WO2021059825A1 - レーザ加工監視方法及びレーザ加工監視装置 - Google Patents

レーザ加工監視方法及びレーザ加工監視装置 Download PDF

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WO2021059825A1
WO2021059825A1 PCT/JP2020/031991 JP2020031991W WO2021059825A1 WO 2021059825 A1 WO2021059825 A1 WO 2021059825A1 JP 2020031991 W JP2020031991 W JP 2020031991W WO 2021059825 A1 WO2021059825 A1 WO 2021059825A1
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sensor output
output signal
laser
waveform
monitoring range
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PCT/JP2020/031991
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淳 梁瀬
雄祐 西崎
晴彦 渡辺
純一 篠
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株式会社アマダウエルドテック
株式会社アマダ
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Definitions

  • the present disclosure relates to a laser processing monitoring method and a laser processing monitoring device that irradiate a work piece with a laser beam and melt the work piece with laser energy to monitor the quality of laser processing.
  • the melting state near the processing point of the workpiece is photographed with an image sensor such as an electronic camera, and the quality of welding is improved by image analysis.
  • a method of making a judgment, or a photoelectric conversion element such as a photodiode receives the reflected light (synchrotron radiation) from the vicinity of the processing point of the workpiece, and the output signal of the photoelectric conversion element is subjected to a predetermined signal processing to perform a pass / fail judgment. The method is used.
  • the monitoring method of image analysis using an image sensor has the advantage that it is easy to grasp the quality of welding at a glance because the shape of the molten pool is directly observed as an image, but the cost of hardware and software is high.
  • the signal processing monitoring method using a photoelectric conversion element can reduce the cost by relatively simplifying the hardware and software mechanisms.
  • This monitoring method includes a method in which radiant energy is converted into temperature by a radiation thermometer incorporating a photoelectric conversion element and the converted temperature is displayed, and the output signal of the photoelectric conversion element, that is, the light intensity of reflected light (synchrotron radiation).
  • Patent Document 1 A method in which an integrated value or an average value per pulse is calculated by an integrating circuit or an average value calculation circuit, and the integrated value or the average value is compared with a threshold value by a comparison circuit to make a pass / fail judgment.
  • the method of measuring and displaying the temperature near the processing point with a radiation thermometer can determine whether or not the work piece has melted by comparing the measured temperature with the melting point. , It is impossible to capture even the subtle behavior or dynamic changes of the molten part, and the accuracy and reliability of monitoring are low.
  • the method of comparing the integrated value or the average value per pulse with respect to the light intensity of the reflected light (synchrotron radiation) with the threshold value also has a low correlation between the reflected light (synchrotron radiation) and the molten state and one pulse. Since the per-integrated value or the average value does not accurately reflect the dynamic change of the molten part, the accuracy and reliability of monitoring are also not high.
  • the present disclosure solves the above-mentioned problems of the prior art, and realizes fine-tuned monitoring with excellent accuracy, reliability, and cost for laser machining involving melting of a workpiece.
  • a method and a laser machining monitoring device are provided.
  • the work piece is irradiated with a laser beam under set processing conditions, and the work piece is melted by laser energy to monitor the quality of the laser work.
  • the second step of generating an analog sensor output signal representing the intensity the third step of converting the waveform of the sensor output signal into digital waveform data without impairing the intensity change, and the processing conditions.
  • a fourth step of presetting a reference waveform for the sensor output signal, a first monitoring range with the first offset value as a limit value in an arbitrary section on the time axis with respect to the reference waveform, and The waveform of the sensor output signal is based on the fifth step of setting the second monitoring range with the second offset value larger than the first offset value as the limit value and the waveform data of the sensor output signal.
  • the sixth step of applying the first and second monitoring ranges to the above, and the waveform of the sensor output signal is either in the first monitoring range or outside the first monitoring range.
  • the laser processing monitoring device irradiates the workpiece with laser light under set processing conditions, and monitors the quality of the laser processing performed by melting the workpiece with laser energy.
  • This is a laser processing monitoring device that receives radiated light generated from the vicinity of the processing point of the workpiece during irradiation of the laser light and photoelectrically converts infrared rays in a predetermined wavelength band contained in the radiated light.
  • a light receiving unit that generates an analog sensor output signal representing the intensity of the emitted light, a signal processing unit that converts the waveform of the sensor output signal into digital waveform data without impairing the intensity change, and the processing conditions.
  • a reference waveform setting unit that sets a reference waveform for the sensor output signal in advance in correspondence with the reference waveform, and a first one having at least a first offset value as a limit value in an arbitrary section on the time axis with respect to the reference waveform.
  • a monitoring range setting unit that sets a monitoring range and a second monitoring range whose limit value is a second offset value larger than the first offset value, and the first and second waveforms of the sensor output signal. Whether the waveform of the sensor output signal is within the first monitoring range, or extends outside the first monitoring range and is within the second monitoring range. Alternatively, it has an inspection unit that inspects whether or not it is outside the second monitoring range, and a determination unit that determines the quality of the laser processing in at least three stages based on the inspection results obtained from the inspection unit. ..
  • the waveform data of the sensor output signal that finely and faithfully represents the intensity change of the specific wavelength band of the radiation emitted from the workpiece during laser processing is acquired, and based on this waveform data.
  • the waveform of the sensor output signal is inside or outside which monitoring range. Since it is inspected for existence and the quality of the laser processing is judged based on the result of the inspection, it is possible to perform a fine-grained quality evaluation of laser processing based on the delicate behavior or dynamic change of the molten portion. ..
  • the work piece is irradiated with laser light under set processing conditions, and the quality of the laser work performed by melting the work piece with laser energy is monitored.
  • the second step of generating an analog sensor output signal representing the intensity the third step of converting the waveform of the sensor output signal into digital waveform data without impairing the intensity change, and the processing conditions.
  • a fourth step of presetting a reference waveform for the sensor output signal, a first monitoring range with the first offset value as a limit value in an arbitrary section on the time axis with respect to the reference waveform, and A second monitoring range having a second offset value larger than the first offset value as a limit value and a third monitoring range having a third offset value larger than the second offset value as a limit value are defined.
  • the laser processing monitoring device irradiates the workpiece with laser light under set processing conditions, and monitors the quality of the laser processing performed by melting the workpiece with laser energy.
  • This is a laser processing monitoring device that receives radiated light generated from the vicinity of the processing point of the workpiece during irradiation of the laser light and photoelectrically converts infrared rays in a predetermined wavelength band contained in the radiated light.
  • a light receiving unit that generates an analog sensor output signal representing the intensity of the emitted light
  • a signal processing unit that converts the waveform of the sensor output signal into digital waveform data without impairing the intensity change, and the processing conditions.
  • a reference waveform setting unit that presets a reference waveform for the sensor output signal, and a first monitoring range with a first offset value as a limit value in an arbitrary section on the time axis with respect to the reference waveform.
  • a second monitoring range having a second offset value larger than the first offset value as a limit value
  • a third monitoring range having a third offset value larger than the second offset value as a limit value.
  • the waveform of the sensor output signal is obtained by applying the first, second, and third monitoring ranges to the waveform of the sensor output signal based on the monitoring range setting unit for setting the above and the waveform data of the sensor output signal.
  • the third An inspection unit that inspects whether it is within the monitoring range of the above or outside the third monitoring range, and at least four stages regarding the quality of the laser processing based on the inspection results obtained from the inspection unit. It has a determination unit for determining quality.
  • the waveform data of the sensor output signal that finely and faithfully represents the intensity change of the specific wavelength band of the radiation emitted from the workpiece during laser processing is acquired, and based on this waveform data.
  • the waveform of the sensor output signal is inside or outside which monitoring range. Since it is inspected for existence and the quality of the laser processing is determined based on the result of the inspection, it is possible to perform a more detailed quality evaluation of the laser processing based on the delicate behavior or the dynamic change of the molten portion.
  • the above configuration and operation are excellent in accuracy, reliability and cost for laser machining involving melting of the workpiece. Fine-grained monitoring can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a laser machining apparatus according to one or more embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a graph showing the radiation spectrum distribution of the blackbody.
  • FIG. 3 is a diagram showing a spectral distribution of infrared intensity emitted from a molten portion of stainless steel by irradiating it with pulsed laser light.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of variation in the waveform of the sensor output signal obtained in laser spot welding under the same processing conditions.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a statistical method used for determining a reference waveform in one or more embodiments.
  • FIG. 6 is a diagram showing a setting example of a reference waveform and a monitoring range in one or more embodiments.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of a laser machining apparatus according to one or more embodiments of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a graph showing the radiation spectrum distribution of the blackbody.
  • FIG. 3 is
  • FIG. 7 is a flowchart showing a processing procedure of the monitoring unit (particularly the signal processing unit) in one or more embodiments.
  • FIG. 8 is a diagram showing an example in which the monitoring range is applied to the waveform of the sensor output signal in one or more embodiments.
