(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上下に重ね合わせられた二枚の金属板のうち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ー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、レーザー光によって二枚の金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下側の金属板の下面にわたって形成するとともに、前記溶融池にフィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給し、フィラーワイヤを供給しながら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、
前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するワイヤ供給調整手段と、
前記溶融池の上面を撮像する第１の撮像手段と、
前記溶融池の下面を撮像する第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記溶融池の内部形状を推定する溶融池形状推定手段と、
を備え、
前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記溶融池の内部形状に基づいて、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項２】
前記請求項１に記載のレーザー溶接装置において、
前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と、前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とに基づいて、前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状を推定し、
前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池に所定の進入位置において所定の進入角度で進入する前記フィラーワイヤの延長線が、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状のうち前記上側の金属板に対応する部分と交差しないように、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項３】
前記請求項１または前記請求項２に記載のレーザー溶接装置において、
前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とを直線状に結ぶ形状を、前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状と推定する、
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１から前記請求項３の何れか一項に記載のレーザー溶接装置において、
前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記レーザー光によって前記溶融池内に形成されるキーホールの形状を推定し、
前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池に所定の進入位置において所定の進入角度で進入する前記フィラーワイヤの延長線が、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記キーホールの形状のうち前記上側の金属板に対応する部分と交差しないように、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、
ことを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項５】
上下に重ね合わせられた二枚の金属板のうち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ー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、レーザー光によって二枚の金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下側の金属板の下面にわたって形成するとともに、前記溶融池にフィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給し、フィラーワイヤを供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、
前記溶融池の上面と前記溶融池の下面とをそれぞれ撮像し、撮像された前記溶融池の上面形状と前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記溶融池の内部形状を推定し、推定された前記溶融池の内部形状に基づいて、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するようにした、
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、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、上下に重ね合わされた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ー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、二枚の金属板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】
また、レーザー光が照射される被照射部位にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接することにより、金属板だけでなくフィラーワイヤも溶融させて、すなわち溶融金属を増加させて、二枚の金属板を連結させることも知られている。
【０００４】
このレーザー溶接におけるフィラーワイヤの供給に関して、上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接するものではないが、例えば特許文献１には、レーザー溶接とＭＩＧ溶接とを組み合わせた複合溶接において、溶接時に被溶接物に形成された溶融池を撮像し、撮像した画像に基づいてレーザー光の照射点から溶融池の輪郭までの距離を求め、求めた距離に基づいてレーザー光の照射点とフィラーワイヤの供給ノズルの相対的な位置を変化させることが開示されている。
