JP7126220B2 - レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接方法及びレーザ溶接装置に関するものである。

従来より、溶接部の溶け込み深さを直接測定することで、溶接部の品質を評価するようにしたレーザ溶接装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、レーザ光と測定光とを同軸上に重ね合わせて溶接部のキーホール内部に照射して、キーホールの底部で反射した測定光を、ビームスプリッタを介して光干渉計に入射させるようにした構成が開示されている。ここで、光干渉計では、測定光の光路長を測定できるため、測定した光路長からキーホールの深さを、溶接部の溶け込み深さとして特定するようにしている。

特開２０１２－２３６１９６号公報

しかしながら、例えば、ビームスプリッタが熱、振動、またはその経時変化等によって歪んでしまい、レーザ光と測定光との光軸ずれが生じた場合には、キーホールの深さを正確に特定することができなくなるおそれがある。

具体的に、キーホールの底部の断面は、溶接方向の前方の部分で溶け込みが浅い湾曲形状となっている。ここで、レーザ光よりも溶接方向の前方に測定光が光軸ずれした場合には、キーホールの最深部ではなく、最深部よりも溶け込みの浅い湾曲部分に測定光が照射されることとなる。そのため、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さが測定されてしまうおそれがあった。

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、溶接部の溶け込み深さを精度良く測定することができるようにすることにある。

本開示の態様は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接を行うレーザ溶接方法を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の態様は、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同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射するステップと、
前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定するステップと、
測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定するステップと、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動するように補正するステップとを備えたことを特徴とするものである。

第１の態様では、測定された複数の測定値を相対比較して光軸ずれ方向を判定する。そして、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動させている。

これにより、レーザ光に対する測定光の光軸ずれを補正して、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

具体的に、レーザ光よりも溶接方向の前方に測定光が光軸ずれした場合には、溶接部のキーホールの最深部ではなく、最深部よりも溶け込みの浅い部分に測定光が照射されてしまい、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さが測定されてしまう。

そこで、レーザ光に対してどの方向に測定光が光軸ずれしているのかを確認して、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動させ、レーザ光と測定光とを略同軸に重ね合わせるようにする。

このように、レーザ光と測定光とが略同軸となるように調整することで、レーザ溶接中に実際に測定された測定値が、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さとなるのを抑えることができる。

ここで、所定の領域内とは、例えば、レーザ光の光軸を中心とする半径２０～３０μｍの円形状の領域内とすればよい。

第２の態様は、第１の態様において、
前記測定光の照射位置を補正するステップでは、該測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方に移動するように補正することを特徴とするものである。

第２の態様では、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方に移動させている。

これにより、レーザ溶接中に実際に測定された測定値が、キーホールの実際の最深部よりも浅い深さとなるのを抑えることができる。

第３の態様は、第１又は第２の態様において、
前記測定光の照射位置を補正するステップでは、該測定光の光路上に配置された平行平板を回転させることによって、該測定光の照射位置を補正することを特徴とするものである。

第３の態様では、平行平板を回転させることで、測定光の光軸ずれを補正する方向に、測定光の照射位置を補正することができる。また、複数枚の平行平板を用いれば、合計板厚が同じとなる１枚の平行平板を用いた場合に比べて、最大の補正量は同じであるが、複数枚の平行平板のそれぞれの回転の組合せにより微細な位置調整が可能となる。

第４の態様は、第１乃至第３の態様のうち何れか１つにおいて、
前記レーザ溶接中に、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整するステップを備えたことを特徴とするものである。

第４の態様では、測定光の照射位置を、溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整している。

これにより、例えば、測定光とともにレーザ光を旋回移動させながら照射すれば、レーザ光を広範囲に照射することができる。

第５の態様は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接を行うレーザ溶接装置を対象とし、
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同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射する照射部と、
前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定する測定部と、
測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定する判定部と、
前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動するように補正する照射位置補正部とを備えたことを特徴とするものである。

第５の態様では、測定された複数の測定値を相対比較して光軸ずれ方向を判定する。そして、測定光の照射位置を、レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動させている。

これにより、レーザ光に対する測定光の光軸ずれを補正して、溶接部の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

