CN102773607B - 激光焊接装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能高精度地评价焊接部质量的激光焊接装置和激光焊接方法。本发明的激光焊接装置包括：激光光源，该激光光源射出激光；第一光学构件，该第一光学构件使具有与所述激光不同波长的物体光和所述激光成为同轴并对焊接部进行照射；第二光学构件，该第二光学构件使所述焊接部中的所述物体光的光点直径比所述激光的光点直径要大；光干涉仪，该光干涉仪向所述第一光学构件射出所述物体光，经由所述第一光学构件检测出被所述焊接部反射的所述物体光，基于该检测出的所述物体光生成电信号；测定部，该测定部基于所述电信号，测定所述焊接部的熔化深度；以及评价部，该评价部基于所述测定部所测定的所述焊接部的熔化深度，对所述焊接部的焊接是否良好进行评价。

Description

激光焊接装置
技术领域
本发明涉及利用激光对焊接部进行焊接并且对该焊接部的质量进行评价的激光焊接装置及激光焊接方法。
背景技术
在日本专利特开平3－207587号公报中公开了利用焊接部的熔融金属发出的光来评价该焊接部质量的激光焊接装置。利用图9来说明该焊接装置。
如图9所示，该激光焊接装置对被焊材1照射激光3，从而对被焊材1进行焊接。从激光振荡器11以一定强度、连续地射出激光3。从激光振荡器11射出的激光3经由激光传输用光学系统12，而传输到聚光光学系统13。聚光光学系统13将激光3聚焦于焊接部2。利用该经聚焦的激光3，对被焊材1进行焊接。对被焊材1进行焊接时，焊接部2的熔融金属会发出光。在聚光光学系统13中对熔融金属所发的光进行聚焦后，经由监视光传输用光学系统14而传输到干涉滤光器15。干涉滤光器15从由监视光传输用光学系统14传输的光中，选择所具有的波长分量与熔融金属所发出的光的波长分量相等的光。光电二极管16接收由干涉滤光器15所选择的光。一旦光电二极管16接收到光，则生成与所接收的光的强度相对应的信号。从光电二极管16生成的信号经由放大器17和A/D转换器18，被输入到计算机19。在计算机19中预先存储了焊接部2的熔融金属的发光强度与焊接部2的熔化深度之间的相关关系。计算机19将从A/D转换器18输入的信号应用到该预先存储的相关关系中，从而导出焊接部2的熔化深度。然后，计算机19基于该导出的熔化深度，对焊接部2的质量进行评价。
发明内容
如上所述，已知有不是直接检测出焊接部的熔化深度、而是间接地导出焊接部的熔化深度的激光焊接装置。该激光焊接装置检测出焊接部的熔融金属的发光强度，将该检测出的发光强度应用到焊接部的熔融金属的发光强度与焊接部的熔化深度之间的规定相关关系中，从而间接地导出焊接部的熔化深度。但是，焊接部的熔融金属的发光强度与焊接部的熔化深度之间的相关关系并非是一定的关系。该相关关系根据例如被焊材的材质偏差、被焊材周围的温度等因素而波动。因而，从焊接部的熔融金属的发光强度间接导出的焊接部的熔化深度有时与实际熔化深度不相一致。因此，有可能基于与实际熔化深度不同的值，对焊接部的质量进行评价。因此，现有激光焊接装置中存在不能高精度地评价焊接部质量的问题。
本发明的目的在于提供能解决上述问题的激光焊接装置及激光焊接方法。即，本发明的目的在于提供能通过测量焊接部的熔化深度来高精度地评价焊接部质量的激光焊接装置及激光焊接方法。
为了实现上述目的，本发明的激光焊接装置利用激光对焊接部进行焊接，该激光焊接装置包括：激光光源，该激光光源射出所述激光；第一光学构件，该第一光学构件使具有与所述激光不同波长的物体光和所述激光成为同轴并对所述焊接部进行照射；第二光学构件，该第二光学构件使所述焊接部中的所述物体光的光点直径比所述激光的光点直径要大；光干涉仪，该光干涉仪向所述第一光学构件射出所述物体光，经由所述第一光学构件检测出被所述焊接部反射的所述物体光，基于该检测出的所述物体光，生成电信号；测定部，该测定部基于所述电信号，测定所述焊接部的熔化深度；以及评价部，该评价部基于所述测定部所测定的所述焊接部的熔化深度，对所述焊接部的焊接是否良好进行评价。
此外，本发明的激光焊接方法利用激光对焊接部进行焊接，该激光焊接方法包括：使所述激光和与所述激光波长不同的物体光成为同轴，并以使所述焊接部中的所述物体光的光点直径比所述激光的光点直径要大的方式对所述焊接部进行照射的步骤；利用光干涉仪生成基于所述焊接部所反射的所述物体光的电信号的步骤；基于所生成的所述电信号，测定所述焊接部的熔化深度的步骤；以及基于所测定的所述焊接部的熔化深度，对所述焊接部中的焊接是否良好进行评价的步骤。
若采用本发明，能直接检测出焊接部的熔化深度。因而，若采用本发明，能高精度评价焊接部的质量。此外，本发明可适用于汽车、电子元器件等的激光焊接。
附图说明
图1是表示实施方式1中的激光焊接装置的简要结构的示意图。
图2是表示从实施方式1中的波长扫描型光源射出的测定光的波长的时间变化的图。
图3是表示实施方式1中的小孔、物体光的光点、激光的光点之间的位置关系的示意图。
图4是用于说明实施方式1中的小孔深度的测定原理的说明图。
图5是表示实施方式1中的物体光和参照光的光程长之差与干涉光强度之间的关系的图。
图6是表示实施方式1中的激光焊接装置的动作的流程图。
图7是表示实施方式2中的小孔、物体光的光点、激光的光点之间的位置关系的示意图。
