JP2023108708A - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークのレーザ溶接中に、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握できるようにする。【解決手段】イメージファイバ３０は、互いに間隔をあけて配置された複数のコア３１を有する。第１測定光Ｓ１は、イメージファイバ３０を介して伝送される。レーザ光Ｓと第１測定光Ｓ１とは、同軸状に重ね合わされてワーク６０に向けて出射される。光干渉計装置２０では、ワーク６０で反射した第１測定光Ｓ１を受け取って、ワーク６０の溶接部６５の溶込み深さが測定される。制御部２６は、ワーク６０のレーザ溶接中に、複数のコア３１のうち測定光を出射させるコア３１を選択的に切り替えるように、イメージファイバ３０の入射端における第１測定光Ｓ１の入射位置を変更させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。

特許文献１には、溶接部における物体光のスポット径をレーザ光のスポット径よりも大きくして、物体光をキーホールの略全域に照射することで、物体光をキーホールの底部に照射できるようにしたレーザ溶接装置が開示されている。

特許文献２には、レーザヘッドに設けられたダイクロイックミラーの角度を変更して、計測光をキーホール内部で走査することで、キーホールの幅広い範囲で溶込み深さを測定するようにしたレーザ装置が開示されている。

特許第５２５２０２６号公報 米国特許第１０４１３９９５号明細書

ここで、特許文献１の発明では、物体光のスポット径に応じて、溶接部の溶込み深さを測定する際の分解能や測定領域が決定される。そのため、さらなる高分解能化や測定領域の拡大が困難である。

また、特許文献２の発明では、計測光を走査するための構成をレーザヘッドに搭載しているため、レーザヘッドやロボットが大型化してしまうという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、ワークのレーザ溶接中に、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握できるようにすることにある。

第１の発明は、所定の溶接方向に沿ってレーザ光を出射しながらワークを溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を発生させるレーザ光発振器と、前記レーザ光とは波長の異なる測定光を発生させる測定光発振器と、互いに間隔をあけて配置された複数のコアを有し、前記測定光発振器で発生した前記測定光を伝送するイメージファイバと、前記レーザ光と、前記イメージファイバを介して伝送された前記測定光とを同軸状に重ね合わせて前記ワークに向けて出射するレーザヘッドと、前記ワークで反射した前記測定光を受け取って、該ワークの溶接部の溶込み深さを測定する光干渉計装置と、前記イメージファイバの入射端における前記測定光の入射位置を変更する位置変更部と、前記ワークのレーザ溶接中に、前記複数のコアのうち前記測定光を出射させる該コアを選択的に切り替えるように、前記位置変更部の動作を制御する制御部とを備えたことを特徴とする。

第１の発明では、イメージファイバは、互いに間隔をあけて配置された複数のコアを有する。測定光は、イメージファイバを介して伝送される。レーザ光と測定光とは、同軸状に重ね合わされてワークに向けて出射される。光干渉計装置では、ワークで反射した測定光を受け取って、ワークの溶接部の溶込み深さが測定される。制御部は、ワークのレーザ溶接中に、複数のコアのうち測定光を出射させるコアを選択的に切り替えるように、イメージファイバの入射端における測定光の入射位置を変更させる。

このように、ワークのレーザ溶接中に、複数の異なる位置で溶接部の溶込み深さを測定することで、複数の測定結果に基づいて、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握することができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記光干渉計装置は、光干渉光学部と差分信号生成部とを含む検出部と、前記制御部とを有し、前記光干渉光学部は、前記測定光発振器から出射された前記測定光を、第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、前記第２測定光を反射するミラーとを有し、前記差分信号生成部は、前記ワークで反射した前記第１測定光及び前記ミラーで反射した前記第２測定光を受け取って、該第１測定光及び該第２測定光の光路長の位相差を示す差分信号を生成し、前記制御部は、前記差分信号生成部で生成された差分信号に基づいて、前記ワークの前記溶接部の溶込み深さを算出する演算部を有することを特徴とする。

第２の発明では、第１測定光及び第２測定光の光路長の位相差に基づいて、ワークの溶接部の溶込み深さを算出することで、溶込み深さを高精度に測定することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記複数のコアは、前記イメージファイバの中心部から外周部に向かって間隔をあけて放射状に配置され、前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの中心部から外周部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行うことを特徴とする。

第３の発明では、レーザヘッドの移動に伴って溶接方向が変更された場合でも、測定光の出射パターンを切り替える必要が無く、測定光を連続して広範囲に出射することができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記制御部は、前記ワークの溶接開始位置では、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの中心部から外周部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う一方、前記ワークの溶接終了位置では、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの外周部から中心部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行うことを特徴とする。

