JP2020099924A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】本発明のレーザ溶接装置１００は、レーザ光を被溶接材１０１の溶接部１０２に向けて照射するレーザ発振器１０７と、溶接部１０２で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計１０５と、干渉信号に基づいて、溶接部１０２における溶接の進行方向における距離と溶接の深さとの関係を示す点群データを生成し、点群データにおける点の密度が溶接の深さ方向において高い高密度領域を抽出し、高密度領域が複数存在する場合、溶接の深さが２番目に深い高密度領域の深さに基づいて溶接部１０２における溶け込み深さを導出する導出部１１２ｂと、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、レーザ光を用いて溶接するレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関する。

従来の第１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、溶接部の品質を評価する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

従来の第１のレーザ溶接装置の例を図９に示す。レーザ発振器１１からレーザ光が一定強度で連続的に出力される。レーザ光は、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、集光光学系１３で被溶接材１の溶接部２に集光される。溶接の際、溶接部２の溶融金属は光を発する。溶融金属の発した光が集光光学系１３で集光され、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融金属の発した光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で選択された波長成分の光はフォトダイオード１６で受光される。フォトダイオード１６は受光した光の発光強度に応じた信号を出力する。フォトダイオード１６から出力された信号は、アンプ１７、Ａ／Ｄ変換器１８を介してコンピュータ１９に入力される。コンピュータ１９には溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係が予め記憶されており、コンピュータ１９は入力された信号をこの相関関係に当てはめることで溶接部２の溶け込み深さを導出する。また、コンピュータ１９は、導出した溶接部２の溶け込み深さに基づいて溶接部２の品質を評価する。

また、従来の第２のレーザ溶接装置として、光干渉計を用いて試料内部の構造を可視化するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）と呼ばれる技術を用いて、溶接中に発生するキーホールの深さを計測する装置が提案されている（特許文献２参照）。

具体的には、従来の第２のレーザ溶接装置では、溶接のためのレーザ光と光干渉計が発するレーザ光が同軸になるように光学系が構成されている。溶接部において、溶融金属が蒸発する際の圧力によって形成されるキーホールの底面に光干渉計のレーザ光が照射される。キーホールで反射された光（測定光）と参照光との光路差に基づいて、キーホールの深さが算出される。キーホールは形成直後に周囲の溶融金属により埋められるため、キーホールの深さは溶接部の溶け込み深さと同じである。これにより、溶接部の溶け込み深さが計測される。

特開平３−２０７５８７号公報 特表２０１６−５３８１３４号公報

従来の第１のレーザ溶接装置では、溶け込み深さを直接測定するのではなく、溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係を用いることで、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に溶接部２の溶け込み深さを計測している。しかしながら、この相関関係は、被溶接材１の材質のばらつきや周囲の温度、キーホールの形成状態の変化等の要因によって変動しうる。このため、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合には溶け込み深さの測定を十分な精度で行うことが困難である。

また、従来の第２のレーザ溶接装置では、溶接中に発生するキーホールの深さを直接測定している。このため、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合には溶け込み深さの測定を十分な精度で行うことが困難である。

以上のように、従来の第１及び第２のレーザ溶接装置では、溶け込み深さの測定精度が十分ではないため、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが困難である。

本発明は、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ発振器と、前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計と、前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離と前記溶接の深さとの関係を示す点群データを生成し、前記点群データにおける点の密度が前記溶接の深さ方向において高い高密度領域を抽出し、前記高密度領域が複数存在する場合、前記溶接の深さが２番目に深い前記高密度領域の深さに基づいて前記溶接部における溶け込み深さを導出する導出部と、を備える。

本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射し、前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成し、前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離と前記溶接の深さとの関係を示す点群データを生成し、前記点群データにおける点の密度が前記溶接の深さ方向において高い高密度領域を抽出し、前記高密度領域が複数存在する場合、前記溶接の深さが２番目に深い前記高密度領域の深さに基づいて前記溶接部における溶け込み深さを導出する。