图8是表示实施方式3中的激光焊接装置的主要部分的简要结构的示意图。
图9是现有激光焊接装置的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图，对实施方式进行说明。但是，对相同结构要素标注相同标号，有时会省略重复说明。
(实施方式1)
图1是实施方式1中的激光焊接装置100的示意图。首先，对激光焊接装置100的概要进行说明。
如图1所示，在激光焊接装置100中，对沿水平方向(图1所示的x方向)延伸的被焊材101进行焊接时，作为激光光源的一示例的激光振荡器107射出激光107a。该激光107a以垂直方向(图1所示的z方向)对被焊材101的表面进行照射。其结果为，被焊材101的焊接部102从其上部开始熔融，从而在焊接部102中形成熔融池103。此外，焊接部102熔融时，熔融金属从熔融池103蒸发。因该蒸发所产生的蒸汽压力形成小孔104。此处，将熔融池103和小孔104相组合的部分就是焊接部102。
而且，在该激光焊接装置100中，对焊接部102进行焊接时，作为第一光学构件的一示例的第一分光镜106以同心同轴对于激光107a和从光干涉仪105射出的物体光113a进行重合。物体光113a照射到小孔104内部后，在小孔104的底部104a发生反射。被小孔104的底部104a反射的物体光113a经由第一分光镜106入射到光干涉仪105。即，光干涉仪105经由第一分光镜106，来检查被小孔104的底部104a反射的物体光113a。光干涉仪105具有用于测定物体光113a的光程长的结构。
该激光焊接装置100利用光干涉仪105对照射到小孔104的底部104a的物体光113a的光程长进行测定。接下来，该激光焊接装置100根据该测定的光程长来确定小孔104的深度作为焊接部102的熔化深度，之后，基于该确定的熔化深度，对焊接部102中的焊接良好与否进行判定。
而且，在该激光焊接装置100中，焊接部102中的物体光113a的光点直径比同一位置的激光107a的光点直径要大。由此，物体光113a准确地照射小孔104的底部104a，其理由将在下面阐述。从而，能高精度地检测出小孔104的底部104a的位置、即小孔104的深度。小孔104的深度可视作焊接部102的熔化深度。即，该激光焊接装置100能高精度地测定焊接部102的熔化深度。
以上是关于激光焊接装置100的概要的说明。接着，对激光焊接装置100的各结构要素分别进行说明。
首先，对在该激光焊接装置100中发挥激光焊接功能的结构部分进行说明。
从作为激光光源的一示例的激光振荡器107振荡发生的激光107a经由激光传输用光学系统108而被引导至第一聚光光学系统109。第一聚光光学系统109将激光107a聚焦于焊接部102。利用该聚焦的激光107a，对被焊材101进行焊接。在第一聚光光学系统109与被焊材101之间，配置有使激光107a透过的第一分光镜106。例如，对激光振荡器107使用YAG激光器。
被焊材101固定于作为移动机构的一示例的移动平台110上。在激光振荡器107振荡发生激光107a的期间，移动平台110进行移动，从而激光107a在被焊材101中的照射位置发生变化。通过这一移动平台110的移动，在所希望的范围内实现激光焊接。利用平台控制器111来驱动移动平台110。平台控制器111基于来自计算机112的控制部112a的指令，来驱动移动平台110。
计算机112的控制部112a与激光振荡器107电连接。该控制部112a除了具有对移动平台110的移动速度进行控制的功能以外，还具有以下的功能等：对开始射出和停止射出激光107a进行控制的功能；以及对激光107a的输出强度进行控制的功能。
以上是对在该激光焊接装置100中发挥激光焊接功能的结构部分进行的说明。接着，对在该激光焊接装置100中发挥熔化深度测定功能(对焊接部102的熔化深度进行测定的功能)的结构部分进行说明。
该激光焊接装置100利用波长扫描型光干涉断层成像法(SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography)技术，测定焊接部102的熔化深度。
光干涉仪105具有用于实施SS-OCT的结构。该光干涉仪105中设置的波长扫描型光源113射出波长与从激光振荡器107振荡发生的激光107a不同的激光。在以下说明中，将从波长扫描型光源113射出的激光描述为测定光。
波长扫描型光源113连续射出波长宽度较短的测定光。此外，波长扫描型光源113使测定光的中心波长以图2所示那样的周期变化。图2的曲线图的纵轴和横轴分别表示测定光的波长和时间。使光的波长这样周期性变化一般被称作波长扫描。
从波长扫描型光源113射出的测定光透过光纤系统114入射到第一光纤耦合器115。入射到第一光纤耦合器115的测定光被分为物体光113a和参照光113b这2路。物体光113a是指对测定对象即焊接部102进行照射的测定光，参照光113b是指对基准面即参照镜116进行照射的测定光。第一光纤耦合器115将物体光113a入射于第一光纤系统114a，将参照光113b入射于第二光纤系统114b。此外，入射于第一光纤耦合器115的测定光的50％成为物体光113a，剩余50％成为参照光113b。
