JPH1085967A - レーザ誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機 - Google Patents
レーザ誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機Info
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- JPH1085967A JPH1085967A JP8249453A JP24945396A JPH1085967A JP H1085967 A JPH1085967 A JP H1085967A JP 8249453 A JP8249453 A JP 8249453A JP 24945396 A JP24945396 A JP 24945396A JP H1085967 A JPH1085967 A JP H1085967A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 レーザ加工の孔明け加工タクトの短縮化を図
る。 【解決手段】 レーザ光が被加工物に照射された際に、
レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトルの中か
ら被加工物材料に固有な波長を回折格子により選択し、
その光のみを光−電気信号変換器に入力して検出信号を
得る。検出信号のピーク値が一定になるようにレーザパ
ルス信号のパルス幅を制御する。さらに検出信号の出力
が予め被加工物材料により設定された判定閾値より低く
なるとレーザパルス信号の次のパルスを出力するように
制御する。このような制御を行うことで、パルス間隔が
レーザ誘起プラズマの寿命より長くなることを防止し、
最短のパルス間隔を得る。レーザパルス信号に同期して
検出されピーク値が極端に変化した点を貫通時間とする
ことで貫通後の孔明け加工を無くし、レーザ加工の孔明
け加工タクトを最短化する。
る。 【解決手段】 レーザ光が被加工物に照射された際に、
レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトルの中か
ら被加工物材料に固有な波長を回折格子により選択し、
その光のみを光−電気信号変換器に入力して検出信号を
得る。検出信号のピーク値が一定になるようにレーザパ
ルス信号のパルス幅を制御する。さらに検出信号の出力
が予め被加工物材料により設定された判定閾値より低く
なるとレーザパルス信号の次のパルスを出力するように
制御する。このような制御を行うことで、パルス間隔が
レーザ誘起プラズマの寿命より長くなることを防止し、
最短のパルス間隔を得る。レーザパルス信号に同期して
検出されピーク値が極端に変化した点を貫通時間とする
ことで貫通後の孔明け加工を無くし、レーザ加工の孔明
け加工タクトを最短化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ光を利用し
て切断，孔明け，溶接を行うレーザ加工機に関するもの
である。
て切断，孔明け，溶接を行うレーザ加工機に関するもの
である。
【０００２】
【従来の技術】従来のこの種のレーザ加工機は、図５に
示すような加工トーチをレーザ加工機に取り付けレーザ
加工を行うように構成されている。図５において、１は
集光レンズ、２はスペーサリング、３はスプリングリン
グ、４はレンズホルダ、５はレンズ固定リング、６は加
工トーチ本体、７はレンズ位置固定リング、８は加工ト
ーチ先端部、９はノズル固定板、10は加工トーチ調整ベ
ース、11はノズル、12はノズルベース、13はノズル回転
リング、14はセンタ調整ねじ、15はアシストガス導入口
である。
示すような加工トーチをレーザ加工機に取り付けレーザ
加工を行うように構成されている。図５において、１は
集光レンズ、２はスペーサリング、３はスプリングリン
グ、４はレンズホルダ、５はレンズ固定リング、６は加
工トーチ本体、７はレンズ位置固定リング、８は加工ト
ーチ先端部、９はノズル固定板、10は加工トーチ調整ベ
ース、11はノズル、12はノズルベース、13はノズル回転
リング、14はセンタ調整ねじ、15はアシストガス導入口
である。
【０００３】従来よりレーザ加工機の加工トーチの主な
役割は２つある。１つはレーザ光を集光して加工に要求
されるエネルギー密度を得ることであり、他の１つはア
シストガスを加工位置に適切に供給することである。そ
のため加工トーチは以下の調整を行う。
役割は２つある。１つはレーザ光を集光して加工に要求
されるエネルギー密度を得ることであり、他の１つはア
シストガスを加工位置に適切に供給することである。そ
のため加工トーチは以下の調整を行う。
【０００４】まず、集光レンズ１をスペーサリング２に
挾んで、スプリングリング３を重ねてレンズホルダ４に
挿入し、レンズ固定リング５を締め付けて集光レンズ１
を固定する。さらに、レンズホルダ４は集光レンズ１を
取り付けたまま、加工トーチ本体６に挿入され、レンズ
位置固定リング７で加工トーチ本体６に取り付けられ
る。加工トーチ本体６の先端には加工トーチ先端部８を
介して、ノズル固定板９を加工トーチ調整ベース10で挾
んで取り付ける。ノズル11はノズルベース12に取り付
け、さらにノズル固定板９に取り付ける。このときノズ
ルベース12とノズル固定板９の間ではねじ部分により焦
点位置を調整し、さらにノズル固定リング13で固定す
る。ここまでの調整により被加工物に適切なエネルギー
密度を得ることができる。
挾んで、スプリングリング３を重ねてレンズホルダ４に
挿入し、レンズ固定リング５を締め付けて集光レンズ１
を固定する。さらに、レンズホルダ４は集光レンズ１を
