本发明涉及激光焊接部的孔检测方法以及激光焊接装置。
背景技术：
在组装汽车的车身、结构体时，通常，形成将钢板压制成型成期望的形状而成的金属构件，然后，向将多个金属构件的一部分重叠而成的部分照射激光并进行焊接接合。
提案有一种在进行激光焊接的加工过程中监测激光焊接部的质量的技术(参照专利文献1。)。在专利文献1所述的监测方法中，分别检测进行激光焊接的加工过程中的自焊接部放射的可见光的发光强度、和自焊接部反射的反射光的强度。然后，作为这些检测信号的频率成分，基于任意的频率以下的低频成分的强度和超过所述任意的频率的高频成分的强度，对焊接部的质量进行判定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2000－271768号公报
技术实现要素：
发明要解决的问题
在激光焊接中，存在由金属构件熔融的中途产生的气体导致熔融金属被吹飞而使熔融金属不足、并在凝固时产生孔的情况。这样的孔缺陷产生在焊接后，即使应用上述以往技术所述的激光焊接过程中的监测技术，也无法检测缺陷。要求通过容易地检测焊接后产生的孔缺陷来谋求焊接质量的提高。
于是，本发明的目的在于提供能够容易地检测焊接后产生的孔缺陷的、激光焊接部的孔检测方法以及激光焊接装置。
用于解决问题的方案
为了达成上述目的，本发明为一种激光焊接部的孔检测方法，该激光焊接部的孔检测方法在照射激光而将多个金属构件彼此焊接之后，作为检查光向焊接部再次照射所述激光。然后，检测通过照射所述检查光而自所述焊接部放射的可见光的发光强度，基于可见光的发光强度的变化检测焊接后产生的孔。
为了达成上述目的，本发明为一种激光焊接装置，该激光焊接装置具有：激光照射部，其照射激光；可见光用传感器，其检测自利用自所述激光照射部照射的激光焊接而成的焊接部放射的可见光的发光强度；以及控制部。控制部能够将所述激光照射部的动作在照射所述激光而将多个金属构件彼此焊接的焊接模式和作为检查光向焊接部再次照射所述激光的检查模式之间切换。所述控制部在所述焊接模式之后将所述激光照射部的动作切换到所述检查模式，并自所述激光照射部作为检查光向焊接部再次照射所述激光。而且，所述控制部基于所述可见光用传感器的检测信号、并基于通过照射所述检查光而自所述焊接部放射的可见光的发光强度的变化，检测焊接后产生的孔。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光焊接装置的概略结构图。
图2的(a)和图2的(b)是表示检测焊接后在激光焊接部产生的孔的方法的原理的说明图，图2的(a)是表示焊接后在激光焊接部未产生孔的情况下的、可见光的发光强度的变化和反射光的强度的变化的图。图2的(b)是表示焊接后在激光焊接部产生有孔(贯通孔)的情况下的、可见光的发光强度的变化和反射光的强度的变化的图。图2的(c)是表示焊接后在激光焊接部产生有孔(非贯通孔)的样态的图。
图3的(a)和图3的(b)是表示在检查模式下、自激光照射部照射的作为检查光的激光相对于焊接部的照射角度的说明图，图3的(a)表示相对于焊接部延伸的方向、也就是激光的扫描方向交叉的面内的照射角度。图3的(b)表示包含焊接部延伸的方向、也就是激光的扫描方向在内的面内的照射角度。
图4是说明激光焊接装置的动作的流程图。
图5的(a)和图5的(b)是表示使用形成了孔的试件进行检测孔的实验得到的结果的图，图5的(a)是表示形成了孔的试件和可见光的发光强度的变化的图表，图5的(b)是表示形成了孔的试件和反射光的强度的变化的图表。
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的实施方式。另外，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的附图标记，并省略重复的说明。附图的尺寸比例为了便于说明而被夸大，与实际的比例不同。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的激光焊接装置10的概略结构图。
