(57)【要約】【課題】  薄肉部材であってもその溶け込み深さを高精度に制御して高品質の溶接を効率良く自動的に行い得る溶接システムを提供する。【解決手段】  溶接ヘッド１６を含む溶接ユニット１１を位置決め装置２１に搭載して溶接位置に一体となって移動するように構成するとともに、溶接ヘッド１６は、被溶接部材１２の溶接部１４が部分溶け込み状態で溶接されるように溶接部１４における照射部の全域に亘って均一なプロファイルを形成するように構成する一方、制御装置により、位置検出センサ２０で検出した溶接部１４の位置情報に基づき所定の溶接を行うとともに、溶接の終了時にスライド機構１９を介して溶接ワイヤ１７を溶接部１４に対してその反対方向に逃がすように構成した。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材の溶接部における照射部の全域に亘って均一なプロファイルを形成するように構成した溶接ヘッド、前記溶接部に溶加材である溶接ワイヤを供給するワイヤ供給手段及びこのワイヤ供給手段を前記溶接部に対してその反対方向にスライドさせるスライド機構を含む溶接ユニットと、
この溶接ユニットを被溶接部材の溶接部に位置決めする位置決め手段と、
溶接の終了時に前記スライド機構を駆動して前記溶接ワイヤを前記溶接部に対してその反対方向に逃がす制御手段とを有することを特徴とする溶接システム。
【請求項２】
請求項１に記載する溶接システムにおいて、
溶接ヘッドは、被溶接部材の溶接部位が焦点以外のデフォーカス位置となるようなデフォーカス光学系を有することを特徴とする溶接システム。
【請求項３】
請求項１に記載する溶接システムにおいて、
溶接ヘッドは、被溶接部材の溶接部位の形状がある程度の広がりを有するよう均質化光学系を有することを特徴とする溶接システム。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載する何れか一つの溶接システムにおいて、
制御手段は、溶接の終期部分の一定期間、溶接ヘッドに供給する溶接パワーが漸減するように制御することを特徴とする溶接システム。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４に記載する何れか一つの溶接システムにおいて、
被溶接部材の溶接部の位置を検出する位置検出手段を有することを特徴とする溶接システム。
【請求項６】
請求項５に記載する溶接システムにおいて、
位置検出手段は、被溶接部材の溶接位置が一定の規則性をもって繰り返される場合においてその規則性を制御手段に記憶しておき、この制御手段の制御により最初は広い範囲の走査を行って溶接位置を検出するとともに、二回目以降は前記規則性に基づきより狭い範囲に絞った走査を行って溶接位置を検出するように構成したことを特徴とする溶接システム。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
上記制御手段は、被溶接部材の相互の溶接部を避けた位置まで溶接ヘッドを移動して溶接を終了するように制御することを特徴とする溶接システム。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
被溶接部材の裏面に冷却液又は冷却ガスを供給する冷却手段を有することを特徴とする溶接システム。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
上記溶接ユニットは、さらに溶接部に酸化防止ガスを噴射するためのガス供給手段を有することを特徴とする溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接システムに関し、レーザ溶接等の高密度エネルギー溶接で薄肉部材の溶接、特に多点溶接を行う場合に適用して有用なものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば多数の蒸気配管を束ねる場合、スポット溶接が用いられる。すなわち、図９に示すように、先ず多数の蒸気配管１を整列させ、その上にこれを束ねるためのバンド２を載置するとともに、蒸気配管１とバンド２の端縁との接点を溶接部３としてスポット溶接を行っている。かかるスポット溶接は通常ＴＩＧ溶接により手作業で行っている。
【０００３】
なお、レーザ溶接に関する従来公知の技術としては、次の特許文献１を挙げることができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１８５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の如き従来技術に係る溶接は、手動ＴＩＧ溶接にて施工していたが、作業者により、また同一作業者であっても溶接品質にバラツキを生じ易く、溶接品質の安定化と信頼性の向上が求められていた。また、溶接作業の作業効率の改善も求められていた。ちなみに、蒸気配管１のスポット溶接においては、溶接点の数が数百点に及ぶ場合もあり、この溶接点の数が増えれば増えるほど、溶接作業の効率が問題となる。