第６の態様は、第５の態様において、
前記レーザ溶接中に、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整する照射位置調整部を備えたことを特徴とするものである。

第６の態様では、測定光の照射位置を、溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整している。

これにより、例えば、測定光とともにレーザ光を旋回移動させながら照射すれば、レーザ光を広範囲に照射することができる。

本開示の態様によれば、溶接部の溶け込み深さを精度良く測定することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の模式図である。 図２は、レーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。 図３は、レーザ光、測定光、キーホールの位置関係を示す側面断面図である。 図４は、測定光の光軸ずれが生じたときのレーザ光、測定光、キーホールの位置関係を示す側面断面図である。 図５は、光軸ずれが生じていない場合と、光軸ずれが生じている場合とで、溶け込み深さの測定結果を比較したグラフ図である。 図６は、レーザ光に対する測定光の光軸ずれの方向を特定するための手順を示す図である。 図７は、レーザ光及び測定光を円軌道で移動させたときの位置と、その位置で測定された溶け込み深さとの関係を示すグラフ図である。 図８Ａは、光学部材を透過したレーザ光の位置変化量を示す図である。 図８Ｂは、光学部材を透過した測定光の位置変化量を示す図である。 図８Ｃは、レーザ光及び測定光の位置変化量の差を示す図である。 図９は、２枚の平行平板で光軸ずれを補正した状態を示す図である。 図１０は、レーザ光に対する測定光の光軸ずれを補正した状態を示す図である。 図１１は、レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に測定光を移動させた状態を示す図である。 図１２は、レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方に測定光を移動させた状態を示す図である。の側面断面図である。 図１３は、溶接部の溶け込み深さの測定動作を示すフローチャート図である。 図１４は、本実施形態２に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。 図１５は、レーザ光をスピン軌道で溶接対象物に照射したときの溶接部の側面断面図である。

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、レーザ溶接装置１０は、レーザ光Ｌを出力するレーザ発振器１１と、測定光Ｓを出力する光干渉計１２と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを溶接対象物３０に向けて照射するレーザ照射ヘッド２０（照射部）と、レーザ照射ヘッド２０が取り付けられてレーザ照射ヘッド２０を移動させるロボット１８と、レーザ照射ヘッド２０やロボット１８の動作を制御してレーザ溶接を行う制御装置１６とを備えている。

レーザ発振器１１は、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ光Ｌを出力する。レーザ発振器１１とレーザ照射ヘッド２０とは、光ファイバ１９で接続されている。レーザ光Ｌは、光ファイバ１９を介して、レーザ発振器１１からレーザ照射ヘッド２０に伝送される。

光干渉計１２は、レーザ光Ｌとは波長の異なる測定光Ｓを出力する測定光発振器１３と、後述する溶接部３５の溶け込み深さを測定する測定部１４とを有する。測定光発振器１３は、制御装置１６からの指令に基づいて、測定光Ｓを出力する。光干渉計１２とレーザ照射ヘッド２０とは、光ファイバ１９で接続されている。測定光Ｓは、光ファイバ１９を介して、光干渉計１２からレーザ照射ヘッド２０に伝送される。

レーザ照射ヘッド２０は、ロボット１８のアーム先端部分に取り付けられており、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを溶接対象物３０で結像する。

ロボット１８は、制御装置１６からの指令に基づいて、レーザ照射ヘッド２０を指定された位置まで移動させ、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを走査する。

制御装置１６は、レーザ発振器１１、光干渉計１２、ロボット１８と接続されており、レーザ照射ヘッド２０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ている。詳しくは後述するが、制御装置１６は、測定部１４で測定された複数の測定値に基づいて、溶接部３５の溶け込み深さを判定する判定部１７を有する。

溶接対象物３０は、上下に重ね合わされた上側金属板３１と下側金属板３２とを有する。レーザ溶接装置１０は、上側金属板３１の上面にレーザ光Ｌを照射することで、上側金属板３１と下側金属板３２とを溶接する。

ここで、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０では、レーザ溶接と同時に溶接部３５の溶け込み深さの測定を行うことができるようになっている。

