(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をレーザー溶接する場合に、ビードにおける隙間部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなるようなことを防止して、下側の金属板との連結を安定させることが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】上下の金属板を連結する溶接工程と、該工程の実行中、下側金属板の下面における溶融池下方の部分の熱分布状態を検出する熱分布状態検出工程と、該工程で検出された熱分布状態データに基づいて、下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２を検出する熱影響部幅検出工程と、該工程で検出される熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定の幅となるように、レーザー出力（レーザー光に関するパラメータ）を調整する調整工程とを有している。【選択図】図１１
2010179329.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位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、前記下側金属板の下面における前記溶融池下方の部分の熱分布状態を検出する熱分布状態検出工程と、
該熱分布状態検出工程で検出された熱分布状態データに基づいて、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部の幅を検出する熱影響部幅検出工程と、
該熱影響部幅検出工程で検出される熱影響部の幅が所定の幅となるように、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のうちのいずれか一つまたは両方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、
前記調整工程における前記所定の幅は、前記二枚の金属板の構成条件に応じて設定され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をレーザー溶接する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位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、
該レーザー溶接手段による溶接実行中、前記下側金属板の下面における前記溶融池下方の部分の熱分布状態を検出する熱分布検出手段と、
該熱分布検出手段で検出された熱分布状態データに基づいて、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部の幅を検出する熱影響部幅検出手段と、
該熱影響部幅検出手段で検出される熱影響部の幅が所定の幅となるように、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のうちのいずれか一つまたは両方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ビードを形成させるものである。
【０００３】
その場合に、２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、２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２００６−１５９２３４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、本願発明者の研究によれば、二枚の金属板間の隙間が溶融金属で連結された場合でも、ビードにおける隙間部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなって、下側の金属板との連結が不十分となり、その結果、十分な溶接強度が得られない場合があることがわかった。
【０００７】
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レーザー溶接する場合に、ビードにおける隙間部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなるようなことを防止して、下側の金属板との連結を安定させることが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位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、前記下側金属板の下面における前記溶融池下方の部分の熱分布状態を検出する熱分布状態検出工程と、該熱分布状態検出工程で検出された熱分布状態データに基づいて、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部の幅を検出する熱影響部幅検出工程と、該熱影響部幅検出工程で検出される熱影響部の幅が所定の幅となるように、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のうちのいずれか一つまたは両方を調整する調整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、前記調整工程における前記所定の幅は、前記二枚の金属板の構成条件に応じて設定され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をレーザー溶接する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部位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、該レーザー溶接手段による溶接実行中、前記下側金属板の下面における前記溶融池下方の部分の熱分布状態を検出する熱分布検出手段と、該熱分布検出手段で検出された熱分布状態データに基づいて、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部の幅を検出する熱影響部幅検出手段と、該熱影響部幅検出手段で検出される熱影響部の幅が所定の幅となるように、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のうちのいずれか一つまたは両方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】
【００１２】
次に、本発明の効果について説明する。
【００１３】
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位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することにより上下の金属板が連結されることとなる。
