CN109702333A - 激光焊接装置及激光焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光焊接装置及激光焊接方法。本发明的激光焊接装置具备：激光输出单元，其向被焊接件照射激光；测量光光源，其输出具有与激光不同的波长的测量光，在输出时使测量光的波长周期性地变化；光学部件，其使激光与来自测量光光源的测量光重合于同轴，利用激光对形成于被焊接件的焊接部进行照射；以及光学干涉仪，其基于因由焊接部反射的测量光与参考光的光程差而产生的干涉，来测量焊接部的小孔深度，测量光光源的光频的扫描速度的平均值为2000PHz/秒以上。

Description

激光焊接装置及激光焊接方法
技术领域
本发明涉及在使用激光来焊接时对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
作为以往的焊接装置，存在通过直接测量在焊接中产生的小孔的深度，来对焊接部进行评价的激光焊接装置。
具体而言，如图6所示，对于激光焊接装置100，在焊接过程中，焊接用的激光从激光振荡器102输出，经由焊接头103照射到被焊接件104的焊接部105。被照射激光的焊接部105从上部开始熔融、蒸发，由此形成：焊接部105的金属材料熔融而产生的熔池106、和通过蒸发的金属的压力而产生的空洞即小孔107。
在该焊接过程中，测量光光源108连续地输出波长与焊接用的激光不同的测量光。测量光光源108使输出的测量光的波长周期性地变化。测量光经由光学干涉仪109、光纤110，传输至焊接头103，通过分光镜111而与焊接用的激光重合于同心、同轴上，并照射到焊接部105的小孔107。
由小孔107反射后的测量光经由光纤110再次输入至光学干涉仪109。在光学干涉仪109中，通过了参考光程112的光与由小孔107反射后的测量光耦合而成为干涉光。由检测器113将干涉光转换为表示强度的信号。
计算机114基于由检测器113转换后的信号，利用扫频光学相干层析成像(SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography)的原理，求得测量光在小孔107中所反射的位置。由此，能够测量焊接过程中的小孔深度。由于小孔107的深度与焊接的焊透深度相关，因此激光焊接装置100能够基于该深度的测量结果来进行焊接的良好与否的判定。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5252026号公报
发明要解决的问题
然而，在上述以往的结构中有以下问题：在熔池106或小孔107的振动较大、或飞溅横穿测量光的频度较高的情况下，噪声因这些影响而变大，无法进行稳定的测量。
图7是利用光频的变化速度(扫描速度)为约50P(拍，peta)Hz/秒的测量光光源108测量出的结果。在图7中，横轴是时间，纵轴表示反射信号的深度，明亮的点表示反射信号的强度，焊接中在四个阶段中将输出逐渐降低。由图7可知，在深度方向上产生较大的噪声，对于以往的结构，无法以足够的精度进行测量。
发明内容
本发明是解决上述以往的问题的发明，其目的在于，提供即使存在焊接池或小孔的振动、或飞溅等，也能够稳定地测量小孔深度的激光焊接装置及方法。
解决问题的方案
为了实现上述目的，本发明的激光焊接装置具备：激光输出单元，其向被焊接件照射激光；测量光光源，其输出具有与所述激光不同的波长的测量光，在进行输出时使所述测量光的波长周期性地变化；光学部件，其使所述激光与来自所述测量光光源的所述测量光重合于同轴，利用所述激光对形成于所述被焊接件的焊接部进行照射；以及光学干涉仪，其基于因由所述焊接部反射的所述测量光与参考光的光程差而产生的干涉，来测量所述焊接部的小孔深度，所述测量光光源的光频的扫描速度的平均值为2000PHz/秒以上。
本发明的激光焊接方法具备以下工序：向被焊接件照射激光的激光输出工序；输出具有与所述激光不同的波长的测量光，在进行输出时使所述测量光的波长周期性地变化的测量光输出工序；使所述激光与来自测量光光源的所述测量光重合于同轴，利用所述激光对形成于所述被焊接件的焊接部进行照射的同轴照射工序；以及基于因由所述焊接部反射的所述测量光与参考光的光程差而产生的干涉，来测量所述焊接部的小孔深度的小孔深度测量工序，所述测量光输出工序中的光频的变化速度的平均值为2000PHz/秒以上。
发明效果
根据本发明，即使存在焊接池或小孔的振动、或飞溅等，也能够高精度地测量小孔深度。
附图说明
图1是本发明的实施方式1中的激光焊接装置的概略图；
图2是小孔深度测量中的表面移动的影响的仿真结果；
图3是对使光频的扫描速度变化的情况下的表面速度的影响所造成的测量误差进行仿真后的结果；
图4是表面移动的实测结果；
图5是约4000PHz/秒的测量光光源下的小孔的测量结果；
图6是专利文献1中记载的以往的激光焊接装置的概略图；
图7是约50PHz/秒的测量光光源下的小孔测量结果。
附图标记说明
1 激光焊接装置
2 激光振荡器
3 焊接头
4 被焊接件
5 焊接部
6 熔池
7 小孔
8 测量光光源
9 光学干涉仪
10 光纤
11 分光镜
12 参考光程
13 检测器
14 计算机
15 飞溅
100 激光焊接装置
102 激光振荡器
103 焊接头
104 被焊接件
105 焊接部
106 熔池
107 小孔
108 测量光光源
109 光学干涉仪
110 光纤
111 分光镜
112 参考光程
113 检测器
114 计算机
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1中的激光焊接装置的概略图。
