レーザ光ＬＢを２次元的に走査してワークＷに向けて照射するように構成されてもよい。この場合、レーザ光ＬＢを走査する光走査機構（例えば図９あるいは図１０参照）を有している。なお、光走査機構は、図９および図１０に図示した構成に限定されなくてもよい。また、溶接ヘッド３０は、ワークＷに向けて照射されるレーザ光ＬＢの焦点位置を意図的に変化させるための焦点位置調整機構（図示略）を有してもよい。溶接ヘッド３０の構造の詳細や機能については後で述べる。
　検知部の一例としての溶接状態検知機構４０は、溶接ヘッド３０によるワークＷの溶接点（図８～図１０参照）へのレーザ溶接の溶接欠陥（溶接不良）の有無を検知する。溶接状態検知機構４０は、レーザ溶接の溶接欠陥の有無の検知結果を示す出力信号を生成してコントローラ７０に送る。詳細は後述するが、実施の形態１の溶接状態検知機構４０は、複数（例えば３種類）の異なるセンサとプロセッサ（図示略）とを用いて構成される。それぞれのセンサは、例えば第１光センサＳ１、第２光センサＳ２および第３光センサＳ３である。これらのセンサの動作の詳細については、後述する。このプロセッサ（図示略）は、それぞれのセンサの出力に基づいて、溶接ヘッド３０によるワークＷの溶接点（図８～図１０参照）へのレーザ溶接の溶接欠陥（溶接不良）の有無を検知する。
　なお、溶接状態検知機構４０において、このプロセッサ（図示略）の構成は省略されてもよく、この場合には溶接ヘッド３０によるワークＷの溶接点（図８～図１０参照）へのレーザ溶接の溶接欠陥（溶接不良）の有無の検知はコントローラ７０の制御部７１において判定されて構わない。
　コントローラ７０は、制御部７１と記憶部７２と表示部７３とを有する構成である。コントローラ７０は、レーザ発振器８０のレーザ発振を制御する。具体的には、コントローラ７０は、レーザ発振器８０に接続された電源（図示略）に対して出力電流およびオンオフ時間等の制御信号を供給することにより、レーザ発振とレーザ出力の制御を行う。また、コントローラ７０は、選択されたレーザ溶接プログラムの内容に応じて、溶接ヘッド３０に設けられた光走査機構（図示略）および焦点位置調整機構（図示略）の駆動制御を、ドライバ（図示略）を介して行う。また、コントローラ７０は、マニピュレータ６０の動作を制御する。
　記憶部７２は、レーザ溶接プログラムを記憶している。記憶部７２は、図１に示すように、コントローラ７０の内部に設けられていてもよいし、コントローラ７０の外部に設けられ、コントローラ７０とデータのやり取りを可能に構成されていてもよい。また、詳細は後述するが、記憶部７２は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワークＷの溶け込み深さとがワークＷの材質に関連付けられたデータを保存している（図３参照）。
　図２Ａおよび図２Ｂは、ワークＷに形成された溶融池およびキーホールとレーザ光ＬＢの焦点位置との関係を模式的に示す図である。図３は、レーザ光ＬＢの焦点位置とワークＷの溶け込み深さとの対応関係を示すテーブル例を示す図である。図２Ａは、レーザ光ＬＢの焦点がワークＷの表面近傍に位置する場合を示す。図２Ｂは、レーザ光ＬＢの焦点がワークＷの内部に位置する場合を示す。レーザ溶接を行う際には、安定な溶接結果を得るために、ワークＷに対する焦点位置の設定は図２に従う場合が多い。
　一般に、金属からなるワークＷをレーザ溶接する際、図２Ａに示すように、レーザ光ＬＢが照射された部分が加熱されて溶け込みが生じ、溶融池８００が形成される。また、レーザ光ＬＢが照射された部分では溶融池８００を構成する材料の激しい蒸発が起こり、その反力で溶融池８００の内部にキーホール８１０が形成される。
　キーホール８１０が形成されると、レーザ光ＬＢの大部分が、キーホール８１０の内壁面で複数回反射されながらキーホール８１０の内部に進入し、溶融池８００に吸収される。キーホール８１０の内壁面で反射を繰り返すことにより、レーザ光ＬＢが溶融池８００に吸収される吸収率が向上してワークＷへの入熱量が大きくなり、溶け込み深さが深くなる。また、ワークＷの材質または溶接条件によって異なり、量も少ない（材料、溶接条件などによって異なるが、通常１割以下）が、一部は、キーホール８１０の入口付近のキーホール壁によって反射され、反射されたレーザ光ＬＢがキーホール８１０の中に入ることなく、その外へ反射されて損失となる。
　また、キーホール８１０は、溶融池８００の表面に形成されたキーホール８１０の開口８１１から溶融池８００の内部に向けて延びる開放空間であるため、図２Ｂに示すように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワークＷの表面から内部に、具体的には、キーホール８１０の内部に達するようにすると、キーホール８１０の内壁面に照射されるレーザ光ＬＢのパワー密度が高くなって溶融池８００に吸収される光量が増加し、図２Ａに示す場合よりも溶け込み深さを深くすることができる。また、レーザ光ＬＢの焦点位置をキーホール８１０の内部に達するようにすると、図２Ａに示す場合よりもキーホール８１０の開口８１１を拡げられるため、キーホール８１０の内部にレーザ光ＬＢがより到達しやすくなる。なお、レーザ光ＬＢの焦点位置がワークＷの表面から内部にあった場合、キーホール８１０の開口８１１付近においてレーザ光ＬＢが収束した形でキーホール８１０の奥に入るので、キーホール８１０の入り口付近のキーホール壁によって反射されにくくなり、溶融池８００によって吸収される光量が増加することも溶け込み深さの増加につながる。
