特許 6333670 レーザ溶接装置及びその溶接方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6333670

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】レーザ溶接装置及びその溶接方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20180521BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20180521BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   B23K26/21 A

   B23K26/082

   B23K26/00 M

【請求項の数】6

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-172305(P2014-172305)

(22)【出願日】2014年8月27日

(65)【公開番号】特開2016-43409(P2016-43409A)

(43)【公開日】2016年4月4日

【審査請求日】2017年6月15日

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(72)【発明者】

【氏名】栗田 恒雄

(72)【発明者】

【氏名】小倉 一朗

【審査官】 黒石 孝志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００３−３２６３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−３４４１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平６−２８５６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−５６６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１７０２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３１０８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ２６／００ − ２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

被照射物に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接装置であって、
レーザ光源からのレーザ光を前記被照射物の上に集光させるとともに、その光路を周期変化させて前記被照射物の上で周期移動を与える光学系と、
前記光学系を前記被照射物に対して相対移動を与える移動手段と、
フィラーワイヤを前記被照射物上に供給するワイヤ供給器と、
前記フィラーワイヤの供給位置及び姿勢を算出し前記ワイヤ供給器を制御するワイヤ供給制御部と、を具備し、
さらに、前記光学系は前記レーザ光の前記被照射物からの戻り光を前記レーザ光源とは異なる方向へ向けて分岐させこれを受光して光強度を測定する受光光学系を含み、
前記ワイヤ供給制御部は、前記受光光学系からの前記光強度の変化を前記周期移動に沿って取得し、前記ウィービングに沿った前記フィラーワイヤの供給位置及び姿勢を算出することを特徴とするレーザ溶接装置。

【請求項2】

前記ワイヤ供給制御部は、前記光学系による前記周期移動を示す周期移動ベクトルと、前記移動手段による前記相対移動を示す相対移動ベクトルとの和から前記ウィービングに沿った位置を算出することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。

【請求項3】

前記周期移動は円周移動であることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接装置。

【請求項4】

被照射物に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接方法であって、
レーザ光源からのレーザ光を前記被照射物の上に集光させるとともに、その光路を周期変化させて前記被照射物の上で周期移動を与える光学系と、
前記光学系を前記被照射物に対して相対移動を与える移動手段と、
フィラーワイヤを前記被照射物上に供給するワイヤ供給器と、
前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出し前記ワイヤ供給器を制御するワイヤ供給制御部と、を具備し、
さらに、前記光学系は前記レーザ光の前記被照射物からの戻り光を前記レーザ光源とは異なる方向へ向けて分岐させこれを受光して光強度を測定する受光光学系を含み、
前記ワイヤ供給制御部は、前記受光光学系からの前記光強度の変化を前記周期移動に沿って取得し、前記ウィービングに沿った前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出することを特徴とするレーザ溶接方法。

【請求項5】

前記ワイヤ供給制御部は、前記光学系による前記周期移動を示す周期移動ベクトルと、前記移動手段による前記相対移動を示す相対移動ベクトルとの和から前記ウィービングに沿った位置を算出することを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接方法。

【請求項6】

前記周期移動は円周移動であることを特徴とする請求項５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、溶加材としてフィラーワイヤを供給しつつ溶接を行うレーザ溶接装置及びその溶接方法に関し、特に、被照射物に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接装置及びその溶接方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ溶接法は、従来のＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接などのアーク放電を利用したアーク溶接法と比較して、作業環境における衛生面で優れるとともに、その高いエネルギー密度から溶接部の溶け込み深さを大きくしても熱影響層の幅を小さくできて、接合部の機械的健全性を高め得る。
さらに、レーザ光を光ファイバで導くファイバーレーザ溶接法では、高い品質の安定した光が与え得るとともに、特に、耐振動性や粉塵強度に優れている。
一方で、レーザ溶接法では、レーザ光を集光させてエネルギー密度を高めた径の小さなスポットを溶接線に沿って相対移動させる必要があって、スポット径に合わせて接合部の隙間を小さくしなければならず、溶接部の機械加工やワークの移動といった溶接準備や施工行程に高い加工寸法精度及び移動精度を要求される。