【０００５】
また、例えば特許文献２には、フィラーワイヤの先端を撮像手段により撮像し、この撮像信号を画像処理してフィラーワイヤの送り出し量および送り出し方向のずれを検出し、フィラーワイヤの先端がレーザー光の照射部位から許容範囲内に位置するように制御することが開示されている。
【０００６】
さらに、例えば特許文献３には、溶接に用いるレーザーの一部を偏向させた補助ビームをフィラーワイヤに照射し、この照射部をカメラにより撮像し、撮像される画像からフィラーワイヤの位置を算出し、算出された位置が許容範囲外であるときフィラーワイヤを許容範囲内へ移動調整することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１８１６６４号公報
【特許文献２】特開２００１−１７９４７１号公報
【特許文献３】特開２００３−２１１２７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、レーザー光が照射される被照射部位にフィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接する場合、金属板とフィラーワイヤとをレーザー光によって溶融させることから、フィラーワイヤの溶融にエネルギーが消費されて金属板の溶融が不十分となることがある。
【０００９】
これに対して、二枚の金属板のうち上側の金属板表面に向けてレーザー光を照射することによりレーザー光によって金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を形成し、この溶融池にフィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給することで、レーザー光のエネルギーがフィラーワイヤの溶融に消費されることなく、金属板の溶融に利用することが可能であると考えられる。
【００１０】
そして、その場合、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く二枚の金属板間には少なからず隙間が生じることから、溶融金属の下方への垂下を促進させるため、溶融池に供給するフィラーワイヤを溶融池内の所定深さまで進入させることが望ましいと考えられる。
【００１１】
しかしながら、フィラーワイヤを溶融池内の所定深さまで進入させて溶融池に供給する場合、二枚の金属板間に生じた隙間の大きさなど種々の条件によって溶融池の形状がレーザー溶接中に変化し、フィラーワイヤが溶融池の外周面を形成する非溶融状態の金属板や被溶接部に接触したり、レーザー光によって溶融池内に形成されたキーホールに入ったりする場合がある。
【００１２】
フィラーワイヤが非溶融状態の金属板や被溶接部に接触すると、フィラーワイヤが引っかかったり折れ曲がったりしてワイヤ供給状態が一定せず溶接が不安定になる一方、フィラーワイヤがレーザー光によって溶融池内に形成されたキーホールに入ると、フィラーワイヤがレーザー光によって溶断されワイヤ供給状態が一定せず溶接が不安定になる。
【００１３】
そこで、本発明は、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接する際に、フィラーワイヤを溶融池内の好適な位置に供給することができ、溶接を安定化させ、二枚の金属板を良好にレーザー溶接することができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法を提供する、ことを基本的な目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
このため、本願の請求項１に係る発明は、上下に重ね合わせられた二枚の金属板のうち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ー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、レーザー光によって二枚の金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下側の金属板の下面にわたって形成するとともに、前記溶融池にフィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給し、フィラーワイヤを供給しながら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、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するワイヤ供給調整手段と、前記溶融池の上面を撮像する第１の撮像手段と、前記溶融池の下面を撮像する第２の撮像手段と、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記溶融池の内部形状を推定する溶融池形状推定手段と、を備え、前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記溶融池の内部形状に基づいて、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、ことを特徴としたものである。
【００１５】
また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に記載のレーザー溶接装置において、前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と、前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とに基づいて、前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状を推定し、前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池に所定の進入位置において所定の進入角度で進入する前記フィラーワイヤの延長線が、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状のうち前記上側の金属板に対応する部分と交差しないように、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、ことを特徴としたものである。
【００１６】
更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載のレーザー溶接装置において、前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とを直線状に結ぶ形状を、前記溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状と推定する、ことを特徴としたものである。
