(57)【要約】【課題】ガス供給ノズルの位置ズレを確実に防止しつつ、アシストガスによる溶接異常を起き難くしたレーザ溶接装置を提供することを目的とする。【解決手段】被照射部Ｓの溶融状態を示す物理量の変化に基づいて、アシストガスＧに起因した溶接異常の有無が判断し、溶接異常有りと判断する場合にのみ、ガス供給ノズル３を予め設定された初期位置の状態に戻し、溶接異常有りと判断しない場合には、ガス供給ノズル３が初期位置の状態からズレていたとしても初期位置の状態には戻さないようにするレーザ溶接装置１とした。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接体にレーザ光を照射するレーザヘッドと、前記レーザ光の被照射部に向けて斜めからアシストガスを噴射するガス供給ノズルと、を備えたレーザ溶接装置において、
前記ガス供給ノズルを可動させるノズルアクチュエータと、
前記被照射部の溶融状態を示す物理量の変化を検出する溶接状態検出部と、
前記溶接状態検出部からの出力信号に基づいて、前記アシストガスに起因した溶接異常の有無を判断する溶接異常判断部と、
前記溶接異常判断部によって溶接異常有りと判断されたときにのみ、前記ガス供給ノズルを、予め設定された初期位置の状態に戻すように前記ノズルアクチュエータに駆動信号を出力するアクチュエータ制御部とを備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記初期位置は、前記ガス供給ノズルの噴射角度によって予め設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記ノズルアクチュエータは、前記ガス供給ノズルの管軸線に直交する回転軸線を中心にして前記ガス供給ノズルを回転自在に支持すると共に、前記ガス供給ノズルの噴射角度を変更するために前記ガス供給ノズルを回転させ、
前記アクチュエータ制御部は、前記初期位置の状態に戻すために、前記ガス供給ノズルを回転させる前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記初期位置は、前記ガス供給ノズルの前後左右位置によって予め設定されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記ガス供給ノズルの管軸線と前記被溶接体との交点を撮像する撮像素子と、
前記初期位置の前記ガス供給ノズルの前記管軸線と前記被溶接体との基準交点から前記撮像素子によって撮像された前記交点までの変位を求める変位演算部と、を更に備え、
前記ノズルアクチュエータは、前記ガス供給ノズルを前後左右に移動自在に支持すると共に、前記ガス供給ノズルを平行移動させ、
前記アクチュエータ制御部は、前記初期位置の状態に戻すために、前記変位演算部によって求められた前記変位を戻す補正量だけ前記ガス供給ノズルを平行移動させる前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光とアシストガスとの協働により被溶接体に溶接を施行するためのレーザ溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ光の被照射部に向けてアシストガスを噴射するレーザ溶接装置が知られている。例えば、特許文献１に記載のレーザ溶接装置は、可動自在なガス供給ノズルを備えている。このレーザ溶接装置では、被溶接体の材質、板厚、溶接面形状などの溶接条件に応じて、アシストガスの噴射角度の目標値が設定される。そして、レーザ溶接装置では、センサによって検出された噴射角度に基づいて目標値からの偏差を演算し、サーボモータなどのアクチュエータのフィードバック制御によって偏差が無くなるようにガス供給ノズルが傾けられる。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２０８２９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、溶接開始から終了まで連続的にフィードバック制御を行うと、ガス供給ノズルの噴射角度が目標値に落ち着かず、発散系の制御になってしまう可能性がある。特に、サーボモータを有するアクチュエータの位置決め性能がセンサの位置検出性能に比べて劣る場合には、発散系の制御になると、ガス供給ノズルに微振動が起こる。さらに、サーボモータは、センサに比べて経年劣化しやすく、使用を続けていくうちにガス供給ノズルが振動し易くなる。
【０００５】
本発明は、ガス供給ノズルの位置ズレを確実に防止しつつ、アシストガスによる溶接異常を起き難くしたレーザ溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、被溶接体にレーザ光を照射するレーザヘッドと、レーザ光の被照射部に向けて斜めからアシストガスを噴射するガス供給ノズルと、を備えたレーザ溶接装置において、ガス供給ノズルを可動させるノズルアクチュエータと、被照射部の溶融状態を示す物理量の変化を検出する溶接状態検出部と、溶接状態検出部からの出力信号に基づいて、アシストガスに起因した溶接異常の有無を判断する溶接異常判断部と、溶接異常判断部によって溶接異常有りと判断されたときにのみ、ガス供給ノズルを、予め設定された初期位置の状態に戻すようにノズルアクチュエータに駆動信号を出力するアクチュエータ制御部とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