具体的に、図２に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを同軸の光束に結合するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７とを有する。

ビームスプリッタ２５は、ダイクロイックミラーであり、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌを透過し、光干渉計１２からの測定光Ｓを反射するように、透過・反射させる波長が設定されている。

このとき、ビームスプリッタ２５で、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを十分に分離するために、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの波長差を１００ｎｍ以上とすることが望ましい。また、本実施形態では、レーザ光Ｌのスポット径を７００～８００μｍ、測定光Ｓのスポット径を１００μｍとしている。

第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、図示しないモータに接続され、制御装置１６からの指令に従って回転する。

レーザ発振器１１から出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１９を通ってレーザ照射ヘッド２０に送られる。レーザ照射ヘッド２０に入ったレーザ光Ｌは、ビームスプリッタ２５を透過する。

一方、光干渉計１２から出力された測定光Ｓは、光ファイバ１９を通ってレーザ照射ヘッド２０に送られる。レーザ照射ヘッド２０に入った測定光Ｓは、ビームスプリッタ２５によって、レーザ光Ｌと同心・同軸上に重ね合わされる。同軸に重ね合わされたレーザ光Ｌと測定光Ｓとは、コリメートレンズ２１によって平行化され、フォーカスレンズ２２によって集光される。

フォーカスレンズ２２で集光されたレーザ光Ｌ及び測定光Ｓは、制御装置１６によって制御された第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を通ることによって、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置（焦点距離）が決定され、溶接対象物３０の溶接部３５にレーザ光Ｌ及び測定光が照射される。

このとき、レーザ照射ヘッド２０は、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を回転させることにより、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが円軌道となるように回転させて移動させることができる。つまり、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を変更可能な照射位置補正部を構成している。

また、ロボット１８によって、レーザ照射ヘッド２０を移動させることで、溶接対象物３０における溶接領域において、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させることができる。

図３に示すように、レーザ溶接装置１０では、上側金属板３１と下側金属板３２とを有する溶接対象物３０の溶接部３５を溶接するにあたり、溶接対象物３０の上方から上側金属板３１の上面にレーザ光Ｌが照射される。

レーザ光Ｌの照射された溶接部３５は、その上部から溶融し、溶接部３５に溶融池３６が形成される。溶接部３５が溶融する際に、溶融池３６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３７が形成される。ここでは、溶融池３６とキーホール３７とを合わせて溶接部３５として扱う。溶融池３６の溶接方向の後方には、溶融池３６が凝固することで凝固部３８が形成される。

このとき、光干渉計１２から出射される測定光Ｓが、ビームスプリッタ２５により、レーザ発振器１１からのレーザ光Ｌと同心・同軸上に重ね合わされ、キーホール３７の内部に照射される。照射された測定光Ｓは、キーホール３７の底部３７ａで反射し、ビームスプリッタ２５を介して、光干渉計１２に入射する。

光干渉計１２に入射した測定光Ｓの光路長は、測定部１４で測定される。測定部１４では、測定した光路長からキーホール３７の深さを、溶接部３５の溶け込み深さとして特定する。レーザ溶接装置１０では、特定した溶け込み深さに基づいて、溶接部３５の良否を判断するようにしている。

以上の構成により、レーザ溶接装置１０は、溶け込み深さ測定機能と、レーザ溶接機能とを同時に行うことを可能とする。

ところで、例えば、ビームスプリッタ２５が熱、振動、またはその経時変化等によって歪んでしまい、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの光軸ずれが生じることがある。そして、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの光軸ずれが生じた場合には、光干渉計１２が、キーホール３７の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまい、溶け込み深さを精度良く測定することができない場合がある。

具体的に、キーホール３７は、溶接部３５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３７の形状は、レーザ光Ｌの照射時間や溶融池３６の状態によって変化する。

ここで、キーホール３７の溶接方向の前方の内壁部は、レーザ照射ヘッド２０の移動速度（溶接速度）が速くなるほど、キーホール３７の後方に向かって湾曲した形状となる傾向を示す。そこで、キーホール３７の底部３７ａの湾曲部分の曲率を低減するために、レーザ溶接速度を適切に設定するのが好ましい。