  • FIG. 9A is a diagram showing a case where the waveform of the sensor output signal is within the first monitoring range.
  • FIG. 9B is a diagram showing a case where the waveform of the sensor output signal extends beyond the first monitoring range and is within the second monitoring range.
  • FIG. 9C is a diagram showing a case where the waveform of the sensor output signal extends beyond the second monitoring range and is within the third monitoring range.
  • FIG. 9D is a diagram showing a case where the waveform of the sensor output signal is outside the third monitoring range.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a configuration of a signal processing system in the laser machining monitoring device of one or more embodiments.
  • FIG. 1 shows the configuration of the entire laser machining apparatus incorporating the laser machining monitoring apparatus according to one or more embodiments of the present disclosure.
  • This laser processing apparatus is a laser processing machine that irradiates a given work piece W with CW laser light or pulsed laser light LB and melts the work piece W with laser energy to perform desired laser processing or laser melting processing. It has a laser oscillator 10, a laser power supply 12, a control unit 14, a guide light generation unit 15, transmission optical fibers 16 and 17, a head 18, an operation panel 20, and a monitor unit 25.
  • the monitor unit 25 is a laser monitoring device according to this embodiment, and mainly includes a control unit 14, an operation panel 20, a sensor signal processing unit 22, a sensor unit 26 of the head 18, and the like.
  • the laser oscillator 10 is composed of, for example, a YAG laser, a fiber laser, or a semiconductor laser, and when performing laser spot welding, for example, to the workpiece W, a power or excitation signal is transmitted from the laser power supply 12 under the control of the control unit 14.
  • the laser beam LB that is supplied and has a wavelength unique to the medium is oscillated and output.
  • the laser beam LB oscillated and output by the laser oscillator 10 is transmitted to the head 18 via the optical fiber 16.
  • the head 18 coaxially connects two tubular units, that is, a lower emitting unit 24 and an upper sensor unit 26, in two vertical stages, and is installed or arranged so as to face the workpiece W and directly above it, for example. Will be done.
  • the emission unit 24 is optically connected to the laser oscillator 10 via a transmission optical fiber 16, and a collimating lens 28, a dichroic mirror 30, an optical lens 32, and a protective glass 34 are provided at predetermined positions in the unit. ing.
  • the laser light LB propagating in the optical fiber 16 exits horizontally from the terminal surface of the optical fiber 16 in the emission unit 24 at a constant spreading angle, passes through the collimating lens 28, and becomes parallel light.
  • the optical path is bent vertically downward by the dichroic mirror 30, and the light is focused and incident on the vicinity of the processing point P of the metal-based workpiece W through the optical lens 32. Then, the vicinity of the processing point P is melted and solidified by the laser energy of the laser beam LB, and a welding nugget and a welded joint are formed there.
  • the welded joint is arbitrary, for example, a butt joint, a T-shaped joint, an L-shaped joint, a lap joint, or the like, and is selected by the user.
  • the sensor unit 26 is optically connected to the guide light generator 15 via a transmission optical fiber 17, and a dichroic mirror 36, an optical lens 38, an infrared sensor 40, and an amplifier 42 are provided in the unit.
  • the infrared sensor 40 in this embodiment is behind the dichroic mirror 36, which is exposed to the return light traveling backward from the work, and transmits only the optical LM having a wavelength of a specific band (pass through) to block other light.
  • a wavelength filter or a band pass filter 44 is arranged in the front stage, and a photodiode 46, for example, is arranged in the rear stage as a photoelectric conversion element.
  • the visible light MB propagating in the optical fiber 17 from the guide light generating unit 15 exits in the horizontal direction at a constant spread angle from the terminal surface of the optical fiber 17 in the sensor unit 26, it is vertical by the dichroic mirror 36.
  • the optical path is bent downward, and the vicinity of the processing point P of the workpiece W is irradiated through the optical lens 38, the dichroic mirror 30 in the exit unit 24, the optical lens 32, and the like.
  • electromagnetic waves having a wide band wavelength are emitted from the vicinity of the machining point P of the workpiece W.
  • the light that has passed through the optical lens 32 and the dichroic mirror 30 in the emitting unit 24 further causes the optical lens 38 and the dichroic mirror 36 in the sensor unit 26.
  • An optical LM having a wavelength component of a predetermined band that has been transmitted and incident on the band pass filter 44 and has been selected and transmitted by the band path filter 44 is incident on the light receiving surface of the photodiode 46.
  • the photodiode 46 photoelectrically converts the received light LM and generates a sensor output signal CS of a current output.
  • the sensor output signal CS of this current output is converted into a voltage signal by the current-voltage conversion circuit 100 (FIG. 10), and then amplified by the amplifier 42 at a gain specified by the control unit 14.
  • the voltage output sensor output signal CS output from the amplifier 42 is converted into a current signal by the voltage-current conversion circuit 102 (FIG. 10), and the current is transmitted to the sensor signal processing unit 22 via the sensor cable 48.
  • the transmitted wavelength band set in the bandpass filter 44 of the infrared sensor 40 in this embodiment comprehensively considers sensitivity, versatility, costability, etc. in the monitoring method using a single photodiode 46. ,
  • the well-known blackbody radiation spectrum distribution as shown in FIG. 2 can be preferably used.
  • the graph of FIG. 2 there is a certain relationship between the spectrum of the electromagnetic light emitted by the blackbody and the surface temperature.
  • the peak of radiant energy shifts to a short wavelength, and when it is low, it is long. It shifts to wavelength and the peak radiant energy changes exponentially with changes in temperature.
  • the wavelength of the peak point of the energy density radiated from the blackbody at a temperature of 1500 ° C. is about 1800 nm.
  • the inventor of the present disclosure applies the intensity (relative count value) of light of 1000 nm or more detected when irradiating iron-based stainless steel (melting point of about 1500 ° C.) with laser light to the processing point.
  • the results of measuring from various angular positions and analyzing the spectral distribution with a spectrum analyzer are shown in FIG.
  • the display waveform of the spectrum analyzer shows each peak value as a relative intensity without distinguishing the detected light intensity of 1000 nm or more over time. In the shown waveform, although the intensity shown by the entire waveform was different depending on the angular position at the time of measurement, certain characteristics were obtained.
  • the intensity (radiant energy density) of infrared rays emitted from the molten portion of the stainless steel is a steep chevron characteristic over a band of about 1000 nm to 1100 nm and a broad chevron characteristic over a band of about 1200 nm to 2500 nm.
  • the wavelength of the peak point is about 1800 nm, which is approximately close to the wavelength of the peak point of the energy density radiated from the blackbody at a temperature of 1500 ° C. (about 1800 nm).
  • the present disclosure using a single photodiode 46 with reference to the graph of FIG. 2 by using the melting point of each of a plurality of types of metals that can be assumed as the material of the workpiece W as an index.
  • the optimum transmission wavelength band for practical use in the monitoring method can be determined.
  • the melting points of the iron-based metal, the copper-based metal, and the aluminum-based metal, which are the main materials for the laser melting process are approximately 1500 ° C., 1000 ° C., and 600 ° C., respectively, and thus are shown in FIG.
  • the band of 1.3 ⁇ m (1300 nm) to 2.5 ⁇ m (2500 nm) is defined as the transmission wavelength band of the infrared sensor 40.
  • a photodiode whose sensitivity completely corresponds to the selected transmission wavelength band may be used (in this case, a separate filter is not required), but a photodiode 46 which detects a wider transmission wavelength band is used. You may.
  • a bandpass filter 44 that transmits only synchrotron radiation in a band of 1300 nm or more may be provided in front of the photodiode 46, and synchrotron radiation in a band longer than 2500 nm is also 2500 nm or less.
  • a bandpass filter 44 that transmits only synchrotron radiation in the band may be provided.
  • the monitor unit (laser machining monitoring device) 25 in this embodiment detects all the synchrotron radiation generated in the band of 1300 nm to 2500 nm as the wavelength band applicable to the metal-based work material, and displays the intensity of the detected synchrotron radiation as it is. Therefore, it is possible to detect with high sensitivity the amount of energy that actually increases exponentially in relation to the machined portion. Furthermore, the difference in the material of the material to be welded, the presence or absence of minute gaps in the welded part, and the difference in units of several tens of watts or 10 milliseconds on the laser processing machine side are monitored by synchrotron radiation from the processing point. It can be grasped by the waveform of.
  • the sensor output signal CS current transmitted from the sensor unit 26 to the sensor signal processing unit 22 via the sensor cable 48 is current-voltage converted by the current-voltage conversion circuit 104 (FIG. 10) of the first stage in the sensor signal processing unit 22. To. Then, the sensor output signal CS converted into a voltage signal is converted into a digital signal by the A / D converter 50.
  • the arithmetic processing unit 52 provided in the sensor signal processing unit 22 is composed of a hardware or middleware arithmetic processing device capable of performing a specific arithmetic processing at high speed, preferably an FPGA (feed programmable gate array), and has a data memory 54.