取り付けたまま、加工トーチ本体６に挿入され、レンズ
位置固定リング７で加工トーチ本体６に取り付けられ
る。加工トーチ本体６の先端には加工トーチ先端部８を
介して、ノズル固定板９を加工トーチ調整ベース10で挾
んで取り付ける。ノズル11はノズルベース12に取り付
け、さらにノズル固定板９に取り付ける。このときノズ
ルベース12とノズル固定板９の間ではねじ部分により焦
点位置を調整し、さらにノズル固定リング13で固定す
る。ここまでの調整により被加工物に適切なエネルギー
密度を得ることができる。
【０００５】また、レーザ光がノズルセンタを通過する
ようにセンタ調整ねじ14にてノズル11のセンタ出しを行
う。このように調整した加工トーチ本体６をレーザ加工
機に取り付け、ノズル11の径によりアシストガスの流れ
を等方的になるように制御しながらアシストガス導入口
15からアシストガスを導入してレーザ加工を行うもので
ある。
ようにセンタ調整ねじ14にてノズル11のセンタ出しを行
う。このように調整した加工トーチ本体６をレーザ加工
機に取り付け、ノズル11の径によりアシストガスの流れ
を等方的になるように制御しながらアシストガス導入口
15からアシストガスを導入してレーザ加工を行うもので
ある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成のレーザ加工機では、特に孔明け加工過程にお
いてレーザ誘起プラズマの監視は行っていないため、メ
ーカなどが推奨する条件(パルス幅、パルス周波数、加
工時間、加工速度など)を参考にして経験的に加工条件
を決定している。しかしながら、経験的に決定した加工
条件はレーザ加工のタクトの観点から見ても必ずしも最
短ではなく、レーザ加工のさらなるタクト短縮には加工
プロセス現象の解明だけでなく、その現象の検出とその
検出結果を判断しレーザ光を制御する技術が必要であ
る。
うな構成のレーザ加工機では、特に孔明け加工過程にお
いてレーザ誘起プラズマの監視は行っていないため、メ
ーカなどが推奨する条件(パルス幅、パルス周波数、加
工時間、加工速度など)を参考にして経験的に加工条件
を決定している。しかしながら、経験的に決定した加工
条件はレーザ加工のタクトの観点から見ても必ずしも最
短ではなく、レーザ加工のさらなるタクト短縮には加工
プロセス現象の解明だけでなく、その現象の検出とその
検出結果を判断しレーザ光を制御する技術が必要であ
る。
【０００７】従来の一例で、厚さ12mm以上の軟鋼板の孔
明け加工において、孔が貫通するまでのタクトが長いた
め、孔明け加工が多い加工プロセスでは全レーザ加工の
タクトに対する孔明け加工のタクト割合が高くなり、そ
のため全体のレーザ加工のタクトが長くなるという欠点
を有していた。
明け加工において、孔が貫通するまでのタクトが長いた
め、孔明け加工が多い加工プロセスでは全レーザ加工の
タクトに対する孔明け加工のタクト割合が高くなり、そ
のため全体のレーザ加工のタクトが長くなるという欠点
を有していた。
【０００８】また、図６は従来のある加工条件のレーザ
光を出力するレーザパルス信号と光検出ユニットから得
られる検出信号出力を示した図である。すなわち、従来
の孔明け加工の条件設定は経験的であるが、図６に示す
ように基本的に１パルス毎のパルス幅は固定で、かつパ
ルス周波数(パルス間隔)も固定である。実際には、厚さ
12mm以上の軟鋼板の全孔明け工程では、全工程を２から
３工程に分割して個々に最適条件を求めているが、１パ
ルス毎に最適化は図られていない。
光を出力するレーザパルス信号と光検出ユニットから得
られる検出信号出力を示した図である。すなわち、従来
の孔明け加工の条件設定は経験的であるが、図６に示す
ように基本的に１パルス毎のパルス幅は固定で、かつパ
ルス周波数(パルス間隔)も固定である。実際には、厚さ
12mm以上の軟鋼板の全孔明け工程では、全工程を２から
３工程に分割して個々に最適条件を求めているが、１パ
ルス毎に最適化は図られていない。
【０００９】さらに、図６に示した従来の孔明け加工条
件はレーザ誘起プラズマ検出を行っていないので、図６
の下段に示すような検出信号は従来のレーザ加工機では
実施には存在しない。しかし、ここでは実験的に、レー
ザ誘起プラズマの光検出ユニットを取り付けて測定した
検出信号出力(mＶ)も参照しながら説明すると、従来の
孔明け加工条件のタクト短縮化に関する課題は３つあ
る。
件はレーザ誘起プラズマ検出を行っていないので、図６
の下段に示すような検出信号は従来のレーザ加工機では
実施には存在しない。しかし、ここでは実験的に、レー
ザ誘起プラズマの光検出ユニットを取り付けて測定した
検出信号出力(mＶ)も参照しながら説明すると、従来の
孔明け加工条件のタクト短縮化に関する課題は３つあ
る。
【００１０】１つはレーザパルス信号の個々のパルス間
隔がレーザ誘起プラズマ(検出信号)の寿命より長いこと
で、このためタクトが長くなる(図６のＡの部分)。他の
１つはレーザ誘起プラズマ量が下がっているのに、つま
り孔明け過程の能力が低下しているのに加工条件が対応
していないことである(図６のＢの部分)。さらに他の１
つは貫通後も孔明け加工を行っている(図６のＣの部分)
という問題があった。
隔がレーザ誘起プラズマ(検出信号)の寿命より長いこと
で、このためタクトが長くなる(図６のＡの部分)。他の
１つはレーザ誘起プラズマ量が下がっているのに、つま
り孔明け過程の能力が低下しているのに加工条件が対応
していないことである(図６のＢの部分)。さらに他の１
つは貫通後も孔明け加工を行っている(図６のＣの部分)
という問題があった。
【００１１】本発明は、前記従来技術の問題を解決する
ものであり、前記３つの問題を同時に解決してレーザ加