第４の発明では、ワークの溶接開始位置と溶接終了位置において、溶接部の溶込み深さの最深部を正確に把握することができる。

具体的に、溶接開始位置では、ワークの溶接部の中心部が先行して溶融するため、中心部から外周部に向かって測定光の出射位置を移動させることで、溶込み深さの最深部を正確に把握することができる。

また、溶接終了位置では、ワークの溶接部の外周部から中心部に向かって測定光の出射位置を移動させ、溶接終了位置の中心部に測定光を出射させることで、溶込み深さの最深部を正確に把握することができる。

第５の発明は、第１又は２の発明において、前記複数のコアは、前記溶接方向と交差する方向に間隔をあけて配置され、前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向と交差する方向に沿って移動させる制御を行うことを特徴とする。

第５の発明では、溶接方向と交差する方向に沿って測定光を出射して、測定光の出射範囲を広げながら、溶接部の溶込み深さを測定することができる。

第６の発明は、第５の発明において、前記複数のコアは、前記溶接方向に沿って間隔をあけて配置され、前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向に沿って移動させる制御を行うことを特徴とする。

第６の発明では、溶接方向と交差する方向に加えて溶接方向にも測定光をジグザグ状に出射して、測定光の出射範囲をさらに広げながら、溶接部の溶込み深さを測定することができる。

第７の発明は、第６の発明において、前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向の下流側から上流側に向かって移動させる制御を行うことを特徴とする。

第７の発明では、溶接部の溶込み深さは、溶接方向の上流側の方が、下流側よりも浅く測定される傾向にある。そのため、溶接方向の下流側から上流側にかけて測定することで、溶込み深さの最深部を正確に測定することができる。

第８の発明は、第１乃至７の発明のうち何れか１つにおいて、前記制御部は、さらに、前記光干渉計装置により前記ワークの前記溶接部における互いに異なる位置で測定された複数の溶込み深さに基づいて、該溶接部における溶込み形状を示す三次元データを取得することを特徴とする。

第８の発明では、溶接部の溶込み形状を示す三次元データを取得することで、溶込み形状を把握し易くなる。

第９の発明は、第８の発明において、前記制御部で取得された前記三次元データを表示する表示部を備えたことを特徴とする。

第９の発明では、溶接部の溶込み形状を示す三次元データをモニタ等に表示することで、溶込み形状を視覚的に把握し易くなる。

第１０の発明は、第８又は９の発明において、前記制御部は、取得した前記三次元データに基づいて、前記溶接部のビード幅を測定することを特徴とする。

第１０の発明では、溶接部の溶込み形状を示す三次元データに基づいて、溶接部のビード幅を把握することができる。

第１１の発明は、所定の溶接方向に沿ってレーザ光を出射しながらワークを溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザ光と、該レーザ光とは波長の異なる測定光とを発生させる工程と、前記レーザ光と、互いに間隔をあけて配置された複数のコアを有するイメージファイバを介して伝送された前記測定光とを同軸状に重ね合わせて前記ワークに向けて出射する工程と、前記ワークで反射した前記測定光に基づいて、該ワークの溶接部の溶込み深さを測定する工程と、前記ワークのレーザ溶接中に、前記複数のコアのうち前記測定光を出射させる該コアを選択的に切り替えるように、前記イメージファイバの入射端における前記測定光の入射位置を変更する工程とを備えたことを特徴とする。

第１１の発明では、ワークのレーザ溶接中に、複数の異なる位置で溶接部の溶込み深さを測定することで、複数の測定結果に基づいて、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握することができる。

本発明によれば、ワークのレーザ溶接中に、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握することができる。

本実施形態１に係るレーザ溶接装置の構成を示す図である。 測定光の検出信号に対して高速フーリエ変換処理を実行して、溶込み深さを算出した状態を示すグラフ図である。 イメージファイバを入射端側から見たときの図である。 複数のコアに対する第１測定光の入射順序と溶接方向との関係を示す図である。 第１コアから第９コアで測定された溶込み深さの状態を示す図である。 複数の異なる位置で測定された溶込み深さを合成した三次元データを模式的に示す図である。 表示部に表示させる三次元データを示す図である。 本実施形態１の変形例において、複数のコアに対する第１測定光の入射順序と溶接方向との関係を示す図である。 本実施形態２に係るイメージファイバを入射端側から見たときの図である。 溶接終了位置における測定光の出射パターンを示す図である。 本実施形態２の変形例に係るイメージファイバを入射端側から見たときの図である。 溶接終了位置における測定光の出射パターンを示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

《実施形態１》
図１に示すように、レーザ溶接装置１は、レーザ光発振器１０と、測定光発振器１５と、光干渉計装置２０と、イメージファイバ３０と、位置変更ユニット４０（位置変更部）と、レーザヘッド５０と、ロボット２と、ロボット制御部１６とを備える。