　ワークＷの表面を基準として、その上方、つまり、ワークＷの外側にレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワークＷの溶け込み深さは浅くなる。一方、ワークＷの表面を基準として、その下方、つまり、ワークＷの内部の所定位置までレーザ光ＬＢの焦点位置が移動するにつれて、ワークＷの溶け込み深さは深くなる。なお、所定位置よりもワークＷの内部深くにレーザ光ＬＢの焦点位置が移動すると、ワークＷの表面でのレーザ光ＬＢのパワー密度が低下し、溶融池８００の形成初期におけるワークＷに対する入熱量が減少する。このため、溶け込み深さはかえって浅くなる。
　このように、キーホール８１０の内部に達するように、レーザ光ＬＢの焦点位置をワークＷの表面から内部の所定位置まで移動させることで、ワークＷの溶け込み深さを深くすることができる。
　また、ワークＷの材質やレーザ光ＬＢの出力によって、図３に示す曲線の形状は変化する。このため、記憶部７２には、ワークＷの材質やレーザ光ＬＢの出力、また、レーザ光ＬＢの波長に関連付けられて、レーザ光ＬＢの焦点位置に対するワークＷの溶け込み深さがテーブル形式のデータとして保存されている。なお、図３の説明を分かり易くするために、グラフ形式でレーザ光ＬＢの焦点位置に対するワークＷの溶け込み深さの変化を示したが、実際には、図３に示す曲線の各プロットがデータ形式でワークＷの材質等に関連付けられている。
　ワークＷをレーザ溶接するにあたって、ワークＷにおける溶接部位の形状と図３に示すデータとに基づいて、レーザ光ＬＢの焦点位置を変化させることで、溶接部位の形状に応じて適切にレーザ溶接が行えるとともに、ワークＷの接合強度を確保することができる。
　制御部７１は、記憶部７２に記憶されたレーザ溶接プログラムに従って、レーザ発振器８０のレーザ光ＬＢの出力強度（パワー密度）を制御する。制御部７１は、記憶部７２に記憶されたレーザ溶接プログラムおよびマニピュレータ６０に設けられたエンコーダ（図示略）からのフィードバック信号に従って、マニピュレータ６０に設けられたサーボモータ（図示略）に位置指令を送信し、サーボモータ（図示略）の回転速度および回転量を制御する。
　また、制御部７１は、溶接状態検知機構４０から得られる出力信号（後述参照）に基づいて、レーザ発振器８０および溶接ヘッド３０の動作を制御する。この制御部７１の動作の詳細については後述する。
　表示部７３は、制御部７１による制御により、レーザ発振器８０の出力状態、マニピュレータ６０の動作状態および警告等を表示する。
　マニピュレータ６０は、サーボモータ（図示略）およびエンコーダ（図示略）を関節軸（例えば図１では４つの関節軸であるが、レーザ溶接の場合は６軸を設ける場合が多い）ごとに有する構成である。マニピュレータ６０は、コントローラ７０と接続され、関節軸ごとのサーボモータおよびエンコーダを動作させることで、前述のレーザ溶接プログラムに応じて所定の軌跡を描くように溶接ヘッド３０を移動させる。
　図４は、溶接状態検知機構４０を構成する第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３の第１の配置位置例を模式的に示す図である。溶接状態検知機構４０を構成する第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３は、図４に示すように、溶接ヘッド３０のサイド（側面）にワークＷに照射されるレーザ光ＬＢ（言い換えると、レーザビーム）と非同軸に適宜に配置されてよい。言い換えると、溶接ヘッド３０の動きと連動して第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３は移動する。また、溶接ヘッド３０が略円筒形状あるいは円筒形状の筐体を有する場合には、第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３は、それぞれ溶接ヘッド３０の筐体に沿って適宜に配置されてよい。
　詳細は図５Ａおよび図５Ｂを参照して後述するが、第１光センサＳ１は、溶接ヘッド３０からレーザ光ＬＢをワークＷへ照射（つまりレーザ溶接）する際にワークＷの溶接点から反射された特定波長光の光量（センサ信号強度の一例）を検知する。この特定波長光は、ワークＷへ照射するレーザ光ＬＢ（言い換えると、レーザビーム）の波長と同じである。以下、この特定波長光を反射光Ｌ１と称する。
　詳細は図６Ａおよび図６Ｂを参照して後述するが、第２光センサＳ２は、溶接ヘッド３０からレーザ光ＬＢのワークＷへの照射（つまりレーザ溶接）により生じたプラズマ発光Ｌ２（例えば可視光領域の波長を有する光）の光量（センサ信号強度の一例）を検知する。
　詳細は図７Ａおよび図７Ｂを参照して後述するが、第３光センサＳ３は、溶接ヘッド３０からレーザ光ＬＢをワークＷへ照射（つまりレーザ溶接）する際にワークＷの溶接点における温度上昇によって生じた放射光、特に近赤外光Ｌ３（例えば８００ｎｍ以上の波長を有する光）の光量（センサ信号強度の一例）を検知する。
　図５Ａは、レーザ溶接が正常である時の第１光センサＳ１によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図５Ｂは、レーザ溶接が異常である時の第１光センサＳ１によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図５Ａおよび図５Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はセンサ信号強度（つまり、第１光センサＳ１が検知する反射光Ｌ１（上述参照）の光量）を示す。第１光センサＳ１は、レーザ溶接中に溶接点から生じる反射光Ｌ１を検知する。