【０００６】
そこで、所定の溶接作業の自動化を図り得る自動溶接システムの提案が待望されている。かかる自動化に当たっては、被溶接部材を貫通しないように手当てすることが肝要である。特に被溶接部材が薄肉配管等の薄肉部材である場合には高精度の部分溶け込み溶接が求められる。また、このためには、溶接作業の終了に当たり、溶加材である溶接ワイヤの引き込みタイミングが問題となり、この引き込みをタイムリー且つ迅速に行う必要がある。さらに、被溶接部材の溶接位置を自動検出する位置検出手段も必要になる。
【０００７】
本発明は、上記従来技術に鑑み、薄肉部材であってもその溶け込み深さを高精度に制御して高品質の溶接を効率よく自動的に行い得る溶接システム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】
【０００８】
上記目的を達成する本発明の構成は次の点を特徴とする。
【０００９】
１）  被溶接部材の溶接部における照射部の全域に亘って均一なプロファイルを形成するように構成した溶接ヘッド、前記溶接部に溶加材である溶接ワイヤを供給するワイヤ供給手段及びこのワイヤ供給手段を前記溶接部に対してその反対方向にスライドさせるスライド機構を含む溶接ユニットと、
この溶接ユニットを被溶接部材の溶接部に位置決めする位置決め手段と、
溶接の終了時に前記スライド機構を駆動して前記溶接ワイヤを前記溶接部に対してその反対方向に逃がす制御手段とを有すること。
２）  上記１）に記載する溶接システムにおいて、
溶接ヘッドは、被溶接部材の溶接部位が焦点以外のデフォーカス位置となるようなデフォーカス光学系を有すること。
３）  上記１）に記載する溶接システムにおいて、
溶接ヘッドは、被溶接部材の溶接部位の形状がある程度の広がりを有するよう均質化光学系を有すること。
４）  上記１）乃至３）に記載する何れか一つの溶接システムにおいて、
制御手段は、溶接の終期部分の一定期間、溶接ヘッドに供給する溶接パワーが漸減するように制御すること。
５）  上記１）乃至４）に記載する何れか一つの溶接システムにおいて、
被溶接部材の溶接部の位置を検出する位置検出手段を有すること。
６）  上記５）に記載する溶接システムにおいて、
位置検出手段は、被溶接部材の溶接位置が一定の規則性をもって繰り返される場合においてその規則性を制御手段に記憶しておき、この制御手段の制御により最初は広い範囲の走査を行って溶接位置を検出するとともに、二回目以降は前記規則性に基づきより狭い範囲に絞った走査を行って溶接位置を検出するように構成したこと。
７）  上記１）乃至６）の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
上記制御手段は、被溶接部材の相互の溶接部を避けた位置まで溶接ヘッドを移動して溶接を終了するように制御すること。
８）  上記１）乃至７）の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
被溶接部材の裏面に冷却液又は冷却ガスを供給する冷却手段を有すること。
９）  上記１）乃至８）の何れか一つに記載する溶接システムにおいて、
上記溶接ユニットは、さらに溶接部に酸化防止ガスを噴射するためのガス供給手段を有すること。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
【００１１】
請求項１に記載する発明は、上記１）に記載する通りの構成を有するので、位置決め手段により溶接ユニットを被溶接部材の溶接部に位置決めしながら自動的に所定の溶接作業を行うことができる。この際、溶接ヘッドは照射部の全域に亘り均一なプロファイルを形成することができ高精度の部分溶け込みを実現して自動溶接に伴う再現性の高い高品質の溶接を行うことができる。さらに、溶接の終了に際してはスライド機構を駆動させて溶接ワイヤのタイムリー且つ迅速な引き込みを行うことができるので、自動送給する溶接ワイヤが溶接部に衝突してそのまま溶着するという不都合を未然に防止し得る。
請求項２に記載する発明は、上記２）に記載する通りの構成を有するので、デフォーカス位置で照射域の全域に亘る均一なプロファイルを有するレーザ光等とすることができ、このレーザ光等で薄肉部材であっても良好に所定の部分溶け込みを実現し得る。
請求項３に記載する発明は、上記３）に記載する通りの構成を有するので、カライドスコープ等の均質化光学系である程度広げられたレーザ光等を形成することができ、このレーザ光等で薄肉部材であっても良好に所定の部分溶け込みを実現し得る。
請求項４に記載する発明は、上記４）に記載する通りの構成を有するので、溶接ワイヤの送給の停止後の被溶接部材の過剰溶融や、溶接欠陥の発生を防止し得る。