【００１７】
また更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のレーザー溶接装置において、前記溶融池形状推定手段は、前記第１の撮像手段によって撮像された前記溶融池の上面形状と前記第２の撮像手段によって撮像された前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記レーザー光によって前記溶融池内に形成されるキーホールの形状を推定し、前記ワイヤ供給調整手段は、前記溶融池に所定の進入位置において所定の進入角度で進入する前記フィラーワイヤの延長線が、前記溶融池形状推定手段によって推定された前記キーホールの形状のうち前記上側の金属板に対応する部分と交差しないように、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整する、ことを特徴としたものである。
【００１８】
また更に、本願の請求項５に係る発明は、上下に重ね合わせられた二枚の金属板のうち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ー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、レーザー光によって二枚の金属板を溶融させて溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板の上面から下側の金属板の下面にわたって形成するとともに、前記溶融池にフィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給し、フィラーワイヤを供給しながら二枚の金属板をレーザー溶接するレーザー溶接方法であって、前記溶融池の上面と前記溶融池の下面とをそれぞれ撮像し、撮像された前記溶融池の上面形状と前記溶融池の下面形状とに基づいて、前記溶融池の内部形状を推定し、推定された前記溶融池の内部形状に基づいて、前記溶融池に対する前記フィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するようにした、ことを特徴としたものである。
【発明の効果】
【００１９】
本願の請求項１に係る発明によれば、レーザー光によって上側の金属板の上面から下側の金属板の下面にわたって形成される溶融池に、フィラーワイヤをレーザー光よりも溶接進行方向後方側から供給する場合に、第１の撮像手段によって撮像された溶融池の上面形状と第２の撮像手段によって撮像された溶融池の下面形状とに基づいて溶融池の内部形状が推定され、この推定された溶融池の内部形状に基づいて溶融池に対するフィラーワイヤの進入位置及び進入角度が調整されるので、フィラーワイヤを非溶融状態の金属板や被溶接部に接触させたりキーホールに入れたりすることがなく、フィラーワイヤを溶融池内の好適な位置に供給することができ、ワイヤ供給状態を略一定にして溶接を安定化させ、二枚の金属板を良好にレーザー溶接することができる。二枚の金属板間に生じた隙間の大きさが変化した場合など、溶融池の内部形状が変化した場合においても、推定される溶融池の内部形状に応じてフィラーワイヤを溶融池内の好適な位置に供給することができ、前記効果を有効に得ることができる。
【００２０】
また、本願の請求項２に係る発明によれば、第１の撮像手段によって撮像された溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と第２の撮像手段によって撮像された溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とに基づいて溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状が推定され、溶融池内に進入するフィラーワイヤの延長線が、この推定された溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状のうち上側の金属板に対応する部分と交差しないように、溶融池に対するフィラーワイヤの進入位置及び進入角度が調整されるので、前記効果をより具体的に実現することができる。フィラーワイヤの延長線が推定された溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状のうち上側の金属板に対応する部分と交差しないように、溶融池に対するフィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するようにしたのは、溶融池に進入するフィラーワイヤは進入深さが深くなるほど溶融されやすく、溶融池の上側の金属板に対応する部分を除く部分ではフィラーワイヤが溶融されてフィラーワイヤが非溶融状態にある金属板と接触することを回避できるからである。
【００２１】
更に、本願の請求項３に係る発明によれば、第１の撮像手段によって撮像された溶融池の上面形状の溶接進行方向後端位置と第２の撮像手段によって撮像された溶融池の下面形状の溶接進行方向後端位置とを直線状に結ぶ形状が、溶融池内部の溶接進行方向後端側の形状と推定されるので、前記作用効果を有効に奏することができる。
【００２２】
また更に、本願の請求項４に係る発明によれば、第１の撮像手段によって撮像された溶融池の上面形状と第２の撮像手段によって撮像された溶融池の下面形状とに基づいてキーホールの形状が推定され、溶融池内に進入するフィラーワイヤの延長線が、この推定されたキーホールの形状のうち上側の金属板に対応する部分と交差しないように、溶融池に対するフィラーワイヤの進入位置及び進入角度が調整されるので、前記効果をより具体的に実現することができる。フィラーワイヤの延長線が推定されたキーホールの形状のうち上側の金属板に対応する部分と交差しないように、溶融池に対するフィラーワイヤの進入位置及び進入角度を調整するようにしたのは、溶融池に進入するフィラーワイヤは進入深さが深くなるほど溶融されやすく、溶融池の上側の金属板に対応する部分を除く部分ではフィラーワイヤが溶融されてフィラーワイヤがキーホールに入ることを回避できるからである。
【００２３】
また更に、本願の請求項５に係る方法発明によれば、本願の請求項１に記載の装置発明と同様の作用効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を概略的に示す側面図である。
【図２】前記レーザー溶接装置の制御構成図である。
【図３】前記レーザー溶接装置によってレーザー溶接中にある二枚の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図である。