本発明によれば、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができる。

本発明に係るレーザ溶接装置の概要を示す図 波長走査光源が出射する物体光の中心波長の時間による変化の例を示す図 レーザ溶接装置の動作例について説明するためのフローチャート 被溶接材の測定点における、溶接部の深さ方向の距離と干渉信号の強度との関係を示す図 Ｂスキャンデータの例を示す図 ２次元点群データの例を示す図 溶接部の溶け込み深さの導出方法を示すフローチャート 対象区間と処理区間について説明するための図 ２次元点群データにおける深さ方向の距離の分布の例を示す図 ２次元点群データにおける深さ方向の距離の分布の例を示す図 ２次元点群データにおける深さ方向の距離の分布の例を示す図 従来の溶け込み深さ導出方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図 従来の溶け込み深さ導出方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図 本発明の方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図 本発明の方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図 従来の第１のレーザ溶接装置の例を示す図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明に係るレーザ溶接装置１００の概要を示す図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１００では、水平方向（図１のｘ方向）に延在する被溶接材１０１の溶接部１０２を溶接する。溶接用のレーザ光は、レーザ発振器１０７から垂直方向（ｚ方向）に被溶接材１０１の上面に照射される。なお、本明細書において、レーザ発振器１０７が発振する、レーザ溶接用のレーザ光を、単にレーザ光と記載することがある。被溶接材１０１において、レーザ光が照射された箇所は溶融し、溶融池１０３が形成される。また、溶融池１０３から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール１０４が形成される。以下では、溶融池１０３及びキーホール１０４をまとめて溶接部１０２と称する。

光干渉計１０５は、溶接部１０２に対してレーザ発振器１０７とは異なる波長のレーザ光を照射し、光の干渉により溶接部１０２の深さ（溶け込み深さ）を測定する。なお、溶け込み深さとは、被溶接材１０１（母材）の溶けた部分の最頂点と、溶接する面の表面との距離を意味する。

光干渉計１０５から出射された深さ計測用のレーザ光は、ビームスプリッタ１０６により、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同軸上に重ね合わされ、キーホール１０４の内部に照射される。なお、以下の説明では、レーザ発振器１０７が発振する溶接用のレーザ光と区別するため、光干渉計１０５が発する光を物体光と記載する。

溶接部１０２に照射された物体光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、ビームスプリッタ１０６を介して、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、物体光の光路長を測定し、測定した光路長からキーホール１０４の深さを溶け込み深さとして特定する。特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。

以上が、レーザ溶接装置１００の概要についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００の各構成について説明を行う。

＜レーザ溶接機能を担う構成部分＞
まず、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を実現する構成について説明する。レーザ溶接機能とは、被溶接材１０１における溶接を行う機能である。

レーザ発振器１０７は溶接用のレーザ光を発振する。レーザ発振器１０７から発振されたレーザ光は、レーザ光伝送用光学系１０８を介して第１集光光学系１０９で集光される。第１集光光学系１０９で集光されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０６を透過して、溶接部１０２に集光される。これにより、被溶接材１０１の溶接が行われる。レーザ発振器１０７には、例えばダイレクトダイオードレーザが用いられる。

移動ステージ１１０は、被溶接材１０１を移動させる土台部である。被溶接材１０１は、移動ステージ１１０に固定されている。移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１を介して、コンピュータ１１２の制御部１１２ａからの指令により移動する。移動ステージ１１０の移動方向は、図１の左右方向、すなわち図１に示すｘ軸に沿った方向である。レーザ発振器１０７がレーザ光を発振している間に、制御部１１２ａによって移動ステージ１１０が移動されることで、被溶接材１０１におけるレーザ光の照射位置が変化し、所望の範囲のレーザ溶接が行われる。

制御部１１２ａは、レーザ溶接装置１００の各部の制御を行う。具体的には、制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７によるレーザ光の出力開始または停止の制御、レーザ光の出力強度の調整制御、後述する光干渉計１０５の制御等を行う。

＜溶け込み深さ計測機能を担う構成部分＞
次に、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ計測機能を実現する構成について説明する。溶け込み深さ計測機能とは、被溶接材１０１において溶接中の溶接部１０２（キーホール１０４）の溶け込み深さを計測する機能である。レーザ溶接装置１００は、光干渉計１０５を用いたＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source Optical Coherence Tomography：波長走査型光干渉断層法）技術により、溶接部１０２の溶け込み深さを計測する。

波長走査光源１１３は、制御部１１２ａの制御に従って、溶接用のレーザ光より波長幅の短い物体光を連続的に出射する。制御部１１２ａは、波長走査光源１１３に出射させる物体光の中心波長を、図２のように周期的に変化させる。図２は、波長走査光源１１３が出射する物体光の中心波長の時間による変化の例を示す図である。図２では、縦軸が物体光の波長、横軸が時間に対応している。このように、物体光の中心波長を周期的に変化させて行われる走査は、波長走査と呼ばれる。

波長走査光源１１３から出射された物体光は、図１に示すように、光ファイバ系１１４を透過して、第１ファイバカプラ１１５に入射する。第１ファイバカプラ１１５は、入射された物体光を、２つに分岐させる。２つに分岐した物体光を、以下では測定光及び参照光と称する。測定光とは、物体光のうち、測定対象である溶接部１０２に照射される光である。参照光とは、物体光のうち、別途設けられた基準面である参照ミラー１１６に照射される光である。第１ファイバカプラ１１５は、分岐させた測定光を第１光ファイバ系１１４ａに、参照光を第２光ファイバ系１１４ｂに、それぞれ入射させる。

