(57)【要約】レーザースポット溶接の方法であって、レーザービームは、溶接される材料の方向に向けられ、溶接工程中、溶接スポット位置での前記材料の表面温度が検知される。溶接の有無は、レーザービームが遮断された後に、検出された表面温度に基づいて判定することができる。さらにレーザービーム出力は、検知された表面温度に応じて制御することができる。溶接過程を制御するため、さらに溶接スポットから反射されたレーザー放射線が検出される。
2006510490.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザースポット溶接の方法であって、レーザービームが溶接される材料の方向に向けられ、溶接工程中、溶接スポット位置での前記材料の表面温度が検出されることを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記レーザービームは、前記溶接スポットに向かうまでに、ミラーによって反射され、前記溶接スポットから生じる赤外線は前記ミラーを通過し、センサで検出されることを特徴とする請求項1に記載の方法。
【請求項３】
溶接部の有無は、前記溶接工程の冷却段階において、前記溶接スポットの検出された表面温度に応じて判定されることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の方法。
【請求項４】
前記レーザービームの出力は、前記溶接スポット位置での前記材料の前記検出された表面温度に応じて、制御されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項５】
所定の表面温度範囲が検出された際、前記レーザービームの前記出力は、低下することを特徴とする請求項4に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザービームの前記出力は、溶接される前記材料によって吸収される前記レーザー出力に応じて、制御されることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項７】
前記材料によって吸収される前記レーザー出力は、前記材料の表面に照射される前記レーザービームの出力から、前記反射されたレーザー放射線の出力を差し引くことよって算出されることを特徴とする請求項6に記載の方法。
【請求項８】
前記レーザービームの前記出力は、前記溶接される材料に所定のレーザーエネルギーが吸収された後に、遮断され、または低下されることを特徴とする請求項6または7のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記溶接スポットに向けられた前記レーザービームの前記出力のフィードバック制御は、前記表面温度が所定の範囲に到達した後に開始され、該所定の範囲は融点近傍の温度であることを特徴とする前記請求項のいずれか一つに記載の方法。
【請求項１０】
レーザービームを溶接される材料の方向に向ける手段を有するレーザースポット溶接の装置であって、溶接工程中、前記溶接スポット位置での前記材料の前記表面温度を検出する温度検知手段を備えることを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記溶接される材料によって吸収されるレーザーエネルギーを算出する手段を備え、さらに前記吸収されるレーザーエネルギーに応じて、前記レーザービームの前記出力を制御する制御手段を備えることを特徴とする、請求項10に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザービームを溶接される材料の方向に誘導する、レーザースポット溶接の方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザースポット溶接は、レーザービームを用いた局部加熱により、1組の材料を相互に接続させる接合技術である。レーザービームは、材料表面の限定された領域（以降溶接スポットという）に集束され、レーザービームの出力密度が十分に高いため、1組の材料が短時間で溶融、融合する。この技術は、小型製品の微小溶接に用いられる場合、レーザーミクロスポット溶接と呼ばれる。処理時間は極めて短く、例えば0.5乃至20ms（ミリ秒）程度である。
【０００３】
微小溶接スポットと、短い処理時間の組み合わせにより、熱影響部が限定され、この技術は、微細制御された物理的形状および／または幾何学的な安定性、ならびに板材の異なる部分に複雑な配置、が要求される小型精密部品の接合の際の有効な代替技術となる。レーザースポット溶接は、銅、各種鋼およびステンレス鋼等、多くの種類の金属および合金の溶接に利用することができる。
