JP2011189407A - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非破壊で溶接部の溶け込み量を定量的に計測して、溶接品質を評価することができるレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ溶接装置１００は、（ａ）一定強度のレーザ光を、レーザ光の強度にピークが発生するように変調して、溶接部１０２に照射し、（ｂ）ピークに応じて溶接部１０２に発生した超音波１０５を圧電素子１１５で検出し、（ｃ）レーザ光の変調時間と照射位置と、超音波１０５の検出位置と検出時間とに基づいて、溶接部１０２の溶け込み量を算出し、（ｄ）溶け込み量に基づいて、溶接の良否を判定する。
【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に関し、特に、溶け込み深さやレーザ出力などを監視することで品質を評価するレーザ溶接装置に関する。

従来のレーザ溶接装置として、溶接部の溶融金属が発する光を用いて、溶接品質を評価する装置（以下、一例目の装置と呼称する。）がある（例えば、特許文献１参照。）。

具体的には、図１４に示すように、一例目の装置では、レーザ発振器１１から一定強度で連続的に出力されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１２を介して集光光学系１３に伝送されて、集光光学系１３で集光される。集光光学系１３で集光されたレーザ光は、被溶接材１の溶接に供される。被溶接材１の溶接の際に、溶接部２の溶融金属が光を発する。溶接部２の溶融金属が発した光が、集光光学系１３で集光されて、モニタ光伝送用光学系１４を介して干渉フィルタ１５に伝送される。干渉フィルタ１５に伝送された光のうち、溶接部２の溶融金属が発した光や、集光光学系１３から出力されるレーザ光などの特定の波長成分が、干渉フィルタ１５で選択される。干渉フィルタ１５で選択された光がフォトダイオード１６で受光される。受光された光の強度に応じた信号がフォトダイオード１６から出力される。フォトダイオード１６から出力された信号が、アンプ１７、Ａ／Ｄ変換器１８を介してコンピュータ１９に入力されて、コンピュータ１９で処理される。溶接部２の溶融金属が発した光や集光光学系１３から出力されるレーザ光の強度が溶け込み量に比例するとして、コンピュータ１９で溶接のモニタリングが行われている。

また、従来のレーザ溶接装置として、アコースティックエミッションセンサ（以下、ＡＥセンサと呼称する。）を用いて、溶接品質を評価する装置（以下、二例目の装置と呼称する。）もある（例えば、特許文献２参照。）。

具体的には、図１５に示すように、二例目の装置では、集光光学系２３にＡＥセンサ２４が取り付けられている。被溶接材１の溶接の際に、レーザ光の出力、レーザ光の焦点位置、シールドガスの流量、アシストガスの流量などの影響を受け、正常時と異常時とで波形が異なる信号がＡＥセンサ２４から出力される。ＡＥセンサ２４から出力された信号が、アンプ２５、Ａ／Ｄ変換器２６を介してコンピュータ２７に入力されて、コンピュータ２７で処理される。ＡＥセンサ２４から出力された信号の波形が正常時の波形に近づく（正常時の波形に一致する）ように、コンピュータ２７で溶接条件が制御される。

特開２００６−１５９２４２号公報 特開平６−１５５０５６号公報

しかしながら、一例目の装置では、直接溶け込み量を検出しているのではなく、溶接部２の温度やレーザ光の出力から得られたデータを間接的に溶け込み量に換算している。このため、被溶接材１の材質のばらつきや周囲の温度など、他の要因によって、換算結果にばらつきが生じるという課題を有している。

また、二例目の装置では、波形の一致度を評価している。このため、溶接品質として重要な溶け込み量を定量的に評価することができないという課題を有している。

そこで、本発明は、上記課題を解決し、非破壊で溶接部の溶け込み量を定量的に計測して、溶接品質を評価することができるレーザ溶接装置およびレーザ溶接方法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、本発明に係わるレーザ溶接装置は、下記に示す特徴を備える。

すなわち、本発明に係わるレーザ溶接装置は、（ａ）レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、（ｂ）強度にピークを有するレーザ光を前記溶接部に照射するレーザ出力手段と、（ｃ）前記レーザ出力手段で照射されたレーザ光により前記溶接部から発生した超音波を検出する超音波検出手段と、（ｄ）前記超音波検出手段で検出された超音波の波形に基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する算出手段と、（ｅ）前記算出手段で算出された溶け込み量に基づいて、前記溶接部の溶接品質を評価する評価手段とを備える。

