(57)【要約】【課題】上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板について、二枚の金属板間の隙間が大きな場合でも上側金属板側から下側金属板への溶融金属の垂下を良好に行わせて、上下の金属板の連結の確実性を向上可能なレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供する。【解決手段】上側金属板Ｗ１及びフィラーワイヤＸの溶融金属Ｗｙに下向きのローレンツ力Ｆｒが作用するように、金属板Ｗ１表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界Ｈを形成した状態で、溶融金属Ｗｙに磁界Ｈの方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流Ｉを流し、溶融金属Ｗｙを隙間Ｚを越えて下方に垂下させる。【選択図】図５
2010188350.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法であって、
上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザ光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融工程と、
該溶融工程で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下工程とを有していることを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項２】
前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、
前記溶接工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像工程と、
該撮像工程で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出工程と、
該溶融池幅検出工程で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定工程と、
該判定工程で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整工程とを有していることを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項３】
上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接装置であって、
上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザ光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融手段と、
該溶融手段で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下手段とを有していることを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項４】
前記請求項３に記載のレーザー溶接方法において、
前記溶接手段による溶接実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像手段と、
該撮像手段で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出手段と、
該溶融池幅検出手段で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定手段と、
該判定手段で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整手段とを有していることを特徴とするレーザー溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板の溶接方法として、レーザー溶接が利用されつつある。このレーザー溶接は、二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザ光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して移動させることにより、上下の金属板のレーザー光被照射部位を溶融させて線状の溶接ビードを形成させるものである。
【０００３】
その場合に、二枚の金属板における対向する面は一般に完全な平面ではないので、二枚の金属板間には隙間が生じると共に、その隙間の大きさも溶接経路上において一様でなく、その結果、例えば隙間が大きい箇所において上側金属板の溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下せず、上下の金属板が連結されない溶接不良を生じることがあった。
【０００４】
この問題に対処可能な技術として、特許文献１には、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤを溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、該溶融金属が隙間を越えて下側金属板に接触する状態まで垂下しやすくし、これにより上下の金属板が連結されない溶接不良を防止するようにした技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−６６２６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記特許文献１に記載のもののようにフィラーワイヤを供給した場合でも、本願発明者の実験等に基づく知見によれば、隙間が大きい場合には、溶融金属が表面張力等により下側の金属板まで垂下せず、上下の金属板が連結されないことがあることがわかっている。
