(57)【要約】【課題】突合せ継手に隙間があり、かつ適宜の移動が困難な被溶接材を効率的かつ簡便に溶接可能な溶接装置および溶接方法を提供する。【解決手段】溶接装置１は、レーザー光を発生させる発振器２と、レーザー光を導く光導波路を有して複数の被溶接材Ｂの突合せ接合面へレーザー光を照射可能なレーザーヘッド３と、被溶接材Ｂの表面形状を測定するレーザー変位計５と、レーザーヘッド３を支持するとともにレーザー変位計５の測定結果に基づいてレーザー光が被溶接材Ｂの突合せ接合面に沿う方向へ照射するよう被溶接材Ｂとレーザーヘッド３との相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置６と、突合せ接合面の隙間を撮影するカメラ７と、カメラ７が撮影する画像から突合せ接合面の隙間の大きさを求め、レーザーヘッド３の制御量を決定して被溶接材Ｂの一方側および他方側の両方にレーザー光を照射させる演算装置１１と、を備える。【選択図】  図１
2013154365.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を発生させる発振器と、
前記レーザー光を導く光導波路を有して複数の被溶接材の突合せ接合面へ前記レーザー光を照射可能なレーザーヘッドと、
前記被溶接材の表面形状を測定するレーザー変位計と、
前記レーザーヘッドを支持するとともに前記レーザー変位計の測定結果に基づいて前記レーザー光が前記接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材と前記レーザーヘッドとの相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置と、
前記接合面の隙間を撮影するカメラと、
前記カメラが撮影する画像から前記隙間の大きさを求め、前記レーザーヘッドの制御量を決定して前記被溶接材の一方側および他方側の両方にレーザー光を照射させる演算装置と、を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項２】
レーザーヘッド支持装置は、前記レーザーヘッドの向きを変える駆動装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の溶接装置。
【請求項３】
前記演算装置は、前記被溶接材に結ぶ前記レーザー光のスポット径が前記隙間よりも大きくなる前記制御量を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項４】
前記演算装置は、前記スポット径の拡大とともに前記発振器の出力を上げることを特徴とする請求項３に記載の溶接装置。
【請求項５】
前記演算装置は、前記被溶接材に結ぶ前記レーザー光のスポット径が前記隙間を跨いで往復動するよう前記レーザーヘッドの前記制御量を決定することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項６】
前記レーザーヘッドは、前記レーザー光を分岐して照射する第一光導波路および第二光導波路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項７】
前記演算装置は、前記第一光導波路から前記被溶接材の一方側へ第一レーザー光を照射するとともに前記第二光導波路から前記被溶接材の他方側へ第二レーザー光を照射する前記制御量を決定することを特徴とする請求項６に記載の溶接装置。
【請求項８】
前記レーザーヘッドは、前記被溶接材に結ぶ前記レーザー光のスポット径が前記隙間よりも大きくなる光導波路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の溶接装置。
【請求項９】
レーザー光を発生させる発振器と、
前記レーザー光を導く光導波路を有して被溶接材の突合せ接合面へ前記レーザー光を照射可能なレーザーヘッドと、
前記被溶接材の表面形状を測定するレーザー変位計と、
前記レーザーヘッドを支持するとともに前記レーザー変位計の測定結果に基づいて前記レーザー光が前記接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材と前記レーザーヘッドとの相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置と、を備えることを特徴とする溶接装置。
【請求項１０】
被溶接材の表面形状を測定し、
前記測定の結果に基づいてレーザー光が前記被溶接材の突合せ接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材とレーザーヘッドとの相対的な向きを変更し、
前記接合面の隙間の大きさを求め、
前記被溶接材の一方側および他方側の両方に前記レーザー光が照射するように前記レーザーヘッドの制御量を決定し、
前記被溶接材を溶接することを特徴とする溶接方法。
【請求項１１】
前記被溶接材に結ぶ前記レーザー光のスポット径が前記隙間よりも大きくなるよう前記制御量を決定することを特徴とする請求項１０に記載の溶接方法。
【請求項１２】
前記スポット径の拡大とともに前記レーザー光を発生させる発振器の出力を上げることを特徴とする請求項１１に記載の溶接方法。
【請求項１３】
前記被溶接材に結ぶ前記レーザー光のスポット径が前記隙間を跨いで往復動するよう前記制御量を決定することを特徴とする請求項１０に記載の溶接方法。
【請求項１４】
前記レーザーヘッドで前記レーザー光を分岐して前記被溶接材の一方側へレーザー光の一部を照射するとともに前記被溶接材の他方側へレーザー光の他部を照射する前記制御量を決定することを特徴とする請求項１０に記載の溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係る実施形態は溶接装置および溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複数の被溶接材をほぼ同じ面内で突き合わせて突合せ継手を構成し、この突合せ継手を溶接する突合せ溶接が知られている。突合せ継手にレーザー光を照射して被溶接材を溶接するレーザー溶接において、被溶接材間に隙間（ギャップ）がある場合、溶接速度を適正値（被溶接材がほぼ隙間なく接する場合の溶接速度）よりも下げて溶接することによって溶接部にへこみや落ち込みなどの欠陥なく良好に溶接できる。一例として、板厚が１ｍｍの軟鋼をレーザー光で突合せ溶接する場合、レーザー出力が３ｋｗ、溶接速度が４ｍ／ｍｉｎのときに約０．０５ｍｍの隙間のある被溶接材を良好に溶接できる一方、溶接速度を３ｍ／ｍｉｎに下げることによって約０．１ｍｍの隙間のある被溶接材を良好に溶接できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
この他に、溶接中に溶加材を付加して被溶接材間の隙間を埋める方法も知られている。このような方法には、例えば、レーザー溶接とアーク溶接とを併用するレーザー・アークハイブリッド溶接がある。
【０００４】
ところで、ＣＣＤカメラを備える突合せ溶接の倣い装置が知られている。この倣い装置は、ＣＣＤカメラが撮影する画像から被溶接材の開先線を探索し、この探索結果に基づいて溶接トーチを開先線に倣わせる構成となっている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、被溶接材を開先線方向へ相対的に移動して突き合わせ部を摺り合わせ、被溶接材間の隙間を小さくして溶接する溶接装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特公平５−７０５５３号公報