このレーザ溶接装置によれば、被照射部の溶融状態を示す物理量の変化に基づいて、アシストガスに起因した溶接異常の有無が判断される。そして、レーザ溶接装置は、溶接異常有りと判断する場合にのみ、ガス供給ノズルを予め設定された初期位置の状態に戻し、溶接異常有りと判断しない場合には、ガス供給ノズルが初期位置の状態からズレていたとしても初期位置の状態には戻さない。その結果として、フィードバック制御によって初期位置からの偏差を無くすようにガス供給ノズルを移動させる場合に比較して発散系の制御になり難く、ガス供給ノズルを振動し難くする。
【０００８】
さらに、初期位置は、ガス供給ノズルの噴射角度によって予め設定されていると好適である。発明者は、レーザ光の被照射部に向けて斜めからアシストガスを噴射する場合に、ガス供給ノズルの噴射角度と溶接深さとの間に相関関係があることを知見した。その知見をもとに、所定の噴射角度を初期位置として設定することで、レーザ強度やレーザ走査速度を変えることなく、所望の溶接深さを実現できる。
【０００９】
さらに、ノズルアクチュエータは、ガス供給ノズルの管軸線に直交する回転軸線を中心にしてガス供給ノズルを回転自在に支持すると共に、ガス供給ノズルの噴射角度を変更するためにガス供給ノズルを回転させ、アクチュエータ制御部は、初期位置の状態に戻すために、ガス供給ノズルを回転させる駆動信号を出力すると好適である。初期位置がガス供給ノズルの噴射角度によって予め設定されている場合に、ガス供給ノズルの回転によって噴射角度を変更できるため、所望の溶接深さに応じた初期位置の設定変更や、溶接異常と判断された時における初期位置への復帰が容易である。
【００１０】
また、初期位置は、ガス供給ノズルの前後左右位置によって予め設定されていると好適である。レーザ光の走査に伴ってガス供給ノズルが初期位置の状態から前後または左右にズレた場合、前後左右の動作によってガス供給ノズルを初期位置の状態に戻すような制御が行われる。
【００１１】
さらに、ガス供給ノズルの管軸線と被溶接体との交点を撮像する撮像素子と、初期位置のガス供給ノズルの管軸線と被溶接体との基準交点から撮像素子によって撮像された交点までの変位を求める変位演算部と、を更に備え、ノズルアクチュエータは、ガス供給ノズルを前後左右に移動自在に支持すると共に、ガス供給ノズルを平行移動させ、アクチュエータ制御部は、初期位置の状態に戻すために、変位演算部によって求められた変位を戻す補正量だけガス供給ノズルを平行移動させる駆動信号を出力すると好適である。ガス供給ノズルの管軸線と被溶接体との交点は、被溶接体上において実際にアシストガスが噴射される位置である。そして、溶接異常と判断されたときにのみ、このレーザ溶接装置では、基準交点に向けてアシストガスが噴射される状態にガス供給ノズルが戻り、溶接異常が解消する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガス供給ノズルの位置ズレを確実に防止しつつ、アシストガスによる溶接異常を起き難くする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。
【００１４】
[第１の実施の形態]
（レーザ溶接装置）
図１〜図３に示すように、レーザ溶接装置１は、溶接用熱源としてＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザを用いる溶接装置である。レーザ溶接装置１は、被溶接体としてのステンレス製の板材Ｗに向けてレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド２と、レーザ光Ｌの焦点近傍の被照射部Ｓに向けて斜めからアシストガス（通称「シールドガス」、「加工ガス」ともいう）Ｇを噴射するガス供給ノズル３とを備える。レーザヘッド２及びガス供給ノズル３は、二枚の板材Ｗが重なる箇所における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。なお、以下の説明において、レーザヘッド２の進行方向を基準にして前方と後方及び左方と右方を説明し、レーザ光Ｌの照射方向を下方、その逆を上方として説明する
【００１５】
レーザヘッド２は、ケース２ａ内にレーザ発振部２ｂを備える。ＹＡＧレーザは、光励起型の個体レーザであり、レーザ発振部２ｂは、発振波長が１．０６μｍのレーザ光Ｌを出射する。レーザ光Ｌの光軸ＬＳ上には、光学ガラス製の集光レンズ２ｃが配置され、集光レンズ２ｃを透過したレーザ光Ｌは、極めて小さな点に集光される。
【００１６】
さらに、ケース２ａ内には反射鏡２ｄ（図３参照）が設けられており、反射鏡２ｄの近傍には、フォトセンサユニット４が設けられている。フォトセンサユニット４は、レーザ光の照射によって板材Ｗの表面で発生するプラズマとプルームとの光強度を検出する第１のフォトセンサ（溶接状態検出部）４ａと、板材Ｗの表面で反射するレーザ光Ｌの光強度を検出する第２のフォトセンサ（溶接状態検出部）４ｂと、レーザ光Ｌの照射によって生じる溶融池Ｍの温度を検出する第３のフォトセンサ（溶接状態検出部）４ｃとを備えている。
【００１７】
第１フォトセンサ４ａは、レーザ光Ｌの波長を除く、約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光を検出する。そして、第１フォトセンサ４ａは、プラズマの光強度に対応する出力信号と、プルームの光強度に対応する出力信号とをそれぞれ出力する。なお、プラズマの光強度に対応する出力信号と、プルームの光強度に対応する出力信号とは、双方を併せて出力してもよく、バンドパスフィルタなどによって、分離して出力してもよい。第１フォトセンサ４ａからの出力信号は、後に詳述する主制御処理部１８のＣＰＵ１４に入力される。
【００１８】
第２フォトセンサ４ｂはレーザ光Ｌと同波長の光の強度に対応する出力信号を出力し、第３フォトセンサ４ｃはレーザ光Ｌの波長を除く赤外線領域の光の光強度に対応する出力信号を出力する。これらの各出力信号は、後に詳述する主制御処理部１８のＣＰＵ１４に入力される。