光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射された測定光は、干渉フィルタ１２１及び第２集光光学系１２０を介してビームスプリッタ１０６に入射する。干渉フィルタ１２１は、測定光の波長のみを透過させるフィルタである。干渉フィルタ１２１は、溶接部１０２で反射したレーザ光や溶接部１０２の溶接による発光が第１光ファイバ系１１４ａに入射するのを防止するために設けられている。また、第２集光光学系１２０は、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射した測定光を、ビームスプリッタ１０６を介して溶接部１０２に集光させる。また、第２集光光学系１２０は、溶接部１０２から反射した測定光を、ビームスプリッタ１０６を介して、第１光ファイバ系１１４ａに再度入射させる。

ビームスプリッタ１０６は、レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの測定光を反射することで、レーザ光と測定光とを同軸の光束に結合する。ビームスプリッタ１０６で同軸の光束に結合されたレーザ光と測定光とが溶接部１０２に照射されることで、レーザ溶接と同時に溶接部１０２の溶け込み深さの測定が行われる。ビームスプリッタ１０６は、例えばダイクロイックミラーである。レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの測定光を反射するように、ビームスプリッタ１０６には、透過させる波長と反射させる波長とがあらかじめ設定されている。

ビームスプリッタ１０６においてレーザ光の透過と測定光の反射とが好適に行われるように、レーザ光と測定光との波長差は１００ｎｍ以上とされることが望ましい。本実施の形態１では、レーザ発振器１０７の発振するレーザ光の波長を９７５ｎｍ、波長走査光源１１３の発する物理光（測定光）の波長を１２７０〜１３７０ｎｍとする。

以上のように、光干渉計１０５からの測定光は、溶接部１０２に照射される。溶接部１０２に照射された測定光の一部は、溶接部１０２で反射する。溶接部１０２で反射した測定光は、ビームスプリッタ１０６、第２集光光学系１２０及び干渉フィルタ１２１を介して光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５に入射した測定光は、第１光ファイバ系１１４ａを通過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに測定光が通過した光路の長さが、測定光の光路長とされる。

一方、第１ファイバカプラ１１５で分岐された参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して参照ミラー１１６に照射される。参照ミラー１１６に照射された参照光は、参照ミラー１１６で反射した後、第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。第２光ファイバ系１１４ｂに入射した参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに参照光が通過した光路の長さが、参照光の光路長とされる。参照光の光路長は、基準値として予め測定しておくことが望ましい。

第２ファイバカプラ１１７は、第１光ファイバ系１１４ａから入射した測定光と、第２光ファイバ系１１４ｂから入射した参照光のそれぞれを、差動ディテクタ１１８の第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂに分岐させて入射させる。具体的には、第２ファイバカプラ１１７は、第１光ファイバ系１１４ａから入射した測定光の５０％を、第１入力１１８ａに入射させ、残りの５０％の測定光を、第２入力１１８ｂに入射させる。

同様に、第２ファイバカプラ１１７は、第２光ファイバ系１１４ｂから入射した参照光の５０％を第２入力１１８ｂに入射させ、残りの５０％の参照光を、第１入力１１８ａに入射させる。このとき、第２ファイバカプラ１１７は、分岐した参照光と測定光とを１つの光束に結合させて干渉光とする。第２ファイバカプラ１１７により結合された２つの干渉光は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂのそれぞれに入射される。

差動ディテクタ１１８は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差分を取って干渉光に含まれるノイズの影響を除去した後、干渉光の強度に基づく電気信号である干渉信号を生成する。差動ディテクタ１１８は、干渉信号をＡ／Ｄ変換器１１９へ出力する。

Ａ／Ｄ変換器１１９には、波長走査光源１１３から、波長走査光源１１３における波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ信号が入力されている。Ａ／Ｄ変換器１１９は、入力されたトリガ出力に基づき、波長走査の周期と同期して、差動ディテクタ１１８から出力された干渉信号をサンプリングし、デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１１９は、デジタル信号に変換した干渉信号をコンピュータ１１２へ出力する。

コンピュータ１１２は、上記した制御部１１２ａと、入力された干渉信号に基づいて溶接部１０２の溶け込み深さを導出する導出部１１２ｂと、を備える。干渉光には、測定光と参照光との光路長差に応じた干渉が生じており、導出部１１２ｂは、この干渉光の干渉に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを導出する。導出部１１２ｂにおける溶け込み深さの導出についての詳細は後述する。この導出部１１２ｂによって導出された溶け込み深さが、レーザ溶接装置１００の計測した溶け込み深さとして表示部１２２等に表示される。