物体光113a透过第一光纤系统114a，从而从光干涉仪105射出。从光干涉仪105射出的物体光113a对焊接部102进行照射。被焊接部102反射的物体光113a入射到光干涉仪105。入射到光干涉仪105的物体光113a透过第一光纤系统114a，从而入射到第二光纤耦合器117。物体光113a从第一光纤耦合器115射出并入射到第二光纤耦合器117为止所通过的光程的长度就是物体光113a的光程长。此外，在第一光纤系统114a中还可配置有循环器，该循环器用于将从第一光纤耦合器115射出的物体光113a引导至光干涉仪105的外部、将入射到从光干涉仪105的物体光113a引导至第二光纤耦合器117。
另一方面，参照光113b透过第二光纤系统114b，对参照镜116进行照射。被参照镜116反射的参照光113b入射到第二光纤系统114b。入射到第二光纤系统114b的参照光113b通过第二光纤系统114b，入射到第二光纤耦合器117。参照光113b从第一光纤耦合器115射出并入射到第二光纤耦合器117为止所通过的光程的长度就是参照光113b的光程长。预先测定参照光113b的光程长作为基准值。此外，在第二光纤系统114b中还可配置有循环器，该循环器用于将从第一光纤耦合器115射出的参照光113b引导至参照镜116、将被参照镜116反射的参照光113b引导至第二光纤耦合器117。
第二光纤耦合器117以50：50的比例将通过第一光纤系统114a的物体光113a和通过第二光纤系统114b的参照光113b进行耦合。第一光纤系统114a经由第二光纤耦合器117与差动检测器118的第一输入端子118a相连接。第二光纤系统114b经由第二光纤耦合器117与差动检测器118的第二输入端子118b相连接。即，从第一光纤系统114a入射到第二光纤耦合器117的物体光113a的50％按原样入射到差动检测器118的第一输入端子118a，而剩余50％的物体光113a由第二光纤耦合器117的作用而入射到差动耦合器118的第二输入端子118b。同样地，从第二光纤系统114b入射到第二光纤耦合器117的参照光113b的50％按原样入射到差动检测器118的第二输入端子118b，而剩余50％的参照光113b由第二光纤耦合器117的作用而入射到差动耦合器118的第一输入端子118a。此时，参照光113b和物体光113a耦合成1束光束并产生干涉光。从而，干涉光入射到差动检测器118的第一输入端子118a和第二输入端子118b。
差动检测器118获取由入射到第一输入端子118a的参照光113b和物体光113a产生的干涉光、以及入射到第二输入端子118b的参照光113b和物体光113a产生的干涉光之间的差动分量，从而除去噪声。因而，在该差动检测器118中生成与除去噪声后的干涉光的强度相应的电信号。即，在差动检测器118中生成与入射到第一输入端子118a的干涉光的强度相应的电信号、以及与入射到第二输入端子118b的干涉光的强度相应的电信号之间的差动分量。从该干涉光转换而来的电信号(在差动检测器118的内部产生的2个电信号之间的差动分量)被发送到A/D转换器119。
此处，对设置差动检测器118的理由进行说明。该激光焊接装置100利用光干涉仪105对从激光振荡器107射出的激光107a的、正当中的焊接部102的熔化深度进行测定。因此，焊接部102发出的光(熔融金属发出的光)成为噪声，对利用光干涉仪105的测定精度产生影响。因此，为了减小噪声影响而设置差动检测器118。
对差动检测器118的功能进行详细说明。由于第二光纤耦合器117的作用，从第一光纤系统114a入射到差动检测器118的第二输入端子118b的物体光113a的相位与入射到差动检测器118的第一输入端子118a的物体光113a的相位相比，落后λ/4。这一现象也发生在参照光113b上。因此，入射到差动检测器118的第二输入端子118b的干涉光的相位相对于入射到差动检测器118的第一输入端子118a的干涉光的相位，是反转的。因而，差动检测器118将分别入射到第一输入端子118a和第二输入端子118b的干涉光分别转换成与该干涉光的强度相应的电信号，获取这些电信号间的差分，从而除去焊接部102的发光的影响等。
A/D转换器119从波长扫描型光源113接收与波长扫描的重复频率同步的触发输出，与波长扫描型光源113的重复周期同步地，将从差动检测器118接收的干涉光的电信号(模拟信号)转换成数字信号。将该干涉光的数字信号(电信号)输入到计算机112。
计算机112具有测定部112b，该测定部112b基于从A/D转换器119输入的干涉光的电信号(数字信号)来测定焊接部102的熔化深度。在干涉光中发生相应于物体光113a的光程长和参照光113b的光程长之差的干涉。测定部112b基于这一干涉，来测定焊接部102的熔化深度。具体而言，例如，测定部112b对从A/D转换器119输入的干涉光的电信号(数字信号)执行快速傅立叶变换(FFT)处理，之后基于这一处理的结果，来测定焊接部102的熔化深度。
以上是对在激光焊接装置100中发挥熔化深度测定功能的结构部分进行的说明。
激光焊接装置100具有发挥熔化深度测定功能的结构以及先前说明的发挥激光焊接功能的结构。激光焊接装置100为了同时发挥这些功能，还具备以下所说明的结构。
