WO2019155729A1 - レーザ溶接装置 - Google Patents

レーザ溶接装置 Download PDF

Info

Publication number
WO2019155729A1
WO2019155729A1 PCT/JP2018/043419 JP2018043419W WO2019155729A1 WO 2019155729 A1 WO2019155729 A1 WO 2019155729A1 JP 2018043419 W JP2018043419 W JP 2018043419W WO 2019155729 A1 WO2019155729 A1 WO 2019155729A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
optical fiber
light
laser
optical
workpiece
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/043419
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
俊之 三島
櫻井　通雄
徹 酒井
健太 久保田
毅吏 浦島
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Publication of WO2019155729A1 publication Critical patent/WO2019155729A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/064—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by means of optical elements, e.g. lenses, mirrors or prisms
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth

Definitions

  • the present invention relates to a laser welding apparatus having a function of evaluating the penetration depth of a welded portion.
  • Patent Document 1 discloses that laser light and measurement light are superimposed on the same axis and irradiated into the keyhole of the welded portion of the workpiece, and the measurement light reflected at the bottom of the keyhole is passed through a beam splitter.
  • a configuration in which light is incident on an optical interferometer is disclosed.
  • the measurement light is branched into the object light irradiated on the measurement unit and the reference light propagating in the optical interferometer, and the object light and the reference light propagating through two different optical fibers, respectively.
  • the difference in optical path length is measured, and the depth of the keyhole is specified as the penetration depth of the weld from the measured optical path length difference.
  • the inventors of the present application may have a large error in the penetration depth measured by the optical interferometer due to the specification of the optical fiber that propagates the object light and the reference light, specifically, the coating that covers the optical fiber. It became clear by the examination of etc.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a laser welding apparatus that reduces a measurement error of a penetration depth of a welded portion evaluated by an optical interferometer.
  • a laser welding apparatus is a laser welding apparatus for welding a workpiece with laser light, the laser oscillator for generating the laser light, and the laser light generated by the laser oscillator.
  • a laser head that irradiates the workpiece with the laser, a controller that controls the operation of the laser oscillator and the laser head, and a laser beam having a wavelength different from that of the laser beam, but the measurement beam superimposed coaxially with the laser beam.
  • an optical interferometer that receives the measurement light reflected by the workpiece and measures the penetration depth of the welded portion of the workpiece, and the optical interferometer generates the measurement light
  • a measurement light source a first light branching unit that branches the measurement light emitted from the measurement light source into object light and reference light, and the first light branch A first optical fiber that guides the object light branched in the step toward the workpiece, a second optical fiber that guides the reference light branched by the first light branching unit, and the first optical fiber. And receiving the object light reflected by the workpiece through the second optical fiber and receiving the reference light through the second optical fiber to generate a difference signal between the light intensity of the object light and the light intensity of the reference light.
  • the first covering portion and the second covering portion covering the outer peripheral surface of the second optical fiber have the same thickness.
  • the thicknesses of the first covering portion and the second covering portion equal, the light propagation characteristics of the first and second optical fibers become the same, and the measurement error of the penetration depth increases. Therefore, it is possible to evaluate the quality of the welded portion with high accuracy.
  • the penetration depth of the welded portion can be detected directly and accurately, and the quality of the welded portion can be evaluated with high accuracy.
  • FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a laser welding apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing an outline of the optical interferometer.
  • FIG. 3 is a schematic view showing the arrangement of the optical interferometer housing and the first optical fiber connected to the laser head.
  • FIG. 4A is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a first optical fiber and a second optical fiber according to an embodiment.
  • FIG. 4B is a schematic diagram illustrating a cross-sectional structure of a first optical fiber and a second optical fiber for comparison.
  • FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of the fluctuation of the measurement waveform measured by the optical interferometer when the first and second optical fibers shown in FIG. 4B are used.
  • FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of the reference position variation when the first and second optical fibers shown in FIG. 4B are used.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a configuration of a laser welding apparatus according to the present embodiment.
  • the laser welding apparatus 10 includes a laser oscillator 1, a laser head 2, an articulated robot 3, a controller 4, a welding condition setting device (teaching pendant) 5, and an optical interferometer 20.
  • a laser oscillator 1 As shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 10 includes a laser oscillator 1, a laser head 2, an articulated robot 3, a controller 4, a welding condition setting device (teaching pendant) 5, and an optical interferometer 20.
  • a welding condition setting device such as a laser welding apparatus
  • an optical interferometer 20 such as shown in FIG. 1, the laser welding apparatus 10 includes a laser oscillator 1, a laser head 2, an articulated robot 3, a controller 4, a welding condition setting device (teaching pendant) 5, and an optical interferometer 20.
  • a welding condition setting device such as a laser welding apparatus
  • an optical interferometer 20 See FIG. 1, the laser welding apparatus 10 includes a laser oscillator
  • the laser oscillator 1 is connected to the laser head 2 by a laser light transmission fiber 6.
  • the laser oscillator 1 oscillates and outputs the oscillated laser beam LB to the laser head 2 via the laser beam transmission fiber 6.
  • the laser head 2 emits the laser beam LB transmitted by the laser beam transmission fiber 6 toward the workpiece 7. That is, the laser beam LB is emitted from the tip of the laser head 2 to the workpiece 7.
  • the laser head 2 is provided with a connector for attaching the laser light transmission fiber 6.
  • the laser head 2 is provided with a connector for attaching a first optical fiber 23 described later.
  • a condensing optical system (not shown) for condensing the laser light LB transmitted from the laser light transmission fiber 6 to a predetermined spot diameter, and an object light MLA (described later)
  • An optical system (not shown) for irradiating the keyhole 7b (see FIG. 2) is disposed.
  • a motor and an encoder (not shown) connected to the controller 4 are attached to each joint axis of the articulated robot 3.
  • the articulated robot 3 rotates a motor attached to each joint axis in accordance with a command from the controller 4 to move the laser head 2 attached to the tip of the articulated robot 3 so as to draw a desired locus.
  • the controller 4 is connected to the articulated robot 3 and controls the operation of the articulated robot 3.
  • the controller 4 is connected to the laser head 2 and controls the operation of the movable part.
  • the controller 4 is connected to the laser oscillator 1 and controls the oscillation output of the laser oscillator 1 (hereinafter sometimes simply referred to as laser output). Further, the controller 4 is electrically connected to the optical interferometer 20.
  • the controller 4 is connected to the welding condition setting device 5 and performs data communication with the welding condition setting device 5 in both directions.
  • the controller 4 includes a storage unit 4a in which a plurality of welding conditions and the like are stored, a welding condition table stored in the storage unit 4a, and a predetermined input from the operator, and a calculation unit that sets and calculates desired welding conditions. 4b.
  • the storage unit 4 a may be outside the controller 4.
  • the storage unit 4a may be on an external server, a storage medium, or the like.
  • the calculating part 4b receives the signal (difference signal) from the optical interferometer 20, and evaluates the penetration depth of the welding part 7a (refer FIG. 2) of the workpiece
  • the calculation unit 4b is configured as a CPU (Central Processing Unit) that executes various calculations
  • the storage unit 4a stores a ROM (Read Only Memory) that stores a control program executed by the CPU, a reading that stores calculation results, and the like.
  • the controller 4 is configured as a computer that further includes an input interface, an output interface, and the like in addition to the storage unit 4a and the calculation unit 4b.
  • a welding condition setting device (teaching pendant) 5 includes an input unit 5a for inputting predetermined data relating to laser welding, and a display unit 5b for displaying information from various sensors (not shown) during welding and laser welding.
  • the controller 4 and the welding condition setting device 5 may be integrated. It is sufficient if data can be exchanged between the two.
  • a display unit may be connected to the controller 4 separately from the display unit 5b.
  • the data input format in the input part 5a is not specifically limited. Input from a keyboard, a touch panel, or the like may be used, or input by voice or the like may be used. Further, it may be an interface for sending data from a storage medium or an external server to the storage unit 4a.
  • the welding condition setting device 5 may be provided with a calculation unit (not shown) different from the calculation unit 4b of the controller 4, and a predetermined calculation process may be executed according to an input from the input unit 5a.
  • the calculation processing result can be stored in the storage unit 4a of the controller 4.
  • the welding condition setting device 5 is connected to the controller 4 via a predetermined length of wiring or by wireless communication so that an operator who performs laser welding can carry it and operate it.
  • the optical interferometer 20 has at least a measurement light source 21, a first fiber coupler (first optical branching unit) 22, a first optical fiber 23, a second optical fiber 26, and a differential signal generation unit 28. (See FIG. 2). Further, the calculation unit 4 b of the controller 4 constitutes a part of the optical interferometer 20.
  • the optical interferometer 20 has a wavelength different from that of the laser beam LB, irradiates the workpiece 7 with the measurement beam ML that is coaxially overlapped with the laser beam LB, receives the measurement beam ML reflected by the workpiece 7, and welds the workpiece 7. The penetration depth of the part 7a is measured and evaluated.
  • the first fiber coupler 22 and the second optical fiber 26 are the same.
  • the measurement light source 21, the first optical fiber 23, and the differential signal generator 28 are housed inside the housing 40 and are installed outside the housing 40.
  • the first optical fiber 23 is connected to the first fiber coupler 22, and a protective tube (protection section) 25 (see FIG. 5) provided at a predetermined interval from the first optical fiber 23 so as to cover the outside. 4A).
  • the calculation unit 4b of the controller 4 receives the difference signal from the difference signal generation unit 28 of the optical interferometer 20, and evaluates the penetration depth of the welded portion 7a of the workpiece 7.
