JP7781626B2 - Laser welding method and laser welding device - Google Patents
Laser welding method and laser welding deviceInfo
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Description
本発明は、第1の母材と、第1の母材の上に重ねて配置される第2の母材とを、レーザを用いて連続溶接するレーザ溶接およびレーザ溶接装置に関するものである。 The present invention relates to laser welding and a laser welding device that uses a laser to continuously weld a first base material and a second base material placed on top of the first base material.
鉄道車両の外表面を構成する外板は、鉄道車両の内方側の面(以下、裏面)に、車両高さ方向に沿って延在する縦骨や、軌道方向に沿って延在する横骨等の骨部材が接合されている。この外板に対する骨部材の接合は、レーザ溶接により行われることが一般的である。 The outer panels that make up the exterior surface of railway vehicles have frame members such as vertical ribs that extend along the vehicle height and horizontal ribs that extend along the track joined to the inner surface (hereinafter referred to as the back surface) of the railway vehicle. Joining of these frame members to the outer panels is generally done by laser welding.
具体的には、例えば、図5に示すように、外板51の裏面51aには、断面ハット形の横骨52(骨部材の一例)が延在しており、横骨52のフランジ部52aが、外板51の裏面51aに対し、レーザ溶接により接合されている。このレーザ溶接は、溶接部57として示すように、横骨52の長手方向に沿った連続溶接であり、横骨52側からレーザを照射することで行われる。 Specifically, for example, as shown in FIG. 5 , a cross frame 52 (an example of a frame member) with a hat-shaped cross section extends from the back surface 51a of the outer plate 51, and the flange portion 52a of the cross frame 52 is joined to the back surface 51a of the outer plate 51 by laser welding. This laser welding is a continuous weld along the longitudinal direction of the cross frame 52, as shown by weld 57, and is performed by irradiating a laser from the cross frame 52 side.
溶接部57の強度確保のためには、外板51まで達する溶込み深さを得る必要がある。かといって、外板51の裏面側から照射するレーザを、外板51の裏面51aとは反対側の表面まで達するように照射してしまうと、溶接痕が鉄道車両の外表面に残ってしまうため、鉄道車両の意匠性を損なう。したがって、レーザが外板51の表面まで達しないよう管理した上で、十分な溶込み深さを得られるよう溶接を行う必要がある。 To ensure the strength of the weld 57, it is necessary to achieve a penetration depth that reaches all the way to the outer plate 51. However, if the laser is irradiated from the back side of the outer plate 51 so that it reaches the surface opposite the back surface 51a of the outer plate 51, weld marks will remain on the outer surface of the railway vehicle, compromising the design of the railway vehicle. Therefore, welding must be performed in a way that ensures a sufficient penetration depth, while preventing the laser from reaching the surface of the outer plate 51.
しかし、レーザが外板51の表面まで達しないようにすると、十分な溶込み深さが得られているのか、外観からでは判別することができない。そのような中、十分な溶込み深さが得られているか否かを、非破壊検査の実施により判別することや、光干渉断層法により判別することが行われている。 However, if the laser does not reach the surface of the outer panel 51, it is impossible to determine from the outside whether sufficient penetration depth has been achieved. In such cases, whether sufficient penetration depth has been achieved is determined by conducting non-destructive testing or by using optical coherence tomography.
光干渉断層法を利用して、十分な溶込み深さが得られているか否かを判別する方法としては、例えば特許文献1に開示される方法が知られている。ここで、特許文献1に開示される方法によって、十分な溶込み深さが得られているか否かを判別する方法を、図6および図8を用いて説明する。図6は、従来技術に係るレーザ溶接装置200から照射するレーザL11により、外板51と外板51の上に重ねられた横骨52(フランジ部52a)とを溶接する様子を示す図である。また、図8は、図6のB-B断面図である。 One known method for determining whether sufficient penetration depth has been achieved using optical coherence tomography is the method disclosed in Patent Document 1. Here, the method for determining whether sufficient penetration depth has been achieved using the method disclosed in Patent Document 1 will be explained using Figures 6 and 8. Figure 6 is a diagram showing how a laser beam L11 emitted from a laser welding device 200 according to conventional technology is used to weld an outer plate 51 to a cross frame 52 (flange portion 52a) placed on top of the outer plate 51. Figure 8 is a cross-sectional view taken along the line B-B in Figure 6.
外板51と横骨52ともにオーステナイト系ステンレス鋼からなり、外板51の厚みは約2mm、横骨52(フランジ部52a)の厚みは約1.5mmである。また、図6中の矢印Yは、連続溶接の進行方向である。レーザ溶接装置200は、横骨52側からレーザL11を外板51および横骨52に照射している。このレーザL11の照射により、外板51と横骨52とが溶融し、溶融物55が生じる。さらに溶融物55が蒸発することでキーホール54が生じている。そして、キーホール54の進行方向(矢印Y)の反対側には、溶融物55が凝固した溶接ビード56が形成されている。 The outer plate 51 and cross frame 52 are both made of austenitic stainless steel. The outer plate 51 is approximately 2 mm thick, and the cross frame 52 (flange portion 52a) is approximately 1.5 mm thick. Arrow Y in Figure 6 indicates the direction of continuous welding. The laser welding device 200 irradiates the outer plate 51 and cross frame 52 with laser light L11 from the cross frame 52 side. This laser light L11 melts the outer plate 51 and cross frame 52, creating molten material 55. The molten material 55 then evaporates, creating a keyhole 54. A weld bead 56, where the molten material 55 solidifies, is formed on the opposite side of the keyhole 54 in the direction of travel (arrow Y).
特許文献1に開示される方法は、レーザ溶接装置200から照射する光干渉断層法による計測光L31,L32によって、キーホール54の底部54aの位置(間隔d1)と、横骨52(フランジ部52a)の表面52bの位置(間隔d2)とを測定することが可能となっている。そして、底部54aの位置(間隔d1)と表面52bの位置(間隔d2)との差から、レーザL11の進入深さd21が算出される。このレーザの進入深さd21は、図8中の溶込み深さd31と同一視可能であるため、レーザL11の進入深さd21を算出し、その値を確認することによって、十分な溶込み深さd31を得られているか否かを判別することができる。 The method disclosed in Patent Document 1 uses measurement beams L31 and L32 emitted from a laser welding device 200 using optical coherence tomography to measure the position (distance d1) of the bottom 54a of the keyhole 54 and the position (distance d2) of the surface 52b of the cross bone 52 (flange portion 52a). The penetration depth d21 of the laser beam L11 is then calculated from the difference between the position (distance d1) of the bottom 54a and the position (distance d2) of the surface 52b. Since this laser penetration depth d21 can be considered the same as the penetration depth d31 in Figure 8, calculating the penetration depth d21 of the laser beam L11 and verifying this value makes it possible to determine whether a sufficient penetration depth d31 has been achieved.
十分な溶込み深さが得られているか否かを判別するために非破壊検査を行うこととすると、溶接工程とは別個の工程として行う必要がある。このため、検査にコストや時間を要することとなり、鉄道車両の製造コストの増大や製造効率の低下が懸念される。 If non-destructive testing were to be performed to determine whether sufficient penetration depth had been achieved, it would have to be carried out as a separate process from the welding process. This would mean that the testing would be costly and time-consuming, raising concerns that this could increase railway vehicle manufacturing costs and reduce manufacturing efficiency.
一方で、特許文献1に開示される光干渉断層法を利用した技術によれば、溶接を行いながら、十分な溶込み深さが得られているか否かを判別可能である。このため、鉄道車両の製造コストの増大や製造効率の低下という問題点が解消できるという点で望ましい。 On the other hand, the technology using optical coherence tomography disclosed in Patent Document 1 makes it possible to determine whether sufficient penetration depth has been achieved while welding is taking place. This is desirable in that it can resolve issues such as increased manufacturing costs and reduced manufacturing efficiency for railway vehicles.
しかし、本願発明者は、特許文献1に開示される技術によっては、以下の問題点があることを発見した。外板51と横骨52(フランジ部52a)とをレーザ溶接により接合するものとした場合、溶接の強度確保のために重要であるのは、外板51と横骨52との合計の溶込み深さd31(レーザの進入深さd21)ではなく、外板51における溶込み深さd41(図8参照)である。 However, the inventors of the present application have discovered that the technology disclosed in Patent Document 1 has the following problem. When joining the outer plate 51 and the cross frame 52 (flange portion 52a) by laser welding, what is important for ensuring the strength of the weld is not the total penetration depth d31 (laser penetration depth d21) between the outer plate 51 and the cross frame 52, but the penetration depth d41 in the outer plate 51 (see Figure 8).
図6に示すように、特許文献1に開示される技術により算出することが可能なレーザL11の進入深さd21から、既知の横骨52(フランジ部52a)の厚みtを減ずることで、外板51におけるレーザの進入深さd11を算出することが可能であるため、このレーザの進入深さd11を、図8に示す外板51における溶込み深さd41と同一視することで、外板51における溶込み深さd41を把握可能である。しかし、進入深さd21から横骨52(フランジ部52a)の厚みtを減ずることで算出される進入深さd11が、現実の溶込み深さd41と一致するのは、図6および図8に示すように、外板51とフランジ部52aとが隙間なく密着されている場合に限られる。 As shown in Figure 6, it is possible to calculate the laser penetration depth d11 in the outer plate 51 by subtracting the known thickness t of the cross frame 52 (flange portion 52a) from the penetration depth d21 of the laser L11, which can be calculated using the technology disclosed in Patent Document 1. Therefore, by equating this laser penetration depth d11 with the penetration depth d41 in the outer plate 51 shown in Figure 8, it is possible to determine the penetration depth d41 in the outer plate 51. However, the penetration depth d11 calculated by subtracting the thickness t of the cross frame 52 (flange portion 52a) from the penetration depth d21 will only match the actual penetration depth d41 when the outer plate 51 and the flange portion 52a are in tight contact with each other without any gaps, as shown in Figures 6 and 8.
外板51や横骨52には反りやうねりが生じるため、外板51に横骨52を重ねた場合、外板51と横骨52(フランジ部52a)との間が全体に渡って密着することはなく、例えば図7,図9,図10に示すように、外板51と横骨52(フランジ部52a)との間には隙間gが生じる。図7は、従来技術に係るレーザ溶接装置200から照射するレーザL11により、外板51と外板51の上に隙間gのある状態で重ねられた横骨52(フランジ部52a)とを溶接する様子を示す図である。図9は、図7のC-C断面図であり、隙間gが0.2mmの状態を示している。図10は、図7のC-C断面図であり、隙間gが0.4mmの状態を示している。 Because warping and undulation occur in the outer plate 51 and the cross frame 52, when the cross frame 52 is placed on the outer plate 51, the outer plate 51 and the cross frame 52 (flange portion 52a) do not adhere to each other throughout, and a gap g occurs between the outer plate 51 and the cross frame 52 (flange portion 52a), as shown in Figures 7, 9, and 10. Figure 7 shows how the outer plate 51 and the cross frame 52 (flange portion 52a) placed on top of the outer plate 51 with the gap g remaining, are welded together using a laser L11 emitted from a laser welding device 200 according to conventional technology. Figure 9 is a cross-sectional view C-C of Figure 7, showing a state where the gap g is 0.2 mm. Figure 10 is a cross-sectional view C-C of Figure 7, showing a state where the gap g is 0.4 mm.
