JP2020110845A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コヒーレンスリバイバルノイズを改善し、溶接部の深さを高精度に測定できるレーザ溶接装置を提供する。【解決手段】保護光学部材６を計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜させて取り付けることで、保護光学部材６の表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズを除去し、高精度に溶接深さを計測することが可能となる。【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ光を用いて溶接する際に溶接部の品質を評価するレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法に関するものである。

従来の溶接装置として、溶接部の深さを直接測定することで、溶接部の評価を高精度に行うレーザ溶接装置がある（特許文献１）。

具体的には、図６に示すように、レーザ溶接装置１００において、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わせるように、光干渉計１０５からの計測光を、第１ビームスプリッタ１０６を介して被溶接材１０１の溶接部１０２に照射する。レーザ光により、溶接部１０２に溶融池１０３とキーホール１０４とが形成される。計測光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、第１ビームスプリッタ１０６を介し光干渉計１０５へ戻る。光干渉計１０５は、計測光の光路長を測定できるため、測定した光路長からキーホール１０４の深さを、溶け込み深さとして特定する事ができる。このようにして特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。

なお、図６に示すように、レーザ溶接装置１００は、レーザ光伝送用光学系１０８、第１集光光学系１０９、移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１、コンピュータ１１２、制御部（制御手段）１１２ａ、測定部１１２ｂ、評価部１１２ｃ、第２集光光学系１２０、干渉フィルタ１２１、及び表示部１２２を有する。

また、図６に示すように、レーザ溶接装置１００の光干渉計１０５は、光ファイバ系１１４、第１光ファイバ系１１４ａ、第２光ファイバ系１１４ｂ、第１ファイバカプラ１１５、参照ミラー１１６、第２ファイバカプラ１１７、差動ディテクタ１１８、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂ、及びＡ／Ｄ変換器１１９を有する。

特許第５２５２０２６号公報

ところで、レーザ溶接時には、スパッタやヒュームと呼ばれる、溶けた金属が飛散して粒状に固まったものや微粒子などが発生する。スパッタやヒュームから装置を保護するため、一般的なレーザ溶接装置１００には、保護ガラス等の保護光学部材が設置される。このような場合、光干渉計１０５からの計測光は、上記保護光学部材を透過して溶接部１０２へ照射されることとなる。

すなわち、光干渉計１０５には、キーホール１０４からの反射光だけでなく、保護光学部材表面からの反射光も入射する。このため、コヒーレンスリバイバル現象によって、疑似ノイズが計測されてしまうという問題が発生する。以下、コヒーレンスリバイバル現象によって計測される疑似ノイズをコヒーレンスリバイバルノイズと称する。

ここで、コヒーレンスリバイバルノイズについて説明する。

上記従来技術では、計測光として波長走査光源１１３を使用するが、これには主に外部共振器型の光源が用いられる。外部共振器型の光源では、外部共振器の長さをＬとすると、長さＬごとに全ての波長の光が節になる特異点が存在する。このため、例えば、保護光学部材の表面反射によるノイズがあった場合、そのノイズが実際の反射面だけでなく、そこからｎ×Ｌだけ離れた位置においても計測される。このようなノイズがコヒーレンスリバイバルノイズである。

キーホール１０４までの距離によっては、保護ガラスの表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズ同士が重なってしまい、キーホール１０４までの距離を正しく計測することが困難となることがある。

本発明は、コヒーレンスリバイバルノイズを改善し、溶接部の深さを高精度に測定できるレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と同軸に重ね合わされて前記溶接部に照射され、前記溶接部で反射された、前記レーザ光とは波長の異なる計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、前記被溶接材と前記レーザ出力手段との光路間に、前記計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される保護光学部材と、を有する。

