(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融用エネルギの投与にて材料を溶融する溶融加工において、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融に伴う反射光の反射方向の変化を受光素子で検出して表示器に表示したことを特徴とする溶融加工の監視方法。
【請求項２】
上記受光素子として反射光の検出部を列状または格子状に配置した受光素子を用い、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融される以前において反射光による受光量の最大となる上記検出部での受光量の変化を表示器に表示したことを特徴とする請求項第１項記載の溶融加工の監視方法。
【請求項３】
上記受光素子を、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融される以前における監視用光ビームの反射光路から特定の距離だけ離すとともに監視用光ビーム照射部分の溶融後の反射光を受光する位置に配置したことを特徴とする請求項第１項記載の溶融加工の監視方法。
【請求項４】
上記受光素子として反射光の受光位置の位置情報を出力する受光素子を用い、受光素子の受光位置の位置情報により反射光の反射方向の変化を表示器に表示したことを特徴とする請求項第１項記載の溶融加工の監視方法。
【請求項５】
溶融用エネルギを発生するエネルギ発生源と、このエネルギ発生源から出力されるエネルギを制御するエネルギ制御部と、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射する光ビーム源と、この光ビームの材料表面からの反射光の受光量を検出する受光器と、この受光器による受光量と予め設定された閾値とを比較判定する比較判定回路と、この比較結果に応答して上記エネルギ発生源を制御するための信号を上記エネルギ制御部にフィードバックして上記エネルギ発生源によるエネルギ投与を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする溶融加工装置。
【請求項６】
上記受光器は、監視用光ビームの照射部分が溶融される以前における監視用光ビームの反射光路からは特定の距離だけ離し、さらに溶融後の反射光が投光されるような位置に配置することを特徴とする請求項第５項記載の溶融加工装置。
【請求項７】
溶融用エネルギを発生するエネルギ発生源と、このエネルギ発生源を制御するエネルギ制御部と、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射する光ビーム源と、この光ビームの材料表面からの反射光の受光位置を検出して受光位置の座標を出力する受光器と、この受光器からの座標に基づいて受光位置の変位距離を算定する距離算定回路と、この距離算定回路からの変位距離と予め設定された閾値とを比較判定する比較判定回路と、この比較結果に応答して上記エネルギ発生源を制御するための信号を上記エネルギ制御部にフィードバックして上記エネルギ発生源によるエネルギ投与を制御する制御回路とを備えたことを特徴とする溶融加工装置。
【請求項８】
上記比較判定回路の出力に従って材料の溶融部分の温度を低下させる冷却手段を備えたことを特徴とする請求項第５項ないし第７項のいずれかに記載の溶融加工装置。
【請求項９】
上記エネルギ発生源がパルス通電によって溶融用エネルギを発生する手段を備えたことを特徴とする請求項第５項ないし第７項のいずれかに記載の溶融加工装置。
【請求項１０】
上記エネルギ発生源がパルス通電によって溶融用エネルギを発生する手段を備え、上記光ビーム源が上記エネルギ発生源のパルス通電の周波数以上の周波数で走査する手段を備えたことを特徴とする請求項第５項ないし第７項のいずれかに記載の溶融加工装置。
【請求項１１】
溶融用エネルギの投与にて材料を溶融する溶融加工において、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、その監視用光ビームの材料表面からの反射光を受光素子で受光して受光量を電気信号に変換し、この電気信号が予め設定された閾値より小さく、かつ、加工開始からの時間が適正な加熱速度によってろう付け部の全体にわたって均一に加熱されるのに必要な時間を経過していない場合であって、加工開始からの時間が通電量を低下させることによって均熱をはかり均一なろう付け形成のできる最低必要時間以上経過している場合には、材料への通電量を所定量低下して材料への通電を所定時間継続した後に材料への通電を停止し、加工開始からの時間が上記最低必要時間を経過していない場合には、材料への通電を所定時間停止した後に材料への通電を所定時間継続してから材料への通電を停止したことを特徴とする溶融加工の制御方法。
【請求項１２】
溶融用エネルギの投与にて材料を溶融する溶融加工において、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に複数の監視用光ビームを照射し、複数の監視用光ビームの材料表面からのそれぞれの反射光を複数の受光素子で別々に受光してそれぞれの受光量をそれぞれ電気信号に変換し、複数の受光素子の受光開始後にそれぞれの電気信号が予め設定された閾値より小さくなるまでの時間を計測し、この時間のうち短い方の時間を記憶し、この閾値より小さくなるまでの時間が長い受光素子で光量を継続して検出するとともに当該受光素子が受光を開始してから現在までの時間を計測し、この現在までの時間と上記短い方の時間との差分を求め、当該受光素子の現在の受光量を変換した電気信号が上記閾値以上であり、かつ、上記差分が差分の基準最大値以上となった場合には、電気信号が上記閾値より小さくなるまで材料への通電量を所定量低下させ、また、当該受光素子の現在の受光量を変換した電気信号が上記閾値より小さくなり、かつ、上記差分が差分の基準最小値以上となった場合には、材料への通電量を所定量低下して材料への通電を所定時間継続した後に材料への通電を停止したことを特徴とする溶融加工の制御方法。