また、本発明は、レーザ溶接装置の代わりに、下記に示す特徴を備えるレーザ溶接方法として実現されるとしてもよい。

すなわち、本発明に係わるレーザ溶接方法は、（ａ）レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、（ｂ）強度にピークを有するレーザ光を前記溶接部に照射する第１の工程と、（ｃ）前記第１の工程で照射されたレーザ光により前記溶接部から発生した超音波を検出する第２の工程と、（ｄ）前記第２の工程で検出された超音波の波形に基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する第３の工程と、（ｅ）前記第３の工程で算出された溶け込み量に基づいて、前記溶接部の溶接品質を評価する第４の工程とを含む。

本発明によれば、変調後のレーザ光で発生させた超音波を超音波検出手段で検出することによって、溶接部の溶け込み量を定量的に検出することができ、非破壊で溶接品質の保証を定量的に行うことが可能である。

実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概要を示す図 実施の形態１における変調後のレーザ光の強度（パルス波）を示す図 実施の形態１におけるレーザ溶接装置を示す図 実施の形態１におけるレーザ光の強度の時間変化と超音波の振幅の時間変化とを示す図 実施の形態１におけるレーザ溶接処理を示す図 実施の形態１における溶け込み量のデータを示す図 実施の形態１におけるレーザ溶接装置の変形例を示す図 実施の形態１における変調後のレーザ光の強度の変形例（バースト波）を示す図 実施の形態１における変調後のレーザ光の強度の変形例（チャープ波）を示す図 実施の形態２におけるレーザ溶接装置を示す図 実施の形態２における光結合素子の構造を示す図 実施の形態３における変調後のレーザ光の強度（正弦波）を示す図 実施の形態３におけるレーザ光の強度の時間変化と超音波の振幅の時間変化とを示す図 従来における一例目のレーザ溶接装置の概要を示す図 従来における二例目のレーザ溶接装置の概要を示す図

以下、本発明に係わる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図面は、理解しやすくするために、それぞれの構成要素を主体に模式的に示している。

（実施の形態１）
以下、本発明に係わる実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。なお、同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する場合もある。

＜概要＞
図１に示すように、本実施の形態におけるレーザ溶接装置１００では、水平方向（Ｘ方向）に延在する被溶接材１０１の溶接部１０２を溶接するにあたり、垂直方向（Ｚ方向）から被溶接材１０１の上面にレーザ光が照射される。溶接部１０２が上部から溶融し、溶融池１０３が形成される。溶融池１０３が形成されると共に、溶融池１０３から溶融金属が蒸発し、蒸発時の蒸気の圧力によってキーホール１０４が形成される。このとき、溶融池１０３の底部を照射するレーザ光の強度を、図２に示すように、所定のパルス幅で一瞬増加するように変調すると、溶融池１０３の底部が、瞬間的に、熱膨張、もしくは、アブレーションを起こす。これに伴い、図１に示すように、所定のパルス幅と同程度のパルス幅を有する超音波１０５が溶融池１０３の底部で発生する。発生した超音波１０５が被溶接材１０１の内部を伝搬する。伝搬した超音波１０５の一部が、被溶接材１０１の上面に設置された圧電素子１１５で検出される。集光光学系１１４の位置から特定される溶接部１０２の位置と、圧電素子１１５の設置位置から特定される超音波１０５の検出位置と、レーザ光が変調された時間と、超音波が検出された時間とに基づいて、溶接部１０２の溶け込み量が特定される。特定された溶け込み量に基づいて、溶接部１０２の良否が判定される。

＜レーザ溶接装置＞
具体的には、図３に示すように、レーザ溶接装置１００では、レーザ発振器１１１から一定強度で連続的に出力されたレーザ光が光変調素子１１２で変調される。光変調素子１１２で変調されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１１３を介して集光光学系１１４に伝送されて、集光光学系１１４で集光される。集光光学系１１４で集光されたレーザ光が被溶接材１０１の溶接に供される。被溶接材１０１の溶接の際に、レーザ光の変調に応じた超音波１０５が溶接部１０２から発生する。溶接部１０２から発生した超音波１０５が圧電素子１１５で検出される。検出された超音波１０５の波形に応じた信号が圧電素子１１５から出力される。圧電素子１１５から出力された信号が、アンプ１１６、Ａ／Ｄ変換器１１７を介してコンピュータ１１８に入力されて、コンピュータ１１８で処理される。