しかしながら、レーザ溶接速度を適切に設定したとしても、キーホール３７の開口径と底部３７ａの孔径とを略等しくするのは困難であり、キーホール３７の溶接方向の前方の内壁部では、溶け込みが浅い湾曲形状が生じてしまうこととなる。

そのため、図４の仮想線で示すように、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれした場合には、キーホール３７の底部３７ａの位置と、測定光Ｓのスポットの中心の位置とが一致しなくなり、測定光Ｓが底部３７ａに照射されない状態が生じ得る。

底部３７ａに測定光Ｓが照射されない状態、例えば、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれして、キーホール３７の前側の内壁部に測定光Ｓが照射された状態では、測定光Ｓの反射した位置を底部３７ａの位置として、光干渉計１２は、キーホール３７の深さを測定する。

つまり、底部３７ａに測定光Ｓが照射されなければ、光干渉計１２は、キーホール３７の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう。図４に示す例では、キーホール３７の実際の深さＤminよりも浅い深さＤを測定することとなる。このように、実際の深さよりも浅く測定したキーホール３７の深さからは、精度良く溶接部３５の検査を行うことはできない。

以下、光軸ずれが生じていない場合と、光軸ずれが生じている場合とで、溶接部３５の溶け込み深さ、つまり、キーホール３７の深さの測定値がどのように変化するのかについて説明する。

図４に示す例では、上側金属板３１の板厚が１ｍｍ、下側金属板３２の板厚が４．３ｍｍであり、測定光Ｓの光軸が、レーザ光Ｌの光軸よりも溶接方向の前方に１００μｍずれているものとする。

図５は、溶接対象物３０の表面又は基準となる仮想の面からの、溶接部３５の溶け込み深さとして、キーホール３７の深さを測定したときのグラフ図である。図５に示すように、光軸ずれが生じている方向に移動させながら溶け込み深さを測定した場合には、キーホール３７の深さの測定値が３ｍｍ付近を推移している。これに対し、光軸ずれが生じていない場合には、キーホール３７の深さの測定値が４ｍｍ付近を推移している。

なお、測定値が浅くなるのは、測定光Ｓがレーザ光Ｌに対して溶接方向の前方に光軸ずれしている場合なので、例えば、レーザ光Ｌの溶接方向の後方向や左右方向に測定光Ｓが光軸ずれしている場合は、キーホール３７の深さの測定値が４ｍｍ付近を推移することとなる。

〈光軸ずれ方向の判定方法〉
そこで、本実施形態では、レーザ光Ｌに対してどの方向に測定光Ｓが光軸ずれしているのかを確認するために、レーザ溶接装置１０の起動時などに、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を円軌道で移動させながらレーザ溶接を行うようにした。

図６に示すように、レーザ溶接装置１０は、溶接対象物３０に対して、図６に中心線で示すような円形状の溶接経路に沿ってレーザ溶接を行う。以下、例えば、円形状の溶接経路における図６の下部位置を判定の開始位置としての基点の０°位置として、レーザ照射ヘッド２０自体を、図６のＸ点を中心として所定の半径（例えば、５０～７０ｍｍ）で、時計回り方向としての溶接方向に円軌道の軌跡で移動させながらレーザ溶接を行うものとする。また、図６に示す例では、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して右斜め前４５°方向に光軸ずれしているものとする。

まず、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を、円形状の溶接経路に沿って時計回り方向に移動させながらレーザ溶接を行う。このとき、基点の０°位置をスタートしてから再び０°位置に戻ってくるまでの間、溶接部３５の溶け込み深さを測定する。

そして、判定部１７において、レーザ溶接中に測定された複数の測定値を相対比較することにより、測定光Ｓの光軸ずれ方向を判定する。

具体的に、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが、円形状の溶接経路の０°位置から９０°位置に向かって移動している間は、測定光Ｓの照射位置が、レーザ光Ｌの光軸よりも溶接方向の後方に位置している。そのため、図７に示すように、溶接経路の０°位置から９０°位置の区間では、溶接部３５の溶け込み深さは略一定の値で推移している。

