JP7616151B2 - レーザ加工装置、および、評価方法 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工装置、および、評価方法に関する。

特許文献１に記載されているように、従来は、レーザ加工装置における溶接品質を評価するため、レーザ光の照射により溶接対象の溶接部位から発せられる熱放射光の強度の測定結果が用いられていた。

特開２０２１－５８９２７号公報

熱放射光の強度を正確に測定するためには、レーザ光の照射範囲がセンサの視野内にあり、レーザ光の集光径とセンサの視野の大きさとを揃えることを要する。例えば、センサの視野がレーザ光の照射範囲より大きい場合、レーザ光の照射範囲の近傍の溶融池から発生する熱放射光も測定されてしまう。この場合、レーザ光の照射範囲における熱放射光を正確に測定することができず、評価精度が低下する。よって、評価精度を維持するためには、センサの視野とレーザ光の集光径とを精度よく合わせることが必須となり、評価精度を容易に維持することができるレーザ加工装置が求められていた。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。
本開示の一形態によれば、レーザ加工装置が提供される。このレーザ加工装置は、レーザ反射光の強度のみを用いてレーザ加工の品質を評価する機能を備えたレーザ加工装置であって、レーザ光を発振する発振器と、前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部であって、前記レーザ光の中心波長を中心とする決められた範囲の波長域である反射波長域の第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部であって前記反射波長域の第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、前記加工対象部位で反射し、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、前記ミラーを透過した前記第１レーザ光であって前記加工対象部位で反射せずに進入した前記第１レーザ光をあらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させることにより、前記第１レーザ光を前記センサ部に入射させない吸収部と、前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果に基づいて前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を表す評価結果を出力する品質評価部と、を備える。
上記形態の記載のレーザ加工装置において、前記吸収部は、前記第１レーザ光が入射する筒状部材であって、内側に黒アルマイト処理が施された面を有し、一方の端部が閉じられた筒状部材を備える。前記筒状部材は、第１直線部と、第１屈曲部と、第２直線部と、第２屈曲部と、第３直線部とを含み、前記第１直線部は、前記発振器から出射された前記レーザ光の前記光路に沿って延び、前記第２直線部は、前記第１直線部が延びる方向に交差する方向に延び、前記第１屈曲部は、前記第１直線部と前記第２直線部とをつなぎ、前記第２屈曲部は、前記第２直線部と前記第３直線部とをつなぎ、前記第３直線部は、前記第２直線部が延びる方向に交差する方向に延び、端部に向かって徐々に細くなるようにテーバー状に形成され、前記第３直線部の端部は閉じられていてもよい。
本開示の他の形態によれば、レーザ反射光の強度のみを用いてレーザ加工装置のレーザ加工の品質を評価する評価方法が提供される。前記レーザ加工装置は、レーザ光を発振する発振器と、前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部であって前記レーザ光の中心波長を中心とする決められた範囲の波長域である反射波長域の第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部であって前記反射波長域の第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、前記加工対象部位で反射し、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、前記ミラーを透過した前記第１レーザ光であって前記加工対象部位で反射せずに進入した前記第１レーザ光をあらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させることにより、前記第１レーザ光を前記センサ部に入射させない吸収部と、を備える。この評価方法は、コンピュータに、前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果を受け付けるステップと、前記測定結果に基づいて、前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価するステップと、前記品質を表す評価結果を出力するステップと、を実行させる。
（１）本開示の一形態によれば、レーザ加工装置が提供される。このレーザ加工装置は、レーザ加工の品質を評価する機能を備えたレーザ加工装置であって、レーザ光を発振する発振器と、前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部である第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部である第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、
前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、前記第１レーザ光を受け取って、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させる吸収部と、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果に基づいて前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を表す評価結果を出力する品質評価部と、を備える。
上記の形態によれば、発振器から出射されたレーザ光のうちミラーを透過した第１レーザ光は、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させられ、センサ部に入射しない。品質評価部は、加工対象部位で反射した第１反射光の強度に基づいて加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価する。熱放射光を用いてレーザ加工の品質を評価する態様に比べ、センサの視野とレーザの集光径とを精度よく合わせることが必須ではないので、評価精度の維持が容易となる。
（２）上記形態の記載のレーザ加工装置において、前記吸収部は、前記第１レーザ光が入射する筒状部材であって、内側に黒アルマイト処理が施された面を有し、一方の端部が閉じられた筒状部材を備えてもよい。
上記の形態によれば、吸収部が有する筒状部材に入射した第１レーザ光は反射を繰り返すうちに減衰する。このような簡易な構成により、ミラーを透過した第１レーザ光を、あらかじめ決められた光量以下となるまで減衰させることができる。
（３）本開示の他の形態によれば、レーザ加工装置のレーザ加工の品質を評価する評価方法が提供される。前記レーザ加工装置は、レーザ光を発振する発振器と、前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部である第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部である第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、前記第１レーザ光を、前記第１レーザ光を受け取って、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させる吸収部と、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、を備える。この評価方法は、コンピュータに、前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果を受け付けるステップと、前記測定結果に基づいて、前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価するステップと、前記品質を表す評価結果を出力するステップと、を実行させる。
上記の形態によれば、発振器から出射されたレーザ光のうちミラーを透過した第１レーザ光は、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させられ、センサ部に入射しない。品質評価部は、加工対象部位で反射した第１反射光の強度に基づいて加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価する。熱放射光を用いてレーザ加工の品質を評価する態様に比べ、センサの視野とレーザの集光径とを精度よく合わせることが必須ではないので、評価精度の維持が容易となる。