＜レーザ発振器１１１＞
レーザ発振器１１１は、コンピュータ１１８と接続されており、コンピュータ１１８から出力される指令に応じて、レーザ光の出力開始／出力停止、レーザ光の出力強度などが制御される。例えば、レーザ光の出力開始の指令を受信すると、レーザ光の出力を開始する。レーザ光の出力停止の指令を受信すると、レーザ光の出力を停止する。レーザ光の強度変更の指令を受信すると、受信した指令に設定された強度にレーザ光の出力強度を変更する。

＜光変調素子１１２＞
光変調素子１１２は、信号発生器１１９と接続されており、信号発生器１１９から高周波信号を受信している間、レーザ発振器１１１から出力されたレーザ光の強度を変調する。このとき、図２に示すように、レーザ発振器１１１から一定強度で出力されたレーザ光の強度に、パルス波を発生させるように変調する。

＜信号発生器１１９＞
信号発生器１１９は、トリガ発生器１２０と接続されており、トリガ発生器１２０からトリガ信号を受信すると、瞬間的に、高周波信号を出力する。

＜トリガ発生器１２０＞
トリガ発生器１２０は、コンピュータ１１８と接続されており、コンピュータ１１８からトリガ信号の出力の指令を受信すると、信号発生器１１９とＡ／Ｄ変換器１１７とにトリガ信号を同時に出力する。レーザ光の変調時機と超音波の検出時機とを同期させる。

＜Ａ／Ｄ変換器１１７＞
Ａ／Ｄ変換器１１７は、トリガ発生器１２０と接続されており、トリガ発生器１２０からトリガ信号を受信すると、アンプ１１６から出力された超音波波形の信号をアナログからデジタルに変換して出力する。

＜補足＞
なお、集光光学系１１４は、ステージコントローラ１２１からの指令に基づいて移動する移動ステージ１２２に接続されている。

なお、空気層による超音波の減衰を防ぐために、被溶接材１０１と圧電素子１１５との間を、グリースなどのカップリング材で満たすことが望ましい。また、超音波の伝搬方向が垂直方向（図１に示すＺ方向）に近付く程、検出感度が高まることから、圧電素子１１５の位置が、溶接の影響を受けない範囲で溶接部１０２に近い方が望ましい。

なお、溶接部１０２の溶け込み量をコンピュータ１１８で算出するにあたり、１ｍｍ以下の分解能を得る場合には、圧電素子１１５で検出される超音波の波長を１ｍｍ以下にする必要がある。通常、金属中の音速は、４０００ｍ／ｓ〜６０００ｍ／ｓ程度である。これを踏まえると、超音波の周波数は、５ＭＨｚになる。すなわち、５ＭＨｚ以上の周波数でレーザ光の強度が変調される必要がある。このため、光変調素子１１２については、電気光学効果を利用した電気光学素子または音響光学効果を利用した音響光学素子を使用することが望ましい。また、圧電素子１１５、アンプ１１６、Ａ／Ｄ変換器１１７については、５ＭＨｚ以上の超音波を検出するために、５ＭＨｚ以上の周波数帯域についても検出感度を有するものを使用することが望ましい。トリガ発生器１２０については、０．２μ秒以下の精度で、トリガ信号を出力することができるものが望ましい。

＜溶け込み量＞
次に、溶接部１０２の溶け込み量について説明する。図４では、光変調素子１１２から出力されたレーザ光の強度の時間変化を示すグラフを上側に示し、圧電素子１１５で検出された超音波の振幅の時間変化を示すグラフを下側に示している。時間を合わせた状態で、これらのグラフが並べられている。

図４に示すように、トリガ発生器１２０からトリガ信号が出力されてから、レーザ光の強度のパルス波区間に対応する超音波の振幅のパルス波区間がコンピュータ１１８で受信されるまでに、タイムラグが存在する。このタイムラグは、主に、光変調遅延時間、超音波伝搬時間、超音波検出遅延時間からなる。ここで、光変調遅延時間とは、トリガ発生器１２０がトリガ信号を発生してから、信号発生器１１９を介して、光変調素子１１２に、レーザ光を変調させるまでの時間である。超音波伝搬時間とは、溶融池１０３の底部で発生した超音波が被溶接材１０１を伝搬して圧電素子１１５に達するまでの時間である。超音波検出遅延時間とは、圧電素子１１５で検出された超音波が信号に変換され、アンプ１１６、Ａ／Ｄ変換器１１７により波形データに変換されるまでの時間である。