【００１９】
第１フォトセンサ４ａで検出される約３００ｎｍ〜約８００ｎｍの波長の光の強度、第２フォトセンサ４ｂで検出されるレーザ光Ｌと同波長の光の強度及び第３フォトセンサ４ｃで検出される赤外線領域の光強度は、レーザ光Ｌの被照射部Ｓに生じる溶融池Ｍの状態に応じて変化する物理量であり、これらの物理量は被照射部Ｓの溶融状態を示している。
【００２０】
レーザヘッド２のケース２ａには、後方側に突き出したブラケット２ｅが設けられている。ブラケット２ｅの先端には、下方側に突き出たロッド６ａが固定されており、ロッド６ａの下端には、Ｕ字状のノズルブラケット６ｂが設けられている。
【００２１】
図２に示すように、ノズルブラケット６ｂには、ガス供給ノズル３を挟むようにして左右一対の側壁６ｃ，６ｄが設けられ、各側壁６ｃ，６ｄには軸受け６ｅ，６ｆが組込まれており、一対の軸受け６ｅ，６ｆには、ガス供給ノズル３から突出している一対の軸部３ａ，３ｂが支持される。軸部３ａ，３ｂは、ガス供給ノズル３の基端３ｃの近傍に設けられると共に、レーザ光Ｌの光軸ＬＳを含む平面ＰＬに対して直交して延在する。ガス供給ノズル３の管軸線ＮＳは、光軸ＬＳを含む平面ＰＬ上に位置し、ガス供給ノズル３は、回転軸線Ｃを中心に回転自在である。
【００２２】
ノズルブラケット６ｂの一方の側壁６ｄには、傾動用サーボモータ（ノズルアクチュエータ）８が固定されている。サーボモータ８のシャフトは、減速ギヤを介して一方の軸部３ｂに連結されている。軸部３ａ，３ｂはサーボモータ８の駆動によって回転し、軸部３ａ，３ｂの回転によってガス供給ノズル３は傾動する。
【００２３】
傾動用サーボモータ８には、噴射角度検出部としての、アブソリュート型のロータリーエンコーダ１１が取り付けられている。ロータリーエンコーダ１１は、軸部３ｂの回転角度に応じて絶対的な２進コード情報を出力することで、軸部３ｂの回転角度を検出する。アブソリュート型のロータリーエンコーダ１１を採用することで、電源を切って、再度通電しても直ちに軸部３ｂの回転角度を取得できる。ロータリーエンコーダ１１は、検出した回転角度に対応した噴出角度信号を出力し、その噴出角度信号は後に詳述する主制御処理部１８のＣＰＵ１４に入力される。
【００２４】
ガス供給ノズル３は、閉塞された基端３ｃと、開放された先端３ｄとを有する。さらに、ガス供給ノズル３の周壁には、ガス供給ノズル３内に連通する管継ぎ手部３ｅが設けられ、管継ぎ手部３ｅには、アシストガスＧを供給するためのホース３ｆが固定されている。アシストガスＧは、不活性ガスとしてのアルゴンと活性ガスとしての酸素との混合ガスであり、酸素は１０％程度の容量パーセント濃度になっている。圧縮されたアシストガスＧは、ホース３ｆを介してガス供給ノズル３内に供給され、ガス供給ノズル３の先端３ｄから噴射される。
【００２５】
ガス供給ノズル３は、軸部３ａ，３ｂを支点にして回転軸線Ｃ回りに傾動し、レーザ光Ｌの光軸ＬＳに対するガス供給ノズル３の噴射角度α（図３参照）が小さいと、ガス供給ノズル３の管軸線ＮＳは鉛直に近づき、噴射角度αが大きいと、ガス供給ノズル３の管軸線ＮＳは水平に近づく。なお、噴射角度αと溶接深さとの間には、噴射角度αが小さいと溶接深さが深くなり、大きいと浅くなるという一定の相関関係がある。レーザ溶接を行う際には、所望の溶接深さを実現するために、ガス供給ノズル３の初期位置として、噴射角度αを例えば３０°や６０°に予め設定する。
【００２６】
レーザヘッド２の上端部には、支柱部２ｆを介してマニピュレータ１２の可動アーム部１２ａが固定されている。マニピュレータ１２は、可動アーム部１２ａを移動させ、可動アーム部１２ａによってレーザヘッド２は移動する。レーザヘッド２は、溶接台１３上の二枚の板材Ｗが重なる箇所における直線状の接合予定線ＳＳに向けてレーザ光Ｌを照射し、マニピュレータ１２の動作によって溶接台１３上で直線的に移動する。このレーザヘッド２の移動に伴い、レーザ光Ｌの被照射部Ｓは、接合予定線ＳＳに沿って走査される。レーザ光Ｌの被照射部Ｓには溶融池Ｍが生じ、被照射部Ｓが通過した後には、レーザ溶接部ＬＪが形成される。
【００２７】
図３に示すように、レーザ溶接装置１は、バスを介して接続されたＣＰＵ１４、ＲＯＭ１６及びＲＡＭ１７等によって構成される主制御処理部１８を有する。ＣＰＵ１４は、マニピュレータ１２、レーザ発振部２ｂ、傾動用サーボモータ８及びロータリーエンコーダ１１に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。
【００２８】
ＣＰＵ１４は、レーザ溶接装置１全体の動作制御を行い、特に、レーザ光Ｌの照射強度及びレーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部１４ａと、フォトセンサユニット４からの出力信号に基づいて溶接異常の有無を判断する溶接異常判断部１４ｂと、ロータリーエンコーダ１１からの出力信号に基づいて、ガス供給ノズル３の初期位置からの回転角変位を求める変位演算部１４ｃと、回転角変位を戻すようにガス供給ノズル３を傾動させる駆動信号を傾動用サーボモータ８に出力するアクチュエータ制御部１４ｄとを有する。なお、ＣＰＵ１４は、ガス供給ノズル３に供給されるアシストガスＧの流路を開閉する制御弁（図示省略）にも信号送受信可能に接続されており、制御弁に対する開閉信号をも出力する。
【００２９】
レーザ走査制御部１４ａは、レーザ発振部２ｂに対してレーザ光Ｌの照射強度を設定する照射強度設定信号及びレーザ光Ｌの照射開始と停止に関するＯＮ／ＯＦＦ信号を出力し、さらに、マニピュレータ１２に対してレーザ走査速度を設定する速度設定信号、レーザ走査開始信号及びレーザ走査停止信号を出力する。
