(57)【要約】【課題】溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。【解決手段】レーザ光を被溶接材１０１の溶接部１０２に向けて照射するレーザ発振器１０７と、溶接部１０２で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計１０５と、干渉信号に基づいて、溶接部１０２における溶接の進行方向における距離、溶接部の深さ、及び干渉信号の強度の関係を示す２次元断層画像データを生成し、２次元断層画像データから溶接の深さが特定の範囲内である特定深さ断層画像データを抽出し、特定深さ断層画像データにおける距離毎の干渉信号の強度に基づいて距離毎の深さを導出する導出部１１２ｂと、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ発振器と、
前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計と、
前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離、前記溶接の深さ、及び前記干渉信号の強度の関係を示す２次元断層画像データを生成し、前記２次元断層画像データから前記溶接の深さが特定の範囲内である特定深さ断層画像データを抽出し、前記特定深さ断層画像データにおける前記距離毎の前記干渉信号の強度に基づいて前記距離毎の深さを導出する導出部と、
を備える、レーザ溶接装置。
【請求項２】
導出された前記距離毎の深さに基づいて、前記溶接部における溶接の良否を評価する評価部をさらに備える、
請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記特定の範囲は、あらかじめ設定された深さの基準値に基づいて設定される、
請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記特定の範囲は、前記基準値に基づいて設定される第１範囲より広い第２範囲に設定される、
請求項３に記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記特定の範囲の上限値及び下限値は、前記基準値が前記溶接部における溶接の進行方向における距離によって変動する場合に、前記基準値の変動に合わせて変動するように設定される、
請求項３または４に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射し、
前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成し、
前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離、前記溶接部の深さ、及び前記干渉信号の強度の関係を示す２次元断層画像データを生成し、
前記２次元断層画像データから前記溶接の深さが特定の範囲内である特定深さ断層画像データを抽出し、
前記特定深さ断層画像データにおける前記距離毎の前記干渉信号の強度に基づいて前記距離毎の深さを導出する、
レーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて溶接するレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の第１のレーザ溶接装置として、溶接部の溶融金属が発する光を用いて、溶接部の品質を評価する装置がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
従来の第１のレーザ溶接装置の例を図９に示す。レーザ発振器１１からレーザ光が一定強度で連続的に出力される。レーザ光は、レーザ光伝送用光学系１２を介して集光光学系１３に伝送され、集光光学系１３で被溶接材１の溶接部２に集光される。溶接の際、溶接部２の溶融金属は光を発する。溶融金属の発した光が集光光学系１３で集光され、モニタ光伝送用光学系１４を介して干渉フィルタ１５に伝送される。干渉フィルタ１５に伝送された光のうち溶融金属の発した光の波長成分が干渉フィルタ１５で選択される。干渉フィルタ１５で選択された波長成分の光はフォトダイオード１６で受光される。フォトダイオード１６は受光した光の発光強度に応じた信号を出力する。フォトダイオード１６から出力された信号は、アンプ１７、Ａ／Ｄ変換器１８を介してコンピュータ１９に入力される。コンピュータ１９には溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係が予め記憶されており、コンピュータ１９は入力された信号をこの相関関係に当てはめることで溶接部２の溶け込み深さを導出する。また、コンピュータ１９は、導出した溶接部２の溶け込み深さに基づいて溶接部２の品質を評価する。
【０００４】
また、従来の第２のレーザ溶接装置として、光干渉計を用いて試料内部の構造を可視化するＯＣＴ（Optical Coherence Tomography）と呼ばれる技術を用いて、溶接中に発生するキーホールの深さを計測する装置が提案されている（特許文献２参照）。
【０００５】
具体的には、従来の第２のレーザ溶接装置では、溶接のためのレーザ光と光干渉計が発するレーザ光が同軸になるように光学系が構成されている。溶接部において、溶融金属が蒸発する際の圧力によって形成されるキーホールの底面に光干渉計のレーザ光が照射される。キーホールで反射された光（測定光）と参照光との光路差に基づいて、キーホールの深さが算出される。キーホールは形成直後に周囲の溶融金属により埋められるため、キーホールの深さは溶接部の溶け込み深さと同じである。これにより、溶接部の溶け込み深さが計測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平３−２０７５８７号公報
