JPH04371381A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレーザにより溶接、切断
等の加工を行なう装置に関する

【０００２】

【従来の技術】溶接加工は材料の温度を融点と沸点の間
に保持しなければならないので、レーザ光を材料が沸点
に達する出力よりも大きくならないよう制御する必要が
ある。即ち、被加工物に吸収されたエネルギーは熱に変
換されるが、その一部は被加工物を通して伝導し、この
熱の発生の割合が熱伝導の割合に比較して大きければ、
レーザ照射部分の温度が上昇し溶融点に達する。そのま
ま照射を続けると照射部の温度は沸点に達して孔があい
てしまうから、ある時間後には照射エネルギーを減少し
なければならない。このようにレーザ溶接においては出
力パワーの与え方、即ち焦点スポットの大きさ、エネル
ギー、継続時間等を制御するが、従来はこれを照射点か
らの反射光を検出して制御するようにしている。材料が
溶融するとその部分の反射が減少する等の変化を利用し
、この反射をカメラ等でモニタしながら変化を検出し、
レーザのパワーを制御する。

【０００３】しかしながら、実際の溶接において、光の
反射は被加工物の反射率とか熱伝導率等によって変化し
、又表面状態が一定でも表面で吸収された熱が材料中に
貫入する深さは材料の温度拡散率によって相違するため
、所定の厚さの金属板を最適な状態で溶接するには単に
表面状態の検出だけでは不可能である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような反
射率、熱伝導率等が異なる任意の材料の溶接、切断等の
加工状態を表面だけでなく内部まで検知しつゝ常に最適
な状態で良好に加工できるように改良することを目的と
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的は、レーザ発
振器からの出力レーザビームを被加工体に照射して溶接
、切断等の加工を行なうレーザ加工装置に於いて、被加
工体上のレーザビームの照射点より所定の距離離れた位
置からの所定の波長の光を検出する装置を設けると共に
、当該光検出器の出力信号に基づき溶接、切断等の加工
条件を制御する制御装置を設けたことを特徴とする上記
のレーザ加工装置によって達成できる。また、被加工体
上のレーザビームの照射点からの反射光に基づき加工位
置を測定する加工位置検出器を設け、上記加工位置検出
器の出力信号に基づきレーザビーム照射位置を制御する
制御装置を設けることも推奨される。

【０００６】

【作用】本発明は上記の如く、レーザビームの照射点よ
り所定の距離離れた位置における熱伝導による温度上昇
の変化状態を検出し、これに基づき溶接、切断等の加工
条件の制御を行なうようにしたものであるから、加工状
態を適確に検出することができ、これにより加工条件を
常に最適に設定して任意の材料を常に最良な状態で加工
することができる。又更に、本発明は三角測量法の原理
により溶接位置を正確に測定し、その信号を利用して溶
接位置制御をするようにしたから溶接位置を３次元的に
精密に制御でき、最良の溶接加工が行なえる効果がある
。

【０００７】

【実施例】以下図面の一実施例により本発明を説明する
。図１において、１はレーザ発振器で、Ｑスイッチを使
用してパルスレーザを発振し、発振出力パルスを投光レ
ンズ２を通して被加工体４の溶接部に集束照射する。 ３はレーザコントローラで、パワーコントロール、Ｑス
イッチングドライバー等が含まれ、出力パワー制御、パ
ルス継続時間、パルス周波数制御を行なう。５は被加工
体４を取付固定するテーブルのコントローラで、溶接位
置のＸ軸−Ｙ軸制御等を行なう。６はレーザヘッド７の
Ｚ軸（上下）方向移動コントローラ、８は被加工体４の
レーザ照射点Ａから距離Ｌだけ離れた点Ｂから放射され
る光の特定波長を検出するＣＣＤカメラで、ＣＣＤ固体
撮像素子９、受光レンズ１０、波長フィルタ１１、及び
データ演算処理用のＬＳＩ１２から成る。１３は加工位
置検出器で、加工位置からの反射光に基づき三角測量法
の原則により加工位置の検出をする検出素子１４、受光
レンズ１５、及びデータ演算処理用のＬＳＩ１６から成
る。１７はＣＣＤカメラ８からの信号及び加工位置検出
器１３からの位置信号を入力して演算処理をしながら各
コントローラ３、５、６に信号を送って溶接条件とか位
置制御を行なう制御装置である。

【０００８】而して、上記の装置に於て、発振器１の出
力を投光レンズ２によって集束し被加工体４の溶接点Ａ
に照射することによって溶接加工する。被加工体４に吸
収されたエネルギは熱変換されるが、その熱の一部は被
加工体内を伝導し、熱の発生の割合が熱伝導の割合より
も大きければレーザ照射された部分の温度が上昇し溶融
点に達する。そのまま照射を続けると、照射部の温度は
沸点に達し孔が明いてしまう状態になるから、ある時間
後には照射エネルギを減少しなければならない。