如图1所示，对于激光焊接装置1，在焊接过程中，焊接用的激光从激光振荡器2输出，经由焊接头3向被焊接件4的焊接部5照射。被照射激光的焊接部5从上部熔融、蒸发，由此形成：焊接部5的金属材料熔融而产生的熔池6、和通过蒸发的金属的压力而产生的空洞即小孔7。
在该焊接过程中，测量光光源8连续地输出波长与焊接用的激光不同的测量光。测量光光源8使输出的测量光的中心波长周期性地变化。此外，有时将使这样的测量光的中心波长周期性地变化的动作称为波长扫描。测量光经由光学干涉仪9、光纤10传输至焊接头3，通过分光镜11而与焊接用的激光重合于同心、同轴上，并照射到焊接部5的小孔7。
由小孔7反射后的测量光经由光纤10再次输入至光学干涉仪9。在光学干涉仪9中，通过了参考光程12的光与由小孔7反射后的测量光耦合而成为干涉光。由检测器13将干涉光转换为表示强度的信号。
计算机14基于由检测器13转换后的信号，利用扫频光学相干层析成像(SS-OCT：Swept Source Optical Coherence Tomography)的原理，求得测量光在小孔7中所反射的位置。由此，能够测量焊接过程中的小孔深度。
在图1所示的激光焊接装置1中，测量光光源8使波长的倒数即光频相对于时间而大致线性地变化。在此，测量光光源8的光频的变化速度(扫描速度)为2000PHz/秒以上。
从测量光光源8输出的光在光学干涉仪9中，被分支为由焊接部5反射的光程和参考光程12这两路。所分支出的光通过各自的光程，再次在光学干涉仪9耦合，该干涉光由检测器13检测。此时，由于两路的光程的光程长差而在两路的光中产生时间滞后，得到了与该时间滞后成比例的频率的光拍频。在此，根据光拍频的频率与时间滞后的线性度，由计算机14对检测器13所检测出的光拍频信号进行傅里叶变换(FFT)，由此能够得到测量光的光轴上的小孔深度。
在此，对测量光光源8的光频的扫描速度为2000PHz/秒以上的理由进行说明。
在小孔7的表面存在接近沸点的温度的熔融金属，因与蒸发的金属的均衡而产生空洞即小孔7。若焊接头3移动，则小孔7也随其移动。因此，可以认为，小孔7不维持稳定的形状，形状时常变动，其底面振动的情况较多。另外，在激光焊接中，由于利用具有峰值功率高的能量的激光进行焊接，所以有时根据焊接条件的不同而会施加过剩的能量，从而被称作飞溅15的金属粉飞散。当这样地在小孔7的底面产生振动情况下，或在从焊接头3照射的测量光中产生飞溅15的情况下，有时小孔深度的测量精度降低。
下面，表示对小孔7的底面的振动或飞溅15的产生等的影响定量地进行评价的结果。
在图2中示出，在焊接部5的表面(在此，意味着小孔7的表面或飞溅15的表面)以一定的速度沿着测量光的光轴而上下移动的情况下，将对小孔的深度测量结果的影响进行仿真后的结果。表面的上下移动停止的波形、即移动速度为0.0mm/s时的波形是应被测量的波形。然而，如图2所示，随着表面的移动速度加速，在被测量的波形的峰值位置、即小孔深度的测量结果中产生偏差。
图2中例示的仿真结果是表面以一定的速度移动时的结果，可认为若移动速度不规则地变化，则会如图7所示的那样，得到包含大量噪声的测量结果。
另一方面，小孔7的底面的振动或飞溅15的产生等的影响根据测量光光源8的光频扫描速度而不同。图3的图表中示出，对使光频的扫描速度变化的情况下的、表面速度的影响所造成的测量误差进行仿真后的结果。由图3可知，扫描速度越快，则越能够降低由表面速度造成的测量误差。
在实际的焊接中，对表面的移动速度为何种程度进行测量的结果如图4所示。在图4中，横轴表示时间，纵轴表示深度，参照图4可知，表面的移动速度最大为0.8m/秒左右。即可以说，即使表面的移动速度为0.8m/秒，只要仅接受测量误差(精度)以下的影响，就能够实现稳定的测量。
在此，激光焊接大多使用于与汽车相关的焊接。在与汽车相关的焊接中焊接的深度的单位为mm的情况较多。因此，在与汽车相关的焊接中，作为小孔深度的测量精度，要求小一位的0.1mm左右(图3中的点线)。在要求这样地在表面速度为0.8m/秒时将测量误差(精度)控制在0.1mm以下的情况下，参照图3可知，只要将光频的扫描速度设为2000PHz/秒以上即可。
这样，通过将测量光光源8的光频的扫描速度设为2000PHz/秒以上，即使在存在焊接部5的振动或飞溅15的飞散时，也能够进行噪声较少且稳定的小孔深度的测量。作为一例，使用光频的扫描速度为约4000PHz/秒的测量光光源来实施小孔测量的结果如图5所示。根据图5可确认能够稳定地测量小孔深度。
对于实现2000PHz/秒以上的扫描速度的测量光光源8，例如可以使用由MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems，微机电系统)动作的反射镜来实现。使用了MEMS反射镜的测量光光源8与使用了多面镜等的光源相比而质量较小，因此能够实现更高速的波长变化。作为使用了MEMS反射镜的测量光光源8，例如包括：将波长滤光器配置在共振器内，使波长滤光器的透射波长连续地变化的光源；或使用VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直腔面发射激光器)作为增益介质，通过由MEMS动作的反射镜使共振器长度变化，从而对波长进行扫描的光源等。
此外，在本实施方式中，作为实现2000PHz/秒以上的扫描速度的测量光光源8而使用了MEMS型的光源，但例如也可以使用DBR(Distributed Bragg Reflector，分布布拉格反射镜)激光的光源。DBR激光通过使注入电流变化，来利用载体效应而产生折射率变化，并通过使共振器的光程长变化来使波长变化。通过注入电流的变化而进行的折射率的变化是高速的，也不包含机械动作，因此能够实现非常高速的波长变化。
工业实用性
本发明的激光焊接装置及激光焊接方法能够适用于汽车或电子部件等的激光焊接。