【０００７】
そこで、本発明は、二枚の金属板間の隙間が大きな場合でも上側金属板側から下側金属板への溶融金属の垂下を良好に行わせて、上下の金属板の連結の確実性を向上可能なレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明は、次のように構成したことを特徴とする。
【０００９】
まず、本願の請求項１に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接方法であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザ光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融工程と、該溶融工程で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下工程とを有していることを特徴とする。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、前記溶接工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像工程と、該撮像工程で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出工程と、該溶融池幅検出工程で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定工程と、該判定工程で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整工程とを有していることを特徴とする。
【００１１】
また、請求項３に記載の発明は、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板のレーザー溶接装置であって、上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射しつつ該レーザ光を所定の溶接経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動させながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤを供給して、上側の金属板のレーザー光被照射部を溶融させて上下に貫通する溶融穴部を形成すると共に前記フィラーワイヤの端部を溶融させることにより、これらの溶融金属が前記溶融穴部に貯留されてなる溶融池を溶接経路後方に形成する溶融手段と、該溶融手段で生成されたこれらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用するように、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流し、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下を促進させる垂下手段とを有していることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明は、前記請求項３に記載のレーザー溶接方法において、前記溶接手段による溶接実行中、上側の金属板側から前記溶融池を撮像する撮像手段と、該撮像手段で撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅を検出する溶融池幅検出手段と、該溶融池幅検出手段で検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かを判定する判定手段と、該判定手段で連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記記ローレンツ力の大きさを、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整する調整手段とを有していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
次に、本発明の効果について説明する。
【００１４】
まず、請求項１に記載の発明によれば、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間が生じた平板状の二枚の金属板の上側の金属板表面に向けてレーザー光が照射されつつ該レーザ光が所定の移動経路に沿ってこれら二枚の金属板に対して相対的に移動しながら、レーザー光の被照射部位にその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤが供給されて、上側の金属板のレーザー光被照射部が溶融して上下に貫通する溶融穴部が形成されつつ前記フィラーワイヤの端部が溶融する。そして、これらの溶融金属により前記溶融穴部の移動経路後方に溶融池が形成される。
【００１５】
その場合に、本発明においては、前記金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、前記溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流が流されることにより、これらの溶融金属に下向きのローレンツ力が作用して、該溶融金属の前記隙間を越えた下方への垂下が促進される。したがって、溶融金属による上下の金属板の連結の確実性が向上する。
【００１６】