【特許文献２】特表２０１６−５３８１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の第１のレーザ溶接装置では、溶け込み深さを直接測定するのではなく、溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係を用いることで、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に溶接部２の溶け込み深さを計測している。しかしながら、この相関関係は、被溶接材１の材質のばらつきや周囲の温度、キーホールの形成状態の変化等の要因によって変動しうる。このため、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合には溶け込み深さの測定を十分な精度で行うことが困難である。
【０００８】
また、従来の第２のレーザ溶接装置では、溶接中に発生するキーホールの深さを直接測定している。このため、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合には溶け込み深さの測定を十分な精度で行うことが困難である。
【０００９】
以上のように、従来の第１及び第２のレーザ溶接装置では、溶け込み深さの測定精度が十分ではないため、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが困難である。
【００１０】
本発明は、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができるレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射するレーザ発振器と、前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成する光干渉計と、前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離、前記溶接部の深さ、及び前記干渉信号の強度の関係を示す２次元断層画像データを生成し、前記２次元断層画像データから前記溶接の深さが特定の範囲内である特定深さ断層画像データを抽出し、前記特定深さ断層画像データにおける前記距離毎の前記干渉信号の強度に基づいて前記距離毎の深さを導出する導出部と、を備える。
【００１２】
本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光を被溶接材の溶接部に向けて照射し、前記溶接部で反射された測定光と参照光との干渉光の強度を示す干渉信号を生成し、前記干渉信号に基づいて、前記溶接部における溶接の進行方向における距離、前記溶接部の深さ、及び前記干渉信号の強度の関係を示す２次元断層画像データを生成し、前記２次元断層画像データから前記溶接の深さが特定の範囲内である特定深さ断層画像データを抽出し、前記特定深さ断層画像データにおける前記距離毎の前記干渉信号の強度に基づいて前記距離毎の深さを導出する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の概要を示す図
【図２】波長走査光源が出射する物体光の中心波長の時間による変化の例を示す図
【図３】レーザ溶接装置の動作例について説明するためのフローチャート
【図４Ａ】Ａスキャンデータの例を示す図
【図４Ｂ】Ｂスキャンデータの例を示す図
【図４Ｃ】特定深さ範囲の例を示す図である。
【図４Ｄ】深さの特定方法について説明するための図
【図５Ａ】２次元点群データの例を示す図
【図５Ｂ】２次元点群データの例を示す図
【図６Ａ】特定深さ断層画像データの切り出しを行わない場合の２次元点群データの例を示す図
【図６Ｂ】特定深さ断層画像データの切り出しを行った場合の２次元点群データの例を示す図
【図７】実施の形態２における、特定深さ範囲の一例を示す図
【図８Ａ】溶接方向の距離にかかわらず特定深さ範囲を一定とした場合の断層画像の例を示す図
【図８Ｂ】溶接方向の距離によって特定深さ範囲が変動する場合の断層画像の例を示す図
【図９】従来の第１のレーザ溶接装置の例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は、本発明に係るレーザ溶接装置１００の概要を示す図である。図１に示すように、レーザ溶接装置１００では、水平方向（図１のｘ方向）に延在する被溶接材１０１の溶接部１０２を溶接する。溶接用のレーザ光は、レーザ発振器１０７から垂直方向（ｚ方向）に被溶接材１０１の上面に照射される。なお、本明細書において、レーザ発振器１０７が発振する、レーザ溶接用のレーザ光を、単にレーザ光と記載することがある。被溶接材１０１において、レーザ光が照射された箇所は溶融し、溶融池１０３が形成される。また、溶融池１０３から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール１０４が形成される。以下では、溶融池１０３及びキーホール１０４をまとめて溶接部１０２と称する。
【００１７】
光干渉計１０５は、溶接部１０２に対してレーザ発振器１０７とは異なる波長のレーザ光を照射し、光の干渉により溶接部１０２の深さ（溶け込み深さ）を測定する。なお、溶け込み深さとは、被溶接材１０１（母材）の溶けた部分の最頂点と、溶接する面の表面との距離を意味する。
【００１８】
光干渉計１０５から出射された深さ計測用のレーザ光は、ビームスプリッタ１０６により、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同軸上に重ね合わされ、キーホール１０４の内部に照射される。なお、以下の説明では、レーザ発振器１０７が発振する溶接用のレーザ光と区別するため、光干渉計１０５が発する光を物体光と記載する。