また、本発明のレーザ溶接装置では、前記保護光学部材は、前記計測光の光軸に垂直な面に対して０．５度以上傾斜している。

また、本発明のレーザ溶接装置では、２枚以上の前記保護光学部材を有し、前記２枚以上の保護光学部材は、前記計測光の光軸に垂直な面に対して各々傾斜して配置され、第Ｎ番目の保護部材と第（Ｎ＋１）番目の保護部材とは、互いに１８０度回転し対称に配置される。

本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光と、前記レーザ光と異なる波長を有する計測光と、が同軸に重ね合わされて被溶接材の溶接部に照射される工程と、前記溶接部で反射された前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する工程と、を有し、前記レーザ光が保護光学部材を介して被溶接材に向けて照射される際、前記保護光学部材は、前記計測光の光軸垂直面に対して傾斜している状態である。

以上のように、本発明のレーザ溶接によれば、保護ガラス等の保護光学部材を傾斜させて取り付けることによって、保護光学部材表面での反射による光干渉計への戻り光を除去し、保護光学部材表面での反射光によって生じる計測ノイズの発生を防ぐことが出来るため、溶接部の深さを高精度に測定できるレーザ溶接装置を実現する事ができる。

実施の形態１におけるレーザ溶接装置の構成を示す図 保護光学部材での表面反射の影響を説明する図 実施の形態１に係るレーザ溶接装置の効果を説明する図 実施の形態２におけるレーザ溶接装置の構成を示す図 実施の形態２に係るレーザ溶接装置の効果を説明する図 従来のレーザ溶接装置を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
以下、図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０の構成例を示す図である。レーザ溶接ヘッド１は、被溶接材７をレーザ溶接するためのレーザ光を出力するレーザ発振器２、および溶接時の溶接深さを計測するための計測光を入射する計測光入射部３を有する。計測光入射部３は光ファイバ系８を通じて光干渉計４に接続されている。なお、レーザ発振器２は、本発明のレーザ出力手段の一例である。

光干渉計４から出射される計測光は、光ファイバ系８を通じて計測光入射部３から出力され、ビームスプリッタ５によりレーザ発振器２からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされて被溶接材７に照射される。照射された計測光は、被溶接材７にて反射し、ビームスプリッタ５を介して計測光入射部３に再び戻り、光ファイバ系８を通じて光干渉計４に入射する。

光干渉計４は、Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、被溶接材７の溶け込み深さを測定する。光干渉計４は、計測光の光路長を測定し、測定した光路長に基づいて被溶接材７の溶け込み深さを計測することができる。

レーザ溶接ヘッド１には、被溶接材７の加工時に発生するスパッタやヒュームからヘッド内に配置されたレンズ等の光学部材を保護するため、保護レンズ等の保護光学部材６が取り付けられている。保護光学部材６は計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜角度θだけ傾斜して取り付けられている。

上記説明したように、光干渉計４から出力される計測光は、光ファイバ系８を通じて計測光入射部３から出射され、ビームスプリッタ５によりレーザ発振器２からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、保護光学部材６を透過して被溶接材７に照射される。しかしながら、計測光の一部は、保護光学部材６を完全には透過せず、保護光学部材６の表面上で反射してしまう。実施の形態１において、光干渉計４の計測光の光源としては波長走査型光源が用いられる。この波長走査型光源は、上記したように、外部共振器型の光源である。なお、波長走査とは、光源から出射される計測光の中心波長を周期的に変化させることを意味する。

外部共振器型の光源では、上記したように、外部共振器の長さをＬとすると、長さＬごとに全ての波長の光が節になる特異点が存在する。このため、図２に示すように、例えば、保護光学部材６の表面反射によるノイズが存在する場合、実際の反射面だけでなく、そこからｎ×Ｌだけ離れた位置においてもコヒーレンスリバイバルノイズが計測される。

図２では、保護光学部材６の表面から被溶接材７までの距離がｎ×Ｌである例を図示している。このような場合、保護光学部材６の表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズが、本来計測したい溶接深さを示す計測光に重畳されてしまい、溶接深さを精度よく計測できないという問題が発生する。そのため、保護光学部材６での表面反射を抑制する必要がある。