【０００４】
スポット溶接工程の有効な制御は、スポット溶接を行う前に、溶接される部分の特徴、状態および寸法を正確に把握することにより可能となる。その場合、溶接工程の制御を前記特性、状態および寸法に適合させることにより、所定の品質および寸法の溶接を得ることができる。しかしながら、ほとんどの場合、材料特性および／または接合される部分の状態および／または寸法は、正確に把握することはできない。従って溶接の品質は変動し、その後の検査によって、品質を判定しなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、レーザービームによるスポット溶接操作を提供することであり、スポット溶接操作中に、得られるスポット溶接の品質を検査することができ、および／または前記品質が向上するように、操作がモニターされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本課題を解決するため、溶接工程中に、溶接スポット位置での前記材料の表面温度が検知される。溶接工程は、レーザービームを溶接される材料の方向に向ける時間と、レーザービームが遮断され、材料が冷却される時間と、を含む期間を有する。溶接スポットの限定領域において、材料の表面温度を測定するため、例えばInGaAs光ダイオードまたは他の赤外線検出センサによって、その限定領域からの赤外放射線が測定される。
【０００７】
加えられるレーザーエネルギーは、接合される材料部分を介して拡散するため、結果的に材料内には、ある温度勾配プロファイルが生じる。このプロファイルは、測定によって把握することは難しいが、熱分布に関する情報は、その位置での表面温度の動的応答（すなわち時間依存挙動）を測定することにより、把握することができる。例えば、接合される2部品間に実際に金属接触が生じているかどうかが検知される。確認試験では、従来のInGaAs光ダイオードセンサで、溶接スポット表面からの赤外放射線を正確に検出できることが示されている。
【０００８】
レーザービームは、溶接スポットの方向に向かうまでにミラーによって反射され、溶接スポットからの赤外線は、同じミラーを通過してセンサによって測定され、溶接スポット位置での表面温度が検出されることが好ましい。センサは、ミラーの後段側に設置される。これにより、センサで測定される赤外放射線は、レーザービームと反対方向に、レーザービームと同様の方法で進行する。従って、溶接スポット領域からの赤外放射線のみを測定することができる。
【０００９】
ある好適実施例では、溶接の有無、特に、良好な溶接の有無は、溶接過程の冷却段階において検出される溶接スポットの表面温度に基づいて、判定される。溶接工程の最終段階では、レーザービームは遮断され、あるいはレーザービームの出力は、十分に抑制される。熱は、主として材料を介して拡散するため、溶接スポット位置での材料表面温度は、低下する。両部品の溶融材料が、良好な融合特性を有する場合、そのような拡散はより急速に生じる。2部品間の溶接接合部が、熱伝導のブリッジとなり、両部品材料を介して熱拡散が生じる。従って、レーザービーム遮断後の表面温度の比較的速やかな減少から、適正な溶接がされたという結論が得られ、一方比較的温度低下が遅い場合は、溶接がされていないか、良好な溶接がされていないことが判断される。
【００１０】
レーザービームが照射されると、材料内でのエネルギー吸収のため、表面温度は上昇する。材料の相変化温度（融点）は、既知のパラメータであるため、表面温度の測定により、材料表面での固体-液体相変態の時間が検出される。
【００１１】
従って、ある好適実施例では、表面温度が、所定の表面温度範囲になったことが検出され、表面温度が、固体-液体相変化温度（融点）、または融点近傍の温度、特に融点の直上の温度となったとき、レーザービームの出力が減少する。特に、銅の溶接の場合、液体材料状態でのレーザー出力吸収係数は、固体状態に比べて著しく高くなる。従って、材料の溶融が開始されると、レーザービームの出力は抑制され、溶融過程は安定に維持される。
【００１２】
レーザービームの出力は、溶接スポット位置で検知された材料表面温度に基づいて、制御されることが好ましい。そのようなフィードバック制御は、例えば表面温度が前記所定の範囲を超えたときには、レーザー出力を低下させ、表面温度が前記所定の範囲を下回ったときには、レーザー出力を増大させることによって、一定期間、表面温度を所定の値に維持する。所望の設定曲線（時間に対する設定温度の変化）を選定することができ、表面温度は前記曲線に追従する。