また、コンピュータ１１２は、計測された溶け込み深さから溶接部１０２の品質を評価する評価部１１２ｃを備える。実施の形態１のレーザ溶接装置１００では、所望の溶け込み深さの範囲に関する情報が、あらかじめ図示しない記憶部等に記憶されている。所望の溶け込み深さの範囲とは、溶接後に良品と判定される被溶接材１０１における溶け込み深さの範囲を意味する。以下では、この所望の溶け込み深さの範囲を、良品深さ範囲と称する。評価部１１２ｃは、溶け込み深さが良品深さ範囲内であるか否かを判定することで、溶接部１０２の良否についての評価を行う。評価の結果は、例えば表示部１２２に表示される。なお、表示部１２２には溶け込み深さと評価の結果の両方が表示されるとしたが、どちらか一方のみが表示されてもよい。

以上のように、レーザ溶接装置１００では、レーザ溶接機能を担う構成と、溶け込み深さ計測機能と、を有している。これにより、レーザ溶接装置１００は、レーザ溶接と、溶接された溶接部１０２の溶け込み深さの計測とを順次実行することができる。

＜レーザ溶接装置の動作例＞
次に、本実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００の動作例について詳細に説明する。図３は、レーザ溶接装置１００の動作例について説明するためのフローチャートである。

ステップＳ１０１において、レーザ溶接装置１００の動作が開始される。具体的には、制御部１１２ａは、ステージコントローラ１１１に対して移動ステージ１１０の移動を開始させ、レーザ発振器１０７に対してレーザ光の出力を開始させる。また、制御部１１２ａは、光干渉計１０５の波長走査光源１１３に対して物体光の出力を開始させる。

ステップＳ１０２において、光干渉計１０５のＡ／Ｄ変換器１１９は、干渉信号のサンプリングを開始する。ステップＳ１０３において、導出部１１２ｂは、サンプリング結果としてのデジタル信号の干渉信号をＡ／Ｄ変換器１１９から取得する。

ステップＳ１０４において、導出部１１２ｂは、取得した干渉信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、結果を図示しない記憶部（例えばコンピュータ１１２の記憶領域等）に記憶させる。

ステップＳ１０５において、導出部１１２ｂは、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを終了させるか否かを判定する。サンプリング終了ではない場合（ステップＳ１０５のＮｏ）、処理はステップＳ１０３に進み、サンプリング終了である場合（ステップＳ１０５のＹｅｓ）、処理はステップＳ１０６に進む。なお、サンプリング終了である場合、制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７にレーザ光の出力を終了させ、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動を終了させる。これにより、被溶接材１０１に対するレーザ溶接が終了する。なお、サンプリング終了か否かは、例えば図示しない操作部へのユーザの操作等に基づいて判定すればよい。

ステップＳ１０６において、導出部１１２ｂは、干渉信号に対するＦＦＴの実行結果を読み出し、これに基づいて２次元断層画像データを生成する。

図４Ａは、被溶接材１０１の溶接方向のある１点（以下、測定点と称する）における、溶接部１０２の深さ方向の距離（以下、単に深さと記載する）と干渉信号の強度Ｉとの関係を示す図である。なお、溶接方向とは、レーザ溶接の進行方向であり、図１のｘ軸方向に対応している。また深さ方向は、図１に示すｚ軸方向に対応しており、上方向が溶接部１０２における上側、すなわち深さが浅い側に、下方向が溶接部１０２における下側、すなわち深さが深い側に対応している。このように、測定点における深さに関する情報を取得することは一般にＡスキャンと呼ばれ、Ａスキャンにより得られたデータはＡスキャンデータと呼ばれる。

Ａスキャンをレーザ溶接の進行方向に沿って走査することで、溶接方向、深さ方向及び干渉信号の強度に関する２次元断層画像データを取得することができる。この２次元断層画像データは、一般にＢスキャンデータと呼ばれる。図４Ｂは、Ｂスキャンデータの例を示す図である。図４Ｂにおいて、縦軸ｚは深さ方向（図１に示すｚ軸方向に対応）、横軸ｘは溶接方向（図１に示すｘ軸方向に対応）、画像上の濃淡が干渉信号の強度Ｉを示している。