レーザ溶接を行う際には、外板51と横骨52とを押さえ込むことで、可能な限り隙間gが生じないよう対策がとられているが、外板51および横骨52の材料の剛性によっては、完全に隙間gをなくすことは困難である。 When performing laser welding, measures are taken to minimize the gap g by pressing down the outer plate 51 and cross frame 52, but depending on the rigidity of the materials used to make the outer plate 51 and cross frame 52, it may be difficult to completely eliminate the gap g.
外板51とフランジ部52aとの間に隙間gが生じている場合に、特許文献1に開示される技術により求まるレーザの進入深さd21(溶込み深さd31)から、既知の横骨52(フランジ部52a)の厚みtを減じることで求まるレーザの進入深さd51は、現実のレーザの進入深さd11に、隙間gが加算された値(すなわち、外板51における溶込み深さd41(図9,図10参照)に隙間gが加算された値)である。したがって、特許文献1に開示される技術によっては、溶込み深さd41を正確に把握できず、ひいては、溶接部57の強度確保が十分になされているのか正確に判断することができない。 When a gap g exists between the outer plate 51 and the flange portion 52a, the laser penetration depth d51 calculated by subtracting the known thickness t of the cross frame 52 (flange portion 52a) from the laser penetration depth d21 (penetration depth d31) calculated using the technology disclosed in Patent Document 1 is the actual laser penetration depth d11 plus the gap g (i.e., the penetration depth d41 in the outer plate 51 (see Figures 9 and 10) plus the gap g). Therefore, the technology disclosed in Patent Document 1 does not accurately determine the penetration depth d41, and therefore does not allow for an accurate determination of whether the strength of the weld 57 is sufficient.
また、上記のように、レーザの進入深さd21から厚みtを減じることで溶込み深さd41を算出しようとすると、隙間gがさらに大きくなった場合に、現実には溶込み深さd41が全く得られていないにも関わらず、溶込み深さd41が得られているという誤った結果がもたらされてしまう。 Furthermore, as described above, if an attempt is made to calculate penetration depth d41 by subtracting thickness t from laser penetration depth d21, and the gap g becomes even larger, the erroneous result will be that penetration depth d41 has been obtained, even though in reality penetration depth d41 has not been obtained at all.
例えば、図11は、図7のC-C断面図であり、隙間gが0.6mmの状態を示している。図11に示す状態は、現実には外板51における溶込み深さd41(レーザの進入深さd11)が全く得られていない状態であるが、特許文献1に開示される技術によると、計測光L31によって外板51の裏面51aの位置が測定されてしまい、裏面51aの位置と、計測光L32によって測定される横骨52(フランジ部52a)の表面52bの位置とから、レーザの進入深さd21が算出される。このレーザの進入深さd21から横骨52(フランジ部52a)の厚みtを減じると、隙間gの大きさに相当する進入深さd51が算出される。この進入深さd51を溶込み深さd41と同一視してしまうと、現実には溶込み深さd41が得られていないにも関わらず、溶込み深さd41が得られているという誤った結果がもたらされてしまうのである。 For example, Figure 11 is a cross-sectional view taken along the line C-C of Figure 7, showing a state where the gap g is 0.6 mm. The state shown in Figure 11 is one in which no penetration depth d41 (laser penetration depth d11) has actually been achieved in the outer panel 51. However, using the technology disclosed in Patent Document 1, the position of the rear surface 51a of the outer panel 51 is measured by measurement light L31, and the laser penetration depth d21 is calculated from the position of the rear surface 51a and the position of the front surface 52b of the cross frame 52 (flange portion 52a) measured by measurement light L32. Subtracting the thickness t of the cross frame 52 (flange portion 52a) from this laser penetration depth d21 yields the penetration depth d51, which corresponds to the size of the gap g. If this penetration depth d51 were to be considered the same as the penetration depth d41, the erroneous result would be that penetration depth d41 has been achieved, even though in reality it has not.
以上のように、特許文献1に開示される技術により、外板51における進入深さd11(溶込み深さd41)を求めようとすると、現実の進入深さd11(溶込み深さd41)よりも隙間gの分だけ大きい値(進入深さd51)が算出されることになる。よって、正確な溶込み深さd41を把握することができず、十分に溶接強度が確保されているのか判別することができないという問題点があった。 As described above, when attempting to calculate the penetration depth d11 (penetration depth d41) in the outer plate 51 using the technology disclosed in Patent Document 1, the calculated value (penetration depth d51) is greater than the actual penetration depth d11 (penetration depth d41) by the amount of gap g. This makes it impossible to accurately determine the penetration depth d41, which poses the problem of making it impossible to determine whether sufficient weld strength has been ensured.
本発明は、上記問題点を解決するためのものであり、第1の母材と、第1の母材の上に重ねて配置される第2の母材とを、第2の母材の側からレーザを照射して溶接する場合に、第1の母材における溶込み深さを正確に把握することが可能な、レーザ溶接方法およびレーザ溶接装置を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-mentioned problems, and aims to provide a laser welding method and laser welding apparatus that can accurately determine the penetration depth in a first base material when welding a first base material and a second base material placed on top of the first base material by irradiating a laser from the side of the second base material.
上記課題を解決するために、本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置は、次のような構成を有している。
(1)第1の母材と、前記第1の母材の上に重ねて配置される第2の母材とを、レーザを用いて連続溶接するレーザ溶接方法において、前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせること、光干渉断層法による計測光を、前記キーホールの底部に照射することで、前記底部の位置を測定すること、前記計測光を、前記第2の母材の表面に照射することで、前記表面の位置を測定すること、前記計測光を、前記溶接ビードに照射することで、前記溶接ビードの高さを測定すること、前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出すること、前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、を特徴とする。
In order to solve the above problems, the laser welding method and laser welding apparatus of the present invention have the following configuration.
(1) A laser welding method for continuously welding a first base material and a second base material placed on top of the first base material using a laser, the method comprising: irradiating the first base material and the second base material with the laser from the side of the second base material to generate a keyhole and a weld bead on the side of the keyhole opposite to the direction of travel of the continuous welding; irradiating the bottom of the keyhole with measurement light using optical coherence tomography to measure the position of the bottom; irradiating the surface of the second base material with the measurement light to measure the position of the surface; irradiating the weld bead with the measurement light to measure the height of the weld bead; calculating a gap between the first base material and the second base material based on the height of the weld bead; and calculating a penetration depth of the laser into the first base material based on the position of the bottom, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap.
(4)第1の母材と、前記第1の母材の上に重ねて配置される第2の母材とを、レーザを用いて連続溶接するレーザ溶接装置において、レーザ光源と、光干渉計と、走査手段と、レーザ溶接装置を制御するための制御プログラムを備える制御装置と、を備えること、前記制御プログラムは、前記レーザ光源から前記レーザを発生させて、前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせ、前記光干渉計から、光干渉断層法による計測光を発生させ、前記計測光を、前記走査手段により、前記キーホールの底部と、前記第2の母材の表面と、前記溶接ビードと、に順次照射することで、前記キーホールの底部の位置と、前記第2の母材の表面の位置と、前記溶接ビードの高さと、を測定し、前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出し、前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、を特徴とする。 (4) A laser welding apparatus that uses a laser to continuously weld a first base material and a second base material placed on top of the first base material, comprising a laser light source, an optical interferometer, a scanning means, and a control device having a control program for controlling the laser welding apparatus, the control program generating the laser from the laser light source and irradiating the laser onto the first base material and the second base material from the side of the second base material, thereby generating a keyhole and a weld bead on the side of the keyhole opposite the direction of progression of the continuous welding, and The interferometer generates measurement light using optical coherence tomography, and the scanning means sequentially irradiates the measurement light onto the bottom of the keyhole, the surface of the second base material, and the weld bead, thereby measuring the position of the bottom of the keyhole, the position of the surface of the second base material, and the height of the weld bead. The gap between the first base material and the second base material is calculated based on the height of the weld bead, and the penetration depth of the laser into the first base material is calculated based on the position of the bottom, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap.
(1)に記載のレーザ溶接方法または(4)に記載のレーザ溶接装置によれば、光干渉断層法により、キーホールの底部の位置と、第2の母材の表面の位置と、溶接ビードの高さと、の測定を行った上、溶接ビードの高さに基づき、第1の母材と第2の母材との隙間を算出する。そして、キーホールの底部の位置と、第2の母材の表面の位置と、第1の母材と第2の母材との隙間と、既知の第2の母材の厚みと、に基づき、第1の母材への進入深さを算出する。従来技術においては考慮されていなかった第1の母材と第2の母材との隙間を考慮するため、レーザの、第1の母材への進入深さを正確に算出することが可能である。そして、レーザの、第1の母材への進入深さは、第1の母材における溶込み深さと同一視できる。つまり、第1の母材における溶込み深さを正確に把握することが可能である。 According to the laser welding method described in (1) or the laser welding apparatus described in (4), the position of the bottom of the keyhole, the position of the surface of the second base material, and the height of the weld bead are measured using optical coherence tomography, and the gap between the first base material and the second base material is calculated based on the height of the weld bead. The penetration depth into the first base material is then calculated based on the position of the bottom of the keyhole, the position of the surface of the second base material, the gap between the first base material and the second base material, and the known thickness of the second base material. Because the gap between the first base material and the second base material is taken into account, which was not taken into account in conventional technology, it is possible to accurately calculate the penetration depth of the laser into the first base material. Furthermore, the penetration depth of the laser into the first base material can be considered identical to the penetration depth in the first base material. In other words, it is possible to accurately determine the penetration depth in the first base material.
ここで、第1の母材と第2の母材との隙間(以下、単に隙間という)は、計測光により溶接ビードの高さを測定し、この測定値に基づいて算出することとしている。これは、本願発明者が、溶接ビードの高さと隙間の大きさとの間に相関関係があることを発見したことによる。本願発明者は、隙間を、0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mmのそれぞれに設定した状態で、第1の母材に相当する第1の試験片と第2の母材に相当する第2の試験片とのレーザ溶接を行うことで、溶接ビードの高さを調べる実験を行った。この結果、溶接ビードの高さと隙間の大きさとの関係を表す実験式を求めるに至った。これにより、当該実験式に、計測光により測定した溶接ビードの高さを実験式に代入することで、隙間の大きさを正確に算出することが可能となった。 Here, the gap between the first and second base materials (hereinafter simply referred to as the gap) is calculated based on the measured value of the weld bead height measured using a measurement beam. This is due to the inventor's discovery that there is a correlation between the height of the weld bead and the size of the gap. The inventor conducted an experiment to measure the height of the weld bead by laser welding a first test piece corresponding to the first base material with a second test piece corresponding to the second base material, with the gap set to 0 mm, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, and 0.6 mm. As a result, an empirical formula expressing the relationship between the height of the weld bead and the size of the gap was derived. Therefore, by substituting the height of the weld bead measured using the measurement beam into the empirical formula, it became possible to accurately calculate the size of the gap.