【請求項１３】
溶融用エネルギの投与にて材料を溶融する溶融加工において、材料の目標とする溶融許容部分における外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、その監視用光ビームの材料表面からの反射光を受光位置を検出する受光素子で受光し、この受光器からの座標に基づいて受光位置の変位距離を算定し、この算定した変位距離を予め設定された閾値と比較し、この変位距離が閾値より大きくなった場合に受光位置の変位方向を算出し、この変位方向を予め設定された所定変位方向と比較し、この比較結果に基づき溶融用エネルギの出力条件を決定し、この決定に応答して上記溶融用エネルギの材料への投与を制御する溶融加工の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は溶融用エネルギを投与して材料を溶融する溶融加工装置、溶融加工の制御方法および溶融加工の監視方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
材料の溶融による例えば溶接やろう付けなどのような所望の加工を行う方法では、材料の溶融進行状態が品質に大きく影響を与える。例えば溶接やろう付けのような接合加工方法は、被接合部にある被接合材と同種あるいは異種の材料を外部から投与する溶融用エネルギで溶融した後、その溶融された材料への溶融用エネルギ投与停止で凝固させ、複数の被接合材を互いに接合するものである。
【０００３】
溶融用エネルギとしては、例えばトーチ、発熱体から材料への伝熱、電気抵抗発熱、レーザのような光ビーム、アーク放電などがある。図４０には例えば溶融用エネルギとしてアーク放電を用いた従来の溶接を示す。この図４０において、溶接加工を施すための被接合材５ａと被接合材５ｂを重ね合わせ、被接合材５ａ，５ｂを接地し、その被接合材５ａ，５ｂの上部に溶接電極１を所定距離だけ離間して配置する。溶接電源２から溶接電極１に電流を供給し、溶接電極１と被接合材５ａ，５ｂとの間にアークを発生させ、被接合材５ａ，５ｂの目標とする溶融許容部分を溶融池１３に形成する。この溶融池１３が形成されたところで、上記溶接電極１への電流供給を停止すると、溶接池１３内の溶融成分が凝固し、この凝固にて被接合材５ａ，５ｂ同士が溶接された重ね継手を形成する。
【０００４】
この場合、被接合材５ａ，５ｂの接合部は溶融・凝固に伴って接合が進んでいくため、接合加工部の品質は材料の溶融進行状態に大きく左右される。
【０００５】
また、図４１には例えば二つの被接合材をその間にこれら被接合材よりも低い融点温度を有するろう材を介して、このろう材を溶融することによって被接合材同士を接合するろう付け工程の構成が示される。このろう付け工程においては、図４１に示すように被接合材５ａ，５ｂをろう材６を介して配置し、エネルギ発生源１５より加熱器１４にエネルギを投与して加熱する。ろう材６は溶融した後、被接合材５ａ，５ｂ間に広がり、被接合材５ａの周囲および被接合材５ｂの側面部に排出される。このようなろう付け工程においては、従来、後工程としてろう付け部の外観検査を行い、ろう材６の被接合材５ａ，５ｂ間での広がり具合や過剰な排出状態の不具合などといった不良を判定する方法がとられていた。
【０００６】
このような外観検査方法としては従来一つ一つ作業者の目視による検査が行われていたが、このような場合、膨大な時間および人手を要するため量産製造技術の高効率化といった点からは問題となっていた。
【０００７】
このような問題に対処する方法として例えば特開昭６０−１３３９６８号公報に記載された検査方法が知られている。図４２にはその構成、図４３には検査の原理図が示される。図４２において、３０はレーザ発振器、３１は半透鏡、３２は光ファイバ、３３，３４は集光レンズ、３５は半田、３６は受光部、３７は半田付け検査部である。このような構成において、レーザ発振器３０から発振された検査用のレーザ光は半透鏡３１によって曲げられ、光ファイバ３２、集光レンズ３３を介して半田３５に照射され、反射する。反射したレーザ光は再び光ファイバ３２、集光レンズ３４を介して受光部３６にて受光される。受光部３６での受光量を図４３のごとき電気信号に変換し、この電気信号の半田溶融状態による変化を出力する。図４４には各半田付け状態における乱反射の状態が示される。半田付け状態による乱反射の度合によって電気信号が異なり、図４４のａ図に示すような良好な半田付けの場合は、図４４のｂ図に示すいも半田付けと比較して乱反射の度合いが小さいので受光量は大きく、良好な半田付けの場合の電気信号は図４３中のＶ０Ａのように、いも半田付けの場合の電気信号Ｖ０Ｂよりも大きくなる。また、半田のない場合には図４４のｃ図に示すように乱反射方向の度合いがさらに小さくなり、電気信号は図４３中のＶ０Ｃのごとくさらに大きくなる。このような良否判定をあらかじめ設定した閾値との比較によって行い、例えば図４３のごとく出力が閾値Ｖ１とＶ２の間にあるＶ０Ａの場合には良好な半田付けであり、閾値Ｖ１より小さい電気信号Ｖ０Ｂの場合には不良ないも半田付け、閾値Ｖ２より大きい電気信号Ｖ０Ｃのような場合には半田なし不良と判断する。このようにして、半田付けの良否を判定することができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようなアーク溶接をはじめとする各種溶接においては、溶接材料の溶け込みが継手強度などの品質を左右する重要な因子となるが、溶け込みはアークを発生させる電極の形状や電極と被接合材との距離などによってばらつくため、加工材料毎に溶け込みがばらつき、溶け込み不良が発生するといった問題点があった。
