JP2024075995A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構成で、レーザ加工時に加工対象部から放出される放出光を検出できるようにする。【解決手段】検出ユニット２０は、放出光４０を所定の波長毎に分光する波長分離器２１と、波長分離器２１で分光された複数の放出光４０をそれぞれ検出する複数の検出本体部３０と、を有する。検出本体部３０は、波長分離器２１で分光された放出光４０を絞るスリット３１と、スリット３１を通過した放出光４０の出力を検出する光検出器３２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関するものである。

特許文献１には、ワークで反射した反射光を検出するセンサと、加工対象部（溶接部）から発生するプラズマ光を検出するためのセンサと、を備え、両センサによって検出された反射光とプラズマ光に基づいて、加工対象部の溶接品質をリアルタイムに判断するようにしたレーザ溶接部の品質モニタリング装置が開示されている。

特許文献１の発明では、両センサは、２つのフォトダイオードと、ダイクロイックミラーと、干渉フィルタと、をそれぞれ有する。センサでは、加工対象部からの光がダイクロイックミラーによって波長に応じて選択され、フォトダイオードに導かれ、反射光又はプラズマ光として電気信号に変換される。

特許第３６０３８４３号公報

ところで、特許文献１の発明では、センサ毎に、ダイクロイックミラーと干渉フィルタを設けた構成となっている。そのため、複数の波長の光を検出するためには、複数のダイクロイックミラーと複数の干渉フィルタが必要となり、装置全体としてコストが増大するという問題がある。

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、比較的簡単な構成で、レーザ加工時に加工対象部から放出される放出光を検出できるようにすることにある。

第１の発明は、ワークの加工対象部にレーザ光を出射するレーザ加工装置であって、レーザ加工時に前記加工対象部から放出された放出光を検出する検出ユニットを備え、前記検出ユニットは、前記放出光を所定の波長毎に分光する波長分離器と、前記波長分離器で分光された前記複数の放出光をそれぞれ検出する複数の検出本体部と、を有し、前記検出本体部は、前記波長分離器で分光された前記放出光を絞るスリットと、前記スリットを通過した前記放出光の出力を検出する光検出器と、を有する。

第１の発明では、波長分離器で複数に分光された複数の放出光を、複数の検出本体部でそれぞれ検出している。これにより、比較的簡単な構成で、レーザ加工時に加工対象部から放出される放出光を検出することができる。

具体的に、ワークの加工対象部から放出された放出光は、例えば、反射光、プラズマ光、熱放射光を含む。放出光は、波長分離器において、反射光、プラズマ光、熱放射光に分光され、複数の検出本体部でそれぞれ検出される。

このように、１つの波長分離器で放出光を分光させることで、従来のような複数のダイクロイックミラー及び複数の干渉フィルタを組み合わせた構成に比べて、コスト低減を図ることができる。また、従来のような干渉フィルタを用いる場合に比べて、放出光の光損失を小さくすることができ、ノイズを低減することができる。

第２の発明は、第１の発明のレーザ加工装置において、前記検出ユニットは、前記波長分離器に対する前記複数の検出本体部の位置をそれぞれ相対的に移動させる複数の移動機構を有する。

第２の発明では、レーザ加工装置の加工条件を変更した場合でも、波長分離器に対する検出本体部の位置を相対的に移動させることで、複数の放出光を適切に検出することができる。

具体的に、反射光は、ワークの溶け込みに影響を受けやすく、溶け込みの浅い熱伝導溶接では反射光が増え、キーホール溶接になるにつれて反射光が減る傾向にある。また、プラズマ光と熱放射光は、ビード幅やワーク表面の汚れ、スパッタ、レーザパワーなどに反応し、その振る舞いの違いから、溶接の不具合を特定可能である。