激光焊接装置100具备第一分光镜106作为将来自激光振荡器107的激光107a和来自光干涉仪105的物体光113a耦合成同轴光束的第一光学构件的一示例。由第一分光镜106耦合成同轴光束的激光107a和物体光113a对焊接部102进行照射。通过使激光107a和物体光113a成为同轴来进行照射，从而能在进行激光焊接的同时，测定焊接部102的熔化深度。对第一分光镜106分别设定所透过的光的波长和所反射的光的波长，例如，以使来自激光振荡器107的激光107a透过、来自光干涉仪105的物体光113a被反射。作为第一分光镜106的一示例，能使用二向色镜(dichroic mirror)。
此外，激光107a的波长和物体光113a的波长之差优选在100nm以上，以便在第一分光镜106中将激光107a和物体光113a充分地分开。例如，使用振荡发生1064nm以上且1090nm以下波长的激光107a的激光振荡器107，以及对1270nm以上且1370nm以下波长的测定光(物体光113a)进行波长扫描的波长扫描型光源113。波长扫描型光源113的波长扫描周期例如为0.5ms。
更优选地，在光干涉仪105和第一分光镜106之间设置第二聚光光学系统120，以作为对物体光113a进行聚焦的第二光学构件的一示例。该第二聚光光学系统120经由第一分光镜106，将从光干涉仪105的第一光纤系统114a射出的物体光113a聚焦于焊接部102。此外，该第二聚光光学系统120经由第一分光镜106，将从焊接部102反射的物体光113a再次入射到第一光纤系统114a。
此外，优选在光干涉仪105的第一光纤系统114a和第二聚光光学系统120之间配置干涉滤光器121，该干涉滤光器121仅使波长与物体光113a的波长相等的光透过。在第一光纤系统114a的端部正前方设置该干涉滤光器121，其目的在于防止被焊接部102反射的激光和焊接部102发出的光入射到第一光纤系统114a。
通过以上结构，激光焊接装置100可同时发挥熔化深度测定功能和激光焊接功能。但是，仅凭以上说明的结构，在进行激光焊接时，有时不能高精度地测定焊接部102的熔化深度。作为不能高精度地测定焊接部102的熔化深度的情形，对测定的小孔104的深度比实际深度要浅的情形进行说明。
因焊接部102中熔融的金属蒸发所产生的蒸汽压力而形成小孔104。小孔104的形状根据激光107a的照射时间和熔融池103的状态而发生变化。因此，有时小孔104的底部104a的位置与激光107a的光点的中心位置不相一致。在这种情况下，发生与激光107a耦合成同轴光束的物体光113a不能照射到小孔104的底部104a的状态。
另一方面，光干涉仪105具有用于测定反射物体光113a的位置的结构，该激光焊接装置100将反射物体光113a的位置测定为小孔104的底部104a的位置即小孔104的深度。因此，当物体光113a不是照射小孔104的底部104a而是照射小孔104的内侧面的状态发生时，将被该物体光113a照射的小孔104的内侧面的位置测定为小孔104的底部104a的位置。因而，若物体光113a不照射小孔104的底部104a，则所测定的小孔104的深度会比实际深度要浅。利用测定成比实际深度要浅的小孔104的深度，则不能高精度地对焊接部102进行检测。
为了使测定的小孔104的深度不比实际深度浅，物体光113a必须准确地照射小孔104的底部104a。从而，在下面对用于使物体光113a准确地照射小孔104的底部104a的结构进行说明。
在该实施方式1中，第一聚光光学系统109和第二聚光光学系统120分别对激光107a和物体光113a进行聚焦，以在焊接部102表面上使物体光113a的光点直径比激光107a的光点直径要大。通过该结构，物体光113a照射小孔104的整个区域。若物体光113a照射小孔104的整个区域，则物体光113a可靠地照射小孔104的底部104a。因此，即使在激光107a的光点中心位置和小孔104的底部104a的位置不相一致的情况下，物体光113a也对小孔104的底部104a进行照射。
接着，对用于更可靠地将物体光113a照射到小孔104的底部104a的、激光107a的光点直径和物体光113a的光点直径之间的关系进行说明。
图3是从垂直方向(z方向)观察焊接部102的表面时的俯视图，表示激光107a的光点107b、物体光113a的光点113c、小孔104、熔融池103的位置关系。固定有被焊材101的移动平台110沿图3的箭头所示的移动方向(x方向)移动。在实施方式1中，如图3所示，激光107a的光点107b、物体光113a的光点113c都是圆状。在此，如图3所示，设焊接部102表面的激光107a的光点直径(直径)为r1，设焊接部102表面的物体光113a的光点直径(直径)为rs。
而且，利用移动平台110来移动被焊材101，从而激光107a照射的位置发生变化。若激光107a的照射位置发生变化，则从垂直方向(z方向)观察焊接部102表面时的小孔104的形状如图3所示那样，成为在被焊材101的移动方向上具有长轴的椭圆状。设该小孔104的长轴长度为rk。
小孔104的长轴长度rk具有以下倾向：随着激光107a的强度增强而变长，随着照射激光107a的时间缩短即随着移动平台110的移动速度增大而变短。