【０００９】
また、ろう付けの検査方法として上記のような方法によって、いもろう付け、ろう無しといった不具合を判定することはできるが、ろう材の広がり形状を特定するのは困難であり、特に、ろう材の溶融中において、溶融ろう材が過剰な範囲に流れた場合に、その範囲を判別することが難しく、また、品質の判定にとって重要なフィレットの形成状態について詳細に判別することができないという問題点があった。
【００１０】
また、ろう付けをはじめとする溶融加工においては、従来ろう材などの溶融状態を作業者が目視によって判断しつつ加工条件などを変更しているため、加工の不良率低減といった点においても限界があり、問題であった。
【００１１】
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、溶融用エネルギを投与して材料を溶融する溶融加工において、溶融加工の進行に伴って材料の特定の部位が溶融状態に達したか否かを判定し、品質の良否を大きく反映する溶融後の材料の溶融領域の広がり量および流動量さらには形状といった溶融状態を加工中にリアルタイムで監視する方法、および材料の溶融状態を制御することによって加工品質を安定にする溶融加工装置、およびその制御方法を提供することを目的とする。
また、照射点の表面状態の変化やフラックスをはじめとする表面活性剤の蒸発、飛散といった光ビームの散乱の影響を受けることなく安定に溶融状態を監視することを目的とする。
また、材料の溶融範囲を一定基準範囲に安定性よく抑性することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る溶融加工の監視方法は、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融に伴う反射光の反射方向の変化を受光素子で検出して表示器に表示したことを特徴とする。
請求項２では、上記受光素子として反射光の検出部を列状または格子状に配置した受光素子を用い、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融される以前において反射光による受光量の最大となる上記検出部での受光量の変化を表示器に表示した。
請求項３では、上記受光素子を、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融される以前における監視用光ビームの反射光路から特定の距離だけ離すとともに監視用光ビーム照射部分の溶融後の反射光を受光する位置に配置した。
請求項４では、上記受光素子として反射光の受光位置の位置情報を出力する受光素子を用い、受光素子の受光位置の位置情報により反射光の反射方向の変化を表示器に表示した。
請求項５に係る溶融加工装置は、エネルギ発生源とエネルギ制御部と光ビーム源と受光器と比較判定回路と制御回路とを備え、エネルギ発生源が溶融用エネルギを発生し、エネルギ制御部がエネルギ発生源から出力される溶融用エネルギを制御し、光ビーム源が目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、受光器が光ビームの材料表面からの反射光の受光量を検出し、比較判定回路が受光器での受光量と予め設定された閾値とを比較し、制御回路が比較判定回路からの比較結果に応答してエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてエネルギ発生源によるエネルギ投与を制御する。
請求項６では、上記受光器を、監視用光ビームの照射部分が溶融される以前における監視用光ビームの反射光路からは特定の距離だけ離し、さらに溶融後の反射光が投光されるような位置に配置した。
請求項７に係る溶融加工装置は、エネルギ発生源とエネルギ制御部と光ビーム源と受光器と距離算定回路と比較判定回路と制御回路とを備え、エネルギ発生源が溶融用エネルギを発生し、エネルギ制御部がエネルギ発生源から出力される溶融用エネルギを制御し、光ビーム源が目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、受光器が光ビームの材料表面からの反射光の受光位置を検出して受光位置に応じた位置座標情報を出力し、距離算定回路が受光器からの位置座標情報に基づき受光位置の変位距離を算定し、比較判定回路が距離算定回路からの変位距離と予め設定された閾値とを比較し、制御回路が比較判定回路からの比較結果に応答して上記エネルギ発生源を制御するための信号を上記エネルギ制御部にフィードバックして上記エネルギ発生源によるエネルギ投与を制御することを特徴とする。
請求項８では、上記比較判定回路の出力に従って材料の溶融部分の温度を低下させる冷却手段を備えた。
請求項９では、上記エネルギ発生源がパルス通電によって溶融用エネルギを発生する手段を備えた。