　図５Ａでは、レーザ溶接の開始時点から終了時点までに正常なレーザ溶接が実行された時の第１光センサＳ１の検知光量の分布特性（例えば中心曲線ＭＤ１）が示されており、センサ信号強度は下限曲線ＬＷ１から上限曲線ＵＰ１までの正常範囲の値をとることが示されている。ワークＷは金属でありレーザ溶接の開始時点ではワークＷが溶融し始まるまで固体状態となる。このため、レーザ溶接の開始時点ではワークＷの反射率が高くなり、センサ信号強度は相対的に高くなる傾向がある。ワークＷが溶融し出していくと、キーホールの形成と共に溶接点からの反射率が徐々に低下していくので、センサ信号強度は初期の高い値から徐々に低くなって安定して推移する。
　しかし、図５Ｂに示すように、レーザ溶接の開始時点から終了時点までのいずれかのタイミングで正常なレーザ溶接が実行されない場合には、第１光センサＳ１の検知光量の分布特性ＭＳ１は、Ａ部およびＢ部のように正常範囲である下限曲線ＬＷ１～上限曲線ＵＰ１の間から逸脱した値を有することになる。このようなＡ部およびＢ部のうち少なくとも１箇所の特性が検知された場合には、溶接状態検知機構４０は、第１光センサＳ１の検知結果として、該当する溶接点の溶接欠陥（溶接不良）を検知する。
　例えばＡ部では、センサ信号強度が下限曲線ＬＷ１から一層低くなっている。これは、例えば、薄板のレーザ溶接でレーザパワーの変動またはワークＷの個体ばらつきで溶融池の変動が発生し、最終的にワークＷに穴が開いたために、溶接点での反射光Ｌ１が下限曲線ＬＷ１よりも低くなってしまったことが考えられる。また、薄板の重ね溶接では、上板と下板間のギャップが広くなりすぎ溶融池も大きくなったことによって反射光Ｌ１が減少することがある。
　例えばＢ部では、センサ信号強度が上限曲線ＵＰ１から一層高くなっている。これは、レーザ溶接でレーザパワーの変動によるワークＷの溶融量が十分でなかったために、溶接点での反射光Ｌ１が上限曲線ＵＰ１よりも高くなってしまったことが考えられる。
　図６Ａは、レーザ溶接が正常である時の第２光センサＳ２によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図６Ｂは、レーザ溶接が異常である時の第２光センサＳ２によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はセンサ信号強度（つまり、第２光センサＳ２が検知するプラズマ発光Ｌ２（上述参照）の光量）を示す。第２光センサＳ２は、レーザ溶接中に溶接点から生じるプラズマ発光Ｌ２を検知する。
　図６Ａでは、レーザ溶接の開始時点から終了時点までに正常なレーザ溶接が実行された時の第２光センサＳ２の検知光量の分布特性（例えば中心曲線ＭＤ２）が示されており、センサ信号強度は下限曲線ＬＷ２から上限曲線ＵＰ２までの正常範囲の値をとることが示されている。プラズマ発光Ｌ２はレーザ溶接の開始時点から終了時点までほぼ安定して推移する。
　しかし、図６Ｂに示すように、レーザ溶接の開始時点から終了時点までのいずれかのタイミングで正常なレーザ溶接が実行されない場合には、第２光センサＳ２の検知光量の分布特性ＭＳ２は、Ｃ部およびＤ部のような正常範囲である下限曲線ＬＷ２～上限曲線ＵＰ２の間から逸脱した値を有することになる。このようなＣ部およびＤ部のうち少なくとも１箇所の特性が検知された場合には、溶接状態検知機構４０は、第２光センサＳ２の検知結果として、該当する溶接点の溶接欠陥（溶接不良）を検知する。
　例えばＣ部では、センサ信号強度が上限曲線ＵＰ２から一層高くなっている。これは、レーザ溶接のレーザパワーの変動またはワークＷの個体ばらつきでワークＷが多く溶融してスパッタが発生する等の現象が起きたために一時的に溶接点でのプラズマ発光量が上限曲線ＵＰ２よりも高くなってしまったことが考えられる。レーザパワーの変動がなくても、溶融池の変動によってキーホールが大きく揺れると、大きなプラズマ発光を伴う場合もある。
　例えばＤ部では、センサ信号強度が下限曲線ＬＷ２から一層低くなっている。これは、Ａ部（図５Ｂ参照）と同様に、例えばレーザ溶接時の溶融池の変動でワークＷに穴が開いたり、もしくはギャップが多すぎて安定な溶融池が形成できなかったりするために、溶接点でのプラズマ発光量が下限曲線ＬＷ２よりも低くなってしまったことが考えられる。
　図７Ａは、レーザ溶接が正常である時の第３光センサＳ３によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図７Ｂは、レーザ溶接が異常である時の第３光センサＳ３によるセンサ信号強度の分布例を示す図である。図７Ａおよび図７Ｂにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はセンサ信号強度（つまり、第３光センサＳ３が検知する近赤外光Ｌ３（上述参照）の光量）を示す。第３光センサＳ３は、レーザ溶接中に溶融池の温度と強い関連性を持つ、溶接点から生じる近赤外光Ｌ３を検知する。
　図７Ａでは、レーザ溶接の開始時点から終了時点までに正常なレーザ溶接が実行された時の第３光センサＳ３の検知光量の分布特性（例えば中心曲線ＭＤ３）が示されており、センサ信号強度は下限曲線ＬＷ３から上限曲線ＵＰ３までの正常範囲の値をとることが示されている。ワークＷは金属でありレーザ溶接の開始時点ではワークＷが溶融し始まるまで固体状態となる。このため、レーザ溶接の開始時点ではワークＷの温度が低いため溶融池の温度も相対的に低くなり、センサ信号強度は相対的に低くなる傾向がある。ワークＷが溶融し出していくと、ワークＷの温度が徐々に上がっていき安定になるので、近赤外光Ｌ３はレーザ溶接の終了時点に向けて漸増傾向に推移する。図示では、溶接の終了点に向けて近赤外光Ｌ３の強さが漸増傾向としたが、ワークＷと溶接条件との組み合わせによっては溶接の終了点まで近赤外光Ｌ３がほぼ一定になる場合もある。