【００３０】
溶接異常判断部１４ｂは、アシストガスＧに起因した溶接異常の有無を判断する。レーザ走査制御部１４ａからレーザ走査開始信号が出力されると、溶接異常判断部１４ｂは、フォトセンサユニット４からの３種類の出力信号の取得を開始し、各出力信号の時間軸に対する波形パターンを生成する。
【００３１】
図６は、第１フォトセンサ４ａ及び第３フォトセンサ４ｃからの出力信号の波形パターンの一例を示す図である。同図においては、横軸は時間、縦軸は出力信号の強度となっている。図６に示す例では、プラズマとプルームとの光強度の波形パターンＰ１及び溶融池温度の波形パターンＰ２は、例えばデータ点１００点毎の移動平均値をとることによってそれぞれスムージング処理が施されている。溶接異常判断部１４ｂは、波形パターンＰ１，Ｐ２を監視し、プラズマとプルームとの光強度及び溶融池Ｍの温度がいずれも正常値の２倍を超えた場合に、アシストガスに起因した「溶接異常有り」と判断する。
【００３２】
図７は、第２フォトセンサ４ｂからの出力信号の波形パターンの一例を示す図である。同図においては、横軸は時間、縦軸は出力信号の強度となっている。図７に示す例では、反射光強度の波形パターンＰ３は、例えばデータ点５０点毎の移動平均値をとることによってスムージング処理が施されている。波形パターンＰ３の閾値を定めるため、予め反射光強度の上限測定値の波形パターンＰ４及び下限測定値の波形パターンＰ５が測定されており、波形パターンＰ４の最小値及び波形パターンＰ５の最大値が、反射光強度の波形パターンＰ３の上限閾値Ｌ１及び下限閾値Ｌ２としてそれぞれ設定されている。波形パターンＰ３が上限閾値Ｌ１を超える場合、照射位置におけるレーザ光Ｌのロスが大きく、溶け込み量が不十分になっていることが考えられ、波形パターンＰ３が下限閾値Ｌ２を下回る場合、レーザ光Ｌのロスが小さすぎ、溶け込み量が過剰になっていることが考えられる。溶接異常判断部１４ｂは、波形パターンＰ３を監視し、反射光強度が予め設定した下限閾値Ｌ２を下回った場合又は上限閾値Ｌ１を超えた場合に、アシストガスＧに起因した「溶接異常有り」と判断する。
【００３３】
変位演算部１４ｃは、ロータリーエンコーダ１１からＣＰＵ１４に入力された噴射角度信号に基づいて、初期位置からの回転量と初期位置からズレた回転方向とを回転角変位として求める。さらに、変位演算部１４ｃは、回転角変位を戻すための回転量及び逆回転方向を補正値として求める。
【００３４】
アクチュエータ制御部１４ｄは、ガス供給ノズル３を初期位置に戻すために、変位演算部１４ｃで求められた補正値に対応する駆動信号を出力し、傾動用サーボモータ８に入力してガス供給ノズル３を傾動させる。
【００３５】
ＣＰＵ１４には、操作部としてのタッチパネル１９が信号送受信可能に接続されている。タッチパネル１９の液晶画面上には、ガス供給ノズル３の初期位置、レーザ溶接の初期条件、レーザ溶接の開始などを指示するためタッチ部が表示されている。タッチパネル１９は、液晶画面上における作業者の指が触れた位置を検出し、その位置情報に基づく初期設定信号を出力する。ＣＰＵ１４には、タッチパネル１９から出力された初期設定信号が入力され、ＣＰＵ１４は、初期設定信号に応じた制御を実行するために、レーザヘッド２、マニピュレータ１２、傾動用サーボモータ８に対して各種信号を出力する。
【００３６】
（レーザ溶接方法）
レーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法について説明する。図１に示すように、レーザ溶接を実行する際には、レーザヘッド２から照射されるレーザ光Ｌの被照射部Ｓを板材Ｗの接合予定線ＳＳに合わせ、その被照射部Ｓを、接合予定線ＳＳに沿って所定の速度で移動させることでレーザ走査を行う。また、レーザ走査と共に、レーザ光Ｌの被照射部Ｓに向けてガス供給ノズル３からアシストガスＧを噴射させ、被照射部Ｓの周囲に一定の雰囲気を作り出す。一定の雰囲気が形成されることにより、被照射部Ｓでの溶接状態は一定に保たれ、溶接精度が向上する。特に、アシストガスＧが酸素を含有している場合、被照射部Ｓにおける板材Ｗの溶融部分には、酸化物膜が形成される。酸化物膜の形成によってレーザ光Ｌが吸収され易くなり、被照射部Ｓにおける溶接深さを深くし易くなる。このように、レーザ光ＬとアシストガスＧとの協働により、板材Ｗに対するレーザ溶接が行われる。
【００３７】
また、本発明に係る発明者は、レーザ光Ｌの光軸ＬＳに対するガス供給ノズル３の噴射角度α（図３参照）が小さければ溶接深さが深くなり、大きければ浅くなるという相関関係を知見した。この知見に基づき、初期設定においてガス供給ノズルの噴射角度αを予め設定することにより、所望の溶接深さを実現できる。
【００３８】
続いて、図４及び図５を参照してレーザ溶接の開始から終了までの手順を説明する。図４はレーザ溶接の動作手順を示すフローチャートであり、図５はノズル制御の動作手順を示すフローチャートである。なお、図４及び図５では、ステップを「Ｓ」と記載している。
【００３９】
まず、作業者によるタッチパネル１９（図３参照）の操作に応じた初期設定（Ｓ１）が行われる。初期設定では、初期位置であるガス供給ノズル３の噴射角度αとしての初期値「α０」、レーザ光Ｌの照射強度及びレーザ走査速度に対応する初期設定信号がタッチパネル１９から出力され、ＣＰＵ１４に入力される。ＣＰＵ１４のアクチュエータ制御部１４ｂは、初期設定信号に基づいて、傾動用サーボモータ８に初期駆動信号を出力する。すると、傾動用サーボモータ８が作動し、ガス供給ノズル３を初期位置としての噴射角度「α０」まで可動させる。傾動用サーボモータ８は、初期位置でガス供給ノズル３の傾動を停止させ、その位置でガス供給ノズル３を保持する。