  • the instantaneous voltage value of the sensor output signal CS is converted into a count value (relative value) representing the intensity of emitted light, and the converted value is generated as digital waveform data FPGA.
  • the generated waveform data DCS is stored in the data memory 54.
  • Arithmetic processing unit 52 based on the waveform data D CS, via the control unit 14 displays a waveform of the sensor output signal CS on the display of the monitoring panel 20, or the determination also perform processing quality determination to be described later The result is displayed together with the waveform of the sensor output signal CS.
  • the control unit 14 has a CPU, a memory, and various interface circuits, and converts the waveform data DCS and the determination result data given by the arithmetic processing unit 52 into a video signal and displays the display (display unit) of the monitoring panel 20. An image such as a waveform of the sensor output signal CS and judgment result information is displayed on 20a).
  • the monitor unit (laser processing monitoring device) 25 in this embodiment is not the return light (reflected light) of the laser light emitted during laser processing, but the synchrotron radiation when the workpiece itself reaches the molten state.
  • the change in the amount of synchrotron radiation during processing is converted into a unique count value by converting the instantaneous integrated value in a specific band into a unique count value without converting the synchrotron radiation into temperature.
  • the effect of machining on the workpiece is visualized by displaying the changes as a waveform.
  • the operation panel 20 has, for example, a display unit 20a made of a liquid crystal display and a keyboard type or touch panel type input unit 20b, and displays various setting screens and monitor screens under the display control of the control unit 14.
  • a display unit 20a made of a liquid crystal display and a keyboard type or touch panel type input unit 20b
  • the setting screens it is also possible to display the laser output waveform corresponding to the condition setting value of the pulsed laser light LB on the display of the display unit 20a.
  • FIG. 4 shows an example of variation in the waveform of the sensor output signal CS obtained by the monitor unit 25 when laser spot welding under the same machining conditions is performed many times on the butt joint.
  • the normal case (b) in which the butt surface of the workpiece without a gap is irradiated with the pulsed laser beam LB to obtain a good welding result is most often obtained, and this normal case is obtained.
  • the waveform (particularly the peak value) of the sensor output signal CS is distributed near the center value or the mean value of the normal distribution.
  • the frequency of occurrence is low, the beam spot of the pulsed laser beam LB may deviate from the abutting surface of the workpiece and cause welding failure (a).
  • the waveform of the sensor output signal CS is an average value. Shows an unusually high peak value.
  • the waveform of the sensor output signal CS shows an abnormally low peak value far from the average value. ..
  • the same or equivalent workpiece is subjected to laser melting processing a plurality of times (for example, 100 times or more) under certain processing conditions selected by the user, and the infrared sensor of the monitor 25 is used.
  • a plurality waveform data D CS of the sensor output signal CS obtained from 40 (preferably at least 100) to retrieve. Then, as shown in FIG. 5, the waveforms of the plurality of sensor output signals CS 1 , CS 2 , CS 3 ... acquired by the laser processing a plurality of times are superimposed, and by a statistical method, for example, on the monitor unit 25.
  • the average value of the waveforms of the sensor output signal CS is obtained by the arithmetic processing of the provided software, and this is defined as the reference waveform RSC. Then, this reference waveform R SC is displayed on the setting screen of the operation panel 20, and the user can arbitrarily set one or more monitoring ranges having different limit values (offset values) on the time axis. There is.
  • the monitoring unit 25 defines the reference waveform R SC , the statistical standard deviation ⁇ is obtained by arithmetic processing, and the offset value obtained by multiplying this by ⁇ 1, ⁇ 2, and ⁇ 3 is obtained.
  • Three monitoring ranges [-M 1 to + M 1 ], [-M 2 to + M 2 ], [-M 3 to + M 3 ] with ⁇ 1 ⁇ , ⁇ 2 ⁇ , and ⁇ 3 ⁇ as the limit values (lower limit value and upper limit value). are defined and these are presented to the user. The user should apply these monitoring ranges [-M 1 to + M 1 ], [-M 2 to + M 2 ], and [-M 3 to + M 3 ] to the reference waveform R SC. Any monitoring section may be selected.
  • FIG. 6 shows an example in which the limit value lines of each monitoring section [-M 1 to + M 1 ], [-M 2 to + M 2 ], and [-M 3 to + M 3 ] are identified and displayed by different line types.
  • the inner first monitoring section [-M 1 to + M 1 ] is blue
  • the middle second monitoring section [-M 2 to + M 2 ] is yellow
  • the third monitoring section [-M 3 to + M 3 ] may be identified and displayed in red.
  • FIG. 7 shows a flowchart of the processing procedure of the monitor unit 25 (particularly the arithmetic processing unit 52 to the control unit 14).
  • the user specifies the machining conditions to be used this time through the operation panel 20.
  • the monitoring conditions reference waveform, monitoring range, monitoring section, etc.
  • the monitoring condition data is stored in the internal or external memory, for example, the data memory 54.
  • Control unit 14 reads the data of the corresponding monitoring rules from the data memory 54, is set in the register (Step S 1).
  • the pulsed laser beam LB is oscillated and output from the laser oscillator 10 under the control of the control unit 14 under predetermined conditions
  • the pulsed laser beam LB is transmitted to the emission unit 24 of the head 18 via the optical fiber 16.
  • the light emitting unit 24 focuses and irradiates the vicinity of the processing point P of the workpiece W.
  • the vicinity of the processing point P absorbs the laser energy of the pulsed laser light LB and melts instantly, and electromagnetic waves of thermal radiation (mainly infrared rays) are emitted from the melted portion.
  • the light that has passed through the optical lens 32 in the exit unit 24, the dichroic mirror 30, the optical lens 38 in the sensor unit 26, and the dichroic mirror 36 as described above passes through the band path filter 44 of the infrared sensor 40.
  • the optical LM of a specific wavelength band (1300 to 2500 nm) that has passed through the bandpass filter 44 is photoelectrically converted by the photodiode 46, and a sensor output signal CS of the current output is generated.
  • the sensor output signal CS is an analog signal processing such as described above (current - voltage conversion, amplification, voltage - current conversion, a current transmission) are incorporated into the sensor signal processing unit 22 receives (step S 2).
  • the sensor output signal CS receives the above-mentioned digital signal processing (current-voltage conversion, analog-digital conversion, voltage-count value conversion), and the waveform data of the sensor output signal CS.
  • D CS is generated, the waveform data D CS of the one pulse is stored in the data memory 54 (step S 3).
  • the arithmetic processing unit 52 or the control unit 14 reads out the signal waveform data D CS of the sensor output signal CS from the data memory 54, and also to data monitoring condition already read, the sensor output signal as shown in FIG. 8 monitoring interval (t a ⁇ t b) and three monitoring range of the pre-set CS of waveform [-M 1 ⁇ + M 1] , [- M 2 ⁇ + M 2], - fitting a [M 3 ⁇ + M 3] ( Step S 4 ).
  • Step S 4 In this monitor check (Step S 4), -M 1 ⁇ CS ⁇ + For M 1, i.e. monitoring period as shown in FIG. 9A (t a ⁇ t b) smallest waveform of the sensor output signal CS in the limits If it stays within the first monitoring range [-M 1 to + M 1 ] having ( ⁇ 1 ⁇ ), the control unit 14 determines that it is considerably close to the reference waveform R CS (FIG. 6). and laser melt processing time in particular determines that good ( "Tokuyu”) (step S 5 ⁇ S 6).
  • Step S 4 In Monitor test (Step S 4), -M 2 ⁇ CS ⁇ + For M 2, i.e. monitored interval as shown in FIG. 9B (t a ⁇ t b) the waveform of the sensor output signal CS in the first monitoring interval when also protrude outside of [-M 1 ⁇ + M 1] remains in the second monitoring range [-M 2 ⁇ + M 2], the control unit 14 is once approximated to the reference waveform R CS it is determined that, it is determined that the laser melt processing of this time is a prima facie good ( "excellent") (step S 7 ⁇ S 8).
  • Step S 4 the monitor check (Step S 4), CS ⁇ -M 3 or + M 3 ⁇ If CS is detected, i.e. monitored interval as shown in FIG. 9D of (t a ⁇ t b) in the sensor output signal CS
  • the control unit 14 determines that the error or deviation from the reference waveform RC S exceeds the allowable range, and this time the laser melting processing is determined to be unacceptable ( "poor") (step S 9 ⁇ S 11).
  • Determination result as described above obtained by the control unit 14 is displayed and output together with the waveform of the sensor output signal CS on the display of the display section 20a (step S 12).
  • a buzzer sound, an alert, or the like may be used in combination to facilitate identification of each determination result.
  • the work piece group for which the judgment result of "special superiority” is obtained has been subjected to extremely uniform and high-quality laser melting processing.
  • the work piece group for which the judgment result of "excellent” is obtained has been subjected to a constant uniform and high quality laser melting process.