(2)(1)に記載のレーザ溶接方法において、前記隙間は、前記溶接ビードの高さと、前記隙間を算出する直前の所定時間内において算出された前記隙間である隙間算出履歴と、前記所定時間内において測定された前記溶接ビードの高さの標準偏差と、に基づき算出されること、を特徴とする。 (2) In the laser welding method described in (1), the gap is calculated based on the height of the weld bead, a gap calculation history showing the gap calculated within a predetermined time immediately before the gap is calculated, and the standard deviation of the height of the weld bead measured within the predetermined time.
(5)(4)に記載のレーザ溶接装置において、前記制御プログラムは、前記溶接ビードの高さと、前記隙間を算出する直前の所定時間内において算出された前記隙間である隙間算出履歴と、前記所定時間内において測定された前記溶接ビードの高さの標準偏差と、に基づき、前記隙間を算出すること、を特徴とする。 (5) In the laser welding apparatus described in (4), the control program calculates the gap based on the height of the weld bead, a gap calculation history that shows the gap calculated within a predetermined time immediately before the gap is calculated, and the standard deviation of the height of the weld bead measured within the predetermined time.
第1の母材と第2の母材との隙間は、連続溶接の進行方向において、一定ではなく、材料のうねりや反り等により変動する。しかし、その変動は、材料表面に打痕がある等の不良がある場合を除けば、急激なものではなく緩やかなものである。したがって、隙間を算出しようとする直前までの隙間の変化量を見ることで、算出される隙間の精度が高まる。この点、(2)に記載のレーザ溶接方法または(5)に記載のレーザ溶接装置によれば、第1の母材と第2の母材との隙間を算出する際に、当該隙間を算出する直前の所定時間内において算出された隙間である隙間算出履歴を考慮するため、隙間の大きさがどのように推移していたのか、その変化量を見ることが可能となり、より正確に第1の母材と第2の母材との隙間を算出することが可能となる。 The gap between the first and second base materials is not constant in the direction of continuous welding, but fluctuates due to waviness or warping of the material. However, this fluctuation is gradual, not sudden, except when there are defects such as dents on the material surface. Therefore, the accuracy of the calculated gap can be improved by looking at the amount of change in the gap up to the time the gap is calculated. In this regard, with the laser welding method described in (2) or the laser welding device described in (5), when calculating the gap between the first and second base materials, the gap calculation history, which is the gap calculated within a predetermined time period immediately prior to calculating the gap, is taken into account. This makes it possible to see how the size of the gap has changed over time, and the amount of change, allowing for more accurate calculation of the gap between the first and second base materials.
また、本願発明者は、上記した実験により、第1の母材と第2の母材との隙間の大きさと、溶接ビードの高さの標準偏差に相関関係があることを発見した。(2)に記載のレーザ溶接方法または(5)に記載のレーザ溶接装置によれば、第1の母材と第2の母材との隙間を算出する際に、溶接ビードの高さの標準偏差を合わせて考慮するため、より正確に第1の母材と第2の母材との隙間を算出することが可能となる。 Furthermore, through the above-mentioned experiments, the inventors of the present application discovered that there is a correlation between the size of the gap between the first and second base materials and the standard deviation of the height of the weld bead. According to the laser welding method described in (2) or the laser welding apparatus described in (5), the standard deviation of the height of the weld bead is also taken into account when calculating the gap between the first and second base materials, making it possible to calculate the gap between the first and second base materials more accurately.
(3)(1)または(2)に記載のレーザ溶接方法において、前記溶接ビードの高さが所定の閾値を超えるか否かにより、算出された前記進入深さの信頼性評価を行うこと、を特徴とする。 (3) The laser welding method described in (1) or (2) is characterized in that the reliability of the calculated penetration depth is evaluated based on whether the height of the weld bead exceeds a predetermined threshold.
(6)(4)または(5)に記載のレーザ溶接装置において、前記制御プログラムは、前記溶接ビードの高さが所定の閾値を超えるか否かにより、算出された前記進入深さの信頼性評価を行うこと、を特徴とする。 (6) In the laser welding apparatus described in (4) or (5), the control program is characterized in that it evaluates the reliability of the calculated penetration depth based on whether the height of the weld bead exceeds a predetermined threshold.
本願発明者は、溶接ビードの高さと第1の母材と第2の母材との隙間の大きさとの間にある相関関係は、第1の母材と第2の母材との隙間が、とある範囲内にある場合に成立するものであると発見した。つまり、第1の母材と第2の母材との隙間が、当該範囲外にある場合には、上記した実験式から、隙間を正確に算出することができない。とある範囲内とは、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものであり、例えば、第1の母材が厚み2mmのオーステナイト系ステンレス鋼であり、第2の母材が厚み1.5mmのオーステナイト系ステンレス鋼である場合には、約0~0.3mmである。 The inventors of the present application discovered that the correlation between the height of the weld bead and the size of the gap between the first and second base materials holds when the gap between the first and second base materials is within a certain range. In other words, if the gap between the first and second base materials is outside this range, the gap cannot be accurately calculated from the above-mentioned empirical formula. "Within this certain range" varies depending on the material and thickness of the base materials to be welded, welding conditions, etc. For example, if the first base material is austenitic stainless steel with a thickness of 2 mm and the second base material is austenitic stainless steel with a thickness of 1.5 mm, the gap is approximately 0 to 0.3 mm.
そのような中、本願発明者は、第1の母材と第2の母材との隙間が当該範囲内にあるか否かを、溶接ビードの高さにより判断することが可能であることを発見した。すなわち、溶接ビードの高さが所定の閾値を超える場合は、第1の母材と第2の母材との隙間が当該範囲内にあるため、上記実験式により算出された第1の母材における進入深さの信頼性が高いと判断できると発見した。一方で、所定の閾値を超えない場合は、第1の母材と第2の母材との隙間が、当該範囲外にあるため、上記実験式により算出された第1の母材における進入深さの信頼性が低いという判断ができると発見した。よって、(3)に記載のレーザ溶接方法または(6)に記載のレーザ溶接装置によれば、溶接ビードの高さが所定の閾値を超えるか否かを判断するため、算出された前記進入深さの信頼性評価を行うことが可能となる。なお、所定の閾値とは、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものである。したがって、溶接対象となる母材に相当する試験片を用いて隙間の大きさや溶接ビード高さを実測し、その実測値に基づいて、適宜設定される。 The present inventors have discovered that it is possible to determine whether the gap between the first and second base materials is within a certain range based on the height of the weld bead. Specifically, when the height of the weld bead exceeds a predetermined threshold, the gap between the first and second base materials is within the certain range, and the penetration depth in the first base material calculated using the above-mentioned empirical formula can be determined to be highly reliable. On the other hand, when the height does not exceed the predetermined threshold, the gap between the first and second base materials is outside the certain range, and the penetration depth in the first base material calculated using the above-mentioned empirical formula can be determined to be unreliable. Therefore, the laser welding method described in (3) or the laser welding apparatus described in (6) can evaluate the reliability of the calculated penetration depth to determine whether the height of the weld bead exceeds a certain threshold. The predetermined threshold varies depending on the material and thickness of the base materials to be welded, welding conditions, etc. Therefore, the gap size and weld bead height are measured using a test piece corresponding to the base materials to be welded, and the threshold is appropriately set based on the actual measurements.
本発明のレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置によれば、第1の母材と、第1の母材の上に重ねて配置される第2の母材とを、第2の母材の側からレーザを照射して溶接する場合に、第1の母材における溶込み深さを正確に把握することが可能である。 The laser welding method and laser welding apparatus of the present invention make it possible to accurately determine the penetration depth in the first base material when welding a first base material and a second base material placed on top of the first base material by irradiating a laser from the side of the second base material.
本発明に係るレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Embodiments of the laser welding method and laser welding apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本実施形態に係るレーザ溶接装置1の構成について説明する。図1は、レーザ溶接装置1の概略構成を示す図である。レーザ溶接装置1は、例えば、鉄道車両の外板51(第1の母材の一例)と横骨52(第2の母材の一例)とを接合するために用いられる。外板51と横骨52ともにオーステナイト系ステンレス鋼からなり、外板51の厚みは約2mm、横骨52の厚みは約1.5mmである。図5に示すように、外板51の裏面51aは鉄道車両の内方側の面であり、この裏面51aに、断面ハット形の横骨52が延在している。この横骨52のフランジ部52aが、外板51の裏面51aに対し、レーザ溶接により接合されている。このレーザ溶接は、横骨52の長手方向に沿った連続溶接であり、図1に示すように、外板51の上に横骨52を重ね、横骨52の側からレーザL11を照射することで行われる。 First, the configuration of the laser welding apparatus 1 according to this embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of the laser welding apparatus 1. The laser welding apparatus 1 is used, for example, to join an outer plate 51 (an example of a first base material) and a cross frame 52 (an example of a second base material) of a railway vehicle. Both the outer plate 51 and the cross frame 52 are made of austenitic stainless steel. The outer plate 51 is approximately 2 mm thick, and the cross frame 52 is approximately 1.5 mm thick. As shown in FIG. 5, the back surface 51a of the outer plate 51 faces the interior of the railway vehicle. A cross frame 52 with a hat-shaped cross section extends from this back surface 51a. The flange portion 52a of this cross frame 52 is joined to the back surface 51a of the outer plate 51 by laser welding. This laser welding is a continuous welding along the longitudinal direction of the cross frame 52. As shown in FIG. 1, the cross frame 52 is placed on top of the outer plate 51, and laser L11 is applied from the cross frame 52 side.
レーザ溶接装置1は、レーザ入射部11を備えている。レーザ入射部11には、レーザ光源2が光ファイバ27により接続されており、レーザ光源2から出力されたレーザL11は、光ファイバ27を通じて、レーザ入射部11からレーザ溶接装置1に入射される。入射されたレーザL11は、第1のコリメータレンズ12によりコリメート光とされる。コリメート光となったレーザL11は、第1のダイクロイックミラー13によって反射され、進行方向が90度転向される。その後、レーザL11はフォーカスレンズ15により合焦された上でレーザ溶接装置1から出力され、外板51および横骨52に照射される。なお、フォーカスレンズ15は、軸方向(図1中の上下方向)に位置を変動させることができる。これにより、レーザL11の焦点位置を、軸方向(図1中の上下方向)に変化させることが可能となっている。 The laser welding device 1 includes a laser incident unit 11. A laser light source 2 is connected to the laser incident unit 11 via an optical fiber 27. The laser beam L11 output from the laser light source 2 is incident on the laser welding device 1 from the laser incident unit 11 via the optical fiber 27. The incident laser beam L11 is collimated by a first collimator lens 12. The collimated laser beam L11 is reflected by a first dichroic mirror 13, and its direction of travel is redirected 90 degrees. The laser beam L11 is then focused by a focus lens 15 and output from the laser welding device 1, where it is irradiated onto the outer panel 51 and cross beams 52. The focus lens 15 can be moved axially (vertically in FIG. 1). This allows the focal position of the laser beam L11 to be changed axially (vertically in FIG. 1).