【特許文献２】特開２００７−１０５７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
溶接速度を適正値よりも下げて溶接することは、同じ長さを溶接するためにより長い時間を掛けることであり、能率面におけるレーザー溶接の利点を失う。また、溶接速度を適正値よりも下げることは、入熱の増加による溶込み深さの増大や被溶接材の変形、熱影響部の拡大や靭性の低下を招く虞もある。しかも、溶接速度を適正値よりも下げることで対応できる隙間の大きさは高々０．２ｍｍ程度であり、これより大きい隙間はレーザー光が通過してしまい、この方法を適用できない。
【０００８】
また、溶接中に溶加材を付加して被溶接材間の隙間を埋めることは、溶加材を溶融させる必要が加わるため、同じ長さを溶接するためにより長い時間を掛けることになり、能率面におけるレーザー溶接の利点を失う。しかも、レーザー・アークハイブリッド溶接は、レーザー光以外の熱源（アーク）を併用することによる煩雑性、入熱の増加、これにともなう溶込み深さの増大や被溶接材の変形、熱影響部の拡大や靭性の低下を招く虞がある。
【０００９】
ところで、容器やボイラーなどの構造物の製缶は、溶接を多用するため、溶接を自動化して生産効率を高めることが望まれる。しかしながら、これら構造物、特に大型の構造物や低廉な規格品の構造物では、被溶接材にあたるそれぞれの部材の寸法精度が低く、被溶接材間に大きい隙間（例えば、０．５ｍｍを超える隙間）を生ずる場合がある。また、これら構造物の溶接作業では、板材を突き合わせて溶接する態様以外に、一方へ開放する箱状の被溶接材に蓋状の被溶接材を嵌め込み（いわゆるインロー構造）、両被溶接材を溶接して一体化する態様がある。
【００１０】
これら被溶接材間の隙間が大きくなりがちな構造物にＣＣＤカメラを備える突合せ溶接の倣い装置を適用して溶接の自動化を試みることは、被溶接材間の隙間の大きさが問題になる。仮に溶接速度を適正値より下げてみても、対応できる隙間の大きさは高々０．２ｍｍ程度であり、これより大きい隙間ではレーザー光が通過してしまうことに変わりはない。
【００１１】
また、被溶接材を溶接線方向へ相対的に移動して突き合わせ部を摺り合わせ、被溶接材間の隙間を小さくして溶接する溶接装置は、箱状の被溶接材に蓋状の被溶接材を嵌め込んで溶接するインロー構造に対して適用が困難である。
【００１２】
さらに、定盤上に配置することが困難な大型の構造物を溶接する場合を考える。この場合、構造物の全体を溶接する方法には、溶接装置あるいは溶接箇所を固定して構造物側を適宜に移動させる方法と、構造物側を固定して溶接装置あるいは溶接箇所を適宜に移動させる方法とを取り得る。
【００１３】
まず、溶接装置あるいは溶接箇所を固定して構造物側を適宜に移動させる方法は、移動の都度、溶接装置が照射するレーザー光に対して構造物の位置を定める必要が有る。そうすると、構造物の移動作業、位置決め作業をともなう溶接作業の全体が煩雑になる。
【００１４】
他方、構造物側を固定して溶接装置あるいは溶接箇所を適宜に移動させる方法は、構造物の全体を段階的に溶接することが可能であり簡便である。ただし、この場合でも、突合せ接合面に交差する方向へレーザー光を照射すると継手に良好な溶込みが得られなくなる。
【００１５】
そこで、本発明は、突合せ継手に隙間があり、かつ適宜の移動が困難な被溶接材を効率的かつ簡便に溶接可能な溶接装置および溶接方法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】
【００１６】
前記の課題を解決するため本発明の実施形態に係る溶接装置は、レーザー光を発生させる発振器と、前記レーザー光を導く光導波路を有して複数の被溶接材の突合せ接合面へ前記レーザー光を照射可能なレーザーヘッドと、前記被溶接材の表面形状を測定するレーザー変位計と、前記レーザーヘッドを支持するとともに前記レーザー変位計の測定結果に基づいて前記レーザー光が前記接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材と前記レーザーヘッドとの相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置と、前記接合面の隙間を撮影するカメラと、前記カメラが撮影する画像から前記隙間の大きさを求め、前記レーザーヘッドの制御量を決定して前記被溶接材の一方側および他方側の両方にレーザー光を照射させる演算装置と、を備えることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の実施形態に係る溶接装置は、レーザー光を発生させる発振器と、前記レーザー光を導く光導波路を有して被溶接材の突合せ接合面へ前記レーザー光を照射可能なレーザーヘッドと、前記被溶接材の表面形状を測定するレーザー変位計と、前記レーザーヘッドを支持するとともに前記レーザー変位計の測定結果に基づいて前記レーザー光が前記接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材と前記レーザーヘッドとの相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置と、を備えることを特徴とする。
【００１８】
さらに、本発明の実施形態に係る溶接方法は、被溶接材の表面形状を測定し、前記測定の結果に基づいてレーザー光が前記被溶接材の突合せ接合面に沿う方向へ照射するよう前記被溶接材とレーザーヘッドとの相対的な向きを変更し、前記接合面の隙間の大きさを求め、前記被溶接材の一方側および他方側の両方に前記レーザー光が照射するように前記レーザーヘッドの制御量を決定し、前記被溶接材を溶接することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、突合せ継手に隙間があり、かつ適宜の移動が困難な被溶接材を効率的かつ簡便に溶接可能な溶接装置および溶接方法を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図。
【図２】本発明の第１実施形態に係る溶接装置の制御システムを示す概略図。
【図３】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す斜視図。
【図４】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す斜視図。
【図５】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す平面図。
【図６】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す平面図。
【図７】レーザー光の照射方向が被溶接材Ｂの突合せ接合面に沿っていない状態で溶接する場合の接合部を示す断面図。
【図８】本発明の第１実施形態に係る溶接装置と被溶接材との配置関係を示す斜視図。
【図９】本発明の第１実施形態に係る溶接装置のレーザー変位計による被溶接材の測定の様子を示す側面図。
【図１０】従来の溶接装置や溶接方法を適用して一体化した被溶接材を示す断面図。
【図１１】従来の溶接装置や溶接方法を適用して一体化した被溶接材を示す断面図。