この３つの時間のうち、光変調遅延時間と超音波検出遅延時間とは、レーザ溶接装置１００のシステムが決まれば、一定である。このため、校正により、これらの時間を特定することができる。そして、特定した光変調遅延時間と超音波検出遅延時間とをタイムラグから差し引くことで、超音波伝搬時間が特定される。

すなわち、トリガ信号の出力の指令をトリガ発生器１２０に出力した時間（図中のトリガ信号出力時間）と光変調遅延時間とからレーザ光の変調時間が特定される。Ａ／Ｄ変換器１１７から出力された超音波波形の信号をコンピュータ１１８が受信した時間（図中の超音波受信時間）と超音波検出遅延時間とから超音波の検出時間が特定される。特定されたレーザ光の変調時間と超音波の検出時間とから超音波伝搬時間が特定される。

ここで、超音波が被溶接材１０１を伝搬する時間をＴとし、超音波が被溶接材１０１を伝搬する速度をＶとする。また、図１に示すように、キーホール１０４の深さをＤとし、溶接位置から圧電素子１１５までの水平距離をＬ１とし、キーホール１０４の底部から圧電素子１１５までの直線距離をＬ２とする。この場合において、下記の式（１）に基づいて、超音波伝搬時間Ｔと超音波伝搬速度Ｖとから、直線距離Ｌ２が特定される。

さらに、溶接部１０２の位置から圧電素子１１５の設置位置までの水平距離Ｌ１が、圧電素子１１５の設置位置と移動ステージ１２２の位置とで特定される。このことから、下記の式（２）に基づいて、水平距離Ｌ１と直線距離Ｌ２とから、キーホール１０４の深さＤが特定される。

ここで、キーホール１０４の底がほぼ溶接部１０２の底に相当する。すなわち、キーホール１０４の深さＤが溶け込み量に相当する。

＜レーザ溶接処理＞
次に、レーザ溶接装置の動作について説明する。

図５に示すように、コンピュータ１１８は、下記（ステップＳ１０１）から（ステップＳ１１０）までのレーザ溶接処理を実行する。

まず、コンピュータ１１８は、移動ステージ１２２の移動開始の指令をステージコントローラ１２１に出力する。ステージコントローラ１２１を介して、移動ステージ１２２に取り付けられている集光光学系１１４の移動を開始させる（ステップＳ１０１）。集光光学系１１４が溶接開始位置に来たときに、レーザ光の出力開始の指令をレーザ発振器１１１に出力する。レーザ発振器１１１に、レーザ光の出力を開始させる（ステップＳ１０２）。

次に、コンピュータ１１８は、トリガ信号の出力の指令をトリガ発生器１２０に出力する。トリガ発生器１２０を介して、光変調素子１１２に、信号発生器１１９から出力された信号に応じて、レーザ発振器１１１から出力されたレーザ光の強度を変調させる（ステップＳ１０３）。トリガ発生器１２０を介して、Ａ／Ｄ変換器１１７に、圧電素子１１５で検出されてアンプ１１６で増幅された超音波波形の信号を、アナログからデジタルに変換させて、変換させて得られた超音波波形の信号を出力させる（ステップＳ１０４）。Ａ／Ｄ変換器１１７から出力された超音波波形の信号を受信する。予め設定されている溶接部１０２の位置と、圧電素子１１５の設置位置と、レーザ光の変調時間と、超音波の検出時間とから溶け込み量を算出する（ステップＳ１０５）。算出した溶け込み量と予め記憶している所望の溶け込み量とを比較して、それらの差が小さくなるレーザ光の強度を特定する。特定した強度を設定したレーザ光の強度変更の指令をレーザ発振器１１１に出力する。レーザ発振器１１１に、特定したレーザ光の強度にレーザ光の出力強度を変更させる（ステップＳ１０６）。集光光学系１１４が所定の溶接終端位置に到達するまで、ステップＳ１０３からステップＳ１０６までの処理を繰り返す。

次に、コンピュータ１１８は、集光光学系１１４が溶接終端位置に到達したときに（ステップＳ１０７：Ｙｅｓ）、レーザ光の出力停止の指令をレーザ発振器１１１に出力する。レーザ発振器１１１に、レーザ光の出力を停止させる（ステップＳ１０８）。移動ステージ１２２の移動停止の指令をステージコントローラ１２１に出力する。ステージコントローラ１２１を介して、移動ステージ１２２を所定の位置まで移動させ、移動ステージ１２２に取り付けられている集光光学系１１４の移動を停止させる（ステップＳ１０９）。