参照图1，图1所示的激光焊接装置10为yag激光焊接装置，概括说明，激光焊接装置10具有：激光照射部30，其照射激光31；第1传感器41(相当于可见光用传感器41)，其检测自利用自激光照射部30照射的激光31焊接而成的焊接部21放射的可见光40的发光强度v1；以及控制部70，其控制激光照射部30的动作。控制部70能够将激光照射部30的动作在照射激光31而将多个金属构件20彼此焊接的焊接模式与作为检查光32向焊接部21再次照射激光31的检查模式之间切换。控制部70在焊接模式后将激光照射部30的动作切换为检查模式，并作为检查光32自激光照射部30向焊接部21再次照射激光31。然后，控制部70基于第1传感器41的检测信号、并基于通过照射检查光32而自焊接部21放射的可见光40的发光强度v1的变化，检测焊接后产生的孔22(参照图2的(b)和图2的(c))。在图1所示的激光焊接装置10中，除第1传感器41以外，还具有第2传感器51(相当于反射光用传感器51)，该第2传感器51检测作为检查光32照射的激光31自焊接部21反射的反射光50的强度v2。控制部70基于可见光40的发光强度v1的变化和根据第2传感器51的检测信号得到的反射光50的强度v2的变化，检测焊接后产生的孔22。以下，进行详细说明。
激光照射部30具有yag激光振荡器33和安装于机械手34的扫描头35。yag激光振荡器33中产生的激光31由光纤36导向扫描头35。在扫描头35内组装有包括聚光透镜(日语：コンデンサレンズ)、集光透镜(日语：集光レンズ)等的焦点可变机构37。焦点位置调整后的激光31利用镜38、能够摆动的扫描镜39聚集于金属构件20的表面。能够沿着直线形状、曲线形状、圆形状或圆弧形状等任意的轨迹扫描激光31。多个金属构件20彼此被照射激光31而焊接，形成有作为焊接部21的焊道。
在检查模式下，在作为检查光32向焊接部21再次照射激光31时，自因照射检查光32而被加热的焊接部21放射可见光40。而且，作为检查光32照射的激光31的一部分不会被焊接部21吸收而是成为自焊接部21反射的反射光50。可见光40和反射光50被扫描镜39折返，透过镜38，通过一个或多个镜60、光纤61而入射于分束器62。
在分束器62中具有作为可见光用传感器41的第1传感器41、作为反射光用传感器51的第2传感器51、分色镜63、仅供1064nm±10nm的波长透过的干涉滤光器64。第1传感器41和第2传感器51分别由光电二极管构成。光电二极管输出相对于光强度具有相关关系的电压。在分束器62中，首先，利用分色镜63根据波长选择来自焊接部21的入射光。入射光中的波长为750nm以下的可见光40透过分色镜63，并导向第1传感器41。第1传感器41将接收到的可见光40的发光强度v1转换为电信号，并向控制部70输入。在入射光中的红外光被分色镜63反射之后，仅具有1.06μm的波长的yag激光31透过干涉滤光器64而导向第2传感器51。第2传感器51将接收到的反射光50的强度v2转换为电信号，并向控制部70输入。来自第1传感器41和第2传感器51的各个电信号经由前置放大器、滤波器、ad转换器等输入于控制部70。
控制部70主体上由cpu、存储器构成。向cpu输入利用第1传感器41检测到的可见光40的发光强度信号、利用第2传感器51检测到的反射光50的强度信号。自cpu输出用于控制激光照射部30的yag激光振荡器33、焦点可变机构37、扫描镜39等的动作的信号。而且，自cpu向驱动机械手34的关节轴的伺服马达等输出控制扫描头35的姿势的信号。在存储器除了存储有用于控制各部的动作的程序以外，还存储有用于根据可见光40的发光强度v1的变化检测焊接后产生的孔22的程序。而且，在存储器还存储有用于根据可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化检测焊接后产生的孔22的程序。在控制部70连接有监视器71，监视器71显示可见光40的发光强度v1、反射光50的强度v2、孔缺陷的有无等。
