(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを照射することにより被加工物に溶接部を形成する溶接部形成工程を備え、
前記溶接部形成工程は、
前記溶接部を形成する際、前記被加工物のレーザビーム照射位置での光強度を検出する光強度検出工程と、
前記光強度検出工程で検出された検出値の平均値を算出し、前記検出値を前記平均値を中心に正規化する第１正規化工程と、
前記第１正規化工程で正規化された前記検出値を、溶接異常の判別の基準値として予め設定された第１正規化値を中心にさらに正規化する第２正規化工程と、
前記第２正規化工程で正規化された前記検出値に基づいて、異常要素の判別を行う判別工程と、を含むことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記判別工程では、予め設定された第２正規化値と中心値との間に存在する前記検出値の数が、レーザ溶接を構成する要素に関連付けて設定された閾値以上の場合、この要素を前記異常要素として判別することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記判別工程では、予め設定された第２正規化値と交差する前記検出値の数が、レーザ溶接を構成する要素に関連付けて設定された閾値以上の場合、この要素を前記異常要素として判別することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記溶接部形成工程の前に前記第２正規化値及び前記閾値を設定する溶接前工程を備え、
前記溶接前工程は、
複数の基準用被加工物に前記溶接部を形成する基準用溶接部形成工程と、
前記基準用溶接部形成工程で前記溶接部を形成する際、複数の前記基準用被加工物のそれぞれにおいてレーザビーム照射位置での光強度を検出する基準用光強度検出工程と、
前記基準用光強度検出工程で検出された複数の基準用検出値のそれぞれにおいて、平均値を算出し該平均値を中心に正規化する基準用第１正規化工程と、
前記基準用第１正規化工程で正規化された複数の前記基準用検出値のそれぞれにおいて、前記第１正規化値を中心にさらに正規化する基準用第２正規化工程と、
前記基準用第２正規化工程で正規化された複数の前記基準用検出値に基づいて、前記第２正規化値及び前記閾値を設定する設定工程と、を含むことを特徴とする請求項２又は３記載のレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームを照射することにより被加工物に溶接部を形成するレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ溶接方法としては、被加工物に溶接部を形成する際、被加工物のレーザビーム照射位置での光強度を検出し、この検出値に基づいて溶接異常の有無を判別するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００７−２５３２２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述したようなレーザ溶接方法では、前述のように溶接異常の有無を判別することはできるものの、この溶接異常が、レーザ溶接を構成する要素（例えば、レーザ発信器、ガスノズルの設置姿勢、ガス成分及びガス流量等）の何れで生じているのかを精度よく判別することは困難である。
【０００４】
そこで、本発明は、異常要素の判別を精度よく行うことができるレーザ溶接方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは鋭意検討を重ね、溶接異常の際に検出された光強度の検出値を一層注視したところ、この検出値は、異常要素に応じて異なった傾向（振る舞い）を示すことを見出した。そこで、検出値の傾向を精度よく把握できれば、溶接異常の有無の判別だけでなく、異常要素の判別をも精度よく行うことができることを着想し、本発明に想到するに至った。
【０００６】
すなわち、本発明に係るレーザ溶接方法は、レーザビームを照射することにより被加工物に溶接部を形成する溶接部形成工程を備え、溶接部形成工程は、溶接部を形成する際、被加工物のレーザビーム照射位置での光強度を検出する光強度検出工程と、光強度検出工程で検出された検出値の平均値を算出し、検出値を平均値を中心に正規化する第１正規化工程と、第１正規化工程で正規化された検出値を、溶接異常の判別の基準値として予め設定された第１正規化値を中心にさらに正規化する第２正規化工程と、第２正規化工程で正規化された検出値に基づいて、異常要素の判別を行う判別工程と、を含むことを特徴とする。
【０００７】
このレーザ溶接方法では、被加工物に溶接部を形成する際に光強度が検出され、この検出値が平均値を中心に正規化される。そして、正規化された検出値が第１正規化値を中心にさらに正規化され、この検出値に基づいて異常要素の判別が行われる。従って、検出値の傾向を精度よく把握することができ、よって、異常要素の判別を精度よく行うことが可能となる。