【図１２】本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法が被溶接材の一方側および他方側へレーザー光のスポット径を結ぶ態様を示す概略図。
【図１３】本発明の第２実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図。
【図１４】本発明の第２実施形態に係る溶接装置の制御システムを示す概略図。
【図１５】本発明の第２実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図。
【図１６】本発明の第３実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図。
【図１７】本発明の第３実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図。
【図１８】本発明の第４実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図。
【図１９】本発明の第４実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る溶接装置および溶接方法の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
［第１の実施形態］
本発明に係る溶接装置の第１実施形態について、図１から図１２を参照して説明する。
【００２３】
図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図である。
【００２４】
図１に示すように、本実施形態に係る溶接装置１は、レーザー光を発生させる発振器２と、レーザー光を導く光導波路を有して複数の被溶接材Ｂの突合せ接合面へレーザー光を照射可能なレーザーヘッド３と、被溶接材Ｂの表面形状を測定するレーザー変位計５と、レーザーヘッド３を支持するとともにレーザー変位計５の測定結果に基づいてレーザー光が突合せ接合面に沿う方向へ照射するよう被溶接材Ｂとレーザーヘッド３との相対的な向きを変更可能なレーザーヘッド支持装置６と、突合せ接合面の隙間を撮影するカメラ７と、カメラ７が撮影する画像から突合せ接合面の隙間の大きさを求め、レーザーヘッド３の制御量を決定して被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）および他方側（被溶接材Ｂ２）の両方へレーザー光を照射させる演算装置１１と、を備える。
【００２５】
また、溶接装置１は、発振器２の運転を制御するレーザー制御装置１２と、レーザー変位計５から測定結果を取得し演算装置１１へ伝えるインタフェースとしてのレーザー変位計制御装置１３と、カメラ７から画像を取得し演算装置１１へ伝えるインタフェースとしての画像取得装置１４と、レーザーヘッド支持装置６の運転を制御するロボット制御装置１５と、を備える。
【００２６】
光ファイバ１６は発振器２からレーザーヘッド３へレーザー光を導く。
【００２７】
レーザーヘッド支持装置６はロボット制御装置１５の制御に基づき動作する。レーザーヘッド支持装置６は多軸の関節を備えるロボットアームであり、レーザーヘッド３、レーザー変位計５およびカメラ７を被溶接材Ｂの近傍に支え、被溶接材Ｂに対する遠近方向と、この遠近方向に交差する方向（これを「並進方向」と呼ぶ。）へ移動させる。レーザーヘッド支持装置６は多軸の関節を駆使してレーザーヘッド３をその移動可能範囲内で被溶接材Ｂの突合せ接合面に倣わせて移動させる。レーザーヘッド支持装置６はレーザーヘッド３、レーザー変位計５およびカメラ７の位置座標を特定するために、変位等を計測するセンサ群１７を備える。センサ群１７は例えばポテンショメータなどの変位計である。
【００２８】
また、レーザーヘッド支持装置６はレーザーヘッド３の向き、すなわちレーザー光の照射方向を変える関節を有する。この関節はレーザーヘッド３の揺動、所謂首振り運動を可能にする。このレーザーヘッド３の揺動は被溶接材Ｂに対するレーザー光の方向を変更する。
【００２９】
さらに、レーザーヘッド支持装置６はレーザーヘッド３の向きを変える駆動装置１８を備える。駆動装置１８はロボット制御装置１５を介して演算装置１１の指令にしたがいレーザーヘッド３の向きを変更する。なお、レーザーヘッド３の向きの変更は、レーザー変位計５の測定結果に基づいて手動で行っても良い。
【００３０】
ここで、レーザーヘッド支持装置６によるレーザーヘッド３の移動可能範囲を超えて溶接を施す必要のある被溶接材を大型構造物と呼ぶ。大型構造物を溶接する場合、溶接装置１は少なくともレーザーヘッド支持装置６、レーザーヘッド３、レーザー変位計５およびカメラ７を適宜に移動させて大型構造物全体の溶接箇所を適宜に溶接する。
【００３１】
カメラ７はＣＣＤカメラである。
【００３２】
演算装置１１は、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間よりも大きくなるレーザーヘッド３の制御量を決定するレーザー光調整部１９と、カメラ７が撮影した画像を取得し、この画像の明暗から開先線を探索し、突合せ接合面の位置を求めてレーザー光が開先線に倣うようレーザーヘッド３の並進方向の制御量を定める倣い処理部２１と、レーザー変位計５の測定結果を取得してレーザー光が突合せ接合面に沿うようにレーザーヘッド３の揺動方向の制御量を定める揺動処理部２２と、を備える。
【００３３】
レーザー光調整部１９は、カメラ７が撮影した画像を取得し、この画像の明暗から開先線を探索して突合せ接合面の隙間の大きさを求め、この隙間の大きさから被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の必要な大きさを求める必要スポット径算出部２３と、必要スポット径算出部２３が求めるスポット径を結ぶようにレーザーヘッド３の遠近方向の制御量を定める制御量決定部２５と、必要スポット径算出部２３が求めるスポット径の拡大とともに発振器２の出力を上げるレーザー出力調整部２６と、を備える。
【００３４】
ロボット制御装置１５は、レーザー制御装置１２による発振器２の運転開始あるいは運転停止に応じて、演算装置１１からレーザーヘッド３の並進方向の制御量、揺動方向の制御量、遠近方向の制御量を取得し、これら制御量に基づいてレーザーヘッド支持装置６の各関節を駆動し、ひいてはレーザーヘッド３を移動させて被溶接材Ｂを溶接する。
【００３５】
また、ロボット制御装置１５は、レーザーヘッド支持装置６のセンサ群１７から計測結果を取得して記憶する教示データ記憶部２７と、演算装置１１からレーザーヘッド３の並進方向の制御量、揺動方向の制御量、遠近方向の制御量を取得し、これらの制御量と教示データ記憶部２７が記憶するセンサ群１７の計測結果と比較してレーザーヘッド支持装置６の数値制御を行うロボット制御部２８と、を備える。
【００３６】
図２は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置の制御システムを示す概略図である。
【００３７】
図２に示すように、本実施形態に係る溶接装置１の演算装置１１は、隙間量演算機能３１と、必要スポット径演算機能３２と、遠近位置演算機能３３と、レーザー出力演算機能３５と、レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６と、レーザーヘッド移動量演算機能３７と、接合面傾斜量演算機能３８と、レーザーヘッド揺動量演算機能３９と、レーザーヘッド支持装置制御量演算機能４１と、を備える。