請求項５に記載する発明は、上記５）に記載する通りの構成を有するので、溶接部の位置を自動的に検出し、位置決め手段を介して溶接ユニットを移動することにより溶接ヘッドを所定の溶接位置に自動的に占位させることができる。
請求項６に記載する発明は、上記６）に記載する通りの構成を有するので、溶接位置を検出するための走査範囲を最小限度に抑えることができ、この検出作業を高効率で行うことができる。
請求項７に記載する発明は、上記７）に記載する通りの構成を有するので、応力が集中する溶接部を避けて、溶接作業を終了することができる。ちなみに、溶接終了部分には、キーホール等の窪みを発生することがあり、この窪みが応力集中部に形成されると、この部分の強度の低下を招来するが、かかる低下を回避して十分な強度の溶接部を形成することができる。
請求項８に記載する発明は、上記８）に記載する通りの構成を有するので、被溶接部材が薄肉部材であってもこの薄肉部材の貫通を防止して容易に高精度に部分溶け込み溶接を行うことができる。
請求項９に記載する発明は、上記９）に記載する通りの構成を有するので、溶接部の酸化を防止することにより、被溶接部材が薄肉部材であってもこの薄肉部材の貫通を防止して容易に高精度に部分溶け込み溶接を行うことができる。ちなみに、溶融金属は酸化により溶け込み深さが増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は本発明の実施の形態に係る溶接システムにおける溶接ユニットを概念的に示す説明図、図２はそのブロック線図である。両図に示すように、溶接ユニット１１は、被溶接部材１２、１３の相互の接合部である溶接部１４に向けてレーザビーム１５を照射して所定の溶接を行う溶接ヘッド１６、前記溶接部１４に溶加材である溶接ワイヤ（フィラワイヤ）１７を供給するワイヤ供給部１８、このワイヤ供給部１８を前記溶接部１４に対してその反対方向にスライドさせるスライド機構１９及び溶接部１４の位置を検出する位置検出センサ２０を有する。当該溶接ユニット１１を形成する各部は位置決め装置２１に搭載されており、溶接位置に一体となって移動するように構成してある。
【００１３】
本形態における溶接ヘッド１６は、レーザ溶接ヘッドであり、レーザ発振器２２で発生したレーザ光を光ファイバで導入するとともに光学系を介して溶接部１４に照射している。このとき、この溶接ヘッド１６は薄肉部材である被溶接部材１２の溶接部１４が部分溶け込み状態で溶接されるよう前記溶接部１４における照射部の全域に亘って均一なプロファイルを形成するように構成してある。すなわち、本形態におけるレーザ光の照射部におけるプロファイル２４は図３（ａ）に示すような形状となる。ちなみに、従来技術に係るレーザ光のプロファイル２５は図３（ｂ）に示すような形状となる。
【００１４】
本形態は、レーザ溶接の場合であるが、同様の溶接装置として電子ビーム溶接装置及びプラズマ溶接装置等が考えられる。すなわち、高密度エネルギー溶接装置であれば同様に用いることができ、レーザ溶接の場合と同様の効果を得る。したがって、レーザ発振器２２は、より一般的には高密度エネルギー供給装置ということになる。
【００１５】
制御装置２３は、当該溶接システムの全体的な制御を行う。具体的には、位置検出センサ２０との間で必要な情報の授受を行って位置決め装置２１の駆動を制御することにより溶接ユニット１１を所定の溶接位置に移動する。同時にレーザ発振器２２との間でも情報の授受を行ってレーザ光の発振・停止を制御するとともに、ワイヤ供給部１８を制御して溶接部１４に対する溶接ワイヤ１７の供給を制御する。さらに、溶接の終了時にスライド機構１９を駆動して溶接ワイヤ１７を溶接部１４に対してその反対方向に逃がすように制御する。
【実施例１】
【００１６】
上記実施の形態に係る溶接システムをさらに具体化した実施例を、さらに図３乃至図８を追加して詳細に説明する。
【００１７】
溶接ユニット１１の構成要素であるワイヤ供給部１８は内蔵する供給モータの駆動により溶接ワイヤ１７を溶接部１４に向けて連続的に供給する。スライド機構１９はワイヤ供給部１８と一体となっており、溶接の終了時点でワイヤ供給部１８を溶接ワイヤ１７の供給方向とは逆方向に移動させる。このスライド機構１９にはクイックレスポンスが要求されるので、引き込み専用のエアスライダ又は溶接ワイヤ１７の供給モータとは別の引き込み専用のモータで構成する。ただ、溶接ワイヤ１７の供給モータにサーボモータを用いることにより、ワイヤ供給部１８及びスライド機構１９の機能を一体化することができるので、かかるサーボモータを使用した一体構造のものを排除するものではない。
【００１８】
同様に溶接ユニット１１の構成要素である溶接ヘッド１６はデフォーカス光学系又はカライドスコープで好適に形成し得る均質化光学系を有している。
【００１９】