工の特に孔明け加工のタクトを極限まで短縮するレーザ
誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法お
よびレーザ加工機を提供することを目的とする。
ものであり、前記３つの問題を同時に解決してレーザ加
工の特に孔明け加工のタクトを極限まで短縮するレーザ
誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法お
よびレーザ加工機を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明に係るレーザ誘起プラズマ検出方法とそれを
用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機は、レーザ光
を被加工物まで誘導して加工を行うレーザ加工機におい
て、被加工物直前に配置された加工トーチに検出視野を
制限する光学レンズと、通過する波長を選択する回折格
子と、選択した波長の光強度を変換する光−電気信号変
換器とを設けた光検出ユニットを備える。
に、本発明に係るレーザ誘起プラズマ検出方法とそれを
用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機は、レーザ光
を被加工物まで誘導して加工を行うレーザ加工機におい
て、被加工物直前に配置された加工トーチに検出視野を
制限する光学レンズと、通過する波長を選択する回折格
子と、選択した波長の光強度を変換する光−電気信号変
換器とを設けた光検出ユニットを備える。
【００１３】また、レーザ加工機にレーザ光を制御する
レーザパルス信号のパルス幅を光検出ユニットの検出信
号出力のピーク値が一定となるように制御する手段とを
備える。
レーザパルス信号のパルス幅を光検出ユニットの検出信
号出力のピーク値が一定となるように制御する手段とを
備える。
【００１４】また、レーザ加工機にレーザ光を制御する
レーザパルス信号の次のパルス出力を光検出ユニットの
検出信号出力の値が予め被加工物材料により設定された
判定閾値より低くなると出力する手段とを備えるように
構成したものである。
レーザパルス信号の次のパルス出力を光検出ユニットの
検出信号出力の値が予め被加工物材料により設定された
判定閾値より低くなると出力する手段とを備えるように
構成したものである。
【００１５】前記構成によれば、レーザ光が被加工物に
照射された際に、加工トーチに備えた光検出ユニットに
より、レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトル
の中から被加工物材料に固有な波長を選択し、波長の光
のみを入力して得た検出信号によりレーザ光を制御し、
加工条件を自動的に設定することができる。
照射された際に、加工トーチに備えた光検出ユニットに
より、レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトル
の中から被加工物材料に固有な波長を選択し、波長の光
のみを入力して得た検出信号によりレーザ光を制御し、
加工条件を自動的に設定することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の
形態におけるレーザ誘起プラズマの光検出ユニットを具
備した加工トーチの構成を示す断面図である。ここで、
前記従来例を示す図５で説明した構成部材と対応するも
のには同一の符号を付し、その重複する説明は省略す
る。図１において、16は検出器ホルダ、17はストッパ、
18は光学レンズ、19は回折格子、20は光−電気信号変換
器、21は光検出ユニット本体、22は信号接続コネクタ、
23は角度調整部である。
実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の
形態におけるレーザ誘起プラズマの光検出ユニットを具
備した加工トーチの構成を示す断面図である。ここで、
前記従来例を示す図５で説明した構成部材と対応するも
のには同一の符号を付し、その重複する説明は省略す
る。図１において、16は検出器ホルダ、17はストッパ、
18は光学レンズ、19は回折格子、20は光−電気信号変換
器、21は光検出ユニット本体、22は信号接続コネクタ、
23は角度調整部である。
【００１７】以上のように構成される本実施の形態の動
作を説明する。まず、光検出ユニット本体21には検出視
野を制限する光学レンズ18、レーザ誘起プラズマから発
する光の波長を選択する回折格子19、入力された光を電
気信号に変換する光−電気信号変換器20と、その信号を
次に伝えるための信号接続コネクタ22が取り付けられた
これらレーザ誘起プラズマの光検出ユニット本体21は、
検出器ホルダ16と角度調整部23により、加工トーチのノ
ズル11の先端の数ミリの所に検出視野を合わせ、ストッ
パ17にて固定する。
作を説明する。まず、光検出ユニット本体21には検出視
野を制限する光学レンズ18、レーザ誘起プラズマから発
する光の波長を選択する回折格子19、入力された光を電
気信号に変換する光−電気信号変換器20と、その信号を
次に伝えるための信号接続コネクタ22が取り付けられた
これらレーザ誘起プラズマの光検出ユニット本体21は、
検出器ホルダ16と角度調整部23により、加工トーチのノ
ズル11の先端の数ミリの所に検出視野を合わせ、ストッ
パ17にて固定する。
【００１８】また、図２は軟鋼板を例にレーザ光を照射
した際に得られるプラズマから発生する光の発光スペク
トルを示した図である。このプラズマは、レーザ光によ
り発生することからレーザ誘起プラズマと称され、レー
ザ加工の孔明け、溶接工程には非常に大きな役割を演じ