次に、コンピュータ１１８は、溶け込み量のデータから溶接部１０２の品質を評価する（ステップＳ１１０）。例えば、溶接部１０２の良否を判定する場合には、図６に示すように、溶け込み量のデータ（図中の黒点）に対して、閾値ｔｈ１以下のデータが１個でもある場合、または、閾値ｔｈ２以下のデータが所定数以上ある場合には、不良と判定する。

＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、変調後のレーザ光で発生させた超音波を圧電素子１１５で検出することによって、溶け込み量を定量的に検出することができ、非破壊で溶接品質の保証を定量的にすることができる。また、溶接中に溶け込み量をモニタリングすることができるので、モニタリングした溶け込み量をもとにレーザ光強度を制御することによって、高い品質の溶接を行うこともできる。特に、非破壊で溶接品質の保証をする機能を有することから、自動車や電子部品等のレーザ溶接装置として適用することができる。

＜その他＞
なお、図７に示すように、圧電素子１１５の代わりに、光干渉計１２５を使用して超音波１０５を検出するとしてもよい。具体的には、光干渉計１２５から出力された光が超音波の検出位置（圧電素子１１５の設置位置）に照射される。超音波の検出位置に照射された光が被溶接材１０１の上面で反射される。このとき、超音波１０５によって被溶接材１０１の上面が振動すると、被溶接材１０１の上面の振動に応じて、被溶接材１０１の上面で反射された光が位相や周波数で変調される。変調された光が、光干渉計１２５に入射し、光干渉計１２５で信号に変換される。これによって、非接触で超音波を検出することができる。このことから、溶接部１０２の位置から光干渉計１２５の照射位置までの水平距離Ｌ１を一定にすることができる。光干渉計１２５を溶接部１０２に近づけることができる。計測精度を高くすることができる。

なお、図８に示すように、レーザ発振器１１１から一定強度で出力されたレーザ光が、レーザ光の強度にバースト波を発生させるように、光変調素子１１２で変調されるとしてもよい。これによって、レーザ光の強度に複数のピークを発生させることができ、各ピークの幅を狭くすることができる。このことから、分散によるピーク波形の変形が少なくなり、平均化によってＳ／Ｎ比が高くなる。これに伴い、タイムラグの算出精度を高めることができる。

なお、図９に示すように、レーザ発振器１１１から一定強度で出力されたレーザ光が、レーザ光の強度にチャープ波を発生させるように、光変調素子１１２で変調されるとしてもよい。これによって、レーザ光の強度に複数のピークを発生させることができ、複数のピークに対して自己相関処理を適用することができる。これに伴い、タイムラグの算出精度を高めることができる。

（実施の形態２）
以下、本発明に係わる実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同一の構成要素については、同一の参照符号を付して、説明を省略する。

＜レーザ溶接装置＞
ここでは、一例として、図１０に示すように、レーザ溶接装置２００では、レーザ発振器１１１と別に超音波発生用レーザ発振器２１１を備える。超音波発生用レーザ発振器２１１から出力されたレーザ光が光変調素子１１２で変調される。光変調素子１１２で変調されたレーザ光が、レーザ発振器１１１から出力されたレーザ光と光結合素子２１２で結合される。光結合素子２１２で結合された、これらのレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１１３を介して集光光学系１１４に伝送されて、集光光学系１１４で集光される。

ここで、光結合素子２１２は、偏光ビームスプリッタである。光結合素子２１２については、図１１に示すように、レーザ発振器１１１から出力されたレーザ光と超音波発生用レーザ発振器２１１から出力されたレーザ光との偏光方向を互いに直交させ、ほぼ１００％の結合効率を得るものが望ましい。

＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、高出力のレーザ発振器１１１と低出力の超音波発生用レーザ発振器２１１とを併用することで、効率良くエネルギーを使用することができる。

なお、超音波発生用レーザ発振器２１１と光変調素子１１２との代わりに、パルスレーザを発振するものを使用するとしてもよい。

なお、偏光ビームスプリッタの代わりに、ダイクロイックミラーを使用するとしてもよい。

（実施の形態３）
以下、本発明に係わる実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。本実施の形態３におけるレーザ溶接装置の構成は実施の形態１におけるレーザ溶接装置１００と同じである。レーザ光の強度を変調する方法、及び、溶け込み量の算出方法が、実施の形態１におけるレーザ溶接装置１００と異なる。そこで、図３に示したレーザ溶接装置１００を用いて、本実施の形態３におけるレーザ溶接装置に特有の作用、効果について説明する。