【００３８】
隙間量演算機能３１はカメラ７が撮影した画像の明暗から開先線、ひいては突合せ接合面の隙間の大きさを求める。必要スポット径算出部２３が隙間量演算機能３１を備える。
【００３９】
必要スポット径演算機能３２は隙間量演算機能３１が求める突合せ接合面の隙間の大きさから被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の必要な大きさを求める。必要スポット径算出部２３が必要スポット径演算機能３２を備える。
【００４０】
遠近位置演算機能３３は必要スポット径演算機能３２が求めるスポット径を結ぶためのレーザーヘッド３の遠近方向の位置を求める。制御量決定部２５が遠近位置演算機能３３を備える。
【００４１】
レーザー出力演算機能３５は必要スポット径演算機能３２が求めるスポット径において効率良く溶接を進めることが可能な適宜のレーザー出力を求め、これに対応する発振器２の制御量を定める。レーザー出力調整部２６がレーザー出力演算機能３５を備える。
【００４２】
レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６は、レーザーヘッド支持装置６のセンサ群１７から計測結果を取得して被溶接材Ｂとレーザーヘッド３との相対的な位置関係を求める。制御量決定部２５がレーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６を備える。
【００４３】
レーザーヘッド移動量演算機能３７は、遠近位置演算機能３３が求めるレーザーヘッド３の遠近方向の位置と、レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６が求める被溶接材Ｂとレーザーヘッド３との相対的な位置関係とから、レーザーヘッド３の遠近方向の制御量を定める。制御量決定部２５がレーザーヘッド移動量演算機能３７を備える。
【００４４】
接合面傾斜量演算機能３８は、レーザー変位計５の測定結果を取得してレーザーヘッド支持装置６を基準として被溶接材Ｂがどのように傾いているかを求める。揺動処理部２２が接合面傾斜量演算機能３８を備える。
【００４５】
レーザーヘッド揺動量演算機能３９は、接合面傾斜量演算機能３８が求める被溶接材Ｂの傾きから突合せ接合面にレーザー光を沿わせるためにレーザーヘッド３の揺動方向の制御量を定める。揺動処理部２２がレーザーヘッド揺動量演算機能３９を備える。
【００４６】
レーザーヘッド支持装置制御量演算機能４１は、レーザーヘッド揺動量演算機能３９から取得するレーザーヘッド３の揺動方向の制御量、およびレーザーヘッド移動量演算機能３７から取得するレーザーヘッド３の遠近方向の制御量に加えて、倣い処理部２１から取得するレーザーヘッド３の並進方向の制御量と、教示データ記憶部２７から取得する計測結果とに基づいてレーザーヘッド支持装置６の各関節を駆動する数値制御を行う。ロボット制御部２８がレーザーヘッド支持装置制御量演算機能４１を備える。
【００４７】
溶接装置１は、複数、例えば２つの平板をほぼ同じ面内で突き合わせて突合せ継手を構成し、この突合せ継手を溶接することはもちろん可能であるが、一方へ開放する箱状の被溶接材に蓋状の被溶接材を嵌め込み（いわゆるインロー構造）、両被溶接材を溶接して一体化する、いわゆる製缶に好適である。そこで、製缶される被溶接材Ｂについて説明する。
【００４８】
図３および図４は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す斜視図である。
【００４９】
図５および図６は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法を適用する被溶接材を示す平面図である。
【００５０】
図３から図６に示すように、本実施形態に係る溶接装置１および溶接方法を適用する被溶接材Ｂは、一方へ開放する箱状の被溶接材Ｂ１と、蓋状の被溶接材Ｂ２と、を備える。被溶接材Ｂ１は開口縁に嵌め込まれる被溶接材Ｂ２を支える段状部ｂ１を備える。
【００５１】
被溶接材Ｂ１と被溶接材Ｂ２との突合せ継手形状はＩ型である。
【００５２】
被溶接材Ｂ２を被溶接材Ｂ１の段状部ｂ１に嵌め込むと、被溶接材Ｂ２の縁と被溶接材Ｂ１の開口との間、すなわち被溶接材Ｂ２と被溶接材Ｂ１との突合せ接合面に隙間Ｇが生じる。この隙間Ｇは被溶接材Ｂ１、Ｂ２の寸法精度が十分に高くないために生じるが、あまり精度を高めすぎると被溶接材Ｂ２を被溶接材Ｂ１に嵌め込むことが難しくなったり、それぞれの被溶接材Ｂ１、Ｂ２が高コスト化してしまったりして好ましくない。
【００５３】
また、被溶接材Ｂが大型な構造物である場合、溶接装置１および溶接方法は定置される被溶接材Ｂとの相対的な位置を変更しつつ被溶接材Ｂを溶接して一体化する（図６）。
【００５４】
このように、被溶接材Ｂではなく、溶接装置１および溶接方法を適用する溶接箇所を移すことで、被溶接材Ｂの定置に係る作業回数を抑制し、実質的には被溶接材Ｂを定置した後、移動させることなく被溶接材Ｂ全体の溶接を行うことができる。
【００５５】
ところで、溶接装置１および溶接方法を適用する溶接箇所を移すと、レーザー光の照射方向が被溶接材Ｂの突合せ接合面内に位置しなくなる場合がある。
【００５６】
図７は、レーザー光の照射方向が被溶接材Ｂの突合せ接合面に沿っていない状態で溶接する場合の接合部を示す断面図である。なお、図７は、説明を簡単にするために隙間Ｇのない部分を示す。
【００５７】
図７に示すように、溶接装置１および溶接方法を適用する溶接箇所の移動にともなって、レーザー光の照射方向Ｌが被溶接材Ｂの突合せ接合面Ｐ内に位置しなくなると、溶接部の溶け込みＷが突合せ接合面Ｐに対して傾き、溶け残り領域Ｚが生じてしまい良好な接合が得られなくなる。
【００５８】
そこで、溶接装置１はレーザー変位計５により被溶接材Ｂの形状、ひいては突合せ接合面の方向を明らかにし、レーザーヘッド３を揺動させることで突合せ接合面に対してレーザー光の照射方向を沿わせる。
【００５９】
図８は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置と被溶接材との配置関係を示す斜視図である。
【００６０】
図９は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置のレーザー変位計による被溶接材の測定の様子を示す側面図である。
【００６１】
図８および図９に示すように、溶接装置１の揺動処理部２２は、レーザー変位計５で被溶接材Ｂの表面形状を測定し、この表面形状と溶接面との位置関係（一般には直交する）から突合せ接合面の向きを特定し、レーザーヘッド３を揺動して突合せ接合面にレーザー光の照射方向を沿わせる。
【００６２】
なお、レーザー光の照射方向と突合せ接合面とのなす角度θは、４箇所に配置されたレーザー変位計５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと被溶接材Ｂとの距離ａ、ｂ、ｃ、ｄと、測定箇所毎の並進方向の距離ｅとから次式で求める。
【００６３】
θ＝ｔａｎ-1｛（ｂ−ａ）÷ｅ｝
ところで、被溶接材Ｂに従来の溶接装置や溶接方法を適用すると、蓋状の被溶接材Ｂ２に熱影響による変形が生じたり、隙間Ｇが拡大したりする場合がある。