【0003】

ところで、アーク溶接法では、幅広のビードを与えるように、溶接方向に対して溶接棒をほぼ直角に交互に動かしながら溶接を行うウィービング溶接法が知られている。これをレーザ溶接法に応用し、レーザビームをウィービングさせてビーム径に対してビード幅を拡大する溶接法も提案されている。

【0004】

例えば、特許文献１では、レーザ溶接法の１つであるＹＡＧレーザ溶接にウィービングを導入し、レーザ光の照射範囲を拡げてワークの接合部における隙間を大きくし得るレーザ溶接方法を開示している。詳細には、レーザ光源からの出射方向軸に対して傾斜させてガラス板を配置し、これを該出射方向軸の周囲に回転させると、ガラス板を通過するレーザ光は屈折し、ワーク上に集光して得られるスポットが溶接線の近傍で該出射方向軸を中心に回転移動する。さらに、レーザ光源に対して相対的にワークを溶接線に沿って移動させていくと、溶接線上に連続的に溶着ビードが形成されていく。これによれば、ワークの接合部の隙間が多少大きくとも、集光したレーザ光が全て該接合部の間に照射されてしまうことなく、接合部近傍に溶着ビードを形成できて健全な溶接部を与えるができる。

【0005】

また、特許文献２では、レーザ溶接法において、フィラーワイヤ（溶加材）を供給しながらウィービングを行うレーザ装置を開示している。一般的に、ＹＡＧレーザのビーム径は０.６〜０.８ｍｍ程度であって、接合部の隙間は０.１〜０.２ｍｍ程度しか許容されないことを述べた上で、レーザ光を螺旋状にウィービングさせながら溶接するレーザ溶接装置を開示している。詳細には、レーザ光源からの出射方向軸に回転可能にガラス板を配置し、ガラス板の出射方向軸に対する取付け角度をワークの隙間の幅に応じて設定できるようにしている。また、レーザ光を出射する加工ヘッドにフィラーワイヤを供給するワイヤ供給装置を組み込んでいる。これにより、ガラス板を回転させながらレーザ光を出射させ、これに対応してワイヤ供給装置でフィラーワイヤを供給しながら加工ヘッドを直進させると螺旋状にウィービングをさせながら溶接できるのである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０００−１５８１７０号公報

【特許文献2】特開２００３−１７０２８４号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

レーザ溶接、特に、ファイバーレーザ溶接法は、溶接行程のスピードアップや、溶接製品の品質向上、例えば、溶接部の低歪み化などに適しており、複数の鋼板を接合して高機能性部材を得ようとするテーラードブランク溶接などに利用されている。一方、レーザ光のビーム径が小さく、その中心にフィラーワイヤを連続して供給することが非常に難しい。特に、多量に溶加材の供給が必要となる厚板の接合では問題となる。

【0008】

また、フィラーワイヤを連続して供給しているうちに、レーザ光のビームスポットの中心からこれが外れてしまうと、溶接欠陥が生じてしまう。そこで自動溶接において、フィラーワイヤの位置ずれ補正機能も要望される。

【0009】

本発明は、上記したような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、フィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とするレーザ溶接装置及びその溶接方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明によるレーザ溶接装置は、被照射物に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザ光源からのレーザ光を前記被照射物の上に集光させるとともに、その光路を周期変化させて前記被照射物の上で周期移動を与える光学系と、前記光学系を前記被照射物に対して相対移動を与える移動手段と、フィラーワイヤを前記被照射物上に供給するワイヤ供給器と、前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出し前記ワイヤ供給器を制御するワイヤ供給制御部と、を具備し、さらに、前記光学系は前記レーザ光の前記被照射物からの戻り光を前記レーザ光源とは異なる方向へ向けて分岐させこれを受光して光強度を測定する受光光学系を含み、前記ワイヤ供給制御部は、前記受光光学系からの前記光強度の変化を前記周期移動に沿って取得し、前記ウィービングに沿った前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出することを特徴とする。