請求項１０では、エネルギ発生源がパルス通電によって溶融用エネルギを発生する手段を備え、上記光ビーム源が上記エネルギ発生源のパルス通電の周波数以上の周波数で走査する手段を備えた。
請求項１１に係る溶融加工の制御方法は、材料を溶融する溶融加工において、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、その監視用光ビームの材料表面からの反射光を受光素子で受光して受光量を電気信号に変換し、この電気信号が予め設定された閾値より小さく、かつ、加工開始からの時間が適正な加熱速度によってろう付け部の全体にわたって均一に加熱されるのに必要な時間を経過していない場合であって、加工開始からの時間が通電量を低下させることによって均熱をはかり均一なろう付け形成のできる最低必要時間以上経過している場合には、材料への通電量を所定量低下して材料への通電を所定時間継続した後に材料への通電を停止し、加工開始からの時間が上記最低必要時間を経過していない場合には、材料への通電を所定時間停止した後に材料への通電を所定時間継続してから材料への通電を停止した。
請求項１２に係る溶融加工の制御方法は、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に複数の監視用光ビームを照射し、複数の監視用光ビームの材料表面からのそれぞれの反射光を複数の受光素子で別々に受光してそれぞれの受光量をそれぞれ電気信号に変換し、複数の受光素子の受光開始後にそれぞれの電気信号が予め設定された閾値より小さくなるまでの時間を計測し、この時間のうち短い方の時間を記憶し、この閾値より小さくなるまでの時間が長い受光素子で光量を継続して検出するとともに当該受光素子が受光を開始してから現在までの時間を計測し、この現在までの時間と上記短い方の時間との差分を求め、当該受光素子の現在の受光量を変換した電気信号が上記閾値以上であり、かつ、上記差分が差分の基準最大値以上となった場合には、電気信号が上記閾値より小さくなるまで材料への通電量を所定量低下させ、また、当該受光素子の現在の受光量を変換した電気信号が上記閾値より小さくなり、かつ、上記差分が差分の基準最小値以上となった場合には、材料への通電量を所定量低下して材料への通電を所定時間継続した後に材料への通電を停止した。
請求項１３に係る溶融加工の制御方法は、目標とする材料溶融許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面または目標とする溶融材料流れ許容部分の外周部表面に監視用光ビームを照射し、その監視用光ビームの材料表面からの反射光を受光位置を検出する受光素子で受光し、この受光器からの座標に基づいて受光位置の変位距離を算定し、この算定した変位距離を予め設定された閾値と比較し、この変位距離が閾値より大きくなった場合に受光位置の変位方向を算出し、この変位方向を予め設定された所定変位方向と比較し、この比較結果に基づき溶融用エネルギの出力条件を決定し、この決定に応答して上記溶融用エネルギの材料への投与を制御する。
【００２５】
【作用】
請求項１では、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融に伴う反射光の反射方向の変化を受光素子で検出して表示器に表示することによって、監視用光ビーム照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を監視する。
請求項２では、監視用光ビーム照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、反射光の検出部を列状または格子状に配置した受光素子で検出する。
請求項３では、監視用光ビーム照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、監視用光ビーム照射部分の溶融後の反射光を受光する位置に配置された受光素子で検出する。
請求項４では、監視用光ビーム照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、反射光の受光位置の位置情報を出力する受光素子からの位置情報により検出する。
請求項５では、受光量と閾値との比較によって、材料に投与される溶融用エネルギの投与を制御する。例えば制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから所定時間後に、溶融用エネルギの投与を停止するか、または制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから溶融用エネルギの投与量を低下し、その溶融用エネルギの投与量低下から所定時間後に溶融用エネルギの投与を停止する。
請求項６では、受光量と閾値との比較によって、材料に投与される溶融用エネルギの投与を制御する。例えば、制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから所定時間後に溶融エネルギの投与を停止するか、または制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから溶融用エネルギの投与量を低下し、その溶融用エネルギの投与量低下から所定時間後に溶融用エネルギの投与を停止する。
