(57)【要約】【課題】  レーザスポット溶接が難しい銅やアルミニウム合金などの金属材料の重ね継手において、穴欠陥をインプロセスで防止または修復することができる方法およびそのための装置を提供する。【解決手段】  レーザヘッド２に溶融部６からの熱放射光の強度を常時検出するセンサ５を設け、コンピュータ１０によって、センサ５の検出信号が表す光強度が所定値以下である状態が所定時間続いたとき、穴欠陥が発生したと判別し、レーザ発生装置１に指令信号を送って、レーザヘッド２から出射されるパルスレーザのピーク出力を増加させ、下板１８からの溶融物で上板１９の穴欠陥を埋めることによって、穴欠陥を修復し、良好な接合を行なう。【選択図】図１
2005246434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属材料にパルスレーザを照射して重ねスポット溶接する過程において、
溶融部からの熱放射光または溶融部からの照射レーザの反射光の強度を常時計測し、計測した光強度の経時変化に基づいて穴欠陥の発生の有無を判別し、穴欠陥が発生あるいは発生する虞があると判別したとき、レーザ照射中に、溶接入熱に関する諸パラメータをフィードバック制御して、接合部を形成することを特徴とするレーザスポット溶接における穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項２】
請求項１に記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記熱放射光について計測した光強度の時間微分係数が負になったとき、穴欠陥の発生の虞があると判別することを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項３】
請求項１に記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記熱放射光について計測した光強度が所定値以下である状態が所定時間続いたとき、穴欠陥が発生したと判別することを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項４】
請求項１に記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記照射レーザの反射光について計測した光強度が、初期低温の固体表面からの反射のためレーザ出力の増加とともに増加し、次いで溶融池の生成とその後のキーホールの発生により減少するが、その後、所定値以上に急増したとき、穴欠陥が発生したと判別することを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、パルスレーザのピーク出力を増加させ、穴欠陥の発生を防ぐことによって行なわれることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、パルスレーザのピーク出力を増加させ、重ね継手の下側の金属材料からの溶融物で上側の金属材料の穴欠陥を埋めることによって行なわれることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、上記金属材料表面におけるレーザ照射径が増加するように焦点はずし距離を変化させ、重ね継手の上下の金属材料を同時に溶融させて、穴欠陥を埋めることによって行われることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、レーザビームのオシレーションによって行なわれることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項９】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、別のレーザ発振器で発生させたパルスレーザを、上記溶融部に照射することによって行われることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項１０】
請求項１乃至４のいずれか１つに記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記フィードバック制御は、上記金属材料からなるワイヤを溶融部近傍に供給し、このワイヤをレーザで溶融させて穴欠陥を埋めることによって行われることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項１１】
請求項６に記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記パルス期間の終期においてレーザ出力を徐々に零まで下げることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項１２】