る。ここでは、特に孔明け工程に着目して説明する。
した際に得られるプラズマから発生する光の発光スペク
トルを示した図である。このプラズマは、レーザ光によ
り発生することからレーザ誘起プラズマと称され、レー
ザ加工の孔明け、溶接工程には非常に大きな役割を演じ
る。ここでは、特に孔明け工程に着目して説明する。
【００１９】図２は、横軸にレーザ誘起プラズマから発
生する光の波長、縦軸に各波長の光強度をカウント数で
示し、図２中の，で示したピーク値は鉄元素に特徴
的に出現するピーク値であり、レーザ誘起プラズマから
発生する光のスペクトルの中で他の要因に起因するピー
ク値と明かに分離できる波長であることがわかる。した
がって、レーザ誘起プラズマで発生する光のスペクトル
の中で特定の波長の光を回折格子により選択することは
非常に簡便であることが理解される。
生する光の波長、縦軸に各波長の光強度をカウント数で
示し、図２中の，で示したピーク値は鉄元素に特徴
的に出現するピーク値であり、レーザ誘起プラズマから
発生する光のスペクトルの中で他の要因に起因するピー
ク値と明かに分離できる波長であることがわかる。した
がって、レーザ誘起プラズマで発生する光のスペクトル
の中で特定の波長の光を回折格子により選択することは
非常に簡便であることが理解される。
【００２０】一方、レーザ誘起プラズマで発生する光は
大変強力な強度を持つため光−電気信号変換器の検出視
野を制限することで大抵の場合十分なＳ／Ｎ比の電気信
号が得られるが、被加工物の特徴を持つピーク値が、先
に例として挙げたような鉄元素のように、可視領域に非
常に近くなる場合や他の要因のピーク値に対して相対的
に低いピーク値になることも予想される。これらの場合
のように、十分なＳ／Ｎ比の検出信号が得られないとき
には、可視域に留まらず赤外域，紫外域も含めて複数の
ピーク値を同時観察により外乱光と識別することが可能
である。
大変強力な強度を持つため光−電気信号変換器の検出視
野を制限することで大抵の場合十分なＳ／Ｎ比の電気信
号が得られるが、被加工物の特徴を持つピーク値が、先
に例として挙げたような鉄元素のように、可視領域に非
常に近くなる場合や他の要因のピーク値に対して相対的
に低いピーク値になることも予想される。これらの場合
のように、十分なＳ／Ｎ比の検出信号が得られないとき
には、可視域に留まらず赤外域，紫外域も含めて複数の
ピーク値を同時観察により外乱光と識別することが可能
である。
【００２１】さらに、光−電気信号変換器およびその後
に接続されるプリアンプを含む光検出ユニットを構成す
る回路の時定数が短すぎると、短時間で変動を繰り返す
検出信号と雑音との識別が困難であるため、10μＳ以上
の時定数を有することが望ましい。そして、複数のピー
ク値を検出するため回折格子の波長ウインドウの走査を
行う場合には、その走査速度は光検出ユニットを構成す
る回路の時定数より大きくして十分なＳ／Ｎ比の検出信
号が得られるようにする必要がある。
に接続されるプリアンプを含む光検出ユニットを構成す
る回路の時定数が短すぎると、短時間で変動を繰り返す
検出信号と雑音との識別が困難であるため、10μＳ以上
の時定数を有することが望ましい。そして、複数のピー
ク値を検出するため回折格子の波長ウインドウの走査を
行う場合には、その走査速度は光検出ユニットを構成す
る回路の時定数より大きくして十分なＳ／Ｎ比の検出信
号が得られるようにする必要がある。
【００２２】また、このように設計された光−電気信号
変換器の前段に設けられる回折格子の波長ウインドウも
２Å以上の波長ウインドウを設ける方が良く、波長ウイ
ンドウが狭すぎると十分なＳ／Ｎ比が得られない。これ
は、レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトルは
図２に示したように隣接するピークと最低でも３Åの間
隔が存在する。検出信号は図２に示したスペクトルのピ
ーク値の面積に比例するので、検出信号に十分なＳ／Ｎ
比を確保するためにも分解能を上げすぎない方が良い。
変換器の前段に設けられる回折格子の波長ウインドウも
２Å以上の波長ウインドウを設ける方が良く、波長ウイ
ンドウが狭すぎると十分なＳ／Ｎ比が得られない。これ
は、レーザ誘起プラズマから発生する光のスペクトルは
図２に示したように隣接するピークと最低でも３Åの間
隔が存在する。検出信号は図２に示したスペクトルのピ
ーク値の面積に比例するので、検出信号に十分なＳ／Ｎ
比を確保するためにも分解能を上げすぎない方が良い。
【００２３】ここまで、レーザ誘起プラズマの検出手法
を中心に信号プロセスに関することについて述べてきた
が、ここからは、やや物理的現象も含めてレーザ制御原
理について説明する。
を中心に信号プロセスに関することについて述べてきた
が、ここからは、やや物理的現象も含めてレーザ制御原
理について説明する。
【００２４】前記のレーザ誘導プラズマはレーザ光を被
加工物に照射することにより発生する。時間的にはレー
ザ光が被加工物に照射され、一部の被加工物原子が蒸発
し、さらに入射してくるレーザ光のエネルギーを受け取
り蒸発した原子をプラズマ化する。プラズマ化した原子
は近くの原子と衝突して電子を受け取り、励起状態から
基底状態に遷移する。その時にレーザ誘起プラズマから
光が発生する。したがって、レーザ誘起プラズマから発
生する光は一定のスペクトルを持ち、レーザ光の照射開
始時間にやや遅れて発生する。
加工物に照射することにより発生する。時間的にはレー
ザ光が被加工物に照射され、一部の被加工物原子が蒸発
し、さらに入射してくるレーザ光のエネルギーを受け取
り蒸発した原子をプラズマ化する。プラズマ化した原子
は近くの原子と衝突して電子を受け取り、励起状態から