【図４】前記レーザー溶接装置において溶融池の形状を推定する方法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法について、添付図面を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は、本発明の実施形態に係るレーザー溶接装置の要部を概略的に示す側面図であり、図２は、前記レーザー溶接装置の制御構成図である。このレーザー溶接装置１０は、レーザー光ＬＢ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部位Ｌの後方にフィラーワイヤＸを供給するワイヤ供給装置３と、フィラーワイヤＸを所定温度に加熱するワイヤ加熱装置４と、レーザーヘッド２及びワイヤ供給装置３を支持すると共にワークＷに対して相対的に移動させるアーム型の溶接ロボット５とを有している。なお、図１では、溶接ロボット５のロボットアーム５１の先端のみが示されている。
【００２７】
本実施形態では、ワークＷとしては、上下に重ね合わされた平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を一例として示している。二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２は、複数のクランプ治具８によって把持されているが、金属板Ｗ１、Ｗ２の精度上、対向する面の間に少なからず隙間Ｚが生じている。
【００２８】
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。また、レーザー光の焦点位置は可変であるが、本実施形態においては下側の金属板Ｗ２の下面に設定されている。レーザーヘッド２は、ロボットアーム５１の先端に取付ブラケット５２を介して取り付けられている。この取付ブラケット５２は、平面状に形成され、ロボットアーム５１に沿って延び略矩形状に形成される矩形部５２ａと該矩形部５２ａから溶接進行方向後方側に湾曲して延びる湾曲部５２ｂとを備え、矩形部５２ａにレーザーヘッド２が取り付けられている。
【００２９】
ワイヤ供給装置３は、レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側においてレーザー光ＬＢの被照射部位Ｌの近傍に配置されたワイヤ供給ノズル３１と、ワイヤ供給モータ３３（図２参照）により駆動され、フィラーワイヤＸが巻回された図示しないワイヤロールより繰り出されたフィラーワイヤＸをワイヤ供給ノズル３１まで誘導するチューブ３２とを有している。ワイヤ供給モータ３３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、被溶接部位へのフィラーワイヤＸの供給量が調整可能になっている。
【００３０】
ワイヤ供給ノズル３１もまた、ロボットアーム５１の先端に取付ブラケット５２を介して取り付けられている。具体的には、取付ブラケット５２の湾曲部５２ｂに、ワイヤノズル水平移動機構５５（図２参照）によって取付ブラケット５２に対して水平方向に移動可能に構成される移動プレート５３が取り付けられ、この移動プレート５３に、ワイヤノズル回動駆動機構５６（図２参照）によって移動プレート５３に対して回動可能に構成される回動軸５４が取り付けられ、この回動軸５４にワイヤ供給ノズル３１が取り付けられている。
【００３１】
このようにして、レーザーヘッド２とワイヤ供給ノズル３１とがロボットアーム５１の先端に取り付けられ、ワイヤ供給ノズル３１は、レーザーヘッド２の溶接進行方向後方側に配置され、レーザーヘッド２に対して相対的に、ワイヤノズル水平移動機構５５によって水平方向に移動されるようになっているとともに、ワイヤノズル回動駆動機構５６によって回動されるようになっている。なお、レーザーヘッド２とワイヤ供給ノズル３１とは、後述する図３に示すように、レーザーヘッド２から照射されるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃとワイヤ供給ノズル３１から供給されるフィラーワイヤＸとが溶接経路Ｒに沿って移動するように位置調整されている。
【００３２】
ワイヤ加熱装置４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４１と、該加熱電源装置４１とワイヤ供給ノズル３１とを接続するノズル接続ケーブル４２と、該加熱電源装置４１とクランプ治具８とを接続する、すなわち加熱電源装置４１と金属板Ｗ１、Ｗ２とを接続する金属板接続ケーブル４３とを有し、加熱電源装置４１から流れる電流が、ノズル接続ケーブル４２、ワイヤ供給ノズル３１、フィラーワイヤＸ、金属板Ｗ１、Ｗ２、クランプ治具８、金属板接続ケーブル４３を介して加熱電源装置４１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。
【００３３】
ここで、前記所定温度は、フィラーワイヤＸの端部が、後述する図３に示す溶融池ＷＹに供給され、溶融池ＷＹ内の所定深さ、例えば上側の金属板Ｗ１の板厚の半分程度まで進入したときに、ワイヤ加熱装置４による熱と溶融池ＷＹの熱とで溶融する温度に設定されている。フィラーワイヤＸを所定温度に加熱するための電流値については実験等を行って導けばよい。
【００３４】
本実施形態に係るレーザー溶接装置１０にはさらに、ワークＷのレーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を上側の金属板Ｗ１の上方側から撮像する第１の撮像手段としての第１の撮像装置６と、ワークＷ１のレーザー光被照射部位Ｌ及びその近傍を下側の金属板Ｗ２の下方側から撮像する第２の撮像手段としての第２の撮像装置７とが備えられている。第１の撮像装置６と第２の撮像装置７とは、例えばＣＣＤカメラなどによって所定周期毎に画像を取得可能に構成されており、第１の撮像装置６は、溶融池ＷＹの上面を撮像することができるようになっており、第２の撮像装置７は、溶融池ＷＹの下面を撮像することができるようになっている。
【００３５】
また、レーザー溶接装置１０には、図２に示すように、レーザーヘッド２、ワイヤ供給装置３のワイヤ供給モータ３３、ワイヤノズル水平移動機構５５、ワイヤノズル回動駆動機構５６、ワイヤ加熱装置４及び溶接ロボット５の作動など、レーザー溶接装置１０に関係する構成を総合的に制御するコントロールユニット６０が備えられている。このコントロールユニット６０は、ワイヤノズル水平移動機構５５及びワイヤノズル回動駆動機構５６の作動を制御し、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置及び進入角度を調整するワイヤ供給調整手段としてのワイヤ供給調整部６１と、第１の撮像装置６によって撮像された溶融池ＷＹの上面形状と第２の撮像手段７によって撮像された溶融池ＷＹの下面形状とに基づいて、溶融池ＷＹの内部形状を推定する溶融池形状推定手段としての溶融池形状推定部６２とを備え、ワイヤ供給調整部６１は、溶融池形状推定部６２によって推定された溶融池ＷＹの内部形状に基づいて、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置及び進入角度を調整することができるようになっている。なお、コントロールユニット６０は、例えばマイクロコンピュータを主要部として構成されている。