レーザ光発振器１０は、レーザ光Ｌを発生させる。レーザ光発振器１０は、伝送ファイバ１１によってレーザヘッド５０と接続される。レーザ光Ｌは、レーザ光発振器１０から伝送ファイバ１１を介して、レーザヘッド５０に伝送される。

測定光発振器１５は、レーザ光Ｌとは波長の異なる測定光Ｓを発生させる。測定光発振器１５で発生した測定光Ｓは、光干渉計装置２０に入射する。なお、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの波長差は、１００ｎｍ以上とすることが好ましい。

測定光発振器１５は、レーザ光Ｌと波長が異なるとともに、波長幅の短い測定光Ｓを連続的に出射し、出射する測定光Ｓの中心波長を、周期的に変化させる。このように測定光Ｓの中心波長を周期的に変化させる動作を波長走査と呼ぶ。

光干渉計装置２０は、Swept Source Optical Coherence Tomography（ＳＳ－ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、ワーク６０の溶接部６５の溶込み深さを測定する。

光干渉計装置２０は、検出部２１と、制御部２６とを有する。検出部２１は、光干渉光学部２２と、差分信号生成部２５とを含む。

光干渉光学部２２は、ビームスプリッタ２３と、参照ミラー２４とを有する。ビームスプリッタ２３は、測定光発振器１５から出射された測定光Ｓを、第１測定光Ｓ１と第２測定光Ｓ２とに分割する。

第１測定光Ｓ１とは、測定対象である溶接部６５に出射される測定光のことを意味し、第２測定光Ｓ２とは、基準面である参照ミラー２４に出射される測定光を意味する。

参照ミラー２４は、第２測定光Ｓ２を反射する。参照ミラー２４で反射された第２測定光Ｓ２は、差分信号生成部２５に導光される。詳しくは後述するが、第１測定光Ｓ１は、イメージファイバ３０及びレーザヘッド５０を介して、ワーク６０の溶接部６５に出射される。この際、第１測定光Ｓ１は、レーザヘッド５０内の光学系によって、レーザ光Ｌと同軸状に重ね合わされる。

ワーク６０の溶接部６５に出射された第１測定光Ｓ１の一部は、溶接部６５で反射され、イメージファイバ３０を介して光干渉計装置２０に入射する。光干渉計装置２０に入射した第１測定光Ｓ１は、ビームスプリッタ２３で反射され、差分信号生成部２５に入射する。

ここで、ビームスプリッタ２３を透過してから差分信号生成部２５に入射されるまでに、第１測定光Ｓ１が通過した光路の長さを、第１測定光Ｓ１の光路長とする。

第２測定光Ｓ２は、ビームスプリッタ２３で反射され、参照ミラー２４に導光される。参照ミラー２４に導光された第２測定光Ｓ２は、参照ミラー２４で反射した後、差分信号生成部２５に入射する。

ここで、ビームスプリッタ２３で反射してから差分信号生成部２５に入射されるまでに、第２測定光Ｓ２が通過した光路の長さを、第２測定光Ｓ２の光路長とする。第２測定光Ｓ２の光路長は、基準値として予め測定しておく。

通常、第１測定光Ｓ１の光路長と第２測定光Ｓ２の光路長は、同じになるように予め調整される。例えば、ワーク６０に溶込みが生じていない場合に、参照ミラー２４は、２つの光路長が同じになるように位置が調整される。

このとき、第１測定光Ｓ１と第２測定光Ｓ２とが１つの光束に結合されることで干渉光となり、干渉光を示す検出信号が差分信号生成部２５に入射される。

差分信号生成部２５は、ワーク６０で反射した第１測定光Ｓ１及び参照ミラー２４で反射した第２測定光Ｓ２を受け取って、第１測定光Ｓ１及び第２測定光Ｓ２の光路長の位相差を示す差分信号を生成する。

具体的に、差分信号生成部２５は、差動ディテクタ２５ａと、Ａ／Ｄ変換器２５ｂとを有する。差動ディテクタ２５ａは、第１測定光Ｓ１及び第２測定光Ｓ２の干渉光に含まれるノイズの影響を除去する。差動ディテクタ２５ａは、ノイズを除去した干渉光を、その強度に応じて電気信号に変換して、第１測定光Ｓ１及び第２測定光Ｓ２の光路長の位相差を示す差分信号を生成する（図２参照）。差動ディテクタ２５ａは、生成した差分信号をＡ／Ｄ変換器２５ｂへ出力する。

Ａ／Ｄ変換器２５ｂには、波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ出力が、測定光発振器１５から入力される。入力されたトリガ出力に基づくことで、Ａ／Ｄ変換器２５ｂは、測定光発振器１５の繰り返しの周期と同期して、差動ディテクタ２５ａから出力される差分信号についての集録を行う。

