(57)【要約】【課題】溶接中に開先形状誤差を検出し、検出結果に基づいて溶接条件を制御すること。【解決手段】開先３に送給したワイヤ４にレーザビームＬを照射して、かつ、開先３に沿ってレーザビームＬを走査することで被溶接部材を溶接する。レーザビームＬが照射される位置から所定の距離だけ離れた位置の開先３の形状を、レーザビームＬの照射に先だって計測する。レーザビームＬの直径ａを、計測した開先３の幅よりも大きくなるように制御する。レーザビームＬの直径ａの増減に応じて、レーザビームＬの出力を増減させる。レーザビームＬの走査方向と垂直な断面における開先３の面積と、レーザビームＬの直径ａと、ワイヤ４の直径と、に基づいて、ワイヤ４の送給速度を制御する。【選択図】図１
2017131914.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開先に送給したワイヤにレーザビームを照射して、かつ、前記開先に沿って前記レーザビームを走査することで被溶接部材を溶接する溶接方法であって、
前記レーザビームが照射される位置から所定の距離だけ離れた位置の開先の形状を、前記レーザビームの照射に先だって計測し、
前記レーザビームの直径を、計測した開先の幅よりも大きくなるように制御し、
前記レーザビームの直径の増減に応じて、前記レーザビームの出力を増減させ、
前記レーザビームの走査方向と垂直な断面における前記開先の面積と、前記レーザビームの直径と、前記ワイヤの直径と、に基づいて、前記ワイヤの送給速度を制御する、
溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
被溶接部材の溶接を行うにあたって所望の溶接品質を実現するには、溶接部の隙間量や段差量など開先形状誤差を検出し、誤差に応じてウィービング振幅やワイヤ送給量、レーザ出力、溶接速度といった溶接条件を制御する必要が有る。
【０００３】
このような溶接条件を制御する手法として、溶接開始に先立って記憶しておいた開先の形状に応じて、溶接条件を制御するレーザ溶接装置が提案されている（特許文献１）。このレーザ溶接装置では、被溶接部材の板厚等に応じたレーザ出力、溶接速度、ウィービング振幅等の基本溶接条件が、溶接線毎に記憶手段に記憶されている。記憶手段は、基本溶接条件毎に開先形状誤差に応じたウィービング振幅の制御量を記憶する。そして、選択手段にて選択された溶接線の基本溶接条件と、誤差検出手段にて検出された検出データとに対応するウィービング振幅の制御量とが、記憶手段から選出される。その結果、溶接線毎に、この基本溶接条件とウィービング振幅の制御量とに基づいて溶接が行われる。これにより、溶接部に隙間量や段差量等の開先形状誤差を有する場合でも、高品質な溶接を行うことができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７０２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記のレーザ溶接装置では、溶接部の開先形状誤差を検出するために、溶接開始前に基準となる開先形状を予め記憶しておく必要がある。そのため、記憶されていない開先形状の溶接部については、適切な溶接条件を設定することがそもそもできない。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、溶接中に開先形状誤差を検出し、検出結果に基づいて溶接条件を制御することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様である溶接方法は、開先に送給したワイヤにレーザビームを照射して、かつ、前記開先に沿って前記レーザビームを走査することで被溶接部材を溶接する溶接方法であって、前記レーザビームが照射される位置から所定の距離だけ離れた位置の開先の形状を、前記レーザビームの照射に先だって計測し、前記レーザビームの直径を、計測した開先の幅よりも大きくなるように制御し、前記レーザビームの直径の増減に応じて、前記レーザビームの出力を増減させ、前記レーザビームの走査方向と垂直な断面における前記開先の面積と、前記レーザビームの直径と、前記ワイヤの直径と、に基づいて、前記ワイヤの送給速度を制御する、ものである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溶接中に開先形状誤差を検出し、検出結果に基づいて溶接条件を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる溶接方法における溶接部を模式的に示す斜視図である。