【0011】

かかる発明によれば、受光光学系からの光強度の変化により光学系の周期移動に対応する溶接部位置を検出し、ウィービングに沿った溶接部位置を算出し、さらに、フィラーワイヤの姿勢を検出できるから、当該位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。また、一旦、フィラーワイヤの位置が溶接部位置からずれたとしても、また姿勢が変化しても、ウィービングに沿った理想的な溶接部位置での姿勢を戻すことが可能である。

【0012】

上記した発明において、前記ワイヤ供給制御部は、前記光学系による前記周期移動を示す周期移動ベクトルと、前記移動手段による前記相対移動を示す相対移動ベクトルとの和から前記ウィービングに沿った位置を算出することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、光学系の周期移動に対応する溶接部位置を検出すれば、周期移動ベクトルと相対移動ベクトルとから、ウィービングに沿った溶接部位置を容易に算出できるから、当該位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。また、容易にフィラーワイヤの位置ずれを補正できるのである。

【0013】

上記した発明において、前記周期移動は円周移動であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、光学系の周期移動に対応する溶接部位置を容易に算出できて、ウィービングに沿った溶接部位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。

【0014】

また、本発明によるレーザ溶接方法は、被照射物に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接方法であって、レーザ光源からのレーザ光を前記被照射物の上に集光させるとともに、その光路を周期変化させて前記被照射物の上で周期移動を与える光学系と、前記光学系を前記被照射物に対して相対移動を与える移動手段と、フィラーワイヤを前記被照射物上に供給するワイヤ供給器と、前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出し前記ワイヤ供給器を制御するワイヤ供給制御部と、を具備し、さらに、前記光学系は前記レーザ光の前記被照射物からの戻り光を前記レーザ光源とは異なる方向へ向けて分岐させこれを受光して光強度を測定する受光光学系を含み、前記ワイヤ供給制御部は、前記受光光学系からの前記光強度の変化を前記周期移動に沿って取得し、前記ウィービングに沿った前記フィラーワイヤの供給位置及びその姿勢を算出することを特徴とする。

【0015】

かかる発明によれば、受光光学系からの光強度の変化により光学系の周期移動に対応する溶接部位置を検出しウィービングに沿った溶接部位置を算出し、さらに、フィラーワイヤの姿勢を検出できるから、当該位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。また、一旦、フィラーワイヤの位置が溶接部位置からずれたとしても、また姿勢が変化しても、ウィービングに沿った理想的な溶接部位置での姿勢を戻すことが可能である。

【0016】

上記した発明において、前記ワイヤ供給制御部は、前記光学系による前記周期移動を示す周期移動ベクトルと、前記移動手段による前記相対移動を示す相対移動ベクトルとの和から前記ウィービングに沿った位置を算出することを特徴としてもよい。かかる発明によれば、光学系の周期移動に対応する溶接部位置を検出すれば、周期移動ベクトルと相対移動ベクトルとからウィービングに沿った溶接部位置を容易に算出できるから、当該位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。また、容易にフィラーワイヤの位置ずれを補正できるのである。

【0017】

上記した発明において、前記周期移動は円周移動であることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、光学系の周期移動に対応する溶接部位置を容易に算出できて、ウィービングに沿った溶接部位置にフィラーワイヤを安定して供給できて溶接欠陥の少ない溶接を可能とできるのである。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】本発明におけるレーザ溶接装置の要部のブロック図である。

【図2】レーザ光のウィービングを示す図である。

【図3】制御部の動作を示すフロー図である。

【図4】フィラーワイヤとスポットとの関係を示す上面図である。

【図5】フィラーワイヤとスポットとの関係を示す上面図である。

【図6】フィラーワイヤとレーザ光との関係を示す側断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

まず、本発明の１つの実施例によるレーザ溶接装置について、図１を用いて、その詳細を説明する。

【0020】

図１に示すように、レーザ溶接装置１は、溶接物（被照射物）５０に照射したレーザ光にウィービングを与えつつ、互いに相対移動させて溶接を行うレーザ溶接装置であって、レーザ光を投射する投射部として光軸Ｃを有する光学系１０を図示しないヘッド部の筐体内部に収容している。