レーザ溶接装置の概略構成を示す図である。 減衰構造の概略構成を表した図である。 減衰構造を備えるレーザ加工装置において、測定部に到達するまでの反射光の進路を表した概略図である。 減衰構造を備えないレーザ加工装置において、測定部に到達するまでの反射光の進路を表した概略図である。 レーザ溶接装置による溶接の品質を評価する評価方法を示すフローチャートである。 レーザ集光径とセンサ視野との位置関係を表す例を示す図である。 レーザ集光径とセンサ視野との位置関係を表す他の例を示す図である。 レーザ集光径とセンサ視野との位置関係を表すさらに他の例を示す図である。

Ａ．実施形態
図１は、レーザ溶接装置１００の概略構成を示す図である。図１においては、技術の理解を容易にするため、ＸＹＺ直行座標系を設定する。Ｘ軸およびＹ軸は水平面に沿っており、Ｚ軸は鉛直線に沿っているものとする。従って、－Ｚ方向は重力方向である。レーザ溶接装置１００は、重ねられた第１金属対象物Ｗａと第２金属対象物Ｗｂとにレーザ光ＬＢを照射することにより、第１金属対象物Ｗａと第２金属対象物Ｗｂとを溶接する。第１金属対象物Ｗａと第２金属対象物Ｗｂとを合わせてワークＷＫとよぶ。レーザ溶接装置１００を、レーザ加工装置ともよぶ。また、レーザ溶接装置１００は、ワークＷＫで反射したレーザ光ＬＢである反射光ＲＢの強度に基づいて、溶接の品質を評価する。図１においては、技術の理解を容易にするため、レーザ光ＬＢの光路と、反射光ＲＢの光路とをずらして表している。レーザ溶接装置１００は、レーザ発振器１０と、光ファイバケーブル１１と、レーザスキャナ２０と、測定部３０と、減衰構造４０と、制御部６０と、入力装置６１と、表示装置６２とを備える。

レーザ発振器１０は、レーザ発振により生成されたレーザ光ＬＢを出力する。レーザ発振器１０は、例えば、ファイバーレーザである。レーザ発振器１０は、光ファイバケーブル１１を介してレーザスキャナ２０に接続されている。レーザ発振器１０を、発振器ともよぶ。

レーザスキャナ２０は、レーザ発振器１０が出力したレーザ光ＬＢを加工対象であるワークＷＫに照射する。レーザスキャナ２０は、不図示のロボットアームの先端に取り付けられている。レーザスキャナ２０は、ロボットアームによりワークＷＫの目標溶接位置に移動される。なお、不図示のロボットコントローラによりロボットアームが備える各関節が駆動させられることにより、ロボットアームはレーザスキャナ２０を指定された位置に移動し、指定された向きに配することができる。レーザスキャナ２０は、光アイソレータ２０５と、光学系２１０と、Ｚレンズ駆動ユニット２２０と、ガルバノスキャナユニット２３０と、保護ガラス２４０とを備える。

光アイソレータ２０５は、光ファイバケーブル１１の端面から出射されたレーザ光ＬＢを通過させ、反射光ＲＢがレーザ発振器１０に進入するのを抑制する。光アイソレータ２０５は、光ファイバケーブル１１を介してレーザ発振器１０に接続されている。

光学系２１０は、決められた光路を進むようにレーザ光ＬＢを導く。光学系２１０は、コリメートレンズ２１１と、ダイクロイックミラー２１２と、第１反射ミラー２１３と、回析光学素子（Diffractive Optical Element: DOE）２１４と、Ｚレンズ２１５と、第２反射ミラー２１６と、集光レンズ２１７とを含む。コリメートレンズ２１１は、レーザ光ＬＢを平行光に補正するためのレンズである。

ダイクロイックミラー２１２は、特定の波長域の光を反射させ、他の波長域の光を透過させるミラーである。ダイクロイックミラー２１２を、ミラーともよぶ。実施形態において、ダイクロイックミラー２１２は、レーザ発振器１０が出力するレーザ光ＬＢの中心波長を中心とする決められた波長域の光を反射させ、他の波長域の光を透過させる。ダイクロイックミラー２１２が反射させる波長域を反射波長域という。実施形態においては、反射波長域は、レーザ光ＬＢの中心波長を中心とする決められた範囲の波長域である。レーザ光ＬＢの中心波長は、例えば、１０７０ｎｍである。ただし、ダイクロイックミラー２１２は、反射波長域の光を完全に反射することはできない。例えば、ダイクロイックミラー２１２における、反射波長域の反射率は、９９．９％、反射波長域の透過率は、０．１％である。言い換えると、ダイクロイックミラー２１２に入射した特定の波長域の光のうちの０.１％は、ダイクロイックミラー２１２を透過する。ダイクロイックミラー２１２を透過する一部の反射波長域のレーザ光ＬＢを、第１レーザ光ともよぶ。ダイクロイックミラー２１２で反射する一部の反射波長域のレーザ光ＬＢを、第２レーザ光ともよぶ。

第１反射ミラー２１３および第２反射ミラー２１６は、全反射ミラーである。回析光学素子２１４は、レーザ光ＬＢの形状を調整するための光学素子である。

Ｚレンズ駆動ユニット２２０は、レーザ光ＬＢの焦点位置を変更するためのＺレンズ２１５を、移動させる。Ｚレンズ駆動ユニット２２０は、Ｚレンズ２１５の光軸方向における位置を移動させるための移動機構と、移動機構を駆動するドライバとを有する。