　しかし、図７Ｂに示すように、レーザ溶接の開始時点から終了時点までのいずれかのタイミングで正常なレーザ溶接が実行されない場合には、第３光センサＳ３の検知光量の分布特性ＭＳ３は、Ｅ部およびＦ部のような正常範囲から逸脱した値を有することになる。このようなＥ部およびＦ部のうち少なくとも１箇所の特性が検知された場合には、溶接状態検知機構４０は、第３光センサＳ３の検知結果として、該当する溶接点の溶接欠陥（溶接不良）を検知する。
　例えばＥ部では、センサ信号強度が上限曲線ＵＰ３から一層高くなっている。これは、図６Ａと同様に、レーザ溶接時のレーザ出力の変動まだはワークＷの個体ばらつきによってワークＷが多く溶融してしまう等の現象が起きたために一時的に溶接点での近赤外光（言い換えると、温度）が上限曲線ＵＰ３よりも高くなってしまったことが考えられる。
　例えばＦ部では、センサ信号強度が下限曲線ＬＷ３から一層低くなっている。これは、図６Ｂと同様に、例えばレーザ溶接時にワークＷに穴が開いたり、またはギャップが大きく溶融池が深く窪んだりしたために、溶接点での近赤外光量が下限曲線ＬＷ３よりも低くなってしまったことが考えられる。
　次に、第１光センサＳ１、第２光センサＳ２および第３光センサＳ３が内蔵された溶接ヘッド３０の内部構成例を、図８、図９および図１０のそれぞれを参照して説明する。
　図８は、溶接状態検知機構４０を構成する第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３の第２の配置位置例を模式的に示す図である。図８では、第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３はいずれも溶接ヘッド３０に内蔵されている。溶接ヘッド３０は光ファイバ９０の出射端と接続される。図８に示す溶接ヘッド３０内には、コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、保護ガラスＰＴＧ１と、第２ミラーＭＲＲ２と、集光レンズＦＣＬ２と、第１光センサＳ１と、第３ミラーＭＲＲ３と、集光レンズＦＣＬ３と、第２光センサＳ２と、集光レンズＦＣＬ４と、第３光センサＳ３とが配置される。
　コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、保護ガラスＰＴＧ１とは入射光光軸ａａ’上に配置される。また、第１ミラーＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、保護ガラスＰＴＧ１とは反射光光軸ａ’ｂ上にも配置される。第１ミラーＭＲＲ１と、第２ミラーＭＲＲ２と、第３ミラーＭＲＲ３と、集光レンズＦＣＬ４とは反射光光軸ｂｂ’上に配置される。第２ミラーＭＲＲ２と、集光レンズＦＣＬ２と、第１光センサＳ１とは反射光光軸ｃｃ’上に配置される。なお、ｃは反射光光軸ｂｂ’上に位置する。第３ミラーＭＲＲ３と、集光レンズＦＣＬ３と、第２光センサＳ２とは反射光光軸ｄｄ’上に配置される。なお、ｄは反射光光軸ｂｂ’上に位置する。
　具体的には、光ファイバ９０の出射端から溶接ヘッド３０内に入射したレーザ光ＬＢ（つまり出射ビームＢＭ１）は、入射光光軸ａａ’に沿って進み、コリメートレンズＣＬＬ１を介して平行なコリメートビームＣＬＬＢＭ１に形成される。このコリメートビームＣＬＬＢＭ１は、入射光光軸ａａ’に沿って、第１ミラーＭＲＲ１を透過して集光レンズＦＣＬ１により集光される。集光された入射ビームＩＣＢ１は、入射光光軸ａａ’に沿って保護ガラスＰＴＧ１を介してワークＷの溶接点に照射される。なお、第１ミラーＭＲＲ１には、入射光光軸ａａ’の方向の光を透過させ、かつ、反射光光軸ａ’ｂの方向の光を、図示では約９０度時計回りに反射させるためのコーティングが予め施されている。
　ワークＷの溶接点から生じた様々な波長帯を含む光（例えば反射光Ｌ１、プラズマ発光Ｌ２、近赤外光Ｌ３）は、反射ビームＲＦＢ１として、反射光光軸ａ’ｂに沿って進み、保護ガラスＰＴＧ１および集光レンズＦＣＬ１を透過し、第１ミラーＭＲＲ１により反射させられる。
　この反射を経て反射ビームＲＦＢ１は、反射光光軸ｂｂ’に沿って進む。反射ビームＲＦＢ１のうち反射光Ｌ１は第２ミラーＭＲＲ２によって反射し、残りの波長帯の光（具体的にはプラズマ発光Ｌ２および近赤外光Ｌ３）は第２ミラーＭＲＲ２を透過する。第２ミラーＭＲＲ２には、反射光Ｌ１を反射させ、残りの波長帯の光（具体的にはプラズマ発光Ｌ２および近赤外光Ｌ３）を透過させるためのコーティングが予め施されている。反射光Ｌ１は、反射光光軸ｃｃ’に沿って進み、集光レンズＦＣＬ２を介して集光されて第１光センサＳ１により受光され、その光量がセンサ信号強度（図５Ａあるいは図５Ｂ参照）として検知される。
　第２ミラーＭＲＲ２を透過したプラズマ発光Ｌ２および近赤外光Ｌ３のうちプラズマ発光Ｌ２は第３ミラーＭＲＲ３によって反射し、残りの波長帯の光（具体的には近赤外光Ｌ３）は第３ミラーＭＲＲ３を透過する。第３ミラーＭＲＲ３には、プラズマ発光Ｌ２を反射させ、残りの波長帯の光（具体的には近赤外光Ｌ３）を透過させるためのコーティングが予め施されている。プラズマ発光Ｌ２は、反射光光軸ｄｄ’に沿って進み、集光レンズＦＣＬ３を介して集光されて第２光センサＳ２により受光され、その光量がセンサ信号強度（図６Ａあるいは図６Ｂ参照）として検知される。
　第３ミラーＭＲＲ３を透過した近赤外光Ｌ３は集光レンズＦＣＬ４を介して集光されて第３光センサＳ３により受光され、その光量がセンサ信号強度（図７Ａあるいは図７Ｂ参照）として検知される。