基底状態に遷移する。その時にレーザ誘起プラズマから
光が発生する。したがって、レーザ誘起プラズマから発
生する光は一定のスペクトルを持ち、レーザ光の照射開
始時間にやや遅れて発生する。
【００２５】また、レーザ誘起プラズマからの発光は、
入射するレーザ光の一部をプラズマが吸収し、そのエネ
ルギーを再放出する際に光としてエネルギーを放出する
ことに由来するため、プラズマの空間的，時間的ゆらぎ
の影響を受け、時間的に高速にその光の強度が変動する
だけでなく、空間的にはレーザ光が通過する極めて限ら
れた領域から強い発光が得られる。一般に集光点付近で
はレーザ光は直径0.3mm以下に集光されておりプラズマ
中のレーザ光の散乱を含めて考えても検出領域は１mm以
下で十分であり、逆に検出領域を拡大すると検出信号の
Ｓ／Ｎ比が劣化するので検出領域は可能な限り狭い方が
良い。
入射するレーザ光の一部をプラズマが吸収し、そのエネ
ルギーを再放出する際に光としてエネルギーを放出する
ことに由来するため、プラズマの空間的，時間的ゆらぎ
の影響を受け、時間的に高速にその光の強度が変動する
だけでなく、空間的にはレーザ光が通過する極めて限ら
れた領域から強い発光が得られる。一般に集光点付近で
はレーザ光は直径0.3mm以下に集光されておりプラズマ
中のレーザ光の散乱を含めて考えても検出領域は１mm以
下で十分であり、逆に検出領域を拡大すると検出信号の
Ｓ／Ｎ比が劣化するので検出領域は可能な限り狭い方が
良い。
【００２６】次に、検出信号をレーザ制御に結び付ける
方法について説明する。図３は、本実施の形態における
レーザ制御で、加工を行うレーザ光を出力するレーザパ
ルス信号と検出信号の例を示す図である。また、図３に
おいて、レーザパルス信号を制御する検出信号出力値の
ピーク値の強度が一定となるピーク値を破線で、判定閾
値を一点鎖線で示している。
方法について説明する。図３は、本実施の形態における
レーザ制御で、加工を行うレーザ光を出力するレーザパ
ルス信号と検出信号の例を示す図である。また、図３に
おいて、レーザパルス信号を制御する検出信号出力値の
ピーク値の強度が一定となるピーク値を破線で、判定閾
値を一点鎖線で示している。
【００２７】レーザ誘起プラズマは前記したようにレー
ザ光を吸収する黒体であり、ある程度濃度が上がるとレ
ーザが散乱されたり吸収され、被加工物に集中したエネ
ルギーが供給できなくなり、孔明け工程の効率が低下す
る。また一方で、レーザ誘起プラズマはレーザ光に対し
て透明になる濃度があり、完全に消滅しなくても次の過
程へ移行が可能である。
ザ光を吸収する黒体であり、ある程度濃度が上がるとレ
ーザが散乱されたり吸収され、被加工物に集中したエネ
ルギーが供給できなくなり、孔明け工程の効率が低下す
る。また一方で、レーザ誘起プラズマはレーザ光に対し
て透明になる濃度があり、完全に消滅しなくても次の過
程へ移行が可能である。
【００２８】したがって、レーザ誘起プラズマの検出信
号があるピーク値以下になると孔明け効率が低下するた
め、それ以上のレーザ光を被加工物に照射することは無
意味であるばかりでなく、プラズマ冷却の観点からも悪
い影響がある。そこで、孔明け加工時のパルス幅を孔明
け効率が最も高い幅、つまりレーザ誘起プラズマがレー
ザ光に対して黒体になる直前の濃度となるパルス幅(検
出信号出力のピーク値が一定となるよう)に自動的に設
定する制御を行うことで、孔明け過程の能力が低下して
いるのに加工条件が対応していない従来の問題点を克服
する。
号があるピーク値以下になると孔明け効率が低下するた
め、それ以上のレーザ光を被加工物に照射することは無
意味であるばかりでなく、プラズマ冷却の観点からも悪
い影響がある。そこで、孔明け加工時のパルス幅を孔明
け効率が最も高い幅、つまりレーザ誘起プラズマがレー
ザ光に対して黒体になる直前の濃度となるパルス幅(検
出信号出力のピーク値が一定となるよう)に自動的に設
定する制御を行うことで、孔明け過程の能力が低下して
いるのに加工条件が対応していない従来の問題点を克服
する。
【００２９】さらに、パルス周波数は検出信号が各元素
について、レーザ誘起プラズマがレーザ光に対してほぼ
透明になるレベルに設定された判定閾値まで低下したと
きに、次のパルスが発生するように制御され、被加工物
の表面状態やアシストガスの条件などに依存した最適化
が、レーザパルス信号の個々のパルスについて図られ
る。
について、レーザ誘起プラズマがレーザ光に対してほぼ
透明になるレベルに設定された判定閾値まで低下したと
きに、次のパルスが発生するように制御され、被加工物
の表面状態やアシストガスの条件などに依存した最適化
が、レーザパルス信号の個々のパルスについて図られ
る。
【００３０】このような制御を行うことで、パルス間隔
(パルス周波数)がレーザ誘起プラズマの寿命より長くな
ることを防止し、最短のパルス間隔を得る。そして、レ
ーザパルス信号に同期して検出されるべきピーク値が極
端に変化した点を貫通時間とすることで貫通後の孔明け
加工を無くし、レーザ加工における孔明け加工タクトを
最短化できる。
(パルス周波数)がレーザ誘起プラズマの寿命より長くな
ることを防止し、最短のパルス間隔を得る。そして、レ
ーザパルス信号に同期して検出されるべきピーク値が極
端に変化した点を貫通時間とすることで貫通後の孔明け
加工を無くし、レーザ加工における孔明け加工タクトを
最短化できる。
【００３１】また、この制御系において、光−電気信号
変換器およびその後に接続されるプリアンプを含む回路
の時定数は、短すぎると短時間で変動を繰り返すことに
なる検出信号と雑音との識別が困難であるため、10μＳ
以上の時定数を有することが望ましい。この様子は、図