ここで、レーザ光の波長を変更した場合、反射光の波長が変化してしまい、反射光を検出し難くなるおそれがある。

また、ワークの材質を変更した場合、プラズマ光や熱放射光の波長が変化してしまい、プラズマ光や熱反射光を検出し難くなるおそれがある。

そのため、従来は、レーザ加工装置の加工条件を変更するたびに光学設計を見直す必要があり、最適な波長に対応したダイクロイックミラーや干渉フィルタに交換しなければならず、部品コストが増大したり、レーザ光源の波長に対応した個々の装置を開発しなければならないという問題があった。

これに対し、本発明では、レーザ加工装置の加工条件を変更した場合に、移動機構で検出本体部を移動させるだけで、複数の放出光を検出可能な位置に、複数の検出本体部をそれぞれ配置することができる。

第３の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工装置において、前記波長分離器と前記光検出器との間に配置され、前記光検出器に入力される前記放出光を減光する減光フィルタを備える。

第３の発明では、減光フィルタで放出光を減光することで、光検出器で検出される放出光の波長範囲及び強度を調整することができる。

第４の発明は、第１又は２の発明のレーザ加工装置において、前記複数の光検出器の検出値を所定のデータに変換する制御部を備える。

第４の発明では、複数の光検出器の検出値を所定のデータに変換することで、例えば、放出光に含まれる反射光、プラズマ光、熱放射光の光量を数値化やグラフ化する等、作業者が活用しやすいデータを得ることができる。

また、データ解析を施して、どのような不具合が起きているのか、例えば、溶け込み異常なのか、ビード幅異常なのか、ワーク表面の汚れによる異常なのか、などを判定して表示する機能を有してもよい。

本発明によれば、比較的簡単な構成で、レーザ加工時に加工対象部から放出される放出光を検出することができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 加工対象部から放出される放出光を説明する図である。 本変形例１に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本変形例２に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本変形例３に係るレーザ加工装置の概略構成図である。 本変形例４に係るレーザ加工装置の概略構成図である。

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。

図１に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、伝送ファイバ３と、制御部５と、レーザ加工ヘッド１０と、検出ユニット２０と、を備える。

レーザ発振器２は、レーザ光Ｌを発振する。レーザ発振器２は、例えば、固体レーザ光源、気体レーザ光源、ファイバレーザ光源を用いることができる。また、レーザ発振器２は、半導体レーザからの出射光を直接に用いる半導体レーザ光源や、複数のレーザ光エミッタを備える半導体レーザアレイであってもよい。レーザ光Ｌは、例えば、青色レーザ光であり、その波長が４４５±２０ｎｍ程度である。他にも、近赤外レーザ光として、９７５±３０ｎｍ程度の波長や、１０７０ｎｍの波長であってもよい。

レーザ発振器２は、伝送ファイバ３の入射端に接続される。レーザ加工ヘッド１０は、伝送ファイバ３の出射端に接続される。レーザ発振器２から出射されたレーザ光Ｌは、伝送ファイバ３を介してレーザ加工ヘッド１０に伝送される。

レーザ加工ヘッド１０は、ワーク５０に対してレーザ光Ｌを出射する。図１に示す例では、ワーク５０は、上下に重ね合わされた上側金属板５１及び下側金属板５２を有する。レーザ加工ヘッド１０は、上側金属板５１の上面にレーザ光Ｌを出射することで、上側金属板５１と下側金属板５２とを溶接する。

なお、図１に示すワーク５０は、あくまでも一例であり、この形態に限定するものではない。例えば、１つの金属板からなるワーク５０に対してレーザ光Ｌを出射することで、ワーク５０の表面改質を行うようにしてもよい。また、２つの金属板を有するワーク５０を横方向に突き合わせた状態で突き合わせ溶接を行うようにしてもよい。

図２に示すように、レーザ光Ｌの出射された加工対象部５５は、その上部から溶融し、加工対象部５５に溶融池５６が形成される。加工対象部５５が溶融する際に、溶融池５６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５７が形成される。詳しくは後述するが、レーザ加工時に、加工対象部５５から放出光４０が放出される。