干渉光には、第１測定光Ｓ１と第２測定光Ｓ２との光路長差に応じた干渉が生じる。第１測定光Ｓ１と第２測定光Ｓ２の光路長の位相差を示す差分信号は、制御部２６の演算部２７へ出力される。演算部２７は、入力された差分信号に基づいて、ワーク６０の溶接部６５の溶込み深さを算出する。

具体的に、演算部２７は、入力された差分信号に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行し、処理の結果に基づいて、溶接部６５の溶込み深さを算出する（図２参照）。

図３に示すように、イメージファイバ３０は、複数のコア３１と、クラッド３２と、保護皮膜３３とを有する。イメージファイバ３０は、第１測定光Ｓ１をレーザヘッド５０に伝送する。

複数のコア３１は、互いに間隔をあけて配置される。図３に示す例では、３行×３列で配置された合計９つのコア３１を有する。コア３１は、例えば、石英ガラスで構成される。本実施形態では、コア３１の直径を１０μｍ～１００μｍとしている。

クラッド３２は、例えば、フッ素がドープされた石英ガラスで構成される。クラッド３２の屈折率は、コア３１の屈折率よりも低い。

クラッド３２の外周部には、保護皮膜３３が設けられる。保護皮膜３３は、例えば、合成樹脂で構成される。保護皮膜３３は、石英ガラスで構成されたコア３１及びクラッド３２を機械的に保護する。保護皮膜３３は、イメージファイバ３０から第１測定光Ｓ１が漏れ出したり、外部からイメージファイバ３０に光が漏れ込むのを抑える。

図１に示すように、位置変更ユニット４０は、イメージファイバ３０の入射端における第１測定光Ｓ１の入射位置を変更する。位置変更ユニット４０は、第１位置変更部４１と、第２位置変更部４５と、集光レンズ４９とを有する。

第１位置変更部４１は、第１ミラー４２と、第１ピエゾステージ４３と、第１ピエゾアクチュエータ４４とを有する。第１ミラー４２は、光干渉計装置２０から出射された第１測定光Ｓ１を、第２位置変更部４５に向けて反射する。

第１ミラー４２は、第１ピエゾアクチュエータ４４に一体に取り付けられる。第１ピエゾアクチュエータ４４は、第１ピエゾステージ４３に取り付けられる。第１ミラー４２は、第１ピエゾアクチュエータ４４の駆動によって傾動する。第１ミラー４２は、第１測定光Ｓ１の光軸を所定の範囲で変化させる。

第２位置変更部４５は、第２ミラー４６と、第２ピエゾステージ４７と、第２ピエゾアクチュエータ４８とを有する。第２ミラー４６は、第１位置変更部４１で反射された第１測定光Ｓ１を、集光レンズ４９に向けて反射する。

第２ミラー４６は、第２ピエゾアクチュエータ４８に一体に取り付けられる。第２ピエゾアクチュエータ４８は、第２ピエゾステージ４７に取り付けられる。第２ミラー４６は、第２ピエゾアクチュエータ４８の駆動によって傾動する。第２ミラー４６は、第１測定光Ｓ１の光軸を所定の範囲で変化させる。

集光レンズ４９は、第１測定光Ｓ１を集光する。集光レンズ４９で集光された第１測定光Ｓ１は、イメージファイバ３０の入射端に導光され、複数のコア３１のうち何れか１つのコア３１に入射される。

制御部２６は、第１位置変更部４１及び第２位置変更部４５の動作を制御する。具体的に、制御部２６は、ワーク６０のレーザ溶接中に、複数のコア３１のうち第１測定光Ｓを出射させるコア３１を選択的に切り替えるように、第１位置変更部４１及び第２位置変更部４５の動作を制御する。本実施形態では、レーザ溶接速度を５ｍ／ｍｉｎとしている。

ワーク６０は、上下に重ね合わされた上側板６１と下側板６２とを有する。レーザ溶接装置１は、上側板６１の上面にレーザ光Ｌを出射することで、上側板６１と下側板６２とを溶接する。

レーザヘッド５０は、第１コリメートレンズ５１と、第２コリメートレンズ５２と、ダイクロイックミラー５３と、集光レンズ５４と、ＸＹＺステージ５５とを有する。

第１コリメートレンズ５１は、伝送ファイバ１１の出射端から出射されたレーザ光Ｌを平行化する。第２コリメートレンズ５２は、イメージファイバ３０の出射端から出射された第１測定光Ｓ１を平行化する。

ＸＹＺステージ５５は、第２コリメートレンズ５２の入射側に配置される。ＸＹＺステージ５５には、イメージファイバ３０の出射端が接続される。ＸＹＺステージ５５は、ダイクロイックミラー５３に対する第１測定光Ｓ１の入射位置を調整する。

ダイクロイックミラー５３は、レーザ光Ｌを透過するとともに、第１測定光Ｓ１を反射する。ダイクロイックミラー５３は、レーザ光Ｌ及び第１測定光Ｓ１を同軸状に重ね合わせて、集光レンズ５４に導光する。

