(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の良好な溶接が行える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】上下の金属板を連結する溶接工程と、該溶接工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池における溶融穴部近傍部分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生成状態を分析することにより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（ステップＳ３，Ｓ５）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、レーザー光に関するパラメータと、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つを調整する調整工程（ステップＳ６，Ｓ７）とを有している。【選択図】図１１
2010184273.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しつつ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しつつ該溶融金属を前記隙間を越えて下方に垂下させることにより上下の金属板を連結する溶接工程と、
該溶接工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池における溶融穴部近傍部分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生成状態を分析することにより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、レーザー光に関するパラメータと、前記レーザー光及びフィラーワイヤと金属板との相対速度と、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つを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、
前記判定工程では、前記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し、この溶融池の幅が上側の金属板表面におけるレーザー光のビーム径の２倍から５倍の範囲にないときは、前記二枚の金属板の連結状態が良好でないと判定することを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項３】
前記請求項１に記載のレーザー溶接方法において、
前記判定工程では、前記撮像工程で撮像された撮像データに基づいて、前記溶融池の幅と、前記溶融池の溶融金属の上側金属板上面に対する盛り上がり量とを検出し、この盛り上がり量を前記溶融池の幅で除した値が０．２以上のときは、前記二枚の金属板の連結状態が良好でないと判定することを特徴とするレーザー溶接方法。
【請求項４】
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しつつ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しつつ該溶融金属を前記隙間を越えて下方に垂下させることにより上下の金属板を連結する溶接手段と、
該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における溶融穴部近傍部分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生成状態を分析することにより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、レーザー光に関するパラメータと、前記レーザー光及びフィラーワイヤと金属板との相対速度と、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つを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装置。
【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。
【０００５】
また、特許文献１には、隙間の大きさに応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御することが開示されている。具体的には、フィラーワイヤ供給装置からのフィラーワイヤの送り出し負荷は金属板間の隙間に応じて変化するとの知見のもとに、フィラーワイヤ供給装置からのフィラーワイヤの供給時の送り出し負荷を検出すると共に、この負荷に応じてフィラーワイヤの供給量を可変制御するというものであり、これにより隙間の大きさが変化しても良好な溶接が行える（隙間余裕度が向上する）とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１５９２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、前記特許文献１に記載の技術においては、フィラーワイヤの送り出し負荷の検出のために、未溶融状態のフィラーワイヤの先端側を前記溶融穴や溶融池内に相当量侵入させる必要があると考えられるが、この場合、溶接ビードの形成等に影響が生じる懸念がある。
【０００８】
そこで、本発明は、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を、フィラーワイヤの送り出し負荷を検出することなく、良好な溶接が行える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】
【０００９】
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。
【００１０】