  • the work piece group for which the judgment result of "good” is obtained can be evaluated as having been subjected to laser melting processing of uniformity and quality within the permissible range. Then, the work piece group for which the determination result of "defective” is obtained can be evaluated as having an abnormality such as spatter generation, melting of the molten pool, deflection melting of the molten pool, etc. during the laser melting process.
  • the laser melting process under the same processing conditions can be stopped immediately. As described above, in this embodiment, it is possible to finely segment the processing quality of the workpiece subjected to the laser melting process by this laser processing device, and it is possible to greatly improve the quality control.
  • the photodiode 46 provided in the sensor unit 26 is composed of a photodiode having high light receiving sensitivity, for example, a Si photodiode, and generates a sensor output signal CS having a current output proportional to the light intensity of the received synchrotron radiation LM.
  • the sensor output signal CS is also output as a weak small signal. Therefore, as described above, the sensor output signal CS is converted into a voltage signal by the current-voltage conversion circuit 100, and then converted into a signal having a size capable of sufficiently reducing the influence of noise by the amplifier 42.
  • this analog sensor output signal CS is transmitted (voltage transmission) from the sensor unit 26 to the sensor signal processing unit 22 at a distance of several meters or more via the sensor cable 48 as it is, the sensor cable 48 is used. Due to the voltage drop of, the signal level is greatly attenuated and the waveform is distorted, and it is easily affected by noise. Therefore, the sensor output signal CS is converted into a current signal by the voltage-current conversion circuit 102 in the sensor unit 26, and then transmitted to the sensor signal processing unit 22 via the sensor cable 48. Attenuation, waveform distortion, noise influence, etc. can be suppressed.
  • waveform data of a sensor output signal CS that finely and faithfully represents a change in the intensity of a specific wavelength band of radiation emitted from a work piece during laser processing is acquired and visualized based on this waveform data.
  • that may be monitored section are set in advance with respect to the sensor output signal CS of waveform (t a ⁇ t b) and a plurality of different monitoring range of the limit value [-M 1 ⁇ + M 1] , [- M 2 ⁇ + M 2 ], [-M 3 to + M 3 ] are applied to inspect which monitoring range the waveform of the sensor output signal is in or out of, and the quality of the laser melting process is judged based on the inspection result. Therefore, it is possible to perform fine-grained quality evaluation based on the delicate behavior or dynamic change of the molten portion, and it is possible to greatly improve the quality control.
  • the offset values ⁇ 1 ⁇ , ⁇ 2 ⁇ , ⁇ 3 ⁇ obtained by multiplying the statistical standard deviation ⁇ by ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ 3 are the limit values (lower limit and upper limit).
  • Three monitoring ranges [-M 1 to + M 1 ], [-M 2 to + M 2 ], and [-M 3 to + M 3 ] are defined.
  • the above proportional coefficients 1, 2, and 3 are typical examples, and in a broad sense, arbitrary real numbers N 1 , N 2, and N 3 whose standard deviation ⁇ is larger than 0 (where N 1 ⁇ N 2 ⁇ N 3 ).
  • the value multiplied by can be the first, second and third offset values, respectively.
  • N 1 , N 2 , and N 3 may be either positive values or negative values. Therefore, for example, if N 1 , N 2 , and N 3 are positive values, then + N 1 * ⁇ , + N 2 * ⁇ , + N 3 * ⁇ and / or -N 1 * ⁇ , -N 2 * ⁇ , -N 3 * ⁇ can also be used as the offset value. Further, the number of monitoring ranges is not limited to three, and can be set to two, four, or the like.
  • all of the one pulse laser light taken into the sensor signal processing unit 22 via the A / D converter 42 from the infrared sensor 40 for LB signal waveform data D CS It was saved in the data memory 54.
  • the sensor signal processing unit 22 each monitor point t 2 from the one pulse of the signal waveform data D CS, t 3, .... signal level value D CS2, D CS3, extracted ...., the extracted signal level
  • the values D CS2 , D CS3 , ... May be stored in the data memory 54.
  • the infrared sensor 40 or the sensor unit 26 is incorporated in the head 18 integrally with the emission unit 24.
  • the laser monitoring method or monitoring device of the present disclosure is used for laser welding in which a workpiece is irradiated with a CW laser beam. Is also applicable.
  • the laser processing method and the laser processing apparatus of the present disclosure are not limited to laser spot welding, and can be applied to other laser processing involving melting, such as laser cutting, laser brazing, laser quenching, and laser surface modification.

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Abstract