【0021】

光学系１０は、図示しないレーザ光源からのレーザ光を導き出射する光ファイバ１１と、出射されたレーザ光を透過させつつ屈折させる透明板１２と、透明板１２を保持し光軸Ｃを中心に回転自在な円筒部材１３と、透明板１２を透過したレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ１４と、平行化されたレーザ光を集光する集光レンズ１５とを備える。これら光学系１０は、後述する溶接物５０に対してヘッド部と共に相対的に移動可能である。

【0022】

光ファイバ１１は、ファイバーレーザ発振器やＹＡＧレーザ発振器などの図示しない公知のレーザ光源（発振器）に光学的に接続され、レーザ光を光軸Ｃに沿って出射できる。ファイバーレーザ発振器を用いれば、溶接の溶け込み深さをより深くするとともに熱影響層の幅を小さくでき得て好ましい。透明板１２は光軸Ｃに対して傾斜した主面を有するガラス板であり、好ましくはオプティカルパラレルを使用し得る。透明板１２の詳細についてはまた後述する。

【0023】

集光レンズ１５を透過して光投射部である光学系１０から出射されたレーザ光は、集光レンズ１５の焦点近傍において溶接物５０に照射され、溶接物５０の表面にレーザ光の照射によるスポットＳ（図２参照）を形成するとともに、スポットＳによって溶接物５０の表面近傍を溶融させて溶接を可能とする。

【0024】

光学系１０は、さらに、コリメートレンズ１４及び集光レンズ１５の間に挿入されてヘッド部の筐体に固定されたビームサンプラ１６と、感光素子１７とからなる受光光学系を含む。ビームサンプラ１６は光軸Ｃに対して傾斜して設けられた透明なガラス板であり、レーザ光の入射側（上側）の面に反射防止膜をコートされている。これにより、ビームサンプラ１６は、コリメートレンズ１４からの平行化されたレーザ光を透過させ、一方で、溶融部の近傍からの戻り光、特に、スポットＳや後述するフィラーワイヤ２２からのレーザ光の反射光を光源とは異なる方向である感光素子１７へ向けて分岐するよう反射させる。

【0025】

感光素子１７は、ビームサンプラ１６からの戻り光、すなわち、溶融部の近傍からの光を受光して光強度を測定可能であり、スポットＳからのレーザ光の反射光の変化を検知可能である。なお、波長選択フィルタを介在させて、レーザ光の反射光だけを検知するようにしてもよい。ここで、固定されたビームサンプラ１６は、コリメートレンズ１４からの平行化されたレーザ光を透過させるときに屈折させ且つ偏心させる。かかる偏心は常に一定であるので、説明を簡略化するために以降の説明においては偏心が無いものとする。

【0026】

上記したスポットＳの直上近傍、すなわち集光レンズ１５の焦点近傍には、フィラーワイヤ２２の先端部を位置させるようにワイヤ供給部２０が備えられる。ワイヤ供給部２０はフィラーワイヤ２２の先端部近傍をスライド可能に保持するワイヤ供給器２１を含む。フィラーワイヤ２２は例えば巻線の形状で送り機構２４に取り付けられ、送り機構２４によって先端側に向けて送出される。また、ワイヤ供給器２１は移動機構２３によって支持され、フィラーワイヤ２２の延びる方向に交差する平面上を２軸移動可能である。例えば、図１の紙面上において上下方向及び手前奥方向（フィラーワイヤ２２の送出方向に対して左右方向）に移動可能である。送り機構２４及び移動機構２３はそれぞれヘッド部に取り付けられ、ヘッド部と共に溶接物５０に対して相対的に平行移動可能である。

【0027】

ここで、透明板１２は、両主面を互いに平行にするとともに光軸Ｃに対して傾斜させているので、光ファイバ１１から出射されたレーザ光を光軸Ｃに対して偏心させるように屈折させる。また、透明板１２は、ヘッド部の筐体に対して光軸Ｃを中心として回転可能な円筒部材１３に取り付けられている。円筒部材１３は回転機構２５によって一定速度での回転運動を可能とし、これにより透明板１２も光軸Ｃ周りに一定速度で回転運動可能である。これにより、レーザ光は光軸Ｃに対して所定の幅で偏心するとともに、その偏心方向を光軸Ｃの周りに回転可能とされる。これによって集光レンズ１５を透過したレーザ光は、溶接物５０上に形成させるスポットＳを光軸Ｃの周りに回転させ得る。なお、透明板１２の光軸Ｃに対する傾斜角度は、後述するウィービングの幅に応じて適宜設定される。

