JP2828828B2

JP2828828B2 - レーザ加工装置の監視方法

Info

Publication number: JP2828828B2
Application number: JP4084308A
Authority: JP
Inventors: 洋吉見; 彰恒川; 宏治田中; 勉北川; 克己森川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1992-04-07
Publication date: 1998-11-25
Anticipated expiration: 2013-11-25
Also published as: JPH05285683A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザビーム出力の
光学部品への熱影響等による溶接加工時（以下、単に
「加工時」と記す）のビーム径変動を検知可能にし、加
工不良の発生を未然に防止して加工の安定化を実現した
レーザ加工装置の監視方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザビームをワークに照射
して、熱処理、即ち、溶接（及び切断等）を行うレーザ
加工装置は良く知られている。図４は例えば特開昭63-6
0092号公報に記載された従来のレーザ加工装置の光路示
す構成図である。

【０００３】図において、１はレーザビームＬを出射す
るレーザ発振器、２はレーザビームＬの出射ウィンドウ
となるレーザ発振器１の出力窓、３はレーザビームＬの
方向を切換えるミラー、４はミラー３で反射されたレー
ザビームＬを収束する集光レンズ、５は集光レンズ４を
介したレーザビームＬのスポットＳが照射されて所望の
加工が施されるワークである。

【０００４】尚、出力窓２と集光レンズ４との間には、
ビーム径Ｄを補正するための補正用レンズ(図示せず)等
が光学部品として挿入され得る。又、ミラー３及び集光
レンズ４は、両機能を具備した集光ミラーに置き換える
こともできる。

【０００５】次に、図４に示した従来のレーザ加工装置
の動作について説明する。レーザ発振器１の出力窓２か
ら出射されたレーザビームＬは、ミラー３により反射さ
れ、集光レンズ４により収束されてスポットとなり、ワ
ーク５に照射される。その後、例えばミラー３及び集光
レンズ４をワーク５の表面に沿って掃引することによ
り、ワーク５に対して所望の加工処理が施される。

【０００６】このとき、レーザビームＬの出力や集光レ
ンズ４の焦点距離等の使用は、加工条件に応じて予め設
定されている。しかし、長時間の加工が行われると、出
力窓２を含む透明光学部品が熱を持ち、局部的な温度上
昇による屈折率分布の変化や熱応力による形状変化が生
じる。例えば、通常は透明板からなる出力窓２が熱レン
ズ作用によって凸レンズに変形すると、出力窓２を通過
して一旦収束されたレーザビームＬは、集光レンズ４に
到達するまでに発散してビーム径Ｄが拡散し、レーザビ
ームＬのモード及び出力が正常状態から変化してしま
う。

【０００７】この現象は、出力窓２等の光学部品の吸収
率が大きくなるほど、又、レーザビームＬの出力が大き
くなるほど顕著に現れる。従って、出力窓２が長時間使
用により汚れてきた場合や、10ＫＷ程度の高出力レーザ
加工の場合、加工開始直後には正常な加工ができても、
途中から加工不良になってしまう。これを防ぐため、例
えばレーザ出力を低減するなどにより、加工条件を変更
することは考えられるが、加工時間が長くかかってしま
うことになる。

【０００８】特に、近年では、５ＫＷ程度の低出力のレ
ーザビームのみならず、10ＫＷ程度の高出力のレーザビ
ームが多用される傾向にあり、低出力レーザ加工装置で
は問題にならなかった光学部品への熱影響が無視できな
くなっている。従って、出力窓２を含む光学部品が経時
劣化によって熱変化を生じ易く、既に調整されたワーク
５の加工仕様を満たさなくなる。

【０００９】又、加工不良が発生し得る状態になって
も、レーザビームＬのビーム径Ｄと加工状態との定量的
な関係が把握されていないため、実際に加工不良が発生
してから、出力窓２を含む透明光学部品を交換又は清掃
し、ワーク５の再加工を行っていた。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
の監視方法は以上のように、出力窓２を含む光学部品の
熱変化によるビーム径変動を検知していないので、加工
中にレーザビームＬのビーム径Ｄが変動してワーク５に
対する加工が不安定になった場合、実際に加工不良が発
生してしまい、所望の加工を施すことができないという
問題点があった。又、例えば特開平2-133186号公報に参
照されるように、レーザビーム径を測定する加工装置も
提案されているが、実際の溶接後の裏ビード幅に基づい
てレーザビーム径を管理していないので、信頼性に欠け
るという問題点があった。

【００１１】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、レーザビーム出力の光学部品へ
の熱影響等による加工時のビーム径変動を高い信頼性で
検知可能にし、加工不良の発生を未然に防止して加工の
安定化を実現したレーザ加工装置の監視方法を得ること
を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工装置の監視方法は、少なくとも加工終了位置での集光
手段におけるレーザビームの径を測定し、溶接時のレー
ザビームの径と溶接後の裏ビード幅との関係に基づいて
レーザビームの径を管理し、レーザビームの径が管理範
囲外の場合に異常を検知するようにしたものである。