ステップＳ１０７において、導出部１１２ｂは、ステップＳ１０６で生成した２次元断層画像データに基づいて、溶接方向の各測定点における溶接の深さを特定し、２次元点群データを生成する。導出部１１２ｂが生成する２次元点群データは、ある測定点と、その測定点における溶接の深さと、の関係を示す点の集合データである。溶接方向の測定点における溶接の深さは、例えば測定点における干渉信号の強度、すなわち溶接部１０２による測定光の反射の強度が最大になる距離として特定される。

溶接方向の測定点における溶接の深さを特定するためには、図４Ａに示すようなＡスキャンデータが用いられる。具体的には、導出部１１２ｂは、測定点におけるＡスキャンデータを参照して、最も干渉信号の強度Ｉが大きいピークに対応する深さを、その測定点における溶接の深さとする。図４Ａに示す例では、最も干渉信号の強度が強いピークＰ０に対応する深さＺ０が、図４Ａに対応する測定点における溶接の深さとされる。

２次元点群データは、測定点の溶接方向の位置と、上記のようにして測定点毎に特定された溶接の深さと、の関係を示す点が２次元平面上にプロットされて生成される。図４Ｃは、２次元点群データの例を示す図である。図４Ｃにおいて、縦軸ｚは溶接の深さを、横軸Ｉは溶接方向をそれぞれ示している。

ステップＳ１０８において、導出部１１２ｂは、ステップＳ１０７で生成した２次元点群データに基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを導出する。ステップＳ１０８における、溶け込み深さの導出方法についての詳細は後述する。そして、ステップＳ１０９において、評価部１１２ｃは、導出した溶け込み深さに基づいて溶接部１０２の評価を行う。

＜溶接部の溶け込み深さの導出方法＞
次に、上記したステップＳ１０８における、溶接部１０２の溶け込み深さの導出方法について詳細に説明する。図５は、溶接部１０２の溶け込み深さの導出方法を示すフローチャートである。

ステップＳ２０１において、導出部１１２ｂは、図３のステップＳ１０７において生成された２次元点群データにおいて、所定の処理区間を設定する。

所定の処理区間とは、溶け込み深さの導出対象となる区間（以下、対象区間）において設定される小区間である。なお、対象区間とは、例えばレーザ溶接装置１００のレーザ溶接機能によって溶接された溶接部１０２に対応する、溶接方向における区間を意味する。

図６は、対象区間と処理区間について説明するための図である。図６には、導出部１１２ｂが生成した２次元点群データの例が示されている。図６に示す例では、対象区間は、溶接方向における位置ｘｓから位置ｘｅまでの区間である。一方、処理区間は、対象区間より狭い任意の区間であって、対象区間に含まれる区間である。

ステップＳ２０２において、導出部１１２ｂは、設定した処理区間内において、２次元点群データの深さ方向における点の分布に関する情報を生成する。図７Ａ〜図７Ｃは、それぞれ異なる処理区間内で抽出された、２次元点群データの深さ方向における点の分布に関する情報の例を示す図である。図７Ａ〜図７Ｃでは、点群データにおける点の分布がヒストグラムとして表されている。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、横軸は溶接の深さ（図１に示すｚ軸に対応）を、縦軸は度数Ｎを示している。度数Ｎは、深さ方向の一定距離毎に区切った幅（ビン）に含まれる２次元点群データの点の数を意味する。ビンの幅は、任意の幅に設定されればよい。図７Ａ〜図７Ｃにおいて、横軸における溶接の深さ方向は、左側に行くほど深さが深くなっており、右側に行くにつれて深さが浅くなっている（被溶接材１０１の表面に近づく）。

ステップＳ２０３において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０２で抽出した分布におけるピークを検出する。このピークは、元の２次元点群データにおける、点の密度が深さ方向において高い領域（高密度領域）に対応する。例えば図７Ａに示す例では、１つのピークＰ１が検出される。図７Ｂに示す例では、２つのピークＰ２，Ｐ３が検出される。図７Ｃに示す例では、３つのピークＰ４，Ｐ５，Ｐ６が検出される。

ステップＳ２０４において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０３で検出したピークのうち、未溶融部に対応するピークを除去する。未溶融部とは、被溶接材１０１の表面において、溶融していない部位を意味する。本発明のレーザ溶接装置１００においては、光干渉計１０５から被溶接材１０１の表面までの距離は常に一定であるため、被溶接材１０１の表面に未溶融部が存在した場合、未溶融部によって反射された測定光により生じる干渉信号は、溶接の深さ方向において一定の深さを示すはずである。すなわち、レーザ溶接装置１００には、被溶接材１０１の表面に未溶融部が存在する場合に、未溶融部からの干渉信号によって生じるピークの深さがあらかじめ特定され、未溶融部ピーク情報として記憶されている。演算部１１２ｂは、この未溶融部ピーク情報を用いて、ステップＳ２０３で検出したピークから当該深さと一致する深さのピークを除去することで、未溶融部に対応するピークを除去する。