　図９は、溶接状態検知機構４０を構成する第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３の第３の配置位置例を模式的に示す図である。図９でも図８と同様に、第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３はいずれも溶接ヘッド３０に内蔵されている。図９の説明において、図８の要素と同一の要素については同一の符号を付与して説明を簡略化あるいは省略し、異なる内容について説明する。
　図９に示す溶接ヘッド３０内には、コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、ベンドミラーＢＭＲＲ１と、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１と、集光レンズＦＣＬ１と、保護ガラスＰＴＧ１と、第２ミラーＭＲＲ２と、集光レンズＦＣＬ２と、第１光センサＳ１と、第３ミラーＭＲＲ３と、集光レンズＦＣＬ３と、第２光センサＳ２と、集光レンズＦＣＬ４と、第３光センサＳ３とが配置される。図９の溶接状態検知機構４０の構成は、図８に示す溶接状態検知機構４０の構成と同一であるため説明は省略する。
　図９と図８との差異は、図９ではガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１が採用されている点である。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１は、ワークＷの表面と平行なＸＹ平面のいずれか一つを規定するＸ軸方向に駆動されるＸ軸ミラーＸＭＲＲ１と、ワークＷの表面と平行なＸＹ平面のいずれか一つを規定するＹ軸方向に駆動されるＹ軸ミラーＹＭＲＲ１と、Ｘ軸ミラーＸＭＲＲ１およびＹ軸ミラーＹＭＲＲ１を制御する制御ドライバ（図示略）と、を含む構成である。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１は、Ｘ軸ミラーＸＭＲＲ１およびＹ軸ミラーＹＭＲＲ１を制御することで、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１に入射した光（具体的にはベンドミラーＢＭＲＲ１により反射したコリメートビームＣＬＬＢＭ１）を入射ビームＩＣＢ１としてワークＷの溶接点に向けて照射する。
　コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、ベンドミラーＢＭＲＲ１とは入射光光軸ａａ’上に配置される。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１は入射光光軸ａ’’ａ’’’上に配置される。また、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１と、集光レンズＦＣＬ１と、保護ガラスＰＴＧ１とは、入射光光軸ａ’’’’ａ’’’’’上に配置される。また、ベンドミラーＢＭＲＲ１と、第１ミラーＭＲＲ１とは反射光光軸ａ’ｂ上にも配置される。反射光光軸ｂｂ’，反射光光軸ｃｃ’，反射光光軸ｄｄ’上に配置される要素は図８と同一であるため、詳細な説明は省略する。したがって、図９に示す例によれば、集光レンズＦＣＬ１がワークＷの表面に近い位置に配置されかつガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１が採用されることで、ワークＷへのレーザビームの照射位置を自由自在に制御することができる。
　具体的には、光ファイバ９０の出射端から溶接ヘッド３０内に入射したレーザ光ＬＢ（つまり出射ビームＢＭ１）は、入射光光軸ａａ’に沿って進み、コリメートレンズＣＬＬ１を介して平行なコリメートビームＣＬＬＢＭ１に形成される。このコリメートビームＣＬＬＢＭ１は、入射光光軸ａａ’に沿って、第１ミラーＭＲＲ１を透過してベンドミラーＢＭＲＲ１により反射させられる。ベンドミラーＢＭＲＲ１に反射させられたコリメートビームＣＬＬＢＭ１は、入射光光軸ａ’’ａ’’’に沿って、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１に入射する。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１のＸ軸ミラーＸＭＲＲ１およびＹ軸ミラーＹＭＲＲ１に適宜反射させられて、コリメートビームＣＬＬＢＭ１は、入射光光軸ａ’’’’ａ’’’’’に沿って、集光レンズＦＣＬ１および保護ガラスＰＴＧ１を介してワークＷの溶接点に照射される。なお、ベンドミラーＢＭＲＲ１には、入射光光軸ａａ’の方向の光を、図示では９０度反時計回りに反射させ、かつ、入射光光軸ａ’’ａ’’’の方向の光を９０度時計回りに反射させるためのコーティングが予め施されている。
　ワークＷの溶接点から生じた様々な波長帯を含む光（例えば反射光Ｌ１、プラズマ発光Ｌ２、近赤外光Ｌ３）は、反射ビームＲＦＢ１として、入射光光軸ａ’’’’ａ’’’’’に沿って進み、保護ガラスＰＴＧ１および集光レンズＦＣＬ１を透過し、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１により反射させられる。
　この反射を経て反射ビームＲＦＢ１は、反射光光軸ａ’’’ａ’’に沿って進み、ベンドミラーＢＭＲＲ１により反射させられる。この反射を経て反射ビームＲＦＢ１は、反射光光軸ａ’ｂに沿って進み、第１ミラーＭＲＲ１により反射させられる。この反射以降の光の光路は図８と同様であるため、説明を省略する。