＜実施の形態１との違いの概要＞
実施の形態１におけるレーザ溶接装置１００では、光変調素子１１２にて、パルス波、バースト波、チャープ波等にレーザ光を変調し、その変調後のレーザ光を照射した被溶接材１０１から発生する超音波を検出する。この場合、レーザ光が変調された時間と、超音波が検出された時間とに基づいて、溶接部１０２の溶け込み量が特定される。

一方、本実施の形態３におけるレーザ溶接装置では、光変調素子１１２にて、一定周波数かつ、位相が既知の正弦波にレーザ光を変調し、その変調後のレーザ光を照射した被溶接材１０１から発生する超音波を検出する。この場合、変調後のレーザ光の位相と、検出された超音波の位相とに基づいて、溶接部１０２の溶け込み量が特定される。

＜光変調素子１１２＞
まず、本実施の形態３における光変調素子１１２について説明する。光変調素子１１２には、信号発生器１１９から発生する一定周波数の正弦波が入力される。このとき、光変調素子１１２によって、レーザ発振器１１１から一定強度で出力されたレーザ光は、図１２に示すように、一定強度の信号に一定周波数の正弦波が重畳した波形となるように変調される。なお、信号発生器１１９からは一定周波数の正弦波が出力されるため、信号発生器１１９に信号の出力を開始させる際にのみ、トリガ発生器１２０からのトリガ信号を発生させればよい。

＜溶け込み量＞
次に、溶接部１０２の溶け込み量について説明する。図１に示した溶融池１０３の底部（キーホール１０４の底部）には、一定の周期（周波数）で強度のピークを持つ正弦波に変調されたレーザ光が照射される。このため、溶融池１０３の底部は、照射されるレーザ光の正弦波と同じ周波数で熱膨張、収縮を繰り返す。このとき、正弦波に変調されたレーザ光の周波数と同じ周波数の超音波１０５が発生し、被溶接材１０１の内部を伝播する。この伝播した超音波１０５を圧電素子１１５にて検出する。光変調素子１１２から出力されたレーザ光の強度の時間変化を示すグラフを図１３の上側に示し、圧電素子１１５で検出された超音波（検出信号）の振幅の時間変化を示すグラフを図１３の下側に示す。

図１３に示すように、圧電素子１１５で検出される超音波１０５の位相には、照射したレーザ光の正弦波の位相に対して位相遅れΦが生じる。この検出信号の位相遅れΦは、超音波が被溶接材１０１を伝搬する速度（超音波伝播速度）Ｖと、図１に示したキーホール１０４の底部から圧電素子１１５までの直線距離Ｌ２とに依存する。また、検出信号の位相遅れΦには、圧電素子１１５で検出された超音波が信号に変換されてから、アンプ１１６、Ａ／Ｄ変換器１１７により波形データに変換されるまでのシステムの遅れαが含まれる。これらのことから、位相遅れΦと直線距離Ｌ２は、下記の式（３）で表すことができる。したがって、検出信号から位相遅れΦを求めることにより、直線距離Ｌ２を算出することができる。なお、システムの遅れαは一定であるため、校正により特定できる。また、超音波伝播速度Ｖは予め求めておく。

また、キーホール１０４の深さＤは、実施の形態１で示した式（２）から算出できる。したがって、式（２）と式（３）から、下記の式（４）を求めることができる。

なお、Ｌ１は、図１に示した被溶接材１０１のレーザ照射位置（溶接位置）から圧電素子１１５までの水平距離であり、予め求めておく。

上記式（４）に検出信号の位相遅れΦを代入することで、キーホール１０４の深さＤ、すなわち溶接部１０２の溶け込み量を測定することができる。

ところで、図１３の下側に示したグラフのように、圧電素子１１５で検出される検出信号には、圧電素子１１５の検出感度に依存するノイズ、被溶接材１０１が溶融、蒸発等する際に発生する振動によるノイズ等の多くのノイズが含まれている。ノイズを含んだ検出信号からでは、位相遅れΦを精度良く検出することはできない。そこで、検出信号に対して、信号発生器１１９に発生させる正弦波の周波数で、フーリエ変換を行う。