【図２】実施の形態１にかかる溶接装置の構成を模式的に示す図である。
【図３】実施の形態１にかかる被溶接部材の溶接後の断面（Ｙ−Ｚ断面）の一例を模式的に示す断面図である。
【図４】開先の断面（Ｙ−Ｚ断面）の一例を模式的に示す断面図である。
【図５】開先の幅が狭い場合の断面（Ｙ−Ｚ断面）を模式的に示す断面図である。
【図６】開先の幅が広い場合の断面（Ｙ−Ｚ断面）を模式的に示す断面図である。
【図７】実施の形態１にかかる溶接方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。説明の明確化のため、以下の記載及び図面は、適宜、省略、及び簡略化がなされている。各図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略されている。
【００１１】
実施の形態１
実施の形態１にかかる溶接方法について説明する。図１は、実施の形態１にかかる溶接方法における溶接部を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、ここでは、被溶接部材１及び２が溶接される例について説明する。ここでは、溶接が進行する方向をＸ方向として定義する。Ｘ方向に垂直かつ被溶接部材１及び２の主面に平行な方向をＹ方向とする。そして、Ｘ方向及びＹ方向に垂直な方向をＺ方向とする。
【００１２】
被溶接部材１と被溶接部材２とは、Ｙ方向に突き合わされて配置されている（いわゆる突合せ継手）。なお、ここでは、被溶接部材１と被溶接部材２との継ぎ目において、被溶接部材２の一部が被溶接部材１に乗り上げている。しかし、これは例示に過ぎず、被溶接部材２の一部が被溶接部材１に乗り上げることは必須ではない。また、被溶接部材１と被溶接部材２との継ぎ目にはＸ方向に延在する溝である開先３が設けられている。
【００１３】
溶接は、開先３に沿って、例えば図１のＸ方向の−側から＋側へ向かう方向に進行する。開先３の上に配置された溶加材からなるワイヤ４にＺ方向からレーザビームＬが照射され、ワイヤ４が開先３で溶融する。これにより、溶融した被溶接部材１、被溶接部材２及びワイヤ４が溶融した溶融池５が生じ、この溶融池５が固化することで溶接ビード６が形成さる。従って、レーザビームＬが開先３を溶接方向（Ｘ方向）に走査することで、被溶接部材１と被溶接部材２とが溶接される。
【００１４】
本実施の形態にかかる溶接方法を実行する装置の構成例について説明する。図２は、実施の形態１にかかる溶接装置１００の構成を模式的に示す図である。溶接装置１００は、加工ヘッド１０、開先形状測定器１１、制御部１２、レーザ発振器１３、ワイヤ送給装置１４及び駆動装置１５を有する。
【００１５】
加工ヘッド１０は、レーザ発振器１３から出力されるレーザビームＬを溶接部に照射する。また、加工ヘッド１０は、例えばワイヤガイド１４Ａを介して、ワイヤ送給装置１４が送給するワイヤ４を溶接部に導く。
【００１６】
開先形状測定器１１は、例えばラインレーザ１１Ａを現在のレーザビームＬの照射位置よりも所定の距離だけ先（Ｘ方向の＋側）の開先３に照射して、照射した位置の開先３の断面（Ｙ−Ｚ平面）形状を計測する。計測結果は、制御部１２に出力される。開先形状測定器１１は、例えば加工ヘッド１０に取り付けることができる。
【００１７】
駆動装置１５は、加工ヘッド１０を駆動することが可能に構成される。駆動装置１５は、例えばＮＣ（Numerical Control）加工機やロボットとして構成することができる。
【００１８】
制御部１２は、レーザ発振器１３のレーザ出力Ｐ、ワイヤ送給装置１４のワイヤ送給速度Ｖｆ、駆動装置１５の加工ヘッド１０の駆動速度を制御する。また、制御部１２は、溶接部に照射されるレーザビームＬのビーム直径ａを制御する。例えば、制御部１２は、レーザ発振器１３の制御、加工ヘッド１０に設けられた光学素子（例えばレンズ光学系など）を制御することにより、レーザビームＬのビーム直径ａを制御することができる。また、例えば、レーザビームＬが平行ビームではなく、開先３に収束される先細り形状のビームである場合（不図示）には、制御部１２は、加工ヘッド１０をレーザビームＬの光軸方向（Ｚ方向）に移動させることにより、レーザビームＬのビーム直径ａを制御することもできる。