【００６４】
図１０および図１１は、従来の溶接装置や溶接方法を適用して一体化した被溶接材を示す断面図である。
【００６５】
図１０に示すように、溶接速度を適正値よりも下げて隙間Ｇのある被溶接材Ｂを溶接することは、溶接部への入熱を増加し、被溶接材Ｂ２の板厚に比べて熱影響部が大きくなり、また熱による蓋状の被溶接材Ｂ２の膨張を促し、溶接部Ｗが冷え固まった状態で被溶接材Ｂ２の変形を生じる虞がある。
【００６６】
また、図１１に示すように、従来の溶接装置あるいは溶接方法は、溶接前に被溶接材Ｂ２の両縁それぞれの隙間Ｇが溶接可能な大きさであっても、一方の縁を溶接することで他方の縁に隙間Ｇが集中してしまい、隙間の大きさが溶接可能な大きさを超える虞もある。
【００６７】
さらに、従来の溶接装置あるいは溶接方法は、突合せ接合面の隙間の大きさがレーザー光のスポット径に近づいたり、スポット径よりも大きくなったりするとレーザー光が隙間を通過してしまい溶接できなくなる。
【００６８】
そこで、本実施形態に係る溶接装置１および溶接方法は、突合せ接合面の隙間の大きさに応じてレーザーヘッド３の制御量を決定し、被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）および他方側（被溶接材Ｂ２）の両方にレーザー光を照射させる。より詳しくは、本実施形態に係る溶接装置１および溶接方法は、レーザーヘッド３の制御量、特に遠近方向の制御量を調整することでレーザー光が突合せ接合面の隙間を通過することを防ぎ、被溶接材Ｂ１、Ｂ２の双方にスポット径が跨がるようレーザーヘッド３を制御する。
【００６９】
図１２は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置および溶接方法が被溶接材の一方側および他方側へレーザー光のスポット径を結ぶ態様を示す概略図である。
【００７０】
図１２に示すように、本実施形態に係るレーザーヘッド３の集光レンズ４２は、焦点距離Ｌａの位置に焦点ｆを結ぶ。そこで、溶接装置１は、レーザーヘッド３と被溶接材Ｂとの離間距離、あるいは集光レンズ４２と被溶接材Ｂとの離間距離Ｌｂを焦点ｆよりも集光レンズ４２側へ近づけて、キーホール形状を大きく、ひいては被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径Ｗ０を拡大する。このとき、溶接装置１は、隙間Ｇの大きさよりもスポット径Ｗ０が大きくなるように被溶接材Ｂへ集光レンズ４２を近づけ、被溶接材Ｂ１、Ｂ２それぞれの継手部を溶融させ、隙間Ｇを埋めて被溶接材Ｂを溶接する。この離間距離Ｌｂは、レーザーヘッド３の遠近方向の制御量で決まり、レーザーヘッド３全体を移動させて制御しても良いし、集光レンズ４２のみを移動させて制御しても良い。
【００７１】
このとき、被溶接材Ｂの突合せ接合面は焦点ｆから外れる、すなわちデフォーカスすることになり、突合せ接合面におけるレーザー光のエネルギー密度が低下し、場合によっては溶接が難しくなるため、溶接装置１は適宜にレーザーの出力を上げる。
【００７２】
また、突合せ接合面の隙間Ｇの大きさと、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の必要な大きさとの関係は、溶接に先立ち予め実験的に収集するデータを整理して得る。具体的には、約０．２ｍｍの隙間Ｇに対してスポット径を約０．６ｍｍから約１．２ｍｍに比例的に拡大することで、溶接装置１は隙間Ｇを有するＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス）の被溶接材Ｂを溶接する。また、スポット径を約１．２ｍｍ、溶接速度を約０．７５ｍ／ｍｉｎ、レーザー出力を約３ｋＷ、入熱を約２４００Ｊ／ｃｍに設定することで、溶接装置１は約０．６ｍｍの隙間Ｇを有する板厚が８ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ（オーステナイト系ステンレス）の被溶接材Ｂを溶接できる。さらに、スポット径を約０．６ｍｍ、溶接速度を約２ｍ／ｍｉｎ、レーザー出力を約１ｋＷ、入熱を約３０００Ｊ／ｃｍに設定することで、溶接装置１は約０．２ｍｍの隙間Ｇを有するＳＵＳ３０４（オーステナイト系ステンレス）の被溶接材Ｂを溶接することもできる。
【００７３】
さらに、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の大きさと、溶接を効率的に行うことが可能なレーザー出力との関係は、溶接に先立ち予め実験的に収集するデータを整理して得る。
【００７４】
なお、溶接装置１は、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６Ｌの他のオーステナイト系ステンレス鋼、炭素鋼、インコネル(登録商標、ニッケル基の超合金）を素材とする被溶接材Ｂに対してほぼ同じ溶接条件を適用して溶接できる。他方、溶接装置１は、アルミニウム合金や銅などレーザー光の反射率が高い素材では入熱条件を大幅に上げる必要が有る。
【００７５】
そして、本実施形態に係る溶接方法は、被溶接材Ｂの表面形状を測定し、この測定の結果に基づいてレーザー光が被溶接材Ｂの突合せ接合面に沿う方向へ照射するよう被溶接材Ｂとレーザーヘッド３との相対的な向きを変更し、突合せ接合面の隙間の大きさを求め、被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）および他方側（被溶接材Ｂ２）の両方にレーザー光が照射するようにレーザーヘッド３の制御量を決定し、被溶接材Ｂを溶接する。
【００７６】
また、本実施形態に係る溶接方法は、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間よりも大きくなるレーザーヘッド３の制御量を決定する。
【００７７】
さらに、本実施形態に係る溶接方法は、レーザー光のスポット径の拡大とともにレーザー光を発生させる発振器２の出力を上げる。
【００７８】
本実施形態に係る溶接装置１および溶接方法は、レーザー変位計５で被溶接材Ｂを測定し、レーザー光の照射方向に対する突合せ接合面の傾きを明らかにして、レーザー光の照射方向が突合せ接合面に沿うようレーザーヘッド３を揺動しレーザー光の照射方向を調整する。これによって、溶接装置１および溶接方法は突合せ接合面にレーザー光を確実に照射して溶接部に凹みや落ち込みを生じさせることなく、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。また、このことは、突合せ接合面に隙間がある場合、隙間を隔てる被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）と他方側（被溶接材Ｂ２）とを均等に溶融させることを可能にし、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。溶接装置１および溶接方法によるこのようなギャップ裕度の向上は、特に製缶のように被溶接材Ｂ１、Ｂ２間の寸法精度を十分に高めがたい構造物の溶接において、溶接部にへこみや落ち込みを生じさせず、必要な溶込み量を確保して溶接の品質を顕著に向上させる。さらに、このことは、被溶接材Ｂが大型の構造物である場合に特に有益である。すなわち、溶接装置１および溶接方法は、被溶接材Ｂを移動させることなく、溶接装置１の使用場所なり溶接方法の適用場所なりを順次移動させることによって被溶接材Ｂ全体の溶接を容易化する。しかも、大型の構造物では、中、小型の構造物に比べて溶接部に大きな溶込み深さが要求される。仮に、突合せ接合面に対してレーザー光を非平行に照射してしまうと、溶込み深さは不十分になり、継手部は溶け残る。一方、溶接装置１および溶接方法は、レーザーヘッド３を揺動しレーザー光の照射方向を調整することによって、レーザー光を突合せ接合面内に照射して溶け残りのない良好な溶接を得る。