【００１３】

【００１４】

【作用】この発明においては、集光手段に入射されるビ
ーム径の経時変化を実測するとともに、溶接時のレーザ
ビームの径と溶接後の裏ビード幅との関係に基づいてレ
ーザビームの径を管理し、加工不良状態に対応したビー
ム径管理値と比較して、ビーム径が管理範囲外となった
ときには異常を検知して光学部品の交換又は清掃を促
し、加工不良の発生を未然に防止する。

【００１５】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例に適用されるレーザ加
工装置を示す斜視図であり、１、２及び５は前述と同様
のものである。4aは前述のミラー３及び集光レンズ４の
機能を兼ね備えた集光ミラー、5a及び5bは２枚の板材か
らなるワークである。ここでは、ワーク5a及び5bを突き
合わせて、集光ミラー4Aを破線位置まで移動させ、線5c
を介してＡ点(開始点)からＢ点(終了点)まで矢印Ｃ方向
に溶接する場合を示している。

【００１６】７及び８はアクリル板等からなるバンパタ
ーン測定板であり、加工終了位置即ちＢ点での集光ミラ
ー4AにおけるレーザビームＬの径Ｄを測定するビーム径
測定手段を構成している。

【００１７】バンパターン測定板７は、加工中には実線
位置に配置されているが、加工終了直後には手動又は駆
動手段により破線位置に移動され、出力窓２と集光ミラ
ー4Aとの間の光路中に挿入されてレーザビームＬが照射
される。又、バンパターン測定板８は、集光ミラー4Aか
ら加工終了点Ｂへの延長位置に配置され、加工終了直後
にＢ点を通過したレーザビームＬが照射される。従っ
て、バンパターン測定板７及び８は、Ｂ点に対応した位
置での集光ミラー4Aにおけるビーム径Ｄを測定するよう
になっている。

【００１８】図２は発振時間ｔに対するレーザビームＬ
のビーム径Ｄ並びに溶接の裏ビード幅Ｗの関係を示す特
性図である。通常、所望の加工能力を確保するために
は、ビーム径Ｄは約55ｍｍ以下に絞り込まれなければな
らない。又、溶接加工後のワーク５の裏から見た線5cで
の溶接幅即ち裏ビード幅Ｗは、溶接完成度に対応してお
り、１ｍｍ以下の場合は溶接不良とみなされるため、通
常１〜２ｍｍ程度以上の値が要求される。

【００１９】図２中、曲線Ｄaは出力窓２が新品(吸収率
αが0.2％程度)のときに10ＫＷの高出力発振させた場合
の特性を示し、曲線Ｄｂは出力窓２の吸収率αが長時間
使用による表面汚れ等で0.51％程度に増大したときに高
出力発振させた場合の特性を示す。又、Ｗa及びＷbは、
各ビーム径Ｄa及びＤbのレーザビームＬにより板厚3.2m
mのワーク５を溶接したときの裏ビード幅特性であり、
ｔ＝０は溶接開始点Ａに対応し、ｔ＝60秒は溶接終了点
Ｂに対応している。

【００２０】図３は熱レンズ作用を示す説明図であり、
(ａ)は出力窓２が正常状態でのレーザビームＬの光路、
(ｂ)は熱レンズ作用により出力窓２が変形した場合のレ
ーザビームＬの光路をそれぞれ示し、(ｂ)のように出力
窓２の熱レンズ作用が生じると、ビーム径Ｄ′が正常状
態のビーム径Ｄより大きくなることを示している。

【００２１】次に、図２及び図３を参照しながら、図１
に示したこの発明の一実施例の動作について説明する。
まず、ワーク５の加工時において、集光ミラー4Aが移動
し、レーザビームＬを溶接開始点Ａから溶接終了点Ｂま
で矢印Ｃ方向に走査し、ワーク5a及び5bを線5cを介して
溶接する。

【００２２】このとき、レーザビームＬは、溶接終了点
Ｂを通過した直後に、バンパターン測定板８に照射さ
れ、バンパターン測定板８上に照射形跡を残す。従っ
て、この照射形跡を測定することにより、溶接終了時点
の集光ミラー4Aにおけるビーム径Ｄを知ることができ
る。又、溶接終了後、バンパターン測定板７を破線位置
に移動させることにより、任意時間経過後の集光ミラー
4Aにおけるビーム径Ｄを知ることができる。

【００２３】尚、ビーム径Ｄと裏ビード幅Ｗとの関係
は、図２のように予め実測されているものとし、加工不
良即ち裏ビード幅Ｗが１ｍｍ以下となるときのビーム径
Ｄの管理値は、例えば55ｍｍと設定されている。従っ
て、ビーム径Ｄが管理値(55ｍｍ)以上になると加工不良
となってしまうので、ビーム径Ｄが管理値に接近したと
きには、直ちに出力窓２の交換又は清掃をすることにな
る。