【０００８】
また、判別工程では、予め設定された第２正規化値と中心値との間に存在する検出値の数が、レーザ溶接を構成する要素に関連付けて設定された閾値以上の場合、この要素を異常要素として判別することが好ましい。また、判別工程では、予め設定された第２正規化値と交差する検出値の数が、レーザ溶接を構成する要素に関連付けて設定された閾値以上の場合、この要素を異常要素として判別することが好ましい。これらの場合、検出値の傾向を一層精度よく把握でき、異常要素の判別を一層精度よく行うことが可能となる。
【０００９】
このとき、溶接部形成工程の前に第２正規化値及び閾値を設定する溶接前工程を備え、溶接前工程は、複数の基準用被加工物に溶接部を形成する基準用溶接部形成工程と、基準用溶接部形成工程で溶接部を形成する際、複数の基準用被加工物のそれぞれにてレーザビーム照射位置での光強度を検出する基準用光強度検出工程と、基準用光強度検出工程で検出された複数の基準用検出値のそれぞれにおいて、平均値を算出し該平均値を中心に正規化する基準用第１正規化工程と、基準用第１正規化工程で正規化された複数の基準用検出値のそれぞれにおいて、第１正規化値を中心にさらに正規化する基準用第２正規化工程と、基準用第２正規化工程で正規化された複数の基準用検出値に基づいて、第２正規化値及び閾値を設定する設定工程と、を含む場合がある。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異常要素の判別を精度よく行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。本実施形態において、「上」、「下」等の語は、図面に示される状態に基づいており、便宜的なものである。
【００１２】
図１は、本発明に係るレーザ溶接方法を実現するレーザ溶接システムの一実施形態を示す概略構成図である。図１に示すように、レーザ溶接システム１は、レーザビームを照射することによりワーク（被加工物）１０Ａ，１０Ｂに溶接部Ｗを形成するためのものである。ここでのレーザ溶接システム１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの略中央部分に直線状の溶接部Ｗを形成し、ワーク１０Ａ，１０Ｂを重ね溶接する。ワーク１０Ａ，１０Ｂとしては、鉄道車両構体に用いられる板状の外板パネル及び骨部材が用いられている。このレーザ溶接システム１は、レーザビームを照射して溶接部Ｗを形成するレーザ溶接装置２と、レーザ溶接が正常に実行されたか否かを評価する評価装置３とを備えている。
【００１３】
レーザ溶接装置２は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御装置（不図示）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。
【００１４】
送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査する。具体的には、送り装置２１は、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂを、レーザ照射装置２３によるレーザビームに対し溶接予定領域Ｒに沿って相対的に移動させる。
【００１５】
ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。このワーク固定装置２２では、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付ける。これにより、溶接予定領域Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性が向上される。
【００１６】
レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームを照射する。具体的には、レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方のレーザヘッド２７における先端から、例えばＹＡＧレーザやＣＯ２レーザ等のレーザビームを所定時間出射する。なお、レーザ照射装置２３は、内部に出力切替機構（不図示）を備えており、レーザビームを連続的に照射する場合と、レーザビームをパルス状に照射する場合とで切り替え可能とされている。
【００１７】
ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する。ここでのガス供給装置２４では、供給ノズル２８がワーク１０Ａ，１０Ｂの厚さ方向に対し約３０度傾斜するように配置されている。このガス供給装置２４は、所定の供給量でワーク１０Ａ，１０Ｂのレーザビーム照射位置（以下、「加工点」という）にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、アルゴンガス等が用いられている。
【００１８】