ここで、ローレンツ力とは、周知であるが念のために説明しておくと、図１１に示すように、磁界Ｈ中において該磁界Ｈに直交する方向の電流Ｉを導体に流すことにより、該導体に作用する前記磁界Ｈ及び電流Ｉの両者に直交する向きの力Ｆｒである。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明によれば、溶接実行中、上側の金属板側から前記溶融池が撮像され、この撮像された撮像データに基づいて前記溶融池の幅が検出される。そして、検出された溶融池の幅に基づいて前記二枚の金属板の連結状態が良好か否かが判定され、連結状態が良好でないと判定されたときは、連結状態が良好となるように、前記ローレンツ力の大きさが、前記電流の大きさまたは前記磁界の大きさを調整することにより調整されることとなる。その場合に、本発明においては、実際の溶融池の生成状態を画像に基づいて正確に把握し、その把握した状態に応じて連結状態の良否を判定するので、正確な判定を行うことができる。つまり、良好な品質の溶接を行うことができるようになる。なお、撮像及び判定を非常に短い周期で繰り返し行えば、連結状態が良好でないと判定されても即座に調整されることとなり、その結果、連結状態が良好でないと判定された部分においてもその後垂下する溶融金属により連結状態が改善されることとなる。
【００１８】
また、請求項３、４に記載の発明によれば、レーザー溶接装置において請求項１、２に記載の作用、効果が得られることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態に係るレーザー溶接装置の外観斜視図である。
【図２】レーザー溶接装置の制御構成図である。
【図３】溶接状態良好のときにおける溶接部の断面写真である。
【図４】撮像装置により、レーザー溶接中における金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍を撮像した画像例である。
【図５】レーザー溶接中における金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍の状態を示す斜視図である。
【図６】（ａ）：レーザー溶接中における金属板のレーザー光被照射部位及びその近傍の状態を示す平面図である。（ｂ）：（ａ）図のＡ−Ａ断面図である。
【図７】（ａ）：図６（ｂ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）：図６（ｂ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）：図６（ｂ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）：図６（ｂ）のＥ−Ｅ断面図、（ｅ）：図６（ｂ）のＦ−Ｆ断面図、（ｆ）：図６（ｂ）のＧ−Ｇ断面図である。
【図８】（ａ）：溶接状態が良好でないときにおける図６（ｂ）と同断面位置における断面図、（ｂ）：溶融金属にローレンツ力を作用させたときの効果を示す図６（ｂ）と同断面位置における断面図である。
【図９】コントローラによる溶接制御を示すフローチャートである。
【図１０】溶接状態が良好でないときにおける図５相当の写真である。
【図１１】ローレンツ力の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態に係るレーザー溶接方法、及びレーザー溶接装置について説明する。
【００２１】
図１は、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１の外観斜視図である。このレーザー溶接装置１は、レーザー光ＬＢ（レーザービーム）を発生するレーザーヘッド２と、該レーザーヘッド２からのレーザー光被照射位ＬにフィラーワイヤＸを供給するフィラーワイヤ供給装置３と、レーザーヘッド２及びフィラーワイヤ供給装置３を支持すると共にワークＷに対して移動させる移動装置４とを有している。なお、この例においては、ワークＷは、全体的に平板状の金属板Ｗ１と下方に膨らんた断面ハット状の金属板Ｗ２とで構成されている。金属板Ｗ１，Ｗ２の端部（フランジ）は複数のクランプ５…５により把持されているが、金属板Ｗ１，Ｗ２の精度上、対向する面の間に隙間Ｚが生じている。
【００２２】
レーザーヘッド２は、例えばＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー等の高出力レーザーを利用して構成されていると共に、レーザー出力が可変とされている。レーザー光の焦点位置は可変であるが、本実施の形態においては上側金属板Ｗ１の上面に設定されている。
【００２３】
フィラーワイヤ供給装置３は、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの前方近傍に先端が位置するように前傾姿勢で配置されたワイヤ供給ノズル１１（図５参照）と、フィラーワイヤＸが巻回されたワイヤロール１２と、モータ１５（図２参照）により駆動され、該ワイヤロール１２からフィラーワイヤＸを繰り出す繰り出しローラ１３と、該繰り出しローラ１３とワイヤ供給ノズル１１との間に設けられ、前記繰り出しローラ１３により繰り出されたフィラーワイヤＸを前記ノズル１１まで誘導するチューブ１４とを有している。モータ１５は、回転速度の制御が可能なサーボモータにより構成され、これにより、被溶接部位へのワイヤＸの供給量が調整可能になっている。
【００２４】
移動装置４は、前記レーザーヘッド２及びフィラーワイヤ供給装置３が取り付けられた支持部材２１と、該支持部材２１の下端部に取り付けられた台状部材２２と、工場床等に配設され、前記台状部材を摺動可能に支持するレール部材２３と、前記台状部材２２をレール部材２３に沿って移動させる移動機構（図示せず）とを有している。このように移動させる移動機構は公知のものにより種々構成可能であり説明は省略するが、駆動源は回転速度の制御が可能なサーボモータ２４（図２参照）により構成され、これによりレーザーヘッド１１及びフィラーワイヤ供給装置３のワークＷに対する移動速度が調整可能になっている。