  • the optical interferometer 20 itself may be provided with another calculation unit (not shown) to evaluate the penetration depth of the weld 7a of the workpiece 7.
  • each part of the laser welding apparatus 10 is divided and installed mainly in the processing chamber 50 and the control chamber 60 separated from this.
  • the processing chamber 50 the laser head 2 and the articulated robot 3 are installed.
  • the control room 60 the controller 4 and the welding condition setting device 5 are installed.
  • the housing 40 and the first optical fiber 23 that house the first fiber coupler 22 and the second optical fiber 26 are installed in the processing chamber 50, and the measurement light source 21 and the difference signal generation unit 28 is installed in the control room 60.
  • the differential signal generator 26 and the second fiber coupler 32 accommodated in the housing 40 are connected via an optical fiber, and the measurement light source 21 and the first fiber coupler 22 are connected via an optical fiber. Connected.
  • the processing chamber 50 is configured such that an operator does not enter other than maintenance, and for example, each wall surface is shielded so that the laser beam LB reflected upon the workpiece 7 does not enter the control chamber 60.
  • the laser oscillator 1 is often installed in the processing chamber 50 together with a power source (not shown), but may be separately installed in a room provided separately from the processing chamber 50 and the control chamber 60.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the outline of the optical interferometer according to the present embodiment
  • FIG. 3 is a schematic diagram of the arrangement of the optical interferometer housing and the first optical fiber connected to the laser head.
  • 4A is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the first optical fiber and the second optical fiber according to the present embodiment
  • FIG. 4B is a schematic diagram of a cross-sectional structure of the first optical fiber and the second optical fiber for comparison.
  • FIG. 2 the casing is not shown.
  • FIG. 3 the components of the optical interferometer 20 other than the first and second optical fibers 23 and 26, the housing 40, the first fiber coupler 22, and the reference mirror 31 are not shown. Further, the processing chamber 50 and the control chamber 60 are not shown in FIG.
  • the optical interferometer 20 measures the penetration depth of the welded portion 7a of the workpiece 7 by using the technology of the sweep source optical coherence tomography (SS-OCT: wavelength scanning optical coherence tomography).
  • SS-OCT wavelength scanning optical coherence tomography
  • the measurement light source 21 continuously emits measurement light ML having a wavelength different from that of the laser light LB and a short wavelength width, and periodically changes the center wavelength of the emitted measurement light ML.
  • the operation of periodically changing the center wavelength of the measurement light ML in this way is called wavelength scanning.
  • the measurement light ML emitted from the measurement light source 21 enters the first fiber coupler 22 through the optical fiber.
  • the measurement light ML that has entered the first fiber coupler 22 is branched into the object light MLA and the reference light MLB.
  • the object light MLA means measurement light irradiated on the welded portion 7a that is a measurement target
  • the reference light MLB means measurement light irradiated on the reference mirror 31 that is a reference plane.
  • the object light MLA enters the first optical fiber 23 and the reference light MLB enters the second optical fiber 26.
  • the first fiber coupler 22 branches 50% of the incident measurement light ML to the object light MLA and the remaining 50% to the reference light MLB.
  • the object light MLA is applied to the welded portion 7a of the workpiece 7 through the first optical fiber 23 and the laser head 2. At this time, the object light MLA is superposed coaxially with the laser light LB by an optical system (not shown) in the laser head 2. A part of the object light MLA irradiated to the welded portion 7a is reflected by the welded portion 7a and enters the second fiber coupler (second optical branching portion) 32 of the optical interferometer 20 through the first optical fiber 23. . At this time, the length of the optical path through which the object light MLA passes from the first fiber coupler 22 until it enters the second fiber coupler 32 is defined as the optical path length of the object light MLA.
  • the reference light MLB is applied to the reference mirror 31 via the second optical fiber 26.
  • the reference light MLB applied to the reference mirror 31 is reflected by the reference mirror 31 and then enters the second fiber coupler 32 via the second optical fiber 26.
  • the length of the optical path through which the reference light MLB passes from the first fiber coupler 22 until it enters the second fiber coupler 32 is defined as the optical path length of the reference light MLB.
  • the optical path length of the reference light MLB is measured in advance as a reference value.
  • the second fiber coupler 32 is connected to an optical fiber connected to the first input 29a of the differential detector 29 and an optical fiber connected to the second input 29b. Specifically, 50% of the object light MLA that has entered the second fiber coupler 32 from the first optical fiber 23 is incident on the first input 29a as it is, but the remaining 50% of the object light MLA is the first light 29A. The light is incident on the second input 29b by the two-fiber coupler 32. Similarly, 50% of the reference light MLB incident on the second fiber coupler 32 from the second optical fiber 26 is directly incident on the first input 29a, but the remaining 50% of the reference light MLB is transmitted on the second fiber. The light is incident on the second input 29a by the coupler 32. At this time, the reference light MLB and the object light MLB are combined into a single light beam to become interference light, and are incident on each of the first input 29a and the second input 29b.
  • the differential signal generation unit 28 includes a differential detector 29 and an A / D converter 30.
  • the differential detector 29 is a difference between the interference lights input from the first input 29a and the second input 29b, respectively. Thus, the influence of noise included in the interference light is removed, and the interference light from which the noise is removed is converted into an electric signal according to the intensity. Note that details of noise reduction by the differential detector 29 are known techniques, and thus detailed description thereof is omitted here. Further, the differential detector 29 outputs the converted electric signal of the interference light to the A / D converter 30.
  • a trigger output synchronized with the repetition frequency of wavelength scanning is input from the measurement light source 21 to the A / D converter 30. Based on the input trigger output, the A / D converter 30 acquires the interference light electrical signal output from the differential detector 29 in synchronization with the repetition cycle of the measurement light source 21.
  • the interference light interference according to the optical path length difference between the object light MLA and the reference light MLB occurs, and the collected electrical signal of the interference light is calculated by the controller 4 that forms part of the optical interferometer 20.
  • the calculation part 4b is output to the part 4b, and the calculation part 4b evaluates the penetration depth of the weld part 7a based on the input electric signal of the interference light.
  • the calculation unit 4b performs a fast Fourier transform (FFT) process on the input electrical signal of the interference light, and evaluates the penetration depth of the welded part 7a based on the result of the process. .
  • FFT fast Fourier transform
  • the spot diameter of the object light MLA emitted from the optical interferometer 20 is smaller than the spot diameter of the laser light LB emitted from the laser head 2.
  • the optical systems in the laser head 2 and the optical interferometer 20 are adjusted in advance. By doing in this way, it becomes possible to irradiate only the bottom part 7c of the keyhole 7b with the object light MLA, and a penetration depth can be evaluated correctly.
  • the first optical fiber 23 is connected from the first fiber coupler 22 to the laser head 2 through the outside of the housing 40.
  • the second optical fiber 26 connected to the first fiber coupler 22 is accommodated in the housing 40 together with the reference mirror 31.
  • the second fiber coupler 32 is also accommodated in the housing 40.
  • the housing 40 is configured to prevent external light from entering the interior and protect components housed inside the second optical fiber 26 and the like from mechanical damage. It is a box. If the mechanical strength and the light shielding performance are desired values, the housing 40 may be made of an insulator.
  • the housing 40 and the first fiber 23 are both installed in the processing chamber 50.
  • the first optical fiber 23 is provided in contact with the outer peripheral surface of the first core 23a coaxially with the first core 23a for guiding the object light MLA and the first core 23a. And a first clad 23b for confining the object light MLA in the first core 23a. Further, a first covering portion (first coating) 24 is provided in contact with the outer peripheral surface of the first cladding 23b. In addition, a protective tube (protective portion) 25 provided separately from the first covering portion 24 is provided on the outer peripheral side of the first covering portion 24, and is spaced apart from the first covering portion 24 by a predetermined distance. It is arranged.
  • the second optical fiber 26 is provided with a second core 26a for guiding the reference light MLB, and is provided in contact with the outer peripheral surface of the second core 26a coaxially with the second core 26a. And a second clad 26b for confining in the core 26a. A second covering portion (second coating) 27 is provided in contact with the outer peripheral surface of the second cladding 26b.
  • the first and second cores 23a and 26a are made of quartz glass, and the first and second claddings 23b and 26b are also made of quartz glass.
  • the refractive indexes of the first and second cores 23a and 26a are set to be higher than the refractive indexes of the first and second claddings 23b and 26b, respectively.
  • the diameters of the first and second cores 23a and 26a shown in FIG. 4A are configured to be equal to each other, and are about 9.2 ⁇ m in this embodiment.
  • the diameter D1 of the first cladding 23b including the first core 23a hereinafter referred to as the fiber diameter D1 of the first optical fiber 23
  • the diameter D2 of the second cladding 26b including the second core 26a hereinafter referred to as the first core 23a
  • the optical diameters D2 of the two optical fibers 26 are also configured to be equal to each other, and are approximately 125 ⁇ m in this embodiment.
  • the length of the first optical fiber 23 and the length of the second optical fiber 26 are configured to be approximately the same.
  • the length of the first optical fiber 23 and the length of the second optical fiber 26 are each 10 m.
  • the length is not particularly limited to this, and the distance between the optical interferometer 20 and the laser head 2, the light The interferometer 20 can be appropriately changed depending on the size, measurement accuracy, and the like.
  • the optical path length of the object light MLA and the optical path length of the reference light MLB are adjusted in advance so as to be the same.
  • the position of the reference mirror 31 is adjusted so that the two optical path lengths are the same. .
  • the first covering portion 24 that covers the outer peripheral surface of the first optical fiber 23 and the second covering portion 27 that covers the outer peripheral surface of the second optical fiber 26 are coatings made of the same insulating resin material.
  • the first core 23a and the first cladding 23b and the second core 26a and the second cladding 26b are protected from mechanical damage, respectively.