図１に示すように、レーザ加工ヘッド１０は、コリメートレンズ１１と、フォーカスレンズ１２と、ダイクロイックミラー１３と、を有する。

コリメートレンズ１１は、伝送ファイバ３から伝送されたレーザ光Ｌを平行化する。フォーカスレンズ１２は、コリメートレンズ１１で平行化されたレーザ光Ｌを集光する。

ダイクロイックミラー１３は、フォーカスレンズ１２で集光されたレーザ光Ｌを反射させる一方、ワーク５０の加工対象部５５から放出された放出光４０の一部を透過する。ダイクロイックミラー１３で透過された放出光４０は、検出ユニット２０に入射する。

検出ユニット２０は、レーザ加工ヘッド１０に隣接して設けられる。検出ユニット２０は、ワーク５０の加工対象部５５から放出された放出光４０を検出する。検出ユニット２０は、波長分離器２１としてのプリズム２２と、複数の検出本体部３０と、を有する。

プリズム２２は、放出光４０を所定の波長毎に分光する。具体的に、図２に示すように、放出光４０は、反射光４１と、プラズマ光４２と、熱放射光４３と、を含む。プリズム２２を通過した放出光４０は、反射光４１、プラズマ光４２、熱放射光４３に分光される。

反射光４１は、ワーク５０の溶け込みに影響を受けやすい傾向にあり、レーザ光Ｌの波長に準拠する。反射光４１の波長は、例えば、４４５±２０ｎｍであったり、９７５±３０ｎｍであったり、１０７０ｎｍであったりする。

プラズマ光４２は、ビード幅やワーク５０表面の汚れ、スパッタなどに反応しやすい傾向にあり、ワーク５０の材質によって放出される波長が異なる。プラズマ光４２は、ワーク５０の加工対象部５５においてプラズマ４５が発生することで放出される。プラズマ光４２の波長は、例えば、４００～７００ｎｍである。

熱放射光４３は、レーザ発振器２から出力されるレーザパワーなどに反応しやすい傾向にあり、加工対象部５５の溶融温度よって放出される波長が異なる。熱放射光４３の波長は、例えば、１０００～１５００ｎｍで広く分布している。

図１に示すように、検出本体部３０は、スリット３１と、光検出器としてのフォトダイオード３２と、移動機構３３と、を有する。スリット３１は、フォトダイオード３２よりもプリズム２２に近い位置に配置される。スリット３１は、プリズム２２で分光された放出光４０を絞って、放出光４０の一部を通過させる。スリット３１を通過して放出光４０は、フォトダイオード３２に入射する。フォトダイオード３２は、放出光４０の出力を検出する。

図１に示す例では、反射光４１と、プラズマ光４２と、熱放射光４３と、をそれぞれ検出するために、３つの検出本体部３０が設けられる。３つの検出本体部３０のフォトダイオード３２でそれぞれ検出された反射光４１、プラズマ光４２、熱放射光４３の出力を示す信号は、制御部５に送られる。

なお、検出本体部３０の数は、３つに限定するものではなく、さらに数を増やすことで、様々な波長の放出光４０を検出できるようにしてもよい。

スリット３１及びフォトダイオード３２は、移動機構３３に設けられる。移動機構３３は、例えば、ガイドレールに代表されるスライド構造で構成される。作業者は、移動機構３３を手動で移動させることで、プリズム２２に対するスリット３１及びフォトダイオード３２の相対位置を変更することができる。

なお、移動機構３３は、この形態に限定するものではなく、例えば、スリット３１とフォトダイオード３２とを載置した台をスライドさせることで、移動可能な構成としてもよい。

また、移動機構３３は、図示しないモータ等によって、スリット３１及びフォトダイオード３２の位置を、自動で調整可能な構成としてもよい。この場合、移動機構３３の移動は、制御部５によって制御される。