【００２５】
また、レーザー溶接装置１は、フィラーワイヤＸを加熱するフィラーワイヤ加熱装置６を有している。このフィラーワイヤ加熱装置６は、フィラーワイヤＸに通電することにより、該ワイヤＸに生じるジュール熱で該ワイヤＸを加熱するものであり、移動装置４の支持部材２１に固定された加熱電源装置３１と、該加熱電源装置３１の正極と前記ワイヤ供給ノズル１１とを接続するノズル接続ケーブル３２と、前記移動装置４の支持部材２１に図示しない連結手段を介して支持されると共に先端部が前記上側金属板Ｚ１上面に押し付けられるように付勢された端子部材３３と、該端子部材３３と前記加熱電源装置３１の負極とを接続する端子接続ケーブル３４とを有し、加熱電源装置３１から流れた電流が、端子接続ケーブル３４、端子部材３３、金属板Ｗ１，Ｗ２、フィラーワイヤＸ、ノズル１１、ノズル接続ケーブル３２を介して、加熱電源装置３１に戻るようになっている。その場合に、前述したフィラーワイヤＸと端子部材３３との位置関係上、図５、図６に示すように、電流Ｉは、金属板Ｗ１，Ｗ２表面及び前記溶接経路Ｒにほぼ平行に、かつ溶融池（溶融金属Ｗｙ）を通って流れることとなる。
【００２６】
ここで、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１は、レーザー被照射部Ｌ近傍に磁界を発生させる電磁石装置４０を有している。この電磁石装置４０は、端部が下端に位置する略逆Ｕ字状の鉄心４１と、該鉄心４１に巻回されたコイル４２と、該コイル４２の一端が正極に、他端が負極に接続され、該コイル４２に通電する電磁石用電源装置４３とを有し、鉄心４１の図１における右側の端部にＮ極が、また左側の端部にＳ極が形成されるようにコイル４２の巻き方向が設定されている。鉄心４１は、Ｎ極及びＳ極を構成する一対の端部が、前記溶接経路Ｒを挟んで対向して配置されていると共に、これらの端部を結んだ線が平面視で前記溶接経路Ｒに直交するように配設されている。また、鉄心４１は、移動装置４の支持部材２１に図示しない連結手段を介して上下に移動可能に連結されていると共に、鉄心４１の両端部の外側部にはそれぞれローラ４４，４４が回動可能に設けられており、これにより、鉄心４１及びコイル４２は、鉄心４１の両端部が上側金属板Ｗ１の上面に対して一定の間隔を保った状態で、前記移動装置４によるレーザーヘッド２の移動に追随して同方向に移動するようになっている。
【００２７】
このような電磁石装置４０によれば、図５、図６に示すように、前記レーザー光照射部位Ｌ及びその近傍には、その移動に追随して前記金属板Ｗ１，Ｗ２面にほぼ平行でかつ前記溶接経路Ｒにほぼ直交する磁界Ｈが常に形成されることとなる。
【００２８】
また、溶融金属Ｗｙを流れる電流Ｉは、磁界Ｈの方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向に流れることとなる。したがって、電流Ｉの方向と磁界Ｈの方向との関係から溶融金属Ｗｙには下向きのローレンツ力Ｆｒが作用するることとなる。
【００２９】
図２に示すように、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１には、溶接制御を行うコントロールユニット７と、前記移動装置４の支持部材２１に固定され、前記ワークＷの被溶接部位Ｌ及びその近傍を上方から撮像する撮像装置８とが備えられている。
【００３０】
撮像装置８は、例えば所定周期毎に画像を取得可能な（動画を取得可能な）ＣＣＤカメラにより構成され、取得された画像はその都度コントロールユニット７に出力される。なお、移動装置４の支持部材２１には、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を照明するランプ９が設けられている。このランプ９は、溶接経路Ｒを挟んで撮像装置８とは反対側に配設され、前記レーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を斜め上方から照明している。また、このランプ９としては例えばキセノンランプが使用可能である。
【００３１】
コントロールユニット７は、画像が入力される都度画像を解析すると共に、その解析結果に基づいて、前記レーザーヘッド２に出力制御信号を、前記移動装置４のモータ２４に回転速度制御信号を、前記フィラーワイヤ供給装置１０のモータ１５に回転速度制御信号を、電磁石装置４０の電磁石用電源装置４３に電流制御信号を、フィラーワイヤ加熱装置６の加熱電源装置３１に電流制御信号をそれぞれ出力するようになっている。
【００３２】
図３は、隙間Ｚが生じた二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２をフィラーワイヤＸを供給しながら溶接した場合に、良好な溶接強度が得られたワークについての幅方向断面写真（一例）である。この写真からわかるように、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２は溶融金属が固化して形成されたビードＷＢを介して連結される。また、このビードＷＢの幅方向左右には、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２のそれぞれに金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ１，ＷＣ２（ビードＷＢの左右において白っぽく変色している間の部分）が存在している。なお、図３は、一例であり、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の板厚がそれぞれ１．６ｍｍ、隙間Ｚが１．３ｍｍで、レーザー出力６ｋｗ、レーザービーム径０．６ｍｍ、フィラーワイヤＸの直径０．９ｍｍ、フィラーワイヤＸの供給速度９．５ｍ／ｍｉｎ、溶接速度１．５ｍ／ｍｉｎの場合のものである。