【００１４】
ここで、本願発明者の研究によれば、上側金属板側からの溶融金属との溶接ビードにおける隙間を連結する部分の幅は、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により金属組織変化が生じた熱影響部の幅にほぼ比例し、例えば連結部分の幅が狭い場合には、熱影響部の幅が狭くなることがわかった。
【００１５】
そこで、本発明においては、溶接実行中、前記下側金属板の下面における前記溶融池下方の部分の熱分布状態を検出し、この熱分布状態データに基づいて、前記下側金属板における前記溶融金属の熱により前記溶接経路に沿って金属組織変化が生じた熱影響部の幅を検出し、この検出された熱影響部の幅が所定の幅となるように、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のうちのいずれか一つまたは両方を調整することとしたものである。これによれば、溶接ビードにおける隙間部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなるようなことが防止され、下側の金属板との連結が安定することとなる。
【００１６】
また、請求項２に記載の発明によれば、前記所定の幅は、前記二枚の金属板の構成条件に応じて設定されるので、種々の金属板毎に適切な溶接を行うことができる。
【００１７】
また、請求項３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】
【００１８】
【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】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４】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５】（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６】（ａ）：図５（ａ）のＢ−Ｂ断面図、（ｂ）：図５（ａ）のＣ−Ｃ断面図、（ｃ）：図５（ａ）のＤ−Ｄ断面図、（ｄ）：図５（ａ）のＥ−Ｅ断面図、（ｅ）：図５（ａ）のＦ−Ｆ断面図、（ｆ）：図５（ａ）のＧ−Ｇ断面図である。
【図７】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８】溶接状態が良好でないときにおける溶接部の断面写真である。
【図９】溶接状態が良好でないときにおける図６相当の断面図である。
【図１０】熱分布状態の一例を示す図であって、（ａ）は溶接状態が良好のとき、（ｂ）は溶接状態が良好でないときを示す。
【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】本発明の第２の実施の形態に係るレーザー溶接装置におけ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】
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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４参照）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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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及びその近傍を撮像する撮像装置８とが備えられている。
【００２６】
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、下側の金属板Ｗ２のフランジの下面が撮像可能なように、移動装置４の台状部材２２にはミラー９が設けられている。
【００２７】
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。
【００２８】
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及びその周辺の状態を示す図３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４〜図６に示すように行われていると考えられる。
【００２９】
まず、図４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Ｌ１，Ｌ２の上側の金属板Ｗ１の上面（表面）に向けてレーザヘッド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ことにより、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。
【００３０】
詳しく説明すると、図５、図６（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。
【００３１】
図５（ｂ）、図６（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。
【００３２】
図５（ｂ）、図６（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。
【００３３】
図５（ｂ）、図６（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。
【００３４】
図５（ｂ）、図６（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６（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。
【００３５】
図７は、隙間Ｚが生じた二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２を溶接した場合に、良好な溶接強度が得られたもの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（図７ではビード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。その場合に、熱影響部ＷＣ１，ＷＣ２の幅ＬＣ１，ＬＣ２は、上側金属板Ｗ１の上面におけるビードＷＢの幅ＬＢの３倍程度の幅となっている。
【００３６】
ところで、本願発明者の研究によれば、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚが溶融金属Ｗｙで連結された場合でも、ビードＷＢにおける隙間Ｚ部分を連結する部分が、図８に示すように例えば逆三角形状となって下側金属板Ｗ２との連結部分が細くなり、その結果、十分な溶接強度が得られない場合があることがわかった。