  • the first and second covering portions 24 and 27 shield leakage light leaking from the first and second optical fibers 23 and 26 in the radial directions, and the first and second optical fibers 23 and 26. Stray light or the like is prevented from entering the first and second optical fibers 23 and 26 from the outside through the outer peripheral surface.
  • the thickness C1 of the first covering portion 24 and the thickness C2 of the second coated portion 27 are configured to be equal.
  • the thicknesses C1 and C2 of the first and second covering portions 24 and 27 are about 62.5 ⁇ m. Note that both the first covering portion 24 and the second covering portion 27 have manufacturing tolerances when being attached to the first optical fiber 23 and the second optical fiber 26, respectively. “The thickness C1 of the first covering portion 24 is equal to the thickness C1 of the second coated portion 27” means that the thickness includes the respective manufacturing tolerances.
  • the protective tube 25 is a flexible pipe made of a metal material, and is configured to have higher hardness and / or mechanical strength than the first and second covering portions 24 and 27.
  • the first optical fiber 23 has a mechanical strength that does not cause mechanical damage when it touches and rubs against the floor surface of the processing chamber 50.
  • the first optical fiber 23 is flexible enough to be deformed according to the deformation of the first optical fiber 23.
  • the protective tube 25 may be made of an insulating resin material in the same manner as the first and second covering portions 24 and 27. Even in that case, it is preferable to have the above-mentioned mechanical strength and flexibility.
  • the laser welding apparatus 10 includes the laser oscillator 1 that generates the laser beam LB, the laser head 2 that irradiates the workpiece 7 with the laser beam LB generated by the laser oscillator 1, and
  • the controller 4 that controls the operation of the laser oscillator 1 and the laser head 2 is different in wavelength from the laser beam LB, but irradiates the measurement beam ML superimposed on the same axis as the laser beam LB on the workpiece 7 and is reflected by the workpiece 7.
  • An optical interferometer 20 that receives the measurement light ML and measures the penetration depth of the welded portion 7a of the workpiece 7 is provided, and the workpiece 7 is welded with the laser beam LB irradiated to the workpiece 7.
  • the optical interferometer 20 also includes a measurement light source 21 that generates the measurement light ML, and a first fiber coupler (first optical fiber) that branches the measurement light ML emitted from the measurement light source 21 into the object light MLA and the reference light MLB.
  • a first optical fiber 23 that guides the object light MLA branched by the first fiber coupler 22 toward the workpiece 7, and a reference light MLB branched by the first fiber coupler 22.
  • the object light MLA reflected by the work 7 through the second optical fiber 26 and the first optical fiber 23 are received, and the reference light MLB is received through the second optical fiber 26, and the object light MLA and the reference light are received.
  • At least a difference signal generator 28 that generates a difference signal from the MLB, and a calculator 4b that calculates the penetration depth of the weld 7a based on the difference signal generated by the difference signal generator 28.
  • the thickness of the first covering portion 24 covering the outer peripheral surface of the first optical fiber 23 and the second covering portion 27 covering the outer peripheral surface of the second optical fiber 26 are equal.
  • the penetration depth of the welded portion 7a of the workpiece 7 can be directly detected, and the quality of the welded portion can be evaluated with high accuracy.
  • the internal refractive index changes and the light propagation characteristics change. Therefore, by making the thickness of the first covering portion 24 and the second covering portion 27 equal, the light propagation characteristics of the first and second optical fibers 23 and 26 become the same, and the penetration depth It is possible to prevent the measurement error from increasing and to evaluate the quality of the welded portion 7a with high accuracy. This will be described with reference to FIGS. 4A, 4B, 5 and 6.
  • FIG. 5 shows the temperature dependence of the variation of the measurement waveform measured by the optical interferometer when the first and second optical fibers shown in FIG. 4B are used
  • FIG. 6 shows the first and second optical waveforms shown in FIG. 4B.
  • variation at the time of using 2 optical fibers is shown.
  • the difference between the reference position and the waveform bottom corresponds to the penetration depth.
  • ⁇ indicates the temperature dependence of the reference position variation when only the temperature of the first optical fiber 23 is changed
  • ⁇ indicates the reference position variation when only the temperature of the second optical fiber 26 is changed.
  • ⁇ indicates the temperature dependency of the reference position variation when the first and second optical fibers 23 and 26 are arranged in the same environment and their temperatures are changed.
  • the first optical fiber 23 moves so as to be dragged in the processing chamber 50 with the movement of the laser head 2, when the protective tube 25 is not provided on the outer peripheral side of the first optical fiber 23, the first covering portion 24. Needs to be thick enough to protect the first optical fiber 23 and prevent mechanical damage.
  • the light propagation characteristics change when stress is applied to the optical fiber.
  • the thickness of the covering portion covering the cladding surface is preferably thin so as not to affect the light propagation characteristics as much as possible. This is because the coating portion expands or contracts due to a temperature change in the surrounding environment, and the stress applied to the optical fiber changes.
  • the stress applied to the first optical fiber 23 by the first covering portion 24 and the second covering is different, and the temperature dependence of the stress is also different.
  • the measurement waveform itself of the penetration depth shifts.
  • the value of the penetration depth itself changes.
  • the measurement waveform protrudes from the range that can be measured by the optical interferometer 20, and the penetration depth cannot be accurately evaluated.
  • the temperature dependence of the measurement value fluctuation of the penetration depth is about 0.2 mm / ° C. to 0.3 mm.
  • the temperature dependence of the reference position variation measured by the optical interferometer 20 (indicated by ⁇ in FIG. 6) is Only the two optical fibers 26 are larger than the temperature dependence of the reference position variation (indicated by ⁇ in FIG. 6) when the temperature is changed.
  • the former is +0.49 mm / ° C, while the latter is -0.08 mm / ° C. This difference is considered to be caused by the difference between the thickness C1 of the first covering portion 24 and the thickness C2 of the second covering portion 27 and the difference in stress caused by the difference in thickness.
  • the thickness C1 of the first covering portion 24 and the thickness C2 of the second covering portion 27 are configured to be equal, the difference in stress is reduced.
  • the first optical fiber 23 and the second optical fiber 26 are configured such that the temperature dependence of the mutual light propagation characteristics is equal. Thereby, the temperature dependence of the fluctuation
  • the thickness C1 of the first covering portion 24 is equal to the thickness C2 of the second covering portion 27, and the thicknesses of the first and second covering portions 24, 27 are the same. By making it the same as the thickness, the temperature dependence of the measurement value fluctuation of the penetration depth can be reduced to about 0.12 mm / ° C.
  • the first optical fiber 23 is preferably protected by a protective tube 25 provided at a predetermined interval on the outer peripheral side of the first covering portion 24 and provided separately from the first covering portion 24.
  • the first optical fiber 23 By protecting the first optical fiber 23 with the protective tube 25, the first optical fiber is disposed in the processing chamber 50 and rubs against the floor surface of the processing chamber 50 as the laser head 2 moves. 23 can be protected from mechanical damage. Further, since the protective tube 25 is provided on the outer peripheral side of the first covering portion 24 at a predetermined interval, no extra stress is applied to the first core 23a and the first cladding 23b. As a result, the light propagation characteristics of the first optical fiber 23 do not change, and an increase in measurement error of the optical interferometer 20 can be suppressed.
  • the temperature is usually adjusted to a predetermined temperature, for example, about 20 ° C. to 28 ° C. so that the performance of the controller 4 and the like does not deteriorate.
  • the temperature in the processing chamber 50 in which the workpieces 7 are disposed rises due to heat generated when the workpieces 7 are welded, and when the plurality of workpieces 7 are continuously welded, the temperature in the control chamber 60 is increased. It becomes 10 degreeC or more higher than the temperature.
  • the temperature difference is the same even if the thickness C 1 of the first covering portion 24 and the thickness C 2 of the second covering portion 27 are the same. Therefore, the stress applied to the first optical fiber 23 and the stress applied to the second optical fiber 26 are different, which causes an increase in the measurement error of the penetration depth.
  • the difference in stress applied to each of them can be reduced, the temperature dependence of the reference position variation, and hence the penetration. Depth measurement error can be reduced.
  • the casing 40 in which the first optical fiber 23 and the second optical fiber 26 are accommodated is installed in the processing chamber 50 that is the same environment, so that the temperature environment of both can be reduced.
  • the difference in stress applied to each can be further reduced, and the measurement error of the penetration depth can be reduced.
  • the optical components such as the second optical fiber 26 and the reference mirror 31, and the first and second fiber couplers 22 and 32 in the housing 40
  • the optical components can be protected from mechanical damage. Can prevent dust and the like from adhering to the surface. Thereby, the performance degradation of the optical interferometer 20 can be prevented.
  • the housing 40 that accommodates the second optical fiber 26 and the like may be disposed in the control chamber 60 depending on the allowable range given to the measurement error of the penetration depth.
  • the housing 40 may be arranged in the control chamber 60 if the influence of the temperature difference between the processing chamber 50 and the control chamber 60 is within an allowable range for the measurement error of the penetration depth. .
  • the thicknesses C1 and C2 of the first and second covering portions 24 and 27 are the same as those of the first and second optical fibers 23 and 26. It is preferable that it is 2.5 times or less of the fiber diameters D1 and D2.
  • the thicknesses C1 and C2 of the first and second covering portions 24 and 27 exceed three times the fiber diameters D1 and D2 of the first and second optical fibers 23 and 26, the first core 24 to the first core. 23a and the first clad 23b, and the stress applied from the second covering portion 27 to the second core 26a and the second clad 26b becomes too large. As shown in FIG. This is because the effect of the manufacturing tolerances of the thicknesses C1 and C2 of the first and second covering portions 24 and 27 on the measurement error of the penetration depth cannot be ignored.
  • the laser welding apparatus according to the present invention is industrially useful because it can accurately and directly evaluate the penetration depth of the weld.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