【００３３】
ここで、本願発明者は、前記撮像装置８により、図１に示すようなワークＷについて、フィラーワイヤＸに電流は流しているが前述の磁界を形成していない環境下において、図４に示すような、溶接中における被溶接部位Ｌ及びその周辺の可視画像（動画）を取得し、この画像を分析した。この分析によれば、磁界を形成していない環境下では、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の溶接は図５〜図７に示すように行われていると考えられる。
【００３４】
まず、図５により概要について説明すると、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間Ｚが生じた金属板Ｗ１，Ｗ２の上側の金属板Ｗ１の上面（表面）に向けてレーザーヘッド２からレーザー光ＬＢを照射しつつ、レーザー光ＬＢ（レーザヘッド２）を溶接経路Ｒに沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２に対して矢印αで示すように移動させながら、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌにその移動に端部が追随するようにワイヤ供給ノズル１１からフィラーワイヤＸを供給して、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上下に貫通する溶融穴部ＷＫを形成しつつ前記フィラーワイヤＸの端部を溶融させる。そして、これらの溶融金属は溶融穴部に貯留されてなる溶融池ＷＹを溶接経路Ｒ後方に形成しつつこれらの溶融金属を前記隙間Ｚを越えて下方に垂下する。そして、これにより上下の金属板Ｗ１，Ｗ２が連結されると共に、溶融池ＷＹの後方には溶融金属が固化したビードＷＢが形成される。
【００３５】
詳しく説明すると、図６、図７（ａ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃの前方近傍では、上側の金属板Ｗ１におけるレーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。また、溶融金属Ｗｙの周囲には、該溶融金属Ｗｙから伝達される熱により金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ１が生じている。ＷＫは、レーザー光ＬＢにより金属がプラズマ状態となり、その圧力により溶融金属Ｗｙを周囲に押しやって形成された溶融穴部（キーホール）であり、この図にはその前部があらわれている。
【００３６】
図６、図７（ｂ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃ位置においては、溶融穴部ＷＫは上側の金属板Ｗ１を貫通して下側の金属板Ｗ２に達している。そして、下側の金属板Ｗ２においても、レーザー光中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙは下側金属板Ｗ２側へ垂下している。下側金属板Ｗ２の溶融金属Ｗｙの周囲には熱影響部ＷＣ２が生じている。
【００３７】
図６、図７（ｃ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃの後方近傍では、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙがさらに下方へ垂下し、上側金属板Ｗ１と下側金属板Ｗ２とを連結している。なお、この連結部分は、溶融池ＷＹの前部でもある。
【００３８】
図６（ｂ）、図７（ｄ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりも後方位置においては、溶融金属Ｗｙが、先に形成されていた溶融穴部に貯留されることにより溶融池ＷＹが形成されている。
【００３９】
図６（ｂ）、図７（ｅ）に示すように、溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃよりもさらに後方位置においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙが下側から固化し始めており、さらに後方においては、図７（ｆ）に示すように、溶融池ＷＹの溶融金属が上から下まで全て固化している。
【００４０】
ところで、図８（ａ）（図７（ｄ）の断面位置に対応する）に示すように、両金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚが大きい場合には、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが図７の場合と同程度垂下しても下側の金属板Ｗ２に接触できず、その結果、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２が連結されない場合がある。本願発明者の実験等に基づく知見によれば、この原因は、溶融金属Ｗｙに表面張力により塊化作用が生じていることにより重力だけでは表面張力に対抗して溶融金属Ｗｙが十分に下方に垂下することができないことと考えられる。
【００４１】
そこで、本願発明者は、レーザー光被照射部Ｌ近傍に前述のような電磁石装置４０を設けたものである。これによれば、溶融金属Ｗｙには、下向きの力として、重力だけでなく図８（ａ）に示すように下向きのローレンツ力Ｆｒが作用するので、表面張力に抗して溶融金属Ｗｙを垂下させて、図８（ｂ）に示すように、上側金属板Ｗ１と下側金属板Ｗ２とを溶融金属Ｗｙで連結させることが可能となる。
【００４２】
