JP7296769B2 - Spatter detection device, laser processing device, and method for detecting spatter - Google Patents
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Description
本発明は、スパッタ検出装置、レーザ加工装置およびスパッタの検出方法に関する。 The present invention relates to a spatter detection device, a laser processing device, and a spatter detection method.
産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。一般にレーザ加工ではスパッタが発生する。スパッタとは、飛散する溶融金属の微粒子である。スパッタがワーク(被加工物)に付着すると、ワークの品質低下につながり得る。また、スパッタがレーザ加工装置の光学系に付着すると、付着したスパッタがレーザ光を吸収することで付着部の温度が上昇し、光学系に熱歪みが発生し得る。光学系に熱歪みが生じると、レーザ光の集光が阻害されたり、光学系が破損したりするおそれがある。 As an industrial processing tool, a laser processing apparatus is widely used. In general, laser processing generates spatter. A spatter is a scattering fine particle of molten metal. If the spatter adheres to the work (workpiece), it may lead to quality deterioration of the work. Further, when the spatter adheres to the optical system of the laser processing apparatus, the adhered spatter absorbs the laser beam, which raises the temperature of the adhering portion, which may cause thermal distortion in the optical system. If thermal strain occurs in the optical system, there is a risk that the focusing of laser light will be hindered or the optical system will be damaged.
スパッタの発生をレーザ加工と並行してインラインで検出することができれば、スパッタが付着した欠陥品を即座に取り除くことができる。また、スパッタの発生量は、加工条件やワークの状態によって変化する。したがって、スパッタの発生をインラインで検出してその発生原因を即座に突き止めることで、その後のスパッタの発生量を低減させることができる。これにより、生産性の向上を図ることができ、またレーザ加工装置の損傷を抑制することができる。 If the occurrence of spatter can be detected in-line in parallel with laser processing, defective products to which spatter adheres can be immediately removed. Also, the amount of spatters generated varies depending on the processing conditions and the state of the workpiece. Therefore, by detecting the generation of spatter in-line and immediately identifying the cause of the generation, it is possible to reduce the amount of subsequent generation of spatter. As a result, productivity can be improved, and damage to the laser processing apparatus can be suppressed.
スパッタの検出に関して、例えば特許文献1には、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するスパッタを捕集する捕集孔と、捕集孔に接続されたスパッタ捕集器と、スパッタ捕集器に捕集されたスパッタの量を測定するスパッタ量測定器と、測定されたスパッタ量のデータを処理するための電子計算機と、を備えたスパッタ検出装置が開示されている。
Regarding the detection of spatter, for example,
上述のスパッタ検出装置は、鋼板のスポット溶接時に発生するスパッタを直に捕集して、スパッタ量を測定していた。このため、スパッタの検出が複雑であるという課題があった。 The spatter detector described above directly collects spatter generated during spot welding of steel plates and measures the amount of spatter. Therefore, there is a problem that the detection of spatter is complicated.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、スパッタをより簡単に検出する技術を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a technique for detecting spatter more easily.
上記課題を解決するために、本発明のある態様はスパッタ検出装置である。当該スパッタ検出装置は、ワークのレーザ加工において生じるスパッタを検出するスパッタ検出装置であって、ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出する光検出器を備える。 In order to solve the above problems, one aspect of the present invention is a spatter detection device. The spatter detection device is a spatter detection device that detects spatter generated in laser processing of a work, and includes a photodetector that detects light emitted by the spatter scattered from a laser beam irradiation point on the work.
本発明の別の態様は、レーザ加工装置である。当該レーザ加工装置は、ワークに向けてレーザ光を出射する出射ヘッドと、上記態様のスパッタ検出装置と、を備える。 Another aspect of the present invention is a laser processing apparatus. The laser processing apparatus includes an emission head that emits laser light toward a work, and the spatter detection device of the aspect described above.
本発明の別の態様は、スパッタの検出方法である。当該検出方法は、ワークのレーザ加工において生じるスパッタの検出方法であって、ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出する。 Another aspect of the present invention is a spatter detection method. The detection method is a method of detecting spatter generated in laser processing of a work, and detects light emitted by spatter scattered from a laser beam irradiation point on the work.
なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。 Any combination of the above constituent elements, and conversion of expressions of the present invention between methods, devices, systems, etc. are also effective as aspects of the present invention.
本発明によれば、スパッタをより簡単に検出することができる。 According to the present invention, spatter can be detected more easily.
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第1」、「第2」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention will be described below based on preferred embodiments with reference to the drawings. The embodiments are illustrative rather than limiting the invention, and not all features and combinations thereof described in the embodiments are necessarily essential to the invention. The same or equivalent constituent elements, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and duplication of description will be omitted as appropriate. In addition, the scale and shape of each part shown in each drawing are set for convenience in order to facilitate the explanation, and should not be construed as limiting unless otherwise mentioned. In addition, when terms such as "first" and "second" are used in this specification or claims, unless otherwise specified, these terms do not represent any order or degree of importance, and only one configuration. and other configurations. Also, in each drawing, some of the members that are not important for explaining the embodiments are omitted.
図1は、実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図である。図1では、光検出器20を1つだけ図示している。また、図1では、スパッタ検出装置6の構成要素の一部を機能ブロックとして描いている。この機能ブロックは、ハードウェア構成としてはコンピュータのCPUやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。これらの機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。
FIG. 1 is a schematic diagram of a laser processing apparatus according to an embodiment. Only one
レーザ加工装置1は、金属製の被加工物であるワークWにレーザ光Lを照射して、ワークWを加工する装置であり、伝送ファイバ2と、出射ヘッド4と、スパッタ検出装置6と、を備える。本実施の形態におけるワークWの加工は、ワークWの溶接である。なお、ワークWの加工は、穴あけや切断、表面処理等であってもよい。
A
伝送ファイバ2は、外部のレーザ発振器(図示せず)と出射ヘッド4とを接続し、レーザ発振器で発生するレーザ光を出射ヘッド4に伝送する。レーザ発振器としては、YAGレーザ発振器、CO2レーザ発振器、エキシマレーザ発振器等の公知のレーザ発振器を用いることができる。本実施の形態のレーザ加工装置1では、一例として約1000nmの波長域の赤外線レーザ光が用いられる。
The
出射ヘッド4は、ワークWに向けてレーザ光Lを出射する機構であり、筐体8と、反射ミラー10と、第1レンズ12と、第2レンズ14と、保護ガラス16と、を有する。筐体8は、一端側に開口8aを有する有底筒状であり、開口8aがワークW側を向くように配置される。筐体8の内部には、反射ミラー10、第1レンズ12および第2レンズ14が収容される。反射ミラー10、第1レンズ12および第2レンズ14は、筐体8に支持される。開口8aには、保護ガラス16が取り付けられる。
The
筐体8の側面には伝送ファイバ2が連結される。伝送ファイバ2から出射ヘッド4に伝送されるレーザ光Lは、反射ミラー10に照射される。反射ミラー10は、レーザ発振器の出力波長の光を反射する部材である。反射ミラー10は、伝送ファイバ2から照射されるレーザ光Lを開口8aに向けて反射するように姿勢が定められる。反射ミラー10と保護ガラス16との間には、第1レンズ12および第2レンズ14が配置される。第1レンズ12は、第2レンズ14よりも反射ミラー10側に配置され、第2レンズ14は第1レンズ12よりも保護ガラス16側に配置される。
A
反射ミラー10によって反射されたレーザ光Lは、第1レンズ12に入射する。第1レンズ12は、コリメートレンズであり、入射したレーザ光Lを平行光に変換して第2レンズ14に向けて出射する。第2レンズ14は、フォーカスレンズであり、入射したレーザ光Lを集光してワークWに向けて出射する。第2レンズ14から出射されたレーザ光Lは、保護ガラス16を通過してワークWに照射される。