次に、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが、溶接経路の９０°位置から１８０°位置に向かって移動している間は、測定光Ｓの照射位置が、レーザ光Ｌの光軸よりも溶接方向の前方に位置している。そのため、図７に示すように、溶接経路の９０°位置から１８０°位置の区間では、溶接部３５の溶け込み深さは、０°位置から９０°位置の区間よりも小さな値が測定されている。

また、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが、溶接経路の１８０°位置から２７０°位置に向かって移動している間と、２７０°位置から３６０°位置（０°位置）に向かって移動している間は、測定光Ｓの照射位置が、レーザ光Ｌの光軸よりも溶接方向の後方に位置している。そのため、図７に示すように、溶接経路の０°位置から９０°位置の区間では、溶接部３５の溶け込み深さは略一定の値で推移している。

ここで、図７のグラフ図を見ると、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが、溶接経路の１３５°位置付近を移動する際に、最も小さな値が測定されている。このことから、溶接経路の１３５°位置を通過する際に、レーザ光Ｌの光軸に対して溶接方向の前方となる方向、つまり、測定光Ｓが、レーザ光Ｌに対して右斜め前４５°方向に光軸ずれしていることが分かる。

このように、レーザ溶接装置１０の起動時などで、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれの方向が分からない場合でも、測定された複数の測定値を相対比較することで、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが相対的に光軸ずれしている光軸ずれ方向を判定することができる。

〈光軸ずれの補正方法〉
そして、このような光軸ずれ方向の判定を行った後、実際にレーザ溶接を開始する前に、測定光Ｓの光軸がレーザ光Ｌの光軸と略同軸となるように補正するようにしている。

以下、測定光Ｓの光軸ずれを補正するための補正方法について、図８Ａ～図８Ｃを用いて説明する。図８Ａ及び図８Ｂに示すように、レーザ光Ｌと測定光Ｓとは、波長が異なっており、本実施形態では、レーザ光Ｌの波長λ１を９７５ｎｍ、測定光Ｓの波長λ２を１３００ｎｍとしている。

以下の説明では、板厚ｔ／２の第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を重ね合わせ、説明し易いように、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過する平行平板の合計板厚ｔとする計算上の部材を、光学部材２８と呼ぶ。この場合は、第１の平行平板２６と第２の平行平板２７との厚みの合計が合計板厚ｔであり、平行平板の合計板厚により最大補正量が決定される。

ここで、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが光学部材２８を透過すると、空気の屈折率ｎ（＝１）と、光学部材２８の屈折率ｎ１，ｎ２との違いにより、屈折角φ１’，φ２’が生じる。そして、この屈折角φ１’，φ２’に応じて、位置変化量ｄ１，ｄ２が変化する。

ここで、屈折率ｎ１，ｎ２は、光の波長に依存するため、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの波長差によって、屈折角φ１’，φ２’に変化が生じる。これに伴い、図８Ｃに示すように、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの光軸ずれ量ｄ１－ｄ２が生じる。

以下、光軸ずれ量ｄ１，ｄ２の求め方について説明する。図８Ａに示すように、レーザ光Ｌの波長λ１が９７５ｎｍのとき、光学部材２８の屈折率ｎ１が１．４５１となっている。なお、屈折率ｎ１は、光学部材２８の材質によって異なるが、本実施形態では、例えば、合成石英の屈折率で算出している。また、光学部材２８へのレーザ光Ｌの入射角φ１を４５°とする。また、計算上の合計板厚ｔとしての光学部材２８の厚さｔを４０ｍｍとしている。

ここで、スネルの法則より、下記（１）式が得られる。

ｎ・ｓｉｎφ１＝ｎ１・ｓｉｎφ１’ ・・・（１）
そして、（１）式より、屈折角φ１’＝２９．１６４８［°］が算出される。

また、位置変化量ｄ１は、下記（２）式で算出することができる。

ｄ１＝ｔ・ｓｉｎφ１・（１－ｃｏｓφ１／（ｎ１・ｃｏｓφ１’）） ・・・（２）
そして、（１）式で算出した屈折角φ１’と、（２）式とに基づいて、位置変化量ｄ１＝１２．４９９５［ｍｍ］が算出される。