【００７９】
［第２の実施形態］
本発明に係る溶接装置および溶接方法の第２実施形態について、図１３から図１５を参照して説明する。
【００８０】
図１３は、本発明の第２実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図である。
【００８１】
なお、本実施形態に係る溶接装置１Ａにおいて第１実施形態の溶接装置１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００８２】
図１３に示すように本実施形態に係る溶接装置１Ａの演算装置１１Ａは、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間を跨いで往復動するようレーザーヘッド３Ａの制御量を決定する。
【００８３】
演算装置１１Ａは、レーザー光調整部１９に代えて、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間を跨いで往復動するようレーザーヘッド３Ａの制御量を決定する往復動量調整部４５を備える。
【００８４】
往復動量調整部４５は、カメラ７が撮影した画像を取得し、この画像の明暗から開先線を探索して突合せ接合面の隙間の大きさを求め、この隙間の大きさから被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の必要な往復動量およびその周期を求める。
【００８５】
図１４は、本発明の第２実施形態に係る溶接装置の制御システムを示す概略図である。
【００８６】
図１４に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ａの演算装置１１Ａは、演算装置１１Ａの必要スポット径演算機能３２および遠近位置演算機能３３に代えて、必要往復動量演算機能４６と、往復動範囲演算機能４７と、を備える。
【００８７】
必要往復動量演算機能４６は隙間量演算機能３１が求める突合せ接合面の隙間の大きさから被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の必要な往復動量およびその周期を求める。往復動量調整部４５が必要往復動量演算機能４６を備える。
【００８８】
往復動範囲演算機能４７は必要往復動量演算機能４６が求めるスポット径を往復動させるためのレーザーヘッド３Ａの制御量を求める。往復動量調整部４５が往復動範囲演算機能４７を備える。
【００８９】
レーザー出力演算機能３５Ａは必要往復動量演算機能４６が求めるスポット径において効率良く溶接を進めることが可能な適宜のレーザー出力を求め、これに対応する発振器２の制御量を定める。レーザー出力調整部２６がレーザー出力演算機能３５Ａを備える。
【００９０】
レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６Ａは、レーザーヘッド支持装置６のセンサ群１７から計測結果を取得して被溶接材Ｂとレーザーヘッド３Ａとの相対的な位置関係を求める。往復動量調整部４５がレーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６Ａを備える。
【００９１】
レーザーヘッド移動量演算機能３７Ａは、往復動範囲演算機能４７が求めるレーザーヘッド３Ａの往復動量およびその周期と、レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能３６Ａが求める被溶接材Ｂとレーザーヘッド３Ａとの相対的な位置関係とから、レーザーヘッド３Ａの制御量を定める。往復動量調整部４５がレーザーヘッド移動量演算機能３７Ａを備える。
【００９２】
図１５は、本発明の第２実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図である。
【００９３】
図１５に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ａのレーザーヘッド３Ａは、レーザー光の進行方向を変える折返しミラー５１と、折返しミラー５１で進行方向を変えたレーザー光の進行方向をさらに変えるミラー５２と、ミラー５２で進行方向を変えたレーザー光を集光する集光レンズ４２と、折返しミラー５１を往復動させる電動機５３と、を備える。レーザーヘッド３Ａは、演算装置１１Ａが出力する制御量にしたがって電動機５３を運転し、折返しミラー５１を適宜の往復動量および往復周期で動かして、レーザー光を往復動させる。
【００９４】
本実施形態に係る溶接装置１Ａおよび溶接方法は、突合せ接合面の隙間の大きさに応じてレーザーヘッド３Ａの制御量を決定し、被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）および他方側（被溶接材Ｂ２、）の両方にレーザー光を照射させる。より詳しくは、本実施形態に係る溶接装置１Ａおよび溶接方法は、レーザーヘッド３Ａの制御量、特に折返しミラー５１の往復動量およびその周期を調整することで突合せ接合面の隙間を横切るようにレーザー光を往復動させて、被溶接材Ｂ１、Ｂ２の双方にスポット径が跨がるようレーザー光を照射させる（図１５中に実線および破線で示すレーザー光）。
【００９５】
本実施形態に係るレーザーヘッド３Ａが照射するレーザー光は、被溶接材Ｂの突合せ接合面を跨いで被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）と他方側（被溶接材Ｂ２）とを行き来して往復動する。このとき、溶接装置１Ａは、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間よりも大きくなくても、被溶接材Ｂ１、Ｂ２それぞれの継手部を溶融し、隙間を埋めて被溶接材Ｂを溶接する。
【００９６】
また、突合せ接合面の隙間Ｇの大きさと、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の往復動量およびその周期との関係は、溶接に先立ち予め実験的に収集するデータを整理して得る。具体的には、スポット径を約０．４ｍｍ、レーザー光の往復動量を約１．２５ｍｍ、往復動の周期を約１００Ｈｚ、溶接速度を約１．５ｍ／ｍｉｎ、レーザー出力を約２ｋＷ、入熱を約８００Ｊ／ｃｍに設定することで、溶接装置１Ａは約０．６ｍｍの隙間Ｇを有する板厚が約８ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ（オーステナイト系ステンレス）の被溶接材Ｂを溶接できる。
【００９７】
そして、本実施形態に係る溶接方法は、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間を跨いで往復動するようレーザーヘッド３Ａの制御量を決定する。
【００９８】
