JP6579400B2 - レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法 - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光を用いて溶接する際に溶接部の品質を評価する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。
従来の溶接装置として、溶接中に発生するキーホールの深さを直接測定することで、溶接部の評価を行うレーザ溶接装置がある。
具体的には、図６に示すように、レーザ溶接装置１００において、溶接プロセス中はレーザ発振機１０２から溶接用のレーザ光が出力され、溶接ヘッド１０３を介して被溶接材１０４の溶接部１０５へ照射される。レーザ光が照射された溶接部１０５が上部から溶融・蒸発することで、溶接部１０５の金属材料が溶融して生じる溶融池１０６と、蒸発した金属の圧力により発生する空洞であるキーホール１０７が形成される。
この溶接プロセス中に、計測光光源１０８は、溶接用のレーザ光と異なる波長の計測光を連続的に出力する。計測光光源１０８は、出力する計測光の波長を周期的に変化させる。計測光は、光干渉計１０９、光ファイバ１１０を介して、溶接ヘッド１０３へ伝送され、ビームスプリッタ１１１で溶接用のレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、溶接部１０５のキーホール１０７へ照射される。
キーホール１０７で反射した計測光は、光ファイバ１１０を介して再び光干渉計１０９に入力される。光干渉計１０９では、参照光路１１２を通過した光とキーホール１０７で反射した計測光とが結合されて干渉光となる。干渉光は、ディテクタ１１３で強度を示す信号に変換される。
ディテクタ１１３で変換された信号に基づいて、計算機１１４がＳｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の原理により、キーホール１０７で計測光が反射した位置を求める。これにより、溶接プロセス中におけるキーホール深さを計測することができる。キーホール１０７の深さは溶接の溶け込み深さと相関があるため、レーザ溶接装置１００はこの深さの計測結果に基づき溶接の良否判定を行うことができる。
しかしながら、上記従来の構成では、溶融池１０６やキーホール１０７の振動が大きい場合や、スパッタが計測光を横切る頻度が高い場合、これらの影響でノイズが大きくなり、安定した計測ができないという課題を有している。
図７は、光周波数の変化速度（走査速度）が約５０Ｐ（ペタ）Ｈｚ／秒の計測光光源１０８で計測した結果である。図７において、横軸は時間であり、縦軸が反射信号の深さ、明るい点が反射信号の強さを示しており、溶接中は４段階で出力を徐々に下げている。図７に示すように、深さ方向に大きなノイズが発生しており、従来の構成では十分な精度で計測ができないことが分かる。
本発明は、上記従来の課題を解決するものであり、溶接池やキーホールの振動やスパッタなどがあっても安定してキーホール深さを計測できるレーザ溶接装置及び方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、被溶接材に向けてレーザ光を照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と異なる波長を有する計測光を出力し、出力時に前記計測光の波長を周期的に変化させる計測光光源と、前記レーザ光と前記計測光光源からの前記計測光とを同軸に重ね合わせて、前記レーザ光により前記被溶接材に形成された溶接部に照射する光学部材と、前記溶接部で反射した前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部のキーホール深さを計測する光干渉計と、を備え、前記計測光光源における光周波数の走査速度の平均値が２０００ＰＨｚ／秒以上である。
また、本発明のレーザ溶接装置では、前記計測光光源がＭＥＭＳミラーの動作により波長を走査する光源である。
また、本発明のレーザ溶接装置では、前記計測光光源が注入電流により波長を走査する半導体レーザである。
本発明のレーザ溶接方法は、被溶接材に向けてレーザ光を照射するレーザ出力工程と、前記レーザ光と異なる波長を有する計測光を出力し、出力時に前記計測光の波長を周期的に変化させる計測光出力工程と、前記レーザ光と計測光光源からの前記計測光とを同軸に重ね合わせて、前記レーザ光により前記被溶接材に形成された溶接部に照射する同軸照射工程と、前記溶接部で反射した前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部のキーホール深さを計測するキーホール深さ計測工程と、を備え、前記計測光出力工程における光周波数の変化速度の平均値が２０００ＰＨｚ／秒以上である。
本構成によって、溶接池やキーホールの振動やスパッタなどがあっても高精度にキーホール深さを計測できる。
以上のように、本発明のレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法によれば、溶接部の溶け込み深さを定量的、かつ、安定して計測することができ、その深さに基づいて前記溶接部の良否を精度良く評価することができる。
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概略図である。