【００１９】
溶接部１０２に照射された物体光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、ビームスプリッタ１０６を介して、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、物体光の光路長を測定し、測定した光路長からキーホール１０４の深さを溶け込み深さとして特定する。特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。
【００２０】
以上が、レーザ溶接装置１００の概要についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００の各構成について説明を行う。
【００２１】
＜レーザ溶接機能を担う構成部分＞
まず、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を実現する構成について説明する。レーザ溶接機能とは、被溶接材１０１における溶接を行う機能である。
【００２２】
レーザ発振器１０７は溶接用のレーザ光を発振する。レーザ発振器１０７から発振されたレーザ光は、レーザ光伝送用光学系１０８を介して第１集光光学系１０９で集光される。第１集光光学系１０９で集光されたレーザ光は、ビームスプリッタ１０６を透過して、溶接部１０２に集光される。これにより、被溶接材１０１の溶接が行われる。レーザ発振器１０７には、例えばダイレクトダイオードレーザが用いられる。
【００２３】
移動ステージ１１０は、被溶接材１０１を移動させる土台部である。被溶接材１０１は、移動ステージ１１０に固定されている。移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１を介して、コンピュータ１１２の制御部１１２ａからの指令により移動する。移動ステージ１１０の移動方向は、図１の左右方向、すなわち図１に示すｘ軸に沿った方向である。レーザ発振器１０７がレーザ光を発振している間に、制御部１１２ａによって移動ステージ１１０が移動されることで、被溶接材１０１におけるレーザ光の照射位置が変化し、所望の範囲のレーザ溶接が行われる。
【００２４】
制御部１１２ａは、レーザ溶接装置１００の各部の制御を行う。具体的には、制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７によるレーザ光の出力開始または停止の制御、レーザ光の出力強度の調整制御、後述する光干渉計１０５の制御等を行う。
【００２５】
＜溶け込み深さ計測機能を担う構成部分＞
次に、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ計測機能を実現する構成について説明する。溶け込み深さ計測機能とは、被溶接材１０１において溶接中の溶接部１０２（キーホール１０４）の溶け込み深さを計測する機能である。レーザ溶接装置１００は、光干渉計１０５を用いたＳＳ−ＯＣＴ（Swept Source Optical Coherence Tomography：波長走査型光干渉断層法）技術により、溶接部１０２の溶け込み深さを計測する。
【００２６】
波長走査光源１１３は、制御部１１２ａの制御に従って、溶接用のレーザ光より波長幅の短い物体光を連続的に出射する。制御部１１２ａは、波長走査光源１１３に出射させる物体光の中心波長を、図２のように周期的に変化させる。図２は、波長走査光源１１３が出射する物体光の中心波長の時間による変化の例を示す図である。図２では、縦軸が物体光の波長、横軸が時間に対応している。このように、物体光の中心波長を周期的に変化させて行われる走査は、波長走査と呼ばれる。
【００２７】
波長走査光源１１３から出射された物体光は、図１に示すように、光ファイバ系１１４を透過して、第１ファイバカプラ１１５に入射する。第１ファイバカプラ１１５は、入射された物体光を、２つに分岐させる。２つに分岐した物体光を、以下では測定光及び参照光と称する。測定光とは、物体光のうち、測定対象である溶接部１０２に照射される光である。参照光とは、物体光のうち、別途設けられた基準面である参照ミラー１１６に照射される光である。第１ファイバカプラ１１５は、分岐させた測定光を第１光ファイバ系１１４ａに、参照光を第２光ファイバ系１１４ｂに、それぞれ入射させる。
【００２８】
光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射された測定光は、干渉フィルタ１２１及び第２集光光学系１２０を介してビームスプリッタ１０６に入射する。干渉フィルタ１２１は、測定光の波長のみを透過させるフィルタである。干渉フィルタ１２１は、溶接部１０２で反射したレーザ光や溶接部１０２の溶接による発光が第１光ファイバ系１１４ａに入射するのを防止するために設けられている。また、第２集光光学系１２０は、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射した測定光を、ビームスプリッタ１０６を介して溶接部１０２に集光させる。また、第２集光光学系１２０は、溶接部１０２から反射した測定光を、ビームスプリッタ１０６を介して、第１光ファイバ系１１４ａに再度入射させる。
【００２９】
ビームスプリッタ１０６は、レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの測定光を反射することで、レーザ光と測定光とを同軸の光束に結合する。ビームスプリッタ１０６で同軸の光束に結合されたレーザ光と測定光とが溶接部１０２に照射されることで、レーザ溶接と同時に溶接部１０２の溶け込み深さの測定が行われる。ビームスプリッタ１０６は、例えばダイクロイックミラーである。レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの測定光を反射するように、ビームスプリッタ１０６には、透過させる波長と反射させる波長とがあらかじめ設定されている。