このレーザ加工監視装置は、所与の金属系被加工物Ｗにレーザ光ＬＢを照射し、その被加工物Ｗをレーザエネルギーにより溶かして所望のレーザ加工を行うレーザ加工機の監視装置であって、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４、ガイド光発生部１５、伝送用光ファイバ１６、１７、ヘッド１８（出射ユニット２４、センサユニット２６）、操作パネル２０、モニタ部２５を有している。モニタ部２５は、この実施形態におけるレーザ監視装置であり、主に制御部１４、操作パネル２０、センサ信号処理ユニット２２およびセンサユニット２６等を含んで構成される。

Description

レーザ加工監視方法及びレーザ加工監視装置
　本開示は、被加工物にレーザ光を照射し、被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視方法およびレーザ加工監視装置に関する。
　従来より、レーザ溶接の分野では、溶接加工の品質管理を行うためのモニタリング方法として、被加工物の加工点付近の溶融状態を電子カメラ等の撮像素子で撮影して画像解析により溶接品質の良否判定を行う方法や、被加工物の加工点付近からの反射光（放射光）をフォトダイオード等の光電変換素子で受光して、光電変換素子の出力信号を所定の信号処理にかけて良否判定を行う方法が用いられている。
　撮像素子を用いる画像解析のモニタリング方法は、溶融池の形状を画像として直接観察するため、溶接品質の良否を一目瞭然と把握しやすい利点はあるが、ハードウェアおよびソフトウェアのコストが高くつく。その点、光電変換素子を用いる信号処理のモニタリング法は、ハードウェアおよびソフトウェアの仕組みを比較的簡便に済ましコストを抑えることができる。このモニタリング法には、光電変換素子を組み込んでいる放射温度計により放射エネルギーを温度に換算し、換算した温度を表示する方式と、光電変換素子の出力信号つまり反射光（放射光）の光強度について積分回路または平均値演算回路により１パルス当たりの積分値または平均値を演算して、その積分値または平均値を比較回路でしきい値と比較して良否判定を行う方式（特許文献１）とがある。
特開２０１０－１１０７９６号公報
　光電変換素子を用いる信号処理のモニタリング法のうち、放射温度計により加工点付近の温度を測定して表示する方式は、測定温度と融点との比較から被加工物が溶けたかどうかを判断できるが、溶融部の微妙な挙動または動的な変化まで捉えることは不可能であり、モニタリングの精度および信頼性が低い。
　また、反射光（放射光）の光強度について１パルス当たりの積分値または平均値をしきい値と比較する方式も、反射光（放射光）が溶融状態との相関性が低いうえ、１パルス当たりの積分値または平均値も溶融部の動的な変化を正確に反映しないため、やはりモニタリングの精度および信頼性は高くない。
　本開示は、上記従来技術の課題を解決するものであり、被加工物の溶融を伴うレーザ加工について精度および信頼性およびコスト性（ｃｏｓｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ）にすぐれたきめの細かいモニタリングを実現するレーザ加工監視方法およびレーザ加工監視装置を提供する。
　本開示の第１の観点におけるレーザ加工監視方法は、設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視方法であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、前記センサ出力信号の波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する第４の工程と、前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲とを設定する第５の工程と、前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１および第２の監視範囲を当てはめる第６の工程と、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、または前記第２の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する第７の工程と、前記検査の結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも３段階の良否判定を行う第８の工程とを有する。
　本開示の第１の観点におけるレーザ加工監視装置は、設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視装置であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、前記センサ出力信号の波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する基準波形設定部と、前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、少なくとも、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲とを設定する監視範囲設定部と、前記センサ出力信号の波形に前記第１および第２の監視範囲を当てはめて、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、または前記第２の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する検査部と、前記検査部より得られる検査結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも３段階の良否判定を行う判定部とを有する。
　上記第１の観点においては、レーザ加工中に被加工物から放射される放射光の特定波長帯域の強度変化を精細かつ忠実に表すセンサ出力信号の波形データを取得し、この波形データに基づいて可視化され得るセンサ出力信号の波形に対してあらかじめ設定している監視区間および限界値の異なる２個または２種類の監視範囲を当てはめて、センサ出力信号の波形がいずれの監視範囲の中または外にあるのかを検査し、その検査の結果に基づいて当該レーザ加工の良否を判定するので、溶融部の微妙な挙動または動的な変化に基づいたきめの細かいレーザ加工の品質評価を行うことができる。
　本開示の第２の観点におけるレーザ加工監視方法は、設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視方法であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、前記センサ出力信号の波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する第４の工程と、前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲と、前記第２のオフセット値より大きい第３のオフセット値を限界値とする第３の監視範囲とを設定する第５の工程と、前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１、第２および第３の監視範囲を当てはめる第６の工程と、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、前記第２の監視範囲の外にはみ出て前記第３の監視範囲の中にあるか、または前記第３の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する第７の工程と、前記検査の結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも４段階の良否判定を行う第８の工程とを有する。
　本開示の第２の観点におけるレーザ加工監視装置は、設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視装置であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する基準波形設定部と、前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲と、前記第２のオフセット値より大きい第３のオフセット値を限界値とする第３の監視範囲とを設定する監視範囲設定部と、前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１、第２および第３の監視範囲を当てはめて、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、前記第２の監視範囲の外にはみ出て前記第３の監視範囲の中にあるか、または前記第３の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する検査部と、前記検査部より得られる検査結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも４段階の良否判定を行う判定部とを有する。
　上記第２の観点においては、レーザ加工中に被加工物から放射される放射光の特定波長帯域の強度変化を精細かつ忠実に表すセンサ出力信号の波形データを取得し、この波形データに基づいて可視化され得るセンサ出力信号の波形に対してあらかじめ設定している監視区間および限界値の異なる３個または３種類の監視範囲を当てはめて、センサ出力信号の波形がいずれの監視範囲の中または外にあるのかを検査し、その検査の結果に基づいて当該レーザ加工の良否を判定するので、溶融部の微妙な挙動または動的な変化に基づいた一層きめ細かいレーザ加工の品質評価を行うことができる。
　１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工監視方法またはレーザ加工監視装置によれば、上記のような構成および作用により、被加工物の溶融を伴うレーザ加工について精度、信頼性およびコスト性にすぐれたきめの細かいモニタリングを実現することができる。
図１は、本開示の１またはそれ以上の実施形態におけるレーザ加工装置の全体構成を示すブロック図である。 図２は、黒体の放射スペクトル分布を示すグラフ図である。 図３は、ステンレス鋼にパルスレーザ光を照射してその溶融部から発せられた赤外線強度のスペクトル分布を示す図である。 図４は、同一の加工条件によるレーザスポット溶接において得られるセンサ出力信号の波形のばらつきの例を示す図である。 図５は、１またはそれ以上の実施形態において基準波形の決定に用いる統計学的手法を説明するための図である。 図６は、１またはそれ以上の実施形態における基準波形および監視範囲の設定例を示す図である。 図７は、１またはそれ以上の実施形態における監視部（特に信号処理部）の処理手順を示すフローチャート図である。 図８は、１またはそれ以上の実施形態においてセンサ出力信号の波形に監視範囲を当てはめた例を示す図である。 図９Ａは、センサ出力信号の波形が第１の監視範囲の中にある場合を示す図である。 図９Ｂは、センサ出力信号の波形が第１の監視範囲の外にはみ出て第２の監視範囲の中にある場合を示す図である。 図９Ｃは、センサ出力信号の波形が第２の監視範囲の外にはみ出て第３の監視範囲の中にある場合を示す図である。 図９Ｄは、センサ出力信号の波形が第３の監視範囲の外にはみ出ている場合を示す図である。 図１０は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ加工監視装置における信号処理系の構成を示すブロック図である。
以下、添付図を参照して本開示の好適な実施の形態を説明する。
［装置全体の構成および作用］
　図１に、本開示の１またはそれ以上の実施形態におけるレーザ加工監視装置が組み込まれたレーザ加工装置全体の構成を示す。このレーザ加工装置は、所与の被加工物ＷにＣＷレーザ光又はパルスレーザ光ＬＢを照射し、その被加工物Ｗをレーザエネルギーにより溶かして所望のレーザ加工またはレーザ溶融加工を行うレーザ加工機として構成されており、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４、ガイド光発生部１５、伝送用光ファイバ１６、１７、ヘッド１８、操作パネル２０およびモニタ部２５を有している。モニタ部２５は、この実施形態におけるレーザ監視装置であり、主に制御部１４、操作パネル２０、センサ信号処理ユニット２２およびヘッド１８のセンサユニット２６等を含んで構成される。