小孔104的长轴长度rk为激光107a的光点直径r1的3倍以上的强力激光不适合于激光焊接。这是由于会在被焊材101中开出空穴。基于同样的理由，按照使小孔104的长轴长度rk成为激光107a的光点直径r1的3倍以上的移动速度来移动移动平台110也并非优选。因此，在激光焊接中，小孔104的长轴长度rk比激光107a的光点直径r1的3倍要小。从而，可用下式1来表达激光107a的光点直径r1和小孔104的长轴长度rk之间的关系。
rl<rk<3rl  (式1)
通过激光107a照射被焊材101来形成小孔104，因此，小孔104的位置不会远离激光107a的光点107b的位置。因此，若与激光107a同轴的物体光113a的光点直径rs为激光107a的光点直径r1的3倍以上，则小孔104会完全包含于物体光113a的光点113c中。若小孔104完全包含于物体光113a的光点113c内，则物体光113a可靠地照射小孔104的底部104a。
即，将物体光113a的光点直径rs设定为激光107a的光点直径r1的3倍以上的情况下，物体光113a可靠地照射小孔104的底部104a，因此，能高精度地测定小孔104的深度。另一方面，被小孔104以外的地方反射的物体光113a成为对小孔104的深度测定不作贡献的噪声。物体光113a的光点直径rs越大，噪声的影响就越强。本发明者发现物体光113a的光点直径rs在激光光点直径r1的10倍以下的情况下，能减小噪声影响并能测定小孔104的深度。从而，优选将物体光113a的光点直径rs设定为激光107a的光点直径r1的3倍以上、且10倍以下。通过这样设定物体光113a的光点直径rs，从而可靠地将物体光113a照射到小孔104的底部104a，因此，能高精度地测定小孔104的深度即焊接部102的熔化深度。
例如，在图1所示的激光焊接装置100中，考虑将激光振荡器107振荡发生的激光107a引导至第一聚光光学系统109的激光传输用光学系统108的激光射出口的直径和第一聚光光学系统109的成像倍率分别设定为100μm和1/2倍的情形。在该情况下，若将第一光纤系统114a的物体光射出口的直径和第二聚光光学系统120的成像倍率分别设定为10μm和15倍，则在图3中，激光107a的光点直径r1成为50μm，物体光113a的光点直径rs成为激光107a的光点直径r1的3倍即150μm。
此外，优选在焊接部102表面和期望的熔化深度之间的位置上使第一聚光光学系统109和第二聚光光学系统120各自的焦点位置相一致，以便容易调节激光107a的光点直径r1和物体光113a的光点直径rs。
如上所述，对激光107a和物体光113a各自的光点直径进行了适当调节的激光焊接装置100能高精度地测定焊接部102的熔化深度。接着，对用于测定焊接部102的熔化深度的具体方法进行说明。
图4是用于对利用物体光113a来测定小孔104的深度的原理进行说明的说明图。若小孔104位于物体光113a的光点内，则物体光113a分别从被焊材101表面和小孔104的底部104a反射。光干涉仪105具有用于以参照光113b的光程长为基准，来测定这一基准的光程长和物体光113a的光程长之差的结构。因而，可分别测定对被焊材101表面进行照射后、从该被焊材101表面反射的物体光113a的光程长和基准光程长(参照光113b的光程长)之差，以及对小孔104的底部104a进行照射后、从该小孔104的底部104a反射的物体光113a的光程长和基准光程长(参照光113b的光程长)之差。
图4中的虚线表示参照光113b和物体光113a之间的光程长之差为0的基准位置。此外，L1表示从基准位置到焊接部102表面的光程长，L2表示从基准位置到小孔104的底部104a的光程长。即，L1是在被焊材101表面反射的物体光113a所行进的光程的长度和基准光程长(参照光113b的光程长)之差的1/2倍的值。此外，L2是在小孔104的底部104a反射的物体光113a所行进的光程的长度和基准光程长(参照光113b的光程长)之差的1/2倍的值。
图5表示物体光113a和参照光113b的光程长之差与干涉光强度之间的关系。图5的曲线图的纵轴表示干涉光强度。另一方面，图5的曲线图的横轴表示从物体光113a和参照光113b的光程长之差为0的基准位置(图4中虚线表示的位置)开始的光程长。小孔104位于物体光113a的光点内的情况下，照射到被焊材101表面(焊接部102表面)的物体光113a的强度和照射到小孔104的底部104a的物体光113a的强度增强，因此，如图5所示，干涉光在从基准位置开始的光程长为2L1、2L2的位置处具有峰值。通过求出该2个峰值间的距离的1/2倍的值，从而求出从焊接部102表面到小孔104的底部105a为止的距离即小孔104的深度。小孔104的深度相当于焊接部102的熔化深度。
通过以上方法，能测定焊接部102的熔化深度。接着，参照图1，对基于所测定的焊接部102的熔化深度来评价焊接部102的方法进行说明。
计算机112具备评价部112c，该评价部112c基于所测定的焊接部102的熔化深度，来评价焊接部102的质量。此外，计算机112具备存储部(未图示)，该存储部预先存储有合格品的熔化深度范围。评价部112c对所测定的熔化深度是否在合格品的熔化深度范围内进行判定，从而对焊接部102是否合格进行评价。在显示器122上显示评价结果。
焊接部102的熔化深度超过合格品的熔化深度范围、由评价部112c判定焊接部102为次品的情况下，激光焊接装置100中止激光照射，中断激光焊接动作。