図４に示すように、デフォーカス光学系を備えた場合のレーザビーム２６はその照射位置が焦点以外のデフォーカス位置となるので、前記照射位置ではプロファイル２６ａのような照射部の全域である程度の広がりを有する均一なプロファイルとなる。すなわち、その分レーザ光のエネルギーが広い範囲に分散される。ちなみに、焦点位置ではプロファイル２６ｂのようにエネルギー密度が大きい鋭く尖った形状となる。
【００２０】
図５に示すように、均質化光学系を備えた場合のレーザビーム２９はカライドスコープ２７を介して均質化した後、集光レンズ２８で集光するので、その照射位置ではプロファイル２９ａのような照射部の全域である程度の広がりを有する均一なプロファイルとなる。
【００２１】
この結果、被溶接部材１２が薄肉パイプのような薄肉部材であっても良好に所定の部分溶け込み溶接を実現し得る。すなわち、被溶接部１２を溶接部１４が貫通してしまうような不都合を未然に防止し得る。
【００２２】
このとき、別途冷却手段（図示せず。）を備えて被溶接部材１２の裏面に冷却液又は冷却ガスを供給するように構成しても良い。例えば、薄肉の被溶接部材１２が管路の場合には、この管路中に冷却液又は冷却ガスを流通させれば良い。
【００２３】
このように、冷却手段を具備する場合には被溶接部材１２が薄肉部材であってもこの薄肉部材の貫通を防止して容易に高精度の部分溶け込み溶接を実現できる。
【００２４】
同様のことは、ガス供給手段（図示せず。）を備えて溶接部１４に酸化防止ガスを噴射するように構成しても良い。具体的には、レーザ照射部近傍にＡｒ等の気体を２０乃至８０ｌ／ｍｉｎ程度供給することによりシールドする。
【００２５】
このようにシールドした場合には、溶接部１４の酸化を防止することにより、被溶接部材１２が薄肉部材であってもこの薄肉部材の貫通を防止して容易に高精度に部分溶け込み溶接を行うことができる。ちなみに、溶融金属は酸化により溶け込み深さが増加する。
【００２６】
上述の溶接ユニット１１を搭載してこれを所定の位置に位置決め移動する位置決め装置２１は、ＸＹテーブル及びロボットアーム等で好適に構成することができる。
【００２７】
制御装置２３は、レーザ発振器２２に対してその発振制御を行うとともに、位置決め装置２１の移動位置の制御、ワイヤ供給部１８による溶接ワイヤ１７の供給制御、スライド機構１９の駆動制御、位置検出センサ２０の制御とともに検出情報の取り込み等を行う。
【００２８】
溶接に際しては溶接ワイヤ（フィラワイヤ）１７を用いるが、母材／ワイヤを所望の深さまで溶融させる入熱条件は無限に存在する。このうち、本実施例で対象とする溶接には、高出力−短時間溶接の組み合わせよりも、むしろ低出力−長時間側の条件を用いることで溶け込み深さを安定化する。溶接ワイヤ１７の添加に際してはレーザ照射に先立って溶接ワイヤ１７を溶接部１４に接触させておくとともに、溶接ワイヤ１７にレーザ光が照射されるようにセットする。これにより、レーザ照射開始直後には、先ず溶接ワイヤ１７が溶融し、残りのエネルギー及び溶接ワイヤ１７の溶融熱により被溶接部材１２、１３が加熱されて溶接が進行する。このことにより、薄肉部材が急激に溶融することを防止し得る。ここで、溶接ワイヤ１７はレーザ照射終了の０．５乃至１．０ｓｅｃ程度前に送給を停止すると同時にスライド機構１９を駆動し、溶接ワイヤ１７の送給方向と逆方向に引き込むことにより溶接ワイヤ１７と溶接部１４との溶着を防止する。これに連動してレーザ発振波形を、図６に示すように、スロープダウン３０させることにより、溶接ワイヤ１７の停止後の被溶接部材１２等の過剰溶融や溶接欠陥の発生を防止する。ここで、溶接条件に応じてスロープダウン３０の傾斜角θを適宜選定することにより良好な溶接品質を確保することができる。かかる一連の動作を行わせるため、制御装置２３がレーザ発振器２２、ワイヤ供給部１８及びスライド機構１９の動作を制御する。
【００２９】
位置検出センサ２０は、被溶接部材１２、１３の形状をセンシングし、溶接部１４の位置情報を制御装置２３に送出する。被溶接部材１２、１３の形状のセンシングには、ＣＣＤカメラ等の画像を利用するもの、当該位置検出センサ２０と被溶接部材１２、１３の溶接部１４との距離をレーザ測距計等で検出してこの距離により３次元／２次元の形状を得るもの等、種々の方式が考えられる。ただ、狙い位置（溶接部１４の位置）を１００μｍ程度の精度で設定可能な方式であることが好ましい。
【００３０】
かかる位置検出センサ２０によるセンシング対象の溶接位置が一定の規則性をもって繰り返される場合には、別途その規則性を制御装置２３に記憶しておくことにより、より合理的なセンシングを行うことができる。さらに詳言すると、図７に示すように、同形の蒸気配管１を多数束ねてバンド２で一体化するためのスポット溶接を行う場合、溶接点３は一定の距離を隔てて繰り返す位置にある。そこで、制御装置２３の制御により最初は広い範囲の走査を行って溶接点３を検出するとともに、二回目以降は前記規則性に基づきより狭い範囲に絞った走査を行って溶接点３を検出する。このときの第一回目、第二回目及び第三回目の走査範囲を図中にI、II、IIIの符号で示す。
