CN115279533A - 激光焊接监视装置和激光焊接监视方法 - Google Patents

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Abstract

在对被焊接材料即金属板(W1)与金属板(W2)的对接面(120)正在照射加工头(20)射出的激光束时，受光单元(30a～30c)接收包含激光束的反射光和波长与反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的放射光。分光单元(40)对反射光和监视光进行分光，将监视光转换为第一电信号。触发单元(60)将反射光转换为第二电信号，在第二电信号的电平为预定阈值以上时输出触发信号。激光焊接监视器(80)在输入了触发信号时，基于第一电信号开始判定被焊接材料的激光焊接是否正在正常地进行。

Description

激光焊接监视装置和激光焊接监视方法
技术领域
本公开涉及监视激光焊接是否正常进行的激光焊接监视装置以及激光焊接监视方法。
背景技术
如专利文献1或2所记载的那样，在激光焊接机对被焊接材料进行焊接时，激光焊接监视装置监视激光焊接是否正常进行。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-110796号公报
专利文献2：日本特开2017-24046号公报
发明内容
激光焊接监视装置优选在激光焊接机开始了被焊接材料的焊接的定时开始监视。例如，激光焊接监视装置只要与激光振荡器开始了激光束射出的定时一致地开始监视即可。但是，具有在开始激光束射出的定时不输出表示激光束射出开始的信号的激光振荡器。因此，要求一种准确地检测激光焊接机开始了被焊接材料焊接的定时，从而激光焊接监视装置开始监视的结构。
一个以上的实施方式的目的在于提供一种能够准确地检测激光焊接机开始了被焊接材料的焊接的定时，从而开始激光焊接的监视的激光焊接监视装置以及激光焊接监视方法。
根据1个以上的实施方式的第一方式，提供一种激光焊接监视装置，其具备：受光单元，其在对被焊接材料正在照射激光焊接机所具备的加工头射出的激光束时，接收包含在所述激光束的照射位置产生的所述激光束的反射光以及波长与所述反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的放射光；分光单元，其对所述放射光中包含的所述反射光和所述监视光进行分光，将分光后的所述监视光转换为第一电信号；触发单元，其将所述反射光转换为第二电信号，在所述第二电信号的电平为预定阈值以上时输出触发信号；以及激光焊接监视器，其在输入了所述触发信号时，基于所述第一电信号，开始判定所述被焊接材料的激光焊接是否正在正常地进行。
根据1个以上的实施方式的第二方式，提供一种激光焊接监视方法，在对被焊接材料正在照射激光焊接机所具备的加工头射出的激光束时，通过受光单元接收包含在所述激光束的照射位置产生的所述激光束的反射光和波长与所述反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的放射光，对所述放射光中包含的所述反射光和所述监视光进行分光，将分光后的所述监视光转换为第一电信号，将所述反射光转换为第二电信号，在所述第二电信号的电平为预定阈值以上时生成触发信号，将所述触发信号的输入作为触发，基于所述第一电信号开始判定所述被焊接材料的激光焊接是否正在正常地进行。
根据1以上的实施方式的激光焊接监视装置以及激光焊接监视方法，能够准确地检测激光焊接机开始了被焊接材料的焊接的定时，从而开始激光焊接的监视。
附图说明
图1是表示1个以上的实施方式的激光焊接监视装置的立体图。
图2是表示激光焊接机所具备的加工头的结构例的立体图。
图3是表示1个以上的实施方式的激光焊接监视装置所具备的分光单元的结构例的图。
图4是表示1个以上的实施方式的激光焊接监视装置所具备的触发单元的结构例的框图。
图5是表示激光焊接机开始照射激光束并结束照射时的在激光束的照射位置产生的激光束的反射光与近红外光的放射光强度的变化的特性图。