請求項６に記載の穴欠陥の防止または修復方法において、上記ピーク出力の増加率が、３０％以内であることを特徴とする穴欠陥の防止または修復方法。
【請求項１３】
パルスレーザスポット溶接における穴欠陥を防止または修復する装置であって、
レーザ照射中に溶融部からの熱放射光および溶融部からの照射レーザの反射光の少なくともいずれかの強度を常時計測するモニタ部と、
このモニタ部からの計測信号の経時変化に基づいて、穴欠陥の発生または発生の虞を検知して検知信号を出力する制御部と、
この制御部からの検知信号を受けて、パルスレーザのパルス出力を増加させるレーザ発振器を備えたことを特徴とする穴欠陥の防止または修復装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザスポット溶接における穴欠陥の防止または修復方法およびそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、レーザ溶接に用いられるレーザには、波長が10.6μｍの炭酸ガスレーザや波長が1.064μｍの基本波ＹＡＧ(イットリウムアルミニウムガーネット)レーザがあり、これらのレーザを用いて、炭素鋼やニッケルあるいは銅やアルミニウムなどの金属材料が溶接されている。レーザ溶接が一般的に用いられる炭素鋼やステンレス鋼に比して、銅やアルミニウムは、電気伝導度および熱伝導率が高いうえ、波長が１μｍ以上のレーザに対する吸収率が数％と低いため、溶接部にレーザを吸収させ、蓄熱させることが難しく、接合品質を安定的に維持することが難しい。
【０００３】
これら銅、アルミニウムおよびそれらの合金などの難加工金属のスポット溶接は、ＹＡＧパルスレーザを用いて行なわれているが、同じ加工条件で溶接を行なっても、被加工物の表面状態や表面形状によって、接合できなかったり、穴欠陥が生じたりする。また、レーザの吸収率が低いため、高エネルギ密度のパルスレーザが必要となり、レーザ発振のための電力チャージに通常よりも長時間を要し、溶接タクトも数Ｈzから数十Ｈzと非常に長いものとなる。さらに、熱伝導率が高いため、溶融が急速に進み、上述の被加工物の表面状態や形状にも影響されて、接合部のサイズや溶込み深さを一定に保つことが難しい。この問題は、μｍ領域が加工対象となる電気・電子産業分野でのレーザによるマイクロスポット溶接において、より顕著となる。因みに、μｍ領域の加工において、許容できる接合部のギャップは溶融深さの１０％以内と言われており、数百μｍサイズのスポット溶接をする場合、数十μｍ以内のギャップに抑えないと、健全な接合部が得られない(非特許文献１)。
【非特許文献１】溶接学会  編    「溶接・接合便覧」丸善株式会社  平成１５年２月２５日  pp.492-494
【０００４】
最近、発明者らは、難加工金属である銅について、レーザ溶接過程をモニタリングし、モニタリング結果により溶接欠陥が生じないように溶接条件を制御する手法を、研究・開発した。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、軽量化の要請から自動車や電気・電子機器分野で多用されるに至ったアルミニウム合金にも、上記手法を発展させて、難加工金属のレーザスポット溶接において穴欠陥を防止または修復する方法およびそのための装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明者らは、アルミニウム合金のパルスレーザ溶接現象をインプロセスモニタリングし、穴欠陥発生メカニズムを解明すべく、種々の実験・研究を重ねた結果、本発明を導き出すに至った。
即ち、本発明のレーザスポット溶接における穴欠陥の防止または修復方法は、金属材料にパルスレーザを照射して重ねスポット溶接する過程において、溶融部からの熱放射光または溶融部からの照射レーザの反射光の強度を１パルス期間に亘って連続的に計測し、計測した光強度の経時変化に基づいて穴欠陥の発生の有無を判別し、穴欠陥が発生あるいは発生する虞があると判別したとき、溶接入熱に関する諸パラメータをフィードバック制御して、接合部を形成することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明のパルスレーザスポット溶接における穴欠陥を防止または修復する装置は、レーザ照射中に溶融部からの熱放射光および溶融部からの照射レーザの反射光の少なくともいずれかの強度を１パルス期間に亘って計測するモニタ部と、このモニタ部からの計測信号の経時変化に基づいて、穴欠陥の発生または発生の虞を検知して検知信号を出力する制御部と、この制御部からの検知信号を受けて、パルスレーザのパルス出力を増加させるレーザ発振器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
発明者らの実験・研究によって、重ねスポット溶接すべき金属材料にパルスレーザを照射した場合、穴欠陥が発生すると、溶融部が急減するため、溶融部からの熱放射光が急減する一方、重ね継手の下側の金属材料からの照射レーザの反射光が急増することが明らかになった。