レーザ溶接装置1は、計測光入射部19を備えている。計測光入射部19には、光干渉計3が光ファイバ29により接続されており、光干渉計3から出力される計測光L21は、光ファイバ29を通じて、計測光入射部19からレーザ溶接装置1に入射される。入射された計測光L21は、第2のコリメータレンズ21によりコリメート光とされる。コリメート光となった計測光L21は、第2のダイクロイックミラー23によって反射され、進行方向が略90度転向される。その後、計測光L21は、第1のダイクロイックミラー13を透過し、フォーカスレンズ15により合焦された上でレーザ溶接装置1から出力される。これにより、計測光L21は、外板51および横骨52の計測対象となる部位に照射される。計測対象となる部位は、図2に示す、キーホール54の底部54a、横骨52の表面52b、溶接ビード56の3箇所であるが、それぞれの詳細については後述する。そして、照射された計測光L21は、計測対象となる部位にて反射され、第1のダイクロイックミラー13および第2のダイクロイックミラー23を介して計測光入射部19に戻り、光ファイバ29を通じて光干渉計3に入射する。 The laser welding apparatus 1 includes a measurement light input section 19. An optical interferometer 3 is connected to the measurement light input section 19 via an optical fiber 29. Measurement light L21 output from the optical interferometer 3 is input to the laser welding apparatus 1 from the measurement light input section 19 via the optical fiber 29. The input measurement light L21 is collimated by a second collimator lens 21. The collimated measurement light L21 is reflected by a second dichroic mirror 23, and its direction of travel is redirected approximately 90 degrees. The measurement light L21 then passes through a first dichroic mirror 13, is focused by a focus lens 15, and is output from the laser welding apparatus 1. As a result, the measurement light L21 is irradiated onto the measurement target portions of the outer panel 51 and cross frame 52. The measurement target portions are the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the cross frame 52, and the weld bead 56, as shown in FIG. 2. Details of each of these portions will be described later. The irradiated measurement light L21 is then reflected by the area to be measured, returns to the measurement light incident section 19 via the first dichroic mirror 13 and the second dichroic mirror 23, and enters the optical interferometer 3 via the optical fiber 29.
光干渉計3は、例えば、光干渉断層法の一つであるSwept Source Optical Coherence Tomography(SS-OCT:波長走査型光干渉断層法)の技術を用いるものであり、計測光L21の光路長を測定し、測定した光路長に基づいて、計測対象となる部位の位置を測定することができる。なお、光干渉計3は、SS-OCTの技術を用いるものに限定されるものでなく、Spectral domain Optical Coherence Tomography(SD-OCT:スペクトル領域光干渉断層法)や、Time domain Optical Coherence Tomography(TD-OCT:時間領域光干渉断層法)の技術を用いるものであっても良い。 The optical interferometer 3 uses, for example, Swept Source Optical Coherence Tomography (SS-OCT), a type of optical coherence tomography, to measure the optical path length of the measurement light L21 and determine the position of the area to be measured based on the measured optical path length. Note that the optical interferometer 3 is not limited to those using SS-OCT technology, and may also use technologies such as Spectral Domain Optical Coherence Tomography (SD-OCT) or Time Domain Optical Coherence Tomography (TD-OCT).
また、レーザ溶接装置1は、第2のダイクロイックミラー23を揺動させるための走査手段25を備えている。走査手段25は、第2のダイクロイックミラー23を揺動させることで、計測光L21を走査し、照射位置を変動させることができる。これにより、計測光L21を、3箇所ある計測対象となる部位(キーホール54の底部54a,横骨52の表面52b,溶接ビード56)に順次照射することができる。 The laser welding device 1 also includes a scanning means 25 for oscillating the second dichroic mirror 23. The scanning means 25 oscillates the second dichroic mirror 23 to scan the measurement light L21 and vary the irradiation position. This allows the measurement light L21 to be sequentially irradiated onto the three measurement target locations (the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the crossbeam 52, and the weld bead 56).
また、レーザ溶接装置1は、外板51および横骨52を レーザ溶接する際に発生するスパッタやヒュームから、レーザ溶接装置1の内部を保護するため、保護レンズ17が取り付けられている。 In addition, the laser welding device 1 is fitted with a protective lens 17 to protect the inside of the laser welding device 1 from spatter and fumes generated when laser welding the outer panel 51 and cross frame 52.
次に、図2を参照して、外板51および横骨52の連続溶接を行う部位の状況を詳細に説明する。図2は、外板51と横骨52とを、本実施形態に係るレーザ溶接装置1を用いて溶接する様子を示す図である。図中矢印Yは、連続溶接の進行方向である。 Next, the condition of the area where continuous welding of the outer plate 51 and cross frame 52 is performed will be described in detail with reference to Figure 2. Figure 2 is a diagram showing how the outer plate 51 and cross frame 52 are welded together using the laser welding device 1 according to this embodiment. The arrow Y in the figure indicates the direction in which continuous welding proceeds.
レーザ溶接装置1から出力されたレーザL11は、レーザL11の周囲の外板51および横骨52を溶融および蒸発させ、外板51および横骨52内にキーホール54を形成する。キーホール54は、外板51および横骨52が溶融した溶融物55によって包囲されており、その溶融物55はレーザL11の焦点からの距離が離れるにつれて凝固する。したがって、連続溶接の進行方向(矢印Yの方向)とは反対側に、溶融物55が凝固した溶接ビード56が形成されていく。 The laser beam L11 output from the laser welding device 1 melts and vaporizes the outer plate 51 and cross frame 52 around the laser beam L11, forming a keyhole 54 in the outer plate 51 and cross frame 52. The keyhole 54 is surrounded by a molten material 55 formed by melting the outer plate 51 and cross frame 52, and this molten material 55 solidifies as the distance from the focus of the laser beam L11 increases. Therefore, a weld bead 56 formed by solidifying the molten material 55 is formed on the side opposite the direction of progression of the continuous welding (the direction of arrow Y).
また、既に述べた通り、レーザ溶接装置1は、走査手段25により、計測光L21を、3箇所ある計測対象となる部位(キーホール54の底部54a,横骨52の表面52b,溶接ビード56)に順次照射することができる。ここで、キーホール54の底部54aに照射される計測光を第1の計測光L21aとし、横骨52の表面52bに照射される計測光を第2の計測光L21bとし、溶接ビード56に照射される計測光を第3の計測光L21cとする。 As already mentioned, the laser welding device 1 can use the scanning means 25 to sequentially irradiate the measurement light L21 onto three measurement target locations (the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the crossbar 52, and the weld bead 56). Here, the measurement light irradiated onto the bottom 54a of the keyhole 54 is referred to as the first measurement light L21a, the measurement light irradiated onto the surface 52b of the crossbar 52 is referred to as the second measurement light L21b, and the measurement light irradiated onto the weld bead 56 is referred to as the third measurement light L21c.
図2に示すように、第1の計測光L21aは、レーザL11と同軸に出力される。これにより、第1の計測光L21aは、レーザL11の焦点近傍に形成されるキーホール54の底部54aに照射される。そして、第1の計測光L21aは、キーホール54の底部54aに反射されて光干渉計3に戻る。これにより、既に述べたSS-OCTの技術に基づき、キーホール54の底部54aの位置(例えば、間隔d1)を測定することができる。 As shown in FIG. 2, the first measurement light L21a is output coaxially with the laser L11. As a result, the first measurement light L21a is irradiated onto the bottom 54a of the keyhole 54 formed near the focus of the laser L11. The first measurement light L21a is then reflected by the bottom 54a of the keyhole 54 and returns to the optical interferometer 3. This makes it possible to measure the position of the bottom 54a of the keyhole 54 (e.g., the distance d1) based on the SS-OCT technology already described.
また、第2の計測光L21bは、横骨52の表面52bに照射されると、横骨52の表面52bに反射されて光干渉計3に戻る。これにより、既に述べたSS-OCTの技術に基づき、横骨52の表面52bの位置(例えば、間隔d2)を測定することができる。なお、第2の計測光L21bを照射する位置は、連続溶接の進行方向においてレーザL11の前方位置としているが、特にこれに限定されるものではなく、キーホール54近傍の、レーザL11に溶融されていない横骨52の表面52bに照射されるものであれば良い。 When the second measurement light L21b is irradiated onto the surface 52b of the crossbar 52, it is reflected by the surface 52b of the crossbar 52 and returns to the optical interferometer 3. This makes it possible to measure the position of the surface 52b of the crossbar 52 (e.g., the distance d2) based on the SS-OCT technology already described. The position at which the second measurement light L21b is irradiated is forward of the laser L11 in the direction of progression of the continuous welding, but this is not particularly limited, and it is sufficient that the second measurement light L21b is irradiated onto the surface 52b of the crossbar 52 near the keyhole 54 and not melted by the laser L11.
また、第3の計測光L21cは、溶接ビード56の幅方向(図2中の奥行方向)の中心部に照射される。溶接ビード56に照射されると、溶接ビード56に反射されて光干渉計3に戻る。これにより、既に述べたSS-OCTの技術に基づき、溶接ビード56の高さ(例えば、間隔d3)を測定することができる。なお、溶接ビード56の高さ(間隔d3)は、第3の計測光L21cが溶接ビード56の幅方向の中心部に照射されることで、溶接ビード56が横骨52の表面52bから凸状に盛り上がっている場合には、最も高い箇所における高さが測定され、横骨52の表面52bから凹状にへこんでいる場合には、最も低い箇所における高さが測定される。 The third measurement light L21c is also irradiated onto the center of the weld bead 56 in the width direction (depth direction in Figure 2). When irradiated onto the weld bead 56, it is reflected by the weld bead 56 and returns to the optical interferometer 3. This makes it possible to measure the height (e.g., spacing d3) of the weld bead 56 based on the SS-OCT technology already described. Note that by irradiating the center of the weld bead 56 in the width direction with the third measurement light L21c, the height (spacing d3) of the weld bead 56 is measured at the highest point if the weld bead 56 is convex from the surface 52b of the cross frame 52, and the height (spacing d3) is measured at the lowest point if the weld bead 56 is concave from the surface 52b of the cross frame 52.
以上のようなレーザ溶接装置1は、制御装置(不図示)の制御プログラムによって、以下のように制御される。 The laser welding apparatus 1 described above is controlled as follows by a control program in a control device (not shown).