Claims (4)

1.一种激光焊接装置，其特征在于，具备：
激光输出单元，其向被焊接件照射激光；
测量光光源，其输出具有与所述激光不同的波长的测量光，在进行输出时使所述测量光的波长周期性地变化；
光学部件，其使所述激光与来自所述测量光光源的所述测量光重合于同轴，利用所述激光对形成于所述被焊接件的焊接部进行照射；以及
光学干涉仪，其基于因由所述焊接部反射的所述测量光与参考光的光程差而产生的干涉，来测量所述焊接部的小孔深度，
所述测量光光源的光频的扫描速度的平均值为2000PHz/秒以上。
2.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，
所述测量光光源是通过微机电系统反射镜的动作来对波长进行扫描的光源。
3.如权利要求1所述的激光焊接装置，其特征在于，
所述测量光光源是利用注入电流对波长进行扫描的半导体激光。
4.一种激光焊接方法，其特征在于，具备以下工序：
向被焊接件照射激光的激光输出工序；
输出具有与所述激光不同的波长的测量光，在进行输出时使所述测量光的波长周期性地变化的测量光输出工序；
使所述激光与来自测量光光源的所述测量光重合于同轴，利用所述激光对形成于所述被焊接件的焊接部进行照射的同轴照射工序；以及
基于因由所述焊接部反射的所述测量光与参考光的光程差而产生的干涉，来测量所述焊接部的小孔深度的小孔深度测量工序，
所述测量光输出工序中的光频的变化速度的平均值为2000PHz/秒以上。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111940910A (zh) * 2019-05-16 2020-11-17 松下知识产权经营株式会社 激光加工装置、激光加工方法以及修正数据生成方法
CN117340459A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 武汉纺织大学 一种超高功率激光焊接全过程监测方法及系统