　レーザ発振器１０は、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザあるいは半導体レーザからなり、被加工物Ｗに対してたとえばレーザスポット溶接を施すときは、制御部１４の制御の下でレーザ電源１２より電力または励起信号を供給され、その媒体に固有の波長を有するレーザ光ＬＢを発振出力する。レーザ発振器１０で発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ１６を介してヘッド１８に伝送される。
　ヘッド１８は、２つの筒状ユニットすなわち下部の出射ユニット２４と上部のセンサユニット２６とを同軸で縦２段に連結しており、被加工物Ｗに対向して、たとえばその直上に設置または配置される。出射ユニット２４は、伝送用光ファイバ１６を介してレーザ発振器１０に光学的に接続されており、ユニット内にコリメートレンズ２８、ダイクロイックミラー３０、光学レンズ３２および保護ガラス３４をそれぞれ所定の位置に設けている。レーザ加工時には、光ファイバ１６の中を伝搬してきたレーザ光ＬＢが、出射ユニット２４内で光ファイバ１６の終端面より一定の広がり角で水平方向に出て、コリメートレンズ２８を通り抜けて平行光となり、ダイクロイックミラー３０で垂直下方に光路を折り曲げ、光学レンズ３２を通って金属系の被加工物Ｗの加工点Ｐ付近に集光入射する。そうすると、レーザ光ＬＢのレーザエネルギーにより加工点Ｐ付近が溶融・凝固して、そこに溶接ナゲットひいては溶接継手が形成される。溶接継手は、たとえば突き合せ継手、Ｔ型継手、Ｌ字継手、重ね継手など任意であり、ユーザにより選択される。
　センサユニット２６は、伝送用光ファイバ１７を介してガイド光発生部１５に光学的に接続されており、ユニット内にダイクロイックミラー３６、光学レンズ３８、赤外線センサ４０および増幅器４２を設けている。この実施形態における赤外線センサ４０は、ワークから逆走する戻り光が当たるダイクロイックミラー３６の後方にあり、特定帯域の波長を有する光ＬＭのみを透過（ｐａｓｓ　ｔｈｒｏｕｇｈ）してそれ以外の光を遮断する波長フィルタまたはバンド・パス・フィルタ４４を前段に配置し、光電変換素子としてたとえばフォトダイオード４６を後段に配置し構成している。
　ガイド光発生部１５より光ファイバ１７の中を伝搬してきた可視光のガイド光ＭＢは、センサユニット２６で光ファイバ１７の終端面より一定の広がり角で水平方向に出ると、ダイクロイックミラー３６で垂直下方に光路を折り曲げ、光学レンズ３８および出射ユニット２４内のダイクロイックミラー３０、光学レンズ３２等を通って被加工物Ｗの加工点Ｐ付近を照射するようになっている。
　一方、レーザ加工時には、被加工物Ｗの加工点Ｐ付近から広帯域の波長を有する電磁波（放射光）が放射される。被加工物Ｗから放射される電磁波の中で垂直上方に向かうもののうち、出射ユニット２４内の光学レンズ３２、ダイクロイックミラー３０を透過した光がさらにセンサユニット２６内の光学レンズ３８、ダイクロイックミラー３６を透過してバンド・パス・フィルタ４４に入射し、バンド・パス・フィルタ４４によって選択されて透過した所定帯域の波長成分を有する光ＬＭがフォトダイオード４６の受光面に入射するようになっている。
　フォトダイオード４６は、受光した光ＬＭを光電変換し、電流出力のセンサ出力信号ＣＳを発生する。この電流出力のセンサ出力信号ＣＳは、電流－電圧変換回路１００（図１０）によって電圧信号に変換された後、増幅器４２により制御部１４の指定したゲインで増幅される。増幅器４２より出力された電圧出力のセンサ出力信号ＣＳは、電圧－電流変換回路１０２（図１０）によって電流信号に変換され、センサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に電流伝送される。
　この実施形態において赤外線センサ４０のバンド・パス・フィルタ４４に設定される上記透過波長帯域は、単一のフォトダイオード４６を用いるモニタリング法において、感度、汎用性、コスト性等を総合的に勘案し、被加工物Ｗについて選択され得る複数種類の材料および多種多様な加工形態について加工点付近の溶接特性に対する所定の要因の影響を放射エネルギーの強度ないし変化として捉えるのに最も適した帯域に選ばれる。
　この点に関しては、図２に示すような周知の黒体放射スペクトル分布を好適に用いることができる。図２のグラフのように、黒体が放射する電磁波のスペクトルと表面温度との間には一定の関係があり、物体の温度が高いと放射エネルギーのピークは短波長へシフトし、低いと長波長にシフトし、かつ温度の変化に対してピークの放射エネルギーが指数関数的に変化する。このグラフによれば、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長は約１８００ｎｍである。
　一方で、本開示の発明者が、鉄系のステンレス鋼（融点が約１５００℃）にレーザ光を照射した際に検出される１０００ｎｍ以上の光の強度（相対的カウント値）を加工点に対して様々な角度位置から測定し、スペクトル分布をスペクトラム・アナライザにより分析した結果を図３に示す。スペクトラム・アナライザの表示波形は、検出された１０００ｎｍ以上の光の強度について経時的な区別をせずに、それぞれのピーク値を相対強度として示すものである。示された波形は、測定時の角度位置に応じて波形全体が示す強度が異なっていたものの、一定の特性が得られた。これによれば、当該ステンレス鋼の溶融部から発せられる赤外線の強度（放射エネルギー密度）は、約１０００ｎｍ～１１００ｎｍの帯域にわたる急峻な山形の特性と、約１２００ｎｍ～２５００ｎｍの帯域にわたるブロードな山形の特性をもつ。後者のブロードな山形の特性に着目すると、ピーク点の波長は約１８００ｎｍであり、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長（約１８００ｎｍ）と概ね近似している。
　このことから、被加工物Ｗの材質として想定され得る複数種類の金属について、それぞれの融点を指標とすることにより、図２のグラフを参照して、単一のフォトダイオード４６を用いる本開示のモニタリング法における実用上の最適な透過波長帯域を決定することができる。
　この実施形態では、レーザ溶融加工の主な材料である鉄系金属、銅系金属、アルミ系金属の融点がそれぞれ概ね１５００℃前後、１０００℃前後、６００℃前後であることから、図２に示すように１．３μｍ（１３００ｎｍ）～２．５μｍ（２５００ｎｍ）の帯域を赤外線センサ４０の透過波長帯域としている。感度が選択された透過波長帯域に完全に対応するフォトダイオードを用いてもよい（この場合は独立したフィルタは不要である）が、それよりも広範な透過波長帯域を検出するフォトダイオード４６を用いてもよい。後者の場合は、例えば１３００ｎｍ以上の帯域の放射光のみを透過するバンド・パス・フィルタ４４をフォトダイオード４６の手前側に設けるとよく、また、２５００ｎｍより長い帯域の放射光についても同様に２５００ｎｍ以下の帯域の放射光のみを透過するバンド・パス・フィルタ４４を設けてもよい。これにより、図２に示される黒体放射スペクトル分布と分光放射エネルギー密度との相関があると考えられる金属系被溶接材からの放射光のうち、図３に示される金属系被溶接材の１３００ｎｍ～２５００ｎｍの帯域にわたるブロードな山形の部分を特定波長として全て監視することができる。
　この実施形態におけるモニタ部（レーザ加工監視装置）２５は、金属系被加工材に適応する波長帯域として１３００ｎｍ～２５００ｎｍの帯域に生じる放射光をすべて検出し、検出された放射光の強度をそのまま表示するので、実際に加工部に係る指数対数的に増加するエネルギー量を高感度に検出することができる。さらに、被溶接材の材料の相異や被溶接箇所の微細な隙間の有無、さらに、レーザ加工機側での数十Ｗ単位や１０ミリ秒単位の相異を加工点からの放射光のモニタリングによる波形によって把握することができる。
　もっとも、後述するセンサ信号処理ユニット２２において結果的に得られるセンサ出力信号ＣＳの波形データＤＳＣの精度はある程度低下するが、赤外線センサ４０によって選択する波長帯域幅を半値幅（１５５０ｎｍ～２１５０ｎｍ）まで狭めて設定することも実用的には可能である。
　センサユニット２６よりセンサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に電流伝送されたセンサ出力信号ＣＳは、センサ信号処理ユニット２２において初段の電流－電圧変換回路１０４（図１０）によって電流－電圧変換される。そして、電圧信号に変換されたセンサ出力信号ＣＳがＡ／Ｄ変換器５０によりディジタル信号に変換される。
　センサ信号処理ユニット２２内に設けられる演算処理部５２は、特定の演算処理を高速に行えるハードウェアまたはミドルウェアの演算処理装置、好ましくはＦＰＧＡ（フィード・プログラマブル・ゲートアレイ）からなり、データメモリ５４を用いてセンサ出力信号ＣＳの瞬時的な電圧値を放射光の強度を表すカウント値（相対値）に換算し、その換算値をディジタルの波形データＤＣＳとして生成する。生成された波形データＤＣＳは、データメモリ５４に保存される。演算処理部５２は、波形データＤＣＳに基づいて、制御部１４を介して監視パネル２０のディスプレイ上にセンサ出力信号ＣＳの波形を表示し、あるいは後述する良否判定の処理も実行してその判定結果をセンサ出力信号ＣＳの波形と一緒に表示するようになっている。制御部１４は、ＣＰＵ、メモリ、各種インタフェース回路を有しており、演算処理部５２から与えられた波形データＤＣＳおよび判定結果のデータを映像信号に変換して監視パネル２０のディスプレイ（表示部２０ａ）にセンサ出力信号ＣＳの波形や判定結果情報等の画像を表示する。
　このように、この実施形態におけるモニタ部（レーザ加工監視装置）２５は、レーザ加工時に照射されるレーザ光の戻り光（反射光）ではなく、被加工物自身が溶融状態に達する際の放射光をモニタリングの対象として、放射光を温度換算せずに、加工時の放射光量の変化を特定の帯域における瞬時的な積分値を一義的なカウント値に換算した上で、該カウント値の経時的な変化を波形として表示することにより被加工物への加工影響を可視化するものである。
　操作パネル２０は、たとえば、液晶ディスプレイからなる表示部２０ａと、キーボード式あるいはタッチパネル式の入力部２０ｂとを有し、制御部１４の表示制御の下で種々の設定画面やモニタ画面を表示する。この実施形態では、設定画面の一つとして、パルスレーザ光ＬＢの条件設定値に対応するレーザ出力波形を表示部２０ａのディスプレイ上に表示することも可能となっている。また、別の設定画面として、後述するような統計的手法によって取得され登録されているセンサ出力信号の基準波形ＲＣＳを表示部２０ａのディスプレイ上に表示することも可能となっており、さらにはディスプレイ上でセンサ出力信号の基準波形ＲＣＳについて設定された複数の監視範囲Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３を基準波形ＲＣＳに重ねて表示することも可能となっている。また、モニタ画面の一つとして、表示部２０ａのディスプレイ上に、実際のレーザ加工においてモニタ部２５の赤外線センサ４０およびセンサ信号処理ユニット２２でそれぞれ取得したセンサ出力信号の波形およびレーザ加工良否の判定結果を一緒に表示することも可能となっている。
　ここで、図４～図６につき、一またはそれ以上の実施形態における基準波形および監視範囲の設定方法について説明する。