【０００９】図２は、レーザ溶接に於て最適なレーザ出
力パワーの時間的変化制御（ａ）をすると、そのときの
吸収パワー（ｂ）はほぼ一定になり、被加工体の温度変
化（ｃ）は溶融点と沸点の間の範囲Ｔｄ　に保持される
ようになることを示したものである。このように被加工
体を沸騰させることなく一定の溶融状態に保持するには
、レーザ出力エネルギ及び焦点スポット径の制御、レー
ザ光の波長（これは発振器によって決る）、レーザ光の
継続時間の制御等が必要であるが、この制御には被加工
物の反射率及び熱伝導率が大きなファクターとなる。こ
のうち反射率はレーザ光の波長と関係をもっているが、
熱伝導はレーザ光の出力パワー及び継続時間と密接な関
係をもっている。レーザ光が被加工体４に吸収されて熱
を発生するとき、その熱が材料中に伝導する深さ（距離
）は時間ｔとの関数（４ｋｔ）１／２　（但しｋは温度
拡散率）で与えられる。したがって熱が距離Ｌを伝導す
る時間ｔＬ　はｔＬ　＝Ｌ２　／４ｋであり、被加工体
４の材料によって一定である。レーザ照射点Ａが最適な
温度Ｔｏ　に加熱され、そのときＡ点より距離Ｌだけ隔
たった位置Ｂ点に伝導してくる温度Ｔｂ　は一定の温度
勾配をもって低減する一定の値であるから、Ｂ点の温度
を測定して温度Ｔｂ　になったとすれば、そのときＡ点
は最適温Ｔｏ　になっているわけで、Ｂ点で温度Ｔｂ　
を検出した時にレーザ照射を停止すればＡ点における溶
接は常に最適温度Ｔｏ　で良好に行なわれることになる
。

【００１０】図１において被加工体４のレーザ照射点Ａ
から距離Ｌ離れたＢ点に受光点を定めるＣＣＤカメラ８
によりその伝導により生じた温度を検出する。物体から
出る光のエネルギ及びスペクトル分布は物体の種類と温
度だけで定まる値であり、ＣＣＤカメラ８を前記温度Ｔ
ｂ　に特有の波長の検出を行なうように設定しておく。 そしてこのＣＣＤカメラ８は被加工体のＢ点の微小部分
を焦点として受光するように受光レンズ１０をセットし
てある。なお受光レンズ１０の背後には特定の波長の光
を検出するようフィルタ１１を設けてある。フィルタ１
１を通った光はＣＣＤ固体撮像素子９によって検出され
るが、レーザコントローラ３からレーザ照射に同期した
トリガーが加えられ、レーザ照射時からＢ点の温度検出
が行なわれ、設定した特定の波長により温度Ｔｂ　の検
出をする。 ＣＣＤ固体撮像素子９の検出波長信号はＬＳＩ１２で演
算処理された後、その出力信号を制御装置１７に入力せ
しめる。制御装置１７はレーザコントローラ１３のレー
ザパワー制御、レーザ継続時間制御を行い、又テーブル
コントローラ５の送り制御等を行い、レーザ照射点Ａの
加熱溶融状態が最適に制御され最良の溶接が行われるよ
う制御する。レーザ溶接はパルスレーザでも連続レーザ
でも行なえるが、パルスレーザの方が制御し易く、マイ
クロ溶接には主としてパルスレーザが使用され、前記の
熱伝導を利用した溶接部分の温度検出によってレーザの
制御を行なうことにより極めて安定した状態で良好な溶
接を行なうことができる。なお、溶接はパワー密度が１
０４　〜１０６　ｗ／ｃｍ２　で可能であり、切断加工
は１０６　〜１０８　ｗ／ｃｍ２　で可能となる。

【００１１】このように溶接点Ａより所定の距離Ｌ離れ
た位置ＢにおいてＣＣＤカメラ８に於て設定した特定の
波長、例えば１０〜５０μｍの波長の光の検出を行ない
、それにより溶接点Ａにおける溶接状態を判定してレー
ザの制御、即ち出力パワー、速度、方向（角度）等の制
御を行なうことにより、溶接品質を正確に決定しながら
溶接できるもので、溶接点Ａにおける検出誤差を排除し
、この溶接状態の正確な検出、判定により常に最良の溶
接加工することができる。