本発明の方法では、この熱放射光または照射レーザの反射光の強度を、常時計測し、例えば本発明の実施形態に記載のように、計測値が急減または急増したとき穴欠陥が発生したと判別し、あるいは熱放射光の計測値の時間微分係数が負になったとき穴欠陥が発生する虞があると判別する。そして、穴欠陥が発生したと判別したとき、レーザ照射中に、溶接入熱に関する諸パラメータをフィードバック制御して、接合部を形成し、あるいは穴欠陥が発生する虞があると判別したとき、レーザ照射中に、パルスレーザのピーク出力を増加させ、穴欠陥の発生を防止する。つまり、穴欠陥をスポット溶接が終了した後でなく、インプロセスで修復あるいは防止できるので、接合部の品質および強度を確実に高く維持でき、溶接加工品の歩留まりを著しく向上させることができる。とりわけ、穴欠陥の防止は、穴欠陥の補修が難しい薄板同士のスポット溶接に有効である。
なお、スポット溶接をスポットが切れ目なく繋がるように順次行なう溶接法も、本発明のレーザスポット溶接に含まれる。
【０００９】
本発明の方法における上記溶接入熱に関する諸パラメータのフィードバック制御は、実施形態に記載のように、パルスレーザのピーク出力を増加させ、重ね継手の下側の金属材料からの溶融物で穴欠陥を埋めること、または、金属材料表面のレーザ照射径が増加するように焦点はずし距離を変化させ、重ね継手の上下の金属材料を同時溶融させて、穴欠陥を埋めることのいずれかもしくはその両方によって行なわれる。
前者の制御は、下側の金属材料が上側の金属材料に比して大きな熱容量をもつ場合に有効で、後者の制御は、上下の金属材料の熱容量が略同じ場合に有効である。
【００１０】
上記フィードバック制御は、レーザビームのオシレーション、別のレーザ発振器で発生させたパルスレーザを溶融部に照射すること、あるいは上記金属材料からなるワイヤを溶融部近傍に供給し、このワイヤをレーザで溶融させて穴欠陥を埋めることによっても行なうことができる。
レーザビームのオシレーションでは、上述のレーザ照射径を増加する場合と同様の作用効果が、別のレーザ発振器を用いれば、上述のパルスレーザのピーク出力を増加させる場合と同様の作用効果が、供給ワーヤの溶融では、この溶融物で穴欠陥を埋める作用効果が夫々奏され、接合部の品質および強度を確実に高く維持でき、溶接加工品の歩留まりを著しく向上させることができる。
【００１１】
上述のパルスレーザのピーク出力を増加させ、重ね継手の下側の金属材料からの溶融物で穴欠陥を埋める方法で、パルス期間の終期においてレーザ出力を徐々に零まで下げてもよい。そうすれば、溶融部の急激な凝固が抑えられ、特に上側の金属材料が薄い場合、溶接された上下の金属材料間に空隙が生じるのを防止できる。
また、上記ピーク出力の増加率を、３０％以内にするのが好ましい。これは、ピーク出力を上げすぎると、スパッタや穴あきが発生し、埋める穴に対し融液量が不足することにより凹(アンダーフィル)状の溶接部となるか、上側の金属材料の穴が広がることで、逆に溶融物で穴欠陥を埋められなくなるからである。
【００１２】
一方、本発明の装置では、モニタ部が、レーザ照射中に溶融部からの熱放射光または溶融部からの照射レーザの反射光の強度を常時計測し、制御部が、上記モニタ部からの計測信号の経時変化に基づき、例えば熱放射光が急減あるいは照射レーザの反射光が急増した場合、穴欠陥が発生したと判別し、熱放射光の計測値の時間微分係数が負になった場合、穴欠陥が発生する虞があると判別して、検知信号を出力する。レーザ発振器は、この検知信号を受けて、パルスレーザのピーク出力を増加させる。すると、重ね継手の上下の金属材料が同時に溶融して一体化し、あるいは下側の金属材料からの溶融物で上側の金属材料の穴欠陥が埋められて、穴欠陥の発生が防止され、あるいは穴欠陥が補修されて、健全な接合部が形成される。つまり、穴欠陥をインプロセスで修復あるいは防止できるので、接合部の品質および強度を確実に高く維持でき、溶接加工品の歩留まりを著しく向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を図示の実施形態により詳細に説明する。
図１は、本発明の穴欠陥の防止または補修方法の基礎研究に用いられ、本発明の穴欠陥の防止または修復装置でもあるレーザスポット溶接装置の概略図である。図１において、１は波長1.064μｍのパルスレーザを発生するレーザ発振器としての適応制御型ＹＡＧパルスレーザ発生装置(以下、レーザ発生装置と略称する)、２はこのレーザ発生装置１から光ファイバ３を経て送られてくるレーザを金属材料の重ね継手４に照射するレーザヘッド、５はレーザヘッド２の頂部に設けられ、レーザ照射中に溶融部６からの波長1.3μｍの熱放射光を捉える熱放射光センサ、７はレーザヘッド２の側部に設けられ、レーザ照射中に溶融部６からの照射レーザの波長1.064μｍの反射光を捉える反射光センサ、１０は信号線８,９を経て夫々入力される熱放射光センサ５,反射光センサ７の検出信号の経時変化に基づいて、穴欠陥の発生または発生の虞を検知し、穴欠陥を修復または防止すべく、レーザ発生装置１に溶接入熱に関する諸パラメータを変更させる検知信号としての指令信号を出力する制御部としてのコンピュータである。なお、熱放射光センサ５と反射光センサ７が、光強度を１パルス期間に亘って計測するモニタ部を構成している。