The laser beam L reflected by the reflecting
レーザ光LがワークWの表面に照射されることで、レーザ光Lの照射点PにおいてワークWを構成する金属が溶融する。また、ワークWおよび出射ヘッド4の少なくとも一方は、移動機構(図示せず)により移動させることができる。移動機構の駆動によりワークWおよび出射ヘッド4が相対的に変位することで、照射点Pが移動する。これにより、移動前の照射点Pにおいて溶融した金属が冷却して固化する。この結果、ワークWが溶接される。
By irradiating the surface of the work W with the laser light L, the metal forming the work W at the irradiation point P of the laser light L melts. At least one of the work W and the
スパッタ検出装置6は、ワークWのレーザ加工において生じるスパッタSを検出する装置であり、光検出器20を備える。また、本実施の形態のスパッタ検出装置6は、スパッタ判定部24を有する。
The
光検出器20は、CCDイメージセンサやCMOSイメージセンサ等の固体撮像素子、あるいはフォトダイオードといった公知の光センサで構成することができる。光検出器20は、ワークW上のレーザ光Lの照射点Pから飛散するスパッタSが発する光(以下では適宜、スパッタ光S1ともいう)を検出する。本実施の形態の光検出器20は、出射ヘッド4の周囲において、照射点Pが検出領域20aから外れるように設けられる。
The
図2(A)は、光検出器20の検出領域20aを模式的に示す斜視図である。図2(B)は、光検出器20の検出領域20aを模式的に示す側面図である。本実施の形態では、4つの光検出器20が出射ヘッド4の外周を取り囲むように設けられている。また、4つの光検出器20は、それぞれの検出領域20aに照射点Pを含まず、且つ4つの検出領域20aによって照射点Pの外周を囲むように配置されている。つまり、照射点Pは、各光検出器20の検出範囲の外側に位置する。なお、光検出器20の数は特に限定されず、4つ以外の複数であってもよいし、1つのみであってもよい。
FIG. 2A is a perspective view schematically showing the
光検出器20は、レンズなどの光学素子(図示せず)によって検出領域20aの範囲が調整される。これにより、検出領域20aから照射点Pが除かれる。例えば、光検出器20は、受光面にシリンドリカルレンズが設けられて、検出領域20aが一方に長い長尺状に調整される。そして、4つの光検出器20は、各検出領域20aが四角形の各片を構成するように互いの位置が定められる。
The range of the
ワークWの溶接では、溶接の過程で発生するプラズマ光やワークWで反射されたレーザ光Lが照射点Pから周囲に照射される。これらの光は、スパッタSが発するスパッタ光S1よりも強度がはるかに高い。このため、光検出器20がこれらの光を受光すると、スパッタ光S1の検出が阻害されてしまう。これに対し、検出領域20aに照射点Pが含まれないように光検出器20を設けることで、外乱となるプラズマ光や反射されたレーザ光Lが光検出器20に直に入射することを抑制できる。
In the welding of the work W, the plasma light generated in the welding process and the laser light L reflected by the work W are irradiated from the irradiation point P to the surroundings. These lights are much higher in intensity than the sputtered light S1 emitted by the sputters S. Therefore, when the
また、本実施の形態の光検出器20は、赤外線の波長域に感度を有し、可視光の波長域および使用するレーザ光Lの波長域のうち少なくとも一方の波長域に対して実質的に不感である。一例としての光検出器20は、可視光の波長域およびレーザ光Lの波長域の両方に対して実質的に不感である。つまり、光検出器20は、可視光の波長域およびレーザ光Lの波長域の少なくとも一方に対する感度よりも赤外線の波長域に対する感度が高い。赤外線の波長域は、例えば760~1000nmであり、可視光の波長域は、例えば380~760nmである。プラズマ光は可視光を多く含み、スパッタ光S1は赤外線を多く含む。このため、光検出器20の受光感度(撮像感度)を可視光の波長域に対して実質的に不感となるように設定することで、外乱となるプラズマ光が光検出器20に与える影響を低減して、光検出器20におけるスパッタ光S1の検出感度を高めることができる。また、光検出器20の受光感度をレーザ光Lの波長域に対して実質的に不感となるように設定することで、外乱となるレーザ光Lが光検出器20に与える影響を低減して、光検出器20におけるスパッタ光S1の検出感度を高めることができる。
Further, the
上記の受光感度は、例えば赤外線を通過させ可視光をカットするバンドパスフィルタを光検出器20に設けることで実現することができる。前記「実質的に不感である」とは、スパッタ検出装置6によるスパッタSの検出に支障をきたさない程度に可視光に感度を有する光検出器を許容することを意味する。スパッタSの検出に支障をきたさない程度は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。
The above light sensitivity can be realized by providing the
光検出器20は、受光した光量に応じた信号をスパッタ判定部24に出力する。光検出器20の出力信号は、例えば受光強度に応じた大きさの電圧である。
The
スパッタ判定部24は、光検出器20からの出力信号に基づいてワークW毎にスパッタSの発生を判定し、その結果を必要に応じて表示装置に表示したり、記憶装置に記憶したり、外部装置に送信したりする。図3は、スパッタ判定部24によるスパッタSの発生判定を説明する模式図である。スパッタ判定部24は、スパッタSの発生判定の基準となる所定のしきい値Tを予め保持している。しきい値Tは、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。なお、しきい値Tは、光検出器20が受ける光の強度のしきい値であるが、説明の便宜上、図3ではしきい値Tに対応する出力信号の強度をTと表示している。