利用图6所示的流程图，对以上说明的图1所示的激光焊接装置100的动作进行说明。
在步骤S1中，控制部112a指示平台控制器111开始移动移动平台110。由此，固定于移动平台110的被焊材101开始移动。
在步骤S2中，控制部112a指示光干涉仪105的波长扫描型光源113开始输出测定光。由此，波长扫描型光源113开始进行波长扫描。
在步骤S3中，控制部112a指示激光振荡器107开始输出激光107a。由此，对焊接部102照射激光107a，开始进行激光焊接。
在步骤S4中，测定部112b基于来自光干涉仪105的信号，测定焊接部102的熔化深度。
在步骤S6中，评价部112c对所测定的熔化深度是否在合格品的熔化深度范围内进行判定，从而对焊接部102的质量进行评价。所测定的熔化深度在合格品的熔化深度范围内的情况下(步骤S5为“是”)，激光焊接装置100的动作前进到步骤S6。另一方面，所测定的熔化深度在合格品的熔化深度范围外的情况下(步骤S5为“否”)，激光焊接装置100的动作前进到步骤S7。
在步骤S6中，控制部112a对正被激光107a照射的当前位置是否为被焊材101中进行焊接的规定区域的终点进行判定。若正被激光107a照射的当前位置为终点(步骤S6为“是”)，则激光焊接装置100的动作前进到步骤S8。另一方面，若正被激光107a照射的当前位置不是终点(步骤S6为“否”)，则激光焊接装置100的动作回到步骤S4。
在步骤S7中，在显示器122上显示焊接部102为次品这样的内容。在这种情况下，激光焊接装置100不进行对被焊材101的焊接是否结束的判定(步骤S6)，而前进到步骤S8。
在步骤S8中，控制部112a指示激光振荡器107停止输出激光107a。由此，结束照射激光107a。
在步骤S9中，控制部112a指示波长扫描型光源113停止输出测定光。由此，结束波长扫描。
在步骤S10中，控制部112a指示平台控制器111停止移动移动平台110。由此，固定于移动平台110的被焊材101停止移动。
由激光焊接装置100执行以上说明的步骤S1到步骤S10的动作。
接着，对激光焊接装置100的其它结构进行说明。图1所示的激光焊接装置100具备移动平台110，该移动平台110移动被激光107a照射的被焊材101，以便移动激光107a的照射位置。但是，激光焊接装置100可在激光107a的光程中包括具有反射激光107a的反射面的电扫描仪(galvanoscanner)来替代移动平台110。电扫描仪能通过改变反射激光107a的反射面的朝向，来移动激光107a的照射位置。或者，激光焊接装置100可具有通过电扫描仪和移动平台110的组合来移动激光107a的照射位置的结构。
接着，对激光焊接装置100中利用SS-OCT技术的理由进行说明。预计焊接部102的熔化深度以数十kHz的量级高速波动。为了高精度地测定这一高速波动的焊接部102的熔化深度，利用使用可按照数十kHz的量级进行波长扫描的波长扫描型光源113的SS-OCT技术。作为OCT的另一原理，有通过移动参照镜116来测定对象距离的TD-OCT(时域OCT)。将该TD-OCT技术利用到激光焊接装置100的情况下，参照镜116需要跟着焊接部102的熔化深度的高速波动而移动。但是，在TD-OCT中，利用机械方式的动作来移动参照镜116的位置。从而，无法实现使参照镜116跟着焊接部102的熔化深度的高速波动。因此，若将TD-OCT技术利用到激光焊接装置100，则测定焊接部102的熔化深度的精度下降。
接着，对激光焊接装置100的其它结构进行说明。激光焊接装置100还可具有在所测定的熔化深度超过合格品的熔化深度范围之前改变焊接条件，从而将焊接部102的熔化深度调节为适当值的结构。若采用该结果，则可事先防止产生次品。
具体而言，将用于改变焊接条件的熔化深度范围设定为比合格品的熔化深度范围要严格的条件。所测定的熔化深度超过用于改变焊接条件的熔化深度范围的情况下，控制部112a改变焊接条件以使焊接部102的熔化深度成为适当值。作为焊接条件，例如有激光107a的输出强度、被焊材101的移动速度等。
接着，对波长扫描型光源113的输出进行说明。需要在物体光113a不对焊接部102产生影响的范围内，对波长扫描型光源113的输出进行调节。例如，激光振荡器107的输出为300W的情况下，将波长扫描型光源113的输出设定为23mW。
(实施方式2)
在实施方式1中，对物体光113a的光点113c为圆状的情形进行了说明。在实施方式2中，对物体光113a的光点113c为直线状的情形进行说明。但是，对与实施方式1不同的点进行说明，对与实施方式1相同的点省略其说明。
在实施方式2所涉及的激光焊接装置200中，作为图1所示的第二聚光光学系统120使用柱面镜。由此，聚焦于焊接部102的物体光113a的光点113c成为直线状。
与图3相同地，图7是从垂直方向(z方向)观察焊接部102表面时的俯视图。图7表示对第二聚光光学系统120使用柱面镜的情况下的激光107a的光点107b、物体光113a的光点113c、小孔104、熔融池103的位置关系。固定有被焊材101的移动平台110沿图7的箭头所示的移动方向(x方向)移动。