【００４０】
その後、ＣＰＵ１４は、ガス供給ノズル３からアシストガスＧを噴射させるために、制御弁（図示省略）に開信号を出力する（Ｓ２）。制御弁は、開信号が入力されるとアシストガスＧの流路を開放し、ガス供給ノズル３からアシストガスＧを噴射させる。
【００４１】
さらに、ＣＰＵ１４のレーザ走査制御部１４ａは、初期設定信号に基づいて、レーザ光Ｌの照射強度を設定する照射強度設定信号及びレーザ光Ｌの照射を開始させるＯＮ信号をレーザ発振部２ｂに対して出力する（Ｓ３）。さらに、レーザ走査速度を設定する速度設定信号及びレーザ走査開始信号をマニピュレータ１２に対して出力する（Ｓ３）。レーザヘッド２のレーザ発振部２ｂは、照射強度設定信号及びＯＮ信号が入力されると、照射強度設定信号に応じた照射強度でレーザ光Ｌの照射を行う。さらに、マニピュレータ１２は、速度設定信号及びレーザ走査開始信号が入力されると、速度設定信号に基づく定速度で、レーザ走査を開始する。
【００４２】
レーザ走査の開始後、ガス供給ノズル３の噴射角度αの初期位置からのズレを補正するノズル制御（Ｓ４）が実行され、溶接完了（Ｓ５）するまで上記のステップ２〜ステップ４までの処理が繰り返し実行される。ＣＰＵ１４は、被照射部Ｓが板材Ｗの接合予定線ＳＳの終点に達したか否かによって、溶接完了か否かを判断する。そして、溶接完了の場合には、レーザ光Ｌの照射、レーザ走査及びアシストガスの噴射を停止させる。
【００４３】
続いて、図５を参照してノズル制御を詳しく説明する。レーザ溶接が行われている間、フォトセンサユニット４では溶融状態の検出が行われ（Ｓ１１）、ＣＰＵ１４には、フォトセンサユニット４から光の強度に対応した出力信号が入力されている。ＣＰＵ１４の溶接異常判断部１４ｂは、フォトセンサユニット４からの出力信号に基づいて、アシストガスＧによる溶接異常の有無を判断する（Ｓ１２）。
【００４４】
変位演算部１４ｃは、溶接異常判断部１４ｂにおいて溶接異常有りと判断された場合にのみ、ガス供給ノズル３の初期位置からの回転角変位を演算する（Ｓ１３）。変位演算部１４ｃは、ロータリーエンコーダ１１からＣＰＵ１４に入力された噴射角度信号に基づいて測定噴射角度α１を取得し、初期位置からの回転量「α１−α０」と初期位置からズレた回転方向とを回転角変位として求める。さらに、変位演算部１４ｃは、回転角変位を戻すための回転量及び逆回転方向を補正値として求める。
【００４５】
アクチュエータ制御部１４ｄは、変位演算部１４ｃによって補正値が求められると、ガス供給ノズル３を初期位置の状態に戻すために、補正値に対応した駆動信号を出力し、傾動用サーボモータ８に入力する（Ｓ１４）。傾動用サーボモータ８は、駆動信号に基づいて駆動し、ガス供給ノズル３を傾動させて初期位置の状態に戻す。その結果として、アシストガスＧに起因した溶接異常が解消される。
【００４６】
レーザ溶接装置１によれば、被照射部Ｓの溶融状態を示す物理量の変化に基づいて、アシストガスＧに起因した溶接異常の有無が判断される。そして、レーザ溶接装置１は、溶接異常有りと判断する場合にのみ、ガス供給ノズル３を予め設定された初期位置の状態に戻し、溶接異常有りと判断しない場合には、ガス供給ノズル３が初期位置の状態からズレていたとしても初期位置の状態には戻さない。その結果として、フィードバック制御によって初期位置からの偏差を無くすようにガス供給ノズルを移動させる従来のレーザ溶接装置に比較して発散系の制御になり難く、ガス供給ノズル３を振動し難くする。したがって、ガス供給ノズル３の位置ズレを確実に防止しつつ、アシストガスＧによる溶接異常を起き難くする。
【００４７】
さらに、所定の噴射角度αを初期位置として設定できるため、レーザ強度やレーザ走査速度の変更ができなくても溶接深さを変更でき、所望の溶接深さを実現するための初期設定が可能となる。さらに、ガス供給ノズル３の回転によって噴射角度αを変更できるため、所望の溶接深さに応じた初期位置の設定変更や、溶接異常と判断された時における初期位置への復帰が容易である。
【００４８】
［第２の実施の形態］
図８及び図９を参照し、本発明に係るレーザ溶接装置の第２実施形態について説明する。第２実施形態では、溶接異常判断部で実行される溶接異常の有無の判断方法が、第１実施形態とは異なる。以下の説明において第１実施形態との相違点を中心にして説明し、同様の構成については同一の符号を記す。
【００４９】
図８は、プラズマ／プルームの光強度の基準波形パターンＰ１０の一例を示す。図８では、横軸はレーザ走査の開始から終了までの時間を示し、縦軸は出力信号の強度を示している。基準波形パターンＰ１０は、例えば、ガス供給ノズル３の噴射角度の変更制御を行うことなく、一定に保った状態で試行的なレーザ走査を行った結果、レーザ溶接が正常に完了した場合の出力信号に基づく波形パターンである。基準波形パターンＰ１０に含まれる各出力値を標準偏差σに基づいて正規化し、標準偏差σを２倍することによって基準正規化値「＋２σ」が求められる。溶接異常判断部１４ｂは、溶接異常の有無の判断において基準正規化値「＋２σ」を利用する。図９は、レーザ溶接中において、所定のサンプリング時間内に測定されたプラズマ／プルームの光強度の測定波形パターンＰ１１と基準正規化値「＋２σ」とをプロットした図である。図９では、横軸は時間、縦軸は出力信号の強度を示している。溶接異常判断部１４ｂは、測定波形パターンＰ１１が基準正規化値「＋２σ」を超えた回数を積算し、積算回数が予め設定された所定回数（例えば３回）を超えている場合に、アシストガスに起因した溶接異常であると判断する。溶接異常判断部１４ｂは定期的に測定波形パターンＰ１１を取得して監視しており、図９に示すように、例えば、所定のサンプリング時間内における測定波形パターンＰ１１の積算回数が４回となった場合には「溶接異常有り」と判断する。