まず、レーザ光源2からレーザL11を発生させて、外板51および横骨52に対し、横骨52の側から前記レーザを照射する。このとき、予め定められるレーザL11の進入深さd11の目標値に応じて、レーザL11の焦点位置が、フォーカスレンズ15により調整される。そして、進行方向(矢印Y)に沿って、外板51と横骨52との連続溶接を行っていく。レーザL11の照射によって、外板51および横骨52には、キーホール54および溶融物55が生じ、さらに、連続溶接が進むにつれ、進行方向(矢印Y)の反対側に溶融物55が凝固した溶接ビード56が生じる。 First, a laser beam L11 is generated from the laser light source 2, and the laser is irradiated onto the outer plate 51 and cross frame 52 from the cross frame 52 side. At this time, the focus position of the laser beam L11 is adjusted by the focus lens 15 according to a predetermined target value for the penetration depth d11 of the laser beam L11. Then, continuous welding is performed between the outer plate 51 and cross frame 52 along the direction of travel (arrow Y). Irradiation of the laser beam L11 creates a keyhole 54 and molten material 55 in the outer plate 51 and cross frame 52. Furthermore, as the continuous welding progresses, a weld bead 56 is formed on the opposite side of the direction of travel (arrow Y), where the molten material 55 solidifies.
制御プログラムは、レーザL11による連続溶接を行うと同時に、光干渉計3から、光干渉断層法による計測光L21を発生させるとともに、走査手段25により、計測光L21(第1の計測光L21a,第2の計測光L21b,第3の計測光L21c)を、キーホール54の底部54a、横骨52の表面52b、溶接ビード56に順次照射する。なお、計測光L21を照射する順番は問わず、キーホール54の底部54a、横骨52の表面52b、溶接ビード56のいずれから照射しても良い。そして、計測光L21(第1の計測光L21a,第2の計測光L21b,第3の計測光L21c)の照射により、キーホール54の底部54aの位置(間隔d1)と、横骨52の表面52bの位置(間隔d2)と、溶接ビード56の高さ(間隔d3)とが測定される。 The control program performs continuous welding using the laser L11, while simultaneously causing the optical interferometer 3 to generate measurement light L21 using optical coherence tomography, and causes the scanning means 25 to sequentially irradiate the measurement light L21 (first measurement light L21a, second measurement light L21b, third measurement light L21c) onto the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the cross frame 52, and the weld bead 56. The order in which the measurement light L21 is irradiated does not matter, and it may be irradiated from any of the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the cross frame 52, or the weld bead 56. Then, by irradiating the measurement light L21 (first measurement light L21a, second measurement light L21b, third measurement light L21c), the position of the bottom 54a of the keyhole 54 (distance d1), the position of the surface 52b of the cross beam 52 (distance d2), and the height of the weld bead 56 (distance d3) are measured.
次に、制御プログラムは、計測光L21(第3の計測光L21c)により測定した溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき、外板51と横骨52との隙間gを算出する。 Next, the control program calculates the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 based on the height (distance d3) of the weld bead 56 measured using the measurement light L21 (third measurement light L21c).
さらに、制御プログラムは、隙間gを算出した後、キーホール54の底部54aの位置(間隔d1)と、横骨52の表面52bの位置(間隔d2)と、算出した隙間gと、既知の横骨52の厚みt(本実施形態においては1.5mm)とに基づき、レーザL11の、外板51への進入深さd11を算出する。具体的には、間隔d1から、間隔d2と、算出した隙間gと、厚みtとを減ずることで、進入深さd11を算出する。なお、進入深さd11の算出は、溶接を行っている間、例えば10ミリ秒間隔で連続して行われる。ただし、この測定間隔は、10ミリ秒に限定されるものでなく、溶接速度と、検出しようとする進入深さd11が連続して不足する溶接長さに基づき適宜設定される。 Furthermore, after calculating the gap g, the control program calculates the penetration depth d11 of the laser L11 into the outer plate 51 based on the position of the bottom 54a of the keyhole 54 (distance d1), the position of the surface 52b of the cross frame 52 (distance d2), the calculated gap g, and the known thickness t of the cross frame 52 (1.5 mm in this embodiment). Specifically, the penetration depth d11 is calculated by subtracting the distance d2, the calculated gap g, and the thickness t from the distance d1. Note that the calculation of the penetration depth d11 is performed continuously, for example, at intervals of 10 milliseconds while welding is being performed. However, this measurement interval is not limited to 10 milliseconds and can be set appropriately based on the welding speed and the weld length over which the penetration depth d11 to be detected falls short.
以上のように、隙間gを考慮して、レーザL11の、外板51への進入深さd11を算出するため、進入深さd11を正確に算出することが可能である。そして、進入深さd11は、外板51における溶込み深さ(例えば、図8乃至10における溶込み深さd41)と同一視できる。つまり、進入深さd11を正確に算出可能となることで、外板51における溶込み深さを正確に把握することが可能となる。なお、図2においては、外板51と横骨52の間に隙間gが存在する場合を示しているが、隙間gが存在しない場合には、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づいて、隙間gが、例えば0mmと算出されるのであるから、レーザ溶接装置1は、隙間gの有無に関わらず、進入深さd11を正確に算出することが可能である。 As described above, the penetration depth d11 of the laser L11 into the outer plate 51 is calculated taking the gap g into account, making it possible to accurately calculate the penetration depth d11. Furthermore, the penetration depth d11 can be considered the same as the penetration depth in the outer plate 51 (e.g., penetration depth d41 in Figures 8 to 10). In other words, by being able to accurately calculate the penetration depth d11, it is possible to accurately determine the penetration depth in the outer plate 51. Note that Figure 2 shows a case where a gap g exists between the outer plate 51 and the cross frame 52. However, if no gap g exists, the gap g is calculated to be, for example, 0 mm based on the height (spacing d3) of the weld bead 56. Therefore, the laser welding device 1 can accurately calculate the penetration depth d11 regardless of whether or not a gap g exists.
ここで、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づく隙間gの算出について説明する。溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき、外板51と横骨52との隙間gを算出することとしているのは、本願発明者が、実験により、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と隙間gの大きさとの間に相関関係があることを発見したことによる。 Here, we will explain how to calculate the gap g based on the height (distance d3) of the weld bead 56. The reason why the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 is calculated based on the height (distance d3) of the weld bead 56 is that the inventors of the present application discovered through experiments that there is a correlation between the height (distance d3) of the weld bead 56 and the size of the gap g.
本願発明者は、外板51に相当する第1の試験片と、横骨52に相当する第2の試験片を用い、第1の試験片の上に隙間gをもって第2の試験片を重ねた状態でレーザ溶接を行い、溶接ビード56の高さを測定する実験を行った。溶接ビード56の高さは、第1の試験片と第2の試験片との隙間が、0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mmの、それぞれに設定された状態で溶接されたものを測定した。 The inventors conducted an experiment using a first test piece corresponding to the outer panel 51 and a second test piece corresponding to the cross frame 52. The second test piece was placed on top of the first test piece with a gap g between them, and laser welding was performed to measure the height of the weld bead 56. The height of the weld bead 56 was measured for pieces welded with the gap between the first and second test pieces set to 0 mm, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, and 0.6 mm.
図3は、上記実験の結果を示すグラフである。なお、図3における「溶接ビード高さ」とは、第2の試験片の表面からの溶接ビード56の突出量を意味する(図2における横骨52の表面52bからの溶接ビード56の突出量に相当)。このグラフに示される通り、第1の試験片と第2の試験片との隙間が0~0.3mmの範囲においては、隙間gの大きさが大きくなるにつれ、溶接ビード56の高さが低くなっている。つまり、隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの間に負の相関関係があることが分かる。出願人は、この相関関係に基づき、溶接ビード56の高さと隙間gの大きさとの関係を表す実験式を求めるに至った。したがって、レーザ溶接装置1の制御プログラムは、当該実験式により、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づいて隙間gを算出するのである。なお、隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの相関関係は、上記の通り、隙間gが0~0.3mmの範囲にある場合に成立するものであるが、この範囲は、第1の試験片(すなわち外板51)が、厚み2mmのオーステナイト系ステンレス鋼であり、第2の試験片(すなわち横骨52)が、厚み1.5mmのオーステナイト系ステンレス鋼である場合のものであり、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により、相関関係が成り立つ隙間gの範囲は変動する。 Figure 3 is a graph showing the results of the above experiment. Note that "weld bead height" in Figure 3 refers to the amount of protrusion of the weld bead 56 from the surface of the second test piece (equivalent to the amount of protrusion of the weld bead 56 from the surface 52b of the cross frame 52 in Figure 2). As shown in this graph, when the gap between the first and second test pieces is in the range of 0 to 0.3 mm, the height of the weld bead 56 decreases as the size of gap g increases. In other words, it can be seen that there is a negative correlation between the size of gap g and the height of the weld bead 56. Based on this correlation, the applicant has derived an empirical formula that expresses the relationship between the height of the weld bead 56 and the size of gap g. Therefore, the control program of the laser welding apparatus 1 uses this empirical formula to calculate gap g based on the height of the weld bead 56 (distance d3). As mentioned above, the correlation between the size of gap g and the height of weld bead 56 holds when gap g is in the range of 0 to 0.3 mm. However, this range applies when the first test piece (i.e., outer plate 51) is made of austenitic stainless steel with a thickness of 2 mm and the second test piece (i.e., cross beam 52) is made of austenitic stainless steel with a thickness of 1.5 mm. The range of gap g for which this correlation holds varies depending on the material and thickness of the base material to be welded, the welding conditions, etc.
隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの相関関係は、隙間が0~0.3mmの範囲外にある場合には成立しない。つまり、隙間gが0~0.3mmの範囲外にある場合には、上記した実験式から、隙間gを正確に算出することができない。ひいては、外板51における進入深さd11を正確に算出することができない。 The correlation between the size of gap g and the height of the weld bead 56 does not hold if the gap is outside the range of 0 to 0.3 mm. In other words, if gap g is outside the range of 0 to 0.3 mm, gap g cannot be accurately calculated using the above empirical formula. As a result, the penetration depth d11 in the outer plate 51 cannot be accurately calculated.
ここで、図3のグラフを見ると、隙間gが0.3mmを超えると溶接ビード56の高さが大きくなっていくことが分かるが、0.5~0.6mmの間では、その増加量が、0.4~0.5mmの間と比べて小さくなっている。つまり、これ以降さらに隙間gが増大したとしても、溶接ビード56の高さは、ある一定の値へ収束するものと考えられる。このことから、出願人は、溶接ビード56の高さが所定の閾値Xを超えるか否かを見ることにより、隙間gの大きさが、隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの相関関係が成立する範囲内にあるか否かについて判別可能であることを発見した。 The graph in Figure 3 shows that the height of weld bead 56 increases when gap g exceeds 0.3 mm, but the increase is smaller between 0.5 and 0.6 mm compared to between 0.4 and 0.5 mm. In other words, even if gap g increases further from this point, the height of weld bead 56 is likely to converge to a certain value. From this, the applicant discovered that by checking whether the height of weld bead 56 exceeds a predetermined threshold value X, it is possible to determine whether the size of gap g is within a range in which a correlation exists between the size of gap g and the height of weld bead 56.