また、図７（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の段階においても、ローレンツ力Ｆｒを作用させることにより、溶融金属Ｗｙによる上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結の確実性を一層向上させることができる。なお、この場合、前述の図８（ａ）から図８（ｂ）の状態に移行させるのに必要な強さのローレンツ力Ｆｒは必要ない。
【００４３】
ここで、本願発明者に実験等の基づく知見によれば、図８（ａ）のように溶融金属Ｗｙが十分に下方に垂下しない場合には、溶融金属Ｗｙの熱は上側金属板Ｗ１の幅方向に伝達されるしかなく、その結果、溶融金属Ｗｙの幅が拡大し、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以上の幅になることがわかっている。逆に言えば、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以上の幅となっているような場合には、両金属板Ｗ１，Ｗ２が溶融金属Ｗｙにより連結されていないものと推定される。
【００４４】
そこで、本実施の形態においては、前記撮像装置８により上側の金属板Ｗ１側から、溶融池ＷＹにおける前記溶融穴部ＷＫの近傍部分を撮像すると共に、その撮像データをコントロールユニット７により画像解析して、前記溶融池ＷＹの生成状態（溶融池ＷＹの幅ｄｙ等）を分析し、その分析結果に基づいてローレンツ力Ｆｒの強さを調整するようにしている。
【００４５】
図９は、コントロールユニット７で行われるこの制御の一例を示すフローチャートである。なお、このフローチャートによる制御は、所定周期で繰り返し実行される。なお、所定周期は例えば１０ｍｓというごく短い周期に設定されている。
【００４６】
まず、ステップＳ１で、撮像装置８で取得された最新の画像データを入力する。
【００４７】
次に、ステップＳ２で、この入力された画像データを画像解析して、溶接経路Ｒ上におけるレーザー光中心ＬＢｃから所定距離ｄａ（図６参照）後方位置での溶融池ＷＹの幅ｄｙを検出する。ここで、この所定距離ｄａは、レーザー光中心ＬＢｃからできるだけ近く、かつ溶融穴部ＷＫの前後長が多少変動した場合でも溶融池ＷＹが確実に存在する一方でできるだけ溶融穴部ＷＫの近くとなる距離に設定されており、例えばレーザー光ＬＢのビーム径ｒｂ（上側金属板Ｗ１の表面位置における径）の２倍〜３倍の距離とされている。
【００４８】
また、金属板Ｗ１における溶融池ＷＹ部分の検出は、例えば、上側金属板Ｗ１表面と溶融池ＷＹの色彩差、輝度差等に基づいて検出することができる。また、溶融池ＷＹはその側方部分と比較して著しく温度が高くなっているので、赤外線領域の画像データを取得して上側金属板Ｗ１上面の温度分布を検出し、この温度分布に基づいて温度が溶融温度以上となっている部分を抽出することにより、溶融池ＷＹの検出を行うこともできる。
【００４９】
次に、ステップＳ３において、ステップＳ２で検出された溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下か否かを判定する。すなわち、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かを判定する。そして、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときは（ＹＥＳ）、ステップＳ４で、基準溶接条件を維持する。なお、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときにおいては、連結状態が基本的に良好と推定されるので、ローレンツ力Ｆｒの強さは、要求する溶融金属Ｗｙの垂下の確実性の程度にあわせて任意に設定すればよい。一方、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下でなくなったときは（ＮＯ）、ステップＳ５に進む。
【００５０】
ステップＳ５では、電磁石装置４０のコイル４２の通電電流を、溶融池ＷＹの幅ｄｙが５倍以下のときよりも増加させて、下向きのローレンツ力Ｆｒを強くする。このときのローレンツ力Ｆｒの強さは、隙間Ｚの大きさが想定最大値のときに、溶融金属Ｗｙの表面張力に抗して該溶融金属Ｗｙを重力とで下側金属板Ｚ２まで垂下させることができる強度に設定すればよい。なお、この強度は実験等で取得すればよい。これによれば、該溶融金属Ｗｙが下方に垂下しやすくなり、図８（ｂ）に示すように、上下の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが隙間Ｚを超えて下側金属板Ｚ２の溶融金属Ｗｙに連結される。そして、これにより、溶融金属Ｗｙの熱が下側金属板Ｗ２に伝達され、上側金属板Ｗ１の溶融池ＷＹの幅ｄｙが適正化（縮小）されることとなる。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態に係るレーザー溶接装置１によれば、上下に重ね合わされた状態で対向する面の間に隙間Ｚが生じた平板状の二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２のうちの上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢが照射されつつ該レーザ光ＬＢが所定の移動経路Ｒに沿ってこれら二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２に対して相対的に移動しながら、レーザー光ＬＢの被照射部位Ｌにその移動に端部が追随するようにフィラーワイヤＸが供給されて、上側の金属板Ｗ１のレーザー光被照射部位Ｌが溶融して上下に貫通する溶融穴部ＷＫが形成されつつＸの端部が溶融する。そして、これらの溶融金属Ｗｙにより溶融穴部ＷＫの移動経路Ｒ後方に溶融池ＷＹが形成される。