【００５０】
［第３の実施の形態］
（レーザ溶接装置）
本発明に係るレーザ溶接装置の第３実施形態について、第１実施形態との相違点を中心にして説明する。なお、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、同様の内容については詳細な説明を省略する。また、前後左右方向及び上下方向については第１実施形態の説明と同様である。
【００５１】
図１０〜図１２に示すように、レーザ溶接装置５０は、第１実施形態に係るレーザ溶接装置１と同様に、溶接用熱源としてＹＡＧレーザを用いる溶接装置であり、被溶接体としてのステンレス製の板材Ｗに向けてレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド５２と、レーザ光Ｌの焦点近傍の被照射部Ｓに向けて斜めからアシストガスＧを噴射するガス供給ノズル５３とを備える。レーザヘッド５２及びガス供給ノズル５３は、二枚の板材Ｗが重なる箇所における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。
【００５２】
レーザヘッド５２は、第１実施形態に係るレーザ溶接装置１と同様に、レーザ発振部５２ｂ、集光レンズ５２ｃ及びフォトセンサユニット５４を備える。フォトセンサユニット５４は、レーザ光Ｌの照射によって板材Ｗの表面で発生するプラズマとプルームとの光強度を検出する第１のフォトセンサ（溶接状態検出部）５４ａと、板材Ｗの表面で反射するレーザ光の光強度を検出する第２のフォトセンサ（溶接状態検出部）５４ｂと、レーザ光Ｌの照射によって生じる溶融池Ｍの温度を検出する第３のフォトセンサ（溶接状態検出部）５４ｃとを備えている。
【００５３】
レーザヘッド５２のケース５２ａには、レーザヘッド２の進行方向に対して後方側に突き出したブラケット５２ｅが設けられており、ブラケット５２ｅには、第１リニアアクチュエータ５５が取り付けられている。第１リニアアクチュエータ５５は、サーボモータとサーボモータの出力軸に形成されたボールねじとを有し、ボールねじの回転により、ブラケット５２ｅに対して左右に直線移動する。第１リニアアクチュエータ５５には、第２リニアアクチュエータ５６が取り付けられている。第２リニアアクチュエータ５６も第１リニアアクチュエータ５５と同様のサーボモータ及びボールねじを有し、ボールねじの回転により、第１リニアアクチュエータ５５に対して前後に直線移動する。第２リニアアクチュエータ５６の端部５６ａには、下方に突き出したロッド５６ｂが設けられている。第１及び第２リニアアクチュエータ５５，５６によってノズルアクチュエータ５９が構成される。
【００５４】
ロッド５６ｂの先端には、Ｕ字状のノズルブラケット５６ｃが設けられている。ノズルブラケット５６ｃには、ガス供給ノズル５３を挟むようにして左右一対の側壁５６ｄ，５６ｅが設けられ、各側壁５６ｄ，５６ｅにはスリットＳＬが形成されている。一対のスリットＳＬ内には、ガス供給ノズル５３から水平方向に突き出ている一対のねじ部５３ａ，５３ｂが挿し込まれている。ねじ部５３ａ，５３ｂは、ガス供給ノズル５３の後端５３ｅの近傍に設けられると共に、ガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳに対して直交して延在する。ねじ部５３ａ，５３ｂの先端部分には、各側壁５６ｄ，５６ｅから突出した状態でナット５３ｃ，５３ｄが螺合する。ガス供給ノズル５３は、ナット５３ｃ，５３ｄの締め付けにより、光軸ＬＳに対して管軸線ＮＳが傾いた状態でノズルブラケット５５ｃに固定されている。
【００５５】
ガス供給ノズル５３の後端５３ｅ近傍の周壁には、アシストガスＧを供給するためのホース５３ｈが管継ぎ手部５３ｇを介して固定されている。圧縮されたアシストガスＧは、ホース５３ｈを介してガス供給ノズル５３内に供給され、ガス供給ノズル５３の先端５３ｆから、溶融池Ｍに向けて噴射される。
【００５６】
ガス供給ノズル５３の後端５３ｅには、ＣＣＤカメラ（撮像素子）５７が固定されている。ＣＣＤカメラ５７は、光量に応じて蓄積された電荷を、時系列に沿って順番に出力する電子結合素子を備えたカメラである。ＣＣＤカメラ５７の視野は、ガス供給ノズル５３の内部を通して認識される範囲であり、ＣＣＤカメラ５７の光軸とガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳとは一致している。ＣＣＤカメラ５７は、１サンプリング周期ごとの２次元画像データを出力信号として出力する。この２次元画像データは、輝度が所定数の階調からなる複数行、複数列の出力画素数によって決定される。ＣＣＤカメラ５７によって、管軸線ＮＳと板材Ｗとの交点を含む所定範囲が撮像される。
【００５７】
さらに、ＣＣＤカメラ５７のレンズには、ＮＤフィルタ（図示省略）が取り付けられている。ＮＤフィルタを取り付けることによって、高温になっている溶融池Ｍからの入射光量が抑えられ、ＣＣＤカメラ５７は、溶融池Ｍの光の強度に関する情報を正確に撮像できる。
【００５８】
ガス供給ノズル５３は、ノズルアクチュエータ５９によって前後左右に移動自在に支持されており、ノズルアクチュエータ５９の駆動によって前後左右に平行移動する。ガス供給ノズル３は、レーザ光Ｌの被照射部Ｓを基準にした前後左右位置によっての初期位置が予め設定される。
【００５９】