【0028】

また、円筒部材１３には、円筒部材１３及び透明板１２の光軸Ｃを中心とする回転角度を測定する角度センサ２６が取り付けられている。角度センサ２６は後述する制御部３０に透明板１２の光軸Ｃに対する回転角度を示す信号を逐次送信できるよう接続される。角度センサ２６を設ける代わりに、回転機構２５にステッピングモータ等の所定の回転角度に制御できる機構を用い、後述する制御部３０からの信号に基づいて回転角度を制御させるようにしてもよい。

【0029】

レーザ溶接装置１は、さらに、パターン判定手段３１及びワイヤ制御手段３２を含む制御部３０を備える。制御部３０はコンピュータによって構成され、所定のプログラムを実行することでパターン判定手段３１及びワイヤ制御手段３２として機能する。制御部３０は、図示しない記憶手段や入出力手段をさらに備え、記憶手段に後述する基準パターン等を記憶させている。パターン判定手段３１及びワイヤ制御手段３２の詳細については後述する。

【0030】

制御部３０は、移動機構２３及び送り機構２４に接続され、ワイヤ制御手段３２による出力信号によって移動機構２３及び送り機構２４の動作を制御できる。なお、光学系１０を支持する筐体やその他レーザ溶接装置１の構造部材等は公知であるので説明及び図示を省略する。

【0031】

次に、上記したレーザ溶接装置１の動作について、図３に沿って、適宜、図１乃至図６を用いて説明する。

【0032】

まず、制御部３０は、感光素子１７によって、レーザ光の反射光を検出する（Ｓ１）。

【0033】

ここで、スポットＳは、透明板１２によって光軸Ｃに対してレーザ光を所定距離（半径ｒ）だけ偏心させ、回転機構２５によって円筒部材１３に取り付けられた透明板１２を光軸Ｃの周りで回転させる。これにより、透明板１２の回転に合わせて、スポットＳは光軸Ｃの周りに半径ｒ（直径ｄ）で回転移動する。また、ヘッド部の溶接物５０に対する相対的な平行移動に合わせて、光軸Ｃは溶接物５０に対して平行移動する。つまり、スポットＳの位置は、初期位置から、周期（回転）移動ベクトルと相対（直線）移動ベクトルとの和で表される位置に移動する。かかる溶接物５０に対して光軸Ｃが平行移動しつつ、その周りをスポットＳが回転移動するウィービングにより、スポットＳの径よりも大きな幅Ｗの隙間を有する接合部においての溶接を可能とする。

【0034】

感光素子１７は、スポットＳ近傍からのレーザ光の戻り光（反射光）を検出し、電気信号に変えて制御部３０に逐次送信する。レーザ光の戻り光だけを検出したい場合においては、レーザ光の波長を選択するフィルタを光路に介在させるとよい。なお、波長選択フィルタを変更し、併せて溶融部から発生する光を検出するようにしてもよい。

【0035】

次いで、制御部３０は、パターン判定手段３１によって反射光を基準パターンと比較する（Ｓ２）。基準パターンは、溶接を安定して行い得る理想的なフィラーワイヤ２２の位置に対応して得られる反射光の典型的なパターンであり、実験的に求められる。また、シミュレーションなどによってもよい。感光素子１７で受光した光量の光量変化を基準パターンと比較し、制御部３０はパターン判定手段３１によってフィラーワイヤ２２の位置を推定し、及び／又はその姿勢を推定する。

【0036】

なお、スポットＳのウィービングに沿った反射光の光量変化を基準パターンに設定するにあたって、ウィービングは上記したように周期移動と相対移動の和であり、周期移動に対する反射光の光量変化の基準パターンを設定すれば、これを相対移動させることでウィービングに沿った反射光の光量変化を基準パターンに設定できる。さらに、周期移動が光軸Ｃの周りでの一定速度での回転の場合、基準パターンは回転角度に対応して変化する光量変化パターンとなる。