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しつつ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しつつ該溶融金属を前記隙間を越えて下方に垂下させることにより上下の金属板を連結する溶接工程と、該溶接工程の実行中、上側の金属板側から前記溶融池における溶融穴部近傍部分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生成状態を分析することにより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、レーザー光に関するパラメータと、前記レーザー光及びフィラーワイヤと金属板との相対速度と、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つを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、前記判定工程では、前記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し、この溶融池の幅が上側の金属板表面におけるレーザー光のビーム径の２倍から５倍の範囲にないときは、前記二枚の金属板の連結状態が良好でないと判定することを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３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、前記判定工程では、前記撮像工程で撮像された撮像データに基づいて、前記溶融池の幅と、前記溶融池の溶融金属の上側金属板上面に対する盛り上がり量とを検出し、この盛り上がり量を前記溶融池の幅で除した値が０．２以上のときは、前記二枚の金属板の連結状態が良好でないと判定することを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４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しつつ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しつつ該溶融金属を前記隙間を越えて下方に垂下させることにより上下の金属板を連結する溶接手段と、該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における溶融穴部近傍部分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生成状態を分析することにより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、レーザー光に関するパラメータと、前記レーザー光及びフィラーワイヤと金属板との相対速度と、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つを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】
【００１４】
次に、本発明の効果について説明する。
【００１５】
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、これらの溶融金属が前記溶融穴部の移動経路後方に溶融池を形成しつつ前記隙間を越えて下方に垂下することにより上下の金属板が連結されることとなる。
【００１６】
その場合に、溶接実行中、上側の金属板側から前記溶融池における溶融穴部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前記溶融池の生成状態を分析することにより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きは、レーザー光に関するパラメータと、前記レーザー光及びフィラーワイヤと金属板との相対速度と、フィラーワイヤの供給速度とのうちの少なくとも一つが調整され、連結状態が改善されることとなる。特に、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。
【００１７】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記撮像データに基づいて前記溶融池の幅が検出され、この溶融池の幅が上側の金属板表面におけるレーザー光のビーム径の２倍から５倍の範囲にないときは、連結状態が良好でないと判定される。本願発明者の実験によれば、溶融池の幅が２倍よりも小さいとき、あるいは５倍よりも大きいときは、上側金属板の溶融金属が下側金属板にまで垂下せず、連結されていないことが判明しているが、このような場合に請求項１に記載の各種の調整が行われるので、連結状態が改善されることとなる。
【００１８】
また、請求項３に記載の発明によれば、前記撮像データに基づいて、前記溶融池の幅と、前記溶融池の溶融金属の上側金属板上面に対する盛り上がり量とが検出され、この盛り上がり量を前記溶融池の幅で除した値が０．２以上のときは、連結状態が良好でないと判定される。本願発明者の実験によれば、盛り上がり量を前記溶融池の幅で除した値が０．２以上のときは、上側金属板の溶融金属が下側金属板にまで垂下せず、連結されていないことが判明しているが、このような場合に請求項１に記載の各種の調整が行われるので、連結状態が改善されることとなる。
【００１９】
また、請求項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】
【００２０】
【図１】本発明の第１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】溶接状態が良好でないとき（溶融池の幅が広いとき）における図７相当の断面図である。詳しくは、（ａ）：図９のＫ−Ｋ断面図、（ｂ）：図９のＭ−Ｍ断面図、（ｃ）：図９のＮ−Ｎ断面図、（ｄ）：図９のＰ−Ｐ断面図、（ｅ）：図９のＱ−Ｑ断面図、（ｆ）：図９のＳ−Ｓ断面図である。
【図９】溶接状態が良好でないとき（溶融池の幅が広いとき）における図６（ｂ）相当の断面図である。
【図１０】溶接状態が良好でないとき（溶融池の幅が狭いとき）における図８相当の断面図である。
【図１１】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１２】溶接状態が良好でないとき（溶融池の幅が広いとき）における図４相当の写真である。
【図１３】溶融池の幅が広いときにおける本制御の作用の説明用の断面図である。
【図１４】溶接状態が良好でないとき（溶融池の幅が狭いとき）における図４相当の写真である。
【図１５】第２、第３の実施の形態における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１６】溶融池の盛り上がり量検出の説明図である。
【図１７】第４の実施の形態における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。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
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、ワークＷとしては、互いに逆方向に膨らんでフランジ同士が上下に重ね合わされた断面ハット状の金属板Ｗ１，Ｗ２を一例として示している。金属板Ｗ１，Ｗ２の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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、加熱電源装置３１と、該加熱電源装置３１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、該加熱電源装置３１と前記複数のクランプ５…５の一つとを接続するクランプ接続ケーブル３３とを有し、加熱電源装置３１から流れる電流が、ノズル接続ケーブル３２、ノズル１１、フィラーワイヤＸ、金属板Ｗ１，Ｗ２、クランプ５、クランプ接続ケーブル３３を介して加熱電源装置３１に戻るようになっている。なお、逆回りに電流が流れるように構成してももちろんよい。