レーザ溶接装置１０は、レーザ光ＬＢをワーク７に照射するレーザヘッド２と、溶接部７ａの溶け込み深さを測定する光干渉計２０と、を備えている。光干渉計２０は、レーザ光ＬＢと同軸でかつ波長が異なる測定光ＭＬから分岐された物体光ＭＬＡをワーク７に導光する第１光ファイバ２３と、測定光ＭＬから分岐された参照光ＭＬＢを導光する第２光ファイバ２６と、ワーク７で反射された物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの差分信号に基づいて溶接部７ａの溶け込み深さを算出する演算部４ｂと、を有している。第１及び第２光ファイバ２３，２６をそれぞれ被覆する第１及び第２被覆部２４，２７は互いに厚みが等しい。

Description

レーザ溶接装置
　本発明は、溶接部の溶け込み深さを評価する機能を有するレーザ溶接装置に関する。
　従来、溶接品質を評価するために、ワークにレーザ光が照射されたときの溶け込み深さを直接測定する機能を有するレーザ溶接装置が知られている。
　例えば、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ワークの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、測定光を、測定部に照射する物体光と光干渉計内を伝搬する参照光とに分岐し、異なる２つの光ファイバをそれぞれ伝搬する物体光と参照光との光路長の差を測定して、測定した光路長の差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、物体光と参照光をそれぞれ伝搬させる光ファイバの仕様、具体的には光ファイバを被覆する被膜の違いによって、光干渉計で測定された溶け込み深さに大きな誤差が生じることが本願発明者等の検討によって明らかになってきた。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、その目的は、光干渉計で評価される溶接部の溶け込み深さの測定誤差を低減するレーザ溶接装置を提供することにある。
　上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ溶接装置は、レーザ光でワークを溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を前記ワークに向けて照射するレーザヘッドと、前記レーザ発振器及び前記レーザヘッドの動作を制御するコントローラと、前記レーザ光と波長が異なる一方、前記レーザ光と同軸に重ね合わされた測定光を前記ワークに照射するとともに、前記ワークで反射した前記測定光を受け取って、前記ワークの溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、を少なくとも備え、前記光干渉計は、前記測定光を発生させる測定光光源と、前記測定光光源から出射された前記測定光を物体光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、前記第１光分岐部で分岐された前記物体光を前記ワークに向けて導光する第１光ファイバと、前記第１光分岐部で分岐された前記参照光を導光する第２光ファイバと、前記第１光ファイバを介して前記ワークで反射された前記物体光を受け取るとともに、前記第２光ファイバを介して前記参照光を受け取って、前記物体光の光強度と前記参照光の光強度との差分信号を生成する差分信号生成部と、前記差分信号生成部で生成された差分信号に基づいて前記溶接部の溶け込み深さを算出する演算部と、を少なくとも有し、前記第１光ファイバの外周面を被覆する第１被覆部と前記第２光ファイバの外周面を被覆する第２被覆部との厚みが等しいことを特徴とする。
　この構成によれば、溶接部の溶け込み深さを直接検出することができる。また、第１被覆部と第２被覆部との厚みが等しくなるようにすることで、第１及び第２光ファイバの光伝搬特性が同じになるようにして、溶け込み深さの測定誤差が増大するのを防止し、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
　本発明によれば、溶接部の溶け込み深さを直接かつ精度良く検出することができ、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
図１は、一実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示す模式図である。 図２は、光干渉計の概要を示す模式図である 図３は、レーザヘッドに接続された光干渉計の筐体及び第１光ファイバの配置を示す模式図である。 図４Ａは、一実施形態に係る第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面構造を示す模式図である。 図４Ｂは、比較のための第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面構造を示す模式図である。 図５は、図４Ｂに示す第１及び第２光ファイバを用いた場合の光干渉計で計測される計測波形の変動の温度依存性を示す図である。 図６は、図４Ｂに示す第１及び第２光ファイバを用いた場合の基準位置変動の温度依存性を示す図である。
　以下、本実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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全くない。
　（実施形態）
　［レーザ溶接装置の構成］
　図１は、本実施形態に係るレーザ溶接装置の構成の模式図を示す。図１に示すように、レーザ溶接装置１０は、レーザ発振器１と、レーザヘッド２と、多関節ロボット３と、コントローラ４と、溶接条件設定装置（ティーチングペンダント）５と、光干渉計２０とを有する。
　レーザ発振器１は、レーザ光伝送ファイバ６によってレーザヘッド２と接続されている。レーザ発振器１はレーザ発振し、発振したレーザ光ＬＢを、レーザ光伝送ファイバ６を介してレーザヘッド２へ出力する。
　レーザヘッド２は、レーザ光伝送ファイバ６により伝送されたレーザ光ＬＢをワーク７に向けて出射する。すなわち、レーザ光ＬＢがレーザヘッド２の先端からワーク７に出射される。図示しないが、レーザヘッド２には、レーザ光伝送ファイバ６を取付けるためのコネクタが設けられている。また、レーザヘッド２には、後述する第１光ファイバ２３を取付けるためのコネクタが設けられている。レーザヘッド２の内部には、レーザ光伝送ファイバ６から伝送されたレーザ光ＬＢを所定のスポット径に集光するための集光光学系（図示せず）及び後述する物体光ＭＬＡをワーク７のキーホール７ｂ（図２参照）に向けて照射するための光学系（図示せず）が配設されている。
　多関節ロボット３の各関節軸には、コントローラ４に接続されたモータ及びエンコーダ（図示せず）が取付けられている。多関節ロボット３は、コントローラ４からの指令に従って、各関節軸に取付けられたモータを回転させ、多関節ロボット３の先端に取り付けられたレーザヘッド２を所望の軌跡を描くように移動させる。
　コントローラ４は、多関節ロボット３に接続され、多関節ロボット３の動作を制御する。また、レーザヘッド２内部に可動部品（図示せず）がある場合、コントローラ４はレーザヘッド２に接続され、当該可動部品の動作を制御する。また、コントローラ４は、レーザ発振器１に接続され、レーザ発振器１の発振出力（以下、単にレーザ出力と呼ぶことがある）を制御する。さらに、コントローラ４は、光干渉計２０に電気的に接続されている。
　また、コントローラ４は、溶接条件設定装置５に接続され、溶接条件設定装置５と双方向でデータ通信を行う。コントローラ４は、複数の溶接条件等が保存された記憶部４ａと、記憶部４ａに保存された溶接条件テーブルと作業者からの所定の入力とに従って、所望の溶接条件を設定、演算する演算部４ｂとを有する。なお、記憶部４ａは、コントローラ４の外部にあってもよい。例えば、コントローラ４と有線または無線で双方向にデータ通信を行う場合は、記憶部４ａは、外部サーバー上にあってもよいし、記憶媒体等であってもよい。また、演算部４ｂは、光干渉計２０からの信号（差分信号）を受けてワーク７の溶接部７ａ（図２参照）の溶け込み深さを評価する。なお、通常、演算部４ｂが各種演算を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）として構成され、記憶部４ａがＣＰＵの実行する制御プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）、演算結果等を格納する読書き可能なＲＡＭ（Random Access Memory）として構成されており、コントローラ４は、記憶部４ａ及び演算部４ｂの他に入力インターフェース、出力インターフェース等をさらに有するコンピュータとして構成されている。