　図１０は、溶接状態検知機構４０を構成する第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３の第４の配置位置例を模式的に示す図である。図１０でも図８と同様に、第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３はいずれも溶接ヘッド３０に内蔵されている。図１０の説明において、図９の要素と同一の要素については同一の符号を付与して説明を簡略化あるいは省略し、異なる内容について説明する。
　図１０に示す溶接ヘッド３０内には、コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、ベンドミラーＢＭＲＲ１と、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１と、保護ガラスＰＴＧ１と、第２ミラーＭＲＲ２と、集光レンズＦＣＬ２と、第１光センサＳ１と、第３ミラーＭＲＲ３と、集光レンズＦＣＬ３と、第２光センサＳ２と、集光レンズＦＣＬ４と、第３光センサＳ３とが配置される。図１０の溶接状態検知機構４０の構成は、図９に示す溶接状態検知機構４０の構成と同一であるため説明は省略する。
　図１０と図９との差異は、図１０では集光レンズＦＣＬ１が配置されている位置が異なる点である。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１は、集光レンズＦＣＬ１により集光された光を入射し、Ｘ軸ミラーＸＭＲＲ１およびＹ軸ミラーＹＭＲＲ１を制御することで、ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１に入射した光（具体的にはベンドミラーＢＭＲＲ１により反射した光）を入射ビームＩＣＢ１としてワークＷの溶接点に向けて照射する。
　コリメートレンズＣＬＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、ベンドミラーＢＭＲＲ１とは入射光光軸ａａ’上に配置される。ガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１と、保護ガラスＰＴＧ１とは、入射光光軸ａ’’’’ａ’’’’’上に配置される。また、ベンドミラーＢＭＲＲ１と、集光レンズＦＣＬ１と、第１ミラーＭＲＲ１とは反射光光軸ａ’ｂ上にも配置される。反射光光軸ｂｂ’，反射光光軸ｃｃ’，反射光光軸ｄｄ’上に配置される要素は図８と同一であるため、詳細な説明は省略する。したがって、図１０に示す例によれば、集光レンズＦＣＬ１がガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１への入射側より手前に配置されかつガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１が採用されることで、図９と同様にワークＷへのレーザビームの照射位置を自由自在に制御することができる。
　次に、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００のレーザ溶接点および補助溶接点と動作手順について、図１１および図１２を参照して説明する。図１１は、実施の形態１に係るレーザ溶接点と補助溶接点の一例を模式的に示す図である。図１２は、実施の形態１に係るレーザ溶接装置の動作手順例を示すフローチャートである。
　図１１において、レーザ溶接装置１００は、予めレーザ溶接プログラムにおいて規定されたワークＷの溶接線ＷＬＮ１に沿って複数の溶接点ＷＬＰ１，ＷＬＰ２，ＷＬＰ３，ＷＬＰ４，ＷＬＰ５のそれぞれをレーザ溶接する。レーザ溶接プログラムでは、例えば溶接点ＷＬＰ１，ＷＬＰ２，ＷＬＰ３，ＷＬＰ４，ＷＬＰ５の順にレーザ溶接が実行されるとする。図１１では、例えば溶接点ＷＬＰ１，ＷＬＰ２，ＷＬＰ５の３箇所のレーザ溶接は正常に実行されたが、溶接点ＷＬＰ３，ＷＬＰ４の２箇所のレーザ溶接の異常（つまり溶接欠陥）が発生したことが検知されたとする。
　この場合、レーザ溶接装置１００は、溶接欠陥が発生した溶接点ＷＬＰ３の近くの所定位置を示す補助溶接点ＳＰＷＬＰ１に、補助用のレーザ溶接（リペア溶接）を施す。このリペア溶接が実行されると、レーザ溶接装置１００は、溶接点ＷＬＰ３の次の溶接点ＷＬＰ４のレーザ溶接を実行する。
　ところが、溶接点ＷＬＰ４でも同様に溶接欠陥が発生したことが検知された場合、レーザ溶接装置１００は、溶接欠陥が発生した溶接点ＷＬＰ４の近くの所定位置を示す補助溶接点ＳＰＷＬＰ２に、補助用のレーザ溶接（リペア溶接）を施す。このリペア溶接が実行されると、レーザ溶接装置１００は、溶接点ＷＬＰ４の次の溶接点ＷＬＰ５のレーザ溶接を実行する。
　図１２において、レーザ溶接装置１００は、Ｋ番目の溶接点にレーザ溶接を施す（Ｓｔ１）。Ｋは１でもよいし、２以上の整数でもよい。レーザ溶接装置１００は、Ｋ番目の溶接点の状態がＯＫ（つまり、溶接状態検知機構４０からの出力信号が、溶接欠陥が無いことを示す）であるか否かを判定する（Ｓｔ２）。この判定は、例えばコントローラ７０の制御部７１により実行されてよく、以下同様である。
　レーザ溶接装置１００は、Ｋ番目の溶接点の状態がＯＫではないと判定した場合（Ｓｔ２、ＮＯ）、Ｋ番目の溶接点の近くの所定位置（補助溶接点）に補助用のレーザ溶接を実行する（Ｓｔ３）。ステップＳｔ３の後あるいはＫ番目の溶接点の状態がＯＫであると判定された場合（Ｓｔ２、ＹＥＳ）、レーザ溶接装置１００は、（Ｋ＋１）番目の溶接点にレーザ溶接を施す（Ｓｔ４）。レーザ溶接装置１００は、（Ｋ＋１）番目の溶接点の状態がＯＫ（つまり、溶接状態検知機構４０からの出力信号が、溶接欠陥が無いことを示す）であるか否かを判定する（Ｓｔ５）。