【００２７】
また、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。
【００２８】
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、前記金属板Ｗ１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。
【００２９】
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それぞれ出力するようになっている。
【００３０】
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Ｗｙ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の場合のものである。
【００３１】
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、溶接中における被溶接部位Ｌ及びその周辺の状態を示す図４に示すような可視画像（動画）を取得し、この画像を分析した。この分析によれば、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。
【００３２】
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（レーザーヘッド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、これらの溶融金属が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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ところで、本願発明者の実験によれば、溶接時に被レーザー光照射部位ＬにフィラーワイヤＸを供給した場合でも、図８（ｆ）に示すような状態で上下の金属板Ｗ１，Ｗ２がビードにより連結されない場合があった。
【００３９】
図８（ｆ）の場合、図７（ｆ）の場合と比べ、両金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚが大きく、上側金属板Ｗ１のビードＷＢの幅が下側金属板Ｗ２のビードＷＢの幅よりもかなり大きくなっている。図８（ａ）〜（ｅ）、図９は、図８（ｆ）の状態となるメカニズムを推定し、図７、図６とそれぞれ同じ断面位置で示した図である。これについて説明すると、（ａ），（ｂ）の断面位置では図６と比べても溶融金属Ｗｙの状態にほとんど差はない。しかし、（ｃ）以後、差が生じている。溶融金属Ｗｙには表面張力により塊化作用が生じているので、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが図６の場合と同程度垂下しても、両金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚが大きいことにより下側の金属板Ｗ２に接触することができないのである。そしてその結果、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、溶融池ＺＹ（溶融金属Ｗｙ）の幅が拡大し、上側金属板Ｗ１のビードＷＢの幅が図７（ｆ）の下側金属板Ｗ１のビードＷＢの幅よりもかなり大きくなっているものと推定される。
【００４０】
ここで、（ｄ）断面位置において、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。したがって、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、逆に、図８（ｆ）のように両金属板Ｗ１，Ｗ２がビードＷＢにより連結されなくなるものと推定される。
【００４１】
また、本願発明者の実験によれば、図１０（ｆ）に示すような状態で上下の金属板Ｗ１，Ｗ２がビードにより連結されない場合があった。この図１０（ｆ）の場合、図６（ｆ）の場合と比べ、両金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚはあまりかわらないが、上側金属板Ｗ１及び下側金属板Ｗ２のビードＷＢの幅が狭くなっているのが特徴である。図１０（ａ）〜（ｅ）は、図１０（ｆ）の状態となるメカニズムを推定し、図６（ａ）〜（ｆ）とそれぞれ同じ断面位置で示した図である。この図１０からわかるように、図１０（ｆ）の場合は、（ａ），（ｂ）図の断面位置において既に上側金属板Ｗ１及び下側金属板Ｗ２の溶融金属Ｗｙの幅が狭くなっている。この原因は、例えばフィラーワイヤＸの溶融のためにレーザー光ＬＢのエネルギーが消費されすぎて金属板Ｗ１，Ｗ２への入熱量が不足していることと推定される。そして、その結果、（ｃ）、（ｄ）図の断面位置においても溶融池ＷＹの幅ｄｙがあまり広がらず、溶融金属Ｗｙの垂下もあまり生じていないものと考えられる。
【００４２】
ここで、このような溶接状態である場合、図１０（ｄ）の断面位置において、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの２倍未満の幅となっている。すなわち、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの２倍未満の幅となっているような場合には、両金属板Ｗ１，Ｗ２がビードＷＢにより連結されていないものと推定することができる。
【００４３】
そこで、本実施の形態においては、撮像装置８により上側の金属板Ｗ１側から、前記溶融穴部ＷＫの直後方の溶融池ＷＹ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）を分析することにより二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かを判定し、その判定結果に基づいて溶接条件を調整するようにしている。
【００４４】
図１１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。
【００４５】
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。
【００４６】
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（上側金属板の表面位置における径）の２倍〜５倍の距離とされている。
【００４７】
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。
【００４８】