次に、図８Ｂに示すように、測定光Ｓの波長λ２が１３００ｎｍのとき、光学部材２８の屈折率ｎ２が１．４４７となっている。なお、屈折率ｎ２は、光学部材２８の材質によって異なるが、本実施形態では、例えば、合成石英の屈折率で算出している。また、光学部材２８へのレーザ光Ｌの入射角φ２を４５°とする。また、計算上の合計板厚ｔとしての光学部材２８の厚さｔを４０ｍｍとする。

ここで、スネルの法則より、下記（３）式が得られる。

ｎ・ｓｉｎφ２＝ｎ２・ｓｉｎφ２’ ・・・（３）
そして、（３）式より、屈折角φ２’＝２９．２５３３［°］が算出される。

また、位置変化量ｄ２は、下記（４）式で算出することができる。

ｄ２＝ｔ・ｓｉｎφ２・（１－ｃｏｓφ２／（ｎ２・ｃｏｓφ２’）） ・・・（４）
そして、（３）式で算出した屈折角φ２’と、（４）式に基づいて、位置変化量ｄ２＝１２．４４２２［ｍｍ］が算出される。

次に、図８Ｃに示すように、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓを同軸に重ね合わせた状態で光学部材２８を透過させると、先ほど算出したように、光軸ずれが発生する。このときの光軸ずれ量ｄ１－ｄ２は、５７．３μｍとなる。

このように、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの波長差によって、光学部材２８を透過した際に、５７．３μｍの光軸ずれが生じることとなる。そこで、本実施形態では、このような光学部材２８による位置変化量を敢えて活用することで、特定された光軸ずれ方向に対して補正を行うようにしている。

具体的に、図９に示すように、第１の平行平板２６と第２の平行平板２７とを回転させ、特定された光軸ずれ方向とは逆方向に、波長差による光軸ずれが生じるように調整する。これにより、図１０にも示すように、測定光Ｓの照射位置が、レーザ光Ｌの光軸中心に向かって移動するように変化して、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが略同軸となるように補正される。

このようにすれば、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれを補正して、溶接部３５の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

なお、図１０に示す例では、測定光Ｓの光軸がレーザ光Ｌの光軸と略同軸となるように補正するようにしたが、この形態に限定するものではない。

例えば、図１１に示すように、測定光Ｓの照射位置としての測定光Ｓの光軸を、レーザ光Ｌの光軸を中心とする所定の領域４０内（図１１にハッチングで示す領域）に移動するように補正してもよい。なお、図１１に示す例では、ハッチングで示す領域４０の大きさを誇張して測定光Ｓのスポット径よりも相対的に大きく描いているが、実際には、測定光Ｓのスポット径が１００μｍであるのに対し、半径２０～３０μｍ程度の円形状の領域４０である。

これにより、測定光Ｓの光軸がレーザ光Ｌの光軸に対して多少ずれていたとしても、所定の領域４０内に測定光Ｓの光軸が位置していれば、測定値のばらつきを抑えることができる。

また、例えば、図１２に示すように、測定光Ｓの照射位置を、レーザ光Ｌのスポット径におけるレーザ光Ｌの光軸中心よりも溶接方向の後方の領域４１に移動するように補正してもよい。つまり、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが溶接方向の前方に位置している場合にのみ、測定値が小さく測定されてしまうため、溶接方向の後方の領域４１に位置させることで、測定値のばらつきを抑えることができる。

以下、溶接部３５の溶け込み深さの測定動作について、図１３のフローチャート図を用いて説明する。図１３に示すように、まず、ステップＳ１０１では、レーザ照射ヘッド２０においてレーザ光Ｌと測定光Ｓとを同軸に重ね合わせて溶接部３５に照射し、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を、円形状の溶接経路に沿って移動させながら、溶接部３５で反射した測定光Ｓに基づいて溶接部３５の溶け込み深さを測定し、ステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、判定部１７において、円形状の溶接経路に沿って移動させながら測定した複数の測定値を相対比較して、測定値にばらつきがあるかを判定する。ステップＳ１０３での判定が「ＹＥＳ」の場合には、ステップＳ１０４に分岐する。ステップＳ１０３での判定が「ＮＯ」の場合には、ステップＳ１０５に分岐する。