【００３０】
ビームスプリッタ１０６においてレーザ光の透過と測定光の反射とが好適に行われるように、レーザ光と測定光との波長差は１００ｎｍ以上とされることが望ましい。本実施の形態１では、レーザ発振器１０７の発振するレーザ光の波長を９７５ｎｍ、波長走査光源１１３の発する物理光（測定光）の波長を１２７０〜１３７０ｎｍとする。
【００３１】
以上のように、光干渉計１０５からの測定光は、溶接部１０２に照射される。溶接部１０２に照射された測定光の一部は、溶接部１０２で反射する。溶接部１０２で反射した測定光は、ビームスプリッタ１０６、第２集光光学系１２０及び干渉フィルタ１２１を介して光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５に入射した測定光は、第１光ファイバ系１１４ａを通過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに測定光が通過した光路の長さが、測定光の光路長とされる。
【００３２】
一方、第１ファイバカプラ１１５で分岐された参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して参照ミラー１１６に照射される。参照ミラー１１６に照射された参照光は、参照ミラー１１６で反射した後、第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。第２光ファイバ系１１４ｂに入射した参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに参照光が通過した光路の長さが、参照光の光路長とされる。参照光の光路長は、基準値として予め測定しておくことが望ましい。
【００３３】
第２ファイバカプラ１１７は、第１光ファイバ系１１４ａから入射した測定光と、第２光ファイバ系１１４ｂから入射した参照光のそれぞれを、差動ディテクタ１１８の第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂに分岐させて入射させる。具体的には、第２ファイバカプラ１１７は、第１光ファイバ系１１４ａから入射した測定光の５０％を、第１入力１１８ａに入射させ、残りの５０％の測定光を、第２入力１１８ｂに入射させる。
【００３４】
同様に、第２ファイバカプラ１１７は、第２光ファイバ系１１４ｂから入射した参照光の５０％を第２入力１１８ｂに入射させ、残りの５０％の参照光を、第１入力１１８ａに入射させる。このとき、第２ファイバカプラ１１７は、分岐した参照光と測定光とを１つの光束に結合させて干渉光とする。第２ファイバカプラ１１７により結合された２つの干渉光は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂのそれぞれに入射される。
【００３５】
差動ディテクタ１１８は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差分を取って干渉光に含まれるノイズの影響を除去した後、干渉光の強度に基づく電気信号である干渉信号を生成する。差動ディテクタ１１８は、干渉信号をＡ／Ｄ変換器１１９へ出力する。
【００３６】
Ａ／Ｄ変換器１１９には、波長走査光源１１３から、波長走査光源１１３における波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ信号が入力されている。Ａ／Ｄ変換器１１９は、入力されたトリガ出力に基づき、波長走査の周期と同期して、差動ディテクタ１１８から出力された干渉信号をサンプリングし、デジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器１１９は、デジタル信号に変換した干渉信号をコンピュータ１１２へ出力する。
【００３７】
コンピュータ１１２は、上記した制御部１１２ａと、入力された干渉信号に基づいて溶接部１０２の溶け込み深さを導出する導出部１１２ｂと、を備える。干渉光には、測定光と参照光との光路長差に応じた干渉が生じており、導出部１１２ｂは、この干渉光の干渉に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを導出する。導出部１１２ｂにおける溶け込み深さの導出についての詳細は後述する。この導出部１１２ｂによって導出された溶け込み深さが、レーザ溶接装置１００の計測した溶け込み深さとして表示部１２２等に表示される。
【００３８】
また、コンピュータ１１２は、計測された溶け込み深さから溶接部１０２の品質を評価する評価部１１２ｃを備える。実施の形態１のレーザ溶接装置１００では、所望の溶け込み深さの範囲に関する情報が、あらかじめ図示しない記憶部等に記憶されている。所望の溶け込み深さの範囲とは、溶接後に良品と判定される被溶接材１０１における溶け込み深さの範囲を意味する。以下では、この所望の溶け込み深さの範囲を、良品深さ範囲と称する。評価部１１２ｃは、溶け込み深さが良品深さ範囲内であるか否かを判定することで、溶接部１０２の良否についての評価を行う。評価の結果は、例えば表示部１２２に表示される。なお、表示部１２２には溶け込み深さと評価の結果の両方が表示されるとしたが、どちらか一方のみが表示されてもよい。
【００３９】
以上のように、レーザ溶接装置１００では、レーザ溶接機能を担う構成と、溶け込み深さ計測機能と、を有している。これにより、レーザ溶接装置１００は、レーザ溶接と、溶接された溶接部１０２の溶け込み深さの計測とを順次実行することができる。