請求項７では、受光位置の変位距離と閾値との比較によって、材料に投与される溶融用エネルギの投与を制御する。例えば制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから所定時間後に、溶融用エネルギの投与を停止するか、または制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから溶融用エネルギの投与量を低下し、その溶融用エネルギの投与量低下から所定時間後に溶融用エネルギの投与を停止する。
請求項８では、冷却手段が溶融部分の流動を抑制する。
請求項９では、エネルギ発生源からのパルス通電加熱による溶融用エネルギが材料に電磁ピンチ効果を誘発する。
請求項１０では、エネルギ発生源からのパルス通電加熱による溶融用エネルギが走査するので、走査半周期分での受光量変化を、溶融材料の流動１周期分以内でとらえる。
請求項１１では、受光位置の変位距離と閾値との比較結果を所定設定時間と比較して、溶融用エネルギの投入量と投入時間とを制御し、材料の均熱化を図る。
請求項１２では、溶融加工の経過時間が所定設定時間以内である場合に、溶融用エネルギの出力条件を制御し、材料の均熱化の精度を高める。
請求項１３では、受光位置の変位方向と変位位置とで溶融用エネルギの出力条件を制御し、容易な構成で材料の均熱化の精度を高める。
【００３８】
【実施例】
以下、この発明の各実施例を図１乃至図３９を用い、前述の従来例と同一部分に同一符号を付して説明する。
実施例１．
図１はこの発明の実施例１に係る溶融加工の監視方法を採用する溶融加工装置の構成を示すブロック図、図２はこの実施例１の被接合材の溶融池の表面状態と溶融用エネルギの照射部分を拡大して示す断面図、図３はこの実施例１の受光量の変化を示す図である。材料を溶融するための溶融用エネルギとしては、例えばトーチ、発熱体から材料への伝熱、電気抵抗発熱、レーザのような光ビーム、アーク放電が一般にはあるが、この実施例１ではアーク加熱を利用したスポット溶接を例に挙げて説明する。図１において、被接合材５ａと被接合材５ｂを重ね合わせるとともに接地し、その被接合材５ａ，５ｂの上部に離間配置した溶接電極１に電流を溶接電源２から供給し、溶接電極１と被接合材５ａ，５ｂとの間にアークを発生させ、被接合材５ａ，５ｂの目標とする溶融許容部分を溶融池１３に形成する。この溶融池１３の深さと表面積とは比例の関係にある。
【００３９】
具体的には、被接合材５ａ，５ｂの材質と溶融用エネルギの強さとがわかり、溶融池１３の表面積の直径が何ミリメートルならば、溶融池１３の深さは被接合材５ａの表面から何ミリメートルであるというように、溶融池１３の表面積の直径から溶融池１３の深さを正確に予測することができる。よって、この実施例１の監視方法では、上記のようなアークスポット溶接において、光発生源３と集光レンズ４からなる光ビーム源３４０を溶接電極１の側方に離間配置し、光発生源３で発生した監視用光ビーム９を集光レンズ４で集光し、その集光された監視用光ビーム９のスポットを目標とする材料溶融許容部分の外周部表面に設定された照射点１２に照射するようにする。そして、照射点１２での監視用光ビーム９の反射光１０を受光するように受光素子７を配置する。この照射点１２は被接合材５ａ，５ｂを適切に接合するための溶融許容部分としの溶融池１３の深さから溶融池１３の表面積の直径を算出し、その算出された溶融池１３の外周部となる被接合材５ａの表面に設定されていることから、溶融加工の初期において照射点１２は被接合材５ａの固体表面にあり、溶融加工の進行によって溶融池１３の深さが深くなるとともに表面積が広がり、その溶融池１３の深さが設定深さとなる時期において照射点１２が溶融池１３の外周部表面に位置することになる。上記受光素子７は、例えばフォトダイオードやフォトトランジスタなどのような光量を検出する検出部８がアレイ状（列状または格子状）に配置された受光素子であり、このような受光素子７としては市販されているフォトダイオードやＣＣＤなどが用いられる。この受光素子７の各検出部８の受光量を光電変換回路１０１で電圧値あるいは電流値などの電気信号Ｖに変換する。この受光素子７の出力端に接続された最大受光部判定回路１０２は、溶接加工開始前もしくは溶接加工開始後における特定の加工経過時間後の被接合材５ａの固体状態になったままの溶接許容部分の外周部表面に位置する照射点１２からの監視用光ビーム９の反射光１０の受光量が最も大きくなる検出部８を判定し、その検出部８の出力を表示回路１０３に出力する。表示回路１０３は最大受光部判定回路１０２から出力に応じ受光量が最も大きくなる検出部８の受光量に相当する電気信号Ｖの内容を表示器１０４に表示させる。
【００４０】
溶融加工において、一般的には、材料保持治具の寸法精度、がたつき、あるいは光ビーム源および受光素子の位置決め誤差および材料自身の寸法精度などによって、材料に照射される監視用光ビームの反射光の受光位置にはずれを生じ、受光範囲の狭い単体の検出部のみ有するような受光素子では受光量が変わり、安定して溶融加工を監視することが困難になる。これに対して、この実施例１のごとく受光素子として光量を検出する検出部８をアレイ状に配置した受光素子７を用いれば、上記受光位置のずれに左右されず、受光素子７がほぼ一定の光量を検出することができる。しかも、この実施例１では溶融加工の初期において照射点１２は被接合材５ａの固体表面にあり、溶融加工の進行によって溶融池１３の深さが深くなるとともに表面積が広がり、その溶融池１３の深さが設定深さとなる時期において照射点１２が溶融池１３の外周部表面に位置するというように、照射点１２を溶接許容部分の外周部表面に設定し、この照射点１２からの反射光１０を受光素子７で受光し、この受光素子７の溶融加工中での出力の変化を検出して、溶接加工中の被接合材５ａ，５ｂの溶融状態を監視するので、溶融池１３の深さが被接合材５ａ，５ｂの溶接加工に適切な設定深さに到達したことを正確にリアルタイムで監視できる。