図７Ａ〜図７Ｃに示す例では、例えば図７Ｃに示すピークＰ６が未溶融部に対応するピークであり、除去されたとする。

ステップＳ２０５において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０４で除去されなかったピークの数が１つであるか否かを判定する。除去されなかったピークが１つであると判定された場合（ステップＳ２０５のＹｅｓ）、処理はステップＳ２０６に進む。一方、除去されなかったピーク１つではない（複数である）と判定された場合（ステップＳ２０５のＮｏ）、処理はステップＳ２０７に進む。

図７Ａ〜図７Ｃに示す例では、ステップＳ２０５における判定は以下のようになる。図７Ａの処理区間では、除去されなかったピークが１つ（Ｐ１）であると判定されるため、処理はステップＳ２０６に進む。図７Ｂの処理区間では、除去されなかったピークが２つ（Ｐ２，Ｐ３）であると判定されるため、処理はステップＳ２０７に進む。また、図７Ｃの処理区間では、ピークＰ６がステップＳ２０４において除去されており、除去されなかったピークが２つ（Ｐ４，Ｐ５）であると判定されるため、処理はステップＳ２０７に進む。

ステップＳ２０６において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０４で除去されなかった１つのピークを、溶接部１０２の溶け込み深さ導出用のピークとして選択する。一方、ステップＳ２０７において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０４で除去されなかった複数のピークのうち、２番目に深いピークを溶け込み深さ導出用のピークとして選択する。

図７Ｂ及び図７Ｃでは、ｚ軸の左側が深さの深い方向、右側が深さの浅い方向に対応している。このため、図７Ｂに示す例では、ステップＳ２０７において、２番目に深いピークであるピークＰ３が選択される。一方、図７Ｃに示す例では、ステップＳ２０７において、２番目に大きいピークであるピークＰ５が選択される。

ステップＳ２０８において、導出部１１２ｂは、ステップＳ２０６またはステップＳ２０７で選択されたピークに基づいて、ステップＳ２０１にて設定された処理区間における溶け込み深さを導出する。溶け込み深さの導出方法としては、例えば選択されたピークに対応する深さから、あらかじめ設定したオフセット量を減算する方法が挙げられる。このオフセット量は、事前に求められた補正値である。なお、選択されたピークを用いた溶け込み深さの導出方法としては、上記した方法以外に、例えば、選択されたピークの中で溶け込みが最も深い深さを検出し、その深さに基づいて直接溶け込み深さを導出するようにしてもよい。

ステップＳ２０９において、導出部１１２ｂは、溶け込み深さの導出を終了させるか否かを判定する。導出部１１２ｂは、例えば溶け込み深さの導出対象となる対象区間の全域において溶け込み深さの導出が完了したか否かを判定することで、溶け込み深さの導出を終了させるか否かを判定する。導出部１１２ｂは、溶け込み深さの導出を終了させると判定した場合（ステップＳ２０９のＹｅｓ）、処理を終了する。一方、そうでない場合（ステップＳ２０９のＮｏ）、処理はステップＳ２１０に進む。

ステップＳ２１０において、導出部１１２ｂは、対象区間のうち、まだ処理区間となっていない区間を新たに処理区間として設定した後、処理をステップＳ２０２に戻す。このようにステップＳ２０２〜ステップＳ２１０が繰り返されることで、対象区間の全域における溶け込み深さの導出が完了する。

以上が、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さの導出方法である。なお、図５に示す例では、処理区間を対象区間内の任意の区間としたが、本発明はこれに限定されず、例えば処理が進むにつれて、処理区間を対象区間の開始位置から終了位置へと順次ずらしていくような形態を採用してもよい。

＜本発明の溶け込み深さの導出方法による効果＞
以下では、本発明の溶け込み深さの導出方法による効果を、具体例を挙げて説明する。図８Ａ及び図８Ｂは、従来の溶け込み深さ導出方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図である。図８Ｃ及び図８Ｄは、上記説明した、本発明の溶け込み深さの導出方法により導出された溶け込み深さの結果を例示する図である。

図８Ａでは、溶け込み深さの導出に用いた２次元点群データに、従来の溶け込み深さ導出方法で導出された溶け込み深さを重ね合わせた結果が示されている。図８Ａに示す２次元点群データでは、高密度領域が、深さが比較的浅い第１領域８０１と、深さが比較的深い第２領域８０２に分かれて存在している。このように高密度領域が複数現れる現象は、溶接中のキーホール１０４の形成状態が一定でない場合に、光干渉計１０５にて測定される干渉信号に変動が生じたために発生すると考えられる（図１参照）。