ガルバノスキャナユニット２３０は、内蔵する反射ミラーの角度を変更することにより、レーザ光ＬＢの集光点を変更する。ガルバノスキャナユニット２３０は、レーザ光ＬＢを反射する反射ミラーと、反射ミラーの角度を変更する角度変更機構と、角度変更機構を駆動するドライバとを有する。ガルバノスキャナユニット２３０がレーザ光ＬＢの集光点を変更することにより、ワークＷＫにおけるレーザ光ＬＢの照射位置が変更される。

保護ガラス２４０は、レーザスキャナ２０が備える光学系２１０の保護のために、レーザスキャナ２０におけるレーザ光ＬＢの出力口に設けられるレンズである。

レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢは、レーザスキャナ２０において以下のような光路を進む。レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢは、光ファイバケーブル１１を介して、レーザスキャナ２０に進入する。光アイソレータ２０５を通過したレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ２１１により平行光に補正される。レーザ光ＬＢは、ダイクロイックミラー２１２および第１反射ミラー２１３により反射され、回析光学素子２１４に入射する。回析光学素子２１４は、入射されたレーザ光ＬＢを、入射したときとは異なるパワー密度分布形状を有するレーザ光ＬＢとして放射する。放射されたレーザ光ＬＢは、Ｚレンズ駆動ユニット２２０により光軸の位置が調整されたＺレンズ２１５を通過する。その後、レーザ光ＬＢは、第２反射ミラー２１６により反射され、集光レンズ２１７を通過して、ガルバノスキャナユニット２３０に入射する。ガルバノスキャナユニット２３０は、レーザ光ＬＢの集光点を調整する。ガルバノスキャナユニット２３０から出射されたレーザ光ＬＢは、保護ガラス２４０を通過して、ワークＷＫに照射される。レーザ光ＬＢがワークＷＫに照射されると、金属が溶融し、溶融池が形成される。

また、ワークＷＫに照射されたレーザ光ＬＢが反射した反射光ＲＢは、レーザスキャナ２０において以下のような光路を進む。反射光ＲＢを第１反射光ともよぶ。反射光ＲＢは、保護ガラス２４０を通過してレーザスキャナ２０内に進入する。反射光ＲＢは、ガルバノスキャナユニット２３０と、集光レンズ２１７とを通過して、第２反射ミラー２１６により反射される。その後、反射光ＲＢは、Ｚレンズ２１５と、回析光学素子２１４とを通過して、第１反射ミラー２１３により反射される。

その後、反射光ＲＢの一部はダイクロイックミラー２１２で反射し、反射光ＲＢの他の一部はダイクロイックミラー２１２を透過する。反射光ＲＢは、レーザ光ＬＢと同じ波長を有するため、ダイクロイックミラー２１２に入射した反射光ＲＢのうちの９９．９％は、ダイクロイックミラー２１２で反射する。ダイクロイックミラー２１２に入射した反射光ＲＢのうちの０．１％は、ダイクロイックミラー２１２を透過する。

ダイクロイックミラー２１２で反射した反射光ＲＢの一部は、＋Ｚ方向に進み、コリメートレンズ２１１を通過し、光アイソレータ２０５に向かう。反射光ＲＢの進行は、光アイソレータ２０５で遮断される。よって、反射光ＲＢは、レーザ発振器１０に進入しない。なお、図１においては、ダイクロイックミラー２１２から光アイソレータ２０５へ向かう反射光ＲＢの光路の図示を省略している。また、ダイクロイックミラー２１２で透過した反射光ＲＢの他の一部は、＋Ｘ方向に進み、測定部３０内に進入する。

測定部３０は、ワークＷＫに照射されたレーザ光ＬＢの反射光ＲＢの強度を測定する。測定部３０を、センサ部ともよぶ。測定部３０は、バンドパスフィルタ３１と、第３反射ミラー３２と、光電素子３３とを備える。バンドパスフィルタ３１は、指定された中心波長を中心とする決められた範囲の波長域の光だけを透過させる。実施形態においては、バンドパスフィルタ３１は、レーザ発振器１０が出射するレーザ光ＬＢの中心波長を中心とする決められた範囲の波長域の光だけを透過させる。第３反射ミラー３２は、測定部３０に入射した反射光ＲＢを反射させて、反射光ＲＢを光電素子３３に向けて進行させる。第３反射ミラー３２は全反射ミラーである。光電素子３３は、反射光ＲＢの強度の測定のために使用される。具体的には、光電素子３３は、入射した反射光ＲＢを電気信号に変換し、反射光ＲＢの強度を示す電気信号を制御部６０に出力する。光電素子３３は、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタである。

減衰構造４０は、ダイクロイックミラー２１２を通過した、反射波長域の光のうちの一部のレーザ光ＬＢを受け取って、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収する。
吸収する。減衰構造４０を吸収部ともよぶ。

図２は、減衰構造４０の概略構成を表した図である。減衰構造４０は、筒状に形成され、一方の端部が開口した部材である。減衰構造４０は、例えば、アルミニウムで作成されている。減衰構造４０は、第１直線部４２と、第１屈曲部４３と、第２直線部４４と、第２屈曲部４５と、第３直線部４６と、終端部４７とを含む。第１直線部４２は、Ｚ軸方向に沿って延びた通路である。第１直線部４２の＋Ｚ側の端部は開口している。