つまり、アーク圧力と溶融池１３内の溶融物の表面張力および対流によって表面形状にゆらぎが発生する。そして、溶融加工が進行し、溶融池１３の深さが設定深さに到達し、溶融池１３の表面積が広がり、その溶融加工の進行に伴う溶融池１３の表面積の外周部が図２に示すように照射点１２に達すると、図２に点線で示すそれまでの監視用光ビーム９の反射光１０は溶融池１３の外周部の山形を描くゆらぎに応じ実線で示す反射光１１へと反射方向が不規則に変化し、照射点１２からの反射光は実線示の反射光１０と仮想線示の反射光１１との間を往復するため、それまで受光量が最大であった検出部８での受光量は激しく変化し、その変化の様子が表示器１０４に表示される。よって、この表示器１０４の表示を視認することによって、溶融池１３の深さが図１に示すように被接合材５ａから被接合材５ｂにわたって形成され、被接合材５ａ，５ｂの溶接加工に適切な設定深さに到達したことを正確にリアルタイムで監視できる。
【００４１】
上記照射点１２からの反射光の変化の様子について図３を用い説明する。溶接加工開始初期で照射点１２における被接合材５ａ，５ｂが溶融する前において、反射光１０の受光量が最も大きくなる検出部８の電気信号Ｖに対応する表示器１０４に表示される光量の変化は、照射点１２まわりの被接合材５ａ表面が加熱に伴い徐々に表面状態が変化する状態変化によって、ラインＡ〜Ｂのように振幅の少ない時間幅の大きな緩やか変化となる。この後、溶接加工の進行で溶融池１３の深さと表面積とが広がり、溶融池１３の表面積の外周部が照射点１２に達すると、監視用光ビーム９の反射光は図２に点線で示す反射光１０と実線で示す反射光１との間で不規則に変化するため、検出部８からの電気信号Ｖに対応する表示器１０４に表示される光量の変化は、ラインＢ〜Ｃのごとく振幅の大きい時間幅の小さな激しい変化となり、結果として、照射点１２が溶融したことを瞬時に的確に判定することができる。特に、レーザ加熱やアーク加熱の場合には、溶融用エネルギが溶融物を押圧する方向の力が溶融池１３の中央部に働くため、図２に示すように、溶融池１３の表面中央部は凹状になり、溶融池１３の表面外周部は凸状になり、結果として、反射光１０，１１というように、監視用光ビーム９の反射光の反射方向に変化が生じるため、より感度よく溶融加工を監視することができる。
【００４２】
監視用光ビーム９としては白色光、キセノンランプ光およびレーザ光などがあるが、集光性に優れたレーザ光を用いるのが好ましく、また、装置構成上、発振器が小さく光軸合わせの容易な可視レーザ光を発振する半導体レーザ、Ｈｅ−Ｎｅレーザが好ましい。また監視用光ビーム９のスポット径としては小さいほど材料溶融状態の平均的情報ではなく局部的情報が得られる。すなわち、加熱中心部が溶融を開始して溶融する領域が広がり、監視用光ビーム９の照射点が固体から溶融状態に変化する現象を瞬時にとらえることができるため、感度よく溶融加工を監視でき、概ねφ０．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、照射点への入射角は大きい方が良く、具体的には半導体レーザを用いた場合、出力１ｍＷ以上のものであれば、入射角が概ね４０°以上であれば拡散反射成分が抑制されて効率良く受光できる。
【００４３】
ここで良好な溶接継手性能を得るためには、適正な溶け込み深さが必要となるが、溶け込み深さ（溶融池１３の深さ）と溶融幅（溶融池１３の表面積）の関係は投与するエネルギの種類や投与量によって決定することができるので、所望の溶け込み深さが得られる溶融幅をあらかじめ求めておき、その溶融幅の外周部表面に監視用光ビーム９を照射し、照射点１２が溶融したかどうかを判定することにより、溶接品質を適切に監視することができる。
【００４４】
実施例２．
図４はこの発明の実施例２に係る溶融加工の監視方法を採用した溶融加工装置の構成を示すブロック図であり、上記実施例１の図１と同じものには同一の符号を用い、その説明を省略する。図５はこの実施例２の被接合材の溶融したろう材の状態と溶融用エネルギの照射部分を拡大して示す断面図、図６はこの実施例２の受光量の変化を示す図である。この実施例２の溶融加工としては、図５に示すように被接合材５ａ，５ｂの間に被接合材よりも低い溶融温度を有するろう材６を介在させて加熱し、ろう材６を溶融することによって接合するろう付けを例として図示して説明する。ろう材６は被接合材の材質に応じて選定され、例えば、はんだ、銀ろう、りん銅ろう、銅ろう、ニッケルろう、金ろうなどである。
【００４５】
実施例１の溶接加工の監視方法は監視用光ビーム９を照射した材料自身が溶融するものであったが、この実施例２のろう付け加工の監視方法は、図５に示すように、ろう材６が溶融して被接合材５ａ，５ｂ間から流出し、その流出したろう材６の表面が被接合材５ａの角部と被接合材５ｂに対する監視用光ビーム９の照射点１２とを結ぶ傾斜面を呈し、ろう材６の流動先端部が照射点１２に達すると、図４に示すように、照射点１２における監視用光ビーム９の反射光１０の反射方向の変化をアレイ状の受光素子７，光電変換回路１０１，最大受光部判定回路１０２，表示回路１０３および表示器１０４でとらえることによって、ろう材６が照射点１２に流動してきたことを監視することができる。
【００４６】