【００１４】
上記レーザ発生装置１は、５０Ｗの平均出力を有し、コンピュータ１０からの指令信号によって、パルスレーザのピーク出力を５kＷ以下の範囲において0.1ms間隔で制御できる。
上記レーザヘッド２は、ダイクロイックミラー１１を介して光ファイバ３からのレーザを出射する一方、ダイクロイックミラー１２を介して照射レーザの反射光を反射光センサ７に導き、反射光を選択的に減衰させるノッチフィルタ１３と干渉フィルタ１４を介してｎＷオーダの微弱な熱放射光を熱放射光センサ５に導いている。反射光センサ７の検出信号は、浜松フォトニクス製C6386で計測し、スポット径500μｍで熱放射光センサ５によって捉えられた熱放射光の検出信号は、遮断周波数100kＨz,増幅率6.8×105のプリアンプで増幅して計測した。
また、レーザ照射中の溶接現象を解析すべく、重ね継手４の表面状態およびレーザ誘起プルームを高速撮影した。左斜め上のＨe-Ｎeレーザ発振器１５から溶融部６に高速撮影用の背光を照射し、表面状態を右斜め上の高速カメラ１６により毎秒9000コマで撮影するとともに、レーザ誘起プルームを右横の高速カメラ１７により同様に撮影した。
【００１５】
まず、通常のレーザスポット溶接における穴欠陥の発生メカニズムを解明すべく、アルミニウム合金A3003(JIS H 4000:Mn含有量1.0〜1.5)からなる下板１８(30×5mm,t=1mm)に上板１９(30×5mm,t=0.1mm)を重ねた重ね継手４に、図２に示すパルス状の出力波形をもつパルスレーザを照射した。
【００１６】
図３は良好に接合された重ね継手、図４は穴欠陥が生じた重ね継手の夫々溶接中の各時点(ms)における溶融部表面およびプラズマ誘起プルーム側面の撮影画像を示している。
図３の良好な重ね継手は、上半に示す溶融部表面について、レーザ照射開始から0.3ms後に溶融が開始し、溶融部はレーザ出力が一定の間拡大し続け、1.0msから溶融部の中央にくぼみが認められ、そのサイズは溶融部の増加に伴って増加している。ピーク出力を下げ始めた3.75ms以降、4.0msではくぼみの内部から盛り上がりが生じ、その後溶融部全体が落ち込んで、パルス終了の4.8msで凝固表面が形成された。また、図３の下半に示すレーザ誘起プルームについては、上半画像で溶融部中央にくぼみができる1.0msの時点で、プルームが認められ、レーザ出力が一定の間は、溶融部の拡大と共にプルームのサイズも増加するが、レーザ出力を下げると、プルームも小さくなって消滅した。以上の観察結果から、溶融部の中央のくぼみは、キーホールであると考えられる。
一方、図４の穴欠陥が生じた重ね継手は、レーザ照射開始から0.4ms後に溶融が開始し、溶融部はレーザ出力が一定の2.7msまでは拡大し続けたが、2.8msで溶融部中央のくぼみが確認できないほど表面状態が荒れ、3.0msでは穴欠陥の発生が観測された。このとき、スパッタの発生は確認できなかったので、この穴欠陥はスパッタで融液が吹き飛ばされたために発生したのではなく、図６で後述するようにレーザ照射中に融液がキーホールの周辺に逃げたために生じたものと考えられる。また、レーザ誘起プルームについては，溶融部中央にくぼみが認められる1.0msの時点で確認でき、その後、2.7msまでは溶融部の拡大とともにサイズが増加したが、2.8ms以降で穴があいた後、プルームは消滅した。以上の観察結果から、溶融状態およびプルームの発光強度は、良好に接合された場合と穴欠陥が生じた場合とで著しく異なることが明らかになった。
【００１７】
以上の実験は、２０個の重ね継手について行なわれ、そのうち１６個は良好に接合できたが、残り４個は穴欠陥が生じて接合できなかった。このことからも、本発明の穴欠陥の防止または修復のための適応制御を行なわない通常のアルミニウム合金のスポット溶接では、表面状態や表面形状の僅かな相違によって、接合の良否が決まり、接合品質を一定に保持するのが難しいことが認識できる。
図５(Ａ),(Ｂ)は、良好に接合できた重ね継手の表面状態,断面形状を夫々示す写真であり、図６(Ａ),(Ｂ)は、穴欠陥の生じた重ね継手の同様の写真である。図５(Ａ)で、溶融溶接部の直径の平均値と標準偏差は略650μmと32μmであり、溶接部の形状は熱伝導型ではなく、キーホール型であることが明らかになった。図５(Ｂ)では、溶接部周辺の上板は浮き上がった形状を呈し、上板と下板の境界面に大きな空隙が生じている。一方、図６(Ａ),(Ｂ)では、未接合の上板に直径略255μmの大きな穴が生じ、下板表面にはレーザによる照射痕が認められる。上板の溶融溶接部の直径の平均値と標準偏差は略565μmと28μmであり、良好に接合できた図(Ａ),(Ｂ)のものに比べて溶融部のサイズが小さかった。  