本実施形態に係る溶接装置１Ａおよび溶接方法は、レーザー変位計５で被溶接材Ｂを測定し、レーザー光の照射方向に対する突合せ接合面の傾きを明らかにして、レーザー光の照射方向が突合せ接合面に沿うようレーザーヘッド３Ａを揺動しレーザー光の照射方向を調整する。これによって、溶接装置１Ａおよび溶接方法は突合せ接合面にレーザー光を確実に照射して溶接部に凹みや落ち込みを生じることなく、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。また、このことは、突合せ接合面に隙間がある場合、隙間を隔てる被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）と他方側（被溶接材Ｂ２）とを均等に溶融することを可能にし、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。溶接装置１Ａおよび溶接方法によるこのようなギャップ裕度の向上は、特に製缶のように被溶接材Ｂ１、Ｂ２間の寸法精度を十分に高めがたい構造物の溶接において、溶接部にへこみや落ち込みが生じず、必要な溶込み量を確保して溶接の品質を顕著に向上させる。さらに、このことは、被溶接材Ｂが大型の構造物である場合に特に有益である。すなわち、溶接装置１Ａおよび溶接方法は、被溶接材Ｂを移動させることなく、溶接装置１Ａの使用場所なり溶接方法の適用場所なりを順次移動させることによって被溶接材Ｂ全体の溶接を容易化する。しかも、大型の構造物では、中、小型の構造物に比べて溶接部に大きな溶込み深さが要求される。仮に、突合せ接合面に対してレーザー光を非平行に照射してしまうと、溶込み深さは不十分になり、継手部は溶け残る。一方、溶接装置１Ａおよび溶接方法は、レーザーヘッド３Ａを揺動しレーザー光の照射方向を調整することによって、レーザー光を突合せ接合面内に照射して溶け残りのない良好な溶接を得る。
【００９９】
［第３の実施形態］
本発明に係る溶接装置および溶接方法の第３実施形態について、図１６および図１７を参照して説明する。
【０１００】
図１６は、本発明の第３実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図である。
【０１０１】
なお、本実施形態に係る溶接装置１Ｂにおいて第１実施形態の溶接装置１および第２実施形態の溶接装置１Ａと同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１０２】
図１６に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ｂは、溶接装置１のレーザー光調整部１９や溶接装置１Ａの往復動量調整部４５を必ずしも必要とせず（これら調整部のない演算部１１Ｂを備え）、溶接装置１のレーザーヘッド３や溶接装置１Ａのレーザーヘッド３Ａに代えて、複数の光導波路を有するレーザーヘッド３Ｂを備える。
【０１０３】
図１７は、本発明の第３実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図である。
【０１０４】
図１７に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ｂのレーザーヘッド３Ｂは、所謂ツインスポットレーザー溶接が可能であり、レーザー光を分岐して照射する第一光導波路５５と、第二光導波路５６と、を備える。また、レーザーヘッド３Ｂは、レーザー光のうち一部の進行方向を変えるプリズム５７を備える。
【０１０５】
レーザーヘッド３Ｂは、集光レンズ４２に入射するレーザー光のうち一部の進行方向をプリズム５７で変える。他方、レーザー光の残部は進行方向を変えることなく集光レンズ４２へ入射する。プリズム５７を通過して集光レンズ４２へ入射するレーザー光の経路が第一光導波路５５であり、直接的に集光レンズ４２へ入射するレーザー光の経路が第二光導波路５６である。
【０１０６】
第一光導波路５５が被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）へ照射するレーザー光（のうち一部）のスポット径と第二光導波路５６が被溶接材Ｂの他方側（被溶接材Ｂ２）へ照射するレーザー光（のうち残部）のスポット径とは、被溶接材Ｂの隙間とほぼ同じ距離だけ離間する。溶接装置１Ｂは、第一光導波路５５から被溶接材Ｂ１へ照射するレーザー光で被溶接材Ｂ１の継手部を溶融し、第二光導波路５６から被溶接材Ｂ２へ照射するレーザー光で被溶接材Ｂ２の継手部を溶融し、隙間を埋めて被溶接材Ｂを溶接する。
【０１０７】
第一光導波路５５が被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の大きさと、第二光導波路５６が被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径の大きさと、溶接を効率的に行うことが可能な溶接条件との関係は、溶接に先立ち予め実験的に収集するデータを整理して得る。具体的には、２つのスポット径を約０．６ｍｍ、２つのスポット径の離間距離を約０．６ｍｍ、溶接速度を約０．７５ｍ／ｍｉｎ、レーザー出力を約３ｋＷ、入熱を約２４００Ｊ／ｃｍに設定することで、溶接装置１Ｂは約０．６ｍｍの隙間Ｇを有する板厚が８ｍｍのＳＵＳ３１６Ｌ（オーステナイト系ステンレス）の被溶接材Ｂを溶接する。
【０１０８】
そして、本実施形態に係る溶接方法は、レーザーヘッド３Ｂでレーザー光を分岐して被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）へレーザー光の一部を照射するとともに被溶接材Ｂの他方側（被溶接材Ｂ２）へレーザー光の他部を照射するようレーザーヘッド３Ｂの制御量を決定する。
【０１０９】
本実施形態に係る溶接装置１Ｂおよび溶接方法は、レーザー変位計５で被溶接材Ｂを測定し、レーザー光の照射方向に対する突合せ接合面の傾きを明らかにして、レーザー光の照射方向が突合せ接合面に沿うようレーザーヘッド３Ｂを揺動しレーザー光の照射方向を調整する。これによって、溶接装置１Ｂおよび溶接方法は突合せ接合面にレーザー光を確実に照射して溶接部に凹みや落ち込みを生じさせることなく、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。また、このことは、突合せ接合面に隙間がある場合、隙間を隔てる被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）と他方側（被溶接材Ｂ２）とを均等に溶融させることを可能にし、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。溶接装置１Ｂおよび溶接方法によるこのようなギャップ裕度の向上は、特に製缶のように被溶接材Ｂ１、Ｂ２間の寸法精度を十分に高めがたい構造物の溶接において、溶接部にへこみや落ち込みを生じさせず、必要な溶込み量を確保して溶接の品質を顕著に向上させる。さらに、このことは、被溶接材Ｂが大型の構造物である場合に特に有益である。すなわち、溶接装置１Ｂおよび溶接方法は、被溶接材Ｂを移動させることなく、溶接装置１Ｂの使用場所なり溶接方法の適用場所なりを順次移動させることによって被溶接材Ｂ全体の溶接を容易化する。しかも、大型の構造物では、中、小型の構造物に比べて溶接部に大きな溶込み深さが要求される。仮に、突合せ接合面に対してレーザー光を非平行に照射してしまうと、溶込み深さは不十分になり、継手部は溶け残る。一方、溶接装置１Ｂおよび溶接方法は、レーザーヘッド３Ｂを揺動しレーザー光の照射方向を調整することによって、レーザー光を突合せ接合面内に照射して溶け残りのない良好な溶接を得る。