【００３７】
図９（ａ）〜（ｆ）は、このような溶接状態になるメカニズムを撮像装置８で撮像した映像等に基づいて推定し、この推定結果を、図６（ａ）〜（ｆ）とそれぞれ同じ断面位置で示した図である。ビードＷＢにおける隙間Ｚ部分を連結する部分が逆三角形状となる原因は、金属板Ｗ２への入熱量の不足と考えられる。詳しく説明すると、上側金属板Ｗ１やフィラーワイヤＸの溶融にエネルギーが消費されて下側金属板Ｗ２に到達するエネルギーが少なくなり、その結果、図９（ｂ）に示すように下側金属板Ｗ２の溶融が少なくなると共に、下側金属板Ｗ２の溶融金属Ｗｙの温度が上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙほど上昇していない。また、これにより、上側からの溶融金属Ｗｙが下側の溶融金属Ｗｙに接触しても上側からの溶融金属Ｗｙが冷却されて、混ざり合った溶融金属Ｗｙの粘度が下側ほど高くなる。その結果、図９（ｂ）に示す状態から、図９（ｃ）〜（ｆ）のいずれの段階においても、溶融金属Ｗｙの幅（ビードＷＢの幅）が幅方向に広がらないものと考えられる。
【００３８】
ここで、図８の写真からわかるように、隙間Ｚ部分を連結するビードＷＢの金属が断面逆三角形状となって下側金属板Ｗ２との連結部分が細くなっている場合、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２は上側金属板Ｗ１の熱影響部ＷＣ１の幅ＬＣ１よりも小さくなっている。また、図７の下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２と比べても狭くなっている。
【００３９】
そこで、本実施の形態においては、撮像装置８により下側金属板Ｗ２の下面部を撮像すると共に、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、図１０に示すような下面部における溶接経路Ｒに沿う部分の温度分布を検出し、金属組織変化を生じる所定温度以上となっている部分の幅ＬＣ２、すなわち熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２を検出し、この熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定の幅となるように制御するようにしている。
【００４０】
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。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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、前記図１０（ａ）に示すような下側金属板Ｗ２下面の温度分布データを作成すると共に、レーザー光中心ＬＢｃよりも所定量Ｌａ後方位置における前記所定温度以上部分の幅ＬＣ２を検出する。ここで、図１０（ａ）の温度分布データでは、黒濃度が高い部分ほど温度が高いことを示している。また、所定距離Ｌａの位置は、溶融池ＷＹにおける溶融孔部ＷＫ近傍部分の位置（ほぼ図６（ｅ）の断面位置）であり、この位置では、溶接が良好に行われている場合には、図６（ｅ）に示すように溶融金属Ｗｙが下側金属板Ｗ２に十分接触するまで垂下している。そして、この溶融金属Ｗｙから伝達される熱により所定温度以上部分の幅がレーザー光中心ＬＢｃ位置よりも拡大している。一方、所定距離Ｌａの位置よりも後方においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙが冷却、固化していくことにより、所定温度以上部分の幅が徐々に狭くなっている。つまり、所定温度以上部分の幅は、溶接経路Ｒ方向においては所定距離Ｌａの位置で最も広くなり、また、製品状態における熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２は、所定距離Ｌａの位置でほぼ定まることとなる。そこで、所定距離Ｌａの位置で所定温度以上部分の幅ＬＣ２を検出することにより、熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２を検出するのである。なお、撮像装置８は、このような温度分布データを作成可能なように赤外線領域等の画像データを取得可能に構成されている。
【００４３】
次に、ステップＳ３で、この検出された熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲内にあるか否かを判定する。ここで、この所定範囲は、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の構成条件に応じて設定される。この構成条件とは、二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の厚さ、材料、金属板Ｗ１，Ｗ２間の隙間Ｚの平均間隔等に応じて定められる。具体的には、上側金属板Ｗ１に形成される溶融池ＷＹ（ビードＷＢ）の幅を各構成毎に実験により取得し、その３倍以上５倍以下の範囲に設定する。破断試験等により３倍以上５倍以下のときに溶接強度を最も高くできることが判明しており、この範囲に設定するものである。
【００４４】
そして、ステップＳ３において、所定範囲内にあるときは（ＹＥＳ、例えば図１０（ａ）に示すような場合）、ステップＳ４に進んで、現状の溶接条件を維持し、一方、所定範囲内にないときは（ＮＯ）、ステップＳ５に進む。
【００４５】
そして、ステップＳ５では、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲の上限値よりも大きいか否かを判定する。そして、熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲の上限値よりも大きいときは（ＹＥＳ）、ステップＳ６で、レーザー出力を低下させる。これは、単位時間当たり入熱量が大きすぎて、上側金属板Ｗ１が必要以上に溶融し、上側金属板Ｗ１の溶融池ＷＹ（ビードＷＢ）の幅が大きくなり過ぎている虞があるからである。したがって、レーザー出力を低下させると、単位時間当たり入熱量が減少して、上側金属板Ｗ１の金属溶融量が減少し、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２も縮小することとなる。
【００４６】