　溶接条件設定装置（ティーチングペンダント）５は、レーザ溶接に関する所定のデータを入力する入力部５ａと、溶接条件やレーザ溶接時の各種センサ（図示せず）からの情報等を表示する表示部５ｂとを有する。コントローラ４と溶接条件設定装置５とは一体であってもよい。両者の間でデータのやり取りができればよい。また、表示部５ｂとは別にコントローラ４に表示部が接続されるようにしてもよい。また、入力部５ａにおけるデータ入力形式は特に限定されない。キーボードやタッチパネル等からの入力であってもよいし、音声等による入力でもよい。また、記憶媒体や外部サーバーから記憶部４ａにデータを送る際のインターフェース等であってもよい。また、溶接条件設定装置５に、コントローラ４の演算部４ｂとは別の演算部（図示せず）が設けられ、入力部５ａからの入力に従って所定の演算処理を実行させるようにしてもよい。その場合、当該演算処理結果をコントローラ４の記憶部４ａに記憶させることもできる。また、溶接条件設定装置５は、レーザ溶接を行う作業者が携帯して操作できるように、所定の長さの配線を介して、または無線通信でコントローラ４に接続されている。
　光干渉計２０は、測定光光源２１と、第１ファイバカプラ（第１光分岐部）２２と、第１光ファイバ２３と、第２光ファイバ２６と、差分信号生成部２８と、を少なくとも有している（図２参照）。また、コントローラ４の演算部４ｂは、光干渉計２０の一部を構成している。光干渉計２０は、レーザ光ＬＢと波長が異なり、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされた測定光ＭＬをワーク７に照射するとともに、ワーク７で反射した測定光ＭＬを受け取って、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを測定、評価する。
　光干渉計２０の構成の詳細及び、光干渉計２０の各部の機能については後で詳述する、なお、光干渉計２０の各部のうち、第１ファイバカプラ２２と第２光ファイバ２６とは筐体４０内に収容され、測定光光源２１と第１光ファイバ２３と差分信号生成部２８とは筐体４０の外に設置されている。また、第１光ファイバ２３は、第１ファイバカプラ２２に接続されるとともに、その外側を覆うように第１光ファイバ２３と所定の間隔をあけて設けられた保護管（保護部）２５（図４Ａ参照）を有している。なお、本実施形態では、コントローラ４の演算部４ｂにおいて、光干渉計２０の差分信号生成部２８からの差分信号を受けてワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを評価するようにしているが、光干渉計２０自体に別の演算部（図示せず）を設けて、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを評価するようにしてもよい。
　また、レーザ溶接装置１０の各部は、主に、加工室５０と、これと隔てられた制御室６０とに分かれて設置されている。加工室５０には、レーザヘッド２と多関節ロボット３とが設置されている。制御室６０には、コントローラ４と溶接条件設定装置５とが設置されている。また、光干渉計２０のうち、第１ファイバカプラ２２と第２光ファイバ２６とを収容する筐体４０及び第１光ファイバ２３は加工室５０に設置され、測定光光源２１と差分信号生成部２８とは制御室６０に設置されている。差分信号生成部２６と筐体４０内に収容された第２ファイバカプラ３２（図２参照）とは光ファイバを介して接続され、測定光光源２１と第１ファイバカプラ２２とは光ファイバを介して接続されている。なお、加工室５０は、メンテナンス以外に作業者が立ち入らないようになっており、例えば、ワーク７に当たって反射したレーザ光ＬＢが制御室６０に入り込まないように各壁面が遮蔽されている。なお、レーザ発振器１は、図示しない電源とともに加工室５０に設置されることが多いが、加工室５０や制御室６０とは別に設けられた室内に別途設置されるようにしてもよい。
　［光干渉計の構成及び動作］
　図２は、本実施形態に係る光干渉計の概要の模式図を、図３は、レーザヘッドに接続された光干渉計の筐体及び第１光ファイバの配置の模式図をそれぞれ示す。また、図４Ａは、本実施形態に係る第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面構造の模式図を、図４Ｂは、比較のための第１光ファイバ及び第２光ファイバの断面構造の模式図をそれぞれ示す。なお、図２において、筐体は図示を省略している。また、図３において、第１及び第２光ファイバ２３，２６、筐体４０、第１ファイバカプラ２２及び参照ミラー３１以外の光干渉計２０の構成部品については図示を省略している。また、図２において加工室５０及び制御室６０の図示を省略している。
　光干渉計２０は、Ｓｗｅｐｔ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ　Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ－ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを測定する。
　測定光光源２１は、レーザ光ＬＢと波長が異なるとともに、波長幅の短い測定光ＭＬを連続的に出射し、出射する測定光ＭＬの中心波長を、周期的に変化させる。このように測定光ＭＬの中心波長を周期的に変化させる動作を波長走査と呼ぶ。
　測定光光源２１から出射した測定光ＭＬは、光ファイバを介して、第１ファイバカプラ２２に入射する。第１ファイバカプラ２２に入射した測定光ＭＬは、物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢの２つに分岐される。物体光ＭＬＡとは測定対象である溶接部７ａに照射される測定光のことを意味し、参照光ＭＬＢとは基準面である参照ミラー３１に照射される測定光を意味する。このとき、物体光ＭＬＡは第１光ファイバ２３に、参照光ＭＬＢは第２光ファイバ２６にそれぞれ入射する。また、第１ファイバカプラ２２は、入射した測定光ＭＬの５０％を物体光ＭＬＡに、残りの５０％を参照光ＭＬＢに分岐させる。
　物体光ＭＬＡは、第１光ファイバ２３及びレーザヘッド２を介して、ワーク７の溶接部７ａに照射される。この際、物体光ＭＬＡは、レーザヘッド２内の図示しない光学系によって、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされる。溶接部７ａに照射された物体光ＭＬＡの一部は、溶接部７ａで反射され、第１光ファイバ２３を介して光干渉計２０の第２ファイバカプラ（第２光分岐部）３２に入射する。このとき、第１ファイバカプラ２２から出射して、第２ファイバカプラ３２に入射するまでに物体光ＭＬＡが通過した光路の長さを、物体光ＭＬＡの光路長とする。
　参照光ＭＬＢは、第２光ファイバ２６を介して、参照ミラー３１に照射される。参照ミラー３１に照射された参照光ＭＬＢは、参照ミラー３１で反射した後、第２光ファイバ２６を介して、第２ファイバカプラ３２に入射する。このとき、第１ファイバカプラ２２から出射して、第２ファイバカプラ３２に入射するまでに参照光ＭＬＢが通過した光路の長さを、参照光ＭＬＢの光路長とする。参照光ＭＬＢの光路長は、基準値として予め測定しておく。
　第２ファイバカプラ３２は、差動ディテクタ２９の第１入力２９ａに接続される光ファイバと、第２入力２９ｂに接続される光ファイバとにそれぞれ接続されている。具体的には、第１光ファイバ２３から第２ファイバカプラ３２に入射した物体光ＭＬＡの５０％は、そのまま、第１入力２９ａに入射されるが、残りの５０％の物体光ＭＬＡは、第２ファイバカプラ３２によって、第２入力２９ｂに入射される。同様に、第２光ファイバ２６から第２ファイバカプラ３２に入射した参照光ＭＬＢの５０％は、そのまま、第１入力２９ａに入射されるが、残りの５０％の参照光ＭＬＢは、第２ファイバカプラ３２によって、第２入力２９ａに入射される。このとき、参照光ＭＬＢと物体光ＭＬＢとが１つの光束に結合されることで干渉光となって、第１入力２９ａ及び第２入力２９ｂのそれぞれに入射される。
　差分信号生成部２８は、差動ディテクタ２９とＡ／Ｄ変換器３０とで構成されており、差動ディテクタ２９は、第１入力２９ａと第２入力２９ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差分を取ることで、干渉光に含まれるノイズの影響を除去し、ノイズを除去した干渉光を、その強度に応じて電気信号に変換する。なお、差動ディテクタ２９によるノイズ低減の詳細については、公知の技術であるため、詳細な説明をここでは省略する。また、差動ディテクタ２９は、変換した干渉光の電気信号を、Ａ／Ｄ変換器３０へ出力する。