控制部70以检查光32对焊接部21施加的热量被调整成不超过使焊接部21再熔化的热量的热量的方式控制激光照射部30。由此，能够维持焊接部21不会再熔化的状态，并且通过照射检查光32能够检测焊接后产生的孔22。
控制部70使作为检查光32照射的激光31的输出功率、光束直径、扫描速度中的至少一者进行调整。通过降低激光输出功率、或是加快扫描速度、或是扩大光斑直径，能够调整相对于焊接部21的输入热量，能够简单地调整成不超过使焊接部21再熔化的热量的热量。另外，调整激光31的输出功率、光束直径、扫描速度中的至少一者即可。例如，即使将激光输出功率设定为与焊接时相同，通过加快扫描速度，也能够调整相对于焊接部21的输入热量。
图2的(a)和图2的(b)是表示检测焊接后在激光焊接部21产生的孔22的方法的原理的说明图，图2的(a)是表示焊接后在激光焊接部21未产生孔22的情况下的、可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化的图。图2的(b)是表示焊接后在激光焊接部21产生有孔22(贯通孔22a)的情况下的、可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化的图。图2的(c)是表示焊接后在激光焊接部21产生有孔22(非贯通孔22b)的样态的图。
第1传感器41和第2传感器51分别由光电二极管构成，输出相对于光强度具有相关关系的电压。参照图2的(a)，在激光焊接结束、且在熔融金属凝固后在焊接部21未产生孔22的情况下，可见光40的发光强度v1和反射光50的强度v2未出现较大的变化。
另一方面，参照图2的(b)，在激光焊接结束、且在熔融金属凝固后在焊接部21产生了孔22的情况下，来自第1传感器41的电压输出和来自第2传感器51的电压输出在产生了孔22的部分较大程度地下降。
因而，能够基于可见光40的发光强度v1的变化，检测焊接后产生的孔22。而且，能够基于可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化，检测焊接后产生的孔22。在利用了焊接过程中的激光31的以往的方法中，无法检测焊接后所产生的孔22。相对于此，在本实施方式中，能够检测焊接后所产生的孔缺陷。
在此，在检测焊接后产生的孔22时，除基于可见光40的发光强度v1的变化以外还基于反射光50的强度v2的变化的情况下的优点如以下所述。
在利用1台激光焊接装置10进行焊接和检查的情况下，通过基于可见光40的发光强度v1的变化，能够准确地检测焊接后产生的孔22。
另一方面，在利用多台激光焊接装置10同时焊接多个焊点的情况下，在焊接点彼此相对较近时，产生以下的问题。来自焊接部21的可见光40以放射状放射，发光强度v1在检查模式下仍非常强。因此，存在有在一台激光焊接装置10中放射的可见光40被导向在检查模式下进行工作的另一台激光焊接装置10的第1传感器41的情况。此时，在另一台激光焊接装置10中导致见光40重叠。因而，即使焊接后产生了孔22，可见光40的发光强度v1也未出现较大的变化，其结果，无法准确地检测焊接后产生的孔22。
由于照射的检查光32容易被焊接部21的表面上的微小凹凸形状反射，因此，被导至第2传感器51的反射光50仅为检查光32的百分之几。因此，实际上不会产生在一台激光焊接装置10中自焊接部21反射的反射光50被导向在检查模式下进行工作的另一台激光焊接装置10的第2传感器51的情况。
因而，除基于可见光40的发光强度v1的变化以外，还基于反射光50的强度v2的变化，由此，能够提高焊接后产生的孔22的检测精度。特别是，即使在利用多台激光焊接装置10同时焊接多个焊点的情况下，也起到能够准确地检测焊接后产生的孔22的显著的效果。
检测对象的孔22可以是自焊接部21的一侧的表面21a贯通到另一侧的表面21b的贯通孔22a(参照图2的(b))，还可以是未到达另一侧的表面21b的非贯通孔22b(参照图2的(c))。