３の中段の検出信号出力に示したように時定数が10μＳ
以下の場合であり、判定閾値と判断する信号としては安
定性が無い、しかし、下段に示したように時定数を大き
くした検出信号は、時間的に平均化され安定するため、
判定閾値の判定に使用可能なＳ／Ｎ比が得られている。
変換器およびその後に接続されるプリアンプを含む回路
の時定数は、短すぎると短時間で変動を繰り返すことに
なる検出信号と雑音との識別が困難であるため、10μＳ
以上の時定数を有することが望ましい。この様子は、図
３の中段の検出信号出力に示したように時定数が10μＳ
以下の場合であり、判定閾値と判断する信号としては安
定性が無い、しかし、下段に示したように時定数を大き
くした検出信号は、時間的に平均化され安定するため、
判定閾値の判定に使用可能なＳ／Ｎ比が得られている。
【００３２】このように、孔明け加工時のレーザ誘起プ
ラズマの光検出ユニットによる検出信号をモニターし最
適な加工条件を選択することで、従来の加工条件に比較
して孔明け加工タクトの短縮化ができる。参考としてこ
の様子を図４に示す。
ラズマの光検出ユニットによる検出信号をモニターし最
適な加工条件を選択することで、従来の加工条件に比較
して孔明け加工タクトの短縮化ができる。参考としてこ
の様子を図４に示す。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
レーザ加工中の孔明け加工時間を著しく短縮化でき生産
性を向上させることができるという効果を奏する。
レーザ加工中の孔明け加工時間を著しく短縮化でき生産
性を向上させることができるという効果を奏する。
【図１】本発明の一実施の形態におけるレーザ誘起プラ
ズマの光検出ユニットを具備した加工トーチの構成を示
す断面図である。
ズマの光検出ユニットを具備した加工トーチの構成を示
す断面図である。
【図２】軟鋼板を例にレーザ光を照射した際に得られる
プラズマから発生する光の発光スペクトルを示した図で
ある。
プラズマから発生する光の発光スペクトルを示した図で
ある。
【図３】本発明の一実施の形態におけるレーザ制御で、
加工を行うレーザ光を出力するレーザパルス信号と検出
信号の例を示す図である。
加工を行うレーザ光を出力するレーザパルス信号と検出
信号の例を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態と従来例の孔明け加工を
比較した板厚−加工時間の違いを示す図である。
比較した板厚−加工時間の違いを示す図である。
【図５】従来の加工トーチの構成を示す断面図である。
【図６】従来のある加工条件のレーザ光を出力するレー
ザパルス信号と光検出ユニットから得られる検出信号出
力を示した図である。
ザパルス信号と光検出ユニットから得られる検出信号出
力を示した図である。
１…集光レンズ、 ２…スペーサリング、 ３…スプリ
ングリング、 ４…レンズホルダ、 ５…レンズ固定リ
ング、 ６…加工トーチ本体、 ７…レンズ位置固定リ
ング、 ８…加工トーチ先端部、 ９…ノズル固定板、
10…加工トーチ調整ベース、 11…ノズル、 12…ノ
ズルベース、 13…ノズル固定リング、14…センタ調整
ねじ、 15…アシストガス導入口、 16…検出器ホル
ダ、 17…ストッパ、 18…光学レンズ、 19…回折格
子、 20…光−電気信号変換器、21…光検出ユニット本
体、 22…信号接続コネクタ、 23…角度調整部。
ングリング、 ４…レンズホルダ、 ５…レンズ固定リ
ング、 ６…加工トーチ本体、 ７…レンズ位置固定リ
ング、 ８…加工トーチ先端部、 ９…ノズル固定板、
10…加工トーチ調整ベース、 11…ノズル、 12…ノ
ズルベース、 13…ノズル固定リング、14…センタ調整
ねじ、 15…アシストガス導入口、 16…検出器ホル
ダ、 17…ストッパ、 18…光学レンズ、 19…回折格
子、 20…光−電気信号変換器、21…光検出ユニット本
体、 22…信号接続コネクタ、 23…角度調整部。
Claims (12)
- 【請求項１】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工を
行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置さ
れた加工トーチに光学レンズ，回折格子，光−電気信号
変換器を備える光検出ユニットにより、 前記レーザ光が被加工物に照射された際に、検出視野を
制限する前記光学レンズを経て、レーザ誘起プラズマか
ら発生する光のスペクトルの中から被加工物材料に固有
な波長を前記回折格子により選択し、選択された前記波
長の光のみを変換する前記光−電気信号変換器に入力し
て検出することを特徴とするレーザ誘起プラズマ検出方
法。 - 【請求項２】 前記請求項１記載のレーザ誘起プラズマ
検出方法において、被加工物材料に固有の波長を選択す
る回折格子の波長ウインドウを走査するか、または光検
出ユニットを２組以上設けることで、異なる２つ以上の
波長の光を検出することを特徴とするレーザ誘起プラズ
マ検出方法。 - 【請求項３】 前記請求項１記載のレーザ誘起プラズマ
検出方法において、光検出ユニットの検出視野は検出信
号のＳ／Ｎ比の劣化のない狭い検出領域とすることを特
徴とするレーザ誘起プラズマ検出方法。 - 【請求項４】 前記請求項１記載のレーザ誘起プラズマ
検出方法において、被加工物材料に固有の波長を選択す
る回折格子の波長ウインドウのスペクトル幅が、検出信
号のＳ／Ｎ比を得る広いスペクトル幅とすることを特徴
とするレーザ誘起プラズマ検出方法。 - 【請求項５】 前記請求項１記載のレーザ誘起プラズマ
検出方法において、検出した波長の光を電気信号に変換
する光−電気信号変換器、および該光−電気信号変換器