ダイクロイックミラー２１２の、レーザ光ＬＢが入射する面２１２ａとは逆の面２１２ｂは、第１直線部４２の＋Ｚ側の端部の開口に対して、４５度の角度をもって配置されている。また、ダイクロイックミラー２１２の面２１２ｂは、測定部３０の筒状部材３０ａの開口端部に対して、４５度の角度をもって配置されている。よって、－Ｚ方向にダイクロイックミラー２１２を透過した光の少なくとも一部は、減衰構造４０に進入する。また、＋Ｘ方向にダイクロイックミラー２１２を透過した光の少なくとも一部は、測定部３０に進入する。

第１屈曲部４３は、第１直線部４２と、第２直線部４４とをつなぐ。第２直線部４４は、Ｘ軸方向に延びた通路である。第２屈曲部４５は、第２直線部４４と第３直線部４６とをつなぐ。第３直線部４６は、Ｚ軸方向に沿って延びた通路である。第３直線部４６は、終端部４７に向かって徐々に細くなるようにテーパー状に形成された部分を含む。例えば、第３直線部４６は、三角錐の形状に形成されている。終端部４７は、第３直線部４６の－Ｚ側に位置しており、閉じられた端部である。

減衰構造４０の内側面には、黒アルマイト処理が施されている。アルマイト処理は、アルミニウムの表面に酸化皮膜を生成させる表面処理である。黒アルマイト処理は、アルマイト処理の後、黒色の染料により酸化皮膜を黒色にする処理である。

ダイクロイックミラー２１２の面２１２ａに入射したレーザ光ＬＢの一部は、ダイクロイックミラー２１２を通過し、－Ｚ方向に進み、減衰構造４０の内部に進入する。レーザ光ＬＢは、減衰構造４０の内側面で反射を繰り返しながら、減衰構造４０の終端部４７に向かって進む。減衰構造４０内に入射したレーザ光ＬＢは、内部で反射を繰り返すたび、黒アルマイト処理が施された内側面で吸収される。例えば、黒アルマイト処理が施された内側面の反射率が約４０％であるとする。この場合、レーザ光ＬＢの光量は１回の反射で約６０パーセント減少する。２回以上の反射で、レーザ光ＬＢの光量はさらに減少する。このように簡易な構成により、－Ｚ方向にダイクロイックミラー２１２を透過したレーザ光ＬＢを吸収させることができる。よって、レーザ発振器１０が出射したレーザ光ＬＢであって、－Ｚ方向に進み、ダイクロイックミラー２１２を透過したレーザ光ＬＢが測定部３０の光電素子３３に入射することを抑制できる。

また、第３直線部４６は、終端部４７に向かって徐々に細くなるに形成されている。よって、レーザ光ＬＢの反射の頻度は、終端部４７に向かうにつれて高くなる。これにより、レーザ光ＬＢを効率よく減衰させることができる。

本来は、減衰構造４０内に進入したレーザ光ＬＢの光量がゼロとなるまで、レーザ光ＬＢが吸収されることが望ましいが、レーザ光ＬＢの光量をゼロまで減らせないこともある。この場合、一部のレーザ光ＬＢが減衰構造４０の外に再び出ていくことも想定される。このため、減衰構造４０の内部空間の形状および大きさは、レーザ光ＬＢの光量があらかじめ決められた光量以下となるまで、レーザ光ＬＢを吸収できるように設定されている。あらかじめ決められた光量は、減衰させられたレーザ光ＬＢが減衰構造４０の外に出たとしても、例えば、反射光ＲＢの測定に影響を及ぼさない光量である。

このように、減衰構造４０は、レーザ発振器１０からレーザスキャナ２０に入射したレーザ光ＬＢのうち、ダイクロイックミラー２１２を透過したレーザ光ＬＢをあらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させる。

図３は、減衰構造４０を備えるレーザ溶接装置１００において、測定部３０に到達するまでの反射光ＲＢの進路を表した概略図である。ダイクロイックミラー２１２の反射波長域の反射率は９９．９％、反射波長域の透過率は０．１％とする。ワークＷＫにおける反射率は６０％とする。減衰構造４０の反射率は０％とする。図３においては、技術の理解を容易にするため、レーザ光ＬＢの強度を図示している。レーザ光ＬＢの強度は、レーザ光ＬＢの光量に比例する。

図３において、レーザ発振器１０が出力したレーザ光ＬＢのパワーが１０００Ｗであるとする。１０００Ｗのレーザ光ＬＢのうちの９９.９％、即ち、９９９Ｗのレーザ光ＬＢはダイクロイックミラー２１２で反射し、ワークＷＫに入射する。１０００Ｗのレーザ光ＬＢのうち０.１％、即ち、１Ｗのレーザ光ＬＢは、減衰構造４０に入射し、吸収される。

９９９Ｗのレーザ光ＬＢは、ワークＷＫで反射し、反射光ＲＢとなる。このとき、反射光ＲＢのパワーは、ほぼ５９９Ｗである。５９９Ｗの反射光ＲＢのうちの０．１％、即ち、５９９ｍＷの反射光ＲＢは、測定部３０に入射する。このように、減衰構造４０が、１Ｗのレーザ光ＬＢを吸収するので、測定部３０には、ワークＷＫで反射した反射光ＲＢのうちのダイクロイックミラー２１２を透過したものだけが入射する。言い換えると、測定部３０には、ワークＷＫで反射した反射光ＲＢ以外が入射しない。このように、ダイクロイックミラー２１２を透過した一部のレーザ光ＬＢが、測定部３０の光電素子３３に入射することが抑制される。よって、測定部３０は、加工対象部位で反射した反射光ＲＢの強度だけを測定することができる。