一方、ステップＳ５において下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲の上限値よりも小さいときは（ＮＯ、例えば図１０（ｂ）に示すような場合）、ステップＳ７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への単位時間当たり入熱量が増加し、上側金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙの量が増加すると共に、粘度が低下して、下側金属板Ｗ２まで垂下しやすくなる。また、下側金属板Ｗ２にレーザー光ＬＢも到達しやすくなる。したがって、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が拡大することとなる。
【００４７】
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の上側の金属板Ｗ２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が形成されつつフィラーワイヤ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。
【００４８】
その場合に、本実施の形態においては、溶接実行中、下側金属板Ｗ２の下面における溶融池ＷＹ下方の部分の熱分布状態を検出し、この熱分布状態データに基づいて、下側金属板Ｗ２における溶融金属ＷＹの熱により溶接経路Ｒに沿って金属組織変化が生じた熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２を検出し、この検出された熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定の幅となるように、レーザー出力（レーザー光に関するパラメータ）を調整することとしたものであり、これによれば、溶接ビードＷＢにおける隙間Ｚ部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなるようなことが防止され、下側金属板Ｗ２との連結が安定することとなる。なお、本実施の形態においては、所定の幅を範囲で設定しているが、特定の値を設定し、この値となるように調整するようにしてももちろんよい。
【００４９】
また、前記所定の幅は、前記二枚の金属板Ｗ１，Ｗ２の構成条件に応じて設定されるので、種々の金属板毎に適切な溶接を行うことができる。
【００５０】
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。
【００５１】
ここで、前記実施の形態（第１の実施の形態）においては、熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２に応じてレーザー出力を制御（ステップＳ６、Ｓ７）するようにしたが、溶接速度（レーザー光ＬＢと金属板Ｗ１，Ｗ２との相対移動速度）を制御するようにしてもよく、以下、第２の実施の形態として、図１２のフローチャートにしたがって説明する。
【００５２】
すなわち、図１２に示すように、ステップＳ１１〜Ｓ１５において第１の実施の形態同様の処理を行った後、ステップＳ１５の判定で熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲の上限値よりも大きいときは（ＹＥＳ）、ステップＳ１６で、溶接速度を上昇させる。こうすることにより、第１の実施の形態のステップＳ６同様、単位時間当たり入熱量が減少して、上側金属板Ｗ１の金属溶融量が減少し、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が縮小することとなる。一方、ステップＳ１５において熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が所定範囲の上限値よりも小さいときは（ＮＯ）、ステップＳ１７で、溶接速度を低下させる。こうすることにより、第１の実施の形態のステップＳ７同様、上側金属板Ｗ１への単位時間当たり入熱量が増加し、上側金属板Ｗ１の溶融量が増加すると共に、粘度が低下して、下側金属板Ｗ２まで垂下しやすくなる。また、下側金属板Ｗ２にレーザー光ＬＢも到達しやすくなる。したがって、下側金属板Ｗ２の熱影響部ＷＣ２の幅ＬＣ２が拡大することとなる。
【００５３】
なお、前記各実施の形態では、レーザー出力と溶接速度とのうちのいずれか一方のみを制御するようにしているが、両方を同時に行うようにしてもよい。
【００５４】
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、下側金属板Ｗ２の下面を撮影可能に構成することにより本発明は適用可能である。例えば、本実施の形態においては、撮像装置８はレーザーヘッド２の移動装置４に固定されているが、これに限定されるものではなく、別の移動手段によりレーザーヘッド２と同期して同方向に移動可能に構成してもよい。こうすることにより、例えば、例えば自動車のフロアパネルの下面に例えば断面矩形状の閉断面部材の上面（フロアフレーム等）を溶接する場合に、該閉断面部材の内部を移動させることにより、該発明を適用することが可能となる。また、自動車のフロアパネルの下面に、例えば下方に膨出する断面ハット状部材のフランジを溶接する場合に、該フランジの下方を移動させることにより、該発明を適用することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
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レーザー溶接する場合に、ビードにおける隙間部分を連結する部分の幅が下側ほど狭くなるようなことを防止して、下側の金属板との連結を安定させることが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、自動車産業において広く利用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１        レーザー溶接装置
７        コントロールユニット（熱分布検出手段、熱影響部幅検出手段、調整手段）
８        撮像装置（熱分布検出手段）
Ｌ        レーザー光被照射部
ＬＢ      レーザー光
ＬＣ２    下側金属板の熱影響部の幅
Ｒ        溶接経路
Ｘ        フィラーワイヤ
Ｗ１      上側の金属板
Ｗ２      下側の金属板
ＷＣ２    下側金属板の熱影響部
ＷＫ      溶融穴部
ＷＹ      溶融池
Ｗｙ      溶融金属
Ｚ        隙間
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図３】
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【図７】
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【図８】
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