【００１９】
次いで、本実施の形態にかかる溶接方法について説明する。図３は、実施の形態１にかかる被溶接部材１及び２の溶接後の断面（Ｙ−Ｚ断面）の一例を模式的に示す断面図である。開先３を溶接すると、溶融した被溶接部材１、被溶接部材２及びワイヤ４が固化して形成された接合ビード６が形成される。以下では、被溶接部材１及び２の表面から接合ビード６の頂部までの高さ（Ｚ方向）を余盛り高さＨＷとする。
【００２０】
図４は、開先３の断面（Ｙ−Ｚ断面）の一例を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、被溶接部材１には勾配部１Ａ、被溶接部材２には勾配部２Ａが設けられており、これにより開先３は概略Ｖ形の溝として構成される。ここでは、Ｖ形溝の頂部の幅（Ｙ方向）をＷ１、底部の幅（Ｙ方向）をＷ２、勾配部１Ａ及び２Ａの高さ（Ｚ方向）をＤ１、勾配部以外の高さをＤ２とする。
【００２１】
溶接に当たっては、被溶接部材１及び２の製造誤差や、被溶接部材１及び２の配置のばらつきにより、開先３の形状に誤差が生じる。図５は、開先３の幅が狭い場合の断面（Ｙ−Ｚ断面）を模式的に示す断面図である。この場合、誤差を考慮せずに溶接を行うと、開先３のＶ形溝の断面積が小さくなっているので、溶接ビードが過剰となって余盛り高さが高くなりすぎてしまう。
【００２２】
図６は、開先３の幅が広い場合の断面（Ｙ−Ｚ断面）を模式的に示す断面図である。この場合、誤差を考慮せずに溶接を行うと、開先３のＶ形溝の断面積が大きくなっているので、開先３に溶接されていない箇所が生じてしまい、十分な強度の接合ができていないおそれが生じる。
【００２３】
以上のように、開先３の形状には誤差が存在するため、適切な接合幅（接合ビードのＹ方向の幅）、接合深さ（接合ビードのＺ方向の深さ）、余盛り高さでの溶接を行うには、開先の形状変化に追随して溶接条件を制御する必要が有る。以下、本実施の形態にかかる溶接条件の制御について具体的に説明する。図７は、実施の形態１にかかる溶接方法を示すフローチャートである。
【００２４】
ステップＳ１１
開先形状測定器１１が、開先形状計測データを取り込む。
【００２５】
ステップＳ１２
制御部１２は、開先形状測定器１１での計測結果に基づき、開先３の幅と深さとを測定する。具体的には、制御部１２は、図４に示す開先３での幅Ｗ１及びＷ２を測定し、深さとしてＤ１＋Ｄ２を測定する。
【００２６】
ステップＳ１３
制御部１２は、開先３の幅から、レーザビームＬのビーム直径ａを計算する。このとき、開先３の上端の幅Ｗ１よりも大きくなるように、レーザビームＬのビーム直径ａを決定する。
【００２７】
ステップＳ１４
制御部１２は、開先の幅Ｗ１及びＷ２と深さＤ１及びＤ２とから、ワイヤ送給速度Ｖｆを計算する。ここで、求められる接合ビード６のＹ−Ｚ断面（すなわち、レーザビームＬの走査方向であるＸ方向に垂直な断面）の面積をＳとする。接合ビード６の断面積Ｓは、以下の式（１）で求めることができる。
【数１】
2017131914.tif 000003
但し、αは、要求される余盛り高さによって決定される０よりも大きな値である。例としては、αは０．２とすることができる。
更に、溶接による接合速度をＶｗ、ワイヤの直径をｄとすると、ワイヤ送給速度Ｖｆは、以下の式（２）で求めることができる。
【数２】
2017131914.tif 000004
【００２８】
ステップＳ１５
制御部１２は、ビーム直径ａとワイヤ送給速度Ｖｆとから、レーザ出力Ｐを計算する。このとき、例えば、レーザビームＬの面積に比例して、換言すればビーム直径ａの２乗に比例して、レーザ出力を増減させることができる。
【００２９】
ステップＳ１６
制御部１２は、ビーム直径ａ、ワイヤ送給速度Ｖｆ及びレーザ出力Ｐを算出した値に更新する。例えば、制御部１２は、ビーム直径ａ、ワイヤ送給速度Ｖｆ及びレーザ出力Ｐを算出した値に更新するために、加工ヘッド１０、レーザ発振器１３及びワイヤ送給装置１４を制御する。
【００３０】
ステップＳ１７
制御部１２は、溶接が終了したかどうかを判定する。溶接が終了していない場合にはステップＳ１１に戻り、溶接が終了したならば溶接条件の制御を終了する。なお、溶接の終了は、ユーザからの指令やセンサにより、適宜検出することが可能である。
【００３１】