なお、図３に示すように、レーザ発振器１０が出射したレーザ光ＬＢがダイクロイックミラー２１２に入射する方向と、ワークＷＫで反射した反射光ＲＢがダイクロイックミラー２１２に入射する方向とは、異ならせる必要がある。これらの方向を異ならせるように、レーザ発振器１０と、ダイクロイックミラー２１２と、ワークＷＫと、測定部３０とのそれぞれの位置が設定される必要がある。例えば、レーザ発振器１０が出射したレーザ光ＬＢがダイクロイックミラー２１２に入射する方向と、ワークＷＫで反射した反射光ＲＢがダイクロイックミラー２１２に入射する方向とは、直交するように設定することが望ましい。ここで、直交とは、９０度プラスマイナス１０度の範囲を含むものとする。

図４は、減衰構造４０を備えないレーザ溶接装置において、測定部３０に到達するまでの反射光ＲＢの進路を表した概略図である。以下、比較のため減衰構造４０を備えない場合について説明する。図３と共通する条件については説明を省略する。スキャナ構造体は、例えば、レーザスキャナ２０の筐体の一部である。スキャナ構造体の反射率は７５％とする。

図４において、レーザ発振器１０が出力したレーザ光ＬＢのパワーが１０００Ｗであるとする。１０００Ｗのレーザ光ＬＢのうちの９９.９％、即ち、９９９Ｗのレーザ光ＬＢはダイクロイックミラー２１２で反射し、ワークＷＫに入射する。１０００Ｗのレーザ光ＬＢのうち０.１％、即ち、１Ｗのレーザ光ＬＢは、スキャナ構造体に入射する。１Ｗのレーザ光ＬＢは、スキャナ構造体で反射し、反射光ＲＢ２となる。このとき、反射光ＲＢ２のパワーは、７５０ｍＷである。７５０Ｗの反射光ＲＢ２は、ダイクロイックミラー２１２で反射する。この結果、ほぼ７４３ｍＷの反射光ＲＢ２が測定部３０に入射する。

また、ワークＷＫに入射した９９９Ｗのレーザ光ＬＢは、ワークＷＫで反射し、反射光ＲＢとなる。このとき、反射光ＲＢのパワーは、ほぼ５９９Ｗである。５９９Ｗの反射光ＲＢのうちの０．１％、即ち、５９９ｍＷの反射光ＲＢは、測定部３０に入射する。この結果、測定部３０には、合わせて１３４２ｍＷの光が入射する。

このように、図４に示す例では、ワークＷＫで反射した反射光ＲＢだけではなく、レーザ発振器１０が出力したレーザ光ＬＢのうち、ダイクロイックミラー２１２を透過し、スキャナ構造体で反射した光である反射光ＲＢ２も、測定部３０に入射する。よって、測定部３０に入射する光は、ワークＷＫで反射していない光が含まれることになる。反射光ＲＢ、反射光ＲＢ２は、いずれも、レーザ光ＬＢが反射したものなので、同じ波長を有する。このため、測定部３０は、反射光ＲＢと反射光ＲＢ２とを個別に測定することができない。

図１に示すように、制御部６０は、レーザ発振器１０とレーザスキャナ２０とを制御する。制御部６０の機能は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリとを備えるコンピュータにより実現される。メモリには、レーザ溶接工程を実行するためのプログラムが格納されている。このプログラムはＣＰＵにより実行される。よって、レーザ発振器１０とレーザスキャナ２０とが制御される。具体的には、制御部６０は、レーザ発振器１０に、レーザ光ＬＢの出力値を指定して、レーザ光ＬＢを出力させる。制御部６０は、ガルバノスキャナユニット２３０に、ワークＷＫの被照射面におけるレーザ光ＬＢの照射位置をＸＹ座標で指定して、レーザ光ＬＢの集光点を変更させる。また、制御部６０は、Ｚレンズ駆動ユニット２２０に、焦点位置を指定して、Ｚレンズ２１５を移動させる。

また、制御部６０は、反射光ＲＢの強度を示す電気信号を測定部３０から受け付ける。例えば、制御部６０は、光電素子３３の出力電流の時系列の変化に基づいて、反射光ＲＢの強度の時系列の変化を監視する。制御部６０は、反射光ＲＢの強度の時系列の変化に基づいて、溶接の良否を評価する。制御部６０を品質評価部ともよぶ。

入力装置６１は、制御部６０に接続されているキーボード、マウス等である。入力装置６１は、例えば、ユーザがレーザ光ＬＢの出力値を入力するために使用される。表示装置６２は、制御部６０に接続されている液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイ等である。表示装置６２は、例えば、評価結果を表示するために使用される。

図５は、レーザ溶接装置１００による溶接の品質を評価する評価方法を示すフローチャートである。ステップＳ１０１において、制御部６０は、ロボットアームを溶接開始位置に移動させるようにロボットコントローラに指示する。制御部６０からの指示に応答して、ロボットコントローラは、ロボットアームを溶接開始位置に移動させる。よって、ロボットアームの先端に取り付けられているレーザスキャナ２０が溶接開始位置に配される。ロボットコントローラは、ロボットアームの溶接開始位置への移動が完了したことを制御部６０に通知する。