【００３１】
本実施例における制御装置２３は、被溶接部材の相互の溶接部を避けた位置まで溶接ヘッドを移動して溶接を終了するように制御する。具体的には、図８（ａ）に示すように、
多数の蒸気配管１を束ねてバンド２で一体化するためのスポット溶接を行う場合、溶接の終了時点で形成されるキーホールである溶接点３のビードの窪み３ａが、蒸気配管１とバンド２との交点位置を避けて形成されるように溶接ヘッド１６の位置を制御する。これは、制御装置２３で位置決め装置２１の位置を制御することにより実現し得る。
【００３２】
このように、溶接部３を避けた位置まで溶接ヘッド１６を移動して溶接を終了するように制御することで相対的に溶接強度が劣る窪み３ａ部分を応力が集中する前記交点位置を避けた位置にもってくることができる。
【００３３】
一般に、被溶接部材の接合部は、二つの部材が重なる部分であるので応力が集中するが、かかる応力集中部を避けて溶接を終了し、レーザ溶接等の場合、必然的に形成されるキーホールである窪みが前記応力集中部を避けて形成されるようにすることで全体的な溶接強度の向上に資することができる。図８（ｂ）は図８（ａ）に対応する溶接を従来方式で実施した場合を示す。同図に示すように、この場合の窪み３ｂは、溶接部３のビートの中心、すなわち応力集中部に重なる形で形成されており、この部分で溶接強度が劣る構造となっている。
【００３４】
なお、本発明に係る自動溶接は隅肉形状のスポット溶接に限るものでは勿論なく、継ぎ手形状は重ね、突き合わせ、隅肉の各形状の何れでも良い。また、薄板貫通溶接において裏板を高精度に制御する場合にも適用できるため、部分溶け込み溶接に限る必要もない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、高精度に溶接溶け込み深さを制御しながら薄板構造物の溶接を行う用途、例えば多数の蒸気配管を束ねるためのスポット溶接等に適用して有用なものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係る溶接システムにおける溶接ユニットを概念的に説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る溶接システムを示すブロック線図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るレーザ光のプロファイル（ａ）を従来技術に係るレーザ光のプロファイル（ｂ）との比較において示す波形図である。
【図４】デフォーカスによりレーザ光のプロファイルの平滑化を図る場合の様子を概念的に示す説明図である。
【図５】カライドスコープによりレーザ光のプロファイルの平滑化を図る場合の様子を概念的に示す説明図である。
【図６】レーザ発振波形にスロープダウン部を設けた場合のその波形を示す波形図である。
【図７】被溶接部材の溶接位置の検出に際しての走査範囲を概念的に示す説明図である。
【図８】溶接部を避けて溶接を終了した場合の窪み（ａ）を溶接部で溶接を終了した場合の窪み（ｂ）との比較において示す説明図である。
【図９】薄肉配管をバンドで一体化するためのスポット溶接の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３７】
１        蒸気配管
２        バンド
３        溶接部
３ａ、３ｂ        窪み
１１        溶接ユニット
１２、１３        被溶接部材
１４        溶接部
１５        レーザビーム
１６        溶接ヘッド
１７        溶接ワイヤ
１８        ワイヤ供給部
１９        スライド機構
２０        位置検出センサ
２１        位置決め装置
２２        レーザ発振器
２３        制御装置
２４        均質ビームのプロファイル
２５        通常ビームのプロファイル
２６        レーザビーム
２６ａ、２６ｂ        レーザビームのプロファイル
２７        カライドスコープ
２８        レンズ
２９        レーザビーム
３０        スロープダウン部
I、II、III        走査範囲
【図１】
2005138126.tif 000003
【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】
2005138126.tif 000009
【図８】
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【図９】
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