无论是贯通孔22a还是非贯通孔22b，在贯通孔22a或非贯通孔22b的部分，凝固的熔融金属的量都与其他的部分不同。因此，可见光40的发光强度v1出现较大的变化、反射光50的强度v2的变化出现较大的变化。其结果，能够准确地检测焊接后产生的贯通孔22a或非贯通孔22b。
在检测到焊接后产生的孔22的情况下，在进行检测到的孔22为贯通孔22a还是非贯通孔22b的判定时，如下所述进行判定即可。
首先，在贯通孔22a的情况和非贯通孔22b的情况下分别预先获得并存储可见光40的发光强度v1的变化的参照波形。然后，将检查模式下得到的可见光40的发光强度v1的变化分别与贯通孔22a的情况下的参照波形以及非贯通孔22b的情况下的参照波形进行比较。然后，判定表示更近似的波形的参照波形的孔22(贯通孔22a或非贯通孔22b)为焊接后产生的孔22(贯通孔22a或非贯通孔22b)。除了将可见光40的发光强度v1的变化与参照波形进行比较以外，还可以将反射光50的强度v2的变化与参照波形进行比较。在贯通孔22a的情况下和非贯通孔22b的情况下分别预先获得并存储反射光50的强度v2的变化的参照波形。然后，将检查模式下得到的反射光50的强度v2的变化分别与贯通孔22a的情况下的参照波形和非贯通孔22b的情况下的参照波形进行比较。然后，判定表示更近似的波形的参照波形的孔22(贯通孔22a或非贯通孔22b)为焊接后产生的孔22(贯通孔22a或非贯通孔22b)。
图3的(a)和图3的(b)是表示检查模式下自激光照射部30照射的作为检查光32的激光31相对于焊接部21的照射角度θ的说明图，图3的(a)表示相对于焊接部21延伸的方向、也就是激光31的扫描方向(相对于纸面正交的方向)交叉的面内的照射角度θ。图3的(b)表示包含焊接部21延伸的方向、也就是激光31的扫描方向b(由空白箭头表示)在内的面内的照射角度θ。
参照图3的(a)和图3的(b)，在检查模式下，自激光照射部30照射的作为检查光32的激光31相对于焊接部21的照射角度θ优选自金属构件20的表面的法线a到会向焊接后产生的孔22中照射检查光32的角度的范围。在此，“会向焊接后产生的孔22中照射检查光32的角度”没有特殊限定，大约为20度。如图3的(b)所示，检查部位处的检查光32和扫描方向b所成的角度α可以是钝角或锐角的任一者。
如上所述，无论是贯通孔22a还是非贯通孔22b，在贯通孔22a或非贯通孔22b的部分，凝固的熔融金属的量都与其他的部分不同。因此，通过将作为检查光32的激光31相对于焊接部21的照射角度θ设定为自金属构件20的表面的法线a到会向接后产生的孔22中照射检查光32的角度的范围，而使可见光40的发光强度v1出现较大的变化、反射光50的强度v2出现较大的变化。其结果，能够准确地检测焊接后产生的贯通孔22a或非贯通孔22b。
图4是说明激光焊接装置10的动作的流程图。
参照图4，控制部70将激光照射部30的动作设定为照射激光31而将多个金属构件20彼此焊接的焊接模式(步骤s11)。控制部70使机械手34驱动，与焊接位置、焊接方向相配合地控制扫描头35的姿势。控制部70使yag激光振荡器33驱动，使扫描镜39从初始位置摆动，使激光31聚集于金属构件20的表面并进行扫描。由此，将多个金属构件20彼此焊接。控制部70使扫描镜39转动，继续步骤s11的焊接模式，直到结束规定长度的焊接部21的形成为止(步骤s12，否)。
控制部70在扫描镜39转动规定角度、且判断为结束了规定长度的焊接部21的形成时(步骤s12，是)，使yag激光振荡器33的动作停止。控制部70在焊接模式之后将激光照射部30的动作切换为作为检查光32向焊接部21再次照射激光31的检查模式(步骤s13)。控制部70在维持了扫描头35的姿势的状态下，使扫描镜39恢复到初始位置。控制部70使yag激光振荡器33再次驱动，使扫描镜39从初始位置摆动，作为检查光32向焊接部21再次照射激光31。通过作为检查光32向焊接部21再次照射激光31，从而自被加热的焊接部21放射可见光40。而且，作为检查光32照射的激光31的一部分不会被焊接部21吸收而成为自焊接部21反射的反射光50。由于不移动机械手34的关节轴就能够利用伺服马达控制扫描镜39的驱动，因此，能够高速且连续地照射作为检查光32的激光31。
