JP2020157342A - スパッタ検出装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタ検出装置の構造を簡略化する。【解決手段】スパッタ検出装置６は、ワークＷのレーザ加工において生じるスパッタＳを検出する装置であって、ワークＷにおけるレーザ光Ｌの照射点Ｐを検出領域に含むように設けられる光検出器２０と、照射点Ｐから直に光検出器２０に向かう光を遮蔽する遮蔽部材２２と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタ検出装置およびレーザ加工装置に関する。

産業用の加工ツールとして、レーザ加工装置が広く普及している。一般にレーザ加工ではスパッタが発生する。スパッタとは、飛散する溶融金属の微粒子である。スパッタがワーク（被加工物）に付着すると、ワークの品質低下につながり得る。また、スパッタがレーザ加工装置の光学系に付着すると、付着したスパッタがレーザ光を吸収することで付着部の温度が上昇し、光学系に熱歪みが発生し得る。光学系に熱歪みが生じると、レーザ光の集光が阻害されたり、光学系が破損したりするおそれがある。

スパッタの発生をレーザ加工と並行してインラインで検出することができれば、スパッタが付着した欠陥品を即座に取り除くことができる。また、スパッタの発生量は、加工条件やワークの状態によって変化する。したがって、スパッタの発生をインラインで検出してその発生原因を即座に突き止めることで、その後のスパッタの発生量を低減させることができる。これにより、生産性の向上を図ることができ、またレーザ加工装置の損傷を抑制することができる。

スパッタの検出に関して、例えば特許文献１には、スポット溶接時に溶接部周囲から発生するスパッタを捕集する捕集孔と、捕集孔に接続されたスパッタ捕集器と、スパッタ捕集器に捕集されたスパッタの量を測定するスパッタ量測定器と、測定されたスパッタ量のデータを処理するための電子計算機と、を備えたスパッタ検出装置が開示されている。

特開２０１３−１５１０２８号公報

上述のスパッタ検出装置は、鋼板のスポット溶接時に発生するスパッタを直に捕集して、スパッタ量を測定していた。このため、装置の構造が複雑であるという課題があった。

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、スパッタ検出装置の構造を簡略化する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様はスパッタ検出装置である。当該スパッタ検出装置は、ワークのレーザ加工において生じるスパッタを検出する装置であって、ワークにおけるレーザ光の照射点を検出領域に含むように設けられる光検出器と、照射点から直に光検出器に向かう光を遮蔽する遮蔽部材と、を備える。

本発明の別の態様は、レーザ加工装置である。当該レーザ加工装置は、ワークに向けてレーザ光を出射する出射ヘッドと、出射ヘッドに設けられる上記態様のスパッタ検出装置と、を備える。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システム等の間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、スパッタ検出装置の構造を簡略化することができる。

実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図である。 光検出器の受光の様子を示す模式図である。 スパッタ判定部によるスパッタの発生判定を説明する模式図である。 変形例１におけるスパッタ判定部によるスパッタの発生判定を説明する模式図である。

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図に示す各部の縮尺や形状は、説明を容易にするために便宜的に設定されており、特に言及がない限り限定的に解釈されるものではない。また、本明細書または請求項中に「第１」、「第２」等の用語が用いられる場合には、特に言及がない限りこの用語はいかなる順序や重要度を表すものでもなく、ある構成と他の構成とを区別するためのものである。また、各図面において実施の形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

図１は、実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図である。図１では、スパッタ検出装置６の構成要素の一部を機能ブロックとして描いている。この機能ブロックは、ハードウェア構成としてはコンピュータのＣＰＵやメモリをはじめとする素子や回路で実現され、ソフトウェア構成としてはコンピュータプログラム等によって実現される。これらの機能ブロックがハードウェア、ソフトウェアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者には理解されるところである。

レーザ加工装置１は、金属製の被加工物であるワークＷにレーザ光Ｌを照射して、ワークＷを加工する装置であり、伝送ファイバ２と、出射ヘッド４と、スパッタ検出装置６と、を備える。本実施の形態におけるワークＷの加工は、ワークＷの溶接である。なお、ワークＷの加工は、穴あけや切断、表面処理等であってもよい。