【0037】

例えば、図４に示すように、透明板１２の回転角度がθ１のとき、安定して溶接を行い得るフィラーワイヤ２２の典型的な仮想フィラーワイヤ位置２２（θ１）が設定され、基準パターンはかかる仮想フィラーワイヤ位置２２（θ１）とスポットＳとの位置関係に対応したレーザ光の反射光の光量をあらかじめ規定しておくのである。

【0038】

図４の場合、実際のフィラーワイヤ２２のスポットＳを横切る面積は、仮想フィラーワイヤ位置２２（θ１）のスポットＳを横切る面積よりも大きく、フィラーワイヤ２２からの反射光は基準パターンよりも光量が大きくなる。パターン判定手段３１は基準パターンと光量を比較し、フィラーワイヤ２２の位置を推定する。なお、スポットＳがフィラーワイヤ２２の左右どちら側にあるかは、スポットＳの回転方向及び回転角度とそれまでの光量の変化の履歴からパターンとして判定可能である。

【0039】

また、図５に示すように、透明板１２の回転角度がθ２のとき、安定して溶接を行い得るフィラーワイヤ２２の典型的な仮想フィラーワイヤ位置２２（θ２）が設定され、その先端部においてスポットＳを完全に横切る位置であるとする。このとき回転角度θ２はフィラーワイヤ２２の送出方向に対して０度である。これに対し、実際のフィラーワイヤ２２の位置がスポットＳの一部のみを横切るとき、フィラーワイヤ２２からのレーザ光の反射光の光量は基準パターンよりも小さくなる。これによってフィラーワイヤ２２の先端部が仮想フィラーワイヤ位置２２（θ２）の先端部に対して送出方向と反対側に位置しており、送出される長さが短いことを判定可能である。

【0040】

さらに、図６（ａ）を参照すると、図５と同じ回転角度θ２において、仮想フィラーワイヤ位置２２（θ２）はレーザ光の焦点Ｆに近い位置であって、このときの反射光量を基準パターンとする。すなわち、安定して溶接を行い得る典型的な位置である仮想フィラーワイヤ位置２２（θ２）には、直径ｄ（θ２）のスポットが形成される。これに対し、実際のフィラーワイヤ２２の位置が焦点Ｆから離間した位置にあると、直径ｄ（θ２）よりも大きな直径ｄのスポットが形成される。このとき直径ｄ（θ２）のスポットからの反射光に対し、直径ｄのスポットからの反射光は分散し光量が小さくなる。つまり、レーザ光の焦点Ｆからの距離の違いによっても反射光の光量差を検出でき、フィラーワイヤ２２の位置を推定できる。このとき、焦点Ｆから上下どちら側にずれているかについては、焦点Ｆを上下に移動させてその変化で判定するなどの方法を採用し得る。また、溶接用のレーザ光の反射光によるものとは別に、フィラーワイヤ２２の先端部の高さを測定するセンサを設けてもよい。

【0041】

また、図６（ｂ）を参照すると、フィラーワイヤ２２の高さが上記と同様の場合、フィラーワイヤ２２によってレーザ光の反射光を得られる回転角度の範囲は、仮想フィラーワイヤ位置２２’に比べて広くなる。これによってもフィラーワイヤ２２の焦点Ｆからの距離、すなわちフィラーワイヤ２２の位置を推定できる。

【0042】

再び図３を参照すると、制御部３０はワイヤ制御手段３２によって推定されたフィラーワイヤ２２の位置からワイヤ供給部２０の動作についての制御内容を決定する（Ｓ３）。つまり、上記基準パターンと感光素子１７によって受光した光量のパターンとの差異に基づき、かかる差異を小さくするように制御内容を決定するのである。

【0043】

図４のような場合、基準パターンに比べて光量が大きいから、基準パターンに合わせるよう、光量を小さくさせる方向へフィラーワイヤ２２を移動させる。スポットＳがフィラーワイヤ２２の左右どちら側にあるかは、回転方向及び回転角度とそれまでの光量の変化の履歴から判定可能である。このとき、感光素子１７によって受光した光量は、透明板１２の１回転の周期移動に亘るパターンとして基準パターンと比較し、また逐次基準パターンと比較してもよい。つまり、受光した光量は任意の時間間隔のパターンとできて、これを基準パターンと比較し得る。