ステップＳ１０２において、ロボットコントローラから通知に応答して、制御部６０は溶接を開始する。具体的には、制御部６０は、レーザ発振器１０を制御して、レーザ光ＬＢの出力を開始させる。さらに、制御部６０は、ロボットアームに移動作業を実行させるように、ロボットコントローラに指示する。ロボットアームが実行する移動作業とは、ロボットアームがあらかじめ教示された経路に沿って移動することにより、レーザスキャナ２０を移動させることをいう。制御部６０からの移動作業の実行指示に応答して、ロボットコントローラはロボットアームの移動を開始する。ロボットアームが移動することにより、レーザスキャナ２０からレーザ光ＬＢがワークＷＫに照射される。

制御部６０は、レーザ光ＬＢの出力の開始から停止までの間、例えば、以下のようにレーザ発振器１０を制御する。制御部６０は、レーザ出力があらかじめ決められた出力値となるまで、レーザ発振器１０を制御して、レーザ出力を徐々に上昇させる。制御部６０は、レーザ出力があらかじめ決められた出力値となると、レーザ発振器１０を制御して、レーザ出力を一定に保った状態を継続させる。制御部６０は、あらかじめ決められた期間が経過すると、レーザ発振器１０を制御して、レーザ出力を徐々に低下させる。よって、レーザ発振器１０のレーザ出力が最終的にゼロとなる、即ち、レーザ出力が停止する。あらかじめ決められた期間は、例えば、レーザ出力の停止のタイミングが、ロボットアームの動作が完了するタイミングと同じとなるように、設定された期間である。このようにレーザ出力を制御することにより、スパッタ、クラック等の溶接不良の発生を低減することができる。

ステップＳ１０３において、制御部６０は反射光ＲＢの測定を開始する。例えば、制御部６０は、光電素子３３が出力する反射光ＲＢの強度を示す電気信号を毎秒取得し、取得した電気信号が示す反射光ＲＢの強度をメモリに格納する。即ち、測定部３０が測定した反射光ＲＢの強度の測定結果を受け付けるステップは、制御部６０によって実行される。

ステップＳ１０４において、制御部６０は、ロボットアームの移動が完了したことの通知を待つ。ロボットアームの移動が完了するまでの間（ステップＳ１０４；ＮＯ）、レーザ光ＬＢの照射と、反射光ＲＢの強度の測定とは継続されている。ロボットコントローラは、あらかじめ教示された経路の最終地点にロボットアームを移動させると、移動が完了したことを制御部６０に通知する。制御部６０は、ロボットコントローラからロボットアームの移動が完了したことの通知を受けると（ステップＳ１０４；ＹＥＳ）、ステップＳ１０５の処理を実行する。

ステップＳ１０５において、制御部６０は、溶接を終了するため、レーザ発振器１０にレーザ光ＬＢの出力を停止させる。また、制御部６０は、光電素子３３からの信号の取得を停止する。その後、制御部６０は、ロボットアームを退避させるようにロボットコントローラに指示を出す。制御部６０からの指示に応答して、ロボットコントローラは、最終地点から退避位置にロボットアームを退避させる。

ステップＳ１０６において、制御部６０は、反射光ＲＢの強度の測定値に基づいて加工対象部位における溶接の品質を評価し、評価結果を表す画像を表示装置６２に出力する。例えば、制御部６０は、以下のように溶接の品質を評価することができる。一般的に、レーザ光ＬＢがワークＷＫで反射した反射光ＲＢの強度は、レーザ光ＬＢの照射を開始した直後に急激に増大した後、急激に低下し、その後、ほぼ一定の値を取る傾向がある。制御部６０は、照射を開始して決められた時間が経過した時点以降に、反射光ＲＢの強度があらかじめ決められた範囲から外れた場合、溶接に不良が発生していると評価する。具体的には、決められた範囲を定める上限値と下限値とがメモリにあらかじめ格納されているものとする。制御部６０は、反射光ＲＢの強度が上限値を超えた、あるいは、反射光ＲＢの強度が下限値を下回った場合に、溶接に不良が発生していると評価することができる。制御部６０は、溶接結果が不良であるとの評価結果を出力できる。

あるいは、制御部６０は、照射を開始して決められた時間が経過した時点以降に、反射光ＲＢの強度があらかじめ決められた範囲から外れた回数が閾値を超えた場合に、溶接に不良が発生していると評価してもよい。即ち、測定結果に基づいて、加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価するステップと、品質を示す評価結果を示す評価ステップとは、制御部６０により実行される。このように、制御部６０は、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢが反射した反射光ＲＢだけを検出した結果に基づいた品質結果を出力すればよい。よって、品質評価のための複雑な工程を要しない。

上述したように、実施形態においては、ワークＷＫで反射したレーザ光ＬＢである反射光ＲＢの強度に基づいて溶接の品質を評価した。反射光ＲＢの強度に基づいて溶接の品質を評価する利点を以下に説明する。

従来のように、熱放射光の強度を測定する場合、熱放射光を測定するセンサの視野と、レーザ集光径とをほぼ一致させる必要があった。なお、熱放射光の波長は、例えば、８００ｎｍである。図６は、センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１との位置関係を表す例を示す図である。図６では、センサ視野Ｖ１の大きさと、レーザ光ＬＢが集光された範囲であるレーザ集光径Ｆ１の大きさとがほぼ同じである。なお、レーザ集光径Ｆ１の周囲には、金属の溶融により形成された溶融池ＭＰがある。