図８Ａ及び図８Ｂに示す、従来の溶け込み深さ導出方法により導出された溶け込み深さ８０３は、一例として、２次元点群データにおける最も深い点を溶け込み深さとする方法を採用して導出されている。このため、図８Ａでは、溶け込み深さ８０３が第２領域８０２付近に存在している。

図８Ｂには、実際の被溶接材の断面写真に、従来の溶け込み深さ導出方法で導出された溶け込み深さ８０３を重ね合わせた結果が示されている。図８Ｂに示す実際の被溶接材１０１の断面写真では、研磨後にエッチング処理が行われ、溶融部８０４と未溶融部８０５とが明確に視認できるようになっている。図８Ｂに示すように、従来の溶け込み深さ導出方法により導出された溶け込み深さ８０３は、実際の溶融部８０４と未溶融部８０５との境界部（溶け込み部）８０６からの誤差が、溶接方向の位置によっては大きくなっている。

一方、図８Ｃでは、溶け込み深さの導出に用いた２次元点群データに、上記説明した本発明の溶け込み深さ導出方法で導出された溶け込み深さ８０７を重ね合わせた結果が示されている。なお、図８Ｃに示す２次元点群データは、図８Ａのものと共通である。

上記説明したように、本発明の溶け込み深さ導出方法では、２次元点群データの深さ方向の点の分布において高密度領域に対応するピークが１つの処理区間内で複数ある場合、深さが２番目に深いピークを採用して溶け込み深さを導出している。これは、２次元点群データにおいて未溶融部以外に高密度領域が複数存在する場合、最も深い高密度領域よりも、深さが２番目に深い高密度領域の方を採用した方が、より精度の高い溶け込み深さの導出を行うことができることが、経験的に分かっているからである。

これにより、図８Ｃに示すように、本発明の溶け込み深さ導出方法で導出された溶け込み深さ８０７は、図８Ａに示す従来の方法を採用した場合の溶け込み深さ８０３と比較して、より深さが浅い位置に存在する。

図８Ｄには、実際の被溶接材の断面写真に、本発明の溶け込み深さ導出方法で導出された溶け込み深さ８０７を重ね合わせた結果が示されている。図８Ｄを参照すれば分かるように、本発明の溶け込み深さ導出方法による溶け込み深さ８０７は、図８Ｂに示す従来の溶け込み深さ導出方法による溶け込み深さ８０７よりも、実際の溶け込み部８０６に近い位置となっている。

以上説明したように、本実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００によれば、溶接中のキーホールの形成状態が一定でなくても、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができる。このため、本実施の形態に係るレーザ溶接装置１００によれば、正確な溶け込み深さに基づいて溶接部の品質を評価することが可能になり、溶接部の品質の評価を高精度で行うことができる。

＜変形例＞
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範囲内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素は任意に組み合わせられてもよい。

上記した実施の形態では、溶接用のレーザ光の照射位置を移動させる手段として、照射される側である被溶接材１０１を移動させる移動ステージ１１０を採用した。本発明はこれに限定されず、溶接用のレーザ光を照射する側である第１集光光学系１０９等を移動させるようにしてもよい。第１集光光学系１０９等を移動させる手段としては、例えばガルバノスキャナやロボットアーム等が挙げられる。

また、上記した実施の形態では、レーザ発振に合わせて周波数を変化させて走査する、ＳＳ−ＯＣＴの原理を利用して溶け込み深さの計測を行っていた。ＯＣＴには、参照ミラーを移動させることで、対象の距離を測定するＴＤ−ＯＣＴ（Time Domain OCT）があるが、ＴＤ−ＯＣＴを本発明に適用しようとすると、レーザ発振に合わせて非常に高速で参照ミラーを移動させる必要があり、実現が困難である。このため、本発明の溶け込み深さ計測機構としては、ＴＤ−ＯＣＴを採用せず、ＳＳ−ＯＣＴを採用することが望ましい。

上記した実施の形態では、溶接の開始後に溶接条件（溶接用のレーザ光の強度や、被溶接材１０１の移動速度等）を変更しないことを前提としていた。しかしながら、例えば導出部１１２ｂにおいて計測した溶け込み深さが所望の深さ範囲外となる前に、制御部１１２ａが溶接条件を変更することで、不良品の発生を未然に防止するようにしてもよい。この場合、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲（溶接条件保持範囲）が新たに設定され、導出部１１２ｂは計測した溶け込み深さが良品深さ範囲から逸脱する前に、上記溶接条件保持範囲を逸脱したことを検知すると、制御部１１２ａに溶接条件を変更させる。制御部１１２ａによる溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行われればよい。