直後に配置されるプリアンプを含む回路の時定数は、該
回路から出力される検出信号が雑音と識別される長さの
時定数とすることを特徴とするレーザ誘起プラズマ検出
方法。 - 【請求項６】 前記請求項５記載のレーザ誘起プラズマ
検出方法において、被加工物材料に固有の波長を選択す
る回折格子の波長ウインドウを走査して、異なる２つ以
上の波長の光を検出する走査速度が、検出した波長の光
を変換する回路の時定数より大きいことを特徴とするレ
ーザ誘起プラズマ検出方法。 - 【請求項７】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工を
行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置さ
れた加工トーチに光学レンズ，回折格子，光−電気信号
変換器を備える光検出ユニットにより、該光検出ユニッ
トの検出信号出力のピーク値が一定となるように、レー
ザ光を制御するレーザパルス信号のパルス幅を制御し、
加工条件を自動的に設定することを特徴とするレーザ制
御方法。 - 【請求項８】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工を
行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置さ
れた加工トーチに光学レンズ，回折格子，光−電気信号
変換器を備える光検出ユニットにより、該光検出ユニッ
トの検出信号出力の値が予め被加工物材料により設定さ
れた判定閾値より低くなると、レーザ光を制御するレー
ザパルス信号の次のパルスを出力する制御を行い、加工
条件を自動的に設定することを特徴とするレーザ制御方
法。 - 【請求項９】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工を
行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置さ
れた加工トーチに検出視野を制限する光学レンズと、通
過する波長を選択する回折格子と、選択した前記波長の
光強度を変換する光−電気信号変換器とを設けた光検出
ユニットを備え、 前記レーザ光が被加工物に照射された際に、前記加工ト
ーチに備えた前記光検出ユニットにより、レーザ誘起プ
ラズマから発生する光のスペクトルの中から被加工物材
料に固有な波長を選択し、該波長の光のみを入力して得
た検出信号により前記レーザ光を制御することを特徴と
するレーザ加工機。 - 【請求項１０】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工
を行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置
された加工トーチに検出視野を制限する光学レンズと、
通過する波長を選択する回折格子と、選択した前記波長
の光強度を変換する光−電気信号変換器とを設けた光検
出ユニットと、前記レーザ光を制御するレーザパルス信
号のパルス幅を前記光検出ユニットの検出信号出力のピ
ーク値が一定となるように制御する手段とを備え、 前記レーザ光が被加工物に照射された際に、前記加工ト
ーチに備えた前記光検出ユニットにより、レーザ誘起プ
ラズマから発生する光のスペクトルの中から被加工物材
料に固有な波長を選択し、該波長の光のみを入力して得
た検出信号により前記レーザ光を制御することを特徴と
するレーザ加工機。 - 【請求項１１】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工
を行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置
された加工トーチに検出視野を制限する光学レンズと、
通過する波長を選択する回折格子と、選択した前記波長
の光強度を変換する光−電気信号変換器とを設けた光検
出ユニットと、前記レーザ光を制御するレーザパルス信
号の次のパルス出力を前記光検出ユニットの検出信号出
力の値が予め被加工物材料により設定された判定閾値よ
り低くなると出力する手段とを備え、 前記レーザ光が被加工物に照射された際に、前記加工ト
ーチに備えた前記光検出ユニットにより、レーザ誘起プ
ラズマから発生する光のスペクトルの中から被加工物材
料に固有な波長を選択し、該波長の光のみを入力して得
た検出信号により前記レーザ光を制御することを特徴と
するレーザ加工機。 - 【請求項１２】 レーザ光を被加工物まで誘導して加工
を行うレーザ加工機において、前記被加工物直前に配置
された加工トーチに検出視野を制限する光学レンズと、
通過する波長を選択する回折格子と、選択した前記波長
の光強度を変換する光−電気信号変換器とを設けた光検
出ユニットと、前記レーザ光を制御するレーザパルス信
号のパルス幅を前記光検出ユニットの検出信号出力のピ
ーク値が一定となるように制御する手段と、前記レーザ
光を制御するレーザパルス信号の次のパルス出力を前記
光検出ユニットの検出信号出力の値が予め被加工物材料
により設定された判定閾値より低くなると出力する手段
とを備え、 前記レーザ光が被加工物に照射された際に、前記加工ト
ーチに備えた前記光検出ユニットにより、レーザ誘起プ
ラズマから発生する光のスペクトルの中から被加工物材
料に固有な波長を選択し、該波長の光のみを入力して得
た検出信号により前記レーザ光を制御することを特徴と
するレーザ加工機。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8249453A JPH1085967A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | レーザ誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機 |