【００１３】
ある好適実施例では、溶接スポットの方向に向けられたレーザービーム出力のフィードバック制御は、表面温度が所定の範囲に到達してから開始され、この範囲は、溶接される材料の融点近傍の温度であることが好ましい。これによりレーザースポット溶接工程の溶融段階を効果的に制御することができる。
【００１４】
溶接スポット位置での表面温度測定時の温度の値および／またはその変化を、溶接の品質判定に利用することができ、特に、良好な溶接の有無および／または材料の溶融開始時間の判定および／またはフィードバック制御によるレーザービーム出力の制御に、利用することができる。これらの3種類の方法は、別個の発明である。これらの3種類の方法の各々は、他の2種類の方法とは独立に利用することができるからである。
【００１５】
ある好適実施例では、溶接される材料に吸収されたレーザー出力を算出するため、溶接スポットから反射されたレーザー放射線が検出される。溶接スポットに照射されるレーザービーム出力のうちの一部のみが、溶接される材料によって吸収され、残りの部分は、材料表面の溶接スポットから反射される。
【００１６】
ある好適実施例では、レーザービームの出力は、溶接される材料に吸収されるレーザー出力に応じて制御されるが、フィードバック制御は、表面温度が所定の範囲に到達してから開始されることが好ましく、その範囲は、溶接される材料の融点近傍の温度であることが好ましい。
【００１７】
吸収レーザー出力は、溶接される材料に照射されるレーザービームの出力を制御する上で重要なパラメータである。吸収レーザー出力は、溶接される材料に吸収されたレーザーエネルギーを時間積分して算出することができる。反射レーザービームの出力を求め、材料表面に照射されるレーザービーム出力からこの値を差し引いて、吸収レーザー出力を算出する必要がある。
【００１８】
ある好適実施例では、所定のレーザーエネルギーが溶接される材料に吸収された後に、レーザービームの出力が遮断または低下される。吸収エネルギーが一定値に維持されたとき、良好な溶接品質が得られることは明らかであり、実験によって、この値は容易に定めることができる。
【００１９】
反射レーザー放射線は以下のように定めることが好ましい。すなわち反射レーザー放射線は、溶接スポット表面から、異なる方向に放射される。反射レーザー放射線のある部分（割合）は、レーザービームを溶接スポットに誘導する光学系によって収集される。ある割合の出力は、例えばゲルマニウム光ダイオードのようなセンサによって測定される。検出されるレーザービームの出力は、反射出力に比例するため、実験によって容易に定めることのできる定数を検出出力に乗じることで、全反射レーザー放射線が算出される。
【００２０】
溶接スポットに照射されるレーザービームの出力は、レーザー装置のデータに基づいて算出することができるが、出力は、後述するように、光学系での測定に基づいて算出しても良い。
【００２１】
ある好適実施例では、レーザービームは、溶接スポットの方向に向かうまでに、ミラーによって反射され、溶接スポットからの反射レーザービームの一部は、前記ミラーを通過し、センサによって測定される。
【００２２】
吸収レーザー出力に応じて、溶接される材料に照射を行うレーザービーム出力のフィードバック制御は、別個の発明として把握される。この方法は、本明細書に記載された他の方法とは独立に利用することができるからである。
【００２３】
本発明はさらに、レーザースポット溶接の装置に関し、本装置は、溶接される材料の方向にレーザービームを向ける手段を有し、溶接工程中、溶接スポット位置での前記材料の表面温度を検出する温度検出手段を備える。検出された表面温度に応じて、レーザービーム出力を制御するため、制御手段が設けられることが好ましい。
【００２４】
溶接される材料に吸収されるレーザーエネルギーを算出する手段が設けられ、吸収されるレーザーエネルギーに応じて、レーザービームの出力を制御する制御手段が設けられることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明を、図面を参照して以下に詳しく説明する。
【００２６】
レーザースポット溶接は、接合技術の一種であり、様々な形状の各種材料、特にプレート状金属材料の接合に用いることができる。例えば、レーザースポット溶接は、小型製品の微小溶接に用いることができる。この接合技術の典型的な特徴は、レーザービームの処理工程中、レーザービームが、同一のスポットに焦点を維持することである。小型スポット溶接の場合、処理工程時間は短く、例えば0.5乃至20ms（ミリ秒）程度である。産業上、いくつかの異なる溶接方法が利用されており、その中では直立端部溶接、重ね合わせ隅肉溶接および重ね合わせ浸透溶接が、最も良く用いられている。