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２倍以上、５倍以下の範囲内にあるか否かを判定する。そして、溶融池ＷＹの幅ｄｙがこの範囲内にあるときは（ＹＥＳ）、基準溶接条件を維持する。一方、範囲内にないときは（ＮＯ）、ステップＳ５に進む。
【００４９】
ステップＳ５では、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍よりも大きいか否かを判定する。そして、５倍よりも大きいときは（ＹＥＳ）、ステップＳ６で、レーザー出力を上昇させると共に、フィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させる。本願発明者の知見によれば、前述のように溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの５倍よりも大きくなると（図１２に一例の写真を示す）、図８（ｄ）のように溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙが表面張力により塊化した状態で下側金属板Ｗ２に接触するまで垂下していないものと考えられる。そこで、レーザー出力を上昇させると共にフィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させる。こうすることにより、図１３（ａ）（図８（ｄ）の断面位置に対応する）に示すように、溶融金属Ｗｙが増加して下方に垂下しやすくなり、そして、さらに図１３（ｂ）（図８（ｄ）の断面位置に対応する）に示すように、上下の金属板Ｗ１，Ｗ２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に幅方向に伝達され、上側金属板Ｗ１の溶融池ＷＹの幅が適正化（縮小）されることとなる。
【００５０】
一方、ステップＳ５において、溶融池ＷＹの幅ｄｙが５倍よりも大きくないと判定されたときは（ＮＯ）、つまり溶融池ＷＹの幅ｄｙが２倍よりも小さいときには、ステップＳ６で、レーザー出力を上昇させる。本願発明者の知見によれば、前述のように溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの２倍よりも小さくなると（図１４に一例の写真を示す）、フィラーワイヤＸの溶融にレーザー出力が消費されすぎていることにより、上側金属板Ｗ１の溶融が不十分となって、その結果、両金属板Ｗ１，Ｗ２がビードＷＢにより連結されていないものと考えられる。そこで、レーザー出力を上昇させる。こうすることにより、上側金属板Ｗ１の溶融が促進されて溶融金属Ｗｙが増加し、その結果、前記図１０（ｄ）に示す状態よりも、溶融池ＷＹの幅ｄｙが拡大すると共に、下方に垂下しやすくなり、その結果、図７（ｄ）の状態に移行することとなる。
【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が溶融穴部ＷＫの移動経路Ｒ後方に溶融池ＷＹを形成しつつ隙間Ｚを越えて下方に移動することにより上下の金属板Ｗ１，Ｗ２が連結されることとなる。
【００５２】
その場合に、本実施の形態においては、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、レーザー光ＬＢに関するパラメータと、前記レーザー光ＬＢ及びフィラーワイヤＸと金属板Ｗ１，Ｗ２との相対速度と、フィラーワイヤＸの供給速度とのうちの少なくとも一つが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。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Ｗｙにより連結状態が改善されることとなる。
【００５３】
また、前記撮像データに基づいて、前記溶融池ＷＹにおける溶融穴部ＷＫ近傍部分の幅ｄｙが検出され、この溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの２倍から５倍の範囲にないときは、連結状態が良好でないと判定される。本願発明者の実験によれば、溶融池ＷＹの幅ｄｙが２倍よりも小さいとき、あるいは５倍よりも大きいときは、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが下側金属板Ｗ２にまで垂下せず、連結されていないことが判明しているが、本実施の形態によれば、このような場合に前述の各種の調整が行われるので、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】
次に、第２の実施の形態について説明する。前記第１の実施の形態においては、溶融池ＷＹの幅ｄｙがレーザービーム径ｒｂの２倍以上、５倍以下の範囲内にあるか否かを判定することにより、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かを判定するようにしたが、第２の実施の形態においては、溶融池ＷＹの幅ｄｙと盛り上がり量ｈｙとの比に基づいて二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かを判定するようにしている。以下、図１５のフローチャートにしたがって説明する。
【００５６】
まず、ステップＳ１１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。
【００５７】
次に、ステップＳ１２で、この入力された画像データを画像解析して、レーザー光中心ＬＢｃから所定距離ｄａ後方位置における溶融池ＷＹの幅ｄｙ、及び上側金属板Ｗ１表面からの盛り上がり量ｈｙを検出する。ここで、この所定距離ｄａは、第１の実施の形態同様に設定されている。また、溶融池ＷＹの幅ｄｙの検出は、第１の実施の形態同様に行われる。一方、溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙの検出は、図１６に示すように、ランプ９の照明光により溶融池ＷＹの側方に生じた影の幅ｄｓ、及び前記溶融池ＷＹの幅ｄｙ、照明光と上側金属板Ｗ１表面とが為す角度θに基づいて幾何的あるいはデータベースを利用して求められる。
【００５８】
次に、ステップＳ１３において、ステップＳ２で検出された溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が０．２以下か否かを判定する。そして、この値が０．２以下のときは、ステップＳ１４で、基準溶接条件を維持して溶接を継続する。一方、０．２以下でないとき、すなわち０．２より大きいときは（ＮＯ）、ステップＳ１５に進む。
【００５９】
ステップＳ１５では、レーザー出力を上昇させると共に、フィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させる。本願発明者の実験等に基づく知見によれば、溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が０．２より大きくなっている状態では、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙが表面張力により塊化した状態で下側金属版に接触するまで垂下せず、その結果、両金属板Ｗ１，Ｗ２がビードＷＢにより連結されなくなっているものと推定される。そこで、前記第１の実施の形態のステップＳ５同様、レーザー出力を上昇させると共に、フィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させることにより、溶融金属Ｗｙを増加させて、溶融金属Ｗｙが下方に垂下しやすくなるようにしてやるのである。