图6是表示1个以上的实施方式的激光焊接监视方法的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图对1个以上的实施方式的激光焊接监视装置及激光焊接监视方法进行说明。在图1中，激光焊接机50具备NC装置10、激光振荡器11、加工头20。作为一例，激光振荡器11是射出波长1060nm～1080nm的激光束的光纤激光振荡器。激光振荡器11射出的激光束通过操作光纤12被传送到加工头20。
如图2所示，加工头20具备检流计扫描仪21和fθ透镜22。检流计扫描仪21具备检流计反射镜211及213、使检流计反射镜211及213分别旋转成预定角度的驱动部212及214。从操作光纤(Processfiber)12射出而入射到检流计反射镜211的激光束被检流计反射镜211反射而入射到检流计反射镜213，并被检流计反射镜213反射而入射到fθ透镜22。fθ透镜22将入射的激光束聚焦而照射到被焊接材料上。
通过改变检流计反射镜211及213的各角度，能够使照射到被焊接材料的激光束位移。通过使检流计反射镜211及213连续地运动，能够使激光束振动或旋转。即使使检流计扫描仪21动作，fθ透镜22也能够使激光束聚焦在被焊接材料的1个平面上。
返回图1，NC装置10控制激光振荡器11以及检流计扫描仪21的驱动部212以及214。NC装置10还控制加工头20的移动。从加工头20射出的激光束照射作为被焊接材料的一个例子的金属板W1和W2的对接面120，对金属板W1和金属板W2进行焊接。
加工头20不必须具备检流计扫描仪21，但优选具备检流计扫描仪21。在加工头20不具备检流计扫描仪21的情况下，只要具备使激光束朝向金属板W1和金属板W2反射的弯曲镜和代替fθ透镜22的通常的聚焦透镜即可。
在图1中，激光焊接监视装置100具备受光单元30a～30c和位于隔着加工头20与受光单元30b相对的位置的未图示的受光单元这4个受光单元。将任意位置的受光单元称为受光单元30。在加工头20具备检流计扫描仪21的结构中，可以使受光单元30为2个以上，可以在fθ透镜22的周围等间隔地配置多个受光单元30。在加工头20不具备检流计扫描仪21的情况下，受光单元30可以是1个。即使是加工头20不具备检流计扫描仪21的结构，也可以使受光单元30为2个以上。
另外，激光焊接监视装置100具备分光单元40、触发单元60、激光焊接监视器80。
当对金属板W1与W2的对接面120照射了激光束时，从激光束的照射位置产生包含激光束的反射光和由热辐射产生的近红外光的放射光。4个受光单元30接收放射光，4个受光单元30接收到的放射光通过光纤束31向分光单元40入射。在图1中，从对接面120朝向受光单元30的实线的箭头线表示激光束的反射光，单点划线的箭头线表示近红外光。近红外光的波长为1300nm～2500nm。近红外光是波长与激光束的反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的优选的一例。
受光单元30构成为在放射光的入射面具有保护玻璃，放射光入射到光纤的纤芯的端面。受光单元30只要是接收包含激光束的反射光和由热辐射产生的近红外光的放射光的结构即可，结构没有限定。
如图3所示，分光单元40具备使1300nm波长以上的光透射并使小于1300nm波长的光反射的分色镜41以及光电传感器42。实线的箭头线所示的激光束的反射光由分色镜41反射，单点划线的箭头线所示的近红外光透射分色镜41而入射到光电传感器42。光电传感器42将入射的近红外光转换为电信号(近红外监视信号)后输出。近红外监视信号是第一电信号的一例。第一电信号可以是数字信号。
在图1中，从分光单元40射出的激光束的反射光通过反射光传送光纤51传送，入射到触发单元60。从分光单元40输出的近红外监视信号通过监视信号传输电缆52传送，输入到激光焊接监视器80。
如图4所示，触发单元60具备光电传感器61、电平判定部62、触发信号产生部63。光电传感器61将入射的激光束的反射光转换为电信号(第二电信号)。电平判定部62判定所输入的电信号的电平是否为预定阈值以上。触发信号产生部63在输入到电平判定部62的电信号为预定阈值以上时，生成触发信号并输出。电平判定部62以及触发信号产生部63能够由电路构成。也可以由处理器构成电平判定部62以及触发信号产生部63。第二电信号可以是模拟信号，也可以是数字信号。触发信号可以是数字信号。