【００２７】
図1A、1Bおよび1Cには、これらのレーザースポット溶接の形状を示す。プレート1は、スポット溶接3、4、5によってプレート2に接合される。図1には、同じ距離だけ離れた2のプレート1、2が示されているが、実際には、これらのプレートは相互に接触していても良く、異物または他の材料が、2プレート1、2の間にあっても良い。プレートは、ほとんどの場合、完全に平坦ではないため、プレート1、2を仕切る表面の間には微小な隙間がある。図1Aには、プレート1、2の両端で接合する「直立型端部」スポット溶接3を示す。図1Bには、「重ね合わせ隅肉」スポット溶接4を示すが、この溶接4は、プレート1の端部をプレート2の表面に接合する。図1Cには、「重ね合わせ浸透」溶接5を示すが、この場合、2プレート1、2の表面は、溶接5を介して接合される。図1A、1Bおよび1Cの矢印6は、レーザービームの方向を表している。
【００２８】
重ね合わせ浸透溶接は、最も難しい形状である。試料全体のレーザーエネルギーの分布が、2金属部分によって、顕著な影響を受けるからである。図2A、2B、2Cおよび2Dには、重ね合わせ浸透形状の場合のスポット溶接プロセスの異なる段階を示す。図には、2金属プレート1、2が示され、矢印6は、上部プレート1に垂直に照射されるレーザービーム6を表している。レーザービームの反射および赤外線の放射が、矢印7で示されている。
【００２９】
図2Aには、溶融前の段階が示されており、多くの材料において、レーザー出力（エネルギー）が吸収されると、温度は上昇するため、処理工程は加熱により、多少加速される。図2Bには、溶融段階を示す。この段階では、スポット領域内のプレート材料1は、最初は一部固体、一部液体であるが、溶融段階の完了時には、ほぼ液体となる。液体材料は、符号8で示されている。図2Cには、得られた熱伝導溶接部を示す。揮発化はほとんど生じておらず、プレート1の表面は、多少歪むが平坦である。レーザービームがより高出力の場合、図2Dに示すような状態となり、いわゆるキーホールスポット溶接が生じ、揮発材料の跳ね返り力により、液体が脇に押し出され、レーザービームが捕集される。
【００３０】
スポット溶接処理中、吸収係数は変化するが、熱伝導度のような他のパラメータも、材料温度および材料相（固体または液体）に依存して変化する。また、溶接される材料およびその状態に依存して、初期の吸収係数は変化する。例えば銅の場合、材料表面の昇温中、レーザービームの吸収は、ゆっくりと上昇するが、溶融が始まった直後に、吸収係数は2倍となる。従って、溶融時にレーザー出力を即座に低下させて、処理工程を安定に維持する必要がある。しかしながら、この時間は、初期段階での出力吸収量に依存し、（通常の酸化から予想される）10％の変動でも安定性に問題が生じる。酸化、エッチング、サンドブラストまたはコーティングのような予備処理によって、「初期」材料の吸収を改善、確保することで、問題は軽減する。処理工程がキーホール状態に至ったとき、吸収に別の変化が発生し、キーホール処理の場合、レーザー吸収は、ほぼ100％となる。
【００３１】
材料に予備処理を行うと、溶融前段階において、より良い吸収が得られる。一度溶融が始まると、溶接される部分間の距離のような、別のプロセスパラメータの妨害の影響が大きくなる。リアルタイムフィードバック技術は、吸収の変化、隙間（部分間の距離）変化、および溶接に影響を及ぼす例えば構造部を介しての熱拡散、のような他のプロセスパラメータの変化を取り扱うことができる。
【００３２】
図3には、一連の段階における銅部分のスポット溶接処理の吸収の変化を示す。図には、後続段階に影響を及ぼす、レーザーエネルギーの初期吸収の影響が示されている。図から、溶融前段階において吸収が高い場合、溶融段階およびキーホール段階は、比較的早く開始される（連続線9）。そのような高吸収は、材料表面が黒くなっている場合に生じる。表面が研磨されると、連続線10のように初期吸収は低くなる。この場合、溶融段階およびキーホール段階は、遅れて開始される。2の連続線9、10の間の線は、10％から80％の間の各初期吸収を示している。臨界相変化の正確な時間は変化しており、これは、フィードバック制御技術をレーザー源出力の調整に援用できることを示している。
【００３３】
図4には、効果的な処理制御、特にフィードバック制御を行うための、溶接工程モニタリング用の複数のセンサを用いた、レーザースポット溶接の構成の一例を示す。図4には、構成が概略的に示されており、別のレンズ、フィルタ、ダイアフラムは示されていないが、これらを用いても良い。