ステップＳ１０４では、複数の測定値のうち、最も小さな測定値が測定された方向に基づいて、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが光軸ずれした光軸ずれ方向を判定し、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０５では、光軸ずれが生じていないと判定し、処理を終了する。

ステップＳ１０６では、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を回転させ、特定された光軸ずれ方向とは逆方向に、レーザ光Ｌと測定光Ｓとの波長差による光軸ずれが生じるように調整することで光軸ずれを補正して、処理を終了する。

これにより、レーザ光Ｌに対して測定光Ｓが光軸ずれしていた場合でも、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７によって光軸ずれを補正して、溶接部３５の溶け込み深さを精度良く特定することができる。

《実施形態２》
図１４は、本実施形態２に係るレーザ照射ヘッドの構成を示す模式図である。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。

図１４に示すように、レーザ照射ヘッド２０は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとを同軸の光束に結合するビームスプリッタ２５と、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓが透過するコリメートレンズ２１及びフォーカスレンズ２２と、第１の平行平板２６と、第２の平行平板２７と、第３の平行平板２９とを有する。

第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、レーザ光Ｌと測定光Ｓとが円軌道となるように回転させ、旋回移動（スピン軌道）させるために用いられる。つまり、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７は、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を変更可能な照射位置調整部を構成している。

なお、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７の回転を調整することで、スピン軌道の他にも、円形状、楕円形状、四角形状などの様々な軌道で溶接を行うことができる。

第３の平行平板２９は、前記実施形態１において説明したように、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれを補正するために用いられる。

レーザ溶接装置１０は、溶接対象物３０に対して、螺旋状にレーザ光Ｌ及び測定光Ｓを照射しながら溶接方向に相対的にビームスポットを移動させるスピン軌道でレーザ光Ｌ及び測定光Ｓを照射して、溶接対象物３０を溶接する。このときに、第３の平行平板２９を回転させ、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれ補正を行う。

なお、スピン軌道とは、照射するレーザ光Ｌ及び測定光Ｓによるスポットを円形状の軌道で移動させながら溶接方向に移動させるレーザ光Ｌ及び測定光Ｓの軌道であり、言い換えると、溶接方向において、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの軌跡が回転しながら相対的に直線移動されている軌道である。

ところで、レーザ光Ｌのスピン軌道のスピン径が大きい（例えば、φ０．３ｍｍ以上）場合には、図１５に示すように、溶接部３５の溶け込み深さにばらつきが生じて、溶接部３５の底部の断面形状が、振幅の大きな波目状となることがある。

具体的に、レーザ光Ｌのスピン軌道のスピン径が小さければ、入熱エリアが狭いため、溶接部３５の溶け込み深さの深い部分と浅い部分との差が小さく、溶接部３５の底部の断面形状が、振幅の小さな波目状となる。

これに対し、レーザ光Ｌのスピン軌道のスピン径が大きいほど、入熱エリアが広がり、溶接部３５の溶け込み深さは全体的に浅くなる傾向にある。そして、入熱エリアが広いほど、高入熱エリアや低入熱エリアが拡大され、溶接部３５の溶け込み深さの深い部分と浅い部分とが拡大されることとなる。そして、溶け込み深さの浅い部分では、溶接強度が不足するおそれがあるため、溶け込み深さを精度良く測定する必要がある。

ここで、本実施形態２では、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７を用いて、レーザ光Ｌをスピン軌道で照射するとともに、第３の平行平板２９を用いてレーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれを補正するようにしている。

このように、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれを根本的に無くす又は減らすことで、レーザ光Ｌに対する測定光Ｓの光軸ずれが生じていない状況下で、レーザ光Ｌのスピン軌道の全領域で溶接部３５の溶け込み深さの測定を実施することができる。