【００２４】一般に、図３(ａ)のように初期設定された
ビーム径Ｄは、出力窓２の熱レンズ作用により(ｂ)のよ
うに変動する。例えば、経時劣化等により熱レンズ作用
が顕著になると、出力窓２の凸レンズとしての焦点距離
が短くなり、レーザビームＬの発散に伴ってＤ′(＞Ｄ)
のように拡大する。このように集光ミラー4Aの手前でレ
ーザビームＬが焦点を結ぶと、加工性能は著しく低下す
る。即ち、ビーム径特性がＤｂ(図２)のレーザビームＬ
で溶接が行われると、裏ビード幅ＷはＷｂ(破線)のよう
に変動し、溶接能力はビーム径Ｄの増大に伴って減少
し、裏ビード幅Ｗが１ｍｍ以下となって溶接不良が発生
してしまう。

【００２５】通常、出力窓２の経時変化は緩やかである
ため、バンパターン測定板７及び８によるビーム径測定
は定期的に行えばよい。これにより、清掃や交換時期が
把握可能となり、光学部品の管理が容易になる。そし
て、ビーム径Ｄの異常が検知されたときには、出力窓２
の交換又は清掃を行うことにより加工不良が未然に防止
され、所要値以上の裏ビード幅Ｗの溶接が確実に行われ
て加工の安定化が実現する。特に、ビーム径測定手段
（バンパターン測定板７、８）は、溶接時のレーザビー
ムの径と溶接後の裏ビード幅との関係に基づいてレーザ
ビームの径を管理しているので、信頼性の高いビーム径
測定を実現することができる。

【００２６】実施例２．尚、上記実施例ではバンパター
ン測定板７及び８を配置してビーム径Ｄを測定したが、
バンパターン測定板７又は８のいずれか一方のみで測定
してもよい。この場合、出力窓２の熱レンズ作用が発振
時間経過に伴って増大するので、少なくとも溶接終了点
Ｂでの集光ミラー4Aにおけるビーム径Ｄを測定する必要
がある。

【００２７】実施例３．又、実際の加工が行われた直後
にビーム径Ｄを測定するようにしたが、加工を行う直前
にビーム径Ｄをモニタすれば、加工不良の発生を更に確
実に防止することができる。この場合、レーザビームＬ
を発振器させて、疑似的に加工開始点Ａから加工終了点
Ｂまでの走査を行い、終了時点でのビーム径Ｄを測定す
ることになる。従って、ワーク５にレーザビームＬが照
射されないようにビームシャッタ(図示せず)を挿入し、
モニタ中にはワーク５への光路を遮断する必要がある。

【００２８】実施例４．又、レーザ加工としてスクライブ溶接の場合を例にとっ
て説明したが、その他の溶接においても同様に適用でき
同等の効果を奏することは言うまでもない。

【００２９】実施例５．又、図３(ｂ)のようにビーム径
Ｄの発散によって加工不良が発生する場合を示したが、
レーザ発振器１から集光ミラー4Aまでの距離が焦点距離
より短く、ビーム径Ｄが集光状態となった場合にも、ワ
ーク５上のスポットが不完全になって、同様に加工不良
が発生する。従って、ビーム径Ｄの管理値としては、上
限値のみならず下限値も設定する必要がある。

【００３０】実施例６．更に、ワーク５上にスポットを
形成するための集光手段として集光ミラー4Aを用いた
が、図４と同様に反射ミラー３と機能が分離された集光
レンズ４を用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、少なく
とも加工終了位置での集光手段におけるレーザビームの
径を測定し、溶接時のレーザビームの径と溶接後の裏ビ
ード幅との関係に基づいてレーザビームの径を管理し、
レーザビームの径が管理範囲外の場合に高い信頼性で異
常を検知して光学部品の交換又は清掃を促すようにした
ので、光学部品への熱影響等による加工不良の発生を未
然に防止して加工の安定化を実現したレーザ加工装置の
監視方法が得られる効果がある。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例が適用されるレーザ加工
装置を示す斜視図である。

【図２】この発明のレーザ加工装置の監視方法による
発振時間とビーム径及び裏ビード幅との関係を示す特性
図である。

【図３】一般的なレーザ加工装置の熱レンズ作用を示
す説明図である。

【図４】従来のレーザ加工装置の光路を示す構成図で
ある。

【符号の説明】

１レーザ発振器、２出力窓、4A 集光ミラー、５
ワーク、７、８バンパターン測定板(ビーム径測定手
段)、Ｂ加工終了点、Ｄビーム径、Ｌレーザビー
ム。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中宏治北九州市戸畑区飛幡町１番１号新日本製鐵株式会社八幡製鐵所内 (72)発明者北川勉尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社伊丹製作所内 (72)発明者森川克己尼崎市塚口本町８丁目１番１号三菱電機株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献特開平２−133186（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ発振器の出力窓から加工発振出力
のレーザビームを出射し、集光手段により前記レーザビ
ームをスポットに収束してワークに照射し、前記ワーク
を溶接するレーザ加工装置の監視方法において、少なくとも加工終了位置での前記集光手段における前記
レーザビームの径を測定し、溶接時の前記レーザビームの径と溶接後の裏ビード幅と
の関係に基づいて前記レーザビームの径を管理し、前記レーザビームの径が管理範囲外の場合に異常を検知
することを特徴とするレーザ加工装置の監視方法。