| US08/931,687 US5969335A (en) | 1996-09-20 | 1997-09-16 | Laser control system for use in laser processing machine utilizing laser-induced plasma detecting system |
| US09/329,242 US6097020A (en) | 1996-09-20 | 1999-06-10 | Laser control system having a diffraction grating for use in laser processing machine utilizing laser-induced plasma detecting system |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8249453A JPH1085967A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | レーザ誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1085967A true JPH1085967A (ja) | 1998-04-07 |
Family
ID=17193195
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8249453A Pending JPH1085967A (ja) | 1996-09-20 | 1996-09-20 | レーザ誘起プラズマ検出方法とそれを用いるレーザ制御方法およびレーザ加工機 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (2) | US5969335A (ja) |
| JP (1) | JPH1085967A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002519200A (ja) * | 1998-06-30 | 2002-07-02 | ジオティー マズムダー | レーザクラッディング装置及び方法 |
| JP2002273583A (ja) * | 2001-03-19 | 2002-09-25 | Inst Of Physical & Chemical Res | 透明媒質加工装置 |
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| JP4320926B2 (ja) * | 2000-06-16 | 2009-08-26 | パナソニック株式会社 | レーザ穴加工方法及び装置 |
| JP3655844B2 (ja) | 2000-06-30 | 2005-06-02 | 松下電器産業株式会社 | レーザー加工装置及び方法 |
| FR2811427B1 (fr) * | 2000-07-06 | 2002-10-25 | Aerospatiale Matra Ccr | Procede de detection et d'identification de defauts dans un cordon de soudure realise par faisceau laser |
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| JP2005334926A (ja) * | 2004-05-26 | 2005-12-08 | Yamazaki Mazak Corp | レーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ |
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| JP5011072B2 (ja) * | 2007-11-21 | 2012-08-29 | 株式会社ディスコ | レーザー加工装置 |
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| US9217731B2 (en) | 2010-05-21 | 2015-12-22 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Welding inspection method and apparatus thereof |
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-
1996
- 1996-09-20 JP JP8249453A patent/JPH1085967A/ja active Pending
-
1997
- 1997-09-16 US US08/931,687 patent/US5969335A/en not_active Expired - Lifetime
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1999
- 1999-06-10 US US09/329,242 patent/US6097020A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5969335A (en) | 1999-10-19 |
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