一方、評価装置３は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスクといった格納部、ディスプレイといった表示部等を備えたコンピュータシステムである。この評価装置３には、光強度検出センサ４が接続されている。
【００１９】
光強度検出センサ４は、加工点の光強度を検出するためのフォトセンサであり、レーザビームの照射位置の近傍に配置されている。ここでの光強度検出センサ４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに溶接部Ｗを形成する際、例えば波長１１００ｎｍ以下の光強度を選択的に検出することで、加工点で発生するプラズマの光強度を検出する。そして、光強度検出センサ４は、これらの検出値を出力信号として評価装置３に出力する。
【００２０】
また、評価装置３は、機能的な構成要素として、判別部３１と、格納部３２とを有している。判別部３１は、光強度検出センサ４からの検出値を受け取り、この検出値に基づいて異常要素を判別する（詳しくは、後述）。格納部３２は、判別部３１から出力される判別結果情報を受け取り格納する。また、この格納部３２は、異常要素の判別を行うための判別照合テーブル（図８参照）を格納する。
【００２１】
次に、上述した構成を有するレーザ溶接システム１の動作について、図２〜図４を参照しつつ説明する。
【００２２】
レーザ溶接システム１では、基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）にレーザ溶接を実施し、判別照合テーブルを予め設定する（溶接前工程：Ｓ１）。そして、加工用のワーク（以下、「加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂ」という）にレーザ溶接を実施してこれらを互いに溶接すると共に、判別照合テーブルに基づいて異常要素の判別を行ってレーザ溶接を評価（検査）する（溶接本工程：Ｓ２）。そこで、まず、溶接前工程について説明する。
【００２３】
［溶接前工程］
基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に載置し、上方から加圧治具２６を下降させて基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。続いて、レーザヘッド２７からレーザビームを照射すると共に、可動ステージ２５を速度約１０ｍ／ｓで移動させて基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向（図１参照）に走査する。これに併せて、ガス供給装置２４によってアシストガスを流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給する。これにより、基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに沿って、溶接部Ｗを形成する（Ｓ１１）。
【００２４】
ここで、溶接部Ｗを形成する際、光強度検出センサ４により加工点の光強度を検出し、波形パターンである基準用の検出値（以下、「基準用検出値」という）を取得する（Ｓ１２）。そして、複数の基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して上記Ｓ１１，Ｓ１２を行い、基準用検出値を複数取得する
【００２５】
続いて、取得された複数の基準用検出値に基づいて、レーザ溶接を構成する要素ごとに判別照合テーブルを設定する。ここでは、ガス流量と、ガス成分と、ガスノズル角度とを要素として設定している。まず、ガス流量の場合について説明する。
【００２６】
取得した複数の基準用検出値のそれぞれにおいて、所定のデータ区間（例えば、３００データ）で平均値を算出する（Ｓ１３）。続いて、算出した平均値を中心に各基準用検出値を正規化する（基準用第１正規化工程：Ｓ１４）。そして、この正規化した各基準用検出値に基づいて、溶接異常の有無を判別するための標本線（基準）となる第１正規化値を設定する（Ｓ１５）。なお、標本線とは、データ波形上に適当に設定された横線をいう。
【００２７】
図５は、基準用第１正規化工程で正規化された基準用検出値を示す線図である。図中の縦軸の「μ」は、中心値を示し、ここでは基準用検出値の平均値に相当する。「σ」は、μを中心に正規化したときの標準偏差を示している。実線の検出値Ｄ１は正常時のデータを示し、破線の検出値Ｄ２はガス流量異常時のデータを示している。また、図中においては、±３．０σ、±１．５σに標本線が形成されている。
【００２８】
図５に示すように、検出値Ｄ１，Ｄ２は、−１．５σの標本線Ｌ１によって、正常時の検出値Ｄ１と溶接異常時の検出値Ｄ２とを判別できることがわかる。具体的には、例えば、標本線Ｌ１と中心値μとの間の領域Ａ１において検出値Ｄ１，Ｄ２の存在する数（以下、「存在量」という）を互いに比較することにより、検出値Ｄ１，Ｄ２を分離することが可能となっている。また、例えば、標本線Ｌ１と交差する検出値Ｄ１，Ｄ２の数（以下、「変化量」という）を互いに比較することにより、検出値Ｄ１，Ｄ２を分離することが可能となっている。従って、ここでは、標本線Ｌ１の値である−１．５σが第１正規化値として設定されることになる。