The
スパッタ判定部24は、光検出器20によって所定のしきい値T以上の強度の光が検出されたときにスパッタSが発生したと判定する。つまり、スパッタ判定部24は、光検出器20からの出力信号の強度がしきい値T以上であるとき、スパッタSが発生したと判定する。スパッタ判定部24は、スパッタSが発生したことを表示装置に表示等する。これにより、レーザ加工装置1の使用者は、スパッタSが発生したことを容易に把握することができる。
The
以上説明したように、本実施の形態に係るスパッタ検出装置6は、ワークWのレーザ加工において生じるスパッタSを検出する装置であって、ワークWにおけるレーザ光Lの照射点Pから飛散するスパッタSの光を検出する光検出器20を備える。また、本実施の形態のレーザ加工装置1は、ワークWに向けてレーザ光Lを出射する出射ヘッド4と、スパッタ検出装置6と、を備える。
As described above, the
スパッタ検出装置6は、スパッタSが検出領域20aを通過する際の光検出器20における受光量の変化に基づいて、スパッタSの発生を検出する。このため、本実施の形態によれば、スパッタ捕集器で直にスパッタSを捕集してスパッタ量を測定していた従来のスパッタ検出装置に比べて、スパッタSをより簡単に検出することができる。
The
また、従来のスパッタ判定方法としては、スパッタSの発生をオフラインで検査員が目視や検査機器を使用して検査したり、レーザ加工時の映像を録画しておき、この映像に画像処理を施してスパッタSを検出する方法があった。これに対し、本実施の形態のスパッタ検出装置6は、レーザ加工と並行してインラインでスパッタSの発生を検出することができる。よって、スパッタSの発生を早期に検出することができる。また、本実施の形態のスパッタ検出装置6を使用すれば、撮影用の高価な機材や撮影用のスペースを確保せずに済むため、スパッタSの検出にかかるコストやスペースを削減することができる。
As a conventional method for judging spatters, an inspector visually inspects the generation of spatters S off-line or using an inspection device, or records an image during laser processing and performs image processing on the image. There has been a method of detecting the spatter S by On the other hand, the
また、本実施の形態のスパッタ検出装置6は、構成がシンプルで小型であるため、出射ヘッド4に容易に搭載することができる。これにより、スパッタ検出装置6をレーザ加工装置1に設けることによるレーザ加工装置1の大型化を抑制することができる。つまり、本実施の形態によれば、スパッタ検出機能を備え且つ小型のレーザ加工装置1を提供することができる。また、スパッタ検出装置6は小型であるため、シーム溶接等の溶接箇所が連続するレーザ加工におけるスパッタSの検出に対しても好適に採用することができる。つまり、本実施の形態によれば、汎用性の高いスパッタ検出装置6を提供することができる。
Moreover, since the
また、本実施の形態の光検出器20は、照射点Pが検出領域20aから外れるように設けられる。これにより、外乱となるプラズマ光や反射されたレーザ光Lが光検出器20に直に入射することを抑制できる。一方、スパッタSは、照射点Pから飛散して検出領域20aに進入する。このため、スパッタ光S1は光検出器20に直に入射する。よって、光検出器20が受ける光全体に対するスパッタ光S1の割合を高めることができる。この結果、スパッタ光S1の検出精度を高めることができる。
Further, the
また、本実施の形態の光検出器20は、赤外線の波長域に感度を有し、可視光の波長域およびレーザ光Lの波長域のうち少なくとも一方の波長域に対して実質的に不感である。これにより、外乱となるプラズマ光やレーザ光Lが光検出器20の受光面に入射することを抑制することができる。一方、スパッタ光S1は光検出器20の受光面に入射することができる。よって、光検出器20が受ける光全体に対するスパッタ光S1の割合をより高めることができる。この結果、スパッタ光S1の検出精度を高めることができる。
Further, the
また、本実施の形態のスパッタ検出装置6は、光検出器20によって所定のしきい値T以上の強度の光が検出されたときにスパッタSが発生したと判定するスパッタ判定部24を有する。これにより、レーザ加工装置1の使用者は、インラインでスパッタSの発生を容易に把握することができる。
The
また、本実施の形態には、スパッタSの検出方法の提供も含まれる。つまり、本実施の形態の他の態様は、ワークWのレーザ加工において生じるスパッタSの検出方法であって、ワークWにおけるレーザ光Lの照射点Pから飛散するスパッタSが発する光を検出する、検出方法である。 Further, the present embodiment also includes provision of a method for detecting spatters S. FIG. That is, another aspect of the present embodiment is a method for detecting spatter S generated in laser processing of a work W, in which light emitted by the spatter S scattered from the irradiation point P of the laser light L on the work W is detected. detection method.