すなわち、溶接ビード56の高さが閾値Xを超える場合は、外板51と横骨52との隙間gが0~0.3mmの範囲内にあるため、上記実験式により算出された外板51における進入深さd11の信頼性が高いと判断できる。一方で、溶接ビード56の高さが閾値Xを超えない場合は、外板51と横骨52との隙間gが、0~0.3mmの範囲外にあるため、上記実験式により算出された外板51における進入深さd11の信頼性が低いという判断ができる。 In other words, when the height of the weld bead 56 exceeds the threshold X, the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 is within the range of 0 to 0.3 mm, and therefore the penetration depth d11 in the outer plate 51 calculated using the above empirical formula can be determined to be highly reliable. On the other hand, when the height of the weld bead 56 does not exceed the threshold X, the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 is outside the range of 0 to 0.3 mm, and therefore the penetration depth d11 in the outer plate 51 calculated using the above empirical formula can be determined to be unreliable.
以上のように、溶接ビード56の高さが所定の閾値Xを超えるか否かを見ることにより、算出された進入深さd11の信頼性評価を行うことが可能となる。なお、図3中の閾値Xによれば、隙間が0.3mmの場合も信頼性がないと判断されてしまうが、これは安全率を考慮したものである。また、所定の閾値Xとは、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものである。したがって、上記実験のように隙間の大きさや溶接ビード高さを実測し、その実測値に基づいて適宜設定される。 As described above, by checking whether the height of the weld bead 56 exceeds a predetermined threshold X, it is possible to evaluate the reliability of the calculated penetration depth d11. Note that, according to the threshold X in Figure 3, even a gap of 0.3 mm would be deemed unreliable, but this is due to consideration of a safety factor. Furthermore, the predetermined threshold X varies depending on the material and thickness of the base material to be welded, welding conditions, etc. Therefore, the size of the gap and the height of the weld bead are actually measured as in the above experiment, and the threshold is set appropriately based on these measured values.
上記した実施形態においては、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づいて隙間gを算出するものとしているが、隙間gを算出するに当たっては、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に加えて、隙間gを算出する直前の所定時間内において算出された隙間gである隙間算出履歴と、所定時間内において測定された溶接ビードの高さ(間隔d3)の標準偏差と、を考慮するものとしても良い。
具体的には、例えば、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき算出された隙間gを、隙間算出履歴および標準偏差を用いて補正する。この補正の仕方は、本願発明が実験により導き出した実験式によることや、機械学習によることが考えられる。なお、上記した所定時間内とは、例えば約100ミリ秒であるが、これに限定されるものではなく、溶接速度と、検出しようとする進入深さd11が連続して不足する溶接長さに基づき適宜設定される。
In the above-described embodiment, gap g is calculated based on the height (spacing d3) of weld bead 56, but when calculating gap g, in addition to the height (spacing d3) of weld bead 56, it is also possible to take into account the gap calculation history, which is the gap g calculated within a predetermined time immediately before calculating gap g, and the standard deviation of the height (spacing d3) of the weld bead measured within the predetermined time.
Specifically, for example, the gap g calculated based on the height (distance d3) of the weld bead 56 is corrected using the gap calculation history and the standard deviation. This correction may be performed using an empirical formula derived through experiments by the present invention or by machine learning. Note that the above-mentioned "predetermined time" is, for example, approximately 100 milliseconds, but is not limited to this and is set appropriately based on the welding speed and the weld length over which the penetration depth d11 to be detected is continuously insufficient.
外板51と横骨52との隙間gは、連続溶接の進行方向において、一定ではなく、材料のうねりや反り等により変動する。しかし、その変動は、材料表面に打痕がある等の不良がある場合を除けば、急激なものではなく緩やかなものである。したがって、隙間gを算出しようとする直前までの隙間gの変化量を見ることで、算出される隙間gの精度が高まる。そこで、隙間gを算出するに当たり、上記した隙間算出履歴を考慮することで、隙間gの大きさがどのように推移していたのか、その変化量を見ることが可能となり、より正確に外板51と横骨52との隙間gを算出することが可能となる。 The gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 is not constant in the direction of continuous welding, but fluctuates due to waviness or warping of the material. However, this fluctuation is gradual, not sudden, except in cases where there are defects such as dents on the material surface. Therefore, the accuracy of the calculated gap g can be improved by looking at the amount of change in gap g up to the time when gap g is to be calculated. Therefore, by considering the gap calculation history described above when calculating gap g, it is possible to see how the size of gap g has changed over time and the amount of change, making it possible to more accurately calculate the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52.
また、本願発明者は、上記した実験により、隙間gの大きさと、溶接ビード56の高さの標準偏差との間に相関関係があることを発見した。図4は、上記した実験により測定した溶接ビード56の高さと溶接ビード56の高さの標準偏差の関係をまとめたグラフである。縦軸が標準偏差の値である。また、横軸は溶接ビード56の高さである。 Furthermore, through the above-mentioned experiments, the inventors of the present application discovered that there is a correlation between the size of gap g and the standard deviation of the height of weld bead 56. Figure 4 is a graph summarizing the relationship between the height of weld bead 56 measured through the above-mentioned experiments and the standard deviation of the height of weld bead 56. The vertical axis represents the standard deviation value, and the horizontal axis represents the height of weld bead 56.
図4に示すグラフから、隙間gが0.4mmの場合には、隙間gが0~0.3,0.5~0.6mmの場合と比べて、標準偏差が大幅に大きくなっていることが分かる。隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの相関関係が成立する隙間gの範囲は、上述の通り0~0.3mmであるため、0.4mmという値は、実験を行った0~0.6mmの中で、当該相関関係が成立するか否かの境界値である。そして図4のグラフからは、上記境界値を例外として、隙間gが大きいほど、溶接ビードの高さ(間隔d3)の標準偏差が小さくなっていることが示されている。このような実験結果から、隙間gを算出するに当たり、隙間gが上記境界値にある場合は標準偏差が大幅に大きくなること、上記境界値を例外として、、隙間gが大きいほど標準偏差が小さくなること、を考慮すれば、より正確に外板51と横骨52との隙間gを算出することが可能となる。
なお、本実施形態においては、上記境界値が0.4mmであるが、これはあくまで一例である。既に述べた通り、隙間gの大きさと溶接ビード56の高さとの相関関係が成立する隙間gの範囲が、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものであるため、この隙間gの範囲の変動に合わせて、境界値も変動する。
The graph shown in Figure 4 shows that when the gap g is 0.4 mm, the standard deviation is significantly larger than when the gap g is 0 to 0.3 mm or 0.5 to 0.6 mm. Because the gap g range in which a correlation between the size of the gap g and the height of the weld bead 56 is 0 to 0.3 mm, as described above, the value of 0.4 mm is the boundary value within the experimental range of 0 to 0.6 mm at which the correlation is established. The graph in Figure 4 also shows that, with the exception of this boundary value, the larger the gap g, the smaller the standard deviation of the weld bead height (distance d3). Based on these experimental results, when calculating the gap g, it is possible to more accurately calculate the gap g between the outer plate 51 and the cross frame 52 by taking into account that the standard deviation is significantly larger when the gap g is within the boundary value and that the standard deviation is smaller with the larger gap g, with the exception of this boundary value.
In this embodiment, the boundary value is 0.4 mm, but this is merely an example. As already mentioned, the range of gap g, within which a correlation exists between the size of gap g and the height of weld bead 56, varies depending on the material and thickness of the base material to be welded, the welding conditions, and the like, and therefore the boundary value also varies in accordance with the variation in the range of gap g.
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置1によれば、
(1)第1の母材(外板51)と、第1の母材(外板51)の上に重ねて配置される第2の母材(横骨52)とを、レーザL11を用いて連続溶接するレーザ溶接方法において、第1の母材(外板51)および第2の母材(横骨52)に対し、第2の母材(横骨52)の側からレーザL11を照射することで、キーホール54と、キーホール54の、連続溶接の進行方向(矢印Y)とは反対側に溶接ビード56と、を生じさせること、光干渉断層法による計測光L21(第1の計測光L21a)を、キーホール54の底部54aに照射することで、底部54aの位置(間隔d1)を測定すること、計測光L21(第2の計測光L21b)を、第2の母材(横骨52)の表面52bに照射することで、表面52bの位置(間隔d2)を測定すること、計測光L21(第3の計測光L21c)を、溶接ビード56に照射することで、溶接ビード56の高さ(間隔d3)を測定すること、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出すること、底部54aの位置(間隔d1)と、表面52bの位置(間隔d2)と、第2の母材(横骨52)の厚みtと、隙間gと、に基づき、レーザL11の、第1の母材(外板51)への進入深さd11を算出すること、を特徴とする。
As described above, according to the laser welding method and laser welding apparatus 1 of this embodiment,
(1) In a laser welding method for continuously welding a first base material (outer plate 51) and a second base material (cross frame 52) placed on top of the first base material (outer plate 51) using a laser L11, the laser L11 is irradiated onto the first base material (outer plate 51) and the second base material (cross frame 52) from the side of the second base material (cross frame 52), thereby generating a keyhole 54 and a weld bead 56 on the side of the keyhole 54 opposite to the direction of progression (arrow Y) of the continuous welding; measuring light L21 (first measuring light L21a) by optical coherence tomography is irradiated onto a bottom 54a of the keyhole 54, thereby measuring the position (distance d1) of the bottom 54a; the position (distance d2) of the surface 52b of the second base material (cross frame 52) is measured by irradiating the surface 52b of the second base material (cross frame 52) with measurement light L21 (third measurement light L21c); the height (d3) of the weld bead 56 is measured by irradiating the weld bead 56 with measurement light L21 (third measurement light L21c); the gap g between the first base material (outer plate 51) and the second base material (cross frame 52) is calculated based on the height (d3) of the weld bead 56; and the penetration depth d11 of the laser L11 into the first base material (outer plate 51) is calculated based on the position (distance d1) of the bottom 54a, the position of the surface 52b (distance d2), the thickness t of the second base material (cross frame 52), and the gap g.