図７は、センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１との位置関係を表す他の例を示す図である。図７では、レーザ集光径Ｆ１の一部がセンサ視野Ｖ１から外れている。この場合、センサは、レーザ集光径Ｆ１のうちの一部の範囲で生じた熱放射光の強度を正確に測定することができない。センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１とのズレは、例えば、以下のように生じることがある。前述したように、溶接作業は、ロボットアームによりレーザスキャナ２０が移動させられながら行われる。例えば、連続して多数のワークＷＫに溶接を行ったとする。このような場合、ロボットアームの残留振動により、光軸あるいはセンサ視野Ｖ１がずれることがある。この結果、センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１とがずれてしまう。センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１とズレの発生を想定して、例えば、センサ視野Ｖ１をレーザ集光径Ｆ１の大きさよりある程度大きく設定することが考えられる。

図８は、センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１との位置関係を表す他の例を示す図である。図８では、センサ視野Ｖ１をレーザ集光径Ｆ１の大きさよりある程度大きく設定した例を示す。この場合、光軸あるいはセンサの視野のずれにより、レーザ集光径Ｆ１とセンサ視野Ｖ１とがずれた状態となる状況を抑制しやすいと考えられる。しかし、図８に示す場合において、センサ視野Ｖ１が、レーザ集光径Ｆ１と、溶融池ＭＰの一部とを含む。このため、レーザ集光径Ｆ１で生じた熱放射光の強度に加えて、溶融池ＭＰの一部の範囲で生じた熱放射光の強度も測定される。よって、レーザ集光径Ｆ１で生じた熱放射光の強度を正確に測定することができない。このように、熱放射光の強度に基づいて、溶接の品質を評価する場合には、上記のような問題が発生することがあった。

一方、反射光ＲＢは、レーザ光ＬＢが照射された範囲から反射された光であるので、レーザ集光径Ｆ１の範囲外からは検出されない。例えば、図８に示すように、センサ視野Ｖ１がレーザ集光径Ｆ１よりある程度大きく設定されていたとしても、図６に示すように、センサ視野Ｖ１の大きさとレーザ集光径Ｆ１の大きさとを揃えていたとしても、反射光ＲＢの検出結果に大きな差が生じない。よって、光軸あるいはセンサ視野Ｖ１のずれの発生を想定して、センサ視野Ｖ１をレーザ集光径Ｆ１よりある程度大きく設定したとしても、センサ視野Ｖ１とレーザ集光径Ｆ１とを揃えた場合に比べて、溶接の評価の精度は低下しない。

実施形態にかかる構成においては、レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢのうちダイクロイックミラー２１２を透過したレーザ光ＬＢを、あらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させる。レーザ発振器１０から出射されたレーザ光ＬＢのうちダイクロイックミラー２１２を透過したレーザ光ＬＢが測定部３０に入射することを抑制できる。このように、レーザ溶接装置１００においては、加工対象部位で反射した反射光ＲＢに基づいた加工対象部位におけるレーザ加工の品質が評価される。従来の、熱放射光を用いたレーザ加工の品質の評価のように、センサの視野とレーザ光ＬＢの集光径とを精度よく合わせることが必須ではないので、評価精度の維持が容易となる。また、レーザ溶接装置１００を用いて、レーザ加工の品質を評価する方法においても同様の効果がある。

また、熱放射光の強度は、加工対象部位の表面の形状を熱量で表す物理量に相当する。反射光ＲＢの強度は、加工対象部位の表面の形状を光の反射で表す物理量に相当する。このことから、反射光ＲＢの強度の方が、熱放射光の強度にくらべて、加工対象部位の表面の形状をより直接的に表すことができるといえる。よって、反射光ＲＢの強度の変化に基づいて加工対象部位を評価する方が、熱放射光の強度の変化に基づいて加工対象部位を評価する場合に比べて、加工対象部位の表面の形状の変化をより正確に表すことができる。

実施形態では、レーザ光ＬＢの波長と同じ波長を有する反射光ＲＢを用いて、溶接の品質を評価するため、前述のように、ダイクロイックミラー２１２を透過した一部のレーザ光ＬＢが、測定部３０の光電素子３３に入射するおそれがある。しかし、減衰構造４０によりダイクロイックミラー２１２を透過した一部のレーザ光ＬＢを吸収するため、ダイクロイックミラー２１２を透過した一部のレーザ光ＬＢが、測定部３０の光電素子３３に入射することが抑制される。よって、制御部６０は、加工対象部位で反射した反射光ＲＢに基づいて、加工対象部位における溶接の品質を評価することができる。

Ｂ１．他の実施形態１：
実施形態においては、減衰構造４０の内側面に黒アルマイト処理が施されている例を説明したが、これに限られない。例えば、減衰構造４０の内側面に黒めっき処理が施されてもよい。

実施形態においては、レーザ発振器１０がファイバーレーザである例を説明したが、レーザ発振器１０は、ＹＡＧレーザといった他のレーザであってもよい。

実施形態においては、レーザ加工の一例として溶接について説明したが、他の態様のレーザ加工においても、上述の評価方法を採用することができる。

実施形態においては、減衰構造４０をレーザスキャナ２０の筐体の外に配置するため、減衰構造４０は、２つの屈曲部を備える筒状部材から構成されていた（図２を参照）。あるいは、減衰構造４０は、屈曲部を備えない筒状部材から構成されてもよい。また、あるいは、減衰構造４０は、１つの屈曲部を備える筒状部材から構成されてもよい。あるいは、減衰構造４０は、３つ以上の屈曲部を備える筒状部材から構成されてもよい。また、減衰構造４０は、レーザスキャナ２０の筐体の内部に配置されてもよい。