在图1中，触发信号由触发信号传送电缆71传输，输入到激光焊接监视器80。激光焊接监视器80在输入了触发信号时，以触发信号的输入为触发，基于近红外监视信号，开始监视激光焊接是否正在正常地进行。作为一例，激光焊接监视器80对所输入的近红外监视信号进行预定时间积分，如果积分值处于预先设定的上限值和下限值之间，则判定为激光焊接正在正常进行。如果积分值不在上限值与下限值之间，则激光焊接监视器80判定为激光焊接未正常进行，产生了异常。并不限定激光焊接监视器80如何判断激光焊接是否正在正常地进行。
激光焊接监视器80在框体前面具备发光二极管L1～L4。激光焊接监视器80在判定为激光焊接正在正常进行时，例如使绿色的发光二极管L4点亮，在判定为激光焊接发生了异常时，例如使红色的发光二极管L3点亮。例如绿色的发光二极管L1在激光焊接监视器80的电源接通时点亮。例如绿色的发光二极管L2在输入了触发信号时点亮。
使用图5所示的特性图，对激光焊接监视器80开始监视激光焊接的定时进行说明。在图5中，设为加工头20在时刻t0开始对金属板W1与W2的对接面120照射激光束，在时刻t1结束激光束的照射。单点划线所示的近红外光的放射光强度在开始了激光束的照射后逐渐增大。另一方面，实线所示的激光束的反射光的放射光强度在激光束的照射刚开始后急剧增大然后急剧降低，之后成为大致恒定值。
当设为在触发单元60的电平判定部62中设定的阈值是与图5所示的阈值TH1的放射光强度对应的电信号的电平时，触发单元60在时刻t0紧后输出触发信号。因此，激光焊接监视装置100能够准确地检测激光焊接机50开始了金属板W1和W2的焊接的定时，从开始了焊接的定时开始几乎没有时间延迟地开始监视激光焊接。
在图5中，当假设构成为触发单元60在近红外光的放射光强度增大到预定强度的定时输出触发信号时，因为近红外光的放射光强度只是逐渐增大，所以当在相同的激光焊接条件下反复进行了加工时，超过阈值TH1的定时会有偏差。因此，无法在时刻t0紧后输出触发信号，输出触发信号的定时产生时间延迟，或者产生偏差。与此相比，反射光在加工刚开始后急剧增大，因此即使反复进行加工也能够抑制超过阈值TH1的定时的偏差，能够以高的重复精度开始激光焊接的监视。
使用图6所示的流程图，对激光焊接监视装置100执行的激光焊接监视方法进行说明。图6还包括由激光焊接机50执行的处理。在图6中，NC装置10在步骤S1中判定是否进行了焊接开始的指示。若没有进行焊接开始的指示(否)，则NC装置10重复步骤S1的处理。若进行了焊接开始的指示(是)，则NC装置10在步骤S2中使激光振荡器11的激光振荡开始，开始激光焊接。
在步骤S3中，4个受光单元30接收来自激光束的照射位置的放射光，光纤束31将接收到的放射光向分光单元40传送。分光单元40在步骤S4中，对放射光中包含的激光束的反射光和近红外光进行分光。分光单元40的光电传感器42在步骤S5中将近红外光转换为电信号，来提供给激光焊接监视器80。
与步骤S5并行地，触发单元60在步骤S6中将由反射光传送光纤51传送的反射光转换为电信号，若电信号的电平超过阈值，则输出触发信号。
激光焊接监视器80在步骤S7中判定是否从触发单元60接收到触发信号。如果没有接收到触发信号(否)，则激光焊接监视器80反复进行步骤S7的处理。若接收到触发信号(是)，则激光焊接监视器80在步骤S8中开始监视激光焊接。
激光焊接监视器80在步骤S9中判定是否经过了预先设定的测定时间。若未经过测定时间(否)，则激光焊接监视器80反复进行步骤S9的处理。在反复进行步骤S9的处理的期间，继续进行激光焊接的监视。若经过了测定时间(是)，则激光焊接监视器80结束激光焊接的监视。
有时即使激光焊接监视器80结束了激光焊接的监视，激光焊接机50的焊接也未结束。激光焊接机50的焊接也可以在激光焊接监视器80结束激光焊接的监视之前结束。另外，即使假设在测定时间内再次向激光焊接监视器80输入了触发信号，也忽略测定时间内的触发信号。
激光焊接监视器80结束激光焊接的监视的定时并不限于经过了测定时间的时间点。激光焊接监视器80也可以在激光焊接机50进行的焊接结束的时间点结束激光焊接的监视。