(4)第1の母材(外板51)と、第1の母材(外板51)の上に重ねて配置される第2の母材(横骨52)とを、レーザL11を用いて連続溶接するレーザ溶接装置1において、レーザ光源2と、光干渉計3と、走査手段25と、レーザ溶接装置1を制御するための制御プログラムを備える制御装置と、を備えること、制御プログラムは、レーザ光源2からレーザL11を発生させて、第1の母材(外板51)および第2の母材(横骨52)に対し、第2の母材(横骨52)の側からレーザL11を照射することで、キーホール54と、キーホール54の、連続溶接の進行方向(矢印Y)とは反対側に溶接ビード56と、を生じさせ、光干渉計3から、光干渉断層法による計測光L21を発生させ、計測光L21(第1の計測光L21a,第2の計測光L21b,第3の計測光L21c)を、走査手段25により、キーホール54の底部54aと、第2の母材(横骨52)の表面52bと、溶接ビード56と、に順次照射することで、キーホール54の底部54aの位置(間隔d1)と、第2の母材(横骨52)の表面52bの位置(間隔d2)と、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と、を測定し、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出し、底部54aの位置(間隔d1)と、表面52bの位置(間隔d2)と、第2の母材(横骨52)の厚みtと、隙間gと、に基づき、レーザL11の、第1の母材(外板51)への進入深さd11を算出すること、を特徴とする。 (4) A laser welding apparatus 1 that continuously welds a first base material (outer plate 51) and a second base material (cross frame 52) placed on top of the first base material (outer plate 51) using a laser L11 includes a laser light source 2, an optical interferometer 3, a scanning means 25, and a control device having a control program for controlling the laser welding apparatus 1. The control program generates a laser L11 from the laser light source 2 and irradiates the first base material (outer plate 51) and the second base material (cross frame 52) with the laser L11 from the side of the second base material (cross frame 52), thereby creating a keyhole 54 and a weld bead 56 on the side of the keyhole 54 opposite the direction of progression of the continuous welding (arrow Y). The optical interferometer 3 generates measurement light L21 using optical coherence tomography, and the measurement light L21 (first measurement The scanning means 25 sequentially irradiates the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the second base material (cross frame 52), and the weld bead 56 with the first measurement light L21a, the second measurement light L21b, and the third measurement light L21c, thereby determining the position (distance d1) of the bottom 54a of the keyhole 54, the position (distance d2) of the surface 52b of the second base material (cross frame 52), and the height (d3) of the weld bead 56. and calculate the gap g between the first base material (outer plate 51) and the second base material (cross frame 52) based on the height (distance d3) of the weld bead 56, and calculate the penetration depth d11 of the laser L11 into the first base material (outer plate 51) based on the position of the bottom 54a (distance d1), the position of the surface 52b (distance d2), the thickness t of the second base material (cross frame 52), and the gap g.
(1)に記載のレーザ溶接方法または(4)に記載のレーザ溶接装置1によれば、光干渉断層法により、キーホール54の底部54aの位置と、第2の母材(横骨52)の表面52bの位置(間隔d2)と、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と、の測定を行った上、溶接ビード56の高さ(間隔d3)に基づき、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出する。そして、キーホール54の底部54aの位置と、第2の母材(横骨52)の表面52bの位置(間隔d2)と、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gと、既知の第2の母材(横骨52)の厚みtと、に基づき、第1の母材(外板51)への進入深さd11を算出する。従来技術においては考慮されていなかった第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを考慮するため、レーザL11の、第1の母材(外板51)への進入深さd11を正確に算出することが可能である。そして、レーザL11の、第1の母材(外板51)への進入深さd11は、第1の母材(外板51)における溶込み深さd41と同一視できる。つまり、第1の母材(外板51)における溶込み深さd41を正確に把握することが可能である。 According to the laser welding method described in (1) or the laser welding apparatus 1 described in (4), the position of the bottom 54a of the keyhole 54, the position (distance d2) of the surface 52b of the second base material (cross frame 52), and the height (d3) of the weld bead 56 are measured using optical coherence tomography. Then, the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52) is calculated based on the height (d3) of the weld bead 56. The penetration depth d11 into the first base material (skin plate 51) is calculated based on the position of the bottom 54a of the keyhole 54, the position (distance d2) of the surface 52b of the second base material (cross frame 52), the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52), and the known thickness t of the second base material (cross frame 52). By taking into account the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52), which was not taken into account in conventional technology, it is possible to accurately calculate the penetration depth d11 of the laser L11 into the first base material (skin plate 51). Furthermore, the penetration depth d11 of the laser L11 into the first base material (skin plate 51) can be considered to be the same as the penetration depth d41 in the first base material (skin plate 51). In other words, it is possible to accurately determine the penetration depth d41 in the first base material (skin plate 51).
ここで、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gは、計測光L21(第3の計測光L21c)により溶接ビード56の高さ(間隔d3)を測定し、この測定値に基づいて算出することとしている。これは、本願発明者が、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と隙間gの大きさとの間に相関関係があることを発見したことによる。本願発明者は、隙間gを、0mm、0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mmのそれぞれに設定した状態で、第1の母材(外板51)に相当する第1の試験片と第2の母材(横骨52)に相当する第2の試験片とのレーザ溶接を行うことで、溶接ビード56の高さ(間隔d3)を調べる実験を行った。この結果、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と隙間gの大きさとの関係を表す実験式を求めるに至った。これにより、当該実験式に、計測光L21(第3の計測光L21c)により測定した溶接ビード56の高さ(間隔d3)を実験式に代入することで、隙間gの大きさを正確に算出することが可能となった。 Here, the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52) is calculated based on the height (distance d3) of the weld bead 56 measured using measurement light L21 (third measurement light L21c). This is because the inventors discovered a correlation between the height (distance d3) of the weld bead 56 and the size of the gap g. The inventors conducted experiments to measure the height (distance d3) of the weld bead 56 by laser welding a first test piece corresponding to the first base material (skin plate 51) with a second test piece corresponding to the second base material (cross frame 52) while setting the gap g to 0 mm, 0.1 mm, 0.2 mm, 0.3 mm, 0.4 mm, 0.5 mm, and 0.6 mm. As a result, they were able to derive an empirical formula expressing the relationship between the height (distance d3) of the weld bead 56 and the size of the gap g. As a result, by substituting the height (spacing d3) of the weld bead 56 measured using measurement light L21 (third measurement light L21c) into the empirical formula, it is possible to accurately calculate the size of the gap g.
(2)(1)に記載のレーザ溶接方法において、隙間gは、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と、隙間gを算出する直前の所定時間内において算出された隙間gである隙間算出履歴と、所定時間内において測定された溶接ビード56の高さ(間隔d3)の標準偏差と、に基づき算出されること、を特徴とする。 (2) In the laser welding method described in (1), the gap g is calculated based on the height (distance d3) of the weld bead 56, the gap calculation history, which is the gap g calculated within a predetermined time immediately before calculating the gap g, and the standard deviation of the height (distance d3) of the weld bead 56 measured within the predetermined time.
(5)(4)に記載のレーザ溶接装置1において、制御プログラムは、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と、隙間gを算出する直前の所定時間内において算出された隙間gである隙間算出履歴と、所定時間内において測定された溶接ビード56の高さ(間隔d3)の標準偏差と、に基づき、隙間gを算出すること、を特徴とする。 (5) In the laser welding apparatus 1 described in (4), the control program calculates the gap g based on the height (spacing d3) of the weld bead 56, the gap calculation history, which is the gap g calculated within a predetermined time immediately before calculating the gap g, and the standard deviation of the height (spacing d3) of the weld bead 56 measured within the predetermined time.
第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gは、連続溶接の進行方向において、一定ではなく、材料のうねりや反り等により変動する。しかし、その変動は、材料表面に打痕がある等の不良がある場合を除けば、急激なものではなく緩やかなものである。したがって、隙間gを算出しようとする直前までの隙間gの変化量を見ることで、算出される隙間gの精度が高まる。この点、(2)に記載のレーザ溶接方法または(5)に記載のレーザ溶接装置1によれば、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出する際に、当該隙間gを算出する直前の所定時間内において算出された隙間gである隙間算出履歴を考慮するため、隙間gの大きさがどのように推移していたのか、その変化量を見ることが可能となり、より正確に第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出することが可能となる。 The gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52) is not constant in the direction of continuous welding, but fluctuates due to waviness and warping of the material. However, this fluctuation is gradual, not sudden, except when there are defects such as dents on the material surface. Therefore, the accuracy of the calculated gap g can be improved by looking at the amount of change in gap g up to the time when gap g is calculated. In this regard, with the laser welding method described in (2) or the laser welding apparatus 1 described in (5), when calculating the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52), the gap calculation history, which is the gap g calculated within a predetermined time period immediately prior to calculating the gap g, is taken into account. This makes it possible to see how the size of gap g has changed over time, and the amount of change. This enables more accurate calculation of the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52).
また、本願発明者は、上記した実験により、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gの大きさと、溶接ビード56の高さ(間隔d3)の標準偏差に相関関係があることを発見した。(2)に記載のレーザ溶接方法または(5)に記載のレーザ溶接装置1によれば、第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出する際に、溶接ビード56の高さの標準偏差を合わせて考慮するため、より正確に第1の母材(外板51)と第2の母材(横骨52)との隙間gを算出することが可能となる。 Furthermore, through the above-mentioned experiments, the inventors of the present application discovered that there is a correlation between the size of the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52) and the standard deviation of the height (distance d3) of the weld bead 56. According to the laser welding method described in (2) or the laser welding apparatus 1 described in (5), when calculating the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52), the standard deviation of the height of the weld bead 56 is also taken into consideration, making it possible to more accurately calculate the gap g between the first base material (skin plate 51) and the second base material (cross frame 52).
(3)(1)または(2)に記載のレーザ溶接方法において、溶接ビード56の高さ(間隔d3)が所定の閾値Xを超えるか否かにより、算出された進入深さd11の信頼性評価を行うこと、を特徴とする。 (3) The laser welding method described in (1) or (2) is characterized in that the reliability of the calculated penetration depth d11 is evaluated based on whether the height (spacing d3) of the weld bead 56 exceeds a predetermined threshold value X.
(6)(4)または(5)に記載のレーザ溶接装置1において、制御プログラムは、溶接ビード56の高さ(間隔d3)が所定の閾値Xを超えるか否かにより、算出された進入深さd11の信頼性評価を行うこと、を特徴とする。 (6) In the laser welding apparatus 1 described in (4) or (5), the control program is characterized in that it evaluates the reliability of the calculated penetration depth d11 based on whether the height (spacing d3) of the weld bead 56 exceeds a predetermined threshold value X.
本願発明者は、溶接ビード56の高さ(間隔d3)と隙間gの大きさとの間にある相関関係は、隙間gが、とある範囲内にある場合に成立するものであると発見した。つまり、隙間gが、当該範囲外にある場合には、上記した実験式から、隙間gを正確に算出することができない。とある範囲内とは、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものであり、例えば、第1の母材(外板51)が厚み2mmのオーステナイト系ステンレス鋼であり、第2の母材(横骨52)が厚み1.5mmのオーステナイト系ステンレス鋼である場合には、約0~0.3mmである。 The inventors of the present application discovered that the correlation between the height of the weld bead 56 (spacing d3) and the size of the gap g holds when the gap g is within a certain range. In other words, if the gap g is outside this range, the gap g cannot be accurately calculated from the above-mentioned empirical formula. The "within this certain range" varies depending on the material and thickness of the base material to be welded, the welding conditions, etc. For example, if the first base material (outer plate 51) is austenitic stainless steel with a thickness of 2 mm and the second base material (cross frame 52) is austenitic stainless steel with a thickness of 1.5 mm, the gap g is approximately 0 to 0.3 mm.