如图7所示，物体光113a的光点113c是直线状。配置柱面镜，以使该直线状的光点113c的长轴方向与移动平台110的移动方向相一致。这是因为考虑到小孔104的底部104a的位置从激光107a的光点107b的位置偏向移动平台110的移动方向的情形较多。
在此，将焊接部102表面的物体光113a的光点113c的长轴和短轴长度分别设为ll和ls。此外，与实施方式1相同地，将焊接部102表面的激光107a的光点直径(直径)设为r1，小孔104的长轴长度设为rk。
若物体光113a的光点113c的长轴长度l1比小孔104的长轴长度rk要长，则物体光113a准确地照射小孔104的底部104a。具体而言，物体光113a的光点113c的长轴长度l1为小孔104的长轴长度r1的3倍以上即可。
当物体光113a的光点113c的长轴长度l1被设定为激光107a的光点直径r1的3倍以上的情况下，在小孔104以外的位置反射的物体光113a成为对小孔104的深度测定不作贡献的噪声。在实施方式1中，若物体光113a的圆状光点113c的直径rs超过激光107a的光点直径r1的10倍，则噪声影响增强，无法测定小孔104的深度。与此相反，在实施方式2中，由于物体光113a的光点113c为直线状，因此，即使物体光113a的光点113c的长轴长度l1增加，在小孔104以外的位置反射的物体光113a的量与实施方式1相比则较少。本发明者预计物体光113a的光点113c的长轴长度l1为激光107a的光点直径r1的50倍以下的情况下，也能测定小孔104的深度。
此外，小孔104的底部104a的位置几乎不会从激光107a的光点107b的位置偏向移动平台110的移动方向。但是，若物体光113a的光点113c的短轴长度ls过短，则有可能发生物体光113a无法照射到小孔104的底部104a的情形。为了防止这一情形发生，物体光113a的光点113c的短轴长度ls被设定为激光107a的光点直径r1的1倍以上、且2倍以下。
如上所述，即使在实施方式2中也与实施方式1相同地，物体光113a可靠地照射小孔104的底部104a，因此，能高精度地测定小孔104的深度即焊接部102的熔化深度。
此外，实施方式2所涉及的激光焊接装置200与实施方式1相比，能减少在小孔104以外的位置反射的物体光(噪声)的量。因而，可在噪声影响比实施方式1降低的状态下，测定小孔104的深度。此外，由于噪声影响较小，因此可使物体光113a的光点113c的长轴长度l1比实施方式1的物体光113a的光点直径rs要长。因此，例如在小孔104的底部104a位于从激光107a的光点107b的中心位置偏离激光107a的光点直径r1的10倍以上的位置处的情况下，若采用实施方式2，通过使物体光113a的光点113c的长轴长度l1成为激光107a的光点直径r1的10倍以上，也能将物体光113a照射到小孔104的底部104a。
(实施方式3)
图8是表示实施方式3中的激光焊接装置300的主要部分的结构的示意图。在实施方式3中，对激光焊接装置300进行说明，该激光焊接装置300包括：分光器123，该分光器123计算出由焊接部102发出的光102a的分光光谱；以及材料确定部112d，该材料确定部112d根据计算出的分光光谱来确定焊接部102的材料。但是，对与实施方式1不同的点进行说明，对与实施方式1相同的点省略其说明。
被焊材101有时具有不同材料区域。若对这种被焊材101进行焊接，在激光焊接对象区域转移到不同材料区域时，则需要改变焊接条件。但是，不同材料区域的分布为未知的情况下，不能预先决定改变焊接条件的时刻。此外，材料为未知的情况下，不能适当地改变焊接条件。此外，即使激光焊接装置具有基于所测定的焊接部102的熔化深度来改变焊接条件以使焊接部102的熔化深度变得适宜的结构，若材料为未知，则有可能无法使焊接部102的熔化深度成为适当的深度。
因此，在实施方式3中，对能确定焊接部102的材料、利用适合于所确定的材料的焊接条件来适当地调节熔化深度的激光焊接装置300进行说明。
首先，对激光焊接装置300的材料确定方法的原理进行说明。
在焊接部102中，由于激光107a而蒸发的金属被等离子体化并发光。这一发出的光包含根据每一材料而波长不同的光。因此，焊接部102发出的光102a的分光光谱根据材料而不同。因此，通过利用分光器123计算出焊接部102发出的光102a的分光光谱，从而能根据该计算出的分光光谱确定材料。
接着，对激光焊接装置300的结构及其作用进行说明。
焊接部102发出的光102a经由第二分光镜124、第三聚光光学系统125及滤光器126，入射到分光器123。
将作为第三光学构件的一示例的第二分光镜124配置在第一分光镜106和被焊材101之间的激光107a的光轴上。该第二分光镜124使激光107a和物体光113a透过，另一方面，对激光107a和物体光113a以外的光进行反射。例如，激光振荡器107振荡发生1064nm以上且1090nm以下波长的激光107a，光干涉仪105(图1所示的波长扫描型光源113)振荡发生1270nm以上且1370nm以下波长的测定光(物体光113a)的情况下，具有1064nm以上且1090nm以下以及1270nm以上且1370nm以下范围内的波长的光透过第二分光镜124，而具有该范围以外的波长的光被第二分光镜124反射。利用该第二分光镜124，将焊接部102发出的光102a引导至第三聚光光学系统125。