【００１８】
図７,図８は、図１のレーザスポット溶接装置を用いて、上記通常のレーザスポット溶接中の溶融部からの夫々熱放射光,照射レーザの反射光の強度を計測した結果を、横軸に溶接開始からの時間[ms]、縦軸に光強度(エネルギ)[mＷ,μＷ]をとって、良好接合および穴欠陥を生じた重ね継手について示すグラフである。
熱放射光の強度を示す図７において、曲線aで示す良好接合の場合、熱放射光の経時変化は、強度が1.7μＷに達する2.3msまでは、曲線bで示す穴欠陥の場合と略同一であるが、この時点で溶融部が生じた後は、レーザ出力が一定である間は溶融部の拡大と共に増加し、3.7msでレーザ出力を下げ始めると減少した。曲線bで示す穴欠陥の場合は、これと対照的に2.3msでの溶融部の発生に続いて上板に貫通穴があき、溶融池が散逸するため、熱放射光は急減し、画像観察で貫通穴が確認できた3.0msからは緩やかな増加に転じた後、3.7msでレーザ出力を下げ始めると減少した。
照射レーザの反射光の強度を示す図８において、曲線aで示す良好溶接の場合、反射光の経時変化は、開始から0.5msまでは急増し、その後レーザ出力が一定にも拘わらず減少し続け、出力を下げた始めた後の4.0〜4.4msで低い第２のピークを呈した。これは、図３上半に示した表面状態の高速観察画像の4.0ms付近でくぼみ内部から盛り上がりが生じた時間と一致しており、キーホールが閉じて平坦部が形成され、加えて一部周辺から凝固が起こったためと考えられる。曲線bで示す穴欠陥の場合は、反射光の経時変化は、開始から2.7msまでは曲線bで示す良好溶接の場合と略同一であるが、2.8〜3.0msで急激に増加した。これは、図６(Ｂ)に示した下板のレーザ溶接痕から考えると、上板に穴があいたため、下板で溶融とキーホールの生成がスムーズに起こらなかったことおよびそれによる下板表面からのレーザの反射光が急増したことが原因と考えられる。
【００１９】
以上の結果から、反射光の計測で溶融の開始やキーホールの生成がモニタでき、キーホールの閉鎖や上板での大きな穴の発生もモニタできることが判った。また、熱放射光は溶融状態と相関性があり、上板での大きな穴の発生をモニタできることが判った。なお、穴あき未接合の場合の高速画像観察と熱放射モニタの結果から、計測された近赤外光は、レーザ誘起プルームからのものではなく、溶融部からのものであることが確認できた。よって、照射レーザの反射光は、プロセスのモニタとして、溶融開始やキーホールの生成・消滅の検出に使用でき、溶接結果のモニタとして、穴欠陥(穴あき未接合)の検出に利用できることが明らかになった。
【００２０】
以上のレーザスポット溶接における穴欠陥発生の研究成果から創出された本発明の穴欠陥の防止または修復方法について、次に説明する。
図９,図１０は、図１のレーザスポット溶接装置を用いて行なわれる請求項３,６,１１,１２に記載の方法の一実施形態としての適応制御の流れを示すフローチャートおよびレーザの出力波形を示すグラフである。
制御部としてのコンピュータ１０は、熱放射光センサ５から入力される検出信号が表す熱放射光の強度の経時変化を、図９のフローチャートに基づいて処理し、処理結果である指令信号をレーザ発生装置１に出力し、この指令信号に基づいてレーザ発生装置１が、穴欠陥のない接合を実現すべく、図１０のような出力波形をもつレーザをレーザヘッド２に送出する。
【００２１】
図９のフローチャートにおいて、適応制御が始まると、コンピュータ１０は、ステップＳ１で、レーザ発生装置１に指令信号を送って、レーザのピーク出力を1.07kＷに設定させ、重ね継手４は、レーザヘッド２から出るピーク出力1.07kＷのレーザで照射される。次に、ステップＳ２で、熱放射光の強度が1.7μＷ以上の状態が1.5ms以上継続したか否かがによって穴欠陥が生じたかどうかが判断される。そして、肯なら良好な接合なので、ステップＳ６に進む一方、否なら穴欠陥の発生があり得るとして、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では、レーザの照射合計時間が6ms以上か否かが判断され、6ms未満なら、未だ溶融部ができていない可能性もあるとして、ステップＳ１に戻ってピーク出力を1.07kＷに維持する一方、6ms以上なら、然るべき時点で適正な溶融部が形成されていない、つまり、穴欠陥が発生したと判断して、ステップＳ４に進む。ステップＳ４では、下板１８からの溶融物で上板１９の穴欠陥を埋めるべく、ピーク出力を1.39kＷに増加させ、続くステップＳ５で、溶融部からの熱放射光の強度が良好接合の目標である1.7μＷに達したか否かを判断する。そして、熱放射光の強度が1.7μＷに達するまで、ピーク出力を1.39kＷに維持し、1.7μＷに達すれば、穴欠陥の修復が完了したとして、ステップＳ１に戻ってピーク出力を元の1.07kＷに戻す。他方、ステップＳ２で良好接合と判断して進んだステップＳ６では、継手強度を安定化するため、1.05ms以内にレーザ出力を0Ｗまで減少させ、適応制御を終了する。なお、ステップＳ５の修復を終えて、ステップＳ１に戻り、ピーク出力を1.07kＷに下げた場合も、ステップＳ２を経て熱放射光の強度が1.7μＷ以上の状態が1.5ms以上継続したか否かが判断されるので、良好な接合が保証される。