集光レンズ５４は、レーザ光Ｌ及び第１測定光Ｓ１を集光する。集光レンズ５４で集光されたレーザ光Ｌ及び第１測定光Ｓ１は、ワーク６０に出射される。

なお、集光レンズ５４は、ワーク６０の溶接部６５から反射した第１測定光Ｓ１を、ダイクロイックミラー５３を介して、光干渉計装置２０に再度、入射させる機能も有する。

ロボット２は、ロボットアーム３を有する。ロボットアーム３の先端部には、レーザヘッド５０が取り付けられる。ロボットアーム３は、複数の関節部４を有する。

ロボット２は、ロボット制御部１６からの指令に基づいて、レーザヘッド５０を所定の溶接方向に沿って移動させ、ワーク６０に対するレーザヘッド５０の位置を変更する。これにより、ワーク６０に対するレーザ光Ｌ及び第１測定光Ｓ１の位置を移動させ、レーザ溶接を行う。

ロボット制御部１６は、レーザ光発振器１０、レーザヘッド５０、及びロボット２に接続される。ロボット制御部１６は、レーザ光発振器１０、レーザヘッド５０、及びロボット２の動作を制御する。ロボット制御部１６は、レーザヘッド５０の移動速度の他に、レーザ光Ｌの出力開始や停止、レーザ光Ｌの出力強度などを制御する機能も備える。

レーザ溶接装置１では、上側板６１と下側板６２とを有するワーク６０の溶接部６５を溶接するのにあたり、ワーク６０の上方から上側板６１の上面にレーザ光Ｌが出射される。

レーザ光Ｌが出射された溶接部６５は、その上部から溶融して溶融池が形成される。溶接部６５が溶融する際に、溶融池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６６が形成される。ここでは、溶融池とキーホール６６とを合わせて溶接部６５として扱う。溶融池の溶接方向の後方には、溶融池が凝固することで溶接ビードが形成される。

このとき、測定光発振器１５から出射された第１測定光Ｓ１が、ダイクロイックミラー５３により、レーザ光発振器１０から出射されたレーザ光Ｌと同軸状に重ね合わされる。レーザ光Ｌと第１測定光Ｓ１とは、キーホール６６の内部に出射される。出射された第１測定光Ｓ１は、キーホール６６の底部で反射し、ダイクロイックミラー５３を介して、光干渉計装置２０に入射する。

光干渉計装置２０の差分信号生成部２５では、第１測定光Ｓ１と第２測定光Ｓ２の光路長の位相差を示す差分信号が生成される。制御部２６の演算部２７では、差分信号に基づいて、キーホール６６の深さを、溶接部６５の溶込み深さとして算出する。レーザ溶接装置１では、特定した溶込み深さに基づいて、溶接部６５の良否を判断するようにしている。

ところで、キーホール６６は、溶接部６５で溶融した金属が蒸発し、蒸発時の蒸気の圧力によって形成される。形成されるキーホール６６の形状は、レーザ光Ｌの出射時間や溶融池の状態によって変化する。

具体的に、キーホール６６の溶接方向の前方の内壁部は、レーザヘッド５０の移動速度（溶接速度）が速くなるほど、キーホール６６の後方に向かって湾曲した形状となる傾向を示す。そのため、キーホール６６の溶接方向の前方の内壁部では、溶込みが浅い湾曲形状が生じてしまうこととなる。

そこで、本実施形態では、溶接部６５の最深部の溶込み深さを正確に把握するために、複数の異なる位置で溶接部６５の溶込み深さを測定するようにした。

具体的に、図４に示すように、イメージファイバ３０は、３行×３列の合計９つのコア３１を有する。ここで、図４で上段のコア３１を、左から順に、「コア１」、「コア２」、「コア３」と呼ぶ。図４で中段のコア３１を、左から順に、「コア４」、「コア５」、「コア６」と呼ぶ。図４で下段のコア３１を、左から順に、「コア７」、「コア８」、「コア９」と呼ぶ。

制御部２６は、ワーク６０のレーザ溶接中に、位置変更ユニット４０の動作を制御する。位置変更ユニット４０は、複数のコア３１のうち第１測定光Ｓ１を出射させるコア３１を選択的に切り替えるように、イメージファイバ３０の入射端における第１測定光Ｓ１の入射位置を変更させる。

図４でレーザヘッド５０が右進している場合、つまり、溶接方向が右方向である場合、溶接方向の下流側に位置する「コア１」、「コア４」、「コア７」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア７」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア２」、「コア５」、「コア８」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア８」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア３」、「コア６」、「コア９」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。その後、「コア１」に戻って、同様の動作を繰り返す。