被第二分光镜124反射的光经由第三聚光光学系统125，入射到滤光器126。被第二分光镜124反射的光包含焊接部102发出的光102a。滤光器126仅使分光器123计算出分光光谱所必须的波长的光102a透过。在实施方式3中，利用分光器123的解析中，使用400nm以上且800nm以下波长的光102a。因而，滤光器126仅使该波长带(400nm以上且800nm以下)的光102a透过。透过了滤光器126的光102a入射到分光器123。
分光器123对入射到自身中的光102a按照波长进行分光，分别检测出分光后的各波长的光的强度，从而计算出入射到自身中的光102a的分光光谱。将计算出的分光光谱的信息输入到计算机112的材料获取部112d。
材料获取部112d基于分光光谱的信息，确定焊接部102的材料。计算机112包括存储部(未图示)，该存储部预先存储有与多种材料相对应的焊接条件。
另一方面，从焊接部102反射的物体光113a在透过第二分光镜124之后，被第一分光镜106反射并入射到光干涉仪105。如上所述，基于入射到光干涉仪105的物体光113a，利用计算机112测定焊接部102的熔化深度。
计算机112的控制部112a基于所测定的熔化深度，来调节焊接条件以使焊接部102的熔化深度变得适当。此时，利用材料确定部112d来确定焊接部102的材料。因此，控制部112a与焊接部102的材料相配合来调节焊接条件。作为激光焊接条件，例如有激光的输出强度、被焊材101的移动速度等。
如上所述，即使被焊材101的材料为未知，实施方式3所涉及的激光焊接装置300也能适当地调节焊接条件以使焊接部102的熔化深度变得适当。
此外，若用于确定材料的、由焊接部102发出的光102a入射到光干涉仪105，则成为焊接部102的熔化深度测定中不需要的噪声。该成为光干涉仪105的噪声的光102a由第二分光镜124进行分离。因而，实施方式3所涉及的激光焊接装置300构成为能防止噪声入射到光干涉仪105。通过该结构，能提高焊接部102的熔化深度的测定精度。
以上说明的实施方式3所涉及的激光焊接装置300的结构可适用于实施方式1的激光焊接装置100，也可适用于实施方式2的激光焊接装置200。

Claims (4)

1.一种激光焊接装置，该激光焊接装置利用激光对焊接部进行焊接，其特征在于，包括：
激光光源，该激光光源射出所述激光；
第一光学构件，该第一光学构件使具有与所述激光不同波长的物体光和所述激光成为同轴并对所述焊接部进行照射；
第二光学构件，该第二光学构件使所述焊接部中的所述物体光的光点直径比所述激光的光点直径要大；
光干涉仪，该光干涉仪向所述第一光学构件射出所述物体光，经由所述第一光学构件检测出被所述焊接部反射的所述物体光，基于该检测出的所述物体光，生成电信号；
测定部，该测定部基于所述电信号，测定所述焊接部的熔化深度；以及
评价部，该评价部基于所述测定部所测定的所述焊接部的熔化深度，对所述焊接部的焊接是否良好进行评价，
所述光干涉仪包括：
波长扫描型光源，该波长扫描型光源射出波长周期性变化的所述物体光；
光纤耦合器，该光纤耦合器对所述焊接部反射的所述物体光进行分割；以及
差动检测器，该差动检测器将由所述光纤耦合器进行了分割的所述物体光分别转换成电信号，并生成这些电信号间的差动分量，
所述测定部基于所述电信号间的所述差动分量，测定所述焊接部的熔化深度。
2.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，所述焊接部中的所述物体光的光点直径为所述激光的光点直径的3倍以上、且10倍以下。
3.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，包括柱面镜作为所述第二光学构件，该柱面镜将从所述光干涉仪射出的所述物体光聚焦成直线状。
4.一种激光焊接装置，该激光焊接装置利用激光对焊接部进行焊接，其特征在于，包括：
激光光源，该激光光源射出所述激光；
第一光学构件，该第一光学构件使具有与所述激光不同波长的物体光和所述激光成为同轴并对所述焊接部进行照射；
第二光学构件，该第二光学构件使所述焊接部中的所述物体光的光点直径比所述激光的光点直径要大；
光干涉仪，该光干涉仪向所述第一光学构件射出所述物体光，经由所述第一光学构件检测出被所述焊接部反射的所述物体光，基于该检测出的所述物体光，生成电信号；
测定部，该测定部基于所述电信号，测定所述焊接部的熔化深度；以及
评价部，该评价部基于所述测定部所测定的所述焊接部的熔化深度，对所述焊接部的焊接是否良好进行评价，
且还包括：
移动机构，该移动机构移动所述激光的照射位置；
第三光学构件，该第三光学构件配置于所述第一光学构件和所述焊接部之间，将所述焊接部熔融时由所述焊接部发出的光从所述激光和所述物体光进行分离；
分光器，该分光器经由所述第三光学构件，检测出所述焊接部发出的光，并根据该检测出的光，计算出分光光谱；
材料确定部，该材料确定部基于所述分光器计算出的所述分光光谱，确定所述焊接部的材料；以及
控制部，该控制部基于所述测定部所测定的所述焊接部的熔化深度、和所述材料确定部所确定的所述焊接部的材料，对所述激光的强度或所述激光的照射位置的移动速度进行控制。
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