【００２２】
上記適応制御に伴うピーク出力の経時変化は、図１０中の破線で示すとおりであり、請求項１１に記載の修復方法の一例を、図中の実線で示している。この例は、溶接開始から6ms経過しても熱放射光の強度が1.7μＷに達していないという条件なので、図９のステップＳ２,Ｓ３を経てステップＳ４で、6msの時点でピーク出力が1.07kＷから1.37kＷに上げられ、このピーク出力が0.9ms維持されて熱放射光の強度が1.7μＷに達し、図９のステップＳ５からＳ１に戻って、ピーク出力は、元の1.07kＷに下げられ、次いで1.05msの間に0kＷまで漸減している。一方、実線で示す修復方法は、パルス期間の終期においてレーザ出力を徐々に0kＷまで下げるもので、熱放射光の強度が1.7μＷに達した時点から、1.05msの時間で0.53kＷまでレーザ出力を漸減させ、さらに4.5msの時間で緩やかに0Ｗまで落としている。この手法によって、レーザ出力減少時の上板側の急速な凝固が抑えられ、修復後の上板１９と下板１８の間に生じる空隙を小さくすることができる。
上記適応制御では、ピーク出力の増加率を1.07kＷから1.37kＷへと30％以内に抑えているので、下板が溶融しすぎて、穴欠陥が埋められなくなることがなく、確実に穴欠陥を修復することができる。
【００２３】
上記適用制御についても、段落[0014]で述べたと同じアルミニウム合金製の重ね継手の試料を２０個準備し、これらの試料を図２と同じパルス波形のレーザを用いてスポット溶接した。その結果、１３個の試料は、図９のフローチャートのステップＳ２で肯と判断され、穴欠陥の修復なしで溶接が終わり、図５の写真と同じ形態の良好な接合が得られ、残る７個の試料は、上記ステップＳ２で否と判断されて、レーザのパルス波形が図１０のものに変えられ、ステップＳ３〜Ｓ５の穴欠陥修復(再接合)が施されて、良好な接合が得られた。穴欠陥修復なしで良好接合が得られた１３個の試料は、溶融溶接部の直径の平均値とその標準偏差が、略675μmと20μmであり、穴欠陥修復して良好接合が得られた７個の試料は、溶融溶接部の直径の平均値とその標準偏差が、略765μmと45μmであった。つまり、穴欠陥修復した場合は、しない場合に比して溶融溶接部の直径が90μmほど増大した。
穴欠陥修復された重ね継手について、図１０の破線で示した出力パターン(終期徐冷なし)で再接合されたものの表面状態と断面形状を図１１(Ａ),(Ｂ)に、図１０の実線で示した出力パターン(終期徐冷あり)で再接合された重ね継手の断面形状を図１２に夫々示した。終期徐冷なしの図１１(Ｂ)では、修復されているが接合部周辺の上板が浮き上がり、上下板の間に大きな空隙が生じているのに対して、終期徐冷ありの図１２では、上下板間の空隙が小さく、良好な接合が得られていることが判る。この終期徐冷は、上板が薄い場合に特に有効である。
【００２４】
上記穴欠陥修復を伴う適用制御時(図１０の実線で示す終期徐冷あり)の加工表面状態とレーザ誘起プルームの高速撮影画像を図１３に示す。図１３上半に示す溶融状態については、レーザ照射開始から3.0ms後には穴が認められ、6.0msから6.8msで穴の内部が白く輝き始め、その後、穴内部から融液の盛り上がりが生じ、7.6msでは穴が融液で埋められ、キーホール状の溶融部が形成されている．さらに、溶融部の拡大が起こるが、レーザ出力を下げると，8.1msでキーホール内部から盛り上がりが生じ、その後、溶融部全体が落ち込んで溶融溶接部が形成された。このような溶接後期の状況は、穴欠陥が生じない場合と同様であった。図１３の下半に示すレーザ誘起プルームについては、6.0msから確認でき、レーザ出力が一定の間、溶融部の拡大とともにプルームのサイズも増加した。レーザ出力を下げると、穴欠陥が生じない場合と同様、サイズが小さくなり消滅した。
【００２５】
上記穴欠陥修復を伴う適用制御時の熱放射光強度の計測結果を図１４に示す。図１４において、レーザ照射開始から2.8ms程度で穴あきが発生しており、コンピュータ１０は、6ms経過後に上板の穴あき状態を認識し、レーザ出力を1.07kＷから1.39kＷに引き上げ、その後、熱放射光強度が1.7μＷを越えている状態が1.5ms以上継続するように0.15ms間隔で制御した結果、実際の継続時間は略1.89msとなった。これは、適応制御時の熱放射光強度の上昇時に1.7μＷ近傍で、熱放射光強度が変動したのが原因と考えられる。