【００４０】
＜レーザ溶接装置の動作例＞
次に、本実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００の動作例について詳細に説明する。図３は、レーザ溶接装置１００の動作例について説明するためのフローチャートである。
【００４１】
ステップＳ１０１において、レーザ溶接装置１００の動作が開始される。具体的には、制御部１１２ａは、ステージコントローラ１１１に対して移動ステージ１１０の移動を開始させ、レーザ発振器１０７に対してレーザ光の出力を開始させる。また、制御部１１２ａは、光干渉計１０５の波長走査光源１１３に対して物体光の出力を開始させる。
【００４２】
ステップＳ１０２において、光干渉計１０５のＡ／Ｄ変換器１１９は、干渉信号のサンプリングを開始する。ステップＳ１０３において、導出部１１２ｂは、サンプリング結果としてのデジタル信号の干渉信号をＡ／Ｄ変換部１０９から取得する。
【００４３】
ステップＳ１０４において、導出部１１２ｂは、取得した干渉信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を実行し、結果を図示しない記憶部（例えばコンピュータ１１２の記憶領域等）に記憶させる。
【００４４】
ステップＳ１０５において、導出部１１２ｂは、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを終了させるか否かを判定する。サンプリング終了ではない場合（ステップＳ１０５のＮｏ）、処理はステップＳ１０４に進み、サンプリング終了である場合（ステップＳ１０５のＹｅｓ）、処理はステップＳ１０６に進む。なお、サンプリング終了である場合、制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７にレーザ光の出力を終了させ、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動を終了させる。これにより、被溶接材１０１に対するレーザ溶接が終了する。なお、サンプリング終了か否かは、例えば図示しない操作部へのユーザの操作等に基づいて判定すればよい。
【００４５】
ステップＳ１０６において、導出部１１２ｂは、干渉信号に対するＦＦＴの実行結果を読み出し、これに基づいて２次元断層画像データを生成する。
【００４６】
図４Ａは、被溶接材１０１の溶接方向のある１点（測定点）における、溶接の深さ方向の距離（以下、単に深さと記載する）と干渉信号の強度Ｉとの関係を示す図である。なお、溶接方向とは、レーザ溶接の進行方向であり、図１のｘ軸方向に対応している。また深さ方向は、図１に示すｚ軸方向に対応しており、上方向が溶接部１０２における上側、すなわち深さが浅い側に、下方向が溶接部１０２における下側、すなわち深さが深い側に対応している。このように、測定点における溶接の深さに関する情報を取得することは一般にＡスキャンと呼ばれ、Ａスキャンにより得られたデータはＡスキャンデータと呼ばれる。
【００４７】
Ａスキャンをレーザ溶接の進行方向に沿って走査することで、溶接方向、深さ方向及び干渉信号の強度に関する２次元断層画像データを取得することができる。この２次元断層画像データは、一般にＢスキャンデータと呼ばれる。図４Ｂは、Ｂスキャンデータの例を示す図である。図４Ｂにおいて、縦軸ｚは深さ方向（図１に示すｚ軸方向に対応）、横軸ｘは溶接方向（図１に示すｘ軸方向に対応）、画像上の濃淡が干渉信号の強度Ｉを示している。
【００４８】
ステップＳ１０７において、導出部１１２ｂは、ステップＳ１０６で作成した２次元断層画像データから、あらかじめ設定された特定深さ範囲において２次元断層画像データを切り出す。特定深さ範囲とは、あらかじめ設定された切り出し位置の上限（上限深さ）と、切り出し位置の下限（下限深さ）により規定される範囲である。図４Ｃは、特定深さ範囲の例を示す図である。図４Ｃには、特定深さ範囲の上限深さＺｕｔと、下限深さＺｌｔの例が示されている。特定深さ範囲で切り出された２次元断層画像データを、以下では特定深さ断層画像データ４０１と称する。図４Ｃに示す例では、特定深さ断層画像データ４０１は、下限深さＺｌｔ以上、上限深さＺｕｔ以下の範囲の２次元断層画像データである。なお、特定深さ範囲の上限深さＺｕｔと下限深さＺｌｔは、上記した良品深さ範囲に基づいて設定されればよい。
【００４９】
良品深さ範囲の設定方法は、例えば以下のようにすればよい。すなわち、事前に複数の被溶接材に対してレーザ溶接が行われ、その中で良品と判定された溶接部の溶け込み深さに関する情報が収集される。良品と判定された複数の溶接部の溶け込み深さに関する情報とは、本実施の形態１では、平均値Ａｖｅ及び標準偏差σである。良品深さ範囲の上限値及び下限値は、この平均値Ａｖｅ及び標準偏差σを用いて任意の方法で設定される。例えば、上限値がＡｖｅ＋３σ、下限値がＡｖｅ−３σ等の値に設定される。
【００５０】
上記した特定深さ範囲は、良品深さ範囲に基づいて、余裕を持たせるように良品深さ範囲より広く設定されることが望ましい。具体的には、良品深さ範囲が上記した上限値及び下限値を有する場合、特定深さ範囲の上限深さＺｕｔは、例えばＡｖｅ＋４σに設定され、下限深さＺｌｔは例えばＡｖｅ−４σ等に設定される。導出部１１２ｂは、このように設定した特定深さ範囲で、２次元断層画像データを切り出す。
【００５１】
ステップＳ１０８において、導出部１１２ｂは、ステップＳ１０７で切り出した特定深さ断層画像データ４０１に基づいて、測定点における溶接の深さを特定し、これに基づいて２次元点群データを作成する。導出部１１２ｂが生成する２次元点群データは、ある測定点と、その測定点における溶接の深さと、の関係を示す点の集合データである。溶接方向の測定点における溶接の深さは、例えば測定点における干渉信号の強度、すなわち溶接部１０２による測定光の反射の強度が最大になる距離として特定される。
