JP2015182093A

JP2015182093A - レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法

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Publication number: JP2015182093A
Application number: JP2014059233A
Authority: JP
Inventors: 篤史川喜田; Atsushi Kawakita; 修平小倉; Shuhei Ogura; 雄太岩本; Yuta Iwamoto; 弘朗岸; Hiroaki Kishi; 伸拓飯島; Nobuhiro Iijima
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-03-20
Filing date: 2014-03-20
Publication date: 2015-10-22
Anticipated expiration: 2034-03-20
Also published as: EP2921249A2; JP5967122B2; US20150266132A1; CN104923916B; EP2921249A3; EP2921249B1; CN104923916A; US10005153B2

Abstract

【課題】リモートレーザー溶接であっても一打点の打点開始と打点終了を正確に検知することができるレーザー溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザー光を照射するレーザー照射ヘッド１０と、レーザー光を集光してワーク上で走査させる光学系２０と、レーザー光のワークＷからの反射光を受光する受光部３０と、受光部３０が受光する反射光に基づいて一打点の打点開始及び打点終了を判断するコントローラ５０と、を備えるレーザー溶接装置１００であって、受光部３０は、反射光のうちレーザー反射光及びプラズマ光のみを受光し、コントローラ５０は、反射光の強度が設定強度Ｐ２以上である時間が設定時間ｔ１以上であれば打点開始と判断し、反射光の強度が設定強度Ｐ１以下である時間が設定時間ｔ２以上であれば打点終了と判断する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザー溶接装置及びレーザー溶接方法の技術に関する。

レーザー溶接とは、レーザー光をワーク（例えば、２枚の鋼板）に照射し、ワークを局部的に溶融及び凝固させることによってワークを接合する溶接である。レーザー溶接装置では、レーザー溶接検査として、例えばワークの溶接部からの反射光に基づいて溶接した打点を照合している（例えば、特許文献１）。

近年、自動車の車体の溶接では、スポット溶接であってもリモートレーザー溶接が行われている。リモートレーザー溶接とは、長焦点のレーザビームをミラーによって溶接部を走査させて溶接するものである。

このようなリモートレーザー溶接では、一打点（一つのスポットを溶接する工程）において溶接用レーザー照射、検査用レーザー照射等の多段階のレーザー照射を行うため、レーザー照射のＯＮ／ＯＦＦのみを基準に一打点における打点開始と打点終了を検知することが困難である。

特開２０１１−１６７６９７号公報

本発明の解決しようとする課題は、リモートレーザー溶接であっても一打点における打点開始と打点終了を正確に検知することができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法を提供することである。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、レーザー光を照射するレーザー照射ヘッドと、前記レーザー光を集光してワーク上で走査させる光学系と、前記レーザー光の前記ワークからの反射光を受光する受光部と、前記受光部が受光する反射光に基づいて一打点の打点開始及び打点終了を判断する制御手段と、を備えるレーザー溶接装置であって、前記受光部は、反射光のうちレーザー反射光及びプラズマ光のみを受光し、前記制御手段は、前記反射光の強度が所定値以上である時間が所定時間以上であれば打点開始と判断し、前記反射光の強度が所定値以下である時間が所定時間以上であれば打点終了と判断するものである。

請求項２においては、ワークにレーザー光を照射し、該レーザー光の該ワークからの反射光を受光し、受光する反射光に基づいて一打点の打点開始及び打点終了を判定するレーザー溶接方法であって、反射光のうちレーザー反射光及びプラズマ光のみを受光し、前記反射光の強度が所定値以上である時間が所定時間以上であれば打点開始と判断し、前記反射光の強度が所定値以下である時間が所定時間以上であれば打点終了と判断するものである。

本発明のレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法によれば、リモートレーザー溶接であっても一打点における打点開始と打点終了を正確に検知することができる。

レーザー溶接装置の構成を示した模式図。レーザー溶接工程の流れを示したフローチャート図。レーザー溶接工程の作用を示したグラフ図。

図１を用いて、レーザー溶接装置１００の構成について説明する。
なお、図１では、レーザー溶接装置１００の構成を模式的に表している。また、図１では、説明を分かり易くするため、照射レーザー光を実線で表し、反射光を二点鎖線で表し、電気信号線を破線で表している。

レーザー溶接装置１００は、本発明のレーザー溶接装置に係る実施形態である。レーザー溶接装置１００は、レーザー光をワークＷに照射し、ワークＷを局部的に溶融及び凝固させることによって接合する装置である。