そのような中、本願発明者は、隙間gが当該範囲内にあるか否かを、溶接ビード56の高さ(間隔d3)により判断することが可能であることを発見した。すなわち、溶接ビード56の高さ(間隔d3)が所定の閾値Xを超える場合は、隙間gが当該範囲内にあるため、上記実験式により算出された第1の母材(外板51)における進入深さd11の信頼性が高いと判断できると発見した。一方で、所定の閾値Xを超えない場合は、隙間gが、当該範囲外にあるため、上記実験式により算出された第1の母材(外板51)における進入深さd11の信頼性が低いという判断ができると発見した。よって、(3)に記載のレーザ溶接方法または(6)に記載のレーザ溶接装置1によれば、溶接ビード56の高さ(間隔d3)が所定の閾値Xを超えるか否かを判断するため、算出された進入深さd11の信頼性評価を行うことが可能となる。なお、所定の閾値Xとは、溶接対象となる母材の材質や厚み、溶接条件等により変動するものである。したがって、溶接対象となる母材に相当する試験片を用いて隙間の大きさや溶接ビード高さを実測し、その実測値に基づいて、適宜設定される。 In light of this, the present inventors have discovered that it is possible to determine whether gap g is within the specified range based on the height (distance d3) of the weld bead 56. Specifically, when the height (distance d3) of the weld bead 56 exceeds a predetermined threshold X, gap g is within the specified range, and the reliability of the penetration depth d11 in the first base material (skin plate 51) calculated using the above empirical formula can be determined to be high. On the other hand, when gap g does not exceed the specified threshold X, gap g is outside the specified range, and the reliability of the penetration depth d11 in the first base material (skin plate 51) calculated using the above empirical formula can be determined to be low. Therefore, the laser welding method described in (3) or the laser welding apparatus 1 described in (6) can determine whether the height (distance d3) of the weld bead 56 exceeds the specified threshold X, thereby enabling a reliability evaluation of the calculated penetration depth d11. The specified threshold X varies depending on the material and thickness of the base material to be welded, welding conditions, etc. Therefore, the size of the gap and the height of the weld bead are measured using a test piece equivalent to the base material to be welded, and the settings are appropriately made based on these measurements.
なお、上記の実施形態は単なる例示にすぎず、本発明を何ら限定するものではない。したがって本発明は当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で様々な改良、変形が可能である。例えば、上記実施形態においては、計測光L21を、走査手段25により計測対象となる部位(キーホール54の底部54a,横骨52の表面52b,溶接ビード56)に順次照射する方法を取っているが、ビームスプリッタにより計測光L21を3本に分割し、計測対象となる部位に照射する方法を取っても良い。 The above-described embodiment is merely illustrative and does not limit the present invention in any way. Naturally, various improvements and modifications to the present invention are possible without departing from the spirit and scope of the present invention. For example, in the above-described embodiment, the scanning means 25 sequentially irradiates the measurement light L21 onto the areas to be measured (the bottom 54a of the keyhole 54, the surface 52b of the cross-section 52, and the weld bead 56). However, a beam splitter may be used to split the measurement light L21 into three beams, which are then irradiated onto the areas to be measured.
1 レーザ溶接装置
51 外板(第1の母材の一例)
52 横骨(第2の母材の一例)
54 キーホール
54a 底部
56 溶接ビード
L11 レーザ
L21 計測光
1 Laser welding device 51 Outer plate (an example of a first base material)
52 cross bone (an example of the second base material)
54 Keyhole 54a Bottom 56 Weld bead L11 Laser L21 Measurement light
Claims (4)
前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせること、
光干渉断層法による計測光を、前記キーホールの底部に照射することで、前記底部の位置を測定すること、
前記計測光を、前記第2の母材の表面に照射することで、前記表面の位置を測定すること、
前記計測光を、前記溶接ビードに照射することで、前記溶接ビードの高さを測定すること、
前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出すること、
前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、
前記隙間は、前記溶接ビードの高さと、前記隙間を算出する直前の所定時間内において算出された前記隙間である隙間算出履歴と、前記所定時間内において測定された前記溶接ビードの高さの標準偏差と、に基づき算出されること、
を特徴とするレーザ溶接方法。 A laser welding method for continuously welding a first base material and a second base material disposed on top of the first base material using a laser, comprising:
irradiating the first base material and the second base material with the laser from the second base material side to generate a keyhole and a weld bead on the opposite side of the keyhole to a direction in which the continuous welding proceeds;
measuring the position of the bottom of the keyhole by irradiating the bottom with measurement light by optical coherence tomography;
measuring a position of the surface by irradiating the surface of the second base material with the measurement light;
measuring a height of the weld bead by irradiating the measurement light onto the weld bead;
Calculating a gap between the first base material and the second base material based on the height of the weld bead;
calculating a penetration depth of the laser into the first base material based on the position of the bottom portion, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap;
the gap is calculated based on the height of the weld bead, a gap calculation history that is the gap calculated within a predetermined time immediately before the gap is calculated, and a standard deviation of the height of the weld bead measured within the predetermined time;
A laser welding method characterized by:
前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせること、
光干渉断層法による計測光を、前記キーホールの底部に照射することで、前記底部の位置を測定すること、
前記計測光を、前記第2の母材の表面に照射することで、前記表面の位置を測定すること、
前記計測光を、前記溶接ビードに照射することで、前記溶接ビードの高さを測定すること、
前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出すること、
前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、
前記溶接ビードの高さが所定の閾値を超えるか否かにより、算出された前記進入深さの信頼性評価を行うこと、
を特徴とするレーザ溶接方法。 A laser welding method for continuously welding a first base material and a second base material disposed on top of the first base material using a laser, comprising:
irradiating the first base material and the second base material with the laser from the second base material side to generate a keyhole and a weld bead on the opposite side of the keyhole to a direction in which the continuous welding proceeds;
measuring the position of the bottom of the keyhole by irradiating the bottom with measurement light by optical coherence tomography;
measuring a position of the surface by irradiating the surface of the second base material with the measurement light;
measuring a height of the weld bead by irradiating the measurement light onto the weld bead;
Calculating a gap between the first base material and the second base material based on the height of the weld bead;
calculating a penetration depth of the laser into the first base material based on the position of the bottom portion, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap;
evaluating the reliability of the calculated penetration depth based on whether or not the height of the weld bead exceeds a predetermined threshold;
A laser welding method characterized by:
レーザ光源と、光干渉計と、走査手段と、レーザ溶接装置を制御するための制御プログラムを備える制御装置と、を備えること、
前記制御プログラムは、
前記レーザ光源から前記レーザを発生させて、前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせ、
前記光干渉計から、光干渉断層法による計測光を発生させ、
前記計測光を、前記走査手段により、前記キーホールの底部と、前記第2の母材の表面と、前記溶接ビードと、に順次照射することで、前記キーホールの底部の位置と、前記第2の母材の表面の位置と、前記溶接ビードの高さと、を測定し、
前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出し、
前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、
前記制御プログラムは、前記溶接ビードの高さと、前記隙間を算出する直前の所定時間内において算出された前記隙間である隙間算出履歴と、前記所定時間内において測定された前記溶接ビードの高さの標準偏差と、に基づき、前記隙間を算出すること、
を特徴とするレーザ溶接装置。 A laser welding apparatus for continuously welding a first base material and a second base material disposed on top of the first base material using a laser, comprising:
a laser light source, an optical interferometer, a scanning means, and a control device having a control program for controlling the laser welding device;
The control program
The laser is generated from the laser light source, and the laser is irradiated onto the first base material and the second base material from the second base material side, thereby generating a keyhole and a weld bead on the opposite side of the keyhole from the direction in which the continuous welding proceeds;
generating measurement light by optical coherence tomography from the optical interferometer;
the scanning means sequentially irradiates the measurement light onto the bottom of the keyhole, the surface of the second base metal, and the weld bead, thereby measuring the position of the bottom of the keyhole, the position of the surface of the second base metal, and the height of the weld bead;
Calculating a gap between the first base material and the second base material based on the height of the weld bead;
calculating a penetration depth of the laser into the first base material based on the position of the bottom portion, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap;
the control program calculates the gap based on the height of the weld bead, a gap calculation history that is the gap calculated within a predetermined time immediately before calculating the gap, and a standard deviation of the height of the weld bead measured within the predetermined time;
A laser welding device characterized by:
レーザ光源と、光干渉計と、走査手段と、レーザ溶接装置を制御するための制御プログラムを備える制御装置と、を備えること、
前記制御プログラムは、
前記レーザ光源から前記レーザを発生させて、前記第1の母材および前記第2の母材に対し、前記第2の母材の側から前記レーザを照射することで、キーホールと、前記キーホールの、前記連続溶接の進行方向とは反対側に溶接ビードと、を生じさせ、
前記光干渉計から、光干渉断層法による計測光を発生させ、
前記計測光を、前記走査手段により、前記キーホールの底部と、前記第2の母材の表面と、前記溶接ビードと、に順次照射することで、前記キーホールの底部の位置と、前記第2の母材の表面の位置と、前記溶接ビードの高さと、を測定し、
前記溶接ビードの高さに基づき、前記第1の母材と前記第2の母材との隙間を算出し、
前記底部の位置と、前記表面の位置と、前記第2の母材の厚みと、前記隙間と、に基づき、前記レーザの、前記第1の母材への進入深さを算出すること、
前記制御プログラムは、前記溶接ビードの高さが所定の閾値を超えるか否かにより、算出された前記進入深さの信頼性評価を行うこと、
を特徴とするレーザ溶接装置。 A laser welding apparatus for continuously welding a first base material and a second base material disposed on top of the first base material using a laser, comprising:
a laser light source, an optical interferometer, a scanning means, and a control device having a control program for controlling the laser welding device;
The control program
The laser is generated from the laser light source, and the laser is irradiated onto the first base material and the second base material from the second base material side, thereby generating a keyhole and a weld bead on the opposite side of the keyhole from the direction in which the continuous welding proceeds;
generating measurement light by optical coherence tomography from the optical interferometer;
the scanning means sequentially irradiates the measurement light onto the bottom of the keyhole, the surface of the second base metal, and the weld bead, thereby measuring the position of the bottom of the keyhole, the position of the surface of the second base metal, and the height of the weld bead;
Calculating a gap between the first base material and the second base material based on the height of the weld bead;
calculating a penetration depth of the laser into the first base material based on the position of the bottom portion, the position of the surface, the thickness of the second base material, and the gap;
the control program evaluates the reliability of the calculated penetration depth based on whether or not the height of the weld bead exceeds a predetermined threshold;
A laser welding device characterized by:
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