反射防止のための一般的な方法として、例えば反射防止膜を付与する等の方策が挙げられる。しかしながら、保護光学部材６への反射防止膜の付与は、保護光学部材６の単価上昇の原因となる。保護光学部材６は定期交換が必要な消耗部材であるため、保護光学部材６の単価上昇は、レーザ溶接装置１０の使用者にとって好ましくない。また、反射防止膜を付与しても保護光学部材６の表面反射を完全に防止できるわけではないため、求められる計測の精度によっては、問題となる場合がある。

実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０によれば、反射防止膜を付与せずに、保護光学部材６の表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズを除去することができる。図３は、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０の効果を説明する図である。

図１および図３に示すように、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０では、保護光学部材６が計測光の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾斜させて取り付けられている。このような構成により、図３に示すように、保護光学部材６の表面反射による反射光Ｌ１にズレが生じ、光ファイバ系８へ入射しなくなる。光ファイバ系８に入射しなければ、反射光Ｌ１は光干渉計４（図３では図示を省略）において検出されず、反射光によるノイズの問題も生じない。このため、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０は、保護光学部材６の表面反射の抑制と同じ効果を得ることができる。

保護光学部材６の傾斜角θは、保護光学部材６と光ファイバ系８との光路長によって好適に決定される。具体的には、一般的なレーザ溶接ヘッド１のサイズ（例えば、２００〜３００ｍｍ程度）では、傾斜角θを例えば０．５度以上とすることで効果が得られ始める。保護光学部材６が頻繁に交換作業を伴う消耗部材であることを考慮すると、取り付け精度の尤度、および大きく傾斜角をつけると保護光学部材の設置スペースも増大することから、１度程度の傾斜角が好適である。

以上説明したように、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１０では、保護光学部材６を計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜させて取り付けることで、保護光学部材６の表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズを除去し、高精度に溶接深さを計測することが可能となる。

（実施の形態２）
以下、図４および図５を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。

図４および図５において、実施の形態１と同様の構成については、同一番号を付与し、説明を省略する。なお、実施の形態２を実現するための構成は実施の形態１と同様であるが、実施の形態２は保護光学部材が複数枚設けられる点において実施の形態１と異なる。

図４は、実施の形態２に係るレーザ溶接装置１０Ａの構成例を示す図である。レーザ溶接ヘッド１Ａには、被溶接材７の加工時に発生するスパッタやヒュームからヘッド内に配置されたレンズ等の光学部材を保護するため、複数枚の保護レンズ等の保護光学部材９Ａおよび９Ｂが、計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜角度θだけ傾斜して取り付けられている。また、保護光学部材９Ａと保護光学部材９Ｂは、計測光の光軸に対して互いに１８０度回転されて対称に取り付けられている。なお、図４では２枚の保護光学部材９Ａおよび９Ｂを有する例について図示しているが、３枚以上の複数枚であってもかまわない。

図５は、実施の形態２に係るレーザ溶接装置１０Ａの効果を説明する図である。なお、説明を分かりやすくするために、図５では保護光学部材の傾斜角を実際より大きく誇張して図示している。

図４に示すように、光干渉計４から出力される計測光は、光ファイバ系８を通じて計測光入射部３から出射され、ビームスプリッタ５によりレーザ発振器２からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、保護光学部材９Ａおよび保護光学部材９Ｂを透過して被溶接材７に照射される。

保護光学部材９Ａおよび保護光学部材９Ｂは、計測光の光軸に垂直な面に対して角度θだけ傾斜して取り付けられている。この傾斜により、実施の形態１の保護光学部材６と同様に、保護光学部材９Ａおよび保護光学部材９Ｂの表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズの影響を除去できる。

