WO2021182122A1 - レーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法 - Google Patents

レーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法 Download PDF

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laser welding
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雄祐 西崎
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    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser welding monitoring device and a laser welding monitoring method for monitoring whether or not laser welding is normally performed.
  • the laser weld monitoring device monitors whether or not the laser weld is normally performed.
  • the laser welding monitoring device starts monitoring at the timing when the laser welding machine starts welding the material to be welded.
  • the laser welding monitoring device may start monitoring at the timing when the laser oscillator starts emitting the laser beam.
  • some laser oscillators do not output a signal indicating the start of laser beam emission at the timing of starting laser beam emission. Therefore, a configuration is required in which the laser welding machine accurately detects the timing at which the welding of the material to be welded starts, and the laser welding monitoring device starts monitoring.
  • One or more embodiments provide a laser welding monitoring device and a laser welding monitoring method capable of accurately detecting the timing at which the laser welding machine starts welding the material to be welded and starting monitoring of laser welding. The purpose is.
  • the laser beam is irradiated at the irradiation position.
  • a light receiving unit that receives radiated light including the generated reflected light of the laser beam and monitoring light by thermal radiation that is light having a wavelength different from that of the reflected light, and the reflected light contained in the radiated light. And the monitoring light are separated, and the separated monitoring light is converted into a first electric signal, and the reflected light is converted into a second electric signal, and the level of the second electric signal is predetermined.
  • a laser welding monitoring device including a laser welding monitor for starting the determination of the above is provided.
  • the material to be welded when the material to be welded is irradiated with the laser beam emitted by the processing head provided in the laser welding machine, at the irradiation position of the laser beam.
  • the light receiving unit receives the emitted light including the reflected light of the laser beam and the monitoring light by thermal radiation, which is light having a wavelength different from that of the reflected light, and the reflected light contained in the emitted light.
  • the monitoring light are separated, the separated monitoring light is converted into a first electric signal, the reflected light is converted into a second electric signal, and the level of the second electric signal is equal to or higher than a predetermined threshold value.
  • a trigger signal is generated, and the input of the trigger signal is used as a trigger to start determining whether or not the laser welding of the material to be welded is normally performed based on the first electric signal.
  • a welding monitoring method is provided.
  • the laser welding monitoring device and the laser welding monitoring method of one or more embodiments it is possible to accurately detect the timing at which the laser welding machine starts welding the material to be welded and start monitoring the laser welding. ..
  • FIG. 1 is a perspective view showing a laser welding monitoring device according to one or more embodiments.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration example of a processing head provided in a laser welder.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of a spectroscopic unit included in the laser welding monitoring device of one or more embodiments.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of a trigger unit included in the laser welding monitoring device of one or more embodiments.
  • FIG. 5 is a characteristic diagram showing changes in the synchrotron radiation intensity of the reflected light of the laser beam and the near-infrared light generated at the irradiation position of the laser beam when the laser welder starts and ends the irradiation of the laser beam. Is.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a laser welding monitoring method according to one or more embodiments.
  • the laser welder 50 includes an NC device 10, a laser oscillator 11, and a processing head 20.
  • the laser oscillator 11 is, for example, a fiber laser oscillator that emits a laser beam having a wavelength of 1060 nm to 1080 nm.
  • the laser beam emitted by the laser oscillator 11 is transmitted to the processing head 20 by the process fiber 12.
  • the processing head 20 includes a galvano scanner 21 and an f ⁇ lens 22.
  • the galvano scanner 21 includes galvano mirrors 211 and 213, and drive units 212 and 214 that rotate the galvano mirrors 211 and 213 so as to have a predetermined angle, respectively.
  • the laser beam emitted from the process fiber 12 and incident on the galvano mirror 211 is reflected by the galvano mirror 211 and incident on the galvano mirror 213, reflected by the galvano mirror 213 and incident on the f ⁇ lens 22.
  • the f ⁇ lens 22 focuses the incident laser beam and irradiates it on the material to be welded.
  • the laser beam irradiated to the material to be welded can be displaced.
  • the laser beam can be vibrated or rotated.
  • the f ⁇ lens 22 can focus the laser beam on one plane of the material to be welded even when the galvano scanner 21 is operated.
  • the NC device 10 controls the drive units 212 and 214 of the laser oscillator 11 and the galvano scanner 21.
  • the NC device 10 also controls the movement of the machining head 20.
  • the laser beam emitted from the processing head 20 irradiates the abutting surface 120 of the sheet metal W1 and W2, which is an example of the material to be welded, to weld the sheet metal W1 and the sheet metal W2.
  • the processing head 20 is provided with the galvano scanner 21, but it is preferable that the processing head 20 is provided with the galvano scanner 21.
  • the processing head 20 does not include the galvano scanner 21, it may be provided with a bend mirror that reflects the laser beam toward the sheet metal W1 and the sheet metal W2, and a normal focusing lens instead of the f ⁇ lens 22.
  • the laser welding monitoring device 100 includes four light receiving units, a light receiving unit 30a to 30c, and a light receiving unit (not shown) located at a position facing the light receiving unit 30b with the processing head 20 interposed therebetween.
  • the light receiving unit at an arbitrary position is referred to as a light receiving unit 30.
  • the number of light receiving units 30 is preferably two or more, and a plurality of light receiving units 30 are preferably arranged around the f ⁇ lens 22 at equal intervals.
  • the number of light receiving units 30 may be one. Even if the processing head 20 does not include the galvano scanner 21, the number of light receiving units 30 may be two or more.
  • the laser welding monitoring device 100 includes a spectroscopic unit 40, a trigger unit 60, and a laser welding monitor 80.
  • the abutting surface 120 of the sheets W1 and W2 When the abutting surface 120 of the sheets W1 and W2 is irradiated with a laser beam, synchrotron radiation including reflected light of the laser beam and near-infrared light due to heat radiation is generated from the irradiation position of the laser beam.
  • the four light receiving units 30 receive synchrotron radiation, and the synchrotron radiation received by the four light receiving units 30 is incident on the spectroscopic unit 40 by the bundle fiber 31.
  • the solid arrow line from the abutting surface 120 to the light receiving unit 30 indicates the reflected light of the laser beam
  • the alternate long and short dash arrow line indicates the near infrared light.
  • the wavelength of near-infrared light is 1300 nm to 2500 nm.
  • Near-infrared light is a preferable example of monitoring light by thermal radiation, which is light having a wavelength different from that of reflected light of a laser beam.
  • the light receiving unit 30 has a protective glass on the incident surface of the synchrotron radiation, and is configured so that the synchrotron radiation is incident on the end surface of the core of the optical fiber.
  • the light receiving unit 30 may be configured to receive synchrotron radiation including reflected light of a laser beam and near infrared light generated by heat radiation, and the configuration is not limited.
  • the spectroscopic unit 40 includes a dichroic mirror 41 that transmits light having a wavelength of 1300 nm or more and reflects light having a wavelength of less than 1300 nm, and a photo sensor 42.
  • the reflected light of the laser beam indicated by the solid arrow line is reflected by the dichroic mirror 41, and the near-infrared light indicated by the alternate long and short dash arrow line passes through the dichroic mirror 41 and is incident on the photosensor 42.
  • the photo sensor 42 converts the incident near-infrared light into an electric signal (near-infrared monitor signal) and outputs the signal.
  • the near-infrared monitor signal is an example of a first electrical signal.
  • the first electrical signal is preferably a digital signal.
  • the reflected light of the laser beam emitted from the spectroscopic unit 40 is transmitted by the reflected light transmission fiber 51 and incident on the trigger unit 60.
  • the near-infrared monitor signal output from the spectroscopic unit 40 is transmitted by the monitor signal transmission cable 52 and input to the laser welding monitor 80.
  • the trigger unit 60 includes a photo sensor 61, a level determination unit 62, and a trigger signal generation unit 63.
  • the photo sensor 61 converts the reflected light of the incident laser beam into an electric signal (second electric signal).
  • the level determination unit 62 determines whether or not the level of the input electric signal is equal to or higher than a predetermined threshold value.
  • the trigger signal generation unit 63 generates and outputs a trigger signal when the electric signal input to the level determination unit 62 is equal to or higher than a predetermined threshold value.
  • the level determination unit 62 and the trigger signal generation unit 63 can be configured by a circuit.
  • the level determination unit 62 and the trigger signal generation unit 63 may be configured by a processor.
  • the second electric signal may be an analog signal or a digital signal.
  • the trigger signal should be a digital signal.
  • the trigger signal is transmitted by the trigger signal transmission cable 71 and input to the laser welding monitor 80.
  • the laser welding monitor 80 starts monitoring whether or not laser welding is normally performed based on the near-infrared monitor signal, using the input of the trigger signal as a trigger.
  • the laser welding monitor 80 integrates the input near-infrared monitor signal for a predetermined time, and if the integrated value is between the preset upper limit value and the lower limit value, the laser welding is normally performed. Is determined. If the integrated value is not between the upper limit value and the lower limit value, the laser welding monitor 80 determines that the laser welding has not been performed normally and that an abnormality has occurred. How the laser welding monitor 80 determines whether or not the laser welding is normally performed is not limited.
  • the laser welding monitor 80 is provided with light emitting diodes L1 to L4 on the front surface of the housing.
  • the laser welding monitor 80 determines that the laser welding is normally performed, for example, the green light emitting diode L4 is turned on, and when it is determined that an abnormality has occurred in the laser welding, for example, the red light emitting diode L3 Turn on.
  • the green light emitting diode L1 lights up when the power of the laser welding monitor 80 is turned on.
  • the green light emitting diode L2 lights up when a trigger signal is input.
  • the timing at which the laser welding monitor 80 starts monitoring the laser welding will be described with reference to the characteristic diagram shown in FIG. In FIG. 5, it is assumed that the processing head 20 starts irradiating the abutting surface 120 of the sheet metals W1 and W2 with the laser beam at time t0 and finishes irradiating the laser beam at time t1.
  • the synchrotron radiation intensity of the near-infrared light indicated by the alternate long and short dash line gradually increases after the irradiation of the laser beam is started.
  • the synchrotron radiation intensity of the reflected light of the laser beam shown by the solid line increases sharply immediately after the start of irradiation of the laser beam, sharply decreases, and then becomes a substantially constant value.
  • the trigger unit 60 Assuming that the threshold value set in the level determination unit 62 of the trigger unit 60 is the level of the electric signal corresponding to the synchrotron radiation intensity of the threshold value TH1 shown in FIG. 5, the trigger unit 60 has the trigger signal immediately after the time t0. Is output. Therefore, the laser welding monitoring device 100 accurately detects the timing when the laser welding machine 50 starts welding the sheets W1 and W2, and starts monitoring the laser welding with almost no time delay from the timing when the welding is started. Can be done.
  • the trigger unit 60 is configured to output the trigger signal at the timing when the radiated light intensity of the near-infrared light increases to a predetermined intensity, the radiated light intensity of the near-infrared light gradually increases. Therefore, when the processing is repeated under the same laser welding conditions, the timing at which the threshold value TH1 is exceeded varies. Therefore, the trigger signal cannot be output immediately after the time t0, and the timing of outputting the trigger signal may be delayed or vary. In comparison, the reflected light increases rapidly immediately after the start of machining, so it is possible to suppress variations in the timing when the threshold value TH1 is exceeded even after repeated machining, and monitoring of laser welding can be started with high repeatability. can.
  • the laser welding monitoring method executed by the laser welding monitoring device 100 will be described with reference to the flowchart shown in FIG. FIG. 6 also includes a process performed by the laser welder 50.
  • the NC device 10 determines in step S1 whether or not the instruction to start welding has been given. If the welding start instruction is not given (NO), the NC device 10 repeats the process of step S1. When the instruction to start welding is given (YES), the NC device 10 starts the laser oscillation in the laser oscillator 11 in step S2 to start the laser welding.
  • step S3 the four light receiving units 30 receive the synchrotron radiation from the irradiation position of the laser beam, and the synchrotron radiation received by the bundle fiber 31 is transmitted to the spectroscopic unit 40.
  • step S4 the spectroscopic unit 40 disperses the reflected light of the laser beam contained in the synchrotron radiation and the near-infrared light.
  • step S5 the photosensor 42 of the spectroscopic unit 40 converts the near-infrared light into an electric signal and supplies it to the laser welding monitor 80.
  • the trigger unit 60 converts the reflected light transmitted by the reflected light transmission fiber 51 into an electric signal in step S6, and outputs a trigger signal when the level of the electric signal exceeds the threshold value. ..
  • the laser welding monitor 80 determines in step S7 whether or not a trigger signal has been received from the trigger unit 60. If no trigger signal is received (NO), the laser welding monitor 80 repeats the process of step S7. If the trigger signal is received (YES), the laser welding monitor 80 starts monitoring the laser welding in step S8.
  • the laser welding monitor 80 determines in step S9 whether or not the preset measurement time has elapsed. If the measurement time does not elapse (NO), the laser welding monitor 80 repeats the process of step S9. The monitoring of laser welding is continued during the period in which the process of step S9 is repeated. If the measurement time has elapsed (YES), the laser welding monitor 80 ends the monitoring of laser welding.
  • the welding by the laser welding machine 50 may not finish. By the time the laser welding monitor 80 finishes monitoring the laser welding, the welding by the laser welding machine 50 may be finished. Even if the trigger signal is input to the laser welding monitor 80 again within the measurement time, the trigger signal within the measurement time is ignored.
  • the timing at which the laser welding monitor 80 ends the monitoring of laser welding is not limited to the time when the measurement time has elapsed.
  • the laser welding monitor 80 may end the monitoring of laser welding when the welding by the laser welding machine 50 is completed.
  • the timing at which the laser welding machine 50 starts welding the material to be welded is accurately detected, and the laser welding is monitored. Can be started.
  • the laser welding monitor 80 uses a near-infrared monitor signal obtained by converting near-infrared light into an electric signal to determine whether or not laser welding is normally performed.
  • plasma light or visible light may be converted into an electric signal.
  • Light having a wavelength different from the wavelength of the laser beam emitted by the laser oscillator 11 may be converted into an electric signal.
  • a direct diode laser oscillator may be used instead of the fiber laser oscillator.
  • the DDL oscillator emits a laser beam having a wavelength of 910 nm to 950 nm.
  • the wavelength of the laser beam emitted from the laser oscillator 11 is preferably in the 1 ⁇ m band having a wavelength of 900 nm to 1100 nm.
  • the trigger unit 60 may be provided in the housing of the laser welding monitor 80.
  • the spectroscopic unit 40 and the trigger unit 60 may be provided in one housing.
  • a spectroscopic unit 40 and a trigger unit 60 may be provided in the housing of the laser welding monitor 80.
  • the position where the spectroscopic unit 40 or the trigger unit 60 is provided is not limited.
  • the method of starting the monitoring of laser welding by the laser welding monitor 80 by inputting the trigger signal described above may be applied when starting the monitoring of arc welding or laser cutting.
  • the method of one or more embodiments can be used almost as it is, and a laser processing monitoring device and a laser processing monitoring method for laser welding or laser cutting can be used.

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Abstract

受光ユニット（３０ａ～３０ｃ）は、加工ヘッド（２０）が射出するレーザビームを被溶接材料（板金Ｗ１及びＷ２の突き合わせ面１２０）に照射しているときに、レーザビームの反射光と、反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光とを含む放射光を受光する。分光ユニット（４０）は、反射光とモニタリング光とを分光し、モニタリング光を第１の電気信号に変換する。トリガユニット（６０）は、反射光を第２の電気信号に変換し、第２の電気信号のレベルが所定の閾値以上であるときトリガ信号を出力する。レーザ溶接モニタ（８０）は、トリガ信号が入力されると、第１の電気信号に基づいて、被溶接材料のレーザ溶接が正常に行われているか否かの判定を開始する。

Description

レーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法
　本開示は、レーザ溶接が正常に行われているか否かを監視するレーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法に関する。
　特許文献１または２に記載されているように、レーザ溶接機が被溶接材料を溶接するときに、レーザ溶接モニタリング装置は、レーザ溶接が正常に行われているか否かを監視する。
特開２０１０－１１０７９６号公報 特開２０１７－２４０４６号公報
　レーザ溶接モニタリング装置は、レーザ溶接機が被溶接材料の溶接を開始したタイミングでモニタリングを開始することが望ましい。例えば、レーザ溶接モニタリング装置は、レーザ発振器がレーザビームの射出を開始したタイミングに合わせて、モニタリングを開始すればよい。ところが、レーザ発振器はレーザビームの射出を開始するタイミングでレーザビームの射出の開始を示す信号を出力しないものがある。そこで、レーザ溶接機が被溶接材料の溶接を開始したタイミングを的確に検出し、レーザ溶接モニタリング装置がモニタリングを開始する構成が求められる。
　１またはそれ以上の実施形態は、レーザ溶接機が被溶接材料の溶接を開始したタイミングを的確に検出し、レーザ溶接のモニタリングを開始することができるレーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法を提供することを目的とする。
　１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、レーザ溶接機に備えられている加工ヘッドが射出するレーザビームを被溶接材料に照射しているときに、前記レーザビームの照射位置で発生する、前記レーザビームの反射光と、前記反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光とを含む放射光を受光する受光ユニットと、前記放射光に含まれている前記反射光と前記モニタリング光とを分光し、分光した前記モニタリング光を第１の電気信号に変換する分光ユニットと、前記反射光を第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号のレベルが所定の閾値以上であるときトリガ信号を出力するトリガユニットと、前記トリガ信号が入力されると、前記第１の電気信号に基づいて、前記被溶接材料のレーザ溶接が正常に行われているか否かの判定を開始するレーザ溶接モニタとを備えるレーザ溶接モニタリング装置が提供される。
　１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、レーザ溶接機に備えられている加工ヘッドが射出するレーザビームを被溶接材料に照射しているときに、前記レーザビームの照射位置で発生する、前記レーザビームの反射光と、前記反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光とを含む放射光を受光ユニットで受光し、前記放射光に含まれている前記反射光と前記モニタリング光とを分光し、分光した前記モニタリング光を第１の電気信号に変換し、前記反射光を第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号のレベルが所定の閾値以上であるときトリガ信号を生成し、前記トリガ信号の入力をトリガとして、前記第１の電気信号に基づいて、前記被溶接材料のレーザ溶接が正常に行われているか否かの判定を開始するレーザ溶接モニタリング方法が提供される。
　１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法によれば、レーザ溶接機が被溶接材料の溶接を開始したタイミングを的確に検出し、レーザ溶接のモニタリングを開始することができる。
図１は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置を示す斜視図である。 図２は、レーザ溶接機に備えられている加工ヘッドの構成例を示す斜視図である。 図３は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置が備える分光ユニットの構成例を示す図である。 図４は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置が備えるトリガユニットの構成例を示すブロック図である。 図５は、レーザ溶接機がレーザビームの照射を開始して終了するときの、レーザビームの照射位置で発生する、レーザビームの反射光と近赤外光の放射光強度の変化を示す特性図である。 図６は、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング方法を示すフローチャートである。
　以下、１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ溶接機５０は、ＮＣ装置１０、レーザ発振器１１、加工ヘッド２０を備える。レーザ発振器１１は、一例として、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出するファイバレーザ発振器である。レーザ発振器１１が射出したレーザビームはプロセスファイバ１２によって加工ヘッド２０に伝送される。
　図２に示すように、加工ヘッド２０は、ガルバノスキャナ２１とｆθレンズ２２とを備える。ガルバノスキャナ２１は、ガルバノミラー２１１及び２１３と、ガルバノミラー２１１及び２１３それぞれを所定の角度となるように回転させる駆動部２１２及び２１４を備える。プロセスファイバ１２より射出してガルバノミラー２１１に入射したレーザビームは、ガルバノミラー２１１で反射してガルバノミラー２１３に入射し、ガルバノミラー２１３で反射してｆθレンズ２２に入射する。ｆθレンズ２２は入射したレーザビームを集束して被溶接材料上に照射する。
　ガルバノミラー２１１及び２１３の各角度を変更することにより、被溶接材料に照射されるレーザビームを変位させることができる。ガルバノミラー２１１及び２１３を連続的に動かすことによって、レーザビームを振動させたり、回転させたりすることができる。ｆθレンズ２２は、ガルバノスキャナ２１を動作させても、被溶接材料の１つの平面上にレーザビームを集束させることができる。
　図１に戻り、ＮＣ装置１０は、レーザ発振器１１及びガルバノスキャナ２１の駆動部２１２及び２１４を制御する。ＮＣ装置１０は、加工ヘッド２０の移動も制御する。加工ヘッド２０より射出されたレーザビームは、被溶接材料の一例である板金Ｗ１及びＷ２の突き合わせ面１２０に照射されて、板金Ｗ１と板金Ｗ２とが溶接される。
　加工ヘッド２０がガルバノスキャナ２１を備えることは必須ではないが、ガルバノスキャナ２１を備えることが好ましい。加工ヘッド２０がガルバノスキャナ２１を備えない場合、レーザビームが板金Ｗ１及び板金Ｗ２に向かうように反射させるベンドミラーと、ｆθレンズ２２に代えて通常の集束レンズを備えればよい。
　図１において、レーザ溶接モニタリング装置１００は、受光ユニット３０ａ～３０ｃと、加工ヘッド２０を挟んで受光ユニット３０ｂと対向する位置にある図示されていない受光ユニットとの４つの受光ユニットを備える。任意の位置の受光ユニットを受光ユニット３０と称することとする。加工ヘッド２０がガルバノスキャナ２１を備える構成においては、受光ユニット３０を２つ以上とするのがよく、複数の受光ユニット３０をｆθレンズ２２の周囲に等間隔で配置するのがよい。加工ヘッド２０がガルバノスキャナ２１を備えない場合、受光ユニット３０は１つであってもよい。加工ヘッド２０がガルバノスキャナ２１を備えない構成であっても、受光ユニット３０を２つ以上としてもよい。
　また、レーザ溶接モニタリング装置１００は、分光ユニット４０、トリガユニット６０、レーザ溶接モニタ８０を備える。
　板金Ｗ１及びＷ２の突き合わせ面１２０にレーザビームが照射されると、レーザビームの照射位置からレーザビームの反射光と熱放射による近赤外光とを含む放射光が発生する。４つの受光ユニット３０は放射光を受光し、４つの受光ユニット３０が受光した放射光はバンドルファイバ３１によって分光ユニット４０へと入射される。図１において、突き合わせ面１２０から受光ユニット３０に向かう実線の矢印線はレーザビームの反射光を示し、一点鎖線の矢印線は近赤外光を示す。近赤外光の波長は、１３００ｎｍ～２５００ｎｍである。近赤外光は、レーザビームの反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光の好適な一例である。
　受光ユニット３０は、放射光の入射面に保護ガラスを有し、光ファイバのコアの端面に放射光が入射されるように構成されている。受光ユニット３０はレーザビームの反射光と熱放射による近赤外光とを含む放射光を受光する構成であればよく、構成は限定されない。
　図３に示すように、分光ユニット４０は、波長１３００ｎｍ以上の光を透過させ、波長１３００ｎｍ未満の光を反射させるダイクロイックミラー４１と、フォトセンサ４２とを備える。実線の矢印線で示すレーザビームの反射光はダイクロイックミラー４１で反射し、一点鎖線の矢印線で示す近赤外光はダイクロイックミラー４１を透過してフォトセンサ４２に入射する。フォトセンサ４２は、入射した近赤外光を電気信号（近赤外モニタ信号）に変換して出力する。近赤外モニタ信号は第１の電気信号の一例である。第１の電気信号はデジタル信号であるのがよい。
　図１において、分光ユニット４０より射出されたレーザビームの反射光は、反射光伝送ファイバ５１で伝送されて、トリガユニット６０に入射される。分光ユニット４０より出力された近赤外モニタ信号はモニタ信号伝送ケーブル５２で伝送されて、レーザ溶接モニタ８０に入力される。
　図４に示すように、トリガユニット６０は、フォトセンサ６１、レベル判定部６２、トリガ信号発生部６３を備える。フォトセンサ６１は、入射したレーザビームの反射光を電気信号（第２の電気信号）に変換する。レベル判定部６２は、入力された電気信号のレベルが所定の閾値以上であるか否かを判定する。トリガ信号発生部６３は、レベル判定部６２に入力された電気信号が所定の閾値以上であるとき、トリガ信号を生成して出力する。レベル判定部６２及びトリガ信号発生部６３は回路で構成することができる。レベル判定部６２及びトリガ信号発生部６３をプロセッサで構成してもよい。第２の電気信号はアナログ信号であってもデジタル信号であってもよい。トリガ信号はデジタル信号であるのがよい。
　図１において、トリガ信号はトリガ信号伝送ケーブル７１で伝送されて、レーザ溶接モニタ８０に入力される。レーザ溶接モニタ８０は、トリガ信号が入力されるとトリガ信号の入力をトリガとして、近赤外モニタ信号に基づいて、レーザ溶接が正常に行われているか否かの監視を開始する。一例として、レーザ溶接モニタ８０は、入力された近赤外モニタ信号を所定時間積分して、積分値が予め設定した上限値と下限値との間にあればレーザ溶接は正常に行われていると判定する。レーザ溶接モニタ８０は、積分値が上限値と下限値との間になければレーザ溶接が正常に行われておらず、異常が発生していると判定する。レーザ溶接モニタ８０が、レーザ溶接が正常に行われているか否かをどのように判定するかは限定されない。
　レーザ溶接モニタ８０は、筐体前面に発光ダイオードＬ１～Ｌ４を備えている。レーザ溶接モニタ８０は、レーザ溶接が正常に行われていると判定したとき、例えば緑色の発光ダイオードＬ４を点灯させ、レーザ溶接に異常が発生していると判定したとき、例えば赤色の発光ダイオードＬ３を点灯させる。例えば緑色の発光ダイオードＬ１は、レーザ溶接モニタ８０の電源が投入されているときに点灯する。例えば緑色の発光ダイオードＬ２は、トリガ信号が入力されたときに点灯する。
　図５に示す特性図を用いて、レーザ溶接モニタ８０がレーザ溶接のモニタリングを開始するタイミングを説明する。図５において、加工ヘッド２０が、時刻ｔ０で板金Ｗ１及びＷ２の突き合わせ面１２０に対するレーザビームの照射を開始し、時刻ｔ１でレーザビームの照射を終了したとする。一点鎖線で示す近赤外光の放射光強度は、レーザビームの照射を開始した後、徐々に増大する。一方、実線で示すレーザビームの反射光の放射光強度は、レーザビームの照射を開始した直後に急激に増大して急激に低下し、その後ほぼ一定値となる。
　トリガユニット６０のレベル判定部６２に設定されている閾値が、図５に示す閾値ＴＨ１の放射光強度に対応する電気信号のレベルであるとすると、トリガユニット６０は、時刻ｔ０の直後にトリガ信号を出力する。よって、レーザ溶接モニタリング装置１００は、レーザ溶接機５０が板金Ｗ１及びＷ２の溶接を開始したタイミングを的確に検出し、溶接を開始したタイミングからほとんど時間遅れがなく、レーザ溶接のモニタリングを開始することができる。
　図５において、仮にトリガユニット６０が、近赤外光の放射光強度が所定の強度まで増大したタイミングでトリガ信号を出力するように構成すると、近赤外光の放射光強度は徐々にしか増大しないため、同じレーザ溶接の条件で繰り返し加工した場合、閾値ＴＨ１を超えるタイミングがばらつく。よって、時刻ｔ０の直後にトリガ信号を出力することはできず、トリガ信号を出力するタイミングに時間遅れが発生したり、ばらつきが発生したりする。それと比較して、反射光は加工開始直後に急激に増大するため、繰り返し加工を行っても閾値ＴＨ１を超えるタイミングのばらつきを抑えることができ、レーザ溶接のモニタリングを高い繰り返し精度で開始することができる。