【００３６】
このようにして構成されるレーザー溶接装置１０を用いてレーザー溶接する際には、図１に示すように、先ず、平板状の二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を上下に重ね合わせた状態で二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を所定位置においてクランプ治具８によって把持する。この二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２の対向する面の間には、前述したように隙間Ｚが生じている。
【００３７】
そして、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２のうち上側の金属板Ｗ１表面に向けてレーザー光ＬＢを照射しつつ該レーザー光ＬＢを溶接経路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させ、これにより、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２のレーザー光被照射部位Ｌを溶融させて上下の金属板Ｗ１、Ｗ２の溶融金属が貯留されてなる溶融池を上側の金属板Ｗ１の上面から下側の金属板Ｗ２の下面にわたって形成する。そして、溶融池の熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸをレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池に供給し、これにより、フィラーワイヤＸを溶融させて溶融池に溶融金属を追加供給する。
【００３８】
図３は、前記レーザー溶接装置によってレーザー溶接中にある二枚の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図であり、図３の（ａ）は、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、図３の（ｂ）は、図３（ａ）のＹ３ｂ−Ｙ３ｂ線に沿った断面図である。
【００３９】
図３を参照しつつ詳しく説明すると、先ず、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ＬＢの中心ＬＢｃ近傍の金属が溶融され、溶融金属Ｗｙが生成されている。レーザー光ＬＢが照射されるレーザー光被照射部位Ｌ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キーホールＷＫが形成されている。
【００４０】
溶接経路Ｒにおけるレーザー光中心ＬＢｃ位置では、キーホール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て溶融金属Ｗｙが生成されている。また、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙは、重力により下側の金属板Ｗ２側に垂下し始めている。
【００４１】
溶接経路Ｒにおけるレーザー光ＬＢの中心ＬＢｃの後方近傍では、上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙが重力により下方へ垂下し、溶融経路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キーホールＷＫに運ばれ、溶融金属Ｗｙが貯留されてなる溶融池ＷＹが上側の金属板Ｗ１の上面から下側の金属板Ｗ２の下面にわたって形成されている。
【００４２】
本実施形態では、溶融池ＷＹの熱とで溶融するように加熱されたフィラーワイヤＸが、レーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から溶融池ＷＹに供給され、フィラーワイヤＸが溶融して溶融金属Ｗｙ’が生成される。そして、この新たに生成された溶融金属Ｗｙ’が溶融池ＷＹ内に供給されることにより、もとから存在していた溶融池ＷＹ内の溶融金属Ｗｙが点線の矢印で示すように下方へ押しやられて、該溶融金属Ｗｙの隙間Ｚを超えた下方への垂下が促進され、上側の金属板Ｗ１と下側の金属板Ｗ２とが溶融金属Ｗｙにより連結されることとなる。
【００４３】
そして、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、Ｗｙ’が下側から固化し始め、さらに後方においては、溶融池ＷＹの溶融金属Ｗｙ、Ｗｙ’が上から下まで全て固化し、非溶融状態の被溶接部ＷＢが形成されることとなる。
【００４４】
ここで、溶融池ＷＹへのフィラーワイヤＸの供給についてさらに説明する。
図３に示すように、フィラーワイヤＸは、溶接経路Ｒに沿って溶融池ＷＹに供給されるとともに、矢印βで示すように前下がりに傾斜した状態で溶融池ＷＹ内に進入するように供給される。より詳しくは、フィラーワイヤＸは、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置、すなわちフィラーワイヤＸが溶融池ＷＹの上面と交差する溶接進行方向前端位置Ｘｐが、レーザー光中心ＬＢｃから溶接経路Ｒ後方の距離Ｄとなるように供給され、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入角度、すなわちフィラーワイヤＸと溶融池ＷＹの上面とのなす角度がθとなるように供給される。また、溶融池ＷＹ内に進入させるフィラーワイヤＸは、所定の進入深さＨで溶融されるように供給される。
【００４５】
そして、図３に示すように、溶融池ＷＹに供給されるフィラーワイヤＸを、溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫに入らないように、且つ、溶融池ＷＹの溶接進行方向後端側の形状と接触しないように、すなわち非溶融状態にある金属板Ｗ１、Ｗ２や被溶接部ＷＢと接触しないように溶融池ＷＹ内に進入させる。
【００４６】
なお、本実施形態では、フィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐが、例えば距離Ｄがレーザー光ＬＢのビーム径の２倍となるように設定され、フィラーワイヤＸの進入角度θが、例えば７０°に設定される。また、溶融池ＷＹ内に進入させるフィラーワイヤＸは、好ましくは、進入深さＨが上側の金属板Ｗ１の板厚の範囲内となるように設定される。