【００２９】
続いて、上記Ｓ１４で正規化された複数の基準用検出値のそれぞれにおいて、第１正規化値を中心にさらに正規化する（Ｓ１６：基準用第２正規化工程）。そして、Ｓ１６で正規化された複数の基準用検出値に基づいて、第２正規化値及び閾値を導出する（Ｓ１７）。
【００３０】
図６は、基準用第２正規化工程で正規化された基準用検出値を示す線図である。図中の縦軸の「μ´」は、新たに設定された中心値を示し、第１正規化値に相当する。「σ´」は、μ´を中心にさらに正規化した際の標準偏差を示している。
【００３１】
図６に示す線図では、第１正規化値（−１．５σ）を中心値μ´して再び正規化され、＋０．５σ´（−１．０σに相当）及び−０．５σ´（−２．０σに相当）に新たに標本線が形成されている。ここで、＋０．５σ´の標本線Ｌ２と中心値μ´との間の領域Ａ２にて検出値Ｄ１，Ｄ２の存在量を検出し比較することで、領域Ａ１（図５参照）にて存在量を検出し比較する場合に比して、検出値Ｄ１，Ｄ２の傾向（振る舞い）をきめ細かく充分に捉えることが可能となっている。つまり、この場合、検出値Ｄ１，Ｄ２における第１正規化値の近傍をクローズアップして把握することができる。
【００３２】
また、検出値Ｄ１には、その値が低い部分Ｐが存在しているのがわかる。検出値Ｄ１の部分Ｐは異常要素の判別に影響するおそれがあるが、このように第１正規化値を中心値μ´として±０．５σ´に標本線を再設定することで、部分Ｐを除外して検出値Ｄ１，Ｄ２の存在量を検出することができ、異常要素の判別精度を向上させることが可能となる。以上により、ここでは、標本線Ｌ２の値である＋０．５σ´が第２正規化値として設定され、この第２正規化値と中心値μ´との間の領域Ａ２における存在量が閾値として設定されることになる。
【００３３】
図７は、図６の線図における第２正規化値と中心値μ´との間の領域Ａ２での検出値Ｄ３，Ｄ４の存在量を示す線図である。縦軸は存在量の数を示し、横軸は時間を示している。また、実線の検出値Ｄ３は正常時のデータを示し、破線の検出値Ｄ４はガス流量異常時のデータを示している。図７に示すように、正常時では、存在量が０で一定であるのに対し、ガス流量異常時では存在量が２５０以上となっている。従って、ここでは、存在量が２５０以上とする閾値αが設定されることになる。
【００３４】
そして、上記Ｓ１３〜Ｓ１７を要素ごとに行い、第１正規化値、第２正規化値及び閾値を要素ごとに設定する。これにより、図８に示すように、判別照合テーブルの設定が完了する。なお、ガス成分異常を判別する場合には、Ｓ１６で正規化された基準用検出値においての第２正規化値に対する変化量を閾値としている。また、ガスノズル角度異常を判別する場合には、上述したガス流量異常を判別する場合と同様に、Ｓ１６で正規化された基準用検出値においての存在量を閾値としている。
【００３５】
［溶接本工程］
次に、溶接本工程について説明する。まず、上記Ｓ１１と同様に、加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に載置し、上方から加圧治具２６を下降させて加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。続いて、レーザヘッド２７からレーザビームを照射すると共に、可動ステージ２５を速度約１０ｍ／ｓで移動させて加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向（図１参照）に走査する。これに併せて、ガス供給装置２４によってアシストガスを流量１５Ｌ／ｍｉｎで供給する。これにより、加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに沿って、溶接部Ｗを形成する（Ｓ２１）。
【００３６】
ここで、溶接部Ｗを形成する際、光強度検出センサ４により加工点の光強度を検出し、波形パターンである加工用の検出値（以下、「加工用検出値」という）を取得する（Ｓ２２）。そして、上記Ｓ１で設定された判別照合テーブルに基づいて、各異常要素の判別を行う。まず、異常要素がガス流量異常の場合の判別について説明する。
【００３７】
取得した加工用検出値にて所定のデータ区間（例えば、３００データ）で平均値を算出する（Ｓ２３）。続いて、算出した平均値を中心値μとして、加工用検出値を正規化する（第１正規化工程：Ｓ２４）。そして、このＳ２４で正規化された加工用検出値を、判別照合テーブルの第１正規化値を中心値μ´としてさらに正規化する（第２正規化工程：Ｓ２５）。
【００３８】
続いて、上記Ｓ２５で正規化された加工用検出値に基づいて、ガス流量異常の判別を行う（Ｓ２６）。具体的には、判別照合テーブルの第２正規化値と中心値μ´との間の領域での加工用検出値の存在量を検出する。検出した存在量と判別照合テーブルの閾値とを照合し、存在量が閾値以上のときにガス流量異常が生じたとして判別する。そして、異常要素の判別結果を格納部３２に格納する（Ｓ２７）。