具体的には、一定の範囲の時間Δｔにおける検出信号を切り出し、ハニング窓等の窓関数を適用した後、フーリエ変換することで、検出信号に含まれる、レーザ光の正弦波の周波数に相当する成分の信号を求める。これにより、検出信号からノイズを除去して、レーザ光の正弦波と同じ周波数のみを取得することができる。同時に、フーリエ変換により検出信号の正弦波の位相も求めることができる。したがって、照射したレーザ光における正弦波の位相と検出信号における正弦波の位相とを比較することにより、検出信号の位相遅れΦを求めることができる。なお、位相遅れΦは０〜２πの範囲で求まるが、時間の情報を用いて位相結合することにより、−∞〜＋∞の値で求めることもできる。また、時刻が０の時点での位相遅れは、システムの遅れαとする。

求めた位相遅れΦを式（４）に代入して、キーホール１０４の深さＤを算出することが可能である。

＜まとめ＞
以上、本実施の形態によれば、レーザ発振器１１１から一定強度で出力されたレーザ光が、一定周波数の正弦波となるように、光変調素子１１２で変調される。また、圧電素子１１５で検出された検出信号をフーリエ変換することにより、変調されたレーザ光の周波数と同じ周波数の信号のみを抽出する。これらにより、検出信号に含まれるノイズを除去し、溶融池１０３の底部で発生した超音波を精度良く検出することが可能となる。このため、圧電素子１１５のＳ／Ｎ比が悪い場合でも、感度良く、溶け込み量を測定することが可能となる。

また、フーリエ変換を行わずに検出信号の位相を求める場合、検出信号のピークが発生した時刻など、特定の一点の情報を用いて検出信号の位相を求めることとなる。この場合、検出信号のピークとその発生時刻とを正確に対応させて検出信号の位相を検出するのは容易ではなく、また、測定誤差を含むため、精度良く検出信号の位相を求めることは困難である。これに対して、実施の形態３のようにフーリエ変換を行う場合、一定の範囲の時間Δｔにおける検出信号の情報を用いて検出信号の位相を求める。このため、検出信号のピークとその発生時刻とを正確に対応させる必要がなく、また、複数点の情報に基づいて検出信号の位相を求めるため、フーリエ変換をしない場合に比べて、検出精度を高めることが可能となる。

＜その他＞
なお、図７に示すように、圧電素子１１５の代わりに、光干渉計１２５を使用して超音波１０５を検出するとしてもよい。非接触で超音波１０５を検出することができるため、溶接部１０２の位置から光干渉計１２５の照射位置までの水平距離Ｌ１を一定にすることが可能となる。また、非接触であるため、溶接部１０２からの熱の影響を低減させることができ、光干渉計１２５の熱膨張等による測定誤差を小さくすることが可能となる。また、一般的に光干渉計１２５は、圧電素子１１５に比べ感度が一桁以上悪い。しかし、実施の形態３によって、光干渉計１２５の感度が悪い場合でも、高精度に検出信号の位相を求めることが可能となる。このため、圧電素子１１５よりも感度の悪い光干渉計１２５を用いても、高い精度で溶接部１０２の溶け込み量を測定することが可能となる。

また、実施の形態３におけるレーザ溶接装置を、図１０に示した実施の形態２におけるレーザ溶接装置２００と同じ構成にしてもよい。この場合、超音波発生用レーザ発振器２１１から出力されたレーザ光が、光変調素子１１２によって一定周波数の正弦波に変調される。

このように、高出力のレーザ発振器１１１と低出力の超音波発生用レーザ発振器２１１とを併用することで、効率良くエネルギーを使用することができる。

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などとして、特に、溶け込み深さやレーザ出力などを監視することで品質を評価するレーザ溶接装置として、利用することができる。具体的には、非破壊で溶接品質の保証をする機能を有することから、自動車や電子部品等のレーザ溶接装置として利用することができる。

１００ レーザ溶接装置
１０１ 被溶接材
１０２ 溶接部
１０３ 溶融池
１０４ キーホール
１０５ 超音波
１１１ レーザ発振器
１１２ 光変調素子
１１３ レーザ光伝送用光学系
１１４ 集光光学系
１１５ 圧電素子
１１６ アンプ
１１７ Ａ／Ｄ変換器
１１８ コンピュータ
１１９ 信号発生器
１２０ トリガ発生器
１２１ ステージコントローラ
１２２ 移動ステージ
１２５ 光干渉計
２００ レーザ溶接装置
２１１ 超音波発生用レーザ発振器
２１２ 光結合素子