【0044】

制御部３０は、決定された制御内容に基づき、ワイヤ制御手段３２によって安定して溶接を行い得る典型的な位置にフィラーワイヤ２２を戻すよう、ワイヤ供給部２０に制御信号を送信する（Ｓ４）。すなわち、移動機構２３に対してフィラーワイヤ２２を上下方向及び左右方向にそれぞれ移動させる信号を送信し、送り機構２４に対してフィラーワイヤ２２の送り速度を変化させるのである。これによってワイヤ供給器２１の位置を移動させ、フィラーワイヤ２２の送り速度を変化させ得る。

【0045】

以上のように、本実施例によれば、感光素子１７の受けた光量変化パターンと基準パターンとの差異を小さくするよう、ワイヤ供給部２０の動作を制御し、溶接欠陥の少ない安定した溶接を可能とする。また、透明板１２の回転によるウィービングであれば、スポットＳの回転角度、すなわち透明板１２の回転角度に基づいて基準パターンとの比較が可能であり、かかる回転角度に基づいてワイヤ供給部２０を制御し得る。

【0046】

ワイヤ供給部２０は、送り速度を変化させ上下左右方向に移動するが、フィラーワイヤ２２の巻癖などが一定しているなど、安定した供給が可能であるなら、例えば、送り速度及び左右方向の制御や、送り速度だけの制御としてもよい。

【0047】

ワイヤ供給部２０の制御について、ウィービングに追従するように制御してもよい。例えば、常にスポットＳの中心をフィラーワイヤ２２の先端部に位置させるよう制御し、また、ウィービングの幅（直径ｄ）に対して狭い範囲でフィラーワイヤ２２を左右に振動させつつウィービングに追従させてもよい。

【0048】

また、基準パターンとの光量の比較において、例えば、図４や図５を参照すると、フィラーワイヤ２２がスポットＳを横切る（スポットＳがフィラーワイヤ２２上に形成される）位置の回転角度の範囲が所定の範囲に入っていれば正常と判定し、例えば９０度の位置において横切っていればフィラーワイヤ２２の横方向へのずれによるエラー、１８０度の位置においても横切っていればフィラーワイヤ２２の未溶融によるエラーと判定することもできる。

【0049】

また、光学系１０は、光軸に対して偏心した集光レンズを光軸の周りに回転させるようにしても同様のウィービングを行うことができる。また、ウィービングは、一定の規則性を有していればよく、例えば溶接方向に対して左右に振動させてもよい。この場合、基準パターンは振動角に基づくものとなる。

【0050】

また、ビームサンプラ１６及び感光素子１７からなる受光部は、ヘッド部の筐体外部に設けて光軸Ｃに対して角度を与えても良い。レーザ光のフィラーワイヤ２２からの反射光と溶融部からのレーザ光の反射光とを区別したり、レーザ光の反射光を溶融部から発生するプラズマなどによる光から区別しやすくしたりすることもできる。

【0051】

また、溶接用のレーザ光とは別に、フィラーワイヤ２２の位置を推定するための計測用の光源を追加してもよい。計測用の光源からの光は、例えばウィービングによるスポットＳと常に光軸Ｃを挟んだ反対側（対角の位置）に位置させてもよい。さらには、溶接用のレーザ光の強度を回転角度に応じて一定の規則で変化させ、特定の回転角度でプラズマの発生を抑制すれば、フィラーワイヤ２２の位置の推定の精度を向上させ得る。また、レーザ光の反射光とは別に、溶融部の発生する光を受光し、これをフィラーワイヤ２２の位置の推定や、溶接状態の確認などに用いてもよい。

【0052】

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

【符号の説明】

【0053】

１ レーザ溶接装置
１０ 光学系
１２ 透明板
１５ 集光レンズ
１６ ビームサンプラ
１７ 感光素子
２０ ワイヤ供給部
２５ 回転機構
３０ 制御部
３１ パターン判定手段
３２ ワイヤ制御手段

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】