レーザヘッド５２は、溶接台１３上の二枚の板材Ｗが重なる箇所における直線状の接合予定線ＳＳに向けてレーザ光Ｌを照射し、マニピュレータ６２の作動によって溶接台１３上で直線的に移動する。このレーザヘッド２の移動に伴い、レーザ光Ｌの被照射部Ｓは、接合予定線ＳＳに沿って走査される。レーザ光Ｌの被照射部Ｓには溶融池Ｍが生じ、被照射部Ｓが通過した後には、レーザ溶接部ＬＪが形成される。
【００６０】
図１２に示すように、レーザ溶接装置５０は、バスを介して接続されたＣＰＵ６４、ＲＯＭ６６及びＲＡＭ６７等によって構成される主制御処理部６８を有する。ＣＰＵ６４は、マニピュレータ６２、レーザ発振部６２ｂ、第１及び第２リニアアクチュエータ５５，５６の各サーボモータ及びＣＣＤカメラ５７に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。
【００６１】
ＣＰＵ６４は、レーザ溶接装置５０全体の動作制御を行い、特に、レーザ光Ｌの照射強度及びレーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部６４ａと、フォトセンサユニット４からの出力信号に基づいて溶接異常の有無を判断する溶接異常判断部６４ｂとを備える。さらに、ＣＰＵ６４は、ＣＣＤカメラ５７からの出力信号に基づいてガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの交点（以下「測定交点」という）Ｘ１を特定し、初期位置のガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの基準交点Ｘ２から測定交点Ｘ１までの交点変位を求める変位演算部６４ｃと、交点変位を戻すようにガス供給ノズル３を平行移動させる駆動信号をノズルアクチュエータ５９に出力するアクチュエータ制御部６４ｄとを有する。なお、ＣＰＵ６４は、ガス供給ノズル５３に供給されるアシストガスＧの流路を開閉する制御弁（図示省略）及び操作部としてのタッチパネル６９にも信号送受信可能に接続されている。
【００６２】
レーザ走査制御部６４ａ及び溶接異常判断部６４ｂは、第１実施形態または第２実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【００６３】
変位演算部６４ｃは、ＣＣＤカメラ５７からＣＰＵ６４に入力された２次元画像データに係る出力信号に基づいて、ガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの測定交点Ｘ１（図１４〜図１６参照）を特定する。さらに、変位演算部６４ｃは、初期位置のガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの基準交点Ｘ２と測定交点Ｘ１との概略距離ｄ１及びズレた方向を交点変位として求める。さらに、変位演算部６４ｃは、交点変位ｄ１を戻すための前後左右方向への移動量ｄ２及び移動方向を補正値として求める。なお、概略距離ｄ１は、ＣＣＤカメラ５７で撮像された２次元画像上の測定交点Ｘ１と基準交点Ｘ２との間の距離であり、移動量ｄ２は、ガス供給ノズル５３の傾きを考慮すると共に、概略距離ｄ１を無くすためにガス供給ノズル５３を前後左右方法に平行移動させる距離である。
【００６４】
アクチュエータ制御部６４ｂは、ガス供給ノズル５３を初期位置の状態に戻すために、変位演算部６４ｃで求められた補正値に対応する駆動信号を出力し、ノズルアクチュエータ５９に入力してガス供給ノズル５３を平行移動させる。
【００６５】
（レーザ溶接方法）
第３実施形態に係るレーザ溶接装置５０を用いたレーザ溶接方法は、第１実施形態に係るレーザ溶接装置１を用いたレーザ溶接方法に比べて、ノズル制御が異なる。以下の説明では、図１２〜図１７を参照し、ノズル制御を中心に説明する。
【００６６】
まず、作業者によるタッチパネル６９の操作に応じた初期設定（Ｓ２１）が行われる。初期設定では、ガス供給ノズル３の初期位置としての前後左右位置、レーザ光Ｌの強度及びレーザ走査速度に対応する初期設定信号がタッチパネル６９から出力され、ＣＰＵ６４に入力される。ＣＰＵ６４のアクチュエータ制御部６４ｂは、初期設定信号に基づいて、ノズルアクチュエータ５９に初期駆動信号を出力する。すると、ノズルアクチュエータ５９が作動し、ガス供給ノズル３を初期位置まで平行移動させ、初期位置でガス供給ノズル５３を保持する（図１３参照）。なお、アシストガスＧは溶融池Ｍの温度が最も高い箇所に噴射されるのが好ましい。そして、溶融池Ｍの温度は、レーザ光Ｌの被照射部Ｓよりも若干後側で最も高くなる。したがって、初期位置のガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの基準交点Ｘ２は、被照射部Ｓよりも後側にずれた位置に設定される（図１４参照）。
【００６７】
その後、アシストガスＧの噴射、レーザ光Ｌの照射及びレーザ走査が開始され、ガス供給ノズル５３の初期位置からのズレを補正するノズル制御（Ｓ４）が実行される。図１７に示すように、レーザ溶接が行われている間、フォトセンサユニット６４では溶融状態の検出が行われ（Ｓ２１）、ＣＰＵ６４には、フォトセンサユニット６４から光の強度に対応した出力信号が入力されている。ＣＰＵ６４の溶接異常判断部６４ｂは、フォトセンサユニット６４からの出力信号に基づいて、アシストガスＧによる溶接異常の有無を判断する（Ｓ２２）。なお、溶接異常判断部６４ｂによる溶接異常の有無の判断方法は、第１実施形態または第２実施形態と同様である。
【００６８】
変位演算部６４ｃは、溶接異常判断部６４ｂにおいて「溶接異常有り」と判断された場合にのみ、測定交点Ｘ１を特定（Ｓ２３）し、初期位置のガス供給ノズル３の基準交点Ｘ２から測定交点Ｘ１までの交点変位を演算する（Ｓ２４）。変位演算部６４ｃは、ＣＣＤカメラ５７からＣＰＵ６４に入力された出力信号に基づいて基準交点Ｘ２と測定交点Ｘ１との間の概略距離ｄ１（図１４〜図１６参照）及びズレた方向を交点変位として求める。さらに、変位演算部１４ｃは、交点変位を戻すための移動量ｄ２及び移動方向を補正値として求める。