これにより、第１測定光Ｓ１の出射位置を、溶接方向と交差する方向、及び溶接方向に沿った方向にジグザグ状に移動させることで、第１測定光Ｓ１の出射範囲を広げながら、溶接部６５の溶込み深さを測定することができる。

また、溶接部６５の溶込み深さは、溶接方向の上流側の方が、下流側よりも浅く測定される傾向にある。そのため、第１測定光Ｓ１の出射位置を、溶接方向の下流側から上流側に向かって移動させることで、溶接部６５の溶込み深さの最深部を正確に測定することができる。

なお、第１測定光Ｓ１の出射位置を、溶接方向の上流側から下流側に向かって移動させるようにしてもよい。

そして、図４でレーザヘッド５０が右進から前進に変化した場合、つまり、溶接方向が上方向である場合、溶接方向の下流側に位置する「コア７」、「コア８」、「コア９」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア９」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア４」、「コア５」、「コア６」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア６」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア１」、「コア２」、「コア３」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。その後、「コア７」に戻って、同様の動作を繰り返す。

なお、レーザヘッド５０が前進から左進に変化した場合や、左進から後進に変化した場合についても同様に、第１測定光Ｓ１を入射させるコア３１を、溶接方向の下流側から上流側に向かって切り替えるようにすればよいため、説明を省略する。

図５に示すように、複数のコア３１から第１測定光Ｓ１をそれぞれ出射して、溶接部６５の複数箇所の溶込み深さを測定する。ここで、図５のグラフ図の横軸である深さ（周波数）は、１～４の値を取っているが、１＜２＜３＜４という関係にあり、「４」が最も溶込み深さが深い値となる。

本実施形態では、キーホール６６の開口径をφ０．５ｍｍ、キーホール６６の最深部の深さを２～３ｍｍと想定している。例えば、キーホール６６の最深部の深さが３ｍｍの場合、図５のグラフ図の深さ（周波数）の「４」が、３ｍｍに相当する。

制御部２６は、ワーク６０の溶接部６５における互いに異なる位置で測定された複数の溶込み深さに基づいて、溶接部６５における溶込み形状を示す三次元データを取得する。

具体的に、図６に示すように、複数のコア３１の位置と、各コア３１での測定値とを合成した三次元データでは、溶接部６５のキーホール６６の形状を模式的に表現することができる。そして、図６に示す例では、複数のコア３１のうち、「コア５」から出射した第１測定光Ｓ１で測定した溶込み深さが、溶接部６５の最深部であることが分かる。

図７に示すように、制御部２６で取得された三次元データを、表示部２８で表示するようにしてもよい。このように、溶接部６５の溶込み形状を示す三次元データを表示部２８に表示することで、溶接部６５の溶込み形状を視覚的に把握し易くなる。

また、制御部２６は、取得した三次元データに基づいて、溶接部６５のビード幅Ｗを測定するようにしてもよい。例えば、図６で上段の「コア１」から出射された第１測定光Ｓ１の出射位置と、図６で下段の「コア７」から出射された第１測定光Ｓ１の出射位置との間の距離を測定することで、溶接部６５のビード幅Ｗを把握することができる（図７参照）。

なお、本実施形態では、３行×３列の合計９つのコア３１を有するイメージファイバ３０を用いた構成について説明したが、この形態に限定するものではない。例えば、５行×５列の合計２５つのコア３１を有するイメージファイバ３０を用いてもよい。この場合、９つのコア３１を有するイメージファイバ３０よりも測定箇所を増やすことができるので、溶接部６５の溶込み深さをより正確に把握することができる。また、溶接部６５における溶込み形状を示す三次元データの分解能が高まるので、溶接部６５のキーホール６６の形状をより滑らかに表現することができる。

－実施形態１の変形例－
以下、前記実施形態１と同じ部分については、同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。

本変形例では、複数のコア３１に対する第１測定光Ｓ１の入射順序が、実施形態１とは異なっている。

具体的に、図８でレーザヘッド５０が右進している場合、つまり、溶接方向が右方向である場合、溶接方向の下流側に位置する「コア１」、「コア４」、「コア７」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア７」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア８」、「コア５」、「コア２」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア２」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア３」、「コア６」、「コア９」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。その後、「コア１」に戻って、同様の動作を繰り返す。

そして、図８でレーザヘッド５０が右進から前進に変化した場合、つまり、溶接方向が上方向である場合、溶接方向の下流側に位置する「コア７」、「コア８」、「コア９」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア９」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア６」、「コア５」、「コア４」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。「コア４」に第１測定光Ｓ１を入射させた後は、「コア１」、「コア２」、「コア３」の順に、第１測定光Ｓ１を入射させる。その後、「コア７」に戻って、同様の動作を繰り返す。

なお、レーザヘッド５０が前進から左進に変化した場合や、左進から後進に変化した場合についても同様に、第１測定光Ｓ１を入射させるコア３１を、溶接方向の下流側から上流側に向かって切り替えるようにすればよいため、説明を省略する。