【００４７】
このようにして、フィラーワイヤＸを供給しながら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接することにより、金属板Ｗ１、Ｗ２の溶融金属ＷｙにフィラーワイヤＸの溶融金属Ｗｙ’を加えて溶融金属量を増大させることができるとともに、溶融池ＷＹ内へのフィラーワイヤＸの進入によって上側の金属板Ｗ１の溶融金属Ｗｙの下方への垂下を促進させることができ、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２間に比較的大きい隙間Ｚが生じている場合においても、上下の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好に連結させることができる。
【００４８】
前述したように、フィラーワイヤＸを供給しながら二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接する際には、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２間に生じた隙間Ｚの大きさなどによって溶融池ＷＹの内部形状が変化することから、フィラーワイヤＸが溶融池ＷＹの外周面を形成する非溶融状態の金属板Ｗ１、Ｗ２や被溶接部ＷＢに接触したり、レーザー光ＬＢによって溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫに入ったりする場合があるが、本実施形態では、溶融池ＷＹの上面と溶融池ＷＹの下面とをそれぞれ撮像し、撮像された溶融池ＷＹの上面形状と溶融池ＷＹの下面形状とに基づいて、溶融池ＷＹの内部形状を推定し、推定された溶融池ＷＹの内部形状に基づいて溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置及び進入角度を調整することで、かかる問題を回避する。
【００４９】
以下、図４を参照しながら、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置及び進入角度を調整する方法について説明する。
図４は、前記レーザー溶接装置において溶融池の形状を推定する方法を説明するための説明図であり、図４では、溶接経路Ｒに沿った二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２の断面について、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹにレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から供給しながらレーザー溶接している状態を模式的に示している。
【００５０】
前述したように、本実施形態に係るレーザー溶接装置１０では、第１の撮像装置６によって溶融池ＷＹの上面が撮像され、第２の撮像装置７によって溶融池ＷＹの下面が撮像され、撮像された溶融池ＷＹの上面形状及び下面形状の画像が溶融池形状推定部６２に入力される。そして、溶融池形状推定部６２では、入力される溶融池ＷＹの上面形状及び下面形状の画像に基づいて、溶融池ＷＹの内部形状を推定する。
【００５１】
溶融池形状推定部６２では、溶融池ＷＹの上面形状の画像を画像処理して溶融池ＷＹの上面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ１及び溶接進行方向前端位置Ｐ２、並びに溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端位置Ｐ３及び溶接進行方向前端位置Ｐ４を検出するととともに、溶融池ＷＹの下面形状の画像を画像処理して溶融池ＷＹの下面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ５及び溶接進行方向前端位置Ｐ６、並びに溶融池ＷＹの下面とレーザー光中心ＬＢｃとが交差する位置Ｐ７とを検出する。
【００５２】
次に、溶融池形状推定部６２では、検出された溶融池ＷＹの上面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ１と溶融池ＷＹの下面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ５とに基づいて、位置Ｐ１と位置Ｐ５とを直線状に結ぶ形状Ｓ１を溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状と推定するととともに、検出された溶融池ＷＹの上面形状の溶接進行方向前端位置Ｐ２と溶融池ＷＹの下面形状の溶接進行方向前端位置Ｐ６とに基づいて、位置Ｐ２と位置Ｐ６とを直線状に結ぶ形状Ｓ２を溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向前端側の形状と推定する。
【００５３】
また、溶融池形状推定部６２では、検出された溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端位置Ｐ３と溶融池ＷＹの下面とレーザー光中心ＬＢｃとが交差する位置Ｐ７とに基づいて、位置Ｐ３と位置Ｐ７とを直線状に結ぶ形状Ｓ３をレーザー光ＬＢによって溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状と推定するとともに、検出された溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向前端位置Ｐ４と、溶融池ＷＹの下面とレーザー光中心ＬＢｃとが交差する位置Ｐ７とに基づいて、位置Ｐ４と位置Ｐ７とを直線状に結ぶ形状Ｓ４をレーザー光ＬＢによって溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫの溶接進行方向前端側の形状と推定する。
【００５４】
そして、ワイヤ供給調整部６１は、溶融池形状推定部６２によって推定された溶融池ＷＹ内部の形状に基づいて、ワイヤノズル水平移動機構５５及び／又はワイヤノズル回動駆動機構５６の作動を制御し、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整する。具体的には、溶融池ＷＹに所定の進入位置Ｘｐにおいて所定の進入角度θで進入し、所定の進入深さＨまで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状Ｓ１のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分（形状Ｓ１のうち位置Ｐ１と位置Ｐ１０とを結ぶ部分）と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整する。