【０１１０】
［第４の実施形態］
本発明に係る溶接装置および溶接方法の第４実施形態について、図１８および図１９を参照して説明する。
【０１１１】
図１８は、本発明の第４実施形態に係る溶接装置を示す概略的なシステム構成図である。
【０１１２】
なお、本実施形態に係る溶接装置１Ｃにおいて第１実施形態の溶接装置１と同じ構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【０１１３】
図１８に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ｃは、溶接装置１のレーザーヘッド３に代えて、複数の光導波路を有するレーザーヘッド３Ｃを備える。
【０１１４】
なお、本実施形態に係る溶接装置１Ｃの演算装置１１Ｃも、溶接装置１Ｂの演算装置１１Ｂと同様に溶接装置１のレーザー光調整部１９や溶接装置１Ａの往復動量調整部４５を必ずしも必要としない。
【０１１５】
図１９は、本発明の第４実施形態に係る溶接装置のレーザーヘッドを示す概略図である。
【０１１６】
図１９に示すように、本実施形態に係る溶接装置１Ｃのレーザーヘッド３Ｃは、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間よりも大きくなる光導波路５８を備える。レーザーヘッド３Ｃは、光ファイバ１６が照射するレーザー光を平行状態になるよう光学調整するコリメートレンズ５９と、コリメートレンズ５９が照射するレーザー光を集光する集光レンズ６１と、を備える。光ファイバ１６からコリメートレンズ５９を通過して集光レンズ６１へ入射するレーザー光の経路が光導波路５８である。
【０１１７】
すなわち、溶接装置１Ｃは、溶接装置１のようにレーザーヘッド３と被溶接材Ｂとの離間距離、あるいは集光レンズ４２と被溶接材Ｂとの離間距離Ｌｂを焦点ｆよりも集光レンズ４２側へ近づけるのではなく、光導波路５８を調整することでキーホール形状を大きく、ひいては被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径を拡大する。
【０１１８】
レーザーヘッド３Ｃは、コリメートレンズ５９と集光レンズ６１とを調整して、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径を変化させる。
【０１１９】
なお、スポット径Ｗ０は、光ファイバ１６の開口数ＮＡと、集光レンズ６１の焦点距離ｆ１と、コリメートレンズ５９の焦点距離ｆ２と、レーザー光の波長λとから次式で求める。
【０１２０】
Ｗ０＝（λ÷（２π×ＮＡ））×（ｆ１÷ｆ２）
そして、本実施形態に係る溶接方法は、被溶接材Ｂに結ぶレーザー光のスポット径が突合せ接合面の隙間よりも大きくなるよう光導波路を調整する。
【０１２１】
本実施形態に係る溶接装置１Ｃおよび溶接方法は、レーザー変位計５で被溶接材Ｂを測定し、レーザー光の照射方向に対する突合せ接合面の傾きを明らかにして、レーザー光の照射方向が突合せ接合面に沿うようレーザーヘッド３Ｃを揺動しレーザー光の照射方向を調整する。これによって、溶接装置１Ｃおよび溶接方法は突合せ接合面にレーザー光を確実に照射して溶接部に凹みや落ち込みを生じさせることなく、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。また、このことは、突合せ接合面に隙間がある場合、隙間を隔てる被溶接材Ｂの一方側（被溶接材Ｂ１）と他方側（被溶接材Ｂ２）とを均等に溶融させることを可能にし、被溶接材Ｂを良好に溶接できる。溶接装置１Ｃおよび溶接方法によるこのようなギャップ裕度の向上は、特に製缶のように被溶接材Ｂ１、Ｂ２間の寸法精度を十分に高めがたい構造物の溶接において、溶接部にへこみや落ち込みを生じさせず、必要な溶込み量を確保して溶接の品質を顕著に向上させる。さらに、このことは、被溶接材Ｂが大型の構造物である場合に特に有益である。すなわち、溶接装置１Ｃおよび溶接方法は、被溶接材Ｂを移動させることなく、溶接装置１Ｃの使用場所なり溶接方法の適用場所なりを順次移動させることによって被溶接材Ｂ全体の溶接を容易化する。しかも、大型の構造物では、中、小型の構造物に比べて溶接部に大きな溶込み深さが要求される。仮に、突合せ接合面に対してレーザー光を非平行に照射してしまうと、溶込み深さは不十分になり、継手部は溶け残る。一方、溶接装置１Ｃおよび溶接方法は、レーザーヘッド３Ｃを揺動しレーザー光の照射方向を調整することによって、レーザー光を突合せ接合面内に照射して溶け残りのない良好な溶接を得る。
【０１２２】
したがって、本実施形態に係る溶接装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび溶接方法によれば、突合せ継手に隙間があり、かつ適宜の移動が困難な被溶接材Ｂを効率的かつ簡便に溶接できる。
【０１２３】
なお、本実施形態に係る溶接装置１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃおよび溶接方法は突合せ継手が密着し、または一般的な溶接条件で溶接可能な小さい隙間があり、移動が容易な被溶接材に適用することも当然可能である。
【０１２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２５】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  溶接装置
２  発振器
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ  レーザーヘッド
５  レーザー変位計
６  レーザーヘッド支持装置
７  カメラ
１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  演算装置
１２  レーザー制御装置
１３  レーザー変位計制御装置
１４  画像取得装置
１５  ロボット制御装置
１６  光ファイバ
１７  センサ群
１８  駆動装置
１９  レーザー光調整部
２１  倣い処理部
２２  揺動処理部
２３  必要スポット径算出部
２５  制御量決定部
２６  レーザー出力調整部
２７  教示データ記憶部
２８  ロボット制御部
３１  隙間量演算機能
３２  必要スポット径演算機能
３３  遠近位置演算機能
３５、３５Ａ  レーザー出力演算機能
３６、３６Ａ  レーザーヘッド−被溶接材間距離演算機能
３７、３７Ａ  レーザーヘッド移動量演算機能
３８  接合面傾斜量演算機能
３９  レーザーヘッド揺動量演算機能
４１  レーザーヘッド支持装置制御量演算機能
４２  集光レンズ
４５  往復動量調整部
４６  必要往復動量演算機能
４７  往復動範囲演算機能
４８  制御量決定部
５１  折返しミラー
５２  ミラー
５３  電動機
５５  第一光導波路
５６  第二光導波路
５７  プリズム
５８  光導波路
５９  コリメートレンズ
６１  集光レンズ
【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】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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