可见光40和反射光50入射于分束器62。在分束器62中，在来自焊接部21的入射光中，可见光40被导向第1传感器41，仅具有1.06μm的波长的yag激光31透过干涉滤光器64被导向第2传感器51。向控制部70输入由第1传感器41检测到的可见光40的发光强度信号、由第2传感器51检测到的反射光50的强度信号(步骤s14)。
控制部70基于可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化，检测焊接后产生的孔22的有无(步骤s15)。控制部70使扫描镜39转动，并继续步骤s13～s15的检查模式，直到结束在焊接部21的整个长度上的检查为止(步骤s16，否)。
控制部70在扫描镜39转动规定角度、且判定为结束了焊接部21的整个长度上的检查时(步骤s16，是)，使yag激光振荡器33的动作停止，停止作为检查光32再次照射激光31。
控制部70在结束对于1个焊点的焊接和检查时，为了对下一焊点进行焊接，变更扫描镜39的初始位置、使机械手34驱动并变更扫描头35的姿势。
控制部70在结束对设定于一个工件(例如，汽车用板材等)的所有焊点的焊接和检查时(步骤s17)，对该一个工件进行焊接质量的判定(步骤s18)。
焊接质量的判定(步骤s18)根据成为激光焊接的对象的工件的特性能够设定各种各样的基准。例如，即使在检测出一个焊接后产生的孔22时，也将焊接质量判定为“ng”。而且，在检测到焊接后产生的孔22的情况下，在相对于1个焊接部21的整个长度的比例从接合强度的观点来看为能够容许的比例以下时，还能够将焊接质量判定为“ok”。
(实验例)
图5的(a)和图5的(b)是表示使用形成了孔22的试件进行检测孔22的实验得到的结果的图，图5的(a)是表示形成了孔22的试件和可见光40的发光强度v1的变化的图表，图5的(b)是表示形成了孔22的试件和反射光50的强度v2的变化的图表。在各个图表中，上侧所示的图表放大地表示了下侧所示的图表的标度的一部分。
试件形成有直线形状的焊接部21(焊道)。在焊接部21形成有孔22。作为检查光32照射的激光31以150mm/s的速度扫描了15mm。激光31的输出功率设为500w。相对于焊接部21延伸的方向、也就是激光31的扫描方向交叉的面内的照射角度θ设为10度(参照图3的(a))。包含焊接部21延伸的方向、也就是激光31的扫描方向在内的面内的照射角度θ设为零、也就是金属构件20的表面的法线方向(参照图3的(b))。
参照图5的(a)，在沿着扫描方向的、焊接部21的孔22的位置，可见光40的发光强度v1示出了最低的强度。而且，参照图5的(b)，在沿着扫描方向的、焊接部21的孔22的位置，反射光50的强度v2示出了最低的强度。因而，能够确认的是，基于可见光40的发光强度v1的变化，能够检测存在于焊接部21的孔22。而且，能够确认的是，基于可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化，能够检测存在于焊接部21的孔22。
如以上所说明的那样，根据本实施方式的激光焊接部21的孔检测方法，在照射激光31而将多个金属构件20彼此焊接之后，作为检查光32向焊接部21再次照射激光31。然后，检测通过照射检查光32而自焊接部21放射的可见光40的发光强度v1，基于可见光40的发光强度v1的变化检测焊接后产生的孔22。而且，根据将上述的孔检测方法具体化而成的本实施方式的激光焊接装置10，控制部70在焊接模式之后将激光照射部30的动作切换到检查模式，并作为检查光32自激光照射部30向焊接部21再次照射激光31。而且，控制部70基于第1传感器41的检测信号、并基于通过照射检查光32而自焊接部21放射的可见光40的发光强度v1的变化检测焊接后产生的孔22。