なお、本実施形態のワークＷは、２枚の鋼板１０１・１０２を重ねあわせたものであって、レーザー溶接装置１００によって溶接用レーザー光が照射され、溶接部Ｙが形成されるものとする。

レーザー溶接装置１００は、レーザー照射ヘッド１０と、光学系２０と、受光部３０と、制御手段としてのコントローラ５０と、を備えている。

レーザー照射ヘッド１０は、レーザー発振器（図示略）によって発振され、光路１１によって導かれたレーザー光をワークＷに照射するものである。光路１１は、ミラーによってレーザー光を折り返して伝送する、あるいは、光ファイバーによってレーザー光を自在に湾曲して伝送するものである。

光学系２０は、複数枚のミラー２５・２５を備えている。光学系２０は、複数枚のミラー２５・２５を調整することによって、レーザー照射ヘッド１０によって照射されたレーザー光を適切なサイズへ集光し、ワークＷ上で走査させるものである。

受光部３０は、検査用レーザー光の溶接部Ｙからの反射光を受光するものとする。受光部３０は、複数のミラー３５と、レーザー光受光部３１と、プラズマ光受光部３２と、赤外線受光部３３と、を備えている。

レーザー光受光部３１は、溶接部Ｙに吸収されなかったレーザー光自体（波長１０６０ｎｍ近傍）がミラー３５によって折り返され、受光される部分である。

プラズマ光受光部３２は、キーホール（溶接部Ｙの凹み）からの金属蒸発によって発生するプラズマ光（波長１１００ｎｍ以上）がミラー３５によって折り返され、受光される部分である。

赤外線受光部３３は、溶接部Ｙの溶解金属熱の放射による赤外線（波長６００ｎｍ以下）がミラー３５によって折り返され、受光される部分である。

コントローラ５０は、光学系２０と、受光部３０と、によって接続されている。コントローラ５０は、光学系２０を制御する機能を有している。また、コントローラ５０は、受光部３０に受光される反射光の強度に基づいて一打点（一つのスポットを溶接する工程）の打点開始及び打点終了を判断する機能を有している。

ここで、特記すべき事項として、本実施形態のコントローラ５０は、受光部３０のうち、レーザー光受光部３１に受光されるレーザー光、並びに、プラズマ光受光部３２に受光されるプラズマ光のみの強度に基づいてレーザー照射の打点開始及び打点終了を判断するものとする。

図２を用いて、レーザー溶接工程Ｓ１００の流れについて説明する。
なお、図２では、レーザー溶接工程Ｓ１００の流れをフローチャートによって表している。

レーザー溶接工程Ｓ１００は、本発明のレーザー溶接方法に係る実施形態である。レーザー溶接工程Ｓ１００は、ワークＷの溶接部Ｙからの反射光より一打点の打点開始及び打点終了を判断する打点を照合する工程である。

ステップＳ１１０において、コントローラ５０は、受光部３０によって、レーザー光受光部３１に受光されるレーザー光、並びに、プラズマ光受光部３２に受光されるプラズマ光のみを受光し、レーザー光及びプラズマ光のみを取得する。

ステップＳ１２０において、コントローラ５０は、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度が設定強度Ｐ２以上であって、かつ、設定強度Ｐ２以上である時間が設定時間ｔ１以上である条件を満たすかを判断する（条件１）。つまり、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度が、設定時間ｔ１以上連続して設定強度Ｐ２以上であるか否かを判断する。コントローラ５０は、「条件１」を満たす場合には、ステップＳ１３０に移行し、「条件１」を満たさない場合はステップＳ１１０に移行する。

ステップＳ１３０において、コントローラ５０は、一打点の打点開始と判断する。

ステップＳ１４０において、コントローラ５０は、引き続き受光部３０によって、レーザー光受光部３１に受光されるレーザー光、並びに、プラズマ光受光部３２に受光されるプラズマ光のみを受光し、レーザー光及びプラズマ光のみを取得する。

ステップＳ１５０において、コントローラ５０は、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度Ｐが設定強度Ｐ１以下であって、かつ、設定強度Ｐ１以下である時間が設定時間ｔ２以上である条件を満たすかを判断する（条件２）。つまり、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度が、設定時間ｔ２以上連続して設定強度Ｐ１以下であるか否かを判断する。コントローラ５０は、「条件２」を満たす場合には、ステップＳ１６０に移行し、「条件２」を満たさない場合はステップＳ１４０に移行する。