上記した実施の形態では、光干渉計１０５の測定光の被溶接材１０１の表面でのスポット径が、レーザ発振器１０７のレーザ光の被溶接材１０１の表面でのスポット径より小さいことを前提としていた。しかしながら、光干渉計１０５の測定光の被溶接材１０１の表面でのスポット径は、レーザ発振器１０７のレーザ光の被溶接材１０１の表面でのスポット径より大きく設定されてもよい。このような場合、２次元断層画像データにおいて常に未溶融部において反射強度の高い分布が現れることが分かっている。詳細は省略するが、そのような場合でも、上記した実施の形態にて説明した溶け込み深さ計測方法を適用することができる。

上記した実施の形態では、図３に示すステップＳ１０５において、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを終了させるか否かを判定しており、終了の場合のみステップＳ１０６以降に処理を進めているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを継続したまま、逐次ステップＳ１０６以降の溶け込み深さを導出する手順を行うようにしてもよい。この場合、例えば溶接方向における所定の領域に対応する断層画像データが蓄積された時点で、該当の領域における溶け込み深さを逐次算出することができる。

上記した実施の形態では、導出部１１２ｂは、２次元点群データの溶接方向における処理区間毎に、点の密度が深さ方向において高い高密度領域（深さの分布）を、ヒストグラムにおけるピークを検出する方法で抽出していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、導出部１１２ｂは、カーネル密度推定や画像処理による分布の特徴抽出等によって高密度領域を抽出するようにしてもよい。

上記した実施の形態では、図３に示すステップＳ１０５において、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを終了させるか否かを判定しており、終了の場合のみステップＳ１０６以降に処理を進めているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを継続したまま、逐次ステップＳ１０６以降の溶け込み深さを導出する手順を行うようにしてもよい。この場合、例えば溶接方向における所定の領域に対応する断層画像データが蓄積された時点で、該当の領域における溶け込み深さを逐次導出することができる。

本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接に適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
１０４ａ 底部
１０５ 光干渉計
１０６ ビームスプリッタ
１０７ レーザ発振器
１０８ レーザ光伝送用光学系
１０９ 第１集光光学系
１１０ 移動ステージ
１１１ ステージコントローラ
１１２ コンピュータ
１１２ａ 制御部
１１２ｂ 導出部
１１２ｃ 評価部
１１３ 波長走査光源
１１４ 光ファイバ系
１１４ａ 第１光ファイバ系
１１４ｂ 第２光ファイバ系
１１５ 第１ファイバカプラ
１１６ 参照ミラー
１１７ 第２ファイバカプラ
１１８ 差動ディテクタ
１１８ａ 第１入力
１１８ｂ 第２入力
１１９ Ａ／Ｄ変換器
１２０ 第２集光光学系
１２１ 干渉フィルタ
１２２ 表示部

Claims (6)

1. レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ発振器と、
   前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計と、
   前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離と前記溶接の深さとの関係を示す点群データを生成し、前記点群データにおける点の密度が前記溶接の深さ方向において高い高密度領域を抽出し、前記高密度領域が複数存在する場合、前記溶接の深さが２番目に深い前記高密度領域の深さに基づいて前記溶接部における溶け込み深さを導出する導出部と、
   を備える、レーザ溶接装置。
2. 前記導出部は、前記点群データにおいて、前記溶接の進行方向において設けられた所定区間毎に前記溶接部の溶け込み深さを導出する、
   請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記導出部は、前記高密度領域が１つのみ存在する場合、当該高密度領域の深さに基づいて前記所定区間における前記溶接部の溶け込み深さを導出する、
   請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記導出部は、抽出した前記高密度領域の深さがあらかじめ設定された条件を満たす場合、当該条件を満たす高密度領域を前記溶接部の溶け込み深さの導出に用いない、
   請求項２に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記導出部は、前記点群データにおける高密度領域を、前記所定区間に含まれる前記点群データの点の前記溶接の深さ方向における分布を示すヒストグラムのピークを用いて抽出する、
   請求項２に記載のレーザ溶接装置。
6. レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射し、
   前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成し、
   前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離と前記溶接の深さとの関係を示す点群データを生成し、
   前記点群データにおける点の密度が前記溶接の深さ方向において高い高密度領域を抽出し、
   前記高密度領域が複数存在する場合、前記溶接の深さが２番目に深い前記高密度領域の深さに基づいて前記溶接部における溶け込み深さを導出する、
   レーザ溶接方法。

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