制御部５には、複数のフォトダイオード３２の検出値を示す信号が入力される。制御部５は、複数のフォトダイオード３２の検出値を所定のデータに変換する。例えば、放出光４０に含まれる反射光４１、プラズマ光４２、熱放射光４３の光量を数値化やグラフ化する等、作業者が活用しやすいデータを得ることができる。

制御部５は、レーザ発振器２及びレーザ加工ヘッド１０の動作を制御してもよい。制御部５は、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してもよい。レーザ加工ヘッド１０は、図示しないロボットやＸＹテーブルに取り付けられる。制御部５は、レーザ加工ヘッド１０の移動速度を制御してもよい。

制御部５は、マイコンや、ハードウェアとソフトウェアとを組み合わせたコンピュータ等で構成され、例えば、ＡＤボードとコンピュータの組み合わせによって実現される。

そして、これらの放出光４０をモニタリングすることで、品質管理、例えば、溶接の状態の再現性がどの程度かの定量化や、さらには、どのような不具合事象にてトラブルが発生しているか判別することが可能となる。この判定には、機械学習などを代表とするＡＩアルゴリズムを用いてもよい。

具体的に、反射光４１は、ワーク５０の溶け込みに影響を受けやすい傾向にある。プラズマ光４２と熱放射光４３は、ビード幅やワーク５０表面の汚れ、スパッタ、レーザパワーなどに反応し、その振る舞いの違いから、溶接の不具合を特定可能である。

例えば、プラズマ光４２と熱放射光４３に同時に先鋭なピークを持つ信号が同時に検出された場合には、加工対象部５５からスパッタが発生している状態であると判断することができる。

例えば、反射光４１が急に検出されなくなった場合は、ワーク５０の溶け落ちや穴あきが発生している状態であると判断することができる。

例えば、反射光４１が時間的に徐々に変化して減少した場合は、ワーク５０の加熱によりキーホール５７が形成されやすくなったことによって、キーホール５７の深さが徐々に深くなっている状態であることを判断できる。

例えば、貫通溶接において、プラズマ光４２と熱放射光４３に周期的なリップル波形が見られる場合は、溶接速度が遅すぎることによって溶融池５６にリップルが発生して、ビード幅が太くなったり細くなったりを繰り返しているビードが形成されていることが判断できる。

－実施形態の変形例１－
以下、前記実施形態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。

図３に示すように、レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、伝送ファイバ３と、光伝送路４と、制御部５と、レーザ加工ヘッド１０と、検出ユニット２０と、を備える。

光伝送路４は、例えば、光ファイバで構成される。光伝送路４は、レーザ加工ヘッド１０と、検出ユニット２０と、を接続する。この場合、レーザ加工ヘッド１０には、光伝送路４に向かうレーザ光Ｌを集光する集光レンズ１５が設けられる。また、検出ユニット２０には、光伝送路４で伝送されたレーザ光Ｌをコリメート光にするコリメートレンズ１６が設けられる。

光伝送路４の入射端は、ダイクロイックミラー１３で反射した放出光４０が入射可能な位置に接続される。光伝送路４の出射端は、検出ユニット２０におけるプリズム２２に向けて放出光４０を出射可能な位置に接続される。

このように、レーザ加工ヘッド１０と検出ユニット２０とを光伝送路４で接続することで、検出ユニット２０をレーザ加工ヘッド１０から離れた位置に設置することができる。これにより、レーザ加工ヘッド１０に検出ユニット２０を搭載する場合に比べて、レーザ加工ヘッド１０の重量を小さくすることができ、ロボットへの取付性が向上する。

また、検出ユニット２０への溶接時に発生するヒュームやスパッタの影響を無くすことができ、検出ユニット２０のメンテナンス性などが向上する。

また、検出ユニット２０と制御部５を同じ個所に設置することで、電気信号で発生するノイズを最小限に抑えることができ、高精度に反射光４１、プラズマ光４２、熱放射光４３を計測することができる。