【００５２】
図４Ｄは、深さの特定方法について説明するための図である。図４Ｄには、図４Ｃのある測定点Ｘ１におけるＡスキャンデータ、すなわち深さと干渉信号の強度との関係が示されている。図４Ｄでは、上限深さＺｕｔと下限深さＺｌｔとの間で、最も干渉信号の強度が強い点がＰ１である。従って、図４Ｄに示す例では、点Ｐ１に対応する深さＺ１が、図４Ｃに示す測定点Ｘ１における溶接の深さということになる。
【００５３】
２次元点群データは、測定点の溶接方向の位置と、上記のように測定点毎に特定された溶接の深さと、の関係を示す点が２次元平面上にプロットされて生成される。図５Ａ及び図５Ｂは、上記のように生成された２次元点群データの例を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂにおいて、縦軸ｚは溶接の深さを、横軸ｘは溶接方向をそれぞれ示している。
【００５４】
図５Ａは、深さが良品深さ範囲内にある（良品であると判定される）溶接部を用いて作成された２次元点群データの例を示している。一方、図５Ｂは、深さが良品深さ範囲内にはない（不良品であると判定される）溶接部を用いて作成された２次元点群データの例を示している。具体的には、図５Ｂに示す２次元点群データは、良品深さ範囲より浅い溶け込み深さで溶接が行われた溶接部を用いて作成されている。なお、図５Ａ及び図５Ｂにおける開始点Ｘｓは、レーザ溶接装置１００において溶接の深さ計測が行われる、溶接方向における開始位置を示している。また、終了点Ｘｅは、レーザ溶接装置１００において溶接の深さ計測が行われる、溶接方向における終了位置を示している。
【００５５】
本実施の形態１において生成される２次元点群データは、上記したステップＳ１０７において特定深さ範囲で切り出された特定深さ断層画像データを用いて生成される。このため、２次元点群データの各点は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、下限深さＺｌｔ以上、上限深さＺｕｔ以下の範囲に含まれる。良品のデータである図５Ａの２次元点群データは、下限深さＺｌｔ以上、上限深さＺｕｔ以下の範囲に散乱して分布しているのに対し、不良品のデータである図５Ｂの２次元点群データの各点は、深さが浅い上限深さＺｕｔ付近に集中して存在している。
【００５６】
また、図６Ａ及び図６Ｂは、２次元点群データにおける、特定深さ断層画像データ４０１の切り出しを行わない場合（従来）と行わない場合（本発明）との違いを説明するための図である。図６Ａは、特定深さ断層画像データ４０１の切り出しを行わない場合の２次元点群データの一例を示しており、図６Ｂは、特定深さ断層画像データ４０１の切り出しを行った場合の２次元点群データの一例を示している。図６Ａと図６Ｂとでは、２次元点群データの元になる２次元断層画像データは共通のものを使用している。
【００５７】
図６Ａでは、図３のフローチャートのステップＳ１０６で生成した２次元断層画像データを用いて、ステップＳ１０７における特定深さ断層画像データの切り出しを行わずに生成した２次元点群データの例を示している。このため、図６Ａでは、深さ方向の全域に２次元点群データが生成されている。一般に、２次元点群データでは、最も深い位置に存在する点の分布がキーホール１０４の底面に由来する干渉信号に相当している。このため、溶接の溶け込み深さは、２次元点群データの深さ方向における下限値付近に位置する点の分布と相関が高い。図６Ａに示すように、特定深さ断層画像データの切り出しを行わずに生成した２次元点群データでは、深さ方向における下限値付近に位置する点の分布に欠落６０１が発生する場合がある（図６Ａに示す、溶接方向におけるＸ３からＸ４の領域）。このような現象は、溶接中のキーホール１０４の形成状態が一定でない場合に、光干渉計１０５で生成される干渉信号に変動が生じた結果発生すると考えられる。
【００５８】
図６Ａに示すように、２次元点群データの分布に欠落６０１が存在している場合、溶接部１０２の溶け込み深さを正確に算出することが困難であり、溶け込み深さの良否判定を精度よく行うことが困難となる。
【００５９】
一方、図６Ｂに示すように、特定深さ範囲で切り出した特定深さ断層画像データに基づいて生成した２次元点群データでは、溶接方向におけるＸ３からＸ４の領域においても、欠落が生じていない。このように、本実施の形態１では、特定深さ断層画像データを用いて２次元点群データを生成していることにより、溶接中のキーホール１０４の形成状態が一定でない場合でも好適な２次元点群データを生成することができる。
【００６０】
図３の説明に戻り、ステップＳ１０９において、導出部１１２ｂは、ステップＳ１０８で生成した２次元点群データに基づいて溶け込み深さを導出する。そして、ステップＳ１１０において、評価部１１２ｃは、導出した溶け込み深さに基づいて溶接部１０２の評価を行う。
【００６１】
以上説明したように、本発明の実施の形態１によれば、溶接中のキーホール１０４の形成状態が一定でない場合に、光干渉計にて生成される干渉信号に変動が生じた場合でも、レーザ溶接時の溶け込み深さを精度よく測定できる。従って、正確な溶け込み深さに基づいて溶接部の品質を評価することができ、溶接部の品質の評価を高精度に行うことができる。
【００６２】
（実施の形態２）
上記説明したように、実施の形態１では、導出部１１２ｂが、２次元断層画像データから特定深さ範囲の断層画像データを切り出して、これに基づいて２次元点群データを生成していた。この際、実施の形態１では、特定深さ範囲の上限深さと下限深さが溶接方向に対して一定値であった。
【００６３】