伝送ファイバ２は、外部のレーザ発振器（図示せず）と出射ヘッド４とを接続し、レーザ発振器で発生するレーザ光を出射ヘッド４に伝送する。レーザ発振器としては、ＹＡＧレーザ発振器、ＣＯ_２レーザ発振器、ファイバレーザ発振器等の公知のレーザ発振器を用いることができる。本実施の形態のレーザ加工装置１では、一例として約１０００ｎｍの波長域の赤外線レーザ光が用いられる。

出射ヘッド４は、ワークＷに向けてレーザ光Ｌを出射する機構であり、筐体８と、反射ミラー１０と、第１レンズ１２と、第２レンズ１４と、保護ガラス１６と、を有する。筐体８は、一端側に第１開口８ａを有し、他端側に第２開口８ｂを有する筒状であり、第１開口８ａがワークＷ側を向くように配置される。筐体８の内部には、反射ミラー１０、第１レンズ１２および第２レンズ１４が収容される。反射ミラー１０、第１レンズ１２および第２レンズ１４は、筐体８に支持される。第１開口８ａには、保護ガラス１６が取り付けられる。

筐体８の側面には伝送ファイバ２が連結される。伝送ファイバ２から出射ヘッド４に伝送されるレーザ光Ｌは、反射ミラー１０に照射される。反射ミラー１０は、レーザ発振器の出力波長の光を反射する部材である。反射ミラー１０は、伝送ファイバ２から照射されるレーザ光Ｌを第１開口８ａに向けて反射するように姿勢が定められる。反射ミラー１０と保護ガラス１６との間には、第１レンズ１２および第２レンズ１４が配置される。第１レンズ１２は、第２レンズ１４よりも反射ミラー１０側に配置され、第２レンズ１４は第１レンズ１２よりも保護ガラス１６側に配置される。

反射ミラー１０によって反射されたレーザ光Ｌは、第１レンズ１２に入射する。第１レンズ１２は、コリメートレンズであり、入射したレーザ光Ｌを平行光に変換して第２レンズ１４に向けて出射する。第２レンズ１４は、フォーカスレンズであり、入射したレーザ光Ｌを集光してワークＷに向けて出射する。第２レンズ１４から出射されたレーザ光Ｌは、保護ガラス１６を通過してワークＷに照射される。

レーザ光ＬがワークＷの表面に照射されることで、レーザ光Ｌの照射点ＰにおいてワークＷを構成する金属が溶融する。また、ワークＷおよび出射ヘッド４の少なくとも一方は、移動機構（図示せず）により移動させることができる。移動機構の駆動によりワークＷおよび出射ヘッド４が相対的に変位することで、照射点Ｐが移動する。これにより、移動前の照射点Ｐにおいて溶融した金属が冷却して固化する。この結果、ワークＷが溶接される。

ワークＷとは反対側に位置する筐体８の第２開口８ｂには、スパッタ検出装置６が取り付けられる。したがって、スパッタ検出装置６は、反射ミラー１０を挟んでワークＷとは反対側に配置される。スパッタ検出装置６は、ワークＷのレーザ加工において生じるスパッタＳを検出する装置であり、筐体１８と、光検出器２０と、遮蔽部材２２と、を備える。また、本実施の形態のスパッタ検出装置６は、スパッタ判定部２４を有する。

筐体１８は、一端側に開口１８ａを有する有底筒状であり、開口１８ａが筐体８の第２開口８ｂに接続される。筐体１８の内部には、光検出器２０および遮蔽部材２２が収容される。光検出器２０および遮蔽部材２２は、筐体１８に支持される。

光検出器２０は、ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等の固体撮像素子、あるいはフォトダイオードといった公知の光センサで構成することができる。光検出器２０は、ワークＷ上のレーザ光Ｌの照射点Ｐを検出領域２０ａ（図２参照）に含むように設けられる。好ましくは、光検出器２０は第１レンズ１２の結像点の近傍であって且つ結像点よりも第１レンズ１２から遠い位置に配置される。また、光検出器２０は、受光面が反射ミラー１０側を向くように姿勢が定められる。