－実施形態の変形例２－
図４に示すように、検出ユニット２０は、波長分離器２１としてのプリズム２２と、複数の検出本体部３０と、を有する。検出本体部３０は、スリット３１と、フォトダイオード３２と、移動機構３３と、減光フィルタ３５と、を有する。

減光フィルタ３５は、３つの検出本体部３０に対してそれぞれ設けられる。減光フィルタ３５は、プリズム２２とフォトダイオード３２との間に配置される。図４に示す例では、減光フィルタ３５は、スリット３１とフォトダイオード３２との間に配置される。減光フィルタ３５は、フォトダイオード３２に入力される放出光４０を減光する。

このように、減光フィルタ３５で放出光４０を減光することで、フォトダイオード３２で検出される放出光４０の波長範囲及び強度を調整することができる。

なお、図４に示す例では、３つの検出本体部３０に対して、減光フィルタ３５をそれぞれ設けるようにしているが、この形態に限定するものではない。例えば、３つのスリット３１と、３つのフォトダイオード３２との間を横切るように、１つの減光フィルタ３５を配置した構成としてもよい。また、例えば、プリズム２２と、３つのスリット３１との間に、１つの減光フィルタ３５を配置するようにしてもよい。

－実施形態の変形例３－
図５に示すように、検出ユニット２０は、波長分離器２１としての回折格子２３と、複数の検出本体部３０と、を有する。

回折格子２３は、放出光４０を所定の波長毎に分光する。回折格子２３を通過した放出光４０は、反射光４１、プラズマ光４２、熱放射光４３に分光される。複数の検出ユニット２０は、回折格子２３で分光された複数の放出光４０をそれぞれ検出する。

このように、波長分離器２１として、プリズム２２の代わりに回折格子２３を用いた構成としてもよい。

－実施形態の変形例４－
図６に示すように、検出ユニット２０は、波長分離器２１としてのプリズム２２と、複数の検出本体部３０と、を有する。図６に示す例では、検出本体部３０は、４つ設けられる。なお、検出本体部３０の数をさらに増やすようにしてもよい。

このように、検出本体部３０を４つに増やすことで、反射光４１と、プラズマ光４２と、熱放射光４３と、これらの放出光４０とは波長の異なる別の放出光４０と、を検出することができる。これにより、溶接の不具合をさらに高精度に特定することができる。

以上説明したように、本発明は、比較的簡単な構成で、レーザ加工時に加工対象部から放出される放出光を検出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 レーザ加工装置
５ 制御部
２０ 検出ユニット
２１ 波長分離器
２２ プリズム（波長分離器）
２３ 回折格子（波長分離器）
３０ 検出本体部
３１ スリット
３２ フォトダイオード（光検出器）
３３ 移動機構
３５ 減光フィルタ
４０ 放出光
５０ ワーク
５５ 加工対象部
Ｌ レーザ光

Claims (4)

1. ワークの加工対象部にレーザ光を出射するレーザ加工装置であって、
   レーザ加工時に前記加工対象部から放出された放出光を検出する検出ユニットを備え、
   前記検出ユニットは、
   前記放出光を所定の波長毎に分光する波長分離器と、
   前記波長分離器で分光された前記複数の放出光をそれぞれ検出する複数の検出本体部と、を有し、
   前記検出本体部は、
   前記波長分離器で分光された前記放出光を絞るスリットと、
   前記スリットを通過した前記放出光の出力を検出する光検出器と、を有する
   レーザ加工装置。
2. 請求項１のレーザ加工装置において、
   前記検出ユニットは、前記波長分離器に対する前記複数の検出本体部の位置をそれぞれ相対的に移動させる複数の移動機構を有する
   レーザ加工装置。
3. 請求項１又は２のレーザ加工装置において、
   前記波長分離器と前記光検出器との間に配置され、前記光検出器に入力される前記放出光を減光する減光フィルタを備える
   レーザ加工装置。
4. 請求項１又は２のレーザ加工装置において、
   前記複数の光検出器の検出値を所定のデータに変換する制御部を備える
   レーザ加工装置。