しかしながら、溶接によっては、所望の溶け込み深さが溶接方向において一定でなく、溶接方向の位置によって所望の溶け込み深さが異なる場合がある。具体的には、溶接中に溶接速度を変化させる場合や、溶接中にレーザ発振器のレーザ出力を変化させる場合、また、被溶接材を曲線で溶接する場合や、被溶接材の熱拡散状態が異なる部位を連続で溶接する場合等が挙げられる。実施の形態２では、このような場合に対応するため、特定深さ範囲の上限深さと下限深さとを溶接方向の距離によって変動させる場合について説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６４】
図７は、本実施の形態２において切り出される特定深さ範囲の一例を示す図である。図７において、縦軸ｚは溶接の深さ方向（図１のｚ方向に対応）、横軸ｘは溶接方向（図１のｘ方向に対応）を示している。また、画像上の濃淡は干渉信号の強度を示している。
【００６５】
図７に示すように、変動上限深さと変動下限深さに囲まれた領域が特定深さ範囲７０１である。変動上限深さの値及び変動下限深さの値は溶接方向（ｘ方向）によって変動するため、図７に示すｘｚ平面においてｘの関数として表される。以下では、変動上限深さをＺｕ（ｘ）、変動下限深さをＺｌ（ｘ）と記載する。
【００６６】
特定深さ範囲の設定方法は、実施の形態１と同様、良品深さ範囲の上限値及び下限値に基づいて設定される。ただし、実施の形態２においては、良品深さ範囲も溶接方向の位置によって変動するため、特定深さ範囲は、具体的には以下のようにして設定される。
【００６７】
すなわち、事前に複数の被溶接材に対してレーザ溶接が行われ、その中で良品と判定された溶接部の溶け込み深さに関する情報が収集される。良品と判定された複数の溶接部の溶け込み深さに関する情報とは、本実施の形態２では、平均値Ａｖｅ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）である。実施の形態２では、このように溶け込み深さの平均値Ａｖｅ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）が溶接方向の距離ｘの関数として表される。
【００６８】
良品深さ範囲の上限値及び下限値は、この平均値Ａｖｅ（ｘ）及び標準偏差σ（ｘ）を用いて任意の方法で設定される。例えば、良品深さ範囲は、以下の式（１）及び式（２）に示す下限値Ｔｌ（ｘ）以上上限値Ｔｕ（ｘ）以下に設定される。
【００６９】
Ｔｕ（ｘ）＝Ａｖｅ（ｘ）＋３σ（ｘ）・・・（１）
Ｔｌ（ｘ）＝Ａｖｅ（ｘ）−３σ（ｘ）・・・（２）
【００７０】
また、実施の形態１と同様に、実施の形態２においても、特定深さ範囲は良品深さ範囲より広くなるように設定される。具体的には、特定深さ範囲の上限値（変動上限深さの値）Ｚｕ（ｘ）及び下限値（変動下限深さの値）Ｚｌ（ｘ）は、深さ方向の任意のオフセット量Ｚｏｆｆとした場合、以下の式（３）および式（４）のように表される。
【００７１】
Ｚｕ（ｘ）＝Ｔｕ（ｘ）＋Ｚｏｆｆ・・・（３）
Ｚｌ（ｘ）＝Ｔｌ（ｘ）−Ｚｏｆｆ・・・（４）
【００７２】
なお、ｘｚ平面における各曲線Ｔｕ（ｘ）、Ｔｌ（ｘ）、Ｚｕ（ｘ）、Ｚｄ（ｘ）は、良品である場合の溶け込み深さの平均値Ａｖｅ（ｘ）を深さ方向にシフトさせた曲線であるため、曲線の形状は全て同一である。
【００７３】
このように、実施の形態２では、導出部１１２ｂは、２次元断層画像データから特定深さ範囲の画像データを切り出す際に、溶接方向の位置によって切り出す特定深さ範囲を変える。このような構成により、以下のような効果が得られる。
【００７４】
図８Ａ及び図８Ｂは、実施の形態２の効果について説明するための図である。図８Ａは、溶接方向の距離ｘによって所望の深さＺｄが変動する場合に、溶接方向の距離ｘにかかわらず一定とした特定深さ範囲が示されている。図８Ａでは、溶接方向の距離ｘによって変動する深さＺｄを全て含むように特定深さ範囲の上限深さＺｕｔ及び下限深さ範囲Ｚｌｔが設定されている。
【００７５】
一方、図８Ｂには、実施の形態２における特定深さ範囲が示されている。図８Ｂでは、溶接方向の距離ｘによって変動する深さＺｄとｘｚ平面において同一形状の変動上限深さＺｕ（ｘ）と変動下限深さＺｌ（ｘ）が設定されている。
【００７６】
図８Ａと図８Ｂとを比較すると、ある距離Ｘ２における特定深さ範囲の深さ方向の幅は、図８Ａ（幅Ｗｄ１）よりも図８Ｂ（幅Ｗｄ２）の方が小さくなっている。これは、図８Ｂに示す実施の形態２では、特定深さ範囲の深さ方向の幅が溶接方向の距離ｘにかかわらず一定となっているのに対し、図８Ａに示す例では、全ての距離ｘにおける所望の深さＺｄを含むように特定深さ範囲が設定されているからである。
【００７７】
すなわち、実施の形態２では、特定深さ範囲として、所望の溶け込み深さＺｄ近傍の必要最小限の範囲のみを設定することができる。これにより、実施の形態２では、導出部１１２ｂが２次元断層画像データから特定深さ断層画像データを切り出す際に、所望の溶け込み深さに対応した必要最小限の範囲のみを切り出すことができる。これにより、例えば溶接中のキーホールの形成状態が一定でない場合でも、溶け込み深さを精度よく計測することができる。
【００７８】
以上のように、実施の形態２に係るレーザ溶接装置１００によれば、溶接方向の位置によって所望の溶け込み深さが異なる場合に、溶接中のキーホールの形成状態が一定ではなくても、溶接部の溶け込み深さを精度よく計測することができる。このため、実施の形態２に係るレーザ溶接装置１００によれば、正確な溶け込み深さに基づいて溶接部の品質を評価することが可能になり、溶接部の品質の評価を高精度に行うことができる。
【００７９】
＜変形例＞
以上、図面を参照しながら各種の実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範囲内において、各種の変更例または修正例に想到しうることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素は任意に組み合わせられてもよい。