これにより、溶接部３５の溶け込み深さの深い部分と浅い部分との両方を、高精度に測定することが可能となる。

《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、光軸ずれ方向を判定するために、円形状の溶接経路に沿ってレーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させながらレーザ溶接を行うようにしたが、この形態に限定するものではない。例えば、四角形状やその他の多角形状の溶接経路に沿って移動させてもよい。また、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置の移動方向は、時計回りであっても良いし、反時計回りであっても良い。

また、本実施形態では、平行平板等の光学部品を用いたレーザ照射ヘッド２０やロボット１８によって、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させているが、螺旋状の軌跡を通るようにレーザ照射位置を変更できれば、レーザ光Ｌを走査させるためのガルバノスキャナなどの光学装置を用いてもよい。

また、本実施形態では、複数の測定値のうち最も小さな測定値が測定された方向を、光軸ずれ方向と判定するようにしたが、これに限定するものではない。例えば、複数の測定値と所定の基準値とを比較して、基準値よりも小さな測定値が測定された方向を光軸ずれ方向と判定するようにしてもよい。

また、本実施形態では、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７の２枚を用いて、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させているが、例えば、複数枚の平行平板の組合せではなく、複数枚の平行平板の板厚の計算上の合計板厚が同じとなる１枚の平行平板を用いて、レーザ光Ｌ及び測定光Ｓの照射位置を移動させるようにしてもよい。

また、本実施形態２では、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７をスピン軌道のために用い、第３の平行平板２９を光軸ずれ補正のために用いるようにしたが、第１の平行平板２６、第２の平行平板２７、及び第３の平行平板２９を３枚とも、光軸ずれ補正のために用いれば、合計板厚が同じとなる１枚や２枚の平行平板を用いた場合に比べて、最大の補正量は同じであるが、３枚以上の複数枚の平行平板のそれぞれの回転の組合せにより、さらに微細な分解能での位置調整が可能となる。

また、本実施形態２では、第３の平行平板２９を、第１の平行平板２６及び第２の平行平板２７と同軸に並べて配置しているが、測定光Ｓの光路上であれば、どの位置でも構わない。例えば、ビームスプリッタ２５の手前側、つまり、ビームスプリッタ２５と光干渉計１２との間に配置しても構わない。

以上説明したように、本発明は、溶接部の溶け込み深さを精度良く測定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。

１０ レーザ溶接装置
１４ 測定部
１７ 判定部
２０ レーザ照射ヘッド（照射部）
２６ 第１の平行平板（照射位置補正部、照射位置調整部）
２７ 第２の平行平板（照射位置補正部、照射位置調整部）
２９ 第３の平行平板（照射位置補正部）
３５ 溶接部
４０ 領域
４１ 領域
Ｌ レーザ光
Ｓ 測定光

Claims (6)

1. レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接を行う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同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射するステップと、
   前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定するステップと、
   測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定するステップと、
   前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動するように補正するステップとを備えたことを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 請求項１において、
   前記測定光の照射位置を補正するステップでは、該測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸中心よりも溶接方向の後方に移動するように補正することを特徴とするレーザ溶接方法。
3. 請求項１又は２において、
   前記測定光の照射位置を補正するステップでは、該測定光の光路上に配置された平行平板を回転させることによって、該測定光の照射位置を補正することを特徴とするレーザ溶接方法。
4. 請求項１乃至３のうち何れか１つにおいて、
   前記レーザ溶接中に、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整するステップを備えたことを特徴とするレーザ溶接方法。
5. レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接を行うレーザ溶接装置であって、
   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同軸に重ね合わせて前記溶接部に照射する照射部と、
   前記レーザ溶接中に前記溶接部で反射した前記測定光に基づいて、該溶接部の溶け込み深さを測定する測定部と、
   測定された複数の測定値の相対比較により、前記レーザ光に対して前記測定光が光軸ずれした光軸ずれ方向を判定する判定部と、
   前記測定光の照射位置を、前記レーザ光の光軸を中心とする所定の領域内に移動するように補正する照射位置補正部とを備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。
6. 請求項５において、
   前記レーザ溶接中に、前記測定光の照射位置を、所定の溶接経路上を移動する回転中心周りに移動するように調整する照射位置調整部を備えたことを特徴とするレーザ溶接装置。

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