【００３４】
2の金属プレート1、2は、重ね合わせ浸透溶接により相互にスポット溶接される。レーザービームは、400ミクロンのガラスファイバ15を通って放射される。ガラスファイバ15からの発散レーザービーム16は、レンズ17を通り、平行レーザービーム18となる。第1のミラー19は、レーザービーム18を可動式ミラー20の方向に向ける。ミラー20は、矢印21で示すように、2軸の周りを多少回転することができ、レーザービーム（矢印23で示されている）は、正確に金属プレート1の表面の所望の位置に向けられる。レーザービーム23が、プレート1の表面に照射される前に、レーザービームは、レンズ22を通るため、レーザービーム23は、溶接スポットに集束される。
【００３５】
第1のミラー19は、レーザービーム18の大部分を反射するが、所定の割合のレーザービーム18は、ミラー19によって反射されず、ミラー19を通過する。そのようなミラーは公知である。ミラー19を通過するレーザービーム26の出力（エネルギー）は、レーザービームがミラー27によって反射され、レンズ28を通過し、センサ25の方向に導かれた集束レーザービームとなって、センサ25によって検出される。センサ25は、ゲルマニウム光ダイオードである。レーザービーム26の出力は、レーザービーム23の出力に比例するため、溶接スポットに照射されるレーザービーム23の出力は、レーザービーム26の出力をセンサ25で測定することにより、容易に算出することができる。
【００３６】
レーザービーム23の出力の一部は、プレート1の材料に吸収されるため、レーザービーム23がプレート1に照射されたスポット位置で、材料は局部的に加熱される。しかしながら、レーザービームの残りの分は、プレート1の表面で反射され、矢印29に示すように、表面から逸散される。プレート1によって吸収されたレーザービーム23の出力を算出するため、反射レーザービームの出力が、以下のように検出される。
【００３７】
反射レーザー放射線（矢印29）の一定割合は、レンズ22によって方向づけられる。反射レーザー放射線は、レンズ22を通過した後に、レーザービームを形成する。このレーザービームは、レーザービーム23と同じ経路を逆方向に進行する。レーザービームは、ミラー21によって反射されてから、ミラー19に到達する。上述のように、レーザービームの一部（ある割合）は、ミラー19を通過し、レーザービーム30を形成する。集光ビームを形成するため、レーザービーム30は、レンズ31を通過して集束ビームとなり、ミラー32の方向に向けられる。レーザービーム30のある一定割合は、ミラー19の場合と同様に、ミラー32を通過し、センサ34に到達する。レーザービーム33の出力は、プレート1によって反射されるレーザービームの出力に比例する。従って反射レーザー放射線29の出力は、レーザービーム33の出力をセンサ34で測定することにより、容易に算出することができる。センサ34は、ゲルマニウム光ダイオードである。
【００３８】
レーザービーム23のエネルギーとレーザー放射線29のエネルギーの差は、プレート1によって吸収されたエネルギーに相当する。従って、レーザービーム23の出力および反射されたレーザー放射線29の出力を連続的に検出することによって、および両方のエネルギーの算出によって、いかなる時間でも、吸収エネルギーを算出することができる。
【００３９】
プレート1の表面によって吸収されたエネルギーの算出は、十分に高精度で行うことはできない。実際の構成では、全ての反射されたレーザー出力を検出することはできないからである。図４に示すように、光学系の口径に戻る反射された出力のみが、測定される。しかしながら、光学系に到達した反射レーザー放射線の比率（割合）の推算は、いくつかの実際の実験後に、ある程度妥当な精度で行うことができる。一方、入力レーザー出力は、第1のミラー19の後段側のセンサ25によって、ミラー19を通過する入射レーザー出力の既知で一定の割合を検出することにより、信頼性のある値で検知することができる。
【００４０】
吸収レーザーエネルギーは、溶接部分から拡散し、結果的に前記部分には、ある温度勾配プロファイルが得られる。このプロファイルは、オンライン測定によって把握することは難しいが、溶接スポットの材料表面位置の温度の動的挙動を把握することにより、熱分布の情報は得ることができる。特に、2金属プレート1、2の間が、実際に良好に接合されているかどうかを検出できる。
【００４１】
