JP2020175436A - スパッタ検出装置、レーザ加工装置およびスパッタの検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スパッタをより簡単に検出する。【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を検出する検出装置であって、ワークＷにおけるレーザ光Ｌの照射点Ｐから飛散するスパッタＳが発する光を検出する光検出器２０を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、スパッタ検出装置、レーザ加工装置およびスパッタの検出方法に関する。

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、スパッタの検出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、スパッタをより簡単に検出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スパッタ検出装置であって、ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出する光検出器を備える。

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、上記態様のスパッタ検出装置と、を備える。

本発明の別の態様は、スパッタの検出方法である。当該検出方法は、ワークのレーザ加工において生じるスパッタの検出方法であって、ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出する。

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、スパッタをより簡単に検出することができる。

実施の形態に係るレーザ加工装置の模式図である。 図２（Ａ）は、光検出器の検出領域を模式的に示す斜視図である。図２（Ｂ）は、光検出器の検出領域を模式的に示す側面図である。 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。

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、光検出器２０を１つだけ図示している。また、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、エキシマ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、一端側に開口８ａを有する有底筒状であり、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。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。

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、光検出器２０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。

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から飛散するスパッタＳが発する光（以下では適宜、スパッタ光Ｓ１ともいう）を検出する。本実施の形態の光検出器２０は、出射ヘッド４の周囲において、照射点Ｐが検出領域２０ａから外れるように設けられる。

図２（Ａ）は、光検出器２０の検出領域２０ａを模式的に示す斜視図である。図２（Ｂ）は、光検出器２０の検出領域２０ａを模式的に示す側面図である。本実施の形態では、４つの光検出器２０が出射ヘッド４の外周を取り囲むように設けられている。また、４つの光検出器２０は、それぞれの検出領域２０ａに照射点Ｐを含まず、且つ４つの検出領域２０ａによって照射点Ｐの外周を囲むように配置されている。つまり、照射点Ｐは、各光検出器２０の検出範囲の外側に位置する。なお、光検出器２０の数は特に限定されず、４つ以外の複数であってもよいし、１つのみであってもよい。

光検出器２０は、レンズなどの光学素子（図示せず）によって検出領域２０ａの範囲が調整される。これにより、検出領域２０ａから照射点Ｐが除かれる。例えば、光検出器２０は、受光面にシリンドリカルレンズが設けられて、検出領域２０ａが一方に長い長尺状に調整される。そして、４つの光検出器２０は、各検出領域２０ａが四角形の各片を構成するように互いの位置が定められる。

ワークＷの溶接では、溶接の過程で発生するプラズマ光やワークＷで反射されたレーザ光Ｌが照射点Ｐから周囲に照射される。これらの光は、スパッタＳが発するスパッタ光Ｓ１よりも強度がはるかに高い。このため、光検出器２０がこれらの光を受光すると、スパッタ光Ｓ１の検出が阻害されてしまう。これに対し、検出領域２０ａに照射点Ｐが含まれないように光検出器２０を設けることで、外乱となるプラズマ光や反射されたレーザ光Ｌが光検出器２０に直に入射することを抑制できる。

また、本実施の形態の光検出器２０は、赤外線の波長域に感度を有し、可視光の波長域および使用するレーザ光Ｌの波長域のうち少なくとも一方の波長域に対して実質的に不感である。一例としての光検出器２０は、可視光の波長域およびレーザ光Ｌの波長域の両方に対して実質的に不感である。つまり、光検出器２０は、可視光の波長域およびレーザ光Ｌの波長域の少なくとも一方に対する感度よりも赤外線の波長域に対する感度が高い。赤外線の波長域は、例えば７６０〜１０００ｎｍであり、可視光の波長域は、例えば３８０〜７６０ｎｍである。プラズマ光は可視光を多く含み、スパッタ光Ｓ１は赤外線を多く含む。このため、光検出器２０の受光感度（撮像感度）を可視光の波長域に対して実質的に不感となるように設定することで、外乱となるプラズマ光が光検出器２０に与える影響を低減して、光検出器２０におけるスパッタ光Ｓ１の検出感度を高めることができる。また、光検出器２０の受光感度をレーザ光Ｌの波長域に対して実質的に不感となるように設定することで、外乱となるレーザ光Ｌが光検出器２０に与える影響を低減して、光検出器２０におけるスパッタ光Ｓ１の検出感度を高めることができる。

上記の受光感度は、例えば赤外線を通過させ可視光をカットするバンドパスフィルタを光検出器２０に設けることで実現することができる。前記「実質的に不感である」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可視光に感度を有する光検出器を許容することを意味する。スパッタＳの検出に支障をきたさない程度は、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。

光検出器２０は、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。

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Ｔを予め保持している。しきい値Ｔ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Ｔ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Ｔに対応する出力信号の強度をＴ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。つまり、スパッタ判定部２４は、光検出器２０からの出力信号の強度がしきい値Ｔ以上であるとき、スパッタＳが発生したと判定する。スパッタ判定部２４は、スパッタＳが発生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が発生したこ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から飛散するスパッタＳの光を検出する光検出器２０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、スパッタ検出装置６と、を備える。

スパッタ検出装置６は、スパッタＳが検出領域２０ａを通過する際の光検出器２０における受光量の変化に基づいて、スパッタＳの発生を検出する。このため、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Ｓをより簡単に検出することができる。

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、本実施の形態の光検出器２０は、照射点Ｐが検出領域２０ａから外れるように設けられる。これにより、外乱となるプラズマ光や反射されたレーザ光Ｌが光検出器２０に直に入射することを抑制できる。一方、スパッタＳは、照射点Ｐから飛散して検出領域２０ａに進入する。このため、スパッタ光Ｓ１は光検出器２０に直に入射する。よって、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の検出精度を高めることができる。

また、本実施の形態の光検出器２０は、赤外線の波長域に感度を有し、可視光の波長域およびレーザ光Ｌの波長域のうち少なくとも一方の波長域に対して実質的に不感である。これにより、外乱となるプラズマ光やレーザ光Ｌが光検出器２０の受光面に入射することを抑制することができる。一方、スパッタ光Ｓ１は光検出器２０の受光面に入射することができる。よって、光検出器２０が受ける光全体に対するスパッタ光Ｓ１の割合をより高めることができる。この結果、スパッタ光Ｓ１の検出精度を高めることができる。

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の発生を容易に把握することができる。

また、本実施の形態には、スパッタＳの検出方法の提供も含まれる。つまり、本実施の形態の他の態様は、ワークＷのレーザ加工において生じるスパッタＳの検出方法であって、ワークＷにおけるレーザ光Ｌの照射点Ｐから飛散するスパッタＳが発する光を検出する、検出方法である。

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。

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、 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 (6)

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から飛散するスパッタが発する光を検出する光検出器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、前記照射点が検出領域から外れるように設けられる請求項１に記載のスパッタ検出装置。
3. 前記光検出器は、赤外線の波長域に感度を有し、可視光の波長域および前記レーザ光の波長域のうち少なくとも一方の波長域に対して実質的に不感である請求項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スパッタ判定部を有する請求項１乃至３のいずれか１項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、
   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。
6. ワークのレーザ加工において生じるスパッタの検出方法であって、
   前記ワークにおけるレーザ光の照射点から飛散するスパッタが発する光を検出することを特徴とする検出方法。

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