反射ミラー１０は、伝送ファイバ２から伝送されるレーザ光Ｌのほとんどを反射するが、ごく一部、例えば反射ミラー１０に照射される全レーザ光Ｌの１％程度は透過する。また、レーザ光Ｌの波長以外の波長域の光も透過する。したがって、溶接の過程で照射点Ｐにおいて発生するプラズマ光や、照射点Ｐから飛散したスパッタＳが発する光（以下では適宜、スパッタ光Ｓ１ともいう）、ワークＷで反射されたレーザ光Ｌなどは、照射点Ｐ側から第２レンズ１４、第１レンズ１２および反射ミラー１０を透過して、光検出器２０側に進行することができる。

本実施の形態の光検出器２０は、レーザ光Ｌと同軸上に配置される。図１には、一例として光検出器２０、反射ミラー１０、第１レンズ１２、第２レンズ１４および照射点Ｐが同一直線上に配置された構造が図示されている。したがって、光検出器２０、反射ミラー１０、第１レンズ１２および第２レンズ１４は、照射点Ｐに照射されるレーザ光Ｌの光軸上に配置される。なお、前記「レーザ光Ｌと同軸」には、照射点Ｐに照射されるレーザ光Ｌと光検出器２０とが物理的に同軸である場合だけでなく、光学的に同軸であることも含まれる。

光検出器２０は、照射点Ｐ側から反射ミラー１０を透過した光を受光し、受光した光量に応じた信号をスパッタ判定部２４に出力する。光検出器２０の出力信号は、例えば受光強度に応じた大きさの電圧である。なお、スパッタ光Ｓ１は４００〜１００００ｎｍの波長成分を多く含み、光検出器２０は少なくとも当該波長域の一部の光に感度を有する。

遮蔽部材２２は、照射点Ｐから直に光検出器２０に向かう光を遮蔽する部材である。照射点Ｐから直に光検出器２０に向かう主な光は、溶接の過程で発生するプラズマ光や照射点ＰにおいてワークＷで反射されたレーザ光Ｌである。遮蔽部材２２は、照射点Ｐから光検出器２０に向かう光を実質的に透過しないものであれば、その材質は特に限定されない。前記「実質的に透過しない」とは、スパッタ検出装置６によるスパッタＳの検出に支障をきたさない程度に光を透過する遮蔽部材を許容することを意味する。遮蔽部材２２は、反射ミラー１０と光検出器２０との間において、好ましくは第１レンズ１２の結像点近傍に配置される。

図２は、光検出器２０の受光の様子を示す模式図である。遮蔽部材２２は、検出領域２０ａにおいて照射点Ｐと重なるように配置される。言い換えれば、遮蔽部材２２は、光検出器２０側から見て照射点Ｐを覆うように配置される。遮蔽部材２２の設置により、照射点Ｐから直に光検出器２０に向かう光は、光検出器２０への到達が妨げられる。一方、照射点Ｐの周囲、つまり遮蔽部材２２と重ならない領域から光検出器２０に向かう光は、遮蔽部材２２によって遮られず光検出器２０に到達する。このため、光検出器２０が受ける主な光は、照射点Ｐから飛散したスパッタＳ、つまり照射点ＰからずれたスパッタＳが出射するスパッタ光Ｓ１となる。したがって、光検出器２０は、おおよそスパッタ光Ｓ１の光量に応じた出力信号をスパッタ判定部２４に出力する。

なお、照射点Ｐからレーザ光Ｌと同軸上に飛散したスパッタＳのスパッタ光Ｓ１は遮蔽部材２２によって遮蔽されてしまうが、当該スパッタＳは、スパッタＳ全体のごく一部である。その他大部分のスパッタＳのスパッタ光Ｓ１は、光検出器２０に到達することができる。遮蔽部材２２によってマスクする領域の範囲は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