ところで、図５に示すように、保護光学部材９Ａおよび保護光学部材９Ｂを傾斜して取り付けたことにより、スネルの法則により、入射角αに対して屈折角βの光路上のずれが発生してしまう。実施の形態１のように保護光学部材が１枚であればずれも小さく、例えば計測光入射部３で光ファイバ系８からの計測光の入射位置を調整すれば大きな問題とならないが、本実施の形態２のように複数の保護光学部材が存在する場合、それぞれ屈折による光路ずれが累積されてレーザ溶接位置および計測光の照射位置がずれてしまうため問題となる。

この問題を解決するため、本実施の形態２に係るレーザ溶接装置１０Ａでは、図４および図５に示すように、保護光学部材９Ａと保護光学部材９Ｂを計測光の光軸に対して互いに１８０度回転させて対称に取り付ける。このような構成により、図５に示すように、保護光学部材９Ａでの屈折によりずれた光路が、逆に保護光学部材９Ｂでの屈折により元の光路に戻される。このように２枚の保護光学部材を計測光の光軸に対して互いに１８０度回転させて対称に取り付けることにより、屈折による光路ずれをキャンセルし、かつ保護光学部材９Ａおよび９Ｂの表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズを除去することができる。

また、３枚以上の保護光学部材を使用する場合には、隣接する保護光学部材を計測光の光軸に対して互いに１８０度回転させて対称に取り付けることを繰り返せば、上記と同様の効果が得られる。なお、レーザ溶接ヘッド１のサイズの制約から、複数の保護光学部材をすべて傾斜させて取り付けることが困難な場合がある。その場合は、一部の保護光学部材は、反射防止膜を付与して保護光学部材の表面反射を抑制しつつ、通常通り傾斜させず取り付け、傾斜可能な保護光学部材のみ傾斜させて取り付けるという構成を採用してもよい。

以上説明したように、実施の形態２に係るレーザ溶接装置１０Ａでは、２枚の保護光学部材９Ａおよび９Ｂを計測光の光軸に垂直な面に対して同じ角度だけ傾斜させるとともに、計測光の光軸に対して互いに１８０度回転させて対称に取り付ける。このような構成により、保護光学部材９Ａおよび９Ｂを傾斜させて取り付けることによる光路ずれをキャンセルし、かつ保護光学部材９Ａおよび９Ｂの表面反射によるコヒーレンスリバイバルノイズを除去することができる。

本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接に適用することができる。

１０，１０Ａ レーザ溶接装置
１ レーザ溶接ヘッド
２ レーザ発振器
３ 計測光入射部
４ 光干渉計
５ ビームスプリッタ
６，９Ａ，９Ｂ 保護光学部材
７ 被溶接材
８ 光ファイバ系
１００ レーザ溶接装置
１０１ 被溶接材
１０２ 溶接部
１０４ キーホール
１０５ 光干渉計
１０６ 第１ビームスプリッタ
１０７ レーザ発振器

Claims (4)

1. レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ出力手段と、
   前記レーザ光と同軸に重ね合わされて前記溶接部に照射され、前記溶接部で反射された、前記レーザ光とは波長の異なる計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、
   前記被溶接材と前記レーザ出力手段との光路間に、前記計測光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される保護光学部材と、
   を有するレーザ溶接装置。
2. 前記保護光学部材は、前記計測光の光軸に垂直な面に対して０．５度以上傾斜している、
   請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. ２枚以上の前記保護光学部材を有し、
   前記２枚以上の保護光学部材は、前記計測光の光軸に垂直な面に対して各々傾斜して配置され、第Ｎ番目の保護部材と第（Ｎ＋１）番目の保護部材とは、互いに１８０度回転し対称に配置される、
   請求項１記載のレーザ溶接装置。
4. レーザ光と、前記レーザ光と異なる波長を有する計測光と、が同軸に重ね合わされて被溶接材の溶接部に照射される工程と、
   前記溶接部で反射された前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部の溶け込み深さを測定する工程と、を有し、
   前記レーザ光が保護光学部材を介して被溶接材に向けて照射される際、前記保護光学部材は、前記計測光の光軸垂直面に対して傾斜している状態である、
   レーザ溶接方法。