　Ａ／Ｄ変換器３０には、波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ出力が、測定光光源２１から入力されている。入力されたトリガ出力に基づくことで、Ａ／Ｄ変換器３０は、測定光光源２１の繰り返しの周期と同期して、差動ディテクタ２９から出力される干渉光の電気信号についての集録を行う。干渉光には、物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの光路長差に応じた干渉が生じており、集録された干渉光の電気信号は、光干渉計２０の一部を構成するコントローラ４の演算部４ｂへ出力され、演算部４ｂは、入力された干渉光の電気信号に基づいて、溶接部７ａの溶け込み深さを評価する。具体的には、演算部４ｂが、入力された干渉光の電気信号に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行し、処理の結果に基づいて、溶接部７ａの溶け込み深さを評価する。
　また、光干渉計２０が、溶接部７ａに生じたキーホール７ｂを実際の深さよりも浅く測定するのを防止するためには、的確に物体光ＭＬＡをキーホール７ｂの底部７ｃに照射する必要がある。そこで、本実施形態では、溶接部７ａにおいて、レーザヘッド２から出射されるレーザ光ＬＢのスポット径よりも、光干渉計２０から出射される物体光ＭＬＡのスポット径の方が小さくなるように、レーザヘッド２内及び図示しない光干渉計２０内の光学系が予め調整されている。このようにすることで、物体光ＭＬＡをキーホール７ｂの底部７ｃのみに照射することが可能となり、溶け込み深さを正確に評価することができる。
　また、図３に示すように、第１光ファイバ２３は、第１ファイバカプラ２２から、筐体４０の外部を通ってレーザヘッド２に接続されている。一方、第１ファイバカプラ２２に接続された第２光ファイバ２６は、参照ミラー３１とともに筐体４０内に収容されている。また、図示しないが、第２ファイバカプラ３２も筐体４０内に収容されている。筐体４０は、内部に外光が進入するのを防止するとともに、第２光ファイバ２６等の内部に収容された部品を機械的ダメージから保護するように構成されており、例えば、金属製の箱体である。機械的強度及び光遮蔽性能が所望の値であれば、筐体４０を絶縁体で構成してもよい。また、筐体４０と第１ファイバ２３とはともに加工室５０内に設置されている。
　また、図４Ａに示すように、第１光ファイバ２３は、物体光ＭＬＡを導光するための第１コア２３ａと、第１コア２３ａと同軸に第１コア２３ａの外周面に接して設けられ、物体光ＭＬＡを第１コア２３ａに閉じ込めるための第１クラッド２３ｂと、を有している。また、第１クラッド２３ｂの外周面に接して第１被覆部（第１被膜）２４が設けられている。また、第１被覆部２４の外周側には、第１被覆部２４と別体に設けられた保護管（保護部）２５が設けられており、第１被覆部２４と所定の間隔をあけて配設されている。また、第２光ファイバ２６は、参照光ＭＬＢを導光するための第２コア２６ａと、第２コア２６ａと同軸に第２コア２６ａの外周面に接して設けられ、参照光ＭＬＢを第２コア２６ａに閉じ込めるための第２クラッド２６ｂと、を有している。また、第２クラッド２６ｂの外周面に接して第２被覆部（第２被膜）２７が設けられている。
　第１及び第２コア２３ａ，２６ａは石英ガラスからなり、第１及び第２クラッド２３ｂ，２６ｂも同様に石英ガラスからなる。第１及び第２コア２３ａ，２６ａの屈折率は、それぞれ第１及び第２クラッド２３ｂ，２６ｂの屈折率よりも高くなるように設定されている。
　また、図４Ａに示す第１及び第２コア２３ａ，２６ａの直径は等しくなるように構成されており、本実施形態において９．２μｍ程度である。また、第１コア２３ａを含めた第１クラッド２３ｂの直径Ｄ１（以下、第１光ファイバ２３のファイバ径Ｄ１という）と、第２コア２６ａを含めた第２クラッド２６ｂの直径Ｄ２（以下、第２光ファイバ２６のファイバ径Ｄ２という）も同様に、それぞれ等しくなるように構成されており、本実施形態において１２５μｍ程度である。さらに、第１光ファイバ２３の長さと第２光ファイバ２６の長さとは同程度になるように構成されている。本実施形態において、第１光ファイバ２３の長さと第２光ファイバ２６の長さとは、それぞれ１０ｍであるが、特にこれに限定されず、光干渉計２０とレーザヘッド２との距離や、光干渉計２０の大きさや測定精度等によって適宜変更されうる。なお、通常、物体光ＭＬＡの光路長と参照光ＭＬＢの光路長は同じになるように予め調整されており、例えば、参照ミラー３１は２つの光路長が同じになるように位置が調整される。
　第１光ファイバ２３の外周面を被覆する第１被覆部２４と第２光ファイバ２６の外周面を被覆する第２被覆部２７とは、それぞれ同じ材質の絶縁性の樹脂材料からなる被膜であり、第１コア２３ａ及び第１クラッド２３ｂと第２コア２６ａ及び第２クラッド２６ｂとを、それぞれ機械的ダメージから保護している。また、第１及び第２被覆部２４，２７は、第１及び第２光ファイバ２３，２６からそれぞれの半径方向に漏れ出る漏れ光を遮蔽するとともに、第１及び第２光ファイバ２３，２６の外周面を通じて外部から迷光等が第１及び第２光ファイバ２３，２６に入射されるのを防止している。また、第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被複部２７の厚みＣ２とは等しくなるように構成されている。本実施形態では、第１及び第２被覆部２４，２７の厚みＣ１，Ｃ２は６２．５μｍ程度である。なお、第１被覆部２４及び第２被覆部２７ともに、第１光ファイバ２３及び第２光ファイバ２６にそれぞれ被着されるときの製造公差を有しているため、本願明細書において、「第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被複部２７の厚みＣ１とが等しい」とはそれぞれの製造公差を含んで等しいと言うことである。
　また、保護管２５は、金属材料からなるフレキシブルパイプであり、第１及び第２被覆部２４，２７よりも硬度及び／または機械的強度が高くなるように構成されている。特に、加工室５０の床面等に触れて擦れた場合に、第１光ファイバ２３に機械的ダメージを与えない程度の機械的強度を有しているのが好ましい。また、第１光ファイバ２３の変形に応じて変形できる程度の可撓性を有しているのが好ましい。なお、保護管２５を第１及び第２被覆部２４，２７と同様に絶縁性の樹脂材料としてもよい。その場合も、上記の機械的強度及び可撓性を有しているのが好ましい。
　［効果等］
　以上説明したように、本実施形態に係るレーザ溶接装置１０は、レーザ光ＬＢを発生させるレーザ発振器１と、レーザ発振器１で発生したレーザ光ＬＢをワーク７に向けて照射するレーザヘッド２と、レーザ発振器１及びレーザヘッド２の動作を制御するコントローラ４と、レーザ光ＬＢと波長が異なる一方、レーザ光ＬＢと同軸に重ね合わされた測定光ＭＬをワーク７に照射するとともに、ワーク７で反射した測定光ＭＬを受け取って、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを測定する光干渉計２０と、を少なくとも備えており、ワーク７に照射されたレーザ光ＬＢでワーク７を溶接する。
　また、光干渉計２０は、測定光ＭＬを発生させる測定光光源２１と、測定光光源２１から出射された測定光ＭＬを物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとに分岐する第１ファイバカプラ（第１光分岐部）２２と、第１ファイバカプラ２２で分岐された物体光ＭＬＡをワーク７に向けて導光する第１光ファイバ２３と、第１ファイバカプラ２２で分岐された参照光ＭＬＢを導光する第２光ファイバ２６と、第１光ファイバ２３を介してワーク７で反射された物体光ＭＬＡを受け取るとともに、第２光ファイバ２６を介して参照光ＭＬＢを受け取って、物体光ＭＬＡと参照光ＭＬＢとの差分信号を生成する差分信号生成部２８と、差分信号生成部２８で生成された差分信号に基づいて溶接部７ａの溶け込み深さを算出する演算部４ｂと、を少なくとも有している。
　また、第１光ファイバ２３の外周面を被覆する第１被覆部２４と第２光ファイバ２６の外周面を被覆する第２被覆部２７との厚みが等しい。
　レーザ溶接装置１０をこのように構成することで、ワーク７の溶接部７ａの溶け込み深さを直接検出することができ、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能となる。また、一般的に、光ファイバに応力が加わると内部の屈折率が変化して光伝搬特性が変化する。よって、第１被覆部２４と第２被覆部２７との厚みを等しくなるようにすることで、第１及び第２光ファイバ２３，２６の光伝搬特性が同じになるようにして、溶け込み深さの測定誤差が増大するのを防止し、溶接部７ａの品質の評価を高精度に行うことが可能となる。このことについて、図４Ａ，４Ｂ，図５及び図６を用いて説明する。