ステップＳ１６０において、コントローラ５０は、一打点の打点終了と判断する。

図３を用いて、レーザー溶接工程Ｓ１００の作用について説明する。
なお、図３では、レーザー溶接工程Ｓ１００の作用を一打点における反射光の光強度Ｐ（単位Ｗ）の時系列グラフによって表している。

本実施形態のレーザー溶接工程Ｓ１００では、まず、溶接用レーザー光をワークＷに照射して、その後、形成された溶接部Ｙにおいて検査用レーザー光を円形状の走査軌跡にて３周だけ走査して、反射光の強度の時間的周期変化により溶接部Ｙの溶接欠陥の有無を判定するものとする。

このように、一打点のレーザー溶接工程Ｓ１００は、溶接用レーザー光のワークＷへの照射を行う工程と、溶接用レーザー光を照射した後に検査用レーザー光のワークＷへの照射を行う工程と、を有する。

まず、ワークＷに溶接用レーザー光が照射される（打点開始）。なお、溶接用レーザー光の強度は、設定強度Ｐ２よりも十分大きいものとする。また、上述したように、コントローラ５０によって、レーザー光及びプラズマ光のみが取得される。

そして、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度が打点開始から増加し、設定強度Ｐ２以上となった時点から設定時間ｔ１が経過すると、コントローラ５０によって、設定強度Ｐ２以上である時間が設定時間ｔ１以上である条件（条件１）を満たすと判断される（ステップＳ１２０）。

そして、コントローラ５０によって、「条件１」を満たした時点から設定時間ｔ１前の時点が打点開始であると判断される（ステップＳ１３０）。

次に、ワークＷの溶接部Ｙにおいて検査用レーザー光が円形状の走査軌跡にて３周される。なお、検査用レーザー光の強度は、設定強度Ｐ２よりも十分小さく、かつ、設定強度Ｐ１よりも十分大きいものとする。

そして、取得したレーザー光及びプラズマ光の強度が設定強度Ｐ１以下となった時点から設定時間ｔ２が経過すると、コントローラ５０によって、設定強度Ｐ１以下である時間が設定時間ｔ２以上である条件（条件２）を満たすと判断される（ステップＳ１５０）。

そして、コントローラ５０によって、「条件２」を満たした時点から設定時間ｔ２前の時点が打点終了であると判断される（ステップＳ１６０）。

レーザー溶接装置１００及びレーザー溶接工程Ｓ１００の効果について説明する。
レーザー溶接装置１００及びレーザー溶接工程Ｓ１００によれば、リモートレーザー溶接であっても一打点における打点開始と打点終了を正確に検知することができる。

すなわち、レーザー溶接装置１００及びレーザー溶接工程Ｓ１００によれば、打点開始及び打点終了の検知閾値と設定時間とを設けることによって、リモートレーザー溶接の複雑な反射光であっても打点開始と打点終了を正確に検知することができる。

また、レーザー溶接装置１００及びレーザー溶接工程Ｓ１００によれば、レーザー光及びプラズマ光のみを取得することによって、応答性の良い波形が得られ、打点開始及び打点終了の設定時間を短く設定できる。

１０レーザー照射ヘッド
２０光学系
３０受光部
５０コントローラ（制御手段）
１００レーザー溶接装置
Ｐ光強度
Ｐ１設定強度
Ｐ２設定強度
ｔ１設定時間
ｔ２設定時間

Claims

レーザー光を照射するレーザー照射ヘッドと、
前記レーザー光を集光してワーク上で走査させる光学系と、
前記レーザー光の前記ワークからの反射光を受光する受光部と、
前記受光部が受光する反射光に基づいて一打点の打点開始及び打点終了を判断する制御手段と、
を備えるレーザー溶接装置であって、
前記受光部は、反射光のうちレーザー反射光及びプラズマ光のみを受光し、
前記制御手段は、前記反射光の強度が所定値以上である時間が所定時間以上であれば打点開始と判断し、前記反射光の強度が所定値以下である時間が所定時間以上であれば打点終了と判断する、
レーザー溶接装置。
ワークにレーザー光を照射し、該レーザー光の該ワークからの反射光を受光し、受光する反射光に基づいて一打点の打点開始及び打点終了を判定するレーザー溶接方法であって、
反射光のうちレーザー反射光及びプラズマ光のみを受光し、
前記反射光の強度が所定値以上である時間が所定時間以上であれば打点開始と判断し、
前記反射光の強度が所定値以下である時間が所定時間以上であれば打点終了と判断する、
レーザー溶接方法。