【００５２】
その場合に、本実施の形態においては、前記金属板Ｗ１，Ｗ２表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界Ｈを形成した状態で、前記溶融金属Ｗｙに前記磁界Ｈの方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流Ｉが流されることにより、これらの溶融金属Ｗｙに下向きのローレンツ力Ｆｒが作用して、該溶融金属Ｗｙの前記隙間Ｚを越えた下方への垂下が促進される。したがって、溶融金属Ｗｙによる上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結連結の確実性が向上する。
【００５３】
また、溶接実行中、上側の金属板Ｗ１側から前記溶融池ＷＹにおける溶融穴部ＷＫ近傍部分が撮像されると共に、この撮像データに基づいて溶融池ＷＹの生成状態を分析することにより前記二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かが判定され、連結状態が良好でないときは、連結状態が良好となるように、前記記ローレンツ力Ｆｒの大きさが、前記電流Ｉの大きさまたは前記磁界Ｈの大きさを調整することにより調整されることとなる。特に、本発明においては、実際の溶融池ＷＹの生成状態を画像に基づいて正確に把握し、その把握した状態に応じて連結状態の良否を判定するので、正確な判定を行うことができる。つまり、良好な品質の溶接を行うことができるようになる。また、撮像及び判定を非常に短い周期で繰り返し行われるので、連結状態が良好でないと判定されても即座に調整されることとなり、その結果、連結状態が良好でないと判定された部分においてもその後垂下する溶融金属Ｗｙにより連結状態が改善されることとなる。
【００５４】
また、従来、溶接されたワークの溶接部の検査は該ワークを切断したりタガネを打ち込むことにより行われていたが、この方法の場合、溶接結果がＮＧの場合、該ワークが無駄になることもあった。しかし、本発明によれば、溶接中に検出された状況に応じてほぼリアルタイムで調整が行われるので、ワークの溶接ＮＧが防止されると共に、切断やタガネ打ち込みによる検査が不要となる。
【００５５】
なお、前記実施の形態では、ローレンツ力Ｆｒの調整を電磁石装置４０のコイル４２の通電電流を調整することにより、すなわち磁界Ｈを調整することにより行ったが、本発明はこれに限定されるものではなく、フィラーワイヤ加熱装置６によるフィラーワイヤＸへの通電電流を調整することにより、すなわち溶融金属Ｗｙに流す電流Ｉの大きさを調整することにより行ってもよい。なお、この場合、フィラーワイヤＸが該電流Ｉにより溶融しない範囲で調整を行う必要がある。
【００５６】
また、前記実施の形態では、ローレンツ力Ｆｒの大きさを溶融池ＷＹの幅ｄｙに基づいて変更するようにしたが、溶融池ＷＹの幅ｄｙにかかわらず、ステップＳ５で説明した強さのローレンツ力Ｆｒを作用させるようにしてももちろんよい。また、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍以下のときには、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好と推定されるので、磁界Ｈの発生を停止してローレンツ力Ｆｒを生じさせないようにしてもよい。この場合、磁界Ｈの発生のための電力を削減することができる。
【００５７】
また、本発明における電流の方向及び磁界の方向は、前記実施の形態に記載のものに限定されるものでない。すなわち、本発明は、金属板表面にほぼ平行でかつ平面視で所定方向を向く磁界を形成した状態で、該溶融金属に前記磁界の方向に対して平面視で左回りにほぼ９０度回転させた方向の電流を流すことにより、溶融金属に下向きのローレンツ力を作用させることができるものであり、この条件に合致するものを広く含む。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
本発明は、二枚の金属板間の隙間が大きな場合でも上側金属板側から下側金属板への溶融金属の垂下を良好に行わせて、上下の金属板の連結の確実性を向上可能なレーザー溶接方法及びレーザー溶接装置を提供することができ、自動車産業の他、二枚の金属板の溶接が必要となる産業において広く利用される可能性がある。
【符号の説明】
【００５９】
１        レーザー溶接装置（溶融手段）
７        コントロールユニット（溶融池幅検出手段、判定手段、調整手段）
８        撮像装置（撮像手段）
４０      電磁石装置（垂下手段）
ｄｙ      溶融池の幅
Ｆｒ      ローレンツ力
Ｈ        磁界
Ｉ        電流
Ｌ        レーザー光被照射部
ＬＢ      レーザー光
Ｒ        溶接経路
ｒｂ      レーザービーム径
Ｗ１      上側の金属板
Ｗ２      下側の金属板
ＷＫ      溶融穴部
ＷＹ      溶融池
Ｗｙ      溶融金属
Ｘ        フィラーワイヤ
Ｚ        隙間
【図１】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１１】
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【図３】
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【図４】
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【図１０】
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