以上の結果から、図９のフローチャートのステップＳ１,Ｓ２,Ｓ６を通る継手強度安定化のための適応制御と、図９のフローチャートのステップＳ３〜Ｓ５を通る穴欠陥修復・再接合の適応制御が狙いどおり機能したことが確認できた。
【００２６】
さらに、適応制御によるレーザ溶接で作製した２０個の重ね継手試料について、実際の強度を確かめるべく、引張剪断試験を行なった。この引張剪断試験の結果を図１５に示す。図１５は、熱放射光強度が1.7μＷ以上の状態が継続した時間[ms]を横軸にとり、剪断破壊強度[N]を縦軸にとって、各試料をプロットしたもので、図中の黒丸は従来のレーザ溶接による試料、白丸は継手強度安定化のための適応制御を適用したレーザ溶接による試料、白三角は穴欠陥修復のための適応制御を適用したレーザ溶接による試料を表している。図１５の白丸,白三角で示すように、本発明の適応制御を適用して、熱放射強度1.7μＷ以上の継続時間を1.5ms〜2.0msに維持すれば、13N程度の十分な継手強度が保証されることが明らかになった。詳しくは、継手強度の平均値が15N、その標準偏差が1.9Nであった。
以上の結果から、本実施形態によれば、熱放射光のインプロセスモニタリングに基づいて、接合強度バラツキの抑制と穴あき未接合の再溶融溶接との２種類の適応制御を行なうことにより、穴欠陥による未接合を確実に防止し、従来のレーザスポット溶接に比べて、接合強度の標準偏差を１／３程度に低減できることが明らかになった。
【００２７】
図１６(Ａ),(Ｂ)は、図１のレーザスポット溶接装置を用いて行なわれる請求項２,５に記載の方法の一実施形態としての適応制御の接合過程およびレーザ出力の波形を示す概略図である。この適応制御は、横軸に時間、縦軸に熱放射光強度(曲線a)およびレーザのピーク出力(曲線b)をとって図１６(Ｂ)に示すように、コンピュータ１０によって溶接中の溶融部からの熱放射光の強度を曲線aの如く常時モニタし、光強度の時間微分係数が負になった時点t1で、穴欠陥発生の虞ありと判断して、レーザ発生装置１に指令信号を送り、レーザのピーク出力を曲線bの如く増加させ、穴欠陥の発生を未然に防ぐものである。熱放射光強度と穴欠陥の発生との関係は、既述の図７において、穴欠陥が生じた試料は、発生の時点で曲線bの如く熱放射光強度が急減していることから明らかである。なお、図１６(Ｂ)では、熱放射光強度を表す曲線aが時点t1以降右上がりになっているが、本実施形態は、熱放射光強度の時間微分係数が負になったときだけ、ピーク出力を増加させるものであるから、時点t1以降の曲線aが水平になる場合もある。
接合過程は、図１６(Ａ)の左から右へ進行し、溶融部からの熱放射光を上向き矢印で示すように常時モニタし、光強度の時間微分係数が負になった左から４コマ目(時点t1に相当)でレーザのパルス出力が増加され、穴欠陥を生じさせることなく、良好な接合が得られている。穴欠陥の発生を未然に防止するこの適応制御は、薄板同士の重ね継手に特に有効に適用できる。
【００２８】
図１７は、請求項６に記載の方法の一実施形態としての適応制御の接合過程を示す概略図である。この適応制御の接合過程は、既に図９のフローチャートや図１０で述べたと同じもので、図１７の左から右へ進行し、コンピュータ１０によって溶接中の溶融部からの熱放射光強度を上向き矢印で示すように常時モニタし、光強度が所定値以下の状態が所定時間続いた左から３コマ目の時点で、穴欠陥が発生したと判断して、レーザ発生装置１に指令信号を送り、左から４コマ目に示すように、レーザのピーク出力を増加させ、下板からの溶融物で上板の穴欠陥を埋めて修復し、良好な接合が得られている。この適応制御は、下板が上板に比して大きな熱容量をもつ場合に特に有効に適用できる。
【００２９】
図１８は、請求項７に記載の方法の一実施形態としての適応制御の接合過程を示す概略図である。この適応制御は、穴欠陥が発生したと判断したとき、ピーク出力増加の一例として、加工表面におけるレーザ照射径が増加するように焦点はずし距離を変化させ、重ね継手の上下の板を同時に溶融させて、穴欠陥を埋めるものである。適応制御の接合過程は、図１８の左から右へ進行し、コンピュータ１０によって溶接中の溶融部からの熱放射光強度を上向き矢印で示すように常時モニタし、光強度が所定値以下の状態が所定時間続いた左から３コマ目の時点で、穴欠陥が発生したと判断して、レーザ発生装置１に指令信号を送り、左から４コマ目に示すように、レーザの照射径を増加させ、上板と下板を同時に溶融させて、穴欠陥を埋めて修復し、良好な接合が得られている。この適応制御は、下板と上板の熱容量が略同じ場合に特に有効に適用できる。
なお、図１７,１８の実施形態では、溶融部からの熱放射光の強度をモニタして、穴欠陥の発生を判断したが、図８で述べたように、溶融部からの照射レーザの反射光の強度をモニタして、穴欠陥の発生を判断するようにもできる。