スパッタ判定部２４は、光検出器２０からの出力信号に基づいてワークＷ毎にスパッタＳの発生を判定し、その結果を必要に応じて表示装置に表示したり、記憶装置に記憶したり、外部装置に送信したりする。図３は、スパッタ判定部２４によるスパッタＳの発生判定を説明する模式図である。スパッタ判定部２４は、スパッタＳの発生判定の基準となる所定のしきい値Ｔ１を予め保持している。しきい値Ｔ１は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。なお、しきい値Ｔ１は、光検出器２０が受ける光の強度のしきい値であるが、説明の便宜上、図３ではしきい値Ｔ１に対応する出力信号の強度をＴ１と表示している。

スパッタ判定部２４は、光検出器２０によって所定のしきい値Ｔ１以上の強度の光が検出されたときにスパッタＳが発生したと判定する。つまり、スパッタ判定部２４は、光検出器２０からの出力信号が、しきい値Ｔ１以上の強度の光に対応する値であるとき、スパッタＳが発生したと判定する。また、スパッタ判定部２４は、しきい値Ｔ１以上の強度の光の検出回数をカウントする。スパッタ判定部２４は、カウントした検出回数を表示装置に表示等する。これにより、レーザ加工装置１の使用者は、スパッタＳが発生したことと発生したスパッタＳの数とを容易に把握することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るスパッタ検出装置６は、ワークＷのレーザ加工において生じるスパッタＳを検出する装置であって、ワークＷにおけるレーザ光Ｌの照射点Ｐを検出領域２０ａに含むように設けられる光検出器２０と、照射点Ｐから直に光検出器２０に向かう光を遮蔽する遮蔽部材２２と、を備える。また、本実施の形態のレーザ加工装置１は、ワークＷに向けてレーザ光Ｌを出射する出射ヘッド４と、出射ヘッド４に設けられるスパッタ検出装置６と、を備える。

本実施の形態では、光検出器２０の検出領域２０ａあるいは検出範囲に照射点Ｐが含まれるように配置し、照射点Ｐから飛散したスパッタＳが出射するスパッタ光Ｓ１を受光することで、スパッタＳの発生を検出している。照射点Ｐから照射されるプラズマ光や反射レーザ光はスパッタ光Ｓ１よりも強度がはるかに高く、スパッタ光Ｓ１の検出の妨げとなる。しかしながら、これらの光は遮蔽部材２２によって光検出器２０への到達が防がれる。これにより、スパッタ光Ｓ１の検出において外乱となるプラズマ光等を排除することができる。つまり、光検出器２０が受ける光全体に対するスパッタ光Ｓ１の割合を高めることができる。この結果、スパッタ光Ｓ１に基づいてスパッタＳの発生を検出することができる。

よって、本実施の形態によれば、スパッタ捕集器で直にスパッタＳを捕集してスパッタ量を測定していた従来のスパッタ検出装置に比べて、スパッタ検出装置６の構造を簡略化することができる。また、スパッタ検出装置６の小型化を図ることができる。

また、従来のスパッタ判定方法としては、スパッタＳの発生をオフラインで検査員が目視や検査機器を使用して検査したり、レーザ加工時の映像を録画しておき、この映像に画像処理を施してスパッタＳを検出する方法があった。これに対し、本実施の形態のスパッタ検出装置６は、レーザ加工と並行してインラインでスパッタＳの発生を検出することができる。よって、スパッタＳの発生を早期に検出することができる。また、本実施の形態のスパッタ検出装置６を使用すれば、撮影用の高価な機材や撮影用のスペースを確保せずに済むため、スパッタＳの検出にかかるコストやスペースを削減することができる。

また、本実施の形態のスパッタ検出装置６は、構成がシンプルで小型であるため、出射ヘッド４に容易に搭載することができる。これにより、スパッタ検出装置６をレーザ加工装置１に設けることによるレーザ加工装置１の大型化を抑制することができる。つまり、本実施の形態によれば、スパッタ検出機能を備え且つ小型のレーザ加工装置１を提供することができる。また、スパッタ検出装置６は小型であるため、シーム溶接等の溶接箇所が連続するレーザ加工におけるスパッタＳの検出に対しても好適に採用することができる。つまり、本実施の形態によれば、汎用性の高いスパッタ検出装置６を提供することができる。