【００１２】次にレーザビームの被加工体４上の照射点
の位置、スポットの制御は次の通りに行われる。レーザ
照射点Ａは加工位置検出器１３により検出されている。 即ち、照射レーザの反射光を受光レンズ１５で受け検出
素子１４で検知する。光位置検出素子１４上を光スポッ
トが移動することによって生ずる電気信号の変化を検出
するもので、三角測量法の原理により照射点Ａの変位を
検出する。検出データはＬＳＩのデータ処理を経て信号
出力し、制御装置１７に供給する。制御装置１７はＺ軸
方向移動コントローラ６を制御してレーザヘッド７を上
下方向に移動させ、レーザスポットが溶接部の中心位置
にくるよう制御し、又テーブルコントローラ５を制御し
てＸ軸及びＹ軸方向の位置制御を行なう。これにより、
レーザ照射スポットが被加工体４の形状に応じて常に最
良の位置に制御され、この溶接位置の制御により極めて
精密で良好な溶接を行なうことができる。このように溶
接の位置、方向、角度等の位置制御と溶接パワー（照射
継続時間を含めて）、溶接速度等のエネルギの制御とが
相俟って最良の溶接ができる。

【００１３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、レーザ溶
接装置に於いて、レーザビームの照射点Ａより所定の距
離離れた位置からの特定波長の光を検出するＣＣＤカメ
ラ８等の検出器等を設け、前記レーザビーム照射に対応
するタイミングで駆動される前記ＣＣＤカメラ８の検出
波長信号をデータ処理して得た信号によって溶接条件を
制御する制御装置を設けたことを特徴とするものである
から、前記ＣＣＤカメラ８の検出波長を検出温度に関連
した最適領域に設定し、溶接点より伝導してくる所定位
置に於ける前記波長の検出を行なうことによって温度上
昇の変化を正確に検出し、これに基づき溶接点の温度の
検知、その温度上昇時間等の溶接状態の検出が極めて正
確に行なえ、この検出信号に基づいて、制御装置により
レーザ出力パワーの制御、照射スポット、方向の制御、
継続時間の制御等溶接条件制御が極めて適正に行なえ、
これにより極めて安定した良好な溶接が行なえるもので
ある。

【００１４】又本発明はレーザビームの照射点の反射光
により三角測量法の原理により溶接位置を測定する加工
位置検出器１３を設け、該加工位置検出器の信号により
溶接位置の制御装置を設けたものであるから、三角測量
法の原理により溶接位置の測定が極めて正確にでき、そ
の信号を用いて位置制御することにより溶接位置を３次
元的に精密に制御することができ、これにより常に最良
の溶接加工を行なうことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザ加工装置の一実施例の構成
図である。

【図２】レーザ出力パワーと溶接部分の温度上昇の関係
を示すグラフである。

【符号の説明】

１　　　　　レーザ発振器 ２　　　　　投光レンズ ３　　　　　レーザコントローラ ４　　　　　被加工体 ５　　　　　テーブルコントローラ ６　　　　　レーザヘッドコントローラ７　　　　　レ
ーザヘッド ８　　　　　ＣＣＤカメラ ９　　　　　ＣＣＤ固体撮像素子 １０　　　　受光レンズ １１　　　　フィルタ １２　　　　データ演算処理用ＬＳＩ １３　　　　加工位置検出器 １４　　　　検出素子 １５　　　　受光レンズ １６　　　　データ演算処理用ＬＳＩ １７　　　　制御装置

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ発振器（１）　からの出力レー
   ザビームを被加工体（４）　に照射して溶接、切断等の
   加工を行なうレーザ加工装置に於いて、被加工体上のレ
   ーザビームの照射点（Ａ）　より所定の距離離れた位置
   （Ｂ）　からの所定の波長の光を検出する装置（８）　
   を設けると共に、当該光検出器（８）　の出力信号に基
   づき溶接、切断等の加工条件を制御する制御装置（１７
   ，３）を設けたことを特徴とする上記のレーザ加工装置
   。
2. 【請求項２】　　上記光検出器（８）　をレーザビーム
   照射に対応するタイミングで作動せしめる請求項１に記
   載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】　　被加工体（４）　上のレーザビームの
   照射点（Ａ）　からの反射光に基づき加工位置を測定す
   る加工位置検出器（１３）を設け、上記加工位置検出器
   （１３）の出力信号に基づきレーザビーム照射位置を制
   御する制御装置（１７，５，６）を設けた請求項１に記
   載のレーザ加工装置。
4. 【請求項４】　　上記加工位置検出器（１３）をレーザ
   ビーム照射に対応するタイミングで作動せしめる請求項
   １に記載のレーザ加工装置。