なお、第１測定光Ｓ１の出射位置を、溶接方向の上流側から下流側に向かって移動させるようにしてもよい。

《実施形態２》
図９に示すように、イメージファイバ３０は、複数のコア３１と、クラッド３２とを有する。なお、保護皮膜については、図示を省略している。

複数のコア３１は、イメージファイバ３０の中心部から外周部に向かって間隔をあけて放射状に配置される。図９に示す例では、中心部のコア３１の周囲に沿って、６つのコア３１が間隔をあけて配置される。

制御部２６は、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の中心部から外周部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う。図９に示す例では、イメージファイバ３０の中心部のコア３１に第１測定光Ｓ１を入射させた後、図９で右上のコア３１に第１測定光Ｓ１を入射させる。その後、イメージファイバ３０の外周部のコア３１に沿って、第１測定光Ｓ１の入射位置を、時計回り方向に順番に移動させる。

そして、図９で左上のコア３１まで第１測定光Ｓ１を入射させた後、イメージファイバ３０の中心部のコア３１に第１測定光Ｓ１を入射させ、同様の動作を繰り返す。なお、第１測定光Ｓ１の入射位置を、中心部のコア３１に戻さずに、外周部のコア３１に沿って周回させるようにしてもよい。

このようにすれば、レーザヘッド５０の移動に伴って溶接方向が変更された場合でも、第１測定光Ｓ１の出射パターンを切り替える必要が無く、第１測定光Ｓ１を連続して広範囲に出射することができる。

また、本実施形態では、ワーク６０の溶接開始位置と溶接終了位置とで、第１測定光Ｓ１の出射パターンを変更するようにしている。

具体的に、ワーク６０の溶接開始位置では、図９に示すように、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の中心部から外周部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる。

具体的に、溶接開始位置では、ワーク６０の溶接部６５の中心部が先行して溶融するため、溶接部６５の中心部から外周部に向かって第１測定光Ｓ１の出射位置を移動させることで、溶込み深さの最深部を正確に把握することができる。

一方、ワーク６０の溶接終了位置では、図９に示すように、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の外周部から中心部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる。

具体的に、溶接終了位置では、ワーク６０の溶接部６５の外周部から中心部に向かって第１測定光Ｓ１の出射位置を移動させ、溶接終了位置の中心部に第１測定光Ｓ１を出射させることで、溶込み深さの最深部を正確に把握することができる。

－実施形態２の変形例－
図１０に示すように、イメージファイバ３０は、複数のコア３１と、クラッド３２とを有する。なお、保護皮膜については、図示を省略している。

複数のコア３１は、イメージファイバ３０の中心部から外周部に向かう渦巻き形状となるように、互いに間隔をあけて配置される。

制御部２６は、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の中心部から外周部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う。

このようにすれば、レーザヘッド５０の移動に伴って溶接方向が変更された場合でも、第１測定光Ｓ１の出射パターンを切り替える必要が無く、第１測定光Ｓ１を連続して広範囲に出射することができる。

また、本変形例では、ワーク６０の溶接開始位置と溶接終了位置とで、第１測定光Ｓ１の出射パターンを変更するようにしている。

具体的に、ワーク６０の溶接開始位置では、図１０に示すように、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の中心部から外周部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる。

一方、ワーク６０の溶接終了位置では、図１１に示すように、第１測定光Ｓ１の出射位置を、イメージファイバ３０の外周部から中心部のコア３１に向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる。

《その他の実施形態》
前記実施形態については、以下のような構成としてもよい。

本実施形態では、制御部２６の演算部２７において、光干渉計装置２０の差分信号生成部２５からの差分信号を受けてワーク６０の溶接部６５の溶込み深さを算出するようにしているが、光干渉計装置２０自体に別の演算部（図示せず）を設けて、ワーク６０の溶接部６５の溶込み深さを算出するようにしてもよい。

また、本実施形態では、光干渉計装置２０は、光干渉光学部２２と差分信号生成部２５とを含む検出部２１を有する構成としたが、差分信号生成部２５を別体で設けるようにしてもよい。

また、本実施形態では、ロボット制御部１６と、光干渉計装置２０の制御部２６とを別体で構成するようにしたが、ロボット制御部１６が、光干渉計装置２０の制御部２６の機能を含むようにしてもよい。

また、本実施形態では、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを同時に出射させるようにしたが、レーザ溶接開始前から、予め測定光Ｓを出射して走査させるようにしてもよい。例えば、動作プログラムを起動したタイミングから、測定光Ｓの走査を開始すればよい（空走時を含む）。このようにすれば、ミラー又はアクチュエータ駆動時の慣性モーメントによって、測定光Ｓの走査が遅れるのを抑えることができる。