根据所述方法和装置，在激光焊接结束、且熔融金属凝固之后在焊接部21产生了孔22的情况下，可见光40的发光强度v1在孔22的位置较大程度地变化。因而，基于可见光40的发光强度v1的变化，能够容易地检测焊接后产生的孔缺陷。由于能够使用现有的激光焊接用的激光31作为检查光32，因此，不需要设置检查专用的激光设备。能够使用现有的激光焊接用的激光31、机器人设备，能够相对廉价地实现对孔缺陷的检测。
根据孔检测方法，检测作为检查光32照射的激光31自焊接部21反射的反射光50的强度v2，基于可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化检测焊接后产生的孔22。而且，根据激光焊接装置10，控制部70基于可见光40的发光强度v1的变化和根据第2传感器51的检测信号得到的反射光50的强度v2的变化，能够容易地检测焊接后产生的孔缺陷。
根据该方法以及装置，在激光焊接结束、且熔融金属凝固之后在焊接部21产生了孔22的情况下，可见光40的发光强度v1和反射光50的强度v2在孔22的位置较大程度地变化。因而，能够基于可见光40的发光强度v1的变化和反射光50的强度v2的变化，检测焊接后产生的孔22。除可见光40的发光强度v1的变化以外，还基于反射光50的强度v2的变化，由此，能够提高焊接后产生的孔22的检测精度。特别是，在利用多台激光焊接装置10同时焊接多个焊点的情况下，也起到能够准确地检测焊接后产生的孔22的效果。
根据孔检测方法，优选将检查光32对焊接部21施加的热量调整成不超过使焊接部21再熔化的热量的热量。而且，根据激光焊接装置10，控制部70优选以将检查光32对焊接部21施加的热量调整成不超过使焊接部21再熔化的热量的热量的方式控制激光照射部30。
根据该方法以及装置，维持焊接部21不会再熔化的状态、且通过照射检查光32，能够检测焊接后产生的孔22。
根据孔检测方法，优选对作为检查光32照射的激光31的输出功率、光束直径、扫描速度中的至少一者进行调整。而且，根据激光焊接装置10，控制部70优选使作为检查光32照射的激光31的输出功率、光束直径、扫描速度中的至少一者进行调整。
根据该方法以及装置，通过降低激光输出功率、或是加快扫描速度、或是扩大光斑直径，能够调整相对于焊接部21的输入热量，能够简单地调整成不超过使焊接部21再熔化的热量的热量。
检查光32相对于焊接部21的照射角度θ优选为自金属构件20的表面的法线到会向焊接后产生的孔22中照射检查光32的角度的范围。
可见光40的发光强度v1出现较大的变化，反射光50的强度v2的变化出现较大的变化。其结果，能够准确地检测焊接后产生的孔22。
检测对象的孔22为自焊接部21的一侧的表面21a贯通到另一侧的表面21b的贯通孔22a、或未到达另一侧的表面21b的非贯通孔22b。
无论是贯通孔22a还是非贯通孔22b，在贯通孔22a或非贯通孔22b的部分，凝固的熔融金属的量都与其他的部分不同。因此，可见光40的发光强度v1出现较大的变化、反射光50的强度v2的变化出现较大的变化。其结果，能够准确地检测焊接后产生的贯通孔22a或非贯通孔22b。
本申请基于2016年1月14日申请的日本特许申请号2016－005469号，其公开内容通过参照整体编入于本说明书中。
附图标记说明
10、激光焊接装置；20、金属构件；21、焊接部；21a、一侧的表面；21b、另一侧的表面；22、孔；22a、贯通孔；22b、非贯通孔；30、激光照射部；31、激光；32、检查光；33、yag激光振荡器；34、机械手；35、扫描头；37、焦点可变机构；39、扫描镜；40、可见光；41、第1传感器(可见光用传感器)；50、反射光；51、第2传感器(反射光用传感器)；62、分束器；70、控制部；θ、照射角度；v1、可见光的发光强度；v2、反射光的强度。