【００６０】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態同様に、上側金属板Ｗ１及びフィラーワイヤＷ２の溶融金属Ｗｙを隙間Ｚを越えて下側金属板Ｗ２に垂下させて、上側金属板Ｗ１と上側金属板Ｗ１とを確実に連結させることができ、溶接の品質が改善されることとなる。
【００６１】
次に、第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態は、第２の実施の形態における溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙの検出方法を変更したものである。すなわち、本実施の形態においては、移動装置４にレーザー側距装置が取り付けられており、該レーザー側距装置からのレーザー光を溶融池ＷＹに照射してその反射光を受光することにより溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙを検出可能に構成されている。なお、フローチャートは、第２の実施の形態と同様である。この第３の実施の形態によれば、溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙを精度よく検出できるしたがって、前記二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の連結状態が良好か否かの判定精度が向上することとなる。
【００６２】
次に、第４の実施の形態について説明する。この第４の実施の形態は、第３の実施の形態において、さらに、溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が−０．１以下となっているか否かを判定するようにしたものである。本願発明者の知見によれば、溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が−０．１以下となったとき、すなわち溶融池ＷＹの上面がかなり凹んだ状態となっているときには、溶融金属Ｗｙが下側金属板Ｗ２にまで垂下しているものの、隙間Ｚが大きいことにより溶融金属Ｗｙが不足して、溶融池ＷＹの上面が大きく凹んだ状態となっていることが考えら、この場合、溶接強度が不足する虞がある。そこで、このような場合、レーザー出力を上昇させると共に、フィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させることにより、溶融金属Ｗｙを増加させて、溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が−０．１よりも大きくなるようにするのである。
【００６３】
図１４は、この制御の一例を示すフローチャートであり、ステップＳ２１，Ｓ２２は、図１２のステップＳ１１，Ｓ２１同様の内容が実行される。なお、溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙの検出は、第３の実施の形態同様のレーザー測距装置が利用される。レーザー測距装置では、溶融池ＷＹの凹み量も検出可能だからである。
【００６４】
次に、ステップＳ２３において、ステップＳ２で検出された溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が−０．１以上、０．２以下の範囲にあるか否かを判定する。そして、前記除した値がこの範囲にあるときは、ステップＳ２４で、基準溶接条件を維持する。一方、この範囲にないときは、ステップＳ２５に進み、第２、第４の実施の形態同様、レーザー出力を上昇させると共に、フィラーワイヤＸの単位時間当たり供給量を増加させる。こうすることにより、溶融池ＷＹの幅ｄｙを溶融池ＷＹの盛り上がり量ｈｙで除した値が０．２よりも大きいとき、または−０．１以下となったときにおける、いずれの問題をも解決することができる。
【００６５】
また、前記第１〜第４の各実施の形態では、レーザー出力の上昇を行う場合があるが、レーザー出力の上昇に代えて、例えば溶接速度（レーザー光と上下の金属板との相対移動速度）を低下させてもよい。こうすることにより、溶接は遅くなるが、金属板Ｗ１，Ｗ２への単位時間当たり熱入量が増加し、前述のものと同様の効果が得られる。なお、この場合、フィラーワイヤＸの供給速度はこれに比例させて変更すればよい。
【００６６】
また、前記各実施の形態においては、ワークとして、互いに逆方向に膨らんでフランジ部同士が合わされた断面ハット状の一対の金属板を一例として示したが、ワークの形状が異なっている場合でも、上側金属板Ｗ１の上面を撮影可能な限り、本発明は適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、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を、撮像手段を利用することにより良好に溶接することができ、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可能性がある。
【符号の説明】
【００６８】
１        レーザー溶接装置（溶接手段）
７        コントロールユニット（判定手段、調整手段）
８        撮像装置（撮像手段）
ｄｙ      溶融池の幅
ｈｙ      溶融池の盛り上がり量
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】
2010184273.tif 000003
【図２】
2010184273.tif 000004
【図５】
2010184273.tif 000005
【図６】
2010184273.tif 000006
【図７】
2010184273.tif 000007
【図８】
2010184273.tif 000008
【図９】
2010184273.tif 000009
【図１０】
2010184273.tif 000010
【図１１】
2010184273.tif 000011
【図１３】
2010184273.tif 000012
【図１５】
2010184273.tif 000013
【図１６】
2010184273.tif 000014
【図１７】
2010184273.tif 000015
【図３】
2010184273.tif 000016
【図４】
2010184273.tif 000017
【図１２】
2010184273.tif 000018
【図１４】
2010184273.tif 000019