実施形態においては、減衰構造４０の第３直線部４６（図２を参照）が三角錐の形状に形成されている例を説明した。あるいは、第３直線部４６の形状は、円錐、または、四角錐であってもよい。このように、第３直線部４６は、終端部４７に向かって徐々に細くなるようにテーパー状に形成されていることが望ましい。この場合も、実施形態と同様に、減衰構造４０内でのレーザ光ＬＢの反射の頻度は、終端部４７に向かうにつれて、高くなる。これにより、レーザ光ＬＢを効率よく減衰させることができる。

あるいは、減衰構造４０の第３直線部４６は、円柱、また、四角柱の形状に形成されていてもよい。この場合、円柱、または、四角柱の高さを、進入したレーザ光ＬＢの光量をあらかじめ決められた光量以下となるような高さと設定することで、実施形態と同様の効果が期待される。また、減衰構造４０の終端部４７は閉じられているものとする。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部または全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…レーザ発振器、１１…光ファイバケーブル、２０…レーザスキャナ、３０…測定部、３１…バンドパスフィルタ、３２…第３反射ミラー、３３…光電素子、４０…減衰構造、４１…開口部、４２…第１直線部、４３…第１屈曲部、４４…第２直線部、４５…第２屈曲部、４６…第３直線部、４７…終端部、６０…制御部、６１…入力装置、６２…出力装置、１００…レーザ溶接装置、２０５…光アイソレータ、２１０…光学系、２１１…コリメートレンズ、２１２…ダイクロイックミラー、２１２ａ，２１２ｂ…面、２１３…第１反射ミラー、２１４…回析光学素子、２１５…Ｚレンズ、２１６…第２反射ミラー、２１７…集光レンズ、２２０…Ｚレンズ駆動ユニット、２３０…ガルバノスキャナユニット、２４０…保護ガラス、Ｆ１…レーザ集光径、ＬＢ…レーザ光、ＭＰ…溶融池、ＲＢ…反射光、ＲＢ２…反射光、Ｖ１…センサ視野、ＷＫ…ワーク、Ｗａ…第１金属対象物、Ｗｂ…第２金属対象物

Claims (3)

1. レーザ反射光の強度のみを用いてレーザ加工の品質を評価する機能を備えたレーザ加工装置であって、
   レーザ光を発振する発振器と、
   前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、
   前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部であって、前記レーザ光の中心波長を中心とする決められた範囲の波長域である反射波長域の第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部であって前記反射波長域の第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、
   前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、
   前記加工対象部位で反射し、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、
   前記ミラーを透過した前記第１レーザ光であって前記加工対象部位で反射せずに進入した前記第１レーザ光をあらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させることにより、前記第１レーザ光を前記センサ部に入射させない吸収部と、
   前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果に基づいて前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を表す評価結果を出力する品質評価部と、
   を備える、
   レーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置であって、
   前記吸収部は、前記第１レーザ光が入射する筒状部材であって、内側に黒アルマイト処理が施された面を有し、一方の端部が閉じられた筒状部材を備え、
   前記筒状部材は、第１直線部と、第１屈曲部と、第２直線部と、第２屈曲部と、第３直線部とを含み、
   前記第１直線部は、前記発振器から出射された前記レーザ光の前記光路に沿って延び、
   前記第２直線部は、前記第１直線部が延びる方向に交差する方向に延び、
   前記第１屈曲部は、前記第１直線部と前記第２直線部とをつなぎ、
   前記第２屈曲部は、前記第２直線部と前記第３直線部とをつなぎ、
   前記第３直線部は、前記第２直線部が延びる方向に交差する方向に延び、端部に向かって徐々に細くなるようにテーパー状に形成され、前記第３直線部の端部は閉じられている、
   レーザ加工装置。
3. レーザ反射光の強度のみを用いてレーザ加工装置のレーザ加工の品質を評価する評価方法であって、
   前記レーザ加工装置は、
   レーザ光を発振する発振器と、
   前記レーザ光の光路に配置されるミラーであって、
   前記発振器から出射された前記レーザ光のうちの一部であって前記レーザ光の中心波長を中心とする決められた範囲の波長域である反射波長域の第１レーザ光を透過させつつ、前記レーザ光のうちの他の一部であって前記反射波長域の第２レーザ光を反射させて、前記第２レーザ光を加工対象部位に照射させ、
   前記加工対象部位に照射された前記第２レーザ光が前記加工対象部位で反射した光である反射光のうちの一部である第１反射光を透過させる、ミラーと、
   前記加工対象部位で反射し、前記ミラーを透過した前記第１反射光の強度を測定するセンサ部と、
   前記ミラーを透過した前記第１レーザ光であって前記加工対象部位で反射せずに進入した前記第１レーザ光をあらかじめ決められた光量以下となるまで吸収させることにより、前記第１レーザ光を前記センサ部に入射させない吸収部と、
   を備え、
   評価方法は、コンピュータに、
   前記センサ部が測定した前記第１反射光の前記強度の測定結果を受け付けるステップと、
   前記測定結果に基づいて、前記加工対象部位におけるレーザ加工の品質を評価するステップと、
   前記品質を表す評価結果を出力するステップと、
   を実行させる、
   評価方法。

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