　レーザ溶接装置１００は、（Ｋ＋１）番目の溶接点の状態がＯＫではないと判定した場合（Ｓｔ５、ＮＯ）、（Ｋ＋１）番目の溶接点の近くの所定位置（補助溶接点）に補助用のレーザ溶接を実行する（Ｓｔ６）。ステップＳｔ６の後あるいは（Ｋ＋１）番目の溶接点の状態がＯＫであると判定された場合（Ｓｔ５、ＹＥＳ）、レーザ溶接装置１００は、（Ｋ＋２）番目の溶接点にレーザ溶接を施す（Ｓｔ７）。なお、ステップＳｔ７以降の処理は、例えばステップＳｔ２～ステップＳｔ３の処理を１セットとして、全ての溶接点へのレーザ溶接が終了するまで、この１セットごとに同様に繰り返される。
　以上は、溶接欠陥が発生した（ステップＳｔ２にてＮＯと判定）場合の補助溶接点の溶接方法（ステップＳｔ３）について説明した。言うまでもなく、設計上、補助溶接点が不要の溶接点については、ステップＳｔ２にてＹＥＳ判定と見なし、その後の溶接を実施してよい。
　以上により、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００は、ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器８０と、ファイバの出射端と接続され、レーザ発振器８０から出射端を介して出射されたレーザ光ＬＢをワークＷに集光して照射しながらレーザ溶接を行う溶接ヘッド３０と、レーザ溶接の欠陥の有無を検知する検知部と、検知部の出力信号に基づいて、レーザ発振器８０および溶接ヘッド３０の動作を制御するコントローラ７０と、を備える。コントローラ７０は、ワークＷへのレーザ溶接中にワークＷの溶接点の欠陥を示す出力信号を検知部から受領した時、溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する。
　これにより、レーザ溶接装置１００は、レーザ溶接中に溶接点の溶接欠陥が検知されても、溶接欠陥が検知された溶接部位の溶接強度を迅速かつ適切に保持できる。例えばワークＷに準備された全ての溶接点（例えば溶接点ＷＬＰ１～ＷＬＰ５）がレーザ溶接された後で個々に溶接欠陥の有無が検知された後に溶接欠陥があった箇所にだけ補助用のレーザ溶接または他の方法の溶接を行う場合に比べて、溶接欠陥が検知された溶接点の近くに直ちに補助用のレーザ溶接が行われる方が全体のタクトタイムが低減するだけでなく、レーザ溶接の品質が向上可能となる。なお、実施の形態１では、ワークＷに準備された全ての溶接点（例えば溶接点ＷＬＰ１～ＷＬＰ５）がレーザ溶接された後で個々に溶接欠陥の有無が検知された後に溶接欠陥があった箇所にだけ補助用のレーザ溶接を行っても構わない。
　また、コントローラ７０は、補助用のレーザ溶接を実行した後、溶接欠陥が検知された溶接点（例えば溶接点ＷＬＰ３）の次の溶接点を示す第２溶接点（例えば溶接点ＷＬＰ４）のレーザ溶接を実行する。これにより、レーザ溶接装置１００は、溶接欠陥が検知された溶接点を補助するためのリペア溶接を連続的に行えるので、ワークＷへのレーザ溶接のタクトタイムを低減できる。
　また、検知部は、複数の異なるセンサを有し、少なくとも１つのセンサから異常を示す信号を受領した時に、レーザ溶接の欠陥がある旨の出力信号を出力する。これにより、レーザ溶接装置１００は、溶接点の溶接欠陥の有無を複数のセンサによって網羅的に検知できる。
　また、検知部は、レーザ溶接により生じる溶接点からの特定波長光（例えば反射光Ｌ１）を受光し、反射光Ｌ１の強度に基づいて異常の有無を検知する第１光センサＳ１と、レーザ溶接により生じる溶接点からのプラズマ発光Ｌ２を受光し、プラズマ発光Ｌ２の強度に基づいて異常の有無を検知する第２光センサＳ２と、レーザ溶接により生じる溶接点からの近赤外光Ｌ３を受光し、近赤外光Ｌ３の強度に基づいて異常の有無を検知する第３光センサＳ３と、を有する。これにより、レーザ溶接装置１００は、それぞれレーザ溶接時に発生する各種の波長帯を有する光の特徴に鑑みて、溶接点の溶接欠陥の有無を適切かつ高精度に検知できる。
　また、第１光センサＳ１は、特定波長光として、溶接点からの反射光Ｌ１を受光する。第２光センサＳ２は、プラズマ発光のうち４００ｎｍ～８００ｎｍの波長を有する光を受光する。第３光センサＳ３は、近赤外光のうち８００ｎｍ～２０００ｎｍの波長を有する光を受光する。これにより、レーザ溶接装置１００は、それぞれのセンサ（つまり第１光センサＳ１、第２光センサＳ２、第３光センサＳ３）が受光し易い光の特徴に鑑みて、溶接点の溶接欠陥の有無を適切かつ高精度に検知できる。
　また、複数の異なるセンサのそれぞれは、溶接ヘッド３０の周囲に配置される。これにより、複数の異なるセンサの溶接ヘッド３０への取り付けを簡易化できるだけでなく、複数の異なるセンサのそれぞれが溶接ヘッド３０とともに移動するので、レーザ溶接中に溶接点の溶接欠陥の有無を簡易に検知できる。
　また、複数の異なるセンサのそれぞれは、レーザ光のワークＷへの照射方向と同軸かつ溶接ヘッド３０内に配置される。これにより、溶接ヘッド３０内に複数の異なるセンサを内蔵できるのでレーザ溶接装置１００全体の大型化を避けることができるだけでなく、それぞれのセンサをワークＷへのレーザ光ＬＢの照射方向と同軸に配置可能となるので、レーザ溶接中に溶接点の溶接欠陥の有無を高精度に検知できる。