Claims (21)

1. レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、
   強度にピークを有するレーザ光を前記溶接部に照射するレーザ出力手段と、
   前記レーザ出力手段で照射されたレーザ光により前記溶接部から発生した超音波を検出する超音波検出手段と、
   前記超音波検出手段で検出された超音波の波形に基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する算出手段と、
   前記算出手段で算出された溶け込み量に基づいて、前記溶接部の溶接品質を評価する評価手段とを備える
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記レーザ出力手段が、
   レーザ光を一定強度で連続的に出力するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を、レーザ光の強度にピークが発生するように変調する光変調素子と、
   変調後のレーザ光を集光して前記溶接部に照射する光学系とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記レーザ出力手段が、
   第１レーザ光を一定強度で連続的に出力する第１レーザ発振器と、
   前記第１レーザ光と強度が異なる第２レーザ光を一定強度で連続的に出力する第２レーザ発振器と、
   レーザ光の強度にピークが発生するように前記第２レーザ光を変調する光変調素子と、
   前記第１レーザ光と変調後の第２レーザ光とを結合する光結合素子と、
   結合後のレーザ光を集光して前記溶接部に照射する光学系とを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記光変調素子が、変調前のレーザ光の強度にパルス波を発生させたレーザ光を変調後のレーザ光として出力するものである
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記光変調素子が、変調前のレーザ光の強度にバースト波を発生させたレーザ光を変調後のレーザ光として出力するものである
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記光変調素子が、変調前のレーザ光の強度にチャープ波を発生させたレーザ光を変調後のレーザ光として出力するものである
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記光変調素子が、変調前のレーザ光の強度に正弦波を発生させたレーザ光を変調後のレーザ光として出力するものである
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記算出手段が、前記レーザ出力手段によるレーザ光の変調時間・照射位置と、前記超音波検出手段による超音波の検出位置・検出時間とに基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のレーザ溶接装置。
9. 前記算出手段が、前記超音波検出手段で検出された超音波の波形をフーリエ変換することで、前記変調後のレーザ光と同じ周波数の超音波の位相を求め、その求めた超音波の位相と、前記超音波検出手段による超音波の検出位置と、前記レーザ出力手段による前記変調後のレーザ光の位相・照射位置とに基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する
   ことを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接装置。
10. 前記超音波検出手段が、圧電素子である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
11. 前記超音波検出手段が、光干渉計である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
12. 前記評価手段で評価された結果に基づいて、前記レーザ出力手段のレーザ光の出力強度を制御する制御手段を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
13. レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、
    強度にピークを有するレーザ光を前記溶接部に照射する第１の工程と、
    前記第１の工程で照射されたレーザ光により前記溶接部から発生した超音波を検出する第２の工程と、
    前記第２の工程で検出された超音波の波形に基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する第３の工程と、
    前記第３の工程で算出された溶け込み量に基づいて、前記溶接部の溶接品質を評価する第４の工程とを含む
    ことを特徴とするレーザ溶接方法。
14. 前記第１の工程において、レーザ光を変調し、レーザ光の強度にピークを発生させる
    ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
15. 前記第１の工程において、レーザ光の強度にパルス波が発生するようにレーザ光を変調する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
16. 前記第１の工程において、レーザ光の強度にバースト波が発生するようにレーザ光を変調する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
17. 前記第１の工程において、レーザ光の強度にチャープ波が発生するようにレーザ光を変調する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
18. 前記第１の工程において、レーザ光の強度に正弦波が発生するようにレーザ光を変調する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
19. 前記第３の工程において、レーザ光の変調時間・照射位置と、超音波の検出位置・検出時間とに基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する
    ことを特徴とする請求項１４に記載のレーザ溶接方法。
20. 前記第３の工程において、前記第２の工程で検出された超音波の波形をフーリエ変換することで、前記第１の工程で変調されたレーザ光と同じ周波数の超音波の位相を求め、その求めた超音波の位相と、超音波の検出位置と、前記第１の工程で変調されたレーザ光の位相・照射位置とに基づいて、前記溶接部の溶け込み量を算出する
    ことを特徴とする請求項１８に記載のレーザ溶接方法。
21. 前記第４の工程で評価された結果に基づいて、前記レーザ光の出力強度を制御する第５の工程を含む
    ことを特徴とする請求項１３に記載のレーザ溶接方法。
    

Images