以上説明したように、本発明は、ワークのレーザ溶接中に、溶接部の最深部の溶込み深さを正確に把握することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

１ レーザ溶接装置
１０ レーザ光発振器
１５ 測定光発振器
２０ 光干渉計装置
２１ 検出部
２２ 光干渉光学部
２３ ビームスプリッタ
２４ 参照ミラー（ミラー）
２５ 差分信号生成部
２６ 制御部
２７ 演算部
２８ 表示部
３０ イメージファイバ
３１ コア
４０ 位置変更ユニット（位置変更部）
５０ レーザヘッド
６０ ワーク
６５ 溶接部
Ｌ レーザ光
Ｓ 測定光
Ｓ１ 第１測定光
Ｓ２ 第２測定光

Claims (11)

1. 所定の溶接方向に沿ってレーザ光を出射しながらワークを溶接するレーザ溶接装置であって、
   前記レーザ光を発生させるレーザ光発振器と、
   前記レーザ光とは波長の異なる測定光を発生させる測定光発振器と、
   互いに間隔をあけて配置された複数のコアを有し、前記測定光発振器で発生した前記測定光を伝送するイメージファイバと、
   前記レーザ光と、前記イメージファイバを介して伝送された前記測定光とを同軸状に重ね合わせて前記ワークに向けて出射するレーザヘッドと、
   前記ワークで反射した前記測定光を受け取って、該ワークの溶接部の溶込み深さを測定する光干渉計装置と、
   前記イメージファイバの入射端における前記測定光の入射位置を変更する位置変更部と、
   前記ワークのレーザ溶接中に、前記複数のコアのうち前記測定光を出射させる該コアを選択的に切り替えるように、前記位置変更部の動作を制御する制御部とを備えた
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 請求項１において、
   前記光干渉計装置は、光干渉光学部と差分信号生成部とを含む検出部と、前記制御部とを有し、
   前記光干渉光学部は、
   前記測定光発振器から出射された前記測定光を、第１測定光と第２測定光とに分割するビームスプリッタと、
   前記第２測定光を反射するミラーとを有し、
   前記差分信号生成部は、前記ワークで反射した前記第１測定光及び前記ミラーで反射した前記第２測定光を受け取って、該第１測定光及び該第２測定光の光路長の位相差を示す差分信号を生成し、
   前記制御部は、前記差分信号生成部で生成された差分信号に基づいて、前記ワークの前記溶接部の溶込み深さを算出する演算部を有する
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
3. 請求項１又は２において、
   前記複数のコアは、前記イメージファイバの中心部から外周部に向かって間隔をあけて放射状に配置され、
   前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの中心部から外周部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
4. 請求項３において、
   前記制御部は、
   前記ワークの溶接開始位置では、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの中心部から外周部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う一方、
   前記ワークの溶接終了位置では、前記測定光の出射位置を、前記イメージファイバの外周部から中心部の前記コアに向かう渦巻き状の軌跡に沿って移動させる制御を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
5. 請求項１又は２において、
   前記複数のコアは、前記溶接方向と交差する方向に間隔をあけて配置され、
   前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向と交差する方向に沿って移動させる制御を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
6. 請求項５において、
   前記複数のコアは、前記溶接方向に沿って間隔をあけて配置され、
   前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向に沿って移動させる制御を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
7. 請求項６において、
   前記制御部は、前記測定光の出射位置を、前記溶接方向の下流側から上流側に向かって移動させる制御を行う
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
8. 請求項１乃至７のうち何れか１つにおいて、
   前記制御部は、さらに、前記光干渉計装置により前記ワークの前記溶接部における互いに異なる位置で測定された複数の溶込み深さに基づいて、該溶接部における溶込み形状を示す三次元データを取得する
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
9. 請求項８において、
   前記制御部で取得された前記三次元データを表示する表示部を備えた
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。
10. 請求項８又は９において、
    前記制御部は、取得した前記三次元データに基づいて、前記溶接部のビード幅を測定する
    ことを特徴とするレーザ溶接装置。
11. 所定の溶接方向に沿ってレーザ光を出射しながらワークを溶接するレーザ溶接方法であって、
    前記レーザ光と、該レーザ光とは波長の異なる測定光とを発生させる工程と、
    前記レーザ光と、互いに間隔をあけて配置された複数のコアを有するイメージファイバを介して伝送された前記測定光とを同軸状に重ね合わせて前記ワークに向けて出射する工程と、
    前記ワークで反射した前記測定光に基づいて、該ワークの溶接部の溶込み深さを測定する工程と、
    前記ワークのレーザ溶接中に、前記複数のコアのうち前記測定光を出射させる該コアを選択的に切り替えるように、前記イメージファイバの入射端における前記測定光の入射位置を変更する工程とを備えた
    ことを特徴とするレーザ溶接方法。

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