以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。また、実施の形態に含まれる構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。設計変更や構成要素の組み合わせによって得られる新たな実施の形態は、組み合わされる構成要素および変形それぞれの効果をあわせもつ。 The embodiments of the present invention have been described in detail above. The above-described embodiments merely show specific examples for carrying out the present invention. The contents of the embodiments do not limit the technical scope of the present invention, and many design changes such as changes, additions, and deletions of constituent elements are possible without departing from the spirit of the invention defined in the claims. is possible. In the above-described embodiments, the content that allows such design changes is emphasized by adding notations such as "in this embodiment" and "in this embodiment". Design changes are allowed even if there is no content. Any combination of components included in the embodiments is also effective as an aspect of the present invention. A new embodiment obtained by design change or combination of constituent elements has the effects of the combined constituent elements and modifications.
1 レーザ加工装置、 4 出射ヘッド、 6 スパッタ検出装置、 20 光検出器、 20a 検出領域、 24 スパッタ判定部、 L レーザ光、 P 照射点、 S スパッタ、 W ワーク。 1 laser processing device, 4 emission head, 6 spatter detection device, 20 photodetector, 20a detection area, 24 spatter determination section, L laser beam, P irradiation point, S spatter, W work.
Claims (6)
前記ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出する光検出器を備え、
前記光検出器は、シリンドリカルレンズを有し、前記照射点が検出領域から外れるように設けられることを特徴とするスパッタ検出装置。 A spatter detection device for detecting spatter generated in laser processing of a work,
A photodetector for detecting light emitted by spatter scattered from the irradiation point of the laser light on the work ,
A spatter detection apparatus, wherein the photodetector has a cylindrical lens and is provided so that the irradiation point is out of a detection area .
複数の前記光検出器は、それぞれの検出領域の組み合わせにより前記照射点の外周を囲むように配置される請求項1に記載のスパッタ検出装置。 The sputter detection device includes a plurality of the photodetectors,
2. The spatter detection apparatus according to claim 1, wherein the plurality of photodetectors are arranged so as to surround the outer periphery of the irradiation point by combining respective detection areas .
請求項1乃至4のいずれか1項に記載のスパッタ検出装置と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。 an emission head for emitting a laser beam toward a work;
A sputter detection device according to any one of claims 1 to 4;
A laser processing device comprising:
前記ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を、シリンドリカルレンズを有するとともに前記照射点が検出領域から外れるように設けられた光検出器を用いて検出することを特徴とする検出方法。 A method for detecting spatter generated in laser processing of a work, comprising:
A detection method comprising detecting light emitted by spatter scattered from a laser beam irradiation point on the workpiece , using a photodetector having a cylindrical lens and provided so that the irradiation point is out of a detection area. .
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