溶接スポット位置での表面温度を測定するため、図において矢印29で示す表面からの赤外線の一部は、前記光学系の口径に収集され、さらにレンズ22を通過し、ミラー20によって、第1のミラー19の方向に反射される。赤外線の一部は、ミラー19およびレンズ31を通過し、ミラー32によって反射される。次に赤外線は、いわゆるNd：YAGフィルタ36を通過し、レーザー放射線が遮断される。ミラー37は、赤外線38をセンサ39の方向に誘導するため、センサ39による溶接スポットの表面温度の測定が可能となる。センサ39は、いわゆるInGaAs光ダイオードである。
【００４２】
図4の構成では、溶接スポットはCCDカメラ40で観測される。この場合、CCDカメラによって検知される溶接スポットからの可視光は、反射レーザー放射線と同じ光学系の経路を進み、ミラー37を通過してCCDカメラ40の方向に進む。
【００４３】
上述の構成の実施例では、全てのセンサ25、34、39は、ローカルプリアンプを有し、増幅信号はフィルタユニットに送信される。このフィルタユニットは、全てのセンサ信号に対して単純な反擬似ラインフィルタ処理を行う。それに加えて、光センサからの信号は、櫛形フィルタによって処理される。この櫛形フィルタは、レーザーユニットのフラッシュランプへの切り替えモードの供給電流の基本周波数および全ての高調波を抑制する。チョッパー周波数によるレーザー出力変調は、センサ信号を完全に抑制し、制御ループには影響を及ぼさない。本願の場合、ハードウェアのフィルタ処理は、制御器が制御動作に必要であると予想される最大処理性能を有するように、選定される。
【００４４】
実施例の制御器のハードウェアは、ミクロスターラボラトリー社（Microstar  Laboratories）のDAP5200a信号取得プロセッサボードである。このボードは、8のアナログ入力チャンネルを提供し、14ビットの解像度の2のAD変換器を有し、サンプリング周波数は最大400kHz（全てを使用した場合、チャンネル当たり50kHz）である。2のアナログ出力チャンネルは、駆動アクチュエータに提供される。本実施例では、レーザーユニットへの出力設定位置に、1つだけ用いられている。入力データの処理、および出力信号の発生は、オンボードプロセッサで行われる。
【００４５】
図5には、銅プレートのレーザースポット溶接の制御方式を示す。水平軸は時間を示している。線42は、溶接スポット位置での設定表面温度を表す。時間t0までの溶融前段階では、設定温度はT0であり、この温度から銅の溶融が開始される。材料は室温から融点直上の温度に加熱されるが、上述のように固体-液体相変化の同定は難しいため、処理は不安定になる。この問題は、時間t0まで溶融前段階を延ばすことにより解決される。すなわち測定温度が所定の閾値T0を超えたときに、直ちに溶融前段階が完了して、溶融段階が開始される。この段階では、レーザー出力は、測定表面温度が線42に従うように制御され、これによりPI制御器は、T0から所望の溶融温度T1に温度を制御し、ある一定時間t1まで、温度をT1に保持する（線42の水平部）。時間t1は、所定のレーザーエネルギーがプレート1、2の材料によって吸収される時間である。時間t1点は、溶融段階の終了時間である。時間t1では、レーザービーム出力は低下し、または遮断され、線42の最終部分のように、溶接温度は室温まで低下する。銅の場合、この冷却曲線は、それ程厳密でなくても良い。
【００４６】
図5の下側には、レーザービームの出力（破線43）を示すが、この出力は、所望の表面温度（線42）に応じて制御される。また図には、実際の溶接スポットの表面温度（線44）と、反射レーザー放射線出力（線45）も示されている。
【００４７】
溶接過程は、溶接される材料の熱変化と、材料の相（固体または液体）に直接関係する。溶接過程は、材料が固相から液相に変化して、材料の溶融が生じた場合、急激に変化する。従って、プロセス段階の遷移が同定され、各モデルおよび各制御器が定められる。上述のように、処理の後続段階を定めることができる。
【００４８】
溶融前段階では、材料の溶融が始まるまで、レーザー出力は一定に維持される（P調整のみが作動する）。次に溶融段階では、リアル制御方式が用いられ、溶融表面温度に基づいて、プロセスが調整される（この段階では、PID調整が用いられる）。最終的に溶融段階は、ある時間（t1）で完了し、冷却が始まる。各段階を以降により詳しく説明する。
【００４９】
溶融前段階には、溶融段階が始まるまで材料を加熱する工程が含まれる。時間t0（図5参照）は、溶接スポット位置で検出された表面温度で定められる。その時間は、さらに溶接される材料に依存する、反射レーザー光線信号の変化から定めることもできる。
【００５０】