【００３０】
図１９は、請求項９に記載の方法の一実施形態としてのレーザスポット溶接装置を示す概略図である。このレーザスポット溶接装置は、レーザヘッド２０の図示しない熱放射光センサまたは反射光センサからの検出信号を受けて、コンピュータ１０が穴欠陥の発生あるいは発生の虞ありと判別したとき、別のレーザ発振器２１に指令信号を送って、このレーザ発振器２１から穴欠陥防止または修復のためのレーザを同軸光学系を経て出射させる。即ち、上記レーザヘッド２０は、対物レンズ２３とコリメタレンズ２４の間にダイクロイックミラー２２が設けられ、側方に設けられたレーザ発振器２１からビームエキスパンダ２６を経て入射する副レーザを、ダイクロイックミラー２２によって直角下方へ反射して、光ファイバ２５から供給される主レーザと同軸をなして重ね継手４に照射するようになっている。
このレーザスポット溶接装置では、穴欠陥修復または防止に必要なピーク出力の増加分を、レーザ発生装置１に代わってレーザ発振器２１が供給するので、既に述べたと同様、適応制御によって良好な接合が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の穴欠陥の防止または修復装置の一例としてのレーザスポット溶接装置の概略図である。
【図２】図２は、適応制御を用いない通常のレーザスポット溶接におけるパルスレーザのピーク出力波形を示す図である。
【図３】図３は、良好に接合された重ね継手の溶接中の溶融部表面およびプラズマ誘起プルーム側面の高速撮影画像を示す写真である。
【図４】図４は、穴欠陥が生じた重ね継手の溶接中の溶融部表面およびプラズマ誘起プルーム側面の高速撮影画像を示す写真である。
【図５】図５(Ａ),(Ｂ)は、良好に接合できた重ね継手の夫々表面状態,断面形状を示す写真である。
【図６】図６(Ａ),(Ｂ)は、穴欠陥が生じた重ね継手の夫々表面状態,断面形状を示す写真である。
【図７】図７は、通常のレーザスポット溶接中の溶融部からの熱放射光の強度の経時変化を良好接合および穴欠陥を生じた重ね継手について示すグラフである。
【図８】図８は、通常のレーザスポット溶接中の溶融部からの照射レーザの反射光の強度の経時変化を良好接合および穴欠陥を生じた重ね継手について示すグラフである。
【図９】図９は、図１のレーザスポット溶接装置を用いて行なわれる本発明の穴欠陥の防止または修復方法の一実施形態としての適応制御の流れを示すフローチャートである。
【図１０】図１０は、上記適応制御におけるレーザの出力波形を示すグラフである。
【図１１】図１１(Ａ),(Ｂ)は、図１０の破線で示す終期徐冷なしの出力パターンで再接合された重ね継手の夫々表面状態,断面形状を示す写真である。
【図１２】図１２は、図１０の実線で示す終期徐冷ありの出力パターンで再接合された重ね継手の断面形状を示す写真である。
【図１３】図１３は、穴欠陥修復を伴う適応制御時の加工表面状態およびレーザ誘起プルームの高速撮影画像を示す写真である。
【図１４】図１４は、穴欠陥修復を伴う適応制御時の熱放射光強度の計測結果を示す図である。
【図１５】図１５は、適応制御によるレーザ溶接で作製した重ね継ぎ手について行った引張剪断試験の結果を示す図である。
【図１６】図１６(Ａ),(Ｂ)は、本発明の穴欠陥の防止または修復方法の他の実施形態としての適応制御の接合過程およびレーザの出力波形を示す概略図である。
【図１７】図１７は、本発明の穴欠陥の防止または修復方法の他の実施形態としての適応制御の接合過程を示す概略図である。
【図１８】図１８は、本発明の穴欠陥の防止または修復方法の他の実施形態としての適応制御の接合過程を示す概略図である。
【図１９】図１９は、本発明の穴欠陥の防止または修復方法の他の実施形態に用いるレーザスポット溶接装置の概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
１  適応制御型ＹＡＧパルスレーザ発生装置
２,２０  レーザヘッド
３  光ファイバ
４  重ね継手
５  熱放射光センサ
６  溶融部
７  反射光センサ
１０  コンピュータ
１１,１２  ダイクロイックミラー
１３  ノッチフィルタ
１４  干渉フィルタ
１５  Ｈe-Ｎeレーザ発振器(背光用)
１６,１７  高速カメラ
２１  レーザ発振器
２２  ダイクロイックミラー
２３  対物レンズ
２４  コリメタレンズ
２５  ファイバ
２６  ビームエキスパンダ
【図１】
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【図２】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１９】
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