如以上那样，根据1个以上的实施方式的激光焊接监视装置以及激光焊接监视方法，能够准确地检测激光焊接机50开始了被焊接材料的焊接的定时，从而开始激光焊接的监视。
本发明并不限于以上说明的1个以上的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变更。在1个以上的实施方式中，激光焊接监视器80使用将近红外光转换为电信号而得到的近红外监视信号来判定激光焊接是否正在正常地进行，但是也可以将等离子体光或可见光转换为电信号。只要将与激光振荡器11射出的激光束的波长不同的波长的光转换为电信号即可。
作为激光振荡器11，也可以使用直接二极管激光振荡器(DDL振荡器)来代替光纤激光振荡器。DDL振荡器射出波长910nm～950nm的激光束。从激光振荡器11射出的激光束的波长可以为波长900nm～1100nm的1μm波段。
图1所示的激光焊接监视装置100将分光单元40、触发单元60、激光焊接监视器80的各框体分开，但也可以在激光焊接监视器80的框体内设置触发单元60。也可以将分光单元40和触发单元60设置在1个框体内。也可以在激光焊接监视器80的框体内设置分光单元40和触发单元60。分光单元40或触发单元60的设置位置没有限定。
也可以在开始电弧焊接或激光切割的监视时应用以上说明的通过输入触发信号激光焊接监视器80开始激光焊接的监视的方法。特别是在金属板的激光切割中，能够大致直接使用1个以上的实施方式的方法，能够设为以激光焊接或者激光切割为对象的激光加工监视装置以及激光加工监视方法。
本申请主张在2020年3月9日向日本特许厅申请的日本特愿2020-039761号的优先权，通过引用在此援引了其全部公开内容。

Claims (6)

1.一种激光焊接监视装置，其特征在于，具备：
受光单元，其在对被焊接材料正在照射激光焊接机所具备的加工头射出的激光束时，接收包含在所述激光束的照射位置产生的所述激光束的反射光以及波长与所述反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的放射光；
分光单元，其对所述放射光中包含的所述反射光和所述监视光进行分光，将分光后的所述监视光转换为第一电信号；
触发单元，其将所述反射光转换为第二电信号，在所述第二电信号的电平为预定阈值以上时输出触发信号；以及
激光焊接监视器，其在输入了所述触发信号时，基于所述第一电信号，开始判定所述被焊接材料的激光焊接是否正在正常地进行。
2.根据权利要求1所述的激光焊接监视装置，其特征在于，
所述激光束的波长为900nm～1100nm，所述监视光的波长为1300nm～2500nm的近红外光。
3.根据权利要求1或2所述的激光焊接监视装置，其特征在于，
所述加工头具备：
检流计扫描仪，其使所述加工头射出的所述激光束位移、振动或旋转；以及
fθ透镜，其使所述激光束聚焦于所述被焊接材料来照射所述被焊接材料，
所述激光焊接监视装置具备配置在所述fθ透镜周围的多个受光单元。
4.一种激光焊接监视方法，其特征在于，
在对被焊接材料正在照射激光焊接机所具备的加工头射出的激光束时，通过受光单元接收包含在所述激光束的照射位置产生的所述激光束的反射光和波长与所述反射光不同的光即由热辐射产生的监视光的放射光，
对所述放射光中包含的所述反射光和所述监视光进行分光，
将分光后的所述监视光转换为第一电信号，
将所述反射光转换为第二电信号，
在所述第二电信号的电平为预定阈值以上时生成触发信号，
将所述触发信号的输入作为触发，基于所述第一电信号开始判定所述被焊接材料的激光焊接是否正在正常地进行。
5.根据权利要求4所述的激光焊接监视方法，其特征在于，
所述激光束的波长为900nm～1100nm，所述监视光的波长为1300nm～2500nm的近红外光。
6.根据权利要求4或5所述的激光焊接监视方法，其特征在于，
所述加工头具备：
检流计扫描仪，其使所述加工头射出的所述激光束位移、振动或旋转；以及
fθ透镜，其使所述激光束聚焦于所述被焊接材料来照射所述被焊接材料，
通过配置在所述fθ透镜周围的多个受光单元接收所述放射光。
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