具体的には、この実施例２の溶融加工の監視方法によれば、ろう材６が溶融する前の監視用光ビーム９の反射光１０の受光量が最も大きくなる検出部８の光量に対応する電気信号Ｖは、照射点１２まわりの被接合材５ａの表面状態の加熱に伴う変化によって、図６に示すラインＡ〜Ｂのように振幅の少ない時間幅の大きな緩やか変化であり、その後、ろう材６が溶融して被接合材５ａ，５ｂ間から流出して照射点１２に達すると、それまでの監視用光ビーム９の反射光１０はろう材の流動形状によって反射光１１へと反射方向が変化するため、それまで受光量が最大であった検出部８の受光量は著しく低下し、その結果、電気信号Ｖは図６に示すラインＢ〜Ｃのごとく急激に低下したままとなるので、ろう材６が流動してきたことを判定することができる。この実施例２では電気信号を表示したが、最大受光部判定回路１０２の次に、この出力と閾値Ｖｔｈ１との比較を行なう比較判定回路を設け、電気信号がＶｔｈ１以下になった場合に表示回路１０３を通して例えばＬＥＤなどを点灯するようにして、ろうが流動してきたことを表示してもよい。
【００４７】
また、照射点１２に入射するレーザのスポット径としては、ろう材６として銀ろう、りん銅ろうを用いた場合に概ねφ０．５ｍｍ以下であれば、流動形状に対して瞬時に方向が変化して感度良く溶融加工を監視することができる。照射点１２への入射角は大きい方が良い。監視用光ビーム９として半導体レーザ光を用いた場合、出力１ｍＷ以上のものであれば、入射角は概ね４０°以上であれば拡散反射成分が抑制されて効率良く受光できる。また、ろう材６の流動方向に対して垂直方向ないし流動方向に対向する方向から照射すると、ろう材６の流動先端部の形状変化に対して正確に溶融加工を監視することができる。
【００４８】
以上のような溶融加工の監視方法を用いて、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を、銀ろうあるいはりん銅ろうを用いてろう付けし、波長６８０ｎｍ〜７８０ｎｍの半導体レーザ光をろう付け面にほぼ平行に照射して、照射点１２のスポット径をφ０．５ｍｍとして、ろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合部から３ｍｍ程度離れた所に照射し、受光素子７として、５ｍｍ×５ｍｍのフォトダイオードからなる検出部８が０．５ｍｍのギャップをもって縦横４素子ずつ配置した受光素子を用いて監視し、ろう付けの良否をＬＥＤ点灯の有無によって判定したところ、ろう材６が流動してきたか否かを監視することができ、ろう流れ不足、ろう流れ過大といった不良品を正確に判定することができた。
【００４９】
実施例３．
この実施例３では受光素子７は、監視用光ビーム９の照射部分が溶融される以前における監視用光ビーム９の反射光路からは特定の距離だけ離し、さらに溶融後の反射光１１が投光されるような位置に配置した場合の別の実施例を示す。またこの実施例は上記実施例１及び実施例２と比べて受光素子７はろう材６の流動する向きと同じ向きにずらして配置した例である。図７はこの実施例３はこの実施例３における溶融加工装置の構成を示すブロック図であり、上記実施例１の図１および実施例２の図４と同じものには同一の符号を用い、その説明を省略する。図７はこの実施例３での監視用光ビーム９の照射部分が溶融状態になる前後の監視用光ビーム９の反射光の受光素子７を含む面上での変化を示すものであり、図８はこの実施例３における受光量の変化を示す図である。この実施例３における溶融加工としては実施例２と同様にろう付けを例として図示して説明する。
【００５０】
監視用光ビーム９の照射点はろう材６の流動先端部が達する前に、被接合材５ａ，５ｂの表面状態の加熱に伴う変化、特に酸化によって光ビームの反射率が変化する。さらに、被接合材５ａ，５ｂの表面を活性化して、ろう材６の流動を確保するためフラックスをはじめとする表面活性剤を使用する場合、加熱によって蒸発、飛散するため、反射光が散乱されることにより、受光量の変化が不規則になり、反射方向の変化による受光量の低下が顕著に検出できない場合がある。
【００５１】
この実施例３における反射光の変化と受光量の変化を図８を用いて説明する。図７において、材料溶融前においては材料溶融前の光ビームの反射光１０の受光位置が受光素子上から離れた位置になるように、さらに、照射点の材料溶融後の反射光路（方向変化した反射光１１）と受光素子７の位置関係を設定する。このような設定にすることによる受光量の変化を図８によって説明する。まず、材料溶融前の光ビーム反射光１０は受光素子７には入らないため、受光量はラインＥ〜Ｆのごとくバックグラウンドレベルでほぼ一定である。次に、ろう材６が溶融して反射方向が変化すると、少なくとも瞬間的には受光素子７は監視用光ビーム９の反射光を検出するために、受光量はラインＦ〜Ｇのごとく急峻に立ち上がり、ろうが流出してきたことを判定することができる。例えば、この受光量とあらかじめ設定した閾値との比較を行う比較判定回路１０７を設け、受光量が閾値以上になった場合に表示回路１０３を通して、例えばＬＥＤなどを点灯するようにしてろうが流動してきたことを表示器１０４で表示してもよい。
【００５２】
以上のような溶融加工の監視方法を用いることによって、被接合材５ａ，５ｂ表面の加熱に伴う光ビームの反射率の変化や、例えばフラックスをはじめとする表面活性剤の蒸発、飛散による反射光の散乱の影響を受けることなく、反射方向の変化による受光量の変化が安定に検出することができる。
【００５３】