　図４に、突き合せ継手に対して同一加工条件のレーザスポット溶接を多数回行った場合にモニタ部２５で得られるセンサ出力信号ＣＳの波形のばらつきの例を示す。通常は、図示のように、ギャップの無い被加工物の突き合せ面にパルスレーザ光ＬＢが照射されて良好の溶接結果が得られる正常な場合（ｂ）が最も多く、この正常な場合に得られるセンサ出力信号ＣＳの波形（特にピーク値）は正規分布の中心値または平均値付近に分布する。しかし、発生頻度は少ないが、パルスレーザ光ＬＢのビームスポットが被加工物の突き合せ面から逸れて溶接不良になる場合（ａ）もあり、この場合にはセンサ出力信号ＣＳの波形が平均値よりも異常に高いピーク値を示す。また、被加工物の突き合せ面にギャップがあるために溶接不良になる場合（ｃ）もあり、この場合にはセンサ出力信号ＣＳの波形が平均値から大きく離れた異常に低いピーク値を示す。
　この実施形態においては、同一または同等の被加工物（試料）に対し、ユーザの選択した一定の加工条件の下でレーザ溶融加工を複数回（たとえば１００回以上）行って、モニタ２５の赤外線センサ４０より得られるセンサ出力信号ＣＳの波形データＤＣＳを複数個（好ましくは１００個以上）取得する。そして、図５に示すように、複数回のレーザ加工で取得した複数個のセンサ出力信号ＣＳ１，ＣＳ２，ＣＳ３‥‥の波形を重ね合わせ、統計学的手法により、たとえばモニタ部２５に備えられるソフトウェアの演算処理によって、センサ出力信号ＣＳの波形の平均値を求め、これを基準波形ＲＳＣと定義する。そして、操作パネル２０の設定画面上でこの基準波形ＲＳＣを表示し、そこにユーザが時間軸上に限界値（オフセット値）の異なる１つまたは複数の監視範囲を任意に設定できるようにしている。
　この実施形態では、モニタ部２５が、基準波形ＲＳＣを定義する際に、演算処理によって統計学上の標準偏差σを求め、これに±１、±２、±３を乗じて得られるオフセット値±１σ、±２σ、±３σを限界値（下限値および上限値）とする３つの監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］を定義して、これらをユーザに提示するようにしている。ユーザは、基準波形ＲＳＣに対して、これらの監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］を適用すべき１つまたは複数の任意の監視区間を選定すればよい。たとえば、パルス期間の中間部に１つの監視区間（ｔａ～ｔｂ）を選定した場合は、図６に示すようになる。なお、図６は各監視区間［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］の限界値ラインを異なる線種で識別表示する例を示しているが、多色表示の方法で、たとえば内側の第１の監視区間［－Ｍ１～＋Ｍ１］を青色で、中間の第２の監視区間［－Ｍ２～＋Ｍ２］を黄色で、外側の第３の監視区間［－Ｍ３～＋Ｍ３］を赤色で識別表示してもよい。
　図７に、モニタ部２５（特に演算処理部５２ないし制御部１４）の処理手順をフローチャートで示す。この実施形態においては、ユーザが操作パネル２０を通じて今回使用する加工条件を指定する。この指定された加工条件については、上記のように、モニタ部２５より得られるセンサ出力信号ＣＳに対するモニタリング条件（基準波形、監視範囲および監視区間等）があらかじめ設定されており、そのモニタリング条件のデータ（設定値）が内蔵または外付けのメモリたとえばデータメモリ５４に保存されている。制御部１４は、該当するモニタリング条件のデータをデータメモリ５４から読み出し、レジスタにセットする（ステップＳ１）。
　そして、制御部１４の制御の下でレーザ発振器１０より所定の条件でパルスレーザ光ＬＢが発振出力されると、このパルスレーザ光ＬＢは、光ファイバ１６を介してヘッド１８の出射ユニット２４に伝送され、出射ユニット２４より被加工物Ｗの当該加工点Ｐ付近に集光照射される。これにより、当該加工点Ｐ付近がパルスレーザ光ＬＢのレーザエネルギーを吸収して瞬時に溶け、その溶融部分から熱放射の電磁波（主に赤外線）が発せられる。この熱放射のなかで上記のように出射ユニット２４内の光学レンズ３２、ダイクロイックミラー３０およびセンサユニット２６内の光学レンズ３８、ダイクロイックミラー３６を通り抜けた光が赤外線センサ４０のバンド・パス・フィルタ４４に入射する。そして、バンド・パス・フィルタ４４を通過した特定波長帯域（１３００～２５００ｎｍ）の光ＬＭがフォトダイオード４６で光電変換され、電流出力のセンサ出力信号ＣＳが生成される。このセンサ出力信号ＣＳが上記のようなアナログ信号処理（電流－電圧変換、増幅、電圧－電流変換、電流伝送）を受けてセンサ信号処理ユニット２２に取り込まれる（ステップＳ２）。そして、センサ信号処理ユニット２２内で、センサ出力信号ＣＳが上記のようなディジタル信号処理（電流－電圧変換、アナログ－ディジタル変換、電圧－カウント値変換）を受けて、センサ出力信号ＣＳの波形データＤＣＳが生成され、この１パルス分の波形データＤＣＳがデータメモリ５４に保存される（ステップＳ３）。
　次いで、演算処理部５２または制御部１４は、データメモリ５４よりセンサ出力信号ＣＳの信号波形データＤＣＳを読み出し、既に読み出しているモニタリング条件のデータも併せて、図８に示すようにセンサ出力信号ＣＳの波形に予設定の監視区間（ｔａ～ｔｂ）および３つの監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］を当てはめる（ステップＳ４）。
　このモニタ検査（ステップＳ４）において、－Ｍ１＜ＣＳ＜＋Ｍ１の場合、すなわち図９Ａに示すように監視区間（ｔａ～ｔｂ）内でセンサ出力信号ＣＳの波形が最も小さい限界値（±１δ）を有する第１の監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］の中に始終在った場合は、制御部１４は、基準波形ＲＣＳ（図６）に相当近似していると判断し、今回のレーザ溶融加工は特に優良（“特優”）であると判定する（ステップＳ５→Ｓ６）。
　モニタ検査（ステップＳ４）において、－Ｍ２＜ＣＳ＜＋Ｍ２の場合、すなわち図９Ｂに示すように監視区間（ｔａ～ｔｂ）内でセンサ出力信号ＣＳの波形が第１の監視区間［－Ｍ１～＋Ｍ１］の外にはみ出すも第２の監視範囲［－Ｍ２～＋Ｍ２］の中に留まっているときは、制御部１４は、基準波形ＲＣＳに一応近似していると判断し、今回のレーザ溶融加工は一応優良（“優”）であると判定する（ステップＳ７→Ｓ８）。
　また、モニタ検査（ステップＳ４）において、－Ｍ３＜ＣＳ＜＋Ｍ３の場合、すなわち図９Ｃに示すように監視区間（ｔａ～ｔｂ）内でセンサ出力信号ＣＳの波形が第２の監視区間［－Ｍ２～＋Ｍ２］の外にはみ出すも第３の監視範囲［－Ｍ３～＋Ｍ３］の中に留まっているときは、制御部１４は、基準波形ＲＣＳとの誤差または偏差がまだ許容範囲内にあると判断し、今回のレーザ溶融加工は一応合格（“良”）したと判定する（ステップＳ９→Ｓ１０）。
　しかし、モニタ検査（ステップＳ４）において、ＣＳ＜－Ｍ３または＋Ｍ３＜ＣＳが検出された場合、すなわち図９Ｄに示すように監視区間（ｔａ～ｔｂ）内でセンサ出力信号ＣＳの波形が第３の監視範囲［－Ｍ３～＋Ｍ３］の外に出たときは、制御部１４は、基準波形ＲＣＳとの誤差または偏差が許容範囲を超えたと判断し、今回のレーザ溶融加工は不合格（“不良”）であると判定する（ステップＳ９→Ｓ１１）。
　制御部１４で得られる上記のような判定結果は、表示部２０ａのディスプレイ上にセンサ出力信号ＣＳの波形ととともに表示出力される（ステップＳ１２）。ここで、各判定結果の識別を容易にするためのブザー音やアラート等を併用してもよい。
　生産現場のユーザにおいては、“特優”の判定結果が出た被加工物群については、極めて均一かつ良質のレーザ溶融加工を施されたものと評価することができる。また、“優” の判定結果が出た被加工物群については、一定の均一かつ品質のレーザ溶融加工を施されたものと評価することができる。また、“良”の判定結果が出た被加工物群については、一応許容範囲内の均一性および品質のレーザ溶融加工を施されたもの評価することができる。そして、“不良”の判定結果が出た被加工物群は、レーザ溶融加工中にスパッタの発生、溶融池の溶落、溶融池の偏向溶融等の異常が発生したものと評価することができる。また、“不良”の判定結果が頻繁に、または続けて出たときは、同一の加工条件によるレーザ溶融加工を即刻中止することもできる。このように、この実施形態においては、このレーザ加工装置によるレーザ溶融加工を施された被加工物の加工品質に関してきめの細かいセグメント化を可能とし、品質管理を大きく向上させることができる。
　この実施形態においては、センサユニット２６内に設けられるフォトダイオード４６は受光感度の高いフォトダイオードたとえばＳiフォトダイオードからなり、受光した放射光ＬＭの光強度に比例する電流出力のセンサ出力信号ＣＳを生成する。ただし、放射光ＬＭが微弱な光であるため、センサ出力信号ＣＳも微弱な小信号として出力される。そこで、上記のように、電流－電圧変換回路１００によってセンサ出力信号ＣＳを電圧信号に変換したうえで増幅器４２によりノイズの影響を十分低減できる大きさの信号に変換している。
　しかし、このアナログのセンサ出力信号ＣＳを電圧信号のままでセンサユニット２６からセンサケーブル４８を介してたとえば数ｍ以上離れたセンサ信号処理ユニット２２まで伝送（電圧伝送）したならば、センサケーブル４８上の電圧降下によって信号レベルが大幅に減衰したり波形の歪みを生じたりして、ノイズの影響も受けやすい。そこで、センサユニット２６内で電圧－電流変換回路１０２によりセンサ出力信号ＣＳを電流信号に変換してからセンサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に伝送するようにしており、かかる電流伝送により信号の減衰、波形歪、ノイズ影響等を抑制することができる。このことにより、放射光ＬＭの光強度を表すアナログのセンサ出力信号ＣＳを忠実にセンサユニット２６から遠隔のセンサ信号処理ユニット２２まで伝送することが可能であり、さらにセンサ信号処理ユニット２２内で上記のようなディジタル信号処理にかけることによって、フォトダイオード４６で生成したセンサ出力信号ＣＳの波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データＤＣＳに変換することができる。
　この実施形態においては、レーザ加工中に被加工物から放射される放射光の特定波長帯域の強度変化を精細かつ忠実に表すセンサ出力信号ＣＳの波形データを取得し、この波形データに基づいて可視化され得るセンサ出力信号ＣＳの波形に対してあらかじめ設定している監視区間（ｔａ～ｔｂ）および限界値の異なる複数の監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］を当てはめて、センサ出力信号の波形がいずれの監視範囲の中または外にあるのかを検査し、その検査結果に基づいて当該レーザ溶融加工の良否を判定するようにしたので、溶融部の微妙な挙動または動的な変化に基づいたきめの細かい品質評価を行うことが可能であり、品質管理を大きく向上させることができる。
［他の実施形態又は変形例］
　以上、本開示の好適な１またはそれ以上の実施形態について説明したが、上述した実施形態は本開示を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本開示の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
　上述した１またはそれ以上の実施形態では、統計学上の標準偏差σに±１、±２、±３を乗じて得られるオフセット値±１σ、±２σ、±３σを限界値（下限値および上限値）とする３つの監視範囲［－Ｍ１～＋Ｍ１］，［－Ｍ２～＋Ｍ２］，［－Ｍ３～＋Ｍ３］を定義した。しかし、上記比例係数の１，２，３は典型例であり、広義には標準偏差σに０より大きい任意の実数Ｎ１，Ｎ２およびＮ３（ただし、Ｎ１＜Ｎ２＜Ｎ３）を乗じた値をそれぞれ第１、第２および第３のオフセット値とすることが可能である。ここで、Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３は正の値または負の値のいずれであってもよい。したがって、たとえばＮ１，Ｎ２，Ｎ３を正の値とすると、＋Ｎ１＊σ、＋Ｎ２＊σ、＋Ｎ３＊σおよび／または－Ｎ１＊σ、－Ｎ２＊σ、－Ｎ３＊σをオフセット値とすることも可能である。また、監視範囲の数も３個に限定されず、２個または４個等に設定することも可能である。