【００６９】
アクチュエータ制御部６４ｄは、変位演算部６４ｃによって補正値が求められると、ガス供給ノズル５３を初期位置の状態に戻すために、補正値に対応した駆動信号を出力し、ノズルアクチュエータ５９に入力する。ノズルアクチュエータ５９は、駆動信号に基づいて駆動し、ガス供給ノズル５３を平行移動させて初期位置の状態に戻す。その結果として、アシストガスＧに起因した溶接異常が解消される。
【００７０】
レーザ溶接装置５０によれば、被照射部Ｓの溶融状態を示す物理量の変化に基づいて、アシストガスＧに起因した溶接異常の有無が判断される。そして、レーザ溶接装置５０は、「溶接異常有り」と判断する場合にのみ、ガス供給ノズル５３を予め設定された初期位置の状態に戻し、「溶接異常有り」と判断しない場合には、ガス供給ノズル５３が初期位置の状態からズレていたとしても初期位置の状態には戻さない。その結果として、フィードバック制御によって初期位置からの偏差を無くすようにガス供給ノズルを移動させる従来のレーザ溶接装置に比較して発散系の制御になり難く、ガス供給ノズル５３を振動し難くする。したがって、ガス供給ノズル５３の位置ズレを確実に防止しつつ、アシストガスＧによる溶接異常を起き難くする。
【００７１】
さらに、被照射部Ｓを基準にした前後左右位置によってガス供給ノズル５３の初期位置を設定でき、レーザ光Ｌの走査に伴ってガス供給ノズル５３が初期位置の状態から前後または左右にズレた場合、前後左右の動作によってガス供給ノズル５３を初期位置の状態に戻すような制御が行われる。
【００７２】
さらに、ガス供給ノズル５３の管軸線ＮＳと板材Ｗとの交点は、板材Ｗ上において実際にアシストガスＧが噴射される位置である。そして、溶接異常と判断されたときにのみ、このレーザ溶接装置５０では、基準交点Ｘ２に向けてアシストガスＧが噴射される状態にガス供給ノズル５３が戻り、溶接異常が解消する。
【００７３】
本発明は、上記の各実施形態に限定されず、例えば、溶接用熱源として半導体レーザ、ＣＯ２レーザ等を用いても良い。また、溶接状態検出部としてのフォトセンサは、レーザ光の照射によって被溶接体の表面で発生するプラズマとプルームとの光強度を検出するフォトセンサ、板材の表面で反射するレーザ光の光強度を検出するフォトセンサ及びレーザ光の照射によって生じる溶融池の温度を検出するフォトセンサのいずれか二つを組み合わせて利用したり、単独で利用したりしてもよい。さらに、ガス供給ノズルの噴射角度の変更と前後左右方向への平行移動との両方の移動を可能にし、アシストガスに起因した溶接異常が有る場合に、ガス供給ノズルの噴射角度の変更と前後左右方向への平行移動とを行って初期位置に戻すような制御を行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の第１実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１のII−II線に沿った断面図である。
【図３】レーザ溶接装置のブロック図である。
【図４】レーザ溶接の動作手順を示すフローチャートである。
【図５】ノズル制御の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】プラズマ／プルームの光強度及び溶融池の温度に係る出力信号の波形パターンの一例を示す図である。
【図７】レーザ光の反射光の光強度に係る出力信号の波形パターンの一例を示す図である。
【図８】プラズマ／プルームの光強度に係る出力信号の基準波形パターンの一例を示す図である。
【図９】サンプリング時間内におけるプラズマ／プルームの光強度に係る出力信号の測定波形パターンと基準正規化値とを示す図である。
【図１０】本発明に係るレーザ溶接装置の第３実施形態を示す斜視図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ線に沿った断面図である。
【図１２】第３実施形態のブロック図である。
【図１３】初期位置を設定する状態を示すレーザ溶接装置の斜視図である。
【図１４】ＣＣＤカメラで撮像された溶融池の２次元画像であり、交点変位が無い場合を示す図である。
【図１５】ＣＣＤカメラで撮像された溶融池の２次元画像であり、交点変位が有る場合を示す図である。
【図１６】ガス供給ノズルの先端及び溶融池の拡大断面図である。
【図１７】ノズル制御の他の例を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７５】
１，５０…レーザ溶接装置、２，５２…レーザヘッド、３…ガス供給ノズル、８…傾動サーボモータ（ノズルアクチュエータ）、４ａ，５４ａ…第１フォトセンサ（溶接状態検出部）、４ｂ，５４ｂ…第２フォトセンサ（溶接状態検出部）、４ｃ，５４ｃ…第３フォトセンサ（溶接状態検出部）、１４ｂ，６４ｂ…溶接異常判断部、１４ｃ，６４ｃ…変位演算部、１４ｄ，６４ｄ…アクチュエータ制御部、５７…ＣＣＤカメラ（撮像素子）、α…噴射角度、ＮＳ…ガス供給ノズルの管軸線、Ｘ１…測定交点、Ｘ２…基準交点、Ｃ…回転軸線、Ｌ…レーザ光、Ｓ…被照射部、Ｇ…アシストガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2008087028.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
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