また、本実施の形態のスパッタ検出装置６では、光検出器２０がレーザ光Ｌと同軸上に配置される。これにより、スパッタ検出装置６を搭載することによるレーザ加工装置１の大型化をさらに抑制することができる。

また、本実施の形態のスパッタ検出装置６は、光検出器２０によって所定のしきい値Ｔ以上の強度の光が検出されたときにスパッタＳが発生したと判定するとともに、しきい値Ｔ以上の強度の光の検出回数をカウントするスパッタ判定部２４を有する。これにより、レーザ加工装置１の使用者は、インラインでスパッタＳの発生や発生回数を容易に把握することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。前述した実施の形態は、本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。前述の実施の形態では、このような設計変更が可能な内容に関して、「本実施の形態の」、「本実施の形態では」等の表記を付して強調しているが、そのような表記のない内容でも設計変更が許容される。また、実施の形態に含まれる構成要素の任意の組み合わせも、本発明の態様として有効である。設計変更や構成要素の組み合わせによって得られる新たな実施の形態は、組み合わされる構成要素および変形それぞれの効果をあわせもつ。

（変形例１）
図４は、変形例１におけるスパッタ判定部２４によるスパッタＳの発生判定を説明する模式図である。本変形例に係るスパッタ検出装置６が有するスパッタ判定部２４は、光検出器２０の検出値を積分してスパッタＳの発生量を判定する。具体的には、スパッタ判定部２４は、スパッタＳの発生量判定の基準となる所定のしきい値Ｔ２を予め保持している。例えばしきい値Ｔ２は、光検出器２０の検出値がしきい値Ｔ２に達する程度のスパッタＳの発生量であった場合に、ワークＷの欠陥やレーザ加工装置１の損傷が生じる蓋然性が高いと判断される値である。しきい値Ｔ２は、設計者の経験的知見または設計者による実験やシミュレーション等に基づき適宜設定することが可能である。

スパッタ判定部２４は、光検出器２０の検出値、言い換えれば出力信号を積分し、積分値がしきい値Ｔ２に達するとスパッタＳの発生が所定量に達したことを表示装置に表示等する。これにより、レーザ加工装置１の使用者は、スパッタＳの発生量の多少を容易に把握することができる。

（その他）
伝送ファイバ２およびスパッタ検出装置６は、出射ヘッド４への接続位置が逆であってもよい。つまり、伝送ファイバ２、反射ミラー１０、第１レンズ１２、第２レンズ１４および照射点Ｐが同一直線上に配置され、光検出器２０はこの直線と交わる方向に配置されてもよい。この場合、反射ミラー１０は、伝送ファイバ２から伝送されるレーザ光Ｌのほとんどを透過し、ごく一部を光検出器２０に向けて反射するように構成される。この場合、光検出器２０はレーザ光Ｌと光学的に同軸上に配置される。

１ レーザ加工装置、 ４ 出射ヘッド、 ６ スパッタ検出装置、 ２０ 光検出器、 ２０ａ 検出領域、 ２２ 遮蔽部材、 ２４ スパッタ判定部、 Ｌ レーザ光、 Ｐ 照射点、 Ｓ スパッタ、 Ｗ ワーク。

Claims (5)

1. ワークのレーザ加工において生じるスパッタを検出するスパッタ検出装置であって、
   前記ワークにおけるレーザ光の照射点を検出領域に含むように設けられる光検出器と、
   前記照射点から直に前記光検出器に向かう光を遮蔽する遮蔽部材と、
   を備えることを特徴とするスパッタ検出装置。
2. 前記光検出器は、前記レーザ光と同軸上に配置される請求項１に記載のスパッタ検出装置。
3. 前記光検出器によって所定のしきい値以上の強度の光が検出されたときに前記スパッタが発生したと判定するとともに、前記しきい値以上の強度の光の検出回数をカウントするスパッタ判定部を有する請求項１または２に記載のスパッタ検出装置。
4. 前記光検出器の検出値を積分してスパッタの発生量を判定するスパッタ判定部を有する請求項１または２に記載のスパッタ検出装置。
5. ワークに向けてレーザ光を出射する出射ヘッドと、
   前記出射ヘッドに設けられる請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスパッタ検出装置と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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