【００８０】
上記した実施の形態では、溶接用のレーザ光の照射位置を移動させる手段として、照射される側である被溶接材１０１を移動させる移動ステージ１１０を採用した。本発明はこれに限定されず、溶接用のレーザ光を照射する側である第１集光光学系１０９等を移動させるようにしてもよい。第１集光光学系１０９等を移動させる手段としては、例えばガルバノスキャナやロボットアーム等が挙げられる。
【００８１】
また、上記した実施の形態では、レーザ発振に合わせて周波数を変化させて走査する、ＳＳ−ＯＣＴの原理を利用して溶け込み深さの計測を行っていた。ＯＣＴには、参照ミラーを移動させることで、対象の距離を測定するＴＤ−ＯＣＴ（Time Domain OCT）があるが、ＴＤ−ＯＣＴを本発明に適用しようとすると、レーザ発振に合わせて非常に高速で参照ミラーを移動させる必要があり、実現が困難である。このため、本発明の溶け込み深さ計測機構としては、ＴＤ−ＯＣＴを採用せず、ＳＳ−ＯＣＴを採用することが望ましい。
【００８２】
上記した実施の形態では、溶接の開始後に溶接条件（溶接用のレーザ光の強度や、被溶接材１０１の移動速度等）を変更しないことを前提としていた。しかしながら、例えば導出部１１２ｂにおいて計測した溶け込み深さが所望の深さ範囲外となる前に、制御部１１２ａが溶接条件を変更することで、不良品の発生を未然に防止するようにしてもよい。この場合、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲（溶接条件保持範囲）が新たに設定され、導出部１１２ｂは計測した溶け込み深さが良品深さ範囲から逸脱する前に、上記溶接条件保持範囲を逸脱したことを検知すると、制御部１１２ａに溶接条件を変更させる。制御部１１２ａによる溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行われればよい。
【００８３】
上記した実施の形態では、光干渉計１０５の測定光の被溶接材１０１の表面でのスポット径が、レーザ発振器１０７のレーザ光の被溶接材１０１の表面でのスポット径より小さいことを前提としていた。しかしながら、光干渉計１０５の測定光の被溶接材１０１の表面でのスポット径は、レーザ発振器１０７のレーザ光の被溶接材１０１の表面でのスポット径より大きく設定されてもよい。このような場合、２次元断層画像データにおいて常に未溶融部において反射強度の高い分布が現れることが分かっている。詳細は省略するが、そのような場合でも、上記した実施の形態にて説明した溶け込み深さ計測方法を適用することができる。
【００８４】
上記した実施の形態では、図３に示すステップＳ１０５において、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを終了させるか否かを判定しており、終了の場合のみステップＳ１０６以降に処理を進めているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、Ａ／Ｄ変換器１１９によるサンプリングを継続したまま、逐次ステップＳ１０６以降の溶け込み深さを導出する手順を行うようにしてもよい。この場合、例えば溶接方向における所定の領域に対応する断層画像データが蓄積された時点で、該当の領域における溶け込み深さを逐次導出することができる。
【００８５】
上記した実施の形態では、良品深さ範囲は、複数の良品における溶け込み深さのばらつきに基づいて決定されているが、本発明はこれに限定されない。例えば、良品深さ範囲は、製品設計上の制限に基づいて決定されてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接を行うレーザ溶接装置に適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１００  レーザ溶接装置
１０１  被溶接材
１０２  溶接部
１０３  溶融池
１０４  キーホール
１０４ａ  底部
１０５  光干渉計
１０６  ビームスプリッタ
１０７  レーザ発振器
１０８  レーザ光伝送用光学系
１０９  第１集光光学系
１１０  移動ステージ
１１１  ステージコントローラ
１１２  コンピュータ
１１２ａ  制御部
１１２ｂ  導出部
１１２ｃ  評価部
１１３  波長走査光源
１１４  光ファイバ系
１１４ａ  第１光ファイバ系
１１４ｂ  第２光ファイバ系
１１５  第１ファイバカプラ
１１６  参照ミラー
１１７  第２ファイバカプラ
１１８  差動ディテクタ
１１８ａ  第１入力
１１８ｂ  第２入力
１１９  Ａ／Ｄ変換器
１２０  第２集光光学系
１２１  干渉フィルタ
１２２  表示部
【図１】
2020099922.tif 000003
【図２】
2020099922.tif 000004
【図３】
2020099922.tif 000005
【図４Ａ】
2020099922.tif 000006
【図４Ｂ】
2020099922.tif 000007
【図４Ｃ】
2020099922.tif 000008
【図４Ｄ】
2020099922.tif 000009
【図５Ａ】
2020099922.tif 000010
【図５Ｂ】
2020099922.tif 000011
【図６Ａ】
2020099922.tif 000012
【図６Ｂ】
2020099922.tif 000013
【図７】
2020099922.tif 000014
【図８Ａ】
2020099922.tif 000015
【図８Ｂ】
2020099922.tif 000016
【図９】
2020099922.tif 000017