　図５は、図４Ｂに示す第１及び第２光ファイバを用いた場合の光干渉計で計測される計測波形の変動の温度依存性を示し、図６は、図４Ｂに示す第１及び第２光ファイバを用いた場合の基準位置変動の温度依存性を示す。なお、図５において、基準位置と波形底部との差が溶け込み深さに相当する。また、図６において、●は第１光ファイバ２３の温度のみを変化させた場合の基準位置変動の温度依存性を、□は第２光ファイバ２６の温度のみを変化させた場合の基準位置変動の温度依存性をそれぞれ示し、△は、第１及び第２光ファイバ２３，２６を同じ環境に配置した上で、これらの温度を変化させた場合の基準位置変動の温度依存性を示す。
　第１光ファイバ２３は、レーザヘッド２の移動に伴って加工室５０内で引きずられるように移動するため、第１光ファイバ２３の外周側に保護管２５を設けない場合、第１被覆部２４は第１光ファイバ２３を保護し、機械的ダメージが加わらないように十分な厚みである必要がある。
　しかし、前述したように、光ファイバに応力が加わると光伝搬特性が変化する。当該光伝搬特性になるべく影響を与えないようクラッド表面を被覆する被覆部の厚みは薄いほうがよい。周辺環境の温度変化によって、被覆部が膨張または収縮し、光ファイバに加わる応力が変化するためである。
　図４Ｂに示すように、第１被覆部２４の厚みＣ１が第２被覆部２７の厚みＣ２よりも厚くなっていると、第１被覆部２４によって第１光ファイバ２３に加わる応力と第２被覆部２７によって第２光ファイバ２６に加わる応力とが異なるとともに、応力の温度依存性も異なってくる。
　このような場合、例えば、図５に示すように、第１及び第２光ファイバ２３，２６の周辺環境温度が変化し、これらの温度差が拡大すると、溶け込み深さの計測波形自体がシフトするとともに、溶け込み深さの値自体も変化してしまう。このことにより、光干渉計２０で計測可能な範囲から計測波形がはみ出してしまうとともに、溶け込み深さの正確な評価ができなくなってしまう。なお、図５に示す場合において、溶け込み深さの測定値変動の温度依存性は、０．２ｍｍ／℃～０．３ｍｍ程度である。
　また、図６に示すように、第１光ファイバ２３のみ温度を変化させた場合に、光干渉計２０で計測される基準位置変動の温度依存性（図６中に●で表示）は、第２光ファイバ２６のみ温度を変化させた場合の基準位置変動の温度依存性（図６中に□で表示）よりも大きくなっている。前者が、＋０．４９ｍｍ／℃であるのに対し、後者は、－０．０８ｍｍ／℃である。この差は、前述した第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被覆部２７の厚みＣ２の差異及び、これら厚みの差異に起因する応力の差異によって生じていると考えられる。
　一方、図４Ａに示す本実施形態によれば、第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被覆部２７の厚みＣ２とが等しくなるように構成されているため、上記の応力の差異が小さくなる。言いかえると、第１光ファイバ２３と第２光ファイバ２６とは、互いの光伝搬特性の温度依存性が等しくなるように構成されている。このことにより、光干渉計２０の計測波形及びこの計測波形に基づいて得られる溶け込み深さの値に関する変動の温度依存性を小さくすることができる。よって、溶け込み深さの測定誤差が増大するのを防止し、溶接部７ａの品質の評価を高精度に行うことが可能となる。
　実際に、第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被覆部２７の厚みＣ２とが等しくなるように、かつ第１及び第２被覆部２４，２７の厚みをもとの第２被覆部２７の厚みと同じになるようにすることで、溶け込み深さの測定値変動の温度依存性を、０．１２ｍｍ／℃程度まで小さくすることができる。
　また、第１光ファイバ２３は、第１被覆部２４の外周側に所定の間隔をあけて、かつ第１被覆部２４と別体に設けられた保護管２５によって保護されていることが好ましい。
　第１光ファイバ２３を上記の保護管２５で保護することにより、加工室５０内に配置され、かつレーザヘッド２の移動に伴って加工室５０の床面等に擦れて移動する第１光ファイバ２３を機械的ダメージから保護することができる。また、保護管２５が第１被覆部２４の外周側に所定の間隔をあけて設けられていることにより、第１コア２３ａ及び第１クラッド２３ｂに対して余分な応力が加わることがない。このことにより、第１光ファイバ２３の光伝搬特性が変化せず、光干渉計２０の測定誤差が増加するのを抑制することができる。
　一方、溶け込み深さの測定精度に関し、さらに高い精度が求められる場合には、この測定値変動の温度依存性をいっそう小さくする必要がある。この場合には、第１光ファイバ２３が設置される環境の温度と第２光ファイバ２６が設置される環境の温度とを同程度にすることで、溶け込み深さの変動を小さくすることができる。図６中に□で表示するように、両者において被覆部の厚みに差があるにも関わらず、第１及び第２光ファイバ２３，２６を同じ環境に配置した場合、基準位置変動の温度依存性は、＋０．４ｍｍ／℃となり、第１光ファイバ２３のみ温度を変化させた場合の値よりも小さくなっている。
　この理由をさらに説明する。コントローラ４等が配置される制御室６０では、コントローラ４等の性能が低下しないように、通常、所定の温度、例えば、２０℃～２８℃程度になるように温度調節がなされている。一方、ワーク７が配置される加工室５０内の温度は、ワーク７が溶接されるときに発生する熱によって上昇し、複数のワーク７が継続して溶接されているときには、制御室６０内の温度に対して１０℃以上高くなる。制御室６０内に第２光ファイバ２６を収容する筐体４０を設置した場合、第１被覆部２４の厚みＣ１と第２被覆部２７の厚みＣ２が同じであったとしても、上記の温度差によって、第１光ファイバ２３に加わる応力と第２光ファイバ２６に加わる応力とが異なってしまい、溶け込み深さの測定誤差が増加する要因となる。このことからわかるように、第１光ファイバ２３と第２光ファイバ２６とを同じ温度環境下に配置することで、それぞれに加わる応力の差異を小さくでき、基準位置変動の温度依存性、ひいては溶け込み深さの測定誤差を低減することができる。
　本実施形態に示す構成のように、第１光ファイバ２３と第２光ファイバ２６が収容された筐体４０とが同じ環境である加工室５０内に設置されることで、両者の温度環境を同じにすることができ、それぞれに加わる応力の差異をさらに小さくでき、溶け込み深さの測定誤差を低減することができる。
　また、第２光ファイバ２６及び参照ミラー３１、さらに第１及び第２ファイバカプラ２２，３２等の光学部品を筐体４０内に収容することで、機械的ダメージから保護できるとともに、これらの光学部品に粉じん等が付着するのを防止できる。これにより、光干渉計２０の性能低下を防止することができる。なお、溶け込み深さの測定誤差に与えられる許容範囲によっては、第２光ファイバ２６等を収容する筐体４０を制御室６０内に配置するようにしてもよい。また、加工室５０と制御室６０との温度差の影響が溶け込み深さの測定誤差に与える許容範囲内であれば、同様に、筐体４０を制御室６０内に配置するようにしてもよい。
　なお、第１及び第２光ファイバ２３，２６のファイバ径Ｄ１，Ｄ２が同じである場合、第１及び第２被覆部２４，２７の厚みＣ１，Ｃ２は第１及び第２光ファイバ２３，２６のファイバ径Ｄ１，Ｄ２の２．５倍以下であることが好ましい。例えば、第１及び第２被覆部２４，２７の厚みＣ１，Ｃ２が第１及び第２光ファイバ２３，２６のファイバ径Ｄ１，Ｄ２の３倍を超えると、第１被覆部２４から第１コア２３ａ及び第１クラッド２３ｂに加わる応力が、また、第２被覆部２７から第２コア２６ａ及び第２クラッド２６ｂに加わる応力が大きくなりすぎるとともに、図６に示すように、これらの応力の温度依存性が大きくなり、第１及び第２被覆部２４，２７の厚みＣ１，Ｃ２の製造公差等が溶け込み深さの測定誤差に与える影響が無視できなくなるからである。
　本発明に係るレーザ溶接装置は、精度良くかつ直接的に溶接部の溶け込み深さを評価できるため、産業上有用である。
１　　　レーザ発振器
２　　　レーザヘッド
３　　　多関節ロボット
４　　　コントローラ
４ａ　　記憶部
５　　　溶接条件設定装置（ティーチングペンダント）
６　　　レーザ光伝送ファイバ
７　　　ワーク
７ａ　　溶接部
２０　　光干渉計
２１　　測定光光源
２２　　第１ファイバカプラ（第１光分岐部）
２３　　第１光ファイバ
２４　　第１被覆部（第１被膜）
２５　　保護管
２６　　第２光ファイバ
２７　　第２被覆部（第２被膜）
２８　　差分信号生成部
２９　　差動ディテクタ
３０　　Ａ／Ｄ変換器
３１　　参照ミラー
３２　　第２ファイバカプラ（第２光分岐部）
４０　　筐体
５０　　加工室
６０　　制御室
ＬＢ　　レーザ光
ＭＬ　　測定光
ＭＬＡ　物体光
ＭＬＢ　参照光