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7336893B2 (ja) * 2019-06-26 2023-09-01 日立Astemo株式会社 溶接システム及び溶接方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102307696A (zh) * 2009-01-26 2012-01-04 爱克西可法国公司 用于通过激光能量照射半导体材料表面的方法和设备
US20120285936A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Panasonic Corporation Laser welding apparatus and laser welding method
WO2014138939A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Queen's University At Kingston Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry
US20140368827A1 (en) * 2013-06-13 2014-12-18 Canon Kabushiki Kaisha Optical tomography apparatus, optical tomography method, and optical coherence tomography apparatus
DE102013215362A1 (de) * 2013-08-05 2015-02-05 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Einschweißtiefe beim Laserschweißen
CN105829828A (zh) * 2013-09-23 2016-08-03 普莱斯泰克光电子有限公司 测量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工设备
CN107076546A (zh) * 2014-10-20 2017-08-18 普雷茨特两合公司 用于实时测量焊缝深度的设备

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5854252B2 (ja) 1975-10-22 1983-12-03 日産自動車株式会社 ジドウシヤヨウナイネンキカン ノ ハイキジヨウカソウチ
US8822875B2 (en) * 2010-09-25 2014-09-02 Queen's University At Kingston Methods and systems for coherent imaging and feedback control for modification of materials
JP2014190861A (ja) * 2013-03-27 2014-10-06 Canon Inc 被検面の位置を計測する計測装置及び計測方法
JP5947740B2 (ja) * 2013-03-29 2016-07-06 トヨタ自動車株式会社 溶接部の検査装置とその検査方法
JP6489680B2 (ja) * 2014-01-24 2019-03-27 株式会社東京精密 距離測定装置、及び距離測定方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102307696A (zh) * 2009-01-26 2012-01-04 爱克西可法国公司 用于通过激光能量照射半导体材料表面的方法和设备
US20120285936A1 (en) * 2011-05-10 2012-11-15 Panasonic Corporation Laser welding apparatus and laser welding method
WO2014138939A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Queen's University At Kingston Methods and systems for characterizing laser machining properties by measuring keyhole dynamics using interferometry
US20140368827A1 (en) * 2013-06-13 2014-12-18 Canon Kabushiki Kaisha Optical tomography apparatus, optical tomography method, and optical coherence tomography apparatus
DE102013215362A1 (de) * 2013-08-05 2015-02-05 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren und Vorrichtung zum Bestimmen einer Einschweißtiefe beim Laserschweißen
CN105829828A (zh) * 2013-09-23 2016-08-03 普莱斯泰克光电子有限公司 测量激光束到工件中的透入深度的方法及激光加工设备
CN107076546A (zh) * 2014-10-20 2017-08-18 普雷茨特两合公司 用于实时测量焊缝深度的设备

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111940910A (zh) * 2019-05-16 2020-11-17 松下知识产权经营株式会社 激光加工装置、激光加工方法以及修正数据生成方法
CN117340459A (zh) * 2023-12-04 2024-01-05 武汉纺织大学 一种超高功率激光焊接全过程监测方法及系统
CN117340459B (zh) * 2023-12-04 2024-01-30 武汉纺织大学 一种超高功率激光焊接全过程监测方法及系统

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Publication number Publication date
JP2019076945A (ja) 2019-05-23
DE102018218336A1 (de) 2019-05-02
JP6579400B2 (ja) 2019-09-25
US20190126399A1 (en) 2019-05-02

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