【００５５】
ここで、フィラーワイヤＸの延長線ＩＬが推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状Ｓ１のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整するようにしたのは、溶融池ＷＹに進入するフィラーワイヤＸは進入深さＨが深くなるほど溶融されやすく、溶融池ＷＹの上側の金属板Ｗ１に対応する部分を除く部分ではフィラーワイヤＸが溶融されてフィラーワイヤＸが非溶融状態にある金属板Ｗ２と接触することを回避できるからである。
【００５６】
このようにして、フィラーワイヤＸを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接する際に、溶融池ＷＹ内に進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、この推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状Ｓ１のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整されるので、フィラーワイヤＸを非溶融状態の金属板Ｗ１や被溶接部ＷＢに接触させることなく、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができる。
【００５７】
また、ワイヤ供給調整部６１は、溶融池ＷＹに所定の進入位置Ｘｐにおいて所定の進入角度θで進入し、所定の進入深さＨまで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、推定されたレーザー光ＬＢによって溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状Ｓ３のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分（形状Ｓ３のうち位置Ｐ３と位置Ｐ１１とを結ぶ部分）と交差しないように、ワイヤノズル水平移動機構５５及び／又はワイヤノズル回動駆動機構５６の作動を制御し、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整する。
【００５８】
ここで、フィラーワイヤＸの延長線ＩＬが推定されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端形状Ｓ３のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整するようにしたのは、溶融池ＷＹに進入するフィラーワイヤＸは進入深さＨが深くなるほど溶融されやすく、溶融池ＷＹの上側の金属板Ｗ１に対応する部分を除く部分ではフィラーワイヤＸが溶融されてフィラーワイヤＸがキーホールＷＫに入ることを回避できるからである。
【００５９】
また、レーザー光ＬＢによって溶融池ＷＹ内に形成されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状を、溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の位置Ｐ３と溶融池ＷＹの下面とレーザー光中心ＬＢｃとが交差する位置Ｐ７とを直線状に結ぶ形状Ｓ３と推定したのは、溶融池ＷＹの下面にキーホールＷＫが形成されない場合、レーザー溶接中にある実際のキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状は、少なくとも推定されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状Ｓ３よりも溶接進行方向前方側に形成されることとなるからである。
【００６０】
一方、溶融池ＷＹの下面までキーホールＷＫが形成される場合、溶融池形状推定部６２では、溶融池ＷＹの下面形状の画像を画像処理して溶融池ＷＹの下面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端位置及び溶接進行方向前端位置を検出し、検出された溶融池ＷＹの下面に形成されるキーホールＷＫの前記溶接進行方向後端位置と溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端位置Ｐ３とに基づいて、これらの位置を直線状に結ぶ形状をキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状と推定するともに、検出された溶融池ＷＹの下面に形成されるキーホールＷＫの前記溶接進行方向前端位置と溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向前端位置Ｐ４とに基づいて、これらの位置を直線状に結ぶ形状をキーホールＷＫの溶接進行方向前端側の形状と推定する。
【００６１】
そして、ワイヤ供給調整部６１は、この推定されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状、すなわち、溶融池ＷＹの下面に形成されるキーホールＷＫの前記溶接進行方向後端位置と溶融池ＷＹの上面に形成されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端位置Ｐ３とを直線状に結ぶ形状のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と、溶融池ＷＹに所定の進入位置Ｘｐにおいて所定の進入角度θで進入し、所定の進入深さＨまで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが交差しないように、ワイヤノズル水平移動機構５５及び／又はワイヤノズル回動駆動機構５６の作動を制御し、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤの進入位置Ｘｐ及び進入角度θを調整する。
【００６２】
このようにして、フィラーワイヤＸを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２をレーザー溶接する際に、溶融池ＷＹ内に進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、この推定されたキーホールＷＫの形状のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＫに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整されるので、フィラーワイヤＸをキーホールＷＫに入れることなく、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができる。