Claims (6)

  1. 　レーザ光でワークを溶接するレーザ溶接装置であって、
    　前記レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
    　前記レーザ発振器で発生した前記レーザ光を前記ワークに向けて照射するレーザヘッドと、
    　前記レーザ発振器及び前記レーザヘッドの動作を制御するコントローラと、
    　前記レーザ光と波長が異なる一方、前記レーザ光と同軸に重ね合わされた測定光を前記ワークに照射するとともに、前記ワークで反射した前記測定光を受け取って、前記ワークの溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、を少なくとも備え、
    　前記光干渉計は、
    　前記測定光を発生させる測定光光源と、
    　前記測定光光源から出射された前記測定光を物体光と参照光とに分岐する第１光分岐部と、
    　前記第１光分岐部で分岐された前記物体光を前記ワークに向けて導光する第１光ファイバと、
    　前記第１光分岐部で分岐された前記参照光を導光する第２光ファイバと、
    　前記第１光ファイバを介して前記ワークで反射された前記物体光を受け取るとともに、前記第２光ファイバを介して前記参照光を受け取って、前記物体光の光強度と前記参照光の光強度との差分信号を生成する差分信号生成部と、
    　前記差分信号生成部で生成された差分信号に基づいて前記溶接部の溶け込み深さを算出する演算部と、を少なくとも有し、
    　前記第１光ファイバの外周面を被覆する第１被覆部と前記第２光ファイバの外周面を被覆する第２被覆部との厚みが等しいことを特徴とするレーザ溶接装置。
  2. 　請求項１に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記第１光ファイバは、前記第１被覆部の外周側に所定の間隔をあけて、かつ前記第１被覆部と別体に設けられた保護管によって保護されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
  3. 　請求項２に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記コントローラは制御室に設置される一方、前記レーザヘッド及び前記第１光ファイバは、前記制御室と隔てられた加工室に設置され、
    　前記第１光分岐部及び前記第２光ファイバは、前記加工室に設置された筐体内に収容される一方、前記測定光光源と前記差分信号生成部と前記演算部とは前記制御室に設置されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
  4. 　請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記第１光ファイバのファイバ径と前記第２光ファイバのファイバ径とが等しいことを特徴とするレーザ溶接装置。
  5. 　請求項４に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記第１被覆部の厚みは前記第１光ファイバのファイバ径の２．５倍以下であり、
    　前記第２被覆部の厚みは前記第２光ファイバのファイバ径の２．５倍以下であることを特徴とするレーザ溶接装置。
  6. 　請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
    　前記第１光ファイバの光伝搬特性の温度依存性と前記第２光ファイバの光伝搬特性の温度依存性とが等しいことを特徴とするレーザ溶接装置。
PCT/JP2018/043419 2018-02-08 2018-11-26 レーザ溶接装置 WO2019155729A1 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018-020859 2018-02-08
JP2018020859 2018-02-08

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019155729A1 true WO2019155729A1 (ja) 2019-08-15

Family

ID=67548844

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/043419 WO2019155729A1 (ja) 2018-02-08 2018-11-26 レーザ溶接装置

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2019155729A1 (ja)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58137804A (ja) * 1982-02-10 1983-08-16 Furukawa Electric Co Ltd:The 強化光フアイバ
JP2004219244A (ja) * 2003-01-15 2004-08-05 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光ファイバ異常検知装置及びこれを用いたレーザ伝送装置
JP2012220359A (ja) * 2011-04-11 2012-11-12 Tokyo Electron Ltd 基板処理装置に用いられるプロセスモニター装置、プロセスモニター方法、および基板処理装置
JP2012236196A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Panasonic Corp レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS58137804A (ja) * 1982-02-10 1983-08-16 Furukawa Electric Co Ltd:The 強化光フアイバ
JP2004219244A (ja) * 2003-01-15 2004-08-05 Mitsubishi Cable Ind Ltd 光ファイバ異常検知装置及びこれを用いたレーザ伝送装置
JP2012220359A (ja) * 2011-04-11 2012-11-12 Tokyo Electron Ltd 基板処理装置に用いられるプロセスモニター装置、プロセスモニター方法、および基板処理装置
JP2012236196A (ja) * 2011-05-10 2012-12-06 Panasonic Corp レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10969541B2 (en) Method for determining the curvature and/or torsion of an optical waveguide
WO2010087337A1 (ja) 形状測定装置
JPH0271147A (ja) 非破壊検査方法及び装置
CN204101015U (zh) 基于双波混频的激光超声测厚系统
US11976962B2 (en) Optical-fiber path searching method, optical-fiber path searching system, signal processing device, and program
CN102538662A (zh) 根据干涉量度学原理的偏转测量设备
US20190126389A1 (en) Laser-welding apparatus and laser-welding method
CN110470240A (zh) 一种光纤曲率测量传感器及其制作方法、测量系统
Liu et al. Strain measurement in the spallation target using high-radiation-tolerant fiber sensors
WO2019155729A1 (ja) レーザ溶接装置
JP2013253831A (ja) 異常音検知装置及び方法
CN106796097B (zh) 用于在激光加工工件时进行受温度补偿的干涉仪式间距测量的装置和方法
US10481338B2 (en) Optical fiber sensor measuring apparatus
JP2019209344A (ja) レーザ溶接装置
JP7016823B2 (ja) 圧力センサ
Wanninayake et al. Modeling and optimizing output characteristics of intensity modulated optical fiber-based displacement sensors
JP2015194410A (ja) ３次元座標測定装置及び方法、並びに校正装置
JP6082320B2 (ja) 光軸調整装置及びその工程
JP2014044060A (ja) 形状測定装置、および形状測定方法
KR20220110254A (ko) 레이저 가공 기계의 작업 헤드와 가공 대상물의 표면 사이의 이격 거리를 저간섭성 광학 간섭계 기술들에 의해 결정 및 제어하기 위한 방법 및 시스템
JP2003194518A (ja) レーザ距離計測装置
JP2010085148A (ja) 微小変位測定装置、微小変位測定方法および微小変位測定用プログラム
JP5379029B2 (ja) 形状測定装置および該方法
US20230288188A1 (en) Optical interference range sensor
KR100908638B1 (ko) 3차원 좌표측정 장치 및 방법

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18905148

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18905148

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP