WO2024024579A1 - レーザ溶接モニタリング装置 - Google Patents

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WO2024024579A1
WO2024024579A1 PCT/JP2023/026312 JP2023026312W WO2024024579A1 WO 2024024579 A1 WO2024024579 A1 WO 2024024579A1 JP 2023026312 W JP2023026312 W JP 2023026312W WO 2024024579 A1 WO2024024579 A1 WO 2024024579A1
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light
welding
laser
signal
intensity
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PCT/JP2023/026312
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English (en)
French (fr)
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出 中井
和樹 藤原
浩司 船見
竜朗 白石
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • 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
    • 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
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece

Definitions

  • the present disclosure relates to a laser welding monitoring device that monitors processing conditions by laser welding.
  • Patent Document 1 discloses a laser welding monitoring device that can accurately detect the timing at which a laser welder starts welding the material to be welded and can start monitoring the laser welding. ing.
  • the light receiving unit detects that the reflected light of the laser beam and the reflected light have different wavelengths. It receives radiation light including monitoring light due to thermal radiation, which is light.
  • the spectroscopic unit spectrally separates the reflected light and the monitoring light contained in the emitted light, and converts the monitoring light into a first electrical signal.
  • the trigger unit converts the reflected light into a second electrical signal, and outputs the trigger signal when the level of the second electrical signal is equal to or higher than a predetermined threshold.
  • the laser welding monitor starts determining whether laser welding of the material to be welded is being performed normally based on the first electric signal.
  • an optical system consisting of a galvanometer scanner (also called a galvanometer scanner) including a galvanometer mirror, a scan lens (also called an f ⁇ lens), etc. It is common to use a system.
  • a galvanometer scanner also called a galvanometer scanner
  • a scan lens also called an f ⁇ lens
  • a light receiving unit is provided outside of a processing optical system such as a galvano scanner and an f ⁇ lens that performs laser irradiation.
  • a processing optical system such as a galvano scanner and an f ⁇ lens that performs laser irradiation.
  • light is received from a wider area than the processing point, making it difficult for the state of the processing point to be accurately reflected in the received light, reducing the accuracy of determining the processing state using the received light signal.
  • a sensor portion such as a photodiode is designed to receive light that has passed through a processing optical system.
  • a processing optical system including a scan lens and a galvanometer mirror for scanning laser light
  • the angle and position of the laser light incident on the scan lens change due to scanning by the galvanometer mirror. Therefore, there is a problem that the light from the processing point generated by the laser beam irradiation is dispersed in the scan lens, and the signal strength of the light that can be received changes depending on the position of the processing point.
  • the present invention provides a laser welding method that enables accurate monitoring of the processing state by laser welding even if the position of the processing point is changed using an optical system including a scan lens and a galvanometer mirror.
  • the purpose is to provide a monitoring device.
  • a laser welding monitoring device is a laser welding monitoring device that monitors processing conditions by laser welding.
  • the laser welding monitoring device includes an acquisition interface, an arithmetic circuit, and a storage device.
  • the acquisition interface acquires a signal corresponding to measurement light measured by irradiating the workpiece with laser light.
  • the arithmetic circuit performs arithmetic processing to determine the machining state based on the signal acquired by the acquisition interface.
  • the storage device stores in advance fluctuation trend information corresponding to a tendency of the intensity of the measurement light to fluctuate depending on the position of the processing point in a region where the laser beam can be scanned on the workpiece by an optical system including a galvanometer mirror and a scan lens. .
  • the measurement light includes plasma light generated at the processing point by laser light irradiation, thermal radiation light, and reflected light of the laser light.
  • the measurement light is received by the optical system by scanning the laser light in a predetermined welding pattern, and is separated into plasma light, thermal radiation light, and reflected light.
  • the acquisition interface acquires an intensity signal indicating the intensity of each of the plasma light, thermal radiation light, and reflected light after the measurement light is spectrally separated.
  • the arithmetic circuit corrects the intensity signal for each of the plasma light, thermal radiation light, and reflected light, based on the fluctuation tendency information, so as to suppress the fluctuation in intensity depending on the position of the processing point, and outputs the corrected intensity signal.
  • the machining state is determined based on.
  • a signal according to the intensity of the measurement light is corrected so as to suppress variations in the intensity of the measurement light depending on the position of the processing point.
  • the influence of the position of the processing point on the intensity of the measurement light can be suppressed, and for example, the processing state such as the welding state of the processing point can be monitored with high accuracy based on the corrected measurement light signal.
  • FIG. 1 Schematic diagram of a processing system in Embodiment 1 of the present disclosure
  • a diagram illustrating the configuration of a monitoring device in the processing system of Embodiment 1 Schematic diagram of the welding trajectory observed from the top surface of the workpiece in Embodiment 1
  • Flowchart illustrating the operation of the monitoring device in Embodiment 1 A diagram for explaining waveform data showing a signal before correction in the monitoring device of Embodiment 1
  • Flowchart illustrating signal preprocessing in the monitoring device of Embodiment 1 Flowchart illustrating correction processing for each processing position in the monitoring device of Embodiment 1 Diagram for explaining changes in waveform data before and after correction in Embodiment 1
  • Diagram for explaining waveform data after correction in the monitoring device of Embodiment 1 Flowchart illustrating correction table creation processing in the monitoring device of Embodiment 1
  • a laser welding monitoring device is a laser welding monitoring device that monitors a processing state by laser welding, and the device is a laser welding monitoring device that monitors a processing state by laser welding, and in which a workpiece is irradiated with a laser beam and a laser beam is measured.
  • An acquisition interface that acquires a signal
  • an arithmetic circuit that performs arithmetic processing to determine the processing state based on the signal acquired by the acquisition interface
  • an optical system that includes a galvanometer mirror and a scan lens on the workpiece.
  • the measurement light includes plasma light, thermal radiation light, and reflected light generated at the processing point by irradiation with the laser light.
  • the acquisition interface acquires an intensity signal indicating the intensity of each of the plasma light, the thermal radiation light, and the reflected light
  • the arithmetic circuit acquires an intensity signal of each of the plasma light, the thermal radiation light, and the reflected light. For each, the intensity signal is corrected based on the variation tendency information so as to suppress a variation in intensity depending on the position of the processing point, and the processing state is determined based on the corrected intensity signal.
  • the predetermined welding pattern includes a plurality of weldings with the same processing conditions except for the position of the processing point
  • the fluctuation trend information may include a plurality of fluctuation trend information for each of the plasma light, the thermal radiation light, and the reflected light by the measurement light from each of the plurality of welding trajectories formed by the plurality of weldings in the scannable area. is generated based on the intensity signal.
  • the corrected intensity signal includes each intensity signal in the plurality of intensity signals corresponding to the plurality of welding trajectories. It has an intra-trajectory average that matches the inter-trajectory average based on the average of the intra-trajectory averages calculated from the intensity of the signal within a predetermined period.
  • an approximation line that approximates the time change of the corrected intensity signal is set for each of the plurality of intensity signals. It has the same slope as the average value of the slopes of the approximate lines of the intensity signals.
  • an approximation line that approximates the time change of the corrected intensity signal is a laser output that oscillates the laser beam. has the same slope as the approximation line that approximates the time change in intensity.
  • the corrected The approximation line that approximates the time change of the intensity signal has the same slope as the slope determined according to the change in the fluence.
  • the fluctuation trend information corresponds to each welding trajectory for each of the plurality of welding trajectories.
  • the intensity signal includes a coefficient for correcting the intensity signal.
  • the arithmetic circuit is configured to detect the plurality of welding beams by receiving the measurement light from each of the welding trajectories.
  • the fluctuation trend information is generated based on the intensity signal and stored in advance in the storage device.
  • Embodiment 1 As an example using the laser welding monitoring device of the present disclosure, a processing system that performs welding processing using laser light and determines the processing state will be described.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a processing system 100 in this embodiment.
  • the processing system 100 includes a laser processing machine 30 that performs laser welding processing by irradiating laser light, a spectrometer 13 that detects and separates light from a processing point 6 that is irradiated with laser light, and a spectrometer 13 that separates the detected light. and a monitoring device 14 that monitors the state of processing by laser welding.
  • the object to be processed by the processing system 100 is, for example, a metal workpiece 5 .
  • the laser processing machine 30 includes, for example, a laser oscillator 1, two fixed mirrors 2-1 and 2-2, a galvano mirror 3, and a scan lens, as shown in FIG. 4, a condensing collimator 11, and a photodetector 16.
  • the laser oscillator 1 supplies light for generating, for example, a pulsed laser beam 10.
  • the laser oscillator 1 supplies light with a wavelength of 1070 nm, for example.
  • the wavelength of the laser beam 10 is not limited to this, and may be 532 nm, 450 nm, or the like.
  • Laser light 10 from laser oscillator 1 is reflected by fixed mirrors 2-1 and 2-2, for example, and enters galvano mirror 3. At this time, the photodetector 16 detects leakage light 15 of the laser light 10 that has passed through the mirror 2-1, and generates an electric signal indicating the intensity of the detected light.
  • the galvanometer mirror 3 includes, for example, two mirrors that are rotatable about mutually orthogonal axes, and a drive unit that rotates each mirror at a predetermined angle.
  • the galvanometer mirror 3 can two-dimensionally scan the laser beam 10 by displacing the processing point 6 on the workpiece 5 that is irradiated with the laser beam 10, for example by changing the angle of each mirror.
  • Laser light 10 reflected by galvanometer mirror 3 enters scan lens 4 .
  • the scan lens 4 includes, for example, a plurality of lenses, and is configured so that the laser beam 10 is perpendicular to the imaging plane regardless of the incident angle. According to the scan lens 4, even if the laser beam 10 scans a plane on the workpiece 5 in an area that can be scanned by the galvanometer mirror 3, the laser beam 10 can be focused to have a substantially constant spot diameter. can.
  • the above light generated at the processing point 6 passes through the scan lens 4 of the laser processing machine 30, as shown in FIG.
  • the light enters the collimator 11.
  • the condensing collimator 11 includes a condensing lens, and condenses the incident reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9.
  • the light focused by the focusing collimator 11 is transmitted to the spectroscope 13 through an optical fiber 12 that connects the laser processing machine 30 and the spectroscope 13 .
  • the spectrometer 13 separates the transmitted light into reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9 according to the wavelength.
  • the spectrometer 13 includes, for example, three photodetectors each having high sensitivity to different wavelengths, and each photodetector detects reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9, and determines the intensity of each detected light. Generates an electrical signal according to the For example, each photodetector detects reflected light 7 having the same wavelength as the laser beam 10, plasma light 8 having a visible wavelength (for example, 400 nm to 700 nm), and thermal radiation light 9 having an infrared wavelength (for example, 1300 nm).
  • the spectrometer 13 is not limited to the above example, and may include one photodetector capable of detecting the intensity of each wavelength.
  • the spectrometer 13 further includes, for example, an A/D converter, a CPU, a communication circuit, etc., converts the electrical signal from the photodetector into a digital signal (also simply referred to as a "signal"), and transmits the digital signal to the monitoring device 14.
  • the monitoring device 14 can measure the intensity of the reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9 corresponding to each signal, for example, based on the received signals.
  • the reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9 from the processing point 6 measured in this manner are also collectively referred to as "measurement light.”
  • the monitoring device 14 Upon receiving the signal from the spectrometer 13, the monitoring device 14 determines the machining state at the machining point 6 based on the signal and outputs the determination result.
  • the configuration of the monitoring device 14 and the operation for determining the processing state will be described later.
  • the electric signal generated by the photodetector 16 in response to the leakage light 15 of the laser beam 10 is converted into a digital signal by, for example, an A/D converter included in the photodetector 16, and is monitored as a laser output signal 17 through a signal line or the like. is input into the device 14.
  • the laser output signal 17 indicates a signal corresponding to the output of the laser beam 10 oscillated from the laser oscillator 1, and is used in the monitoring device 14 as a trigger signal to start recording measurement light, for example.
  • light spectroscopy may be performed using, for example, a dichroic mirror or a combination of filters, or may be performed using a diffraction grating or the like.
  • a plurality of bandpass filters may be used to allow selection of wavelengths to be passed.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating the configuration of the monitoring device 14 in the processing system 100.
  • the monitoring device 14 is composed of an information processing device such as a computer, for example.
  • the monitoring device 14 includes a CPU (Central Processing Unit) 51 that performs arithmetic processing, a communication circuit 52 that communicates with other devices, and a storage device 53 that stores data and computer programs.
  • CPU Central Processing Unit
  • the CPU 51 is an example of an arithmetic circuit in the monitoring device 14 of this embodiment.
  • the CPU 51 executes a control program 56 stored in the storage device 53, for example, to realize predetermined functions including determination of the machining state in the monitoring device 14 and preprocessing of signals to be described later.
  • the arithmetic circuit configured as the CPU 51 in this embodiment may be realized by various processors such as an MPU or a GPU, or may be configured by one or more processors. Further, the arithmetic circuit may be a hardware circuit such as a dedicated electronic circuit or a reconfigurable electronic circuit designed to realize the above functions, or may be a hardware circuit such as a GPGPU, TPU, DSP, microcomputer, FPGA, etc. Various semiconductor integrated circuits such as ASIC may be used.
  • the communication circuit 52 is a circuit that performs communication in accordance with standards such as IEEE802.11, 4G, or 5G, for example.
  • the communication circuit 52 is connectable to a communication network such as the Internet, for example.
  • the communication circuit 52 may perform wired communication according to a standard such as Ethernet (registered trademark), for example.
  • the monitoring device 14 may communicate directly with other devices via the communication circuit 52, or may communicate via an access point.
  • the monitoring device 14 of this embodiment receives the signal from the spectrometer 13 through the communication circuit 52 .
  • the communication circuit 52 may be capable of communicating with other devices without going through a communication network, and may include connection terminals such as a USB (registered trademark) terminal and/or an HDMI (registered trademark) terminal. .
  • the storage device 53 is a storage medium that stores computer programs and data necessary to realize the functions of the monitoring device 14, and stores various computer programs and data such as a control program 56 executed by the CPU 51 and signals received from the spectrometer 13. Store data.
  • the storage device 53 is comprised of, for example, a magnetic storage device such as a hard disk drive (HDD), an optical storage device such as an optical disk drive, or a semiconductor storage device such as a solid state drive (SSD).
  • the storage device 53 may include a temporary storage element constituted by a RAM such as a DRAM or an SRAM, and may function as an internal memory of the CPU 51.
  • FIG. type of welding the processing system 100 illustrated in FIG. type of welding is performed.
  • the operation in which the processing system 100 of this embodiment performs welding and forms a welding locus, which is a linear welding mark, on the workpiece 5 will be described using FIG. 3.
  • FIG. 3 shows a schematic diagram of the welding trajectory in this embodiment observed from the top surface of the workpiece 5 (that is, the surface of the workpiece 5 on the laser processing machine 30 side).
  • four welding trajectories 21 to 24 are formed in a region 20 that can be scanned with the laser beam 10 by the optical system of the laser processing machine 30.
  • the processing system 100 performs welding by repeatedly irradiating pulsed laser light 10, for example, to form each of the trajectories 21 to 24 for each pulse.
  • the optical system of the laser processing machine 30 scans the laser beam 10 in a predetermined welding pattern forming a plurality of welding trajectories 21 to 24 as shown in FIG. 3, for example.
  • the processing system 100 maintains the same welding conditions between the respective welding trajectories 21 to 24 in FIG. 3 except for the position of the processing point 6 corresponding to the irradiation position of the laser beam 10 on the workpiece 5, that is, the processing position.
  • Perform welding at The welding conditions can be set in the laser processing machine 30 as various parameters such as laser output, welding speed, and focal length.
  • welding trajectories 21 to 24 are illustrated, but the number of welding trajectories is not limited to four, and may be two or three, for example, or five or more.
  • the welding trajectory can be formed at any position within the region 20.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating the operation of the monitoring device 14 in this embodiment.
  • the processes shown in this flowchart are executed at predetermined time intervals, such as from the start of machining a workpiece 5 according to a predetermined welding pattern until the start of machining of the next workpiece 5, and each process is executed by the CPU 51 of the monitoring device 14. be done.
  • the CPU 51 uses the communication circuit 52 to acquire a signal of the measurement light detected by the spectrometer 13 (S1). For example, the CPU 51 uses reception of the laser output signal 17 inputted from the photodetector 16 of the laser processing machine 30 as a trigger to acquire signals corresponding to the reflected light 7, the plasma light 8, and the thermal radiation light 9, respectively.
  • each signal is captured as a numerical value string corresponding to waveform data indicating a time change in signal strength (hereinafter also referred to as "signal strength"), and is stored in the internal memory of the CPU 51, etc. be done.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining waveform data (hereinafter also referred to as "uncorrected waveform data") representing a signal before preprocessing, that is, before correction.
  • the vertical axis in FIG. 5 indicates the signal intensity (also referred to as “optical signal intensity”) corresponding to the intensity of the measurement light, and the horizontal axis indicates the welding time, which is the time to perform welding.
  • FIG. 5 shows uncorrected waveform data of the plasma light 8 obtained during welding with a welding pattern forming the welding trajectories 21 to 24 as shown in FIG. 3, for example.
  • the reception time of the trigger signal for each pulse corresponding to each welding trajectory 21 to 24 is set as welding time "0", and the signal waveforms during the welding period of each trajectory 21 to 24 are superimposed, "Welding trajectory”, “Second welding trajectory”, “Third welding trajectory”, and “Fourth welding trajectory” are each shown using different line types.
  • FIG. 5 shows uncorrected waveform data of the plasma light 8 obtained during welding with a welding pattern forming the welding trajectories 21 to 24 as shown in FIG. 3, for example.
  • first approximate straight line first approximate straight line
  • second approximate straight line second approximate straight line
  • third approximate straight line third approximate straight line
  • the signal intensity and the slope of the signal waveform vary for each welding trajectory 21 to 24, that is, for each processing position within the area 20 that can be scanned with the laser beam 10 on the workpiece 5. , that is, the slope of the approximate straight line is changing.
  • the processing position changes due to the scanning of the laser beam 10
  • the light generated from the processing point 6 and returned for example, is dispersed and deviates from the optical axis in the scan lens 4 included in the optical system of the laser processing machine 30 shown in FIG.
  • the light is emitted and enters the condensing collimator 11 at an angle. Therefore, the intensity of the measurement light transmitted to the monitoring device 14 via the optical fiber 12 varies depending on the processing position, and as shown in FIG. do.
  • machining state is determined using uncorrected waveform data of a signal that fluctuates at each machining position as described above, changes in signal strength due to abnormalities during welding, for example, are unlikely to appear in the signal, making it possible to accurately determine the machining state. There are concerns that it will be difficult to carry out the Therefore, in the monitoring device 14 of this embodiment, before determining the machining state, preprocessing such as correction is performed on the acquired signal to suppress fluctuations for each machining position (S2). Details of such signal preprocessing (S2) will be described later.
  • the CPU 51 performs calculation processing to determine the processing state of the processing point 6 by laser welding based on the measurement light signal after pre-processing (S2) (S3).
  • the CPU 51 determines whether the welding quality at the processing point 6 is good or bad as the processing state by, for example, calculating the intensity of each signal of the reflected light 7, the plasma light 8, and the thermal radiation light 9, and comparing them with respective predetermined threshold values.
  • the CPU 51 After determining the machining state (S3), the CPU 51 outputs the determination result, for example, by the communication circuit 52 (S4).
  • the determination result can be received and displayed by, for example, an external device capable of data communication with the monitoring device 14.
  • the monitoring device 14 may include a display device such as a display that is communicably connected to the CPU 51, and may display the determination result on the display device.
  • the CPU 51 may notify the laser processing machine 30 of the determination result, for example, via a signal line connecting the monitoring device 14 and the laser processing machine 30.
  • the CPU 51 When the CPU 51 outputs the determination result (S4), the CPU 51 stores, for example, the waveform data indicating the preprocessed signal (S2) and the processing state determination result (S3) in the storage device 53, and ends the processing of this flowchart. .
  • the monitoring device 14 acquires the measurement light signal from the spectrometer 13 (S1), preprocesses the signal (S2), and determines the processing state based on the preprocessed signal. (S3).
  • the machining state can be determined with high accuracy from the signal corrected by preprocessing.
  • the process (S3) for determining the processing state is not limited to the above example, and may be performed based on a part of the measurement light signal, for example.
  • the process (S3) for determining the processing state is not limited to the above example, and may be performed based on a part of the measurement light signal, for example.
  • by inputting the measurement light signal into a trained model that has been trained to estimate the quality of welding based on the signal strength through various types of machine learning and outputting the estimation results it is possible to may be determined.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating signal preprocessing (S2) in the monitoring device 14 of this embodiment.
  • the flowchart shown in FIG. 6 is started with the monitoring device 14 holding, for example, the acquired measurement light signal (S1) in the internal memory of the CPU 51.
  • the processing in this flowchart is executed for each of the reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9 in the measurement light, for example.
  • the CPU 51 performs a process of correcting the measurement light signal according to the processing position (S11).
  • the CPU 51 corrects the signal of the corresponding period for each of the welding trajectories 21 to 24 in the welding pattern as shown in FIG. 3, for example, based on the acquired signal. Details of the correction process (S11) for each processing position will be described later.
  • the CPU 51 performs gain correction to correct the signal strength so as to absorb fluctuations in the signal strength due to individual differences in the spectrometer 13, for example (S12). Further, the CPU 51 applies a low-pass filter to reduce noise included in the signal, for example (S13). Thereafter, the CPU 51 ends the process of this flowchart and returns to step S3 in FIG.
  • steps S11 to S13 is not limited to the example in FIG. 6, and may be executed in a different order from that in FIG.
  • step S11 in FIG. 7 will be explained using FIGS. 7 to 9.
  • FIG. 7 is a flowchart illustrating the correction process (S11) for each processing position in the monitoring device 14 of this embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining changes in waveform data before and after correction in this embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining corrected waveform data in the monitoring device 14 of this embodiment.
  • a signal is generated in advance from the processing position on the workpiece 5 and the measurement result of the measurement light at the processing position in a welding pattern equivalent to that used when determining the processing state.
  • a correction table storing correction coefficients for correction is created.
  • the created correction table is stored in the storage device 53, for example.
  • the CPU 51 reads correction coefficients corresponding to, for example, each of the welding trajectories 21 to 24 in FIG. 3 from a correction table created in advance (S21).
  • the CPU 51 corrects the obtained signals by multiplying the signals of the corresponding period in the signals obtained in step S1 of FIG. 4 by the read correction coefficients for each of the welding trajectories 21 to 24 (S22). For example, the CPU 51 converts the waveform data of the signal so as to correct the slope and signal strength of the signal waveform.
  • FIG. 8 shows the signal waveform before and after correction of the signal corresponding to one of the welding trajectories 21 to 24 using the same vertical and horizontal axes as in FIG. 5.
  • the signal waveform before correction is shown by a broken line
  • the signal waveform after correction is shown by a solid line.
  • approximate straight lines obtained by linearly approximating the signal waveforms before and after correction are shown by broken lines and solid lines, respectively.
  • the waveform of the laser output signal is shown by a dotted line.
  • the CPU 51 converts the signal waveforms of the welding trajectories 21 to 24 of the acquired signals into the approximate straight line after correction from the slope ⁇ n of the approximate straight line before correction using the correction coefficient corresponding to the same welding trajectory as before correction.
  • the waveform data is converted so that the slope becomes a predetermined slope ⁇ and is output (S22). Further, the CPU 51 determines that, for example, by using the correction coefficient, the in-trajectory average indicating the average signal intensity based on the waveform data of each welding trajectory 21 to 24 is the average signal intensity between all welding trajectories 21 to 24.
  • the waveform data is converted so that it becomes equal to the inter-trajectory average I average representing (S22). Details of the intra-trajectory average and the inter-trajectory average I average will be described later.
  • step S22 the CPU 51 calculates the slope and signal strength of the signal waveform by multiplying each sampling position of the waveform data corresponding to each of the welding trajectories 21 to 24 by a correction coefficient calculated in advance as described later. to correct.
  • the sampling position indicates a sampling time based on welding time "0" in the waveform data corresponding to each welding trajectory 21 to 24, for example.
  • a correction coefficient for example, as shown in FIG. 8, waveform data after correction is obtained in which the slope of the signal waveform has changed from before correction.
  • the correction coefficients corresponding to the respective welding trajectories 21 to 24 are read out from the correction table created in advance (S21), and the correction coefficients are used to adjust the measurement light from the respective welding trajectories 21 to 24 using the correction coefficients.
  • the slope of the signal waveform and the signal strength are each corrected (S22).
  • the slope of the approximate straight line of each signal waveform is corrected to be a predetermined slope ⁇ , and further, the intra-trajectory average of the signal strength of each signal waveform is corrected to match the inter-trajectory average I average . Ru.
  • FIG. 9 shows corrected signal waveforms corresponding to the respective welding trajectories 21 to 24.
  • the average value of the signal intensity for each of the welding trajectories 21 to 24 is corrected to be the same as the average signal intensity I average , and the welding trajectories at different processing positions are corrected.
  • the waveform data representing the measurement light signals from 21 to 24 have almost the same profile. According to such correction processing for each processing position (S11, S21 to S22), the same signal strength can be obtained according to the welding time even when the processing position changes, such as between welding trajectories 21 and 24. As a result, fluctuations in signal intensity due to changes in the processing position can be suppressed.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating the correction table creation process in the monitoring device 14 of this embodiment.
  • the process shown in the flowchart shown in FIG. 10 is executed by the CPU 51 in the monitoring device 14, for example, before the process shown in FIG. 4 is executed.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating correction coefficients for waveform data in this embodiment.
  • the CPU 51 first obtains uncorrected waveform data representing the measurement light signal for each of the welding trajectories 21 to 24 at the same processing position as, for example, when determining the processing state (S31).
  • the CPU 51 acquires signals for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, for each of the reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9 (S31), and performs the processing from step S32 onwards. For example, regarding the plasma light 8, in step S31.
  • Uncorrected waveform data similar to that in FIG. 5 is obtained.
  • the CPU 51 may obtain uncorrected waveform data from multiple weldings for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, calculate average waveform data by averaging the waveform data from multiple times. You can. In this case, in subsequent processing, the average waveform data is used as the acquired uncorrected waveform data.
  • the CPU 51 calculates an intra-trajectory average I n from the signal strength in a predetermined period for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, based on the signal value of the uncorrected waveform data (S32).
  • the in-trajectory average I n indicates the time average of the integral value of the signal intensity during a predetermined period, for example, for the signals corresponding to the respective welding trajectories 21 to 24.
  • the predetermined period is set to a period in which the signal intensity exceeds a zero value in the uncorrected waveform data for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, corresponding to one pulse of laser output.
  • step S32 the CPU 51 calculates the in-trajectory average I n of the signal strength for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, using the following calculation formula.
  • I n (integral value of signal intensity of uncorrected waveform data of n-th welding trajectory) ⁇ (welding time of entire waveform data of n-th welding trajectory - welding when laser output of n-th welding trajectory is 0) time)
  • the CPU 51 calculates the inter-trajectory average I average indicating the average of the intra-trajectory average I n for all the welding trajectories 21 to 24 (S33 ).
  • Inter-trajectory average of all welding trajectories I average ⁇ (Intra-trajectory average I n for each welding trajectory) ⁇ Number of welding trajectories N
  • the CPU 51 calculates an offset I offset,n between each intra-trajectory average I n for each welding trajectory 21 to 24 and the inter-trajectory average I average for all welding trajectories 21 to 24 (S34).
  • the CPU 51 calculates each offset I offset,n using the following formula.
  • Each offset I offset,n matches the average intensity in the corrected waveform data corresponding to the nth welding trajectory to the inter-trajectory average of all welding trajectories 21 to 24 in the correction process (S11) for each processing position. It is used as a correction coefficient to
  • the CPU 51 performs linear approximation for each of the welding trajectories 21 to 24 based on the uncorrected waveform data, and derives an approximate straight line of the signal waveform (S35). Specifically, the CPU 51 calculates the slope ⁇ n and the intercept a n of the approximate straight line for each of the welding trajectories 21 to 24.
  • the approximate straight line is expressed by the following linear approximation formula.
  • the signal strength during the first 15% and last 5% of the welding time of the entire waveform data has a smaller amount of change than other periods. big. Therefore, in this embodiment, for example, excluding the beginning and end where the amount of change is large, only the waveform data in the middle, which corresponds to 15% to 95% of the welding time of the entire waveform data, where the amount of change is relatively small, has a slope ⁇ n may be used to calculate
  • the CPU 51 After deriving the approximate straight line before correction (S35), the CPU 51 determines, for each of the welding trajectories 21 to 24, for example, if the approximate straight line of the waveform data after correction has a predetermined slope ⁇ , using the following linear approximation formula.
  • the intercept b n of is calculated to derive a corrected approximate straight line (S36).
  • the CPU 51 calculates the intercept b n of the corrected approximate straight line, for example, using the following formula.
  • the predetermined slope ⁇ of the approximate straight line after correction is, for example, the slope of the approximate curve before correction calculated for each of the welding trajectories 21 to 24 so that the signal intensity has a similar tendency of time change regardless of the processing position.
  • An average of ⁇ n for all welding trajectories 21 to 24 is used.
  • the CPU 51 calculates a correction coefficient ⁇ n (x) for converting uncorrected waveform data into corrected waveform data for each welding trajectory 21 to 24 based on the derived approximate straight lines before and after correction (S35, S36). is calculated as shown in the following equation (S37).
  • FIG. 11 illustrates the correction coefficient ⁇ n (x) calculated for the plasma light 8, using the welding trajectories 21 to 24 in FIG. 3 as the first to fourth welding trajectories, respectively.
  • the vertical axis in FIG. 11 indicates the correction coefficient ⁇ n (x), and the horizontal axis indicates the welding time corresponding to the sampling position.
  • FIG. 11 shows a graph in which the correction coefficients ⁇ n (x) calculated for each sampling position in discrete time are interpolated.
  • the correction coefficient ⁇ n (x) is 1, the signal intensity of the measurement light is not changed in the correction process for each processing position (S11), and if it is any other value, the signal intensity of the measurement light is multiplied by the correction coefficient. The value is corrected to the correct value.
  • the CPU 51 After calculating the correction coefficient ⁇ n (x) (S37), the CPU 51 creates a correction table, records the correction coefficient ⁇ n (x), and stores it in the storage device 53 (S38). After that, the CPU 51 ends the process of the flowchart in FIG.
  • the uncorrected waveforms for each of the welding trajectories 21 to 24 are created so that the welding trajectories 21 to 24 have the same inter-trajectory average I average and each approximate straight line has a predetermined slope ⁇ .
  • a correction coefficient ⁇ n (x) for correcting the data is calculated (S31 to S37).
  • a correction table recording the correction coefficients ⁇ n (x) is created (S38).
  • the correction table created in advance is used to correct the measurement light signal so as to suppress fluctuations in the intensity of the measurement light depending on the processing position, as shown in FIG. It is possible to obtain corrected waveform data.
  • the predetermined slope ⁇ of the approximate straight line after correction is not limited to the above-mentioned ⁇ average , but can be calculated in the same manner as the calculation of the slope ⁇ n before correction in step S35, for example, based on the waveform data indicating the laser output signal similar to that in FIG. Alternatively, the slope ⁇ laser during the period of 15% to 95% of the welding time may be calculated and used.
  • the waveform data of the laser output signal is, for example, a monitor value detected by the photodetector 16 of the laser output given as a parameter of the welding conditions when creating the correction table in the laser processing machine 30.
  • the period corresponding to 15% to 95% of the welding time of the entire waveform data described above corresponds to, for example, a period in which the laser output is in a steady state.
  • the monitoring device 14 of this embodiment is an example of a laser welding monitoring device that monitors the processing state by laser welding.
  • the monitoring device 14 includes a communication circuit 52 that is an example of an acquisition interface, a CPU 51 that is an example of an arithmetic circuit, and a storage device 53.
  • the communication circuit 52 acquires a signal corresponding to measurement light measured by irradiating the workpiece 5 (an example of a workpiece) with the laser light 10 (S1).
  • the CPU 51 performs arithmetic processing to determine the machining state based on the signal acquired by the communication circuit 52 (S2, S3).
  • the storage device 53 stores the information that the intensity of the measurement light tends to vary depending on the position of the processing point 6 in the region 20 where the laser beam 10 can be scanned on the workpiece 5 by an optical system including the galvanometer mirror 3 and the scan lens 4, that is, the processing position.
  • a correction table is stored in advance as an example of corresponding fluctuation trend information.
  • the measurement light includes plasma light 8, thermal radiation light 9, and reflected light 7 of laser light 10.
  • the measurement light is received through the optical system and separated into plasma light, thermal radiation light, and reflected light, and the communication circuit 52
  • a signal indicated by uncorrected waveform data is acquired as an example of an intensity signal indicating the intensity of each of the plasma light 8, thermal radiation light 9, and reflected light 7 (S1).
  • the CPU 51 corrects the acquired signals for each of the plasma light 8, thermal radiation light 9, and reflected light 7 based on the correction table so as to suppress fluctuations in intensity depending on the processing position (S2, S11), The processing state is determined based on the corrected signal (S3).
  • the monitoring device 14 even if the signal intensity of the measurement light varies depending on the processing position due to the scanning of the laser beam 10 by the optical system including the galvanometer mirror 3 and the scan lens 4, the intensity variation depending on the processing position is prevented. It is corrected (S2, S11). As a result, a signal strength that suppresses the influence of changing machining positions can be obtained, and for example, the machining state can be accurately determined from the signal intensities of the three types of measurement lights that are monitored (S3).
  • the predetermined welding pattern includes multiple weldings with the same processing conditions except for the processing position
  • the correction table is formed by the multiple weldings in the area 20 that can be scanned with the laser beam 10.
  • the plasma light 8, the thermal radiation light 9, and the reflected light 7 are each generated based on a plurality of signals using the measurement light from each of the plurality of welding trajectories 21 to 24 (S31 to S38). This makes it possible to create a correction table that reflects, for example, variations in measurement light depending on processing positions between welding trajectories 21 to 24.
  • the corrected signal is the inter-trajectory average I calculated from the signal intensity within a predetermined period of each signal in a plurality of signals corresponding to the plurality of welding trajectories 21 to 24. It has an intra-trajectory average that matches the average (see S11 and S22). Thereby, the signal can be corrected so that, for example, changes in processing conditions other than the laser welding processing position in each of the welding trajectories 21 to 24 are more likely to appear in the signal intensity.
  • the approximate straight line (an example of an approximate line) that approximates the time change of the corrected signal is the slope of the approximate straight line of the intensity of each signal in a plurality of signals corresponding to a plurality of welding trajectories 21 to 24. has the same slope as the average value ⁇ average (see S22 and S36).
  • the approximate straight line has the same slope as the slope ⁇ laser of the approximate straight line that approximates the time change in the intensity of the laser output that oscillates the laser beam 10.
  • the correction table includes correction coefficients for each of the plurality of welding trajectories 21 to 24 as an example of coefficients for correcting the signals corresponding to each of the welding trajectories 21 to 24 (S37, S38).
  • the correction processing for each processing position (S11) it is possible to efficiently correct the signal by, for example, multiplying the obtained signal by a correction coefficient recorded in advance in the correction table (S21 ⁇ S22).
  • the CPU 51 generates a correction table based on a plurality of signals resulting from reception of measurement light from each welding trajectory 21 to 24, and stores it in advance in the storage device 53 (S31 to S38).
  • the monitoring device 14 may not generate the correction table, but may obtain a correction table generated by, for example, an external arithmetic device in advance and store it in the storage device 53.
  • the correction coefficient ( S36 , S37) to perform correction for each processing position (S22) has been described.
  • a slope that changes over time may be used as the predetermined slope ⁇ .
  • the CPU 51 corrects the acquired signal so that the approximate straight line for the signal intensity of the signal acquired in step S1 of FIG. 4 has a slope corresponding to the change in the fluence. It's okay.
  • the approximate straight line ( An example of an approximation line) has the same slope as the slope determined according to the change in the fluence.
  • the slope of the approximated curve after correction is set to be ⁇ laser , the slope of the laser output waveform during the period when the laser output is in a steady state.
  • a correction coefficient may be calculated.
  • the monitoring device 14 that acquires each signal of the reflected light 7, the plasma light 8, and the thermal radiation light 9 has been described.
  • corresponding signals may be acquired for one or a combination of two of reflected light 7, plasma light 8, and thermal radiation light 9.
  • the monitoring device 14 acquires a signal from the external spectrometer 13.
  • the spectrometer 13 and the monitoring device 14 are separate bodies.
  • the laser welding monitoring device of the present disclosure may be a device in which both are integrated.
  • the acquisition interface in the laser welding monitoring device may be an internal input terminal or connection terminal that receives a signal from a circuit that detects light and generates a signal.
  • the laser welding monitoring device of the present disclosure can be applied to a technique that monitors the processing state of laser welding in which a laser beam is scanned over a workpiece based on measurement light from a processing point.

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Abstract

レーザ溶接モニタリング装置は、被加工物がレーザ光で照射されることで測定される測定光に応じた信号を取得する取得インタフェースと、取得された信号に基づいて加工状態を判定する演算回路と、ガルバノミラー及びスキャンレンズを含む光学系によりレーザ光を走査可能な領域における加工点の位置によって測定光の強度が変動する傾向に応じた変動傾向情報を予め記憶する記憶装置とを備える。所定の溶接パターンにおいて光学系によりレーザ光が走査されて受光された測定光の強度を示す強度信号が取得インタフェースで取得されると、演算回路は、各々について変動傾向情報に基づいて加工点の位置による強度の変動を抑制するように取得した強度信号を補正し、補正された強度信号に基づいて、加工状態を判定する。

Description

レーザ溶接モニタリング装置
　本開示は、レーザ溶接による加工状態をモニタリングするレーザ溶接モニタリング装置に関する。
　従来のレーザ溶接モニタリング装置として、例えば特許文献１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を開示している。
　特許文献１のレーザ溶接モニタリング装置において、加工ヘッドが放射するレーザビームが被溶接材料（板金の突き合わせ面）に当たっているときに、受光ユニットは、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。分光ユニットは、放射光に含まれる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。
特開２０２１－１３７８６７号公報 特許第５６７１８７３号公報
　レーザ溶接を行う際にレーザ光を高速に２次元的に動かすためには、ガルバノミラーを含むガルバノメータスキャナ（ガルバノスキャナともいう。）、及びスキャンレンズ（ｆθレンズともいう。）等から構成される光学系を用いることが一般的である。この様なレーザ溶接機により被加工物にレーザ光が照射されて溶接が行われている加工点のモニタリングとして、例えば特許文献１のように、加工点で発生する光を受光して加工状態を判定する技術がある。
　しかしながら、特許文献１に記載の従来の構成では、ガルバノスキャナ及びｆθレンズといったレーザ照射を行う加工用の光学系の外部に受光ユニットがある。こうした構成では、加工点よりも広大な領域からの光を受光してしまい、受光した光に加工点の状態が正確に反映されにくく、受光した光の信号を用いた加工状態の判定精度が低下し得るといった課題がある。
　一方、特許文献２に記載の従来のレーザ溶接モニタリング装置では、フォトダイオードといったセンサ部分が、加工用の光学系を通った光を受光できるように設計されている。こうした構成に、例えば、レーザ光を走査するためのスキャンレンズ及びガルバノミラーを含む光学系を用いると、ガルバノミラーによる走査によって、スキャンレンズに入射するレーザ光の角度及び位置等が変化する。このため、当該レーザ光の照射により発生する加工点からの光がスキャンレンズにおいて分散が生じてしまい、加工点の位置によって受光できる光の信号強度が変化してしまうといった課題がある。
　本発明は、前記従来の課題を解決するため、スキャンレンズ及びガルバノミラーを含む光学系により加工点の位置を変化させても、レーザ溶接による加工状態を精度良くモニタリングすることが可能となるレーザ溶接モニタリング装置を提供することを目的とする。
　本開示の一態様のレーザ溶接モニタリング装置は、レーザ溶接による加工状態をモニタリングするレーザ溶接モニタリング装置である。レーザ溶接モニタリング装置は、取得インタフェースと、演算回路と、記憶装置とを備える。取得インタフェースは、被加工物がレーザ光で照射されることで測定される測定光に応じた信号を取得する。演算回路は、取得インタフェースにより取得された信号に基づいて、加工状態を判定する演算処理を行う。記憶装置は、ガルバノミラー及びスキャンレンズを含む光学系により被加工物上でレーザ光を走査可能な領域における加工点の位置によって測定光の強度が変動する傾向に応じた変動傾向情報を予め記憶する。測定光は、レーザ光の照射により前記加工点において発生するプラズマ光、熱放射光、及びレーザ光の反射光を含む。測定光は、所定の溶接パターンにおいて光学系によりレーザ光が走査されることで、光学系を介して受光され、プラズマ光、熱放射光、及び反射光に分光される。取得インタフェースは、測定光が分光された後、プラズマ光、熱放射光、及び反射光の各々の強度を示す強度信号を取得する。演算回路は、プラズマ光、熱放射光、及び反射光の各々について、変動傾向情報に基づいて、加工点の位置による強度の変動を抑制するように、強度信号を補正し、補正された強度信号に基づいて、加工状態を判定する。
　本開示のレーザ溶接モニタリング装置によれば、加工点の位置による測定光の強度の変動を抑制するように、測定光の強度に応じた信号が補正される。これにより、加工点の位置による測定光の強度への影響を抑制でき、例えば補正された測定光の信号に基づいて、加工点の溶接状態といった加工状態を精度良くモニタリングすることができる。
本開示の実施の形態１における加工システムの模式図 実施の形態１の加工システムにおけるモニタリング装置の構成を例示する図 実施の形態１における溶接の軌跡をワーク上面から観察した模式図 実施の形態１におけるモニタリング装置の動作を例示するフローチャート 実施の形態１のモニタリング装置における補正前の信号を示す波形データを説明するための図 実施の形態１のモニタリング装置における信号の前処理を例示するフローチャート 実施の形態１のモニタリング装置における加工位置毎の補正処理を例示するフローチャート 実施の形態１における補正前後の波形データの変化を説明するための図 実施の形態１のモニタリング装置における補正後の波形データを説明するための図 実施の形態１のモニタリング装置における補正テーブルの作成処理を例示するフローチャート 実施の形態１における波形データの補正係数を例示する図
　（本開示の態様）
　本開示の第１態様に係るレーザ溶接モニタリング装置は、レーザ溶接による加工状態をモニタリングするレーザ溶接モニタリング装置であって、被加工物がレーザ光で照射されることで測定される測定光に応じた信号を取得する取得インタフェースと、前記取得インタフェースにより取得された信号に基づいて、前記加工状態を判定する演算処理を行う演算回路と、ガルバノミラー及びスキャンレンズを含む光学系により前記被加工物上で前記レーザ光を走査可能な領域における加工点の位置によって、前記測定光の強度が変動する傾向に応じた変動傾向情報を予め記憶する記憶装置とを備える。前記測定光は、前記レーザ光の照射により前記加工点において発生するプラズマ光、熱放射光、及び反射光を含む。所定の溶接パターンにおいて前記光学系により前記レーザ光が走査されることで、前記光学系を介して前記測定光が受光され、前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光に分光されると、前記取得インタフェースは、前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々の強度を示す強度信号を取得し、前記演算回路は、前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々について、前記変動傾向情報に基づいて、前記加工点の位置による強度の変動を抑制するように、前記強度信号を補正し、補正された前記強度信号に基づいて、前記加工状態を判定する。
　本開示の第２態様によれば、第１態様に記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記所定の溶接パターンは、前記加工点の位置を除いて加工条件を揃えた複数回の溶接を含み、前記変動傾向情報は、前記走査可能な領域において前記複数回の溶接により形成される複数の溶接の軌跡の各々からの前記測定光により前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々について複数の前記強度信号に基づいて生成される。
　本開示の第３態様によれば、第２態様に記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記補正された前記強度信号は、前記複数の溶接の軌跡に対応する前記複数の前記強度信号において、各強度信号の所定期間内の強度から算出した軌跡内平均の平均による軌跡間平均と一致する軌跡内平均を有する。
　本開示の第４態様によれば、第２または第３態様に記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記複数の前記強度信号における各強度信号の近似線の傾きを平均した平均値と同じ傾きを有する。
　本開示の第５態様によれば、第２または第３態様に記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記レーザ光を発振するレーザ出力の強度の時間変化を近似する近似線の傾きと同じ傾きを有する。
　本開示の第６態様によれば、第１から第３態様のいずれかにに記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記レーザ光のフルエンスを含むパラメータが溶接中に変化する場合、前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記フルエンスの変化に応じて決定される傾きと同じ傾きを有する。
　本開示の第７態様によれば、第２から第６態様のいずれかにに記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記変動傾向情報は、前記複数の溶接の軌跡毎に、各溶接の軌跡に対応する前記強度信号を補正する係数を含む。
　本開示の第８態様によれば、第２から第７態様のいずれかにに記載のレーザ溶接モニタリング装置において、前記演算回路は、前記各溶接の軌跡からの前記測定光の受光による複数の前記強度信号に基づいて、前記変動傾向情報を生成し、前記記憶装置に予め記憶する。
　（実施の形態１）
　実施の形態１では、本開示のレーザ溶接モニタリング装置を用いる一例として、レーザ光による溶接加工を行い、その加工状態を判定する加工システムについて説明する。
　１．構成
　実施の形態１に係る加工システムの構成について、図１及び図２を用いて以下説明する。
　１－１．加工システムの構成
　図１は、本実施形態における加工システム１００の模式図である。加工システム１００は、レーザ光の照射によりレーザ溶接の加工を行うレーザ加工機３０と、レーザ光が照射される加工点６からの光を検出して分光する分光器１３と、検出された光を用いてレーザ溶接による加工状態をモニタリングするモニタリング装置１４とを備える。加工システム１００の加工対象即ち被加工物は、例えば金属のワーク５である。
　本実施形態の加工システム１００では、レーザ加工機３０は、例えば図１に示すように、レーザ発振器１と、２つの固定されたミラー２－１，２－２と、ガルバノミラー３と、スキャンレンズ４と、集光コリメータ１１と、フォトディテクタ１６とを備える。
　レーザ発振器１は、例えばパルス状にレーザ光１０を発生させるための光を供給する。レーザ発振器１は、例えば波長１０７０ｎｍの光を供給する。レーザ光１０の波長は、これに限らず、５３２ｎｍまたは４５０ｎｍなどであってもよい。レーザ発振器１からのレーザ光１０は、例えば固定のミラー２－１，２－２で反射してガルバノミラー３に入射する。この際、フォトディテクタ１６は、ミラー２－１を透過したレーザ光１０の漏れ光１５を検出し、検出した光の強度を示す電気信号を生成する。
　ガルバノミラー３は、例えば互いに直交する軸について回転可能な２枚のミラー、及び各ミラーを所定の角度となるように回転させる駆動部を含む。ガルバノミラー３は、例えば各ミラーの角度を変更することで、ワーク５上でレーザ光１０が照射される加工点６を変位させて、レーザ光１０を２次元的に走査することができる。ガルバノミラー３によって反射されたレーザ光１０は、スキャンレンズ４に入射する。
　スキャンレンズ４は、例えば複数のレンズを含み、レーザ光１０が入射角度によらず結像面と直角になるように構成される。スキャンレンズ４によれば、例えばガルバノミラー３により走査可能な領域において、ワーク５上の平面でレーザ光１０を走査しても、ほぼ一定のスポット径を有するようにレーザ光１０を集束させることができる。
　レーザ加工機３０から放射されたレーザ光１０がワーク５上の加工点６に当たると、ワーク５のレーザ溶接が行われる。この際、加工点６において主に可視光成分である金属固有の発光としてプラズマ光、及び温度上昇による近赤外線領域の熱放射光が発生する。また、レーザ光１０のうちの加工に寄与しない一部が加工点６から戻り光として反射する。このように、レーザ光１０の照射により加工点６において反射光、プラズマ光、及び熱放射光が発生する。
　加工点６で発生した上記の光は、例えば図１に示すように、レーザ加工機３０のスキャンレンズ４を通り、ガルバノミラー３で反射して、ミラー２－２を透過した一部が集光コリメータ１１に入射する。集光コリメータ１１は、集光レンズを含み、入射した反射光７、プラズマ光８及び熱放射光９を集光する。集光コリメータ１１で集光された光は、レーザ加工機３０と分光器１３とを接続する光ファイバ１２により、分光器１３に伝送される。
　分光器１３は、伝送された光を波長に応じて反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９に分光する。分光器１３は、例えば各々が異なる波長に高い感度を有する３つのフォトディテクタを含み、各フォトディテクタにより、反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９を検出して、検出した各々の光の強度に応じた電気信号を生成する。例えば各フォトディテクタは、レーザ光１０の波長と同波長の反射光７、可視域波長（例えば４００ｎｍ～７００ｎｍ）のプラズマ光８、及び赤外線波長（例えば１３００ｎｍ）の熱放射光９を検出する。上記の例に限らず、分光器１３は、波長ごとの強度を検出可能な１つのフォトディテクタを備えてもよい。
　分光器１３は、例えばＡ／Ｄ変換器、ＣＰＵ及び通信回路等をさらに含み、フォトディテクタからの電気信号をデジタル信号（単に「信号」ともいう。）に変換して、モニタリング装置１４に送信する。モニタリング装置１４は、例えば受信した信号により、各信号に対応する反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９の強度を測定することができる。本開示では、このように測定される加工点６からの反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９を総称して、「測定光」ともいう。
　モニタリング装置１４は、分光器１３から信号を受信すると、当該信号に基づいて加工点６における加工状態を判定して、判定結果を出力する。モニタリング装置１４の構成、及び加工状態を判定する動作については、後述する。
　また、フォトディテクタ１６によりレーザ光１０の漏れ光１５に応じて生成された電気信号は、例えばフォトディテクタ１６が含むＡ／Ｄ変換器によりデジタル信号に変換され、レーザ出力信号１７として、信号線等を通してモニタリング装置１４に入力される。レーザ出力信号１７は、レーザ発振器１から発振されるレーザ光１０の出力に応じた信号を示し、モニタリング装置１４では、例えば測定光の記録を開始するトリガ信号として利用される。
　なお、上記の分光器１３の構成は一例であり、光の分光は、例えばダイクロイックミラー、またはフィルタの組み合わせで行われても良く、回折格子などによる分光でも良い。例えば、複数の帯域通過フィルタを用いて、通過させる波長を選択可能としてもよい。
　１－２．モニタリング装置の構成
　図２は、加工システム１００におけるモニタリング装置１４の構成を例示するブロック図である。モニタリング装置１４は、例えばコンピュータ等の情報処理装置で構成される。モニタリング装置１４は、演算処理を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、他の機器と通信を行うための通信回路５２と、データ及びコンピュータプログラムを記憶する記憶装置５３とを備える。
　ＣＰＵ５１は、本実施形態のモニタリング装置１４における演算回路の一例である。ＣＰＵ５１は、例えば記憶装置５３に格納された制御プログラム５６を実行して、モニタリング装置１４における加工状態の判定及び後述する信号の前処理を含む所定の機能を実現する。
　なお、本実施形態でＣＰＵ５１として構成される演算回路は、ＭＰＵまたはＧＰＵ等の種々のプロセッサで実現されてもよく、１つまたは複数のプロセッサで構成されてもよい。また、演算回路は、上記の機能を実現するように設計された専用の電子回路又は再構成可能な電子回路などのハードウェア回路であってもよいし、ＧＰＧＰＵ、ＴＰＵ、ＤＳＰ、マイコン、ＦＰＧＡ及びＡＳＩＣ等の種々の半導体集積回路であってもよい。
　通信回路５２は、例えばＩＥＥＥ８０２．１１、４Ｇまたは５Ｇ等の規格に準拠して通信を行う回路である。通信回路５２は、例えばインターネット等の通信ネットワークに接続可能である。通信回路５２は、例えばイーサネット（登録商標）等の規格に従って有線通信を行ってもよい。また、モニタリング装置１４は、通信回路５２を介して他の機器と直接通信を行ってもよく、アクセスポイント経由で通信を行ってもよい。本実施形態のモニタリング装置１４は、通信回路５２により、分光器１３からの信号を受信する。なお、通信回路５２は、通信ネットワークを介さずに他の機器と通信可能であってもよく、例えばＵＳＢ（登録商標）端子、及び／またはＨＤＭＩ（登録商標）端子等の接続端子を含んでもよい。
　記憶装置５３は、モニタリング装置１４の機能を実現するために必要なコンピュータプログラム及びデータを記憶する記憶媒体であり、例えばＣＰＵ５１で実行される制御プログラム５６、及び分光器１３から受信した信号といった各種のデータを格納する。
　記憶装置５３は、例えばハードディスクドライブ（ＨＤＤ）のような磁気記憶装置、光ディスクドライブのような光学的記憶装置、またはソリッドステートドライブ（ＳＳＤ）のような半導体記憶装置で構成される。記憶装置５３は、例えばＤＲＡＭまたはＳＲＡＭ等のＲＡＭにより構成される一時的な記憶素子を備えてもよく、ＣＰＵ５１の内部メモリとして機能してもよい。
　２．動作
　以上のように構成される本実施形態における加工システム１００の動作について、以下説明する。
　２－１．溶接の動作について
　図１に例示する加工システム１００は、ガルバノミラー３及びスキャンレンズ４を含むレーザ加工機３０の光学系により、ワーク５上でレーザ光１０の集光点を走査させて、例えば線状の溶接が行われる。本実施形態の加工システム１００が溶接を行って、ワーク５上に線上の溶接痕である溶接の軌跡を形成する動作について、図３を用いて説明する。
　図３は、本実施形態における溶接の軌跡をワーク５の上面（即ち、レーザ加工機３０側のワーク５の表面）から観察した模式図を示す。図３では、レーザ加工機３０の光学系によりレーザ光１０を走査可能な領域２０において、４つの溶接の軌跡２１～２４が形成されている。加工システム１００は、例えばパルス状のレーザ光１０を繰り返し照射することで、１パルス毎に各軌跡２１～２４を形成する溶接を行う。本実施形態の加工システム１００では、レーザ加工機３０の光学系により、例えば図３に示すような複数の溶接の軌跡２１～２４を形成する所定の溶接パターンにおいて、レーザ光１０を走査する。
　加工システム１００は、図３の各溶接の軌跡２１～２４間において、ワーク５上でレーザ光１０を照射する照射位置に対応した加工点６の位置、即ち加工位置を除いて、同一の溶接条件において溶接を行う。溶接条件は、例えば、レーザ出力、溶接速度、及び焦点距離などの各種パラメータとして、レーザ加工機３０に設定可能である。
　図３では、４つの溶接の軌跡２１～２４を例示しているが、溶接の軌跡は４つに限らず、例えば２つまたは３つでもよいし、５つ以上であってもよい。溶接の軌跡は、領域２０内の任意の位置に形成され得る。
　２－２．モニタリング装置の動作
　以上のように所定の溶接パターンにより溶接を行う加工システム１００において、加工状態をモニタリングするモニタリング装置１４の動作について、以下説明する。
　図４は、本実施形態におけるモニタリング装置１４の動作を例示するフローチャートである。本フローチャートに示す処理は、例えばワーク５において所定の溶接パターンによる加工を開始してから、次のワーク５の加工開始までといった所定の時間間隔において実行され、モニタリング装置１４のＣＰＵ５１により各処理が実行される。
　まず、ＣＰＵ５１は、通信回路５２により、分光器１３で検知された測定光の信号を取得する（Ｓ１）。例えば、ＣＰＵ５１は、レーザ加工機３０のフォトディテクタ１６から入力されるレーザ出力信号１７の受信をトリガとして、反射光７、プラズマ光８及び熱放射光９にそれぞれ対応する信号を取得する。本実施形態のモニタリング装置１４において、各信号は、例えば信号の強度（以下「信号強度」ともいう。）の時間変化を示す波形データに対応する数値列として取り込まれ、ＣＰＵ５１の内部メモリ等に保持される。
　次に、ＣＰＵ５１は、取得した各信号に前処理を行う（Ｓ２）。ＣＰＵ５１は、測定光の各信号に、例えば後述する加工位置毎の補正といった前処理を適用する。図５は、前処理を行う前、即ち補正前の信号を示す波形データ（以下「補正なし波形データ」ともいう。）を説明するための図である。図５の縦軸は、測定光の強度に応じた信号強度（「光信号強度」ともいう。）を示し、横軸は、溶接を行う時間である溶接時間を示す。
　図５は、例えば図３のような溶接の軌跡２１～２４を形成する溶接パターンでの溶接時に取得される、プラズマ光８の補正なし波形データを示す。図５では、各溶接の軌跡２１～２４に対応するパルス毎のトリガ信号の受信時を溶接時間「０」として、各軌跡２１～２４の溶接を行う期間の信号波形を重畳させ、「第１の溶接の軌跡」、「第２の溶接の軌跡」、「第３の溶接の軌跡」及び「第４の溶接の軌跡」としてそれぞれ異なる線種により示している。また、図５では、各溶接の軌跡２１～２４に対応する信号波形を線形近似した近似直線を、それぞれ「第１の近似直線」、「第２の近似直線」、「第３の近似直線」及び「第４の近似直線」として、各信号波形と同様の線種により示している。
　図５に示すように、補正なし波形データでは、溶接の軌跡２１～２４毎に、即ちワーク５上でレーザ光１０を走査可能な領域２０内の加工位置毎に、信号強度及び信号波形の傾き、即ち近似直線の傾きが変動している。レーザ光１０の走査により加工位置が変動すると、図１に示すレーザ加工機３０の光学系に含まれるスキャンレンズ４において、例えば加工点６から発生して戻る光が分散して、光軸からずれて出射され、角度を有して集光コリメータ１１に入る。このため、光ファイバ１２を介してモニタリング装置１４に伝送される測定光の強度が、加工位置により変動することで、例えば図５に示すように、加工位置毎に異なる傾向において信号強度が時間変化する。
　仮に、上記のように加工位置毎に変動する信号の補正なし波形データを用いて加工状態を判定する場合、例えば溶接中の異常による信号強度の変化が信号に現れにくく、精度良く加工状態の判定を行い難いことが懸念される。そこで、本実施形態のモニタリング装置１４では、加工状態を判定する前に、取得した信号において、加工位置毎の変動を抑制するような補正等の前処理を行う（Ｓ２）。こうした信号の前処理（Ｓ２）について詳細は後述する。
　図４に戻り、ＣＰＵ５１は、前処理後（Ｓ２）の測定光の信号に基づいて、レーザ溶接による加工点６の加工状態を判定する演算処理を行う（Ｓ３）。ＣＰＵ５１は、例えば反射光７、プラズマ光８及び熱放射光９の各信号の強度と、それぞれ所定の閾値とを比較する演算により、加工状態として加工点６における溶接品質の良否を判定する。
　ＣＰＵ５１は、加工状態を判定後（Ｓ３）、例えば通信回路５２により、判定結果を出力する（Ｓ４）。判定結果は、例えばモニタリング装置１４とデータ通信可能な外部装置等により受信され、表示され得る。あるいは、モニタリング装置１４は、ＣＰＵ５１と通信可能に接続されたディスプレイ等の表示装置を備え、当該表示装置に判定結果を表示させてもよい。また、ＣＰＵ５１は、例えばモニタリング装置１４とレーザ加工機３０とを接続する信号線を介して、レーザ加工機３０に判定結果を通知してもよい。
　ＣＰＵ５１は、判定結果を出力すると（Ｓ４）、例えば前処理後の信号を示す波形データ（Ｓ２）及び加工状態の判定結果（Ｓ３）を記憶装置５３に保存して、本フローチャートの処理を終了する。
　以上の処理によると、モニタリング装置１４は、分光器１３から測定光の信号を取得して（Ｓ１）、信号の前処理を行い（Ｓ２）、前処理後の信号に基づいて加工状態を判定する（Ｓ３）。これにより、例えば前処理により補正された信号から、精度良く加工状態を判定することができる。
　なお、加工状態を判定する処理（Ｓ３）は、上記の例に限らず、例えば、一部の測定光の信号に基づいて行われてもよい。また、例えば各種の機械学習により、信号強度に基づいて溶接品質の良否を推定するように学習された学習済みモデルに、測定光の信号を入力して、推定結果を出力させることで、加工状態が判定されてもよい。
　２－２－１．信号の前処理について
　図４のステップＳ２の詳細について、図６を用いて説明する。図６は、本実施形態のモニタリング装置１４における信号の前処理（Ｓ２）を例示するフローチャートである。
　図６に示すフローチャートは、モニタリング装置１４において、例えば取得した測定光の信号（Ｓ１）をＣＰＵ５１の内部メモリ等に保持した状態で開始される。本フローチャートの処理は、例えば測定光における反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９の各々について実行される。
　まず、ＣＰＵ５１は、加工位置に応じて測定光の信号を補正する処理を行う（Ｓ１１）。こうした加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）では、ＣＰＵ５１は、取得した信号に基づいて、例えば図３に示すような溶接パターンにおける溶接の軌跡２１～２４毎に、対応する期間の信号を補正する。加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）について、詳細は後述する。
　次に、ＣＰＵ５１は、例えば分光器１３の個体差による信号強度の変動を吸収するように、信号強度を補正するゲイン補正を行う（Ｓ１２）。また、ＣＰＵ５１は、例えば信号に含まれるノイズを低減するようにローパスフィルタを適用する（Ｓ１３）。その後、ＣＰＵ５１は、本フローチャートの処理を終了して、図５のステップＳ３に戻る。
　以上の処理によると、測定光の信号に、加工位置毎の補正（Ｓ１１）を含む各種の前処理が適用される（Ｓ１１～Ｓ１３）。これにより、前処理後の信号を用いて、加工状態を精度良く判定することができる（Ｓ３）。なお、ステップＳ１１～Ｓ１３の実行順序は、図６の例に限らず、図６とは異なる順序で実行されてもよい。
　２－２－２．加工位置毎の補正
　図７のステップＳ１１の詳細について、図７～図９を用いて説明する。
　図７は、本実施形態のモニタリング装置１４における加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）を例示するフローチャートである。図８は、本実施形態における補正前後の波形データの変化を説明するための図である。図９は、本実施形態のモニタリング装置１４における補正後の波形データを説明するための図である。
　本実施形態のモニタリング装置１４では、例えば後述するように、予め加工状態の判定時と同等の溶接パターンにおいて、ワーク５上での加工位置及び当該加工位置での測定光の測定結果から、信号を補正するための補正係数を格納した補正テーブルが作成される。作成済みの補正テーブルは、例えば記憶装置５３に格納される。
　図７のフローチャートにおいて、まず、ＣＰＵ５１は、予め作成された補正テーブルから、例えば図３の各溶接の軌跡２１～２４に対応する補正係数を読み出す（Ｓ２１）。
　ＣＰＵ５１は、例えば溶接の軌跡２１～２４毎に、読み出した補正係数を図４のステップＳ１で取得した信号における該当期間の信号にそれぞれ乗じる演算により、取得した信号の補正を行う（Ｓ２２）。例えばＣＰＵ５１は、信号波形の傾き、及び信号強度を補正するように信号の波形データを変換する。
　図８は、図５と同様の縦軸及び横軸により、溶接の軌跡２１～２４のうちの１つの軌跡に対応する信号の補正前後の信号波形を示す。図８では、補正前の信号波形を破線で、補正後の信号波形を実線で示している。また、図８では、補正前後の信号波形を線形近似した近似直線を、それぞれ破線と実線とで示している。さらに、図８では、レーザ出力信号の波形を点線で示している。
　ＣＰＵ５１は、取得した信号による各溶接の軌跡２１～２４の信号波形について、補正前と同一の溶接の軌跡に対応する補正係数により、補正前の近似直線の傾きαnから、補正後の近似直線の傾きが所定の傾きβとなるように波形データを変換して出力する（Ｓ２２）。また、ＣＰＵ５１は、例えば当該補正係数により、各溶接の軌跡２１～２４の波形データによる平均的な信号強度を示す軌跡内平均が、全ての溶接の軌跡２１～２４間での平均的な信号強度を示す軌跡間平均Iaverageと等しくなるように、波形データを変換する（Ｓ２２）。軌跡内平均及び軌跡間平均Iaverageについての詳細は後述する。
　ステップＳ２２において、ＣＰＵ５１は、例えば各溶接の軌跡２１～２４に対応する波形データのサンプリング位置毎に、後述のように予め算出された補正係数を乗算することで、信号波形の傾き及び信号強度を補正する。サンプリング位置は、例えば各溶接の軌跡２１～２４に対応する波形データにおいて、溶接時間「０」を基準とするサンプリング時刻を示す。このような補正係数の乗算により、例えば図８に示すように、例えば信号波形の傾きが補正前から変化した補正後の波形データが得られる。
　以上の処理によると、予め作成された補正テーブルから各溶接の軌跡２１～２４に対応する補正係数を読み出して（Ｓ２１）、当該補正係数により各溶接の軌跡２１～２４からの測定光に応じた信号波形の傾き及び信号強度がそれぞれ補正される（Ｓ２２）。例えば、本実施形態では、各信号波形の近似直線の傾きが所定の傾きβとなるように、さらに、各信号波形による信号強度の軌跡内平均が軌跡間平均Iaverageと一致するように補正される。
　図９は、各溶接の軌跡２１～２４に対応する補正後の信号波形を図６と同様に示す。図９の例では、図５に例示する補正前から、溶接の軌跡２１～２４毎の信号強度の平均値が平均信号強度Iaverageと同じになるように補正され、異なる加工位置における溶接の軌跡２１～２４からの測定光の信号を示す波形データが、ほぼ同一のプロファイルとなっている。このような加工位置毎の補正処理（Ｓ１１，Ｓ２１～Ｓ２２）によれば、例えば溶接の軌跡２１～２４間のように加工位置が変化する場合にも溶接時間に応じた同等の信号強度が得られるようにして、加工位置の変化による信号強度の変動を抑制することができる。
　２－３．補正テーブルの作成処理
　以上のような加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）に用いられる補正テーブルを予め作成する処理について、図１０及び図１１を用いて説明する。
　図１０は、本実施形態のモニタリング装置１４における補正テーブルの作成処理を例示するフローチャートである。図１０に示すフローチャートに示す処理は、モニタリング装置１４において、例えば図４に示す処理の実行前に、ＣＰＵ５１により実行される。図１１は、本実施形態における波形データの補正係数を例示する図である。
　図１０のフローチャートにおいて、ＣＰＵ５１は、まず、例えば加工状態の判定時と同等の加工位置における溶接の軌跡２１～２４毎に、測定光の信号を示す補正なし波形データを取得する（Ｓ３１）。ＣＰＵ５１は、例えば反射光７、プラズマ光８、及び熱放射光９の各々について、溶接の軌跡２１～２４毎の信号を取得して（Ｓ３１）、ステップＳ３２以降の処理を行う。例えばプラズマ光８について、ステップＳ３１において。図５と同様の補正なし波形データが取得される。
　また、ステップＳ３１において、ＣＰＵ５１は、各溶接の軌跡２１～２４について、それぞれ複数回の溶接による補正なし波形データを取得してもよく、例えば複数回の波形データを平均した平均波形データを算出してもよい。この場合、以降の処理では、取得した補正なし波形データとして、平均波形データが用いられる。
　次に、ＣＰＵ５１は、例えば、補正なし波形データの信号値に基づいて、溶接の軌跡２１～２４毎に、所定の期間における信号強度から軌跡内平均Inを算出する（Ｓ３２）。軌跡内平均Inは、例えば各溶接の軌跡２１～２４に対応する信号について、所定の期間における信号強度の積分値の時間平均を示す。ここで、Inの添え字ｎは、各溶接の軌跡２１～２４を示す番号である（例えばｎ＝１，２，３，４）。所定の期間は、例えばレーザ出力の１パルスに対応して、各溶接の軌跡２１～２４について補正なし波形データにおいて信号強度がゼロ値を超える期間に設定される。
　ステップＳ３２において、ＣＰＵ５１は、例えば以下の計算式により、溶接の軌跡２１～２４毎の信号強度の軌跡内平均Inを算出する。
　In＝（n番目溶接の軌跡の補正なし波形データの信号強度の積分値）÷（n番目溶接の軌跡の波形データ全体の溶接時間 － n番目溶接の軌跡のレーザ出力が0のときの溶接時間）
　溶接の軌跡２１～２４毎の軌跡内平均Inを算出すると、ＣＰＵ５１は、全ての溶接の軌跡２１～２４間での軌跡内平均Inの平均を示す軌跡間平均Iaverageを算出する（Ｓ３３）。ＣＰＵ５１は、例えば以下の計算式により、軌跡間平均Iaverageを算出する。図３の例では、溶接の軌跡の数Ｎ＝４である。
　全溶接の軌跡の軌跡間平均Iaverage＝Σ（溶接の軌跡ごとの軌跡内平均In）÷溶接の軌跡の数Ｎ
　ＣＰＵ５１は、溶接の軌跡２１～２４毎に各軌跡内平均Inと、全ての溶接の軌跡２１～２４についての軌跡間平均IaverageとのオフセットIoffset,n を算出する（Ｓ３４）。ＣＰＵ５１は、各オフセットIoffset,n を次式により算出する。各オフセットIoffset,n は、加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）において、n番目溶接の軌跡に対応する補正後の波形データにおける平均強度を、全溶接の軌跡２１～２４の軌跡間平均に一致させるように、補正係数に用いられる。
　Ioffset,n= Iaverage－In
　次に、ＣＰＵ５１は、溶接の軌跡２１～２４毎に補正なし波形データに基づいて線形近似を行い、信号波形の近似直線を導出する（Ｓ３５）。具体的に、ＣＰＵ５１は、溶接の軌跡２１～２４毎の近似直線の傾きαnおよび切片anを算出する。近似直線は、以下の線形近似式により表される。
　補正なし線形近似式　yn(x) =αn * x + an
　ここで、yn(x)は溶接の軌跡ごとの補正なし近似直線における信号強度、ｘは信号波形のサンプリング位置である。
　本実施形態のモニタリング装置１４では、波形データは一定の時間間隔でサンプリングされるデジタル信号であり、（溶接時間＝サンプリング間隔×サンプリング位置）として表される。サンプリング間隔は一定のため、モニタリング装置１４による以下の処理では、溶接時間に代えて整数のサンプリング位置ｘを計算に用いる。
　また、例えば図５と同様の補正なし波形データでは、波形データ全体の溶接時間のうちの、最初の１５％まで及び最後の５％にあたる期間の信号強度は、他の期間と比べて変化量が大きい。そこで、本実施形態では、例えば、こうした変化量が大きな始終端を除いて、波形データ全体の溶接時間のうちの比較的変化量の少ない１５％～９５％にあたる中盤の波形データのみが傾きαnの算出に用いられてもよい。
　補正前の近似直線を導出すると（Ｓ３５）、ＣＰＵ５１は、溶接の軌跡２１～２４毎に、例えば以下の線形近似式により、補正後の波形データの近似直線が所定の傾きβを有するとした場合の切片bnを計算して、補正後の近似直線を導出する（Ｓ３６）。
　補正後の線形近似式　yn(x)’ =β * x + bn + Ioffset,n
　ここで、yn(x)’は溶接の軌跡ごとの補正後の近似直線における信号強度、bnは溶接の軌跡２１～２４毎に軌跡内平均Inを保った状態において、近似直線の傾きを補正後の傾きβに変換したときの切片である。
　補正後の近似直線の導出（Ｓ３６）において、ＣＰＵ５１は、例えば以下の計算式により、補正後の近似直線の切片bnを計算する。
　bn = In － { β／αn * ( In － an )}
　補正後の近似直線における所定の傾きβには、例えば加工位置によらず信号強度が同様の時間変化の傾向を有するように、溶接の軌跡２１～２４毎に算出した補正前の近似曲線の傾きαnを、全ての溶接の軌跡２１～２４について平均したαaverageが用いられる。
　ＣＰＵ５１は、導出した補正前後の近似直線（Ｓ３５，Ｓ３６）に基づいて、溶接の軌跡２１～２４毎に、補正なし波形データを補正後の波形データに変換するための補正係数γn(x)を次式のように算出する（Ｓ３７）。
　γn(x) = yn (x)’／ yn(x)
　図１１は、図３の溶接の軌跡２１～２４をそれぞれ第１～第４の溶接の軌跡として、プラズマ光８について算出された補正係数γn(x)を例示する。図１１の縦軸は補正係数γn(x)を示し、横軸はサンプリング位置に対応する溶接時間を示す。図１１は、離散時間であるサンプリング位置毎に算出された補正係数γn(x)が補間されたグラフを示している。補正係数γn(x)が1である場合、加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）において、測定光の信号強度は変更されず、その他の値の場合、測定光の信号強度が補正係数を乗じた値に補正される。
　ＣＰＵ５１は、補正係数γn(x)を算出すると（Ｓ３７）、補正テーブルを作成して当該補正係数γn(x)を記録し、記憶装置５３に格納する（Ｓ３８）。その後、ＣＰＵ５１は、図１０のフローチャートの処理を終了する。
　以上の処理によると、溶接の軌跡２１～２４間で同じ軌跡間平均Iaverageを有し、かつ各々の近似直線が所定の傾きβを有するように、溶接の軌跡２１～２４毎の補正なし波形データを補正するための補正係数γn(x)が算出される（Ｓ３１～Ｓ３７）。そして、補正係数γn(x)を記録した補正テーブルが作成される（Ｓ３８）。加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）では、このように予め作成した補正テーブルを用いて、加工位置による測定光の強度の変動を抑制するように測定光の信号を補正し、図９に示すような補正後の波形データを得ることができる。
　補正後の近似直線における所定の傾きβは、上述のαaverageに限らず、例えば図８と同様のレーザ出力信号を示す波形データに基づいて、ステップＳ３５の補正前の傾きαnの算出と同様に、溶接時間の１５％～９５％の期間での傾きαlaserを算出して用いてもよい。当該レーザ出力信号の波形データは、例えばレーザ加工機３０において、補正テーブルの作成時に溶接条件のパラメータとして与えられるレーザ出力をフォトディテクタ１６により検出したモニタ値である。上述した波形データ全体の溶接時間の１５％～９５％にあたる期間は、例えばレーザ出力が定常状態となる期間に対応する。
　３．効果
　以上のように、本実施形態のモニタリング装置１４は、レーザ溶接による加工状態をモニタリングするレーザ溶接モニタリング装置の一例である。モニタリング装置１４は、取得インタフェースの一例である通信回路５２と、演算回路の一例であるＣＰＵ５１と、記憶装置５３とを備える。通信回路５２は、ワーク５（被加工物の一例）がレーザ光１０で照射されることで測定される測定光に応じた信号を取得する（Ｓ１）。ＣＰＵ５１は、通信回路５２により取得した信号に基づいて、加工状態を判定する演算処理を行う（Ｓ２，Ｓ３）。記憶装置５３は、ガルバノミラー３及びスキャンレンズ４を含む光学系によりレーザ光１０をワーク５上で走査可能な領域２０における加工点６の位置、即ち加工位置によって測定光の強度が変動する傾向に応じた変動傾向情報の一例として補正テーブルを予め記憶する。測定光は、プラズマ光８、熱放射光９、及びレーザ光１０の反射光７を含む。所定の溶接パターンにおいて光学系によりレーザ光１０が走査されることで、光学系を介して測定光が受光され、プラズマ光、熱放射光、及び反射光に分光されると、通信回路５２は、プラズマ光８、熱放射光９、及び反射光７の各々の強度を示す強度信号の一例として、補正なし波形データが示す信号を取得する（Ｓ１）。ＣＰＵ５１は、プラズマ光８、熱放射光９、及び反射光７の各々について、補正テーブルに基づいて、加工位置による強度の変動を抑制するように、取得した信号を補正し（Ｓ２，Ｓ１１）、補正された信号に基づいて、加工状態を判定する（Ｓ３）。
　以上のモニタリング装置１４によれば、ガルバノミラー３及びスキャンレンズ４を含む光学系によるレーザ光１０の走査に伴い、加工位置によって測定光の信号強度が変動しても、加工位置による強度の変動が補正される（Ｓ２，Ｓ１１）。これにより、変動する加工位置による影響を抑えた信号強度が得られ、例えばモニタリングされる３種類の測定光の信号強度から、加工状態を精度良く判定することができる（Ｓ３）。
　本実施形態において、所定の溶接パターンは、加工位置を除いて加工条件を揃えた複数回の溶接を含み、補正テーブルは、レーザ光１０を走査可能な領域２０において当該複数回の溶接により形成される複数の溶接の軌跡２１～２４の各々からの測定光によりプラズマ光８、熱放射光９、及び反射光７の各々について複数の信号に基づいて生成される（Ｓ３１～Ｓ３８）。これにより、例えば溶接の軌跡２１～２４間の加工位置による測定光の変動を反映して補正テーブルを作成することができる。
　本実施形態において、補正された信号は、複数の溶接の軌跡２１～２４に対応する複数の信号において各信号の所定期間内の信号強度から算出した軌跡内平均Inの平均による軌跡間平均Iaverageと一致する軌跡内平均を有する（Ｓ１１，Ｓ２２参照）。これにより、例えば各溶接の軌跡２１～２４におけるレーザ溶接での加工位置以外の加工状態等の変化が信号強度に現れ易くなるように信号を補正することができる。
　本実施形態において、補正された信号の時間変化を近似する近似直線（近似線の一例）は、複数の溶接の軌跡２１～２４に対応する複数の信号において、各信号の強度の近似直線の傾きを平均した平均値αaverageと同じ傾きを有する（Ｓ２２，Ｓ３６参照）。あるいは、当該近似直線は、レーザ光１０を発振するレーザ出力の強度の時間変化を近似する近似直線の傾きαlaserと同じ傾きを有する。こうした傾きの補正によれば、例えば溶接の軌跡２１～２４毎の加工位置による信号強度の時間変化における変動を抑制することができる。
　本実施形態において、補正テーブルは、複数の溶接の軌跡２１～２４毎に、各溶接の軌跡２１～２４に対応する信号を補正する係数の一例として補正係数を含む（Ｓ３７，Ｓ３８）。これにより、加工位置毎の補正処理（Ｓ１１）では、例えば予め補正テーブルに記録された補正係数を、取得した信号に乗算する簡単な演算により、効率良く信号の補正を行うことができる（Ｓ２１～Ｓ２２）。
　本実施形態において、ＣＰＵ５１は、各溶接の軌跡２１～２４からの測定光の受光による複数の信号に基づいて、補正テーブルを生成し、記憶装置５３に予め記憶する（Ｓ３１～Ｓ３８）。なお、モニタリング装置１４は、補正テーブルを生成せずに、例えば外部の演算装置等により生成された補正テーブルを予め取得して記憶装置５３に格納してもよい。
　（他の実施の形態）
　以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記の実施の形態１を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。以下、他の実施の形態を例示する。
　上記の実施の形態１では、測定光の信号の波形データについて、補正後の近似直線が所定の傾きβとして時間によらず一定の傾きαaverageまたはαlaserを有するように算出した補正係数（Ｓ３６，Ｓ３７）を用いて加工位置毎の補正を行う（Ｓ２２）例を説明した。本実施形態では、所定の傾きβとして、時間により変化する傾きが用いられてもよく、例えば溶接条件のパラメータとして溶接中にレーザ光１０のフルエンスが変化する場合に、フルエンスの変化に応じて決定される傾きが用いられてもよい。この場合、例えば図７のステップＳ２２では、ＣＰＵ５１は、図４のステップＳ１で取得した信号の信号強度についての近似直線が当該フルエンスの変化に応じた傾きを有するように、取得した信号を補正してもよい。
　以上のように、本実施形態では、レーザ光１０のフルエンスを含むパラメータが溶接中に変化する場合、補正された信号の強度の時間変化（強度信号の時間変化の一例）を近似する近似直線（近似線の一例）が、当該フルエンスの変化に応じて決定される傾きと同じ傾きを有する。
　上記の各実施形態では、複数の溶接の軌跡２１～２４毎の補正係数γn(x)を算出して（図１０）、加工位置毎の補正処理（図７）を行う例を説明した。本実施形態では、複数の溶接の軌跡が形成される溶接パターンに限らず、１つの溶接の軌跡が形成される溶接パターンについて補正係数を算出して、当該補正係数を用いて加工位置毎の補正が行われてもよい。例えば、図１０と同様の処理において、特に軌跡間平均Iaverageを算出せずに、補正後の近似曲線の傾きが、レーザ出力が定常状態の期間のレーザ出力波形の傾きαlaserとなるように補正係数が算出されてもよい。
　上記の各実施形態では、反射光７、プラズマ光８及び熱放射光９の各々の信号を取得するモニタリング装置１４を説明した。本実施形態では、例えば、反射光７、プラズマ光８及び熱放射光９の１つまたは２つの組合せについて、対応する信号が取得されてもよい。
　上記の各実施形態では、モニタリング装置１４が外部の分光器１３から信号を取得する例を説明した。しかしながら、分光器１３とモニタリング装置１４とが別体であることは一例である。本開示のレーザ溶接モニタリング装置は、両者が一体化された装置であってもよい。この場合、レーザ溶接モニタリング装置における取得インタフェースは、光を検出して信号を生成する回路から信号を受け取る、内部の入力端子または接続端子であり得る。
　本開示は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。すなわち、当業者が適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本開示の範疇である。
　本開示のレーザ溶接モニタリング装置は、レーザ光を被加工物上で走査するレーザ溶接による加工状態を、加工点からの測定光に基づいてモニタリングする技術に適用できる。

Claims (8)

  1. 　レーザ溶接による加工状態をモニタリングするレーザ溶接モニタリング装置であって、
    　被加工物がレーザ光で照射されることで測定される測定光に応じた信号を取得する取得インタフェースと、
    　前記取得インタフェースにより取得された前記信号に基づいて、前記加工状態を判定する演算処理を行う演算回路と、
    　ガルバノミラー及びスキャンレンズを含む光学系により前記被加工物上で前記レーザ光を走査可能な領域における加工点の位置によって前記測定光の強度が変動する傾向に応じた変動傾向情報を予め記憶する記憶装置とを備え、
    　前記測定光は、前記レーザ光の照射により前記加工点において発生するプラズマ光、熱放射光、及び前記レーザ光の反射光を含み、
    　前記測定光は、所定の溶接パターンにおいて前記光学系により前記レーザ光が走査されることで、前記光学系を介して受光され、前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光に分光され、
    　前記取得インタフェースは、前記測定光が分光された後、前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々の強度を示す強度信号を取得し、
    　前記演算回路は、
    　前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々について、前記変動傾向情報に基づいて、前記加工点の位置による強度の変動を抑制するように、前記強度信号を補正し、
    　補正された前記強度信号に基づいて、前記加工状態を判定する
    レーザ溶接モニタリング装置。
  2. 　前記所定の溶接パターンは、前記加工点の位置を除いて加工条件を揃えた複数回の溶接を含み、
    　前記複数回の溶接は、前記走査可能な領域において複数の溶接の軌跡を形成し、
    　前記変動傾向情報は、前記複数の溶接の軌跡の各々からの前記測定光の前記プラズマ光、前記熱放射光、及び前記反射光の各々について、前記複数の溶接の軌跡に対応する複数の前記強度信号に基づいて生成される
    請求項１に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  3. 　前記補正された前記強度信号は、前記複数の強度信号の各々の所定期間内の強度から算出した軌跡内平均の平均による軌跡間平均と一致する軌跡内平均を有する
    請求項２に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  4. 　前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記複数の前記強度信号の各々の近似線の傾きを平均した平均値と同じ傾きを有する
    請求項２または３に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  5. 　前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記レーザ光を発振するレーザ出力の強度の時間変化を近似する近似線の傾きと同じ傾きを有する
    請求項２または３に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  6. 　前記レーザ光のフルエンスを含むパラメータが溶接中に変化する場合、前記補正された前記強度信号の時間変化を近似する近似線は、前記フルエンスの変化に応じて決定される傾きと同じ傾きを有する
    請求項１に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  7. 　前記変動傾向情報は、前記複数の溶接の軌跡毎に、前記溶接の軌跡に対応する前記強度信号を補正する係数を含む
    請求項２に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
  8. 　前記演算回路は、前記複数の前記強度信号に基づいて、前記変動傾向情報を生成して、前記記憶装置に予め記憶する
    請求項２に記載のレーザ溶接モニタリング装置。
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