【００６３】
このように、本実施形態では、溶融池ＷＹ内に進入させるフィラーワイヤＸは、進入深さＨが上側の金属板Ｗ１の板厚の範囲内となるように設定され、溶融池ＷＹに進入位置Ｘｐにおいて進入角度θで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状Ｓ１のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、且つ、推定されるキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状Ｓ３のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整される。
【００６４】
すなわち、溶融池ＷＹ内に進入させるフィラーワイヤＸは、溶融池ＷＹに進入位置Ｘｐにおいて進入角度θで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端形状Ｓ１のうち上側の金属板Ｗ１の下面に対応する位置Ｐ１０と、推定されたキーホールＷＫの溶接進行方向後端側の形状Ｓ３のうち上側の金属板Ｗ１の下面に対応する位置Ｐ１１とを直線状に結ぶ部分と交差するように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整される。
【００６５】
これにより、溶融池ＷＹ内に進入させたフィラーワイヤＸが、非溶融状態の上側の金属板Ｗ１や被溶接部ＷＢに接触したり上側の金属板Ｗ１に形成されたキーホールＷＫに入ったりすることを防止することができ、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができる。
【００６６】
このように、本実施形態においては、レーザー光ＬＢによって上側の金属板Ｗ１の上面から下側の金属板Ｗ２の下面にわたって形成される溶融池ＷＹに、フィラーワイヤＸをレーザー光ＬＢよりも溶接進行方向後方側から供給する場合に、第１の撮像手段６によって撮像された溶融池ＷＹの上面形状と第２の撮像手段７によって撮像された溶融池ＷＹの下面形状とに基づいて溶融池ＷＹの内部形状が推定され、この推定された溶融池ＷＹの内部形状に基づいて溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整されるので、フィラーワイヤＸを非溶融状態の金属板Ｗ１や被溶接部ＷＢに接触させたりキーホールＷＫに入れたりすることがなく、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができ、ワイヤ供給状態を略一定にして溶接を安定化させ、二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２を良好にレーザー溶接することができる。二枚の金属板Ｗ１、Ｗ２間に生じた隙間Ｚの大きさが変化した場合など、溶融池ＷＹの内部形状が変化した場合においても、推定される溶融池ＷＹの内部形状に応じてフィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができ、前記効果を有効に得ることができる。
【００６７】
また、前述した実施形態では、ワイヤ供給調整部６１において、第１の撮像装置６によって撮像された溶融池ＷＹの上面形状と第２の撮像装置７によって撮像された溶融池ＷＹの下面形状とに基づいて、溶融池ＷＹの上面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ１と溶融池ＷＹの下面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ５とを直線状に結ぶ形状Ｓ１が溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状と推定されているが、溶融池ＷＹの上面形状の溶接進行方向後端位置Ｐ１と、レーザー光中心ＬＢｃと下側の金属板Ｗ２の下面とが交差する位置とを直線状に結ぶ形状を溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状と推定するようにすることも可能である。
【００６８】
かかる場合においても、ワイヤ供給調整部６１では、溶融池ＷＹに所定の進入位置Ｗｐにおいて所定の進入角度θで進入するフィラーワイヤＸの延長線ＩＬが、この推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状のうち上側の金属板Ｗ１に対応する部分と交差しないように、溶融池ＷＹに対するフィラーワイヤＸの進入位置Ｘｐ及び進入角度θが調整される。これにより、溶融池ＷＹ内に進入させるフィラーワイヤＸを非溶融状態の金属板Ｗ１や被溶接部ＷＢに接触させることなく、フィラーワイヤＸを溶融池ＷＹ内の好適な位置に供給することができる。
【００６９】
この場合、第１の撮像装置６と第２の撮像装置７とを用いて撮像された溶融池ＷＹの上面形状と溶融池ＷＹの下面形状とに基づいて推定された溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状Ｓ１よりも、推定される溶融池ＷＹ内部の溶接進行方向後端側の形状が溶接進行方向前方側に推定されることとなるので、第２の撮像装置７を用いることなく、１つの撮像装置６を用いて、前記効果を有効に得ることができる。
【００７０】
以上のように、本発明は、例示された実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、フィラーワイヤを供給しながら上下に重ね合わせられた二枚の金属板をレーザー溶接する場合に、金属板間に生じた隙間が変化した場合においても、上下の金属板を良好に連結させることができるレーザー溶接装置及びレーザー溶接方法を提供することができ、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】
【００７２】
６  第１の撮像装置
７  第２の撮像装置
１０  レーザー溶接装置
６０  コントロールユニット
６１  ワイヤ供給調整部  
６２  溶融池形状推定部
ＬＢ  レーザー光
Ｒ  溶接経路
Ｗ１、Ｗ２  金属板
ＷＫ  キーホール
Ｗｙ、Ｗｙ’  溶融金属
ＷＹ  溶融池
Ｘ  フィラーワイヤ
Ｘｐ  フィラーワイヤの進入位置
θ  フィラーワイヤの進入角度
【図１】
0005391936.tif 000002
【図２】
0005391936.tif 000003
【図３】
0005391936.tif 000004
【図４】
0005391936.tif 000005