　図６に示すフローチャートを用いて、レーザ溶接モニタリング装置１００で実行されるレーザ溶接モニタリング方法を説明する。図６はレーザ溶接機５０で実行される処理も含む。図６において、ＮＣ装置１０は、ステップＳ１にて、溶接開始の指示がなされたか否かを判定する。溶接開始の指示がなされなければ（NO）、ＮＣ装置１０はステップＳ１の処理を繰り返す。溶接開始の指示がなされると（YES）、ＮＣ装置１０は、ステップＳ２にて、レーザ発振器１１におけるレーザ発振を開始させて、レーザ溶接を開始する。
　ステップＳ３にて、４つの受光ユニット３０はレーザビームの照射位置からの放射光を受光し、バンドルファイバ３１が受光した放射光を分光ユニット４０へと伝送する。分光ユニット４０は、ステップＳ４にて、放射光に含まれているレーザビームの反射光と近赤外光とを分光する。分光ユニット４０のフォトセンサ４２は、ステップＳ５にて、近赤外光を電気信号に変換して、レーザ溶接モニタ８０に供給する。
　ステップＳ５と並行して、トリガユニット６０は、ステップＳ６にて、反射光伝送ファイバ５１で伝送された反射光を電気信号に変換し、電気信号のレベルが閾値を超えたら、トリガ信号を出力する。
　レーザ溶接モニタ８０は、ステップＳ７にて、トリガユニット６０からトリガ信号を受信したか否かを判定する。トリガ信号を受信しなければ（NO）、レーザ溶接モニタ８０はステップＳ７の処理を繰り返す。トリガ信号を受信すれば（YES）、レーザ溶接モニタ８０は、ステップＳ８にて、レーザ溶接のモニタリングを開始する。
　レーザ溶接モニタ８０は、ステップＳ９にて、予め設定した測定時間が経過したか否かを判定する。測定時間が経過しなければ（NO）、レーザ溶接モニタ８０はステップＳ９の処理を繰り返す。ステップＳ９の処理を繰り返している期間、レーザ溶接のモニタリングが継続されている。測定時間が経過していれば（YES）、レーザ溶接モニタ８０はレーザ溶接のモニタリングを終了させる。
　レーザ溶接モニタ８０がレーザ溶接のモニタリングを終了したとしても、レーザ溶接機５０による溶接は終了していないことがある。レーザ溶接モニタ８０がレーザ溶接のモニタリングを終了するまでに、レーザ溶接機５０による溶接が終了することがあってもよい。なお、仮に、測定時間内にレーザ溶接モニタ８０に再びトリガ信号が入力されたとしても、測定時間内のトリガ信号は無視される。
　レーザ溶接モニタ８０がレーザ溶接のモニタリングを終了するタイミングは、測定時間が経過した時点に限定されない。レーザ溶接モニタ８０は、レーザ溶接機５０による溶接が終了した時点でレーザ溶接のモニタリングを終了してもよい。
　以上のようにして１またはそれ以上の実施形態のレーザ溶接モニタリング装置及びレーザ溶接モニタリング方法によれば、レーザ溶接機５０が被溶接材料の溶接を開始したタイミングを的確に検出し、レーザ溶接のモニタリングを開始することができる。
　本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。１またはそれ以上の実施形態においては、レーザ溶接モニタ８０は、近赤外光を電気信号に変換した近赤外モニタ信号を用いてレーザ溶接が正常に行われているか否かを判定しているが、プラズマ光または可視光を電気信号に変換してもよい。レーザ発振器１１が射出するレーザビームの波長とは異なる波長の光を電気信号に変換すればよい。
　レーザ発振器１１として、ファイバレーザ発振器の代わりにダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）を用いてもよい。ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザビームを射出する。レーザ発振器１１より射出されるレーザビームの波長は、波長９００ｎｍ～１１００ｎｍの１μｍ帯とするのがよい。
　図１に示すレーザ溶接モニタリング装置１００は、分光ユニット４０、トリガユニット６０、レーザ溶接モニタ８０の各筐体を分けているが、レーザ溶接モニタ８０の筐体内にトリガユニット６０を設けてもよい。分光ユニット４０とトリガユニット６０とを１つの筐体内に設けてもよい。レーザ溶接モニタ８０の筐体内に分光ユニット４０とトリガユニット６０とを設けてもよい。分光ユニット４０またはトリガユニット６０を設ける位置は限定されない。
　以上説明したトリガ信号の入力によってレーザ溶接モニタ８０がレーザ溶接のモニタリングを開始する手法を、アーク溶接またはレーザ切断のモニタリングを開始する際に応用してもよい。特に、板金のレーザ切断においては、１またはそれ以上の実施形態の手法をほぼそのまま用いることができ、レーザ溶接またはレーザ切断を対象とするレーザ加工モニタリング装置及びレーザ加工モニタリング方法とすることができる。
　本願は、２０２０年３月９日に日本国特許庁に出願された特願２０２０－０３９７６１号に基づく優先権を主張するものであり、その全ての開示内容は引用によりここに援用される。

Claims (6)

  1. 　レーザ溶接機に備えられている加工ヘッドが射出するレーザビームを被溶接材料に照射しているときに、前記レーザビームの照射位置で発生する、前記レーザビームの反射光と、前記反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光とを含む放射光を受光する受光ユニットと、
    　前記放射光に含まれている前記反射光と前記モニタリング光とを分光し、分光した前記モニタリング光を第１の電気信号に変換する分光ユニットと、
    　前記反射光を第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号のレベルが所定の閾値以上であるときトリガ信号を出力するトリガユニットと、
    　前記トリガ信号が入力されると、前記第１の電気信号に基づいて、前記被溶接材料のレーザ溶接が正常に行われているか否かの判定を開始するレーザ溶接モニタと、
    　を備えるレーザ溶接モニタリング装置。
  2. 　前記レーザビームの波長は９００ｎｍ～１１００ｎｍであり、前記モニタリング光の波長は１３００ｎｍ～２５００ｎｍの近赤外光である請求項１に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  3. 　前記加工ヘッドは、前記加工ヘッドが射出する前記レーザビームを変位、振動、または回転させるガルバノスキャナと、前記レーザビームを前記被溶接材料に集束させて照射するｆθレンズとを備え、
    　前記ｆθレンズの周囲に配置された複数の受光ユニットを備える
    　請求項１または２に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  4. 　レーザ溶接機に備えられている加工ヘッドが射出するレーザビームを被溶接材料に照射しているときに、前記レーザビームの照射位置で発生する、前記レーザビームの反射光と、前記反射光とは波長が異なる光である熱放射によるモニタリング光とを含む放射光を受光ユニットで受光し、
    　前記放射光に含まれている前記反射光と前記モニタリング光とを分光し、
    　分光した前記モニタリング光を第１の電気信号に変換し、
    　前記反射光を第２の電気信号に変換し、
    　前記第２の電気信号のレベルが所定の閾値以上であるときトリガ信号を生成し、
    　前記トリガ信号の入力をトリガとして、前記第１の電気信号に基づいて、前記被溶接材料のレーザ溶接が正常に行われているか否かの判定を開始する
    　レーザ溶接モニタリング方法。
  5. 　前記レーザビームの波長は９００ｎｍ～１１００ｎｍであり、前記モニタリング光の波長は１３００ｎｍ～２５００ｎｍの近赤外光である請求項４に記載のレーザ溶接モニタリング方法。
  6. 　前記加工ヘッドは、前記加工ヘッドが射出する前記レーザビームを変位、振動、または回転させるガルバノスキャナと、前記レーザビームを前記被溶接材料に集束させて照射するｆθレンズとを備え、
    　前記放射光を、前記ｆθレンズの周囲に配置された複数の受光ユニットで受光する
    　請求項４または５に記載のレーザ溶接モニタリング方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007098442A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Toyota Motor Corp レーザ接合品質検査装置
JP2007326134A (ja) * 2006-06-08 2007-12-20 Osaka Industrial Promotion Organization レーザ突合せ溶接における溶接可否およびルートギャップ適否判定方法および装置
JP2010110796A (ja) 2008-11-07 2010-05-20 Miyachi Technos Corp レーザ加工モニタリング方法および装置
JP2016015310A (ja) * 2014-06-11 2016-01-28 日産自動車株式会社 レーザー溶接装置、およびレーザー溶接方法
JP2017024046A (ja) 2015-07-23 2017-02-02 有限会社西原電子 レーザ溶接監視装置とレーザ溶接監視方法
JP2020039761A (ja) 2018-09-13 2020-03-19 ニプロ株式会社 薬液投与装置と薬液投与装置に用いられる薬液注入コントローラ

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3530129B2 (ja) * 2000-11-16 2004-05-24 住友重機械工業株式会社 レーザ加工装置及び加工方法
JP2019188409A (ja) 2018-04-20 2019-10-31 住友重機械工業株式会社 制御装置、レーザ加工装置及びレーザ加工方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007098442A (ja) * 2005-10-05 2007-04-19 Toyota Motor Corp レーザ接合品質検査装置
JP2007326134A (ja) * 2006-06-08 2007-12-20 Osaka Industrial Promotion Organization レーザ突合せ溶接における溶接可否およびルートギャップ適否判定方法および装置
JP2010110796A (ja) 2008-11-07 2010-05-20 Miyachi Technos Corp レーザ加工モニタリング方法および装置
JP2016015310A (ja) * 2014-06-11 2016-01-28 日産自動車株式会社 レーザー溶接装置、およびレーザー溶接方法
JP2017024046A (ja) 2015-07-23 2017-02-02 有限会社西原電子 レーザ溶接監視装置とレーザ溶接監視方法
JP2020039761A (ja) 2018-09-13 2020-03-19 ニプロ株式会社 薬液投与装置と薬液投与装置に用いられる薬液注入コントローラ

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