上記の通り、本実施の形態にかかる溶接装置１００によれば、溶接作業中に、未溶接の開先３の形状を事前に計測する。そして、所望の余盛り高さで溶接を行えるように、計測した開先３の幅及び深さに基づいて、ワイヤ送給速度、レーザビーム出力、及び、レーザビームのビーム直径を制御することができる。これにより、開先の形状が変化しても、形状変化に応じて溶接条件を制御できるので、溶接不良を好適に防止することが可能となる。
【００３２】
また、本構成では、溶接作業中に逐次開先の形状を計測するので、溶接条件制御にために前もって開先の形状を測定し、測定結果を溶接装置に記憶させておくといった準備作業が不要である。従って、溶接作業の所要時間を短縮することが可能である。
【００３３】
その他の実施の形態
上記説明は、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は既に述べた実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能であることはいうまでもない。例えば、上記では、開先形状測定器がラインレーザを開先に照射する構成について説明したが、これは例示に過ぎない。開先形状測定器が開先の形状を計測できるならば、レーザの種類はラインレーザに限られず、照射する光もレーザ光に限られない。また、開先形状測定器をＣＣＤカメラなどの撮像装置で構成し、開先の撮像結果から開先の形状を計測してもよい。更に、開先形状測定器をＣＣＤカメラなどの撮像装置で構成した場合、又は、開先形状測定器とは別に撮像装置を設ける場合には、撮像装置によって溶融池５を撮像し、撮像した溶融池の大きさが所定の範囲内に収まるように、レーザビームのビーム直径、レーザビームの出力、及び、ワイヤ送給速度を制御してもよい。開先形状測定器とは別に撮像装置を設ける場合、上述した溶融池の撮像による制御は、開先形状測定器による制御と組み合わせて行うことも可能であり、又は、いずれかを優先的に行うことも可能である。
【００３４】
上記においては、制御部１２が、レーザ発振器１３などを制御してレーザビームのビーム直径及び出力を制御し、ワイヤ送給装置１４を制御することでワイヤ送給速度を制御している。制御部１２を例えばコンピュータなどのハードウェア資源を用いて構成した場合、制御部１２が行うこれらの制御をソフトウェアにより実行することもできる。具体的には、制御部１２が行うレーザビームのビーム直径及び出力の制御とワイヤ送給速度の制御とを行うために必要な処理を行うためのプログラムを、コンピュータなどのハードウェア資源に実行させることで、当該制御を実現できる。
【００３５】
上述したプログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ−ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ  ｓｔｏｒａｇｅ  ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ−ＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ  ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ））を含む。また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｒｅａｄａｂｌｅ  ｍｅｄｉｕｍ）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
【符号の説明】
【００３６】
１、２  被溶接部材
１Ａ、２Ａ  勾配部
３  開先
４  ワイヤ
５  溶融池
６  接合ビード
１０  加工ヘッド
１１  開先形状測定器
１１Ａ  ラインレーザ
１２  制御部
１３  レーザ発振器
１４  ワイヤ送給装置
１４Ａ  ワイヤガイド
１５  駆動装置
１００  溶接装置
ａ  ビーム直径
Ｌ  レーザビーム
【図１】
2017131914.tif 000005
【図２】
2017131914.tif 000006
【図３】
2017131914.tif 000007
【図４】
2017131914.tif 000008
【図５】
2017131914.tif 000009
【図６】
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【図７】
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