溶融段階は重要な段階である。事実上溶接は、この段階で生じるからである。この段階の目的は、溶融が十分な浸透深さで生じるまで、温度を一定にすることである。通常、この段階の時間は、溶接の品質および再現性を決める。従って、この段階の時間を適切に制御することにより、適切な調整が行われる。
【００５１】
この段階中は、材料に吸収されるレーザーエネルギーがモニタリングされる。溶融過程の時間は、一定の吸収エネルギーが得られるように制御することができる。吸収エネルギーは、吸収レーザー出力の積分によって算出することができる。吸収レーザー出力は、材料を照射するレーザービーム出力と、反射されたレーザー放射線の出力の差であり、両者は測定することができるため、上述のように、測定値に基づいて吸収エネルギーを算出することができる。
【００５２】
溶融後段階では、ある冷却曲線に沿って、レーザースポット溶接工程が完了する。材料が銅の場合、冷却曲線は、接合(溶接)の品質にそれ程重要ではない。ただし、他の用途では、冷却温度曲線が、溶接工程の品質に対して主要な影響を及ぼし得る。
【００５３】
確認試験では、ある一定のパルス形状を用いたレーザースポット溶接の状態と、新たなフィードバック制御式スポット溶接の状態との比較を行った。試験は、清浄な銅プレートおよび清浄でない銅プレートで実施した。プレート間に20、40、60ミクロン厚さのスペーサを設置して、プレート間に対応する隙間を形成した。100μmの銅プレートを、50ミクロンの銅プレートに溶接した。実験の結果、新しいフィードバック制御スポット溶接工程で得られた溶接では、隙間の実際の寸法に顕著な差異は無いことがわかった。
【００５４】
表1には、「清浄な」プレートでの実験結果を示し、表2には、非清浄なプレートでの同様の実験結果を示す。3列目には、接合プレートの底部で測定された溶接径のばらつきを示す。この値は、溶接過程の再現性を示す妥当な指標となる。4列目には、低品質溶接（または溶接不良）の発生比率を示す。
【００５５】
【表１】
2006510490.tif 000003
【００５６】
【表２】
2006510490.tif 000004
表1から、両部品の間に隙間がない場合、非フィードバック式の処理工程でも、良好な特性が得られることがわかる。隙間の妨害（プレートを介しての熱分布の変化）の影響は、フィードバック制御工程によって、効果的に排除される。同様の効果が、追加の妨害因子となる、非清浄な銅を用いた場合にも認められる。接合技術の顕著な改善は、フィードバック制御工程を用いた場合に認められる。
【００５７】
上述の方法は、銅以外の材料、特に比較的高反射性および／または比較的高熱伝導性の材料にも、同様に利用できる。
【００５８】
レーザービームを遮断した直後の溶接スポット位置での材料表面温度の低下挙動として、2種類の明確に区別できる曲線が得られ、これらの曲線は良好な溶接部の有無を示す。溶接品質のモニタリングは、レーザービームの出力が実質的に低下、または遮断された冷却段階での信号レベルを測定することによって、行うことができる。
【００５９】
良好な溶接と溶接不良の差異の検出に加えて、本技術を展開利用して、スポット溶接のモニタリングをすることもできる。接合部品間に有効な物理的接触（熱輸送特性の変化）が得られたときに、それを検出して、最適な結果が得られるように、処理中にプロセス条件を調整することも可能であり、例えば、2部品間の隙間の影響を補正することができる。
【００６０】
レーザースポット溶接の上述のいくつかの実施例は、単なる例示である。本方法について他の多くの実施例が考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】各種レーザースポット溶接の形状を示す図である。
【図１Ｂ】各種レーザースポット溶接の形状を示す図である。
【図１Ｃ】各種レーザースポット溶接の形状を示す図である。
【図２Ａ】スポット溶接工程の異なる段階を示す図である。
【図２Ｂ】スポット溶接工程の異なる段階を示す図である。
【図２Ｃ】スポット溶接工程の異なる段階を示す図である。
【図２Ｄ】スポット溶接工程の異なる段階を示す図である。
【図３】時間に対するレーザー出力の吸収を示す図である。
【図４】複数のセンサを用いたレーザースポット溶接の構成例を示す図である。
【図５】レーザースポット溶接の制御方式を示す図である。
【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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【国際調査報告】
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