　たとえば、上述した１またはそれ以上の実施形態では、１個のパルスレーザ光ＬＢについて赤外線センサ４０よりＡ／Ｄ変換器４２を介してセンサ信号処理ユニット２２に取り込んだ信号波形データＤＣＳの全部をデータメモリ５４に保存した。しかし、センサ信号処理ユニット２２が１パルス分の信号波形データＤＣＳの中から各モニタ点ｔ２，ｔ３，‥‥の信号レベル値ＤＣＳ２，ＤＣＳ３，‥‥を抜き出し、抜き出した信号レベル値ＤＣＳ２，ＤＣＳ３，‥‥をデータメモリ５４に保存するようにしてもよい。
　上述した１またはそれ以上の実施形態は赤外線センサ４０ないしセンサユニット２６を出射ユニット２４と一体にヘッド１８に組み込んでいる。しかし、赤外線センサ４０ないしセンサユニット２６を出射ユニット２４から分離可能または独立のユニットとして出射ユニット２４の近傍に配置する構成を採ることも可能である。
　上述した１またはそれ以上の実施形態は被加工物にパルスレーザ光を照射するレーザ溶接について説明したが、本開示のレーザ監視方法または監視装置は被加工物にＣＷレーザ光を照射するレーザ溶接にも適用可能である。
　本開示のレーザ加工方法およびレーザ加工装置はレーザスポット溶接に限定されず、溶融を伴う他のレーザ加工たとえばレーザ切断、レーザろう付け、レーザ焼入れ、レーザ表面改質等にも適用可能である。
　本願の開示は、２０１９年９月２５日に出願された特願２０１９－１７３９８３号に記載の主題と関連しており、それらの全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (12)

  1. 　設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視方法であって、
    　前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、
    　前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、
    　前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する第４の工程と、
    　前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲とを設定する第５の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１および第２の監視範囲を当てはめる第６の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、または前記第２の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する第７の工程と、
    　前記検査の結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも３段階の良否判定を行う第８の工程と、
    　を有するレーザ加工監視方法。
  2. 　前記センサ出力信号の波形が前記第１の監視範囲の中にあるときは、前記レーザ加工は優良であると判定し、
    　前記センサ出力信号の波形が前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるときは、前記レーザ加工は良であると判定し、
    　前記センサ出力信号の波形が前記第２の監視範囲の外にはみ出たときは、前記レーザ加工は不良であると判定する、
    　請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
  3. 　前記被加工物と物理的に等価な試料について前記加工条件によるレーザ加工を複数回行って、前記赤外線センサより得られる前記センサ出力信号の波形データを複数個取得し、
    　取得した複数個の前記センサ出力信号の波形データに基づいて、統計学的手法により、前記センサ出力信号の波形の平均値を前記基準波形とし、前記平均値に対する標準偏差に値の異なる実数Ｎ１およびＮ２（ただし、Ｎ１≠０，Ｎ２≠０、Ｎ１の絶対値＜Ｎ２の絶対値）を乗じた値をそれぞれ前記第１および第２のオフセット値とする、
    　請求項１または請求項２に記載のレーザ加工監視方法。
  4. 　設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視方法であって、
    　前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、
    　前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、
    　前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する第４の工程と、
    　前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲と、前記第２のオフセット値より大きい第３のオフセット値を限界値とする第３の監視範囲とを設定する第５の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１、第２および第３の監視範囲を当てはめる第６の工程と、
    　前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、前記第２の監視範囲の外にはみ出て前記第３の監視範囲の中にあるか、または前記第３の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する第７の工程と、
    　前記検査の結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも４段階の良否判定を行う第８の工程と、
    　を有するレーザ加工監視方法。
  5. 　前記センサ出力信号の波形が前記第１の監視範囲の中にあるときは、前記レーザ加工は特に優良であると判定し、
    　前記センサ出力信号の波形が前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるときは、前記レーザ加工は優良であると判定し、
    　前記センサ出力信号の波形が前記第２の監視範囲の外にはみ出て前記第３の監視範囲の中にあるときは、前記レーザ加工は良であると判定し、
    　前記センサ出力信号の波形が前記第３の監視範囲の外にはみ出ているときは、前記レーザ加工は不良であると判定する、
    　請求項４に記載のレーザ加工監視方法。
  6. 　前記被加工物と物理的に等価な試料について前記加工条件によるレーザ加工を複数回行って、前記赤外線センサより得られる前記センサ出力信号の波形データを複数個取得し、
    　取得した複数個の前記センサ出力信号の波形データに基づいて、統計学的手法により、前記センサ出力信号の波形の平均値を前記基準波形とし、前記平均値に対する標準偏差に値の異なる実数Ｎ１，Ｎ２およびＮ３（ただし、Ｎ１≠０，Ｎ２≠０、Ｎ３≠０、Ｎ１の絶対値＜Ｎ２の絶対値＜Ｎ３の絶対値）を乗じた値をそれぞれ前記第１、第２および第３のオフセット値とする、
    　請求項４または請求項５に記載のレーザ加工監視方法。
  7. 　前記波長帯域は、前記被加工物の溶融部から放射される赤外線の中でエネルギー密度の最も高い波長を含んでいる、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
  8. 　前記波長帯域は、複数の種類の金属についてそれぞれの溶融部から放射される赤外線の中でエネルギー密度の最も高い波長を含んでいる、請求項７に記載のレーザ加工監視方法。
  9. 　前記波長帯域は、１５５０ｎｍ～２１５０ｎｍの帯域を含む、請求項８に記載のレーザ加工監視方法。
  10. 　前記波長帯域は、１３００ｎｍ～２５００ｎｍの帯域を含む、請求項８に記載のレーザ加工監視方法。
  11. 　設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視装置であって、
    　前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、
    　前記センサ出力信号の波形を、強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、
    　前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する基準波形設定部と、
    　前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、少なくとも、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲とを設定する監視範囲設定部と、
    　前記センサ出力信号の波形に前記第１および第２の監視範囲を当てはめて、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、または前記第２の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する検査部と、
    　前記検査部より得られる検査結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも３段階の良否判定を行う判定部と
    　を有するレーザ加工監視装置。
  12. 　設定された加工条件の下で被加工物にレーザ光を照射し、前記被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工の良否を監視するレーザ加工監視装置であって、
    　前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の赤外線を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、
    　前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、
    　前記加工条件に対応させて前記センサ出力信号に対する基準波形をあらかじめ設定する基準波形設定部と、
    　前記基準波形に対し、時間軸上の任意の区間で、第１のオフセット値を限界値とする第１の監視範囲と、前記第１のオフセット値より大きい第２のオフセット値を限界値とする第２の監視範囲と、前記第２のオフセット値より大きい第３のオフセット値を限界値とする第３の監視範囲とを設定する監視範囲設定部と、
    　前記センサ出力信号の波形データに基づいて、前記センサ出力信号の波形に前記第１、第２および第３の監視範囲を当てはめて、前記センサ出力信号の波形が、前記第１の監視範囲の中にあるか、前記第１の監視範囲の外にはみ出て前記第２の監視範囲の中にあるか、前記第２の監視範囲の外にはみ出て前記第３の監視範囲の中にあるか、または前記第３の監視範囲の外にはみ出ているかを検査する検査部と、
    　前記検査部より得られる検査結果を基に前記レーザ加工の良否について少なくとも４段階の良否判定を行う判定部と
    　を有するレーザ加工監視装置。
PCT/JP2020/031991 2019-09-25 2020-08-25 レーザ加工監視方法及びレーザ加工監視装置 WO2021059825A1 (ja)

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