【００３９】
続いて、上記Ｓ２３〜Ｓ２７を、異常要素ごとに実施する。具体的には、ガス成分異常を判別する場合、上記Ｓ２５にて正規化された加工用検出値においての第２正規化値に対する変化量を検出し、この変化量と判別照合テーブルの閾値とを照合し、検出した変化量が閾値以上のときにガス成分異常が生じたとして判別する。ガスノズル角度異常を判別する場合、上記Ｓ２５で正規化された加工用検出値においての第２正規化値と中心値μ´との間の領域の存在量を検出し、検出した存在量が閾値以上の場合、ガス流量異常が生じたとして判別する。そして、レーザ溶接が完了するまで、上記Ｓ２１〜Ｓ２７の処理を繰り返し続行する（Ｓ２８）。
【００４０】
以上、本実施形態では、加工用ワーク１０Ａ，１０Ｂに溶接部Ｗを形成する際、光強度が光強度検出センサ４で検出され、光強度検出センサ４からの加工用検出値がその平均値を中心に正規化される。そして、この正規化された加工用検出値にあっては、溶接異常を判別する基準として予め設定された第１正規化値を中心にさらに正規化される。よって、加工用検出値の第１正規化値の近傍を特に把握することができ、加工用検出値の傾向を精度よく把握することが可能となる。従って、第１正規化値を中心に正規化された検出値に基づき異常要素の判別を行うことで、異常要素の判別を精度よく行うことが可能となる。これは、検出値が異常要素に応じて異なった傾向を示すことから、検出値の傾向を精度よく把握することが可能であれば、異常要素の判別を精度よく行うことができるためである。
【００４１】
また、本実施形態では、上述したように、ガス流量異常／ガスノズル角度異常を判別する場合、第２正規化値と中心値μ´との間の領域における存在量を検出し、この存在量と判別照合テーブルでの閾値とを照合し、存在量が閾値以上のときにガス流量異常／ガスノズル角度異常が生じたとして判別する。また、上述したように、ガス成分異常を判別する場合、加工用検出値の第２正規化値に対する変化量を算出し、この変化量と判別照合テーブルの閾値とを照合し、変化量が閾値以上のときにガス成分異常が生じたとして判別する。このように、異常要素の判別に際して存在量や変化量を用いることで、加工用検出値の傾向を一層精度よく把握でき、異常要素の判別を一層精度よく行うことが可能となる。
【００４２】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述した実施形態では、光強度検出センサ４で加工点におけるプラズマの光強度を検出したが、赤外線領域の光の光強度を選択的に検出することで加工点温度に相当する光強度を検出してもよい。また、レーザビーム及びレーザビームの反射光の光強度を検出してもよい。検出する光については、判別する異常要素（異常部位）、レーザビームの種類及び被加工物の材質等によって適宜選択されるものである。
【００４３】
また、上記実施形態では、ガス流量異常、ガス成分異常及びガスノズル角度異常を判別したが、これらに加え、例えば、レーザ発振器であるレーザヘッド２７の異常や、レーザ照射装置２３周りの種々の部位における異常等を判別してもよい。また、これらの何れか１つ又は複数を判別してもよい。
【００４４】
また、上記実施形態では、存在量でガス流量異常の判別を行ったが、場合によっては、変化量で判別を行ってもよく、存在量及び変化量の双方で判別を行ってもよい。これについては、他の異常要素の判別においても同様である。
【００４５】
また、上記Ｓ１６においては、複数の基準用検出値のそれぞれを第１正規化値を中心に正規化した後、所定値を中心に少なくとも１回以上さらに正規化してもよい。また、上記Ｓ２６で異常要素の判別した結果、異常が生じた場合、直ちに溶接を中断（中止）してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明に係るレーザ溶接方法を実現するレーザ溶接システムの一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１のレーザ溶接システムの動作を示すフローチャートである。
【図３】図２の溶接前工程におけるフローチャートである。
【図４】図２の溶接本工程におけるフローチャートである。
【図５】基準用第１正規化工程で正規化された基準用検出値を示す線図である。
【図６】基準用第２正規化工程で正規化された基準用検出値を示す線図である。
【図７】図６の線図における第２正規化値と中心との間の領域での基準用検出値の存在量を示す線図である。
【図８】判別照合テーブルを示す図表である。
【符号の説明】
【００４７】
１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、Ｗ…溶接部、α…閾値。
【図１】
0005074265.tif 000002
【図２】
0005074265.tif 000003
【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】
0005074265.tif 000009