　また、複数の異なるセンサのそれぞれは、溶接ヘッド３０内に配置され、溶接ヘッド３０は、レーザ光ＬＢをワークＷの溶接点に照射するガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１を内蔵する。これにより、溶接ヘッド３０内でのガルバノスキャナ機構ＧＬＶＵ１の採用により、ワークＷへのレーザ光ＬＢ（言い換えると、レーザビーム）の照射位置を自由自在に制御することができると共に、レーザ溶接中に溶接点の溶接欠陥の有無を高精度に検知できる。
　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本開示はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例、修正例、置換例、付加例、削除例、均等例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した各種の実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。
　なお、本出願は、２０２０年６月２９日出願の日本特許出願（特願２０２０－１１１７２０）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。
　本開示は、レーザ溶接中に許容できない溶接欠陥が検知された場合、溶接欠陥が検知された溶接部位の溶接強度を迅速かつ適切に維持する手段を講じるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法として有用である。
３０　溶接ヘッド
４０　溶接状態検知機構
６０　マニピュレータ
７０　コントローラ
７１　制御部
７２　記憶部
７３　表示部
８０　レーザ発振器
９０　光ファイバ
１００　レーザ溶接装置
ＬＢ　レーザ光
Ｓ１　第１光センサ
Ｓ２　第２光センサ
Ｓ３　第３光センサ
Ｗ　ワーク

Claims (9)

  1. 　ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器と、
    　前記ファイバの出射端と接続され、前記レーザ発振器から前記出射端を介して出射されたレーザ光をワークに集光して照射しながらレーザ溶接を行う溶接ヘッドと、
    　前記レーザ溶接の欠陥の有無を検知する検知部と、
    　前記検知部の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器および前記溶接ヘッドの動作を制御するコントローラと、を備え、
    　前記コントローラは、前記ワークへのレーザ溶接中に前記ワークの溶接点の欠陥を示す出力信号を前記検知部から受領した時、前記溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する、
    　レーザ溶接装置。
  2. 　前記コントローラは、前記補助用のレーザ溶接を実行した後、前記溶接点の次の溶接点を示す第２溶接点のレーザ溶接を実行する、
    　請求項１に記載のレーザ溶接装置。
  3. 　前記検知部は、複数の異なるセンサを有し、少なくとも１つの前記センサから異常を示す信号を受領した時に、前記レーザ溶接の欠陥がある旨の出力信号を出力する、
    　請求項１に記載のレーザ溶接装置。
  4. 　前記検知部は、
    　前記レーザ溶接により生じる前記溶接点からの特定波長光を受光し、前記特定波長光の強度に基づいて前記異常の有無を検知する第１光センサと、
    　前記レーザ溶接により生じる前記溶接点からのプラズマ発光を受光し、前記プラズマ発光の強度に基づいて前記異常の有無を検知する第２光センサと、
    　前記レーザ溶接により生じる前記溶接点からの近赤外光を受光し、前記近赤外光の強度に基づいて前記異常の有無を検知する第３光センサと、を有する、
    　請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  5. 　前記第１光センサは、前記特定波長光として、前記溶接点からの反射光を受光し、
    　前記第２光センサは、前記プラズマ発光のうち４００ｎｍ～８００ｎｍの波長を有する光を受光し、
    　前記第３光センサは、前記近赤外光のうち８００ｎｍ～２０００ｎｍの波長を有する光を受光する、
    　請求項４に記載のレーザ溶接装置。
  6. 　前記複数の異なるセンサのそれぞれは、前記溶接ヘッドの周囲に配置される、
    　請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  7. 　前記複数の異なるセンサのそれぞれは、前記レーザ光の前記ワークへの照射方向と同軸かつ前記溶接ヘッド内に配置される、
    　請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  8. 　前記複数の異なるセンサのそれぞれは、前記溶接ヘッド内に配置され、
    　前記溶接ヘッドは、前記レーザ光を前記ワークの溶接点に照射するガルバノスキャナ機構を内蔵する、
    　請求項３に記載のレーザ溶接装置。
  9. 　ファイバの入射端が接続されたレーザ発振器から、前記ファイバの出射端を介して出射されたレーザ光をワークに集光して照射しながらレーザ溶接を行う工程と、
    　前記レーザ溶接の欠陥の有無を検知する工程と、
    　前記レーザ溶接の欠陥の有無を検知する検知部の出力信号に基づいて、前記レーザ発振器および溶接ヘッドの動作を制御する工程と、
    　前記ワークへのレーザ溶接中に前記ワークの溶接点の欠陥を示す出力信号を受領した時、前記溶接点の周囲の所定位置に補助用のレーザ溶接を実行する工程と、を有する、
    　レーザ溶接方法。
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