図１は、本発明の実施の形態１におけるレーザ溶接装置の概略図である。
図１に示すように、レーザ溶接装置１において、溶接プロセス中はレーザ発振機２から溶接用のレーザ光が出力され、溶接ヘッド３を介して被溶接材４の溶接部５へ照射される。レーザ光が照射された溶接部５が上部から溶融・蒸発することで、溶接部５の金属材料が溶融して生じる溶融池６と、蒸発した金属の圧力により発生する空洞であるキーホール７が形成される。
この溶接プロセス中に、計測光光源８は、溶接用のレーザ光と異なる波長の計測光を連続的に出力する。計測光光源８は、出力する計測光の中心波長を周期的に変化させる。なお、このような計測光の中心波長を周期的に変化させる動作は波長走査と呼ばれることがある。計測光は、光干渉計９、光ファイバ１０を介して、溶接ヘッド３へ伝送され、ビームスプリッタ１１で溶接用のレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、溶接部５のキーホール７へ照射される。
キーホール７で反射した計測光は、光ファイバ１０を介して再び光干渉計９に入力される。光干渉計９では、参照光路１２を通過した光とキーホール７で反射した計測光とが結合されて干渉光となる。干渉光は、ディテクタ１３で強度を示す信号に変換される。
ディテクタ１３で変換された信号に基づいて、計算機１４がＳｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の原理により、キーホール７で計測光が反射した位置を求める。これにより、溶接プロセス中におけるキーホール深さを計測することができる。
図１に示すレーザ溶接装置１において、計測光光源８は波長の逆数である光周波数を時間に対して略線形に変化させる。ここで、計測光光源８の光周波数の変化速度（走査速度）は２０００ＰＨｚ／秒以上である。
計測光光源８から出力された光は、光干渉計９において、溶接部５で反射する光路と参照光路１２の２つに分岐される。分岐された光はそれぞれの光路を通り、再び光干渉計９で結合され、その干渉光がディテクタ１３で検出される。このとき、２つの光路の光路長差で２つの光に時間遅れが生じ、この時間遅れに比例した周波数の光ビートが得られる。ここで、光ビートの周波数と時間遅れのとの線形性により、ディテクタ１３で検出された光ビート信号を計算機１４でフーリエ変換（ＦＦＴ）することで、計測光の光軸上のキーホール深さを得ることができる。
ここで、計測光光源８の光周波数の走査速度が２０００ＰＨｚ／秒以上である理由について説明する。
キーホール７の表面には沸点に近い温度の溶融した金属が存在し、蒸発した金属との釣り合いによって空洞であるキーホール７が生じる。溶接ヘッド３が移動すると、キーホール７も共に移動する。このため、キーホール７は安定した形状を維持するのではなく、常に形状が変動し、その底面は振動している場合が多いと考えられる。また、レーザ溶接においてはピークパワーの高いエネルギーを持つレーザ光で溶接が行われるため、溶接条件によっては過剰なエネルギーが加えられ、スパッタ１５と呼ばれる金属粉が飛散することがある。このようにキーホール７の底面に振動が生じたり、溶接ヘッド３から照射される計測光中にスパッタ１５が発生したりした場合、キーホール深さの計測精度が低下することがある。
以下に、キーホール７底面の振動やスパッタ１５の発生などの影響を定量的に評価した結果を示す。
溶接部５の表面（ここでは、キーホール７の表面やスパッタ１５の表面を意味する）が一定速度で計測光の光軸に沿って上下に移動している場合に、キーホールの深さ計測結果への影響をシミュレーションした結果を図２に示す。表面の上下移動が停止している波形、すなわち移動速度が０．０ｍｍ／ｓのときの波形が計測されるべき波形である。しかしながら、図２に示すように、表面の移動速度が速くなるに従い、計測される波形のピーク位置、つまり、キーホール深さの計測結果にズレが生じる。
図２に例示したシミュレーション結果は、表面が一定速度で移動したときの結果であるが、移動速度が不規則に変化すると、図７のようにノイズが大量に含まれた計測結果が得られると考えられる。
一方、キーホール７底面の振動やスパッタ１５の発生などの影響は、計測光光源８の光周波数走査速度により異なる。光周波数の走査速度を変化させた場合の、表面速度の影響による計測誤差をシミュレーションした結果を図３のグラフに示す。図３に示すように、走査速度が速くなるほど、表面速度による計測誤差を低減できることが分かる。
実際の溶接において、表面の移動速度がどの程度になるかを計測した結果を図４に示す。図４では、横軸が時間、縦軸が深さを示しており、図４を参照すると、表面の移動速度は最大で０．８ｍ／秒程度になることが分かる。つまり、表面の移動速度が０．８ｍ／秒であっても、計測誤差（精度）以下の影響しか受けなければ安定した計測を実現できると言える。
ここで、レーザ溶接は自動車関連の溶接に多く使用される。自動車関連の溶接では溶接の深さがｍｍ単位であることが多い。このため、自動車関連の溶接では、キーホール深さの計測精度として、一桁小さい０．１ｍｍ程度が要求される（図３の点線）。このように表面速度が０．８ｍ／秒であるとき計測誤差（精度）を０．１ｍｍ以下にすることが要求された場合、図３を参照すれば、光周波数の走査速度を２０００ＰＨｚ／秒以上とすればよいことが分かる。
このように、計測光光源８の光周波数の走査速度が２０００ＰＨｚ／秒以上とすることにより、溶接部５の振動やスパッタ１５の飛散がある場合でも、ノイズが少なく安定したキーホール深さの計測が可能となる。一例として、光周波数の走査速度が約４０００ＰＨｚ／秒の計測光光源を用いてキーホール計測を実施した結果を図５に示す。図５によれば、キーホール深さを安定して計測できたことが確認できる。
２０００ＰＨｚ／秒以上の走査速度を実現する計測光光源８は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）で動作するミラーを用いて実現できる。ＭＥＭＳミラーを用いた計測光光源８は、ポリゴンミラーなどを用いた光源と比較して質量が小さいため、より高速な波長変化を実現できる。ＭＥＭＳミラーを用いた計測光光源８としては、例えば波長フィルタを共振器内に配置し、波長フィルタの透過波長を連続的に変化させる光源や、ＶＣＳＥＬ（Vertical Cavity Surface Emitting Laser）をゲイン媒体として用い、ＭＥＭＳで動作するミラーにより共振器長を変化させることで波長を走査する光源などがある。
なお、本実施の形態において、２０００ＰＨｚ／秒以上の走査速度を実現する計測光光源８として、ＭＥＭＳタイプの光源を用いたが、例えば、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザによる光源を用いてもよい。ＤＢＲレーザは注入電流を変化させることでキャリア効果により屈折率変化を生じさせ、共振器の光路長を変化させることで波長を変化させる。注入電流の変化による屈折率の変化は高速であり、機械的動作も含まないことから、非常に高速な波長変化を実現可能である。
本発明のレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法は、自動車や電子部品などのレーザ溶接に適用することができる。
１ レーザ溶接装置
２ レーザ発振機
３ 溶接ヘッド
４ 被溶接材
５ 溶接部
６ 溶融池
７ キーホール
８ 計測光光源
９ 光干渉計
１０ 光ファイバ
１１ ビームスプリッタ
１２ 参照光路
１３ ディテクタ
１４ 計算機
１５ スパッタ
１００ レーザ溶接装置
１０２ レーザ発振機
１０３ 溶接ヘッド
１０４ 被溶接材
１０５ 溶接部
１０６ 溶融池
１０７ キーホール
１０８ 計測光光源
１０９ 光干渉計
１１０ 光ファイバ
１１１ ビームスプリッタ
１１２ 参照光路
１１３ ディテクタ
１１４ 計算機
２ レーザ発振機
３ 溶接ヘッド
４ 被溶接材
５ 溶接部
６ 溶融池
７ キーホール
８ 計測光光源
９ 光干渉計
１０ 光ファイバ
１１ ビームスプリッタ
１２ 参照光路
１３ ディテクタ
１４ 計算機
１５ スパッタ
１００ レーザ溶接装置
１０２ レーザ発振機
１０３ 溶接ヘッド
１０４ 被溶接材
１０５ 溶接部
１０６ 溶融池
１０７ キーホール
１０８ 計測光光源
１０９ 光干渉計
１１０ 光ファイバ
１１１ ビームスプリッタ
１１２ 参照光路
１１３ ディテクタ
１１４ 計算機
Claims (4)
- 被溶接材に向けてレーザ光を照射するレーザ出力手段と、
前記レーザ光と異なる波長を有する計測光を出力し、出力時に前記計測光の波長を周期的に変化させる計測光光源と、
前記レーザ光と前記計測光光源からの前記計測光とを同軸に重ね合わせて、前記レーザ光により前記被溶接材に形成された溶接部に照射する光学部材と、
前記溶接部で反射した前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部のキーホール深さを計測する光干渉計と、
を備え、
前記計測光光源における光周波数の走査速度の平均値が２０００ＰＨｚ／秒以上である、
レーザ溶接装置。 - 前記計測光光源がＭＥＭＳミラーの動作により波長を走査する光源である、
請求項１記載のレーザ溶接装置。 - 前記計測光光源が注入電流により波長を走査する半導体レーザである、
請求項１記載のレーザ溶接装置。 - 被溶接材に向けてレーザ光を照射するレーザ出力工程と、
前記レーザ光と異なる波長を有する計測光を出力し、出力時に前記計測光の波長を周期的に変化させる計測光出力工程と、
前記レーザ光と計測光光源からの前記計測光とを同軸に重ね合わせて、前記レーザ光により前記被溶接材に形成された溶接部に照射する同軸照射工程と、
前記溶接部で反射した前記計測光と参照光との光路差によって生じる干渉に基づいて、前記溶接部のキーホール深さを計測するキーホール深さ計測工程と、
を備え、
前記計測光出力工程における光周波数の変化速度の平均値が２０００ＰＨｚ／秒以上である、
レーザ溶接方法。
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- 2017-10-26 JP JP2017207502A patent/JP6579400B2/ja active Active
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- 2018-10-25 US US16/170,450 patent/US20190126399A1/en not_active Abandoned
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