例えば、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を、銀ろうあるいはりん銅ろうを用いてろう付けし、波長６８０ｎｍ〜７８０ｎｍの半導体レーザ光をろう付け面にほぼ並行に照射して、照射点のスポット径を¢０．５ｍｍとして、ろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合から下方に３ｍｍ程度離れた所に照射し、受光素子として３０ｍｍ×５ｍｍのろう付け部の長手方向に長い寸法を有するフォトダイオードを用いて、材料溶融前においてフォトダイオードの上方５ｍｍ程度離れたところに反射光の受光位置がくるようにしてろう付けの良否をＬＥＤ点灯の有無によって判定したところ、ろう材が流動してきたか否かを監視することができ、ろう流れ不足、ろう流れ課題といった不良品を正確に判定することができた。
【００５４】
実施例４．
図９は、この発明の実施例４に係る溶融加工の監視方法を採用した溶融加工装置の構成を示すブロック図、図１０はこの実施例４の位置検出素子にて構成した受光素子上の光ビームの反射光の受光位置変化を示す概略図、図１１はこの実施例４の受光位置の変位距離ｒの変化を示す図である。この実施例４の溶融加工の監視方法は、図９に示すように、溶融加工として実施例２と同様なろう付け加工を例として掲げ、受光素子として受光位置を検出するための受光素子１６を用いた溶融加工の監視方法を例として図示してある。受光素子１６としては例えばフォトダイオードの表面抵抗を利用した非分割型位置センサ（ＰＳＤ）を用いる。図９において、ろう材６が溶融して被接合材５ａ，５ｂ間から流出し、ろう材６の流動先端部が照射点１２に達すると、照射点１２における監視用光ビーム９の反射光１０の反射方向の変化を受光素子１６および座標演算回路１０５によって位置座標情報として変換して距離算定回路１０６に出力し、距離算定回路１０６によって受光位置の変位距離ｒを算定し、変位距離ｒを表示回路１０３を経て表示器１０４に表示することによって、ろう材６が照射点１２に流動してきたことを監視することができる。
【００５５】
具体的には、この実施例４の溶融加工の監視方法によれば、ろう材６が溶融する前には照射点１２で監視用光ビーム９の反射光１０の方向は変化しないため、受光素子１６上での受光位置１７ａは図１０に示すように変化せず、変位距離ｒは図１１に示すようにラインＡ〜Ｂのようにほぼ０で一定である（変位距離ｒ＝ｒ０  ）。その後、ろう材６が溶融して照射点１２に流動してくると、監視用光ビーム９の反射光１０の方向が反射光１１（図５参照）のように変化するため、受光素子１６上の受光位置１７ａが図１０に示す位置１８ａへと変化し、表示曲線は図１１に示すように０から変化した変位距離分だけラインＢ〜Ｃのごとく急峻に立ち上がり、ろう材６が照射点１２に流出してきたことを判定することができる。例えば、距離算定回路１０６において閾値ｒｔｈを設定して、変位距離ｒと閾値ｒｔｈを比較することによって、ろう材６が照射点１２に流出してきたことを判定してもよい。
【００５６】
この実施例４では、例えば受光素子１６としてＰＳＤを用いた例を示したが、フォトダイオード、フォトトランジスタのような光量を検出する検出部がアレイ状に配置された受光素子６として、市販されているフォトダイオードアレイ、ＣＣＤを用いてもよく、この場合には受光素子からの出力を受けて、反射光強度分布の重心もしくは最大部を検出する検出部の位置を座標情報として出力する演算回路を設ければよい。
【００５７】
この実施例４では、光ビームの照射点が固体状態である場合と溶融状態になる場合での形状変化が大きければ感度良く監視することができる。このため、ろう付け以外においても、実施例１で示した図２のごとくアーク圧力や溶融によって蒸発反力などの外圧が働き、溶融先端形状が特定の形状に大きく変化するレーザ加熱もしくはアーク加熱といったエネルギ投与による溶融加工の場合にも同様の効果が得られる。
【００５８】
以上のように構成された本実施例４の溶融加工装置において、加工中の受光位置は反射方向の変化によってのみ変位し、材質や材料の表面状態の影響を考慮することなく、ろう流れ不足、ろう流れ過大といった不良を正確に判定することができる。
【００５９】
実施例５．
この実施例５では受光素子として受光位置を検出するための受光素子１６を用いた場合の溶融加工の監視方法の別の実施例を示す。位置検出素子としては、例えばフォトダイオードの表面抵抗を利用した非分割型位置センサ（ＰＳＤ）を用い、図９の距離算定回路１０６の他に位置の変位方向θを算定する方向算定回路（図示せず）を有する。このような構成で、受光位置の変位距離ｒを閾値ｒｔｈと比較して照射点へのろうの流動を判定し、受光位置の変位方向θを算定して表示することによって、ろう材がどのような形状で流動してきたか知ることができる。図１３および図１５には、ろう材の流動形状と反射光受光位置の変位方向算定値θとの関係を示す。図１２は接合部全体にろう材６が広がった良好なろう付け状態を示したものであり、このような流動形状においては受光素子（ＰＳＤ）１６上の受光位置１７ｂは位置１８ｂへと変化し、変位方向算定値は図１３のθ１のごとく小さくなる。一方、図１４のごとく未ろう付け部２４が発生するような場合には受光位置は位置１８ｃへと変化し、変位方向算定値θは図１５のθ２のごとく大きくなる。このような良否の判定を閾値θｔｈを設定して変位方向算定値θと閾値θｔｈを比較することにより、ろう付けの良否を判定することができる。閾値θｔｈは被接合材の形状、ろう付け部と光ビーム９の照射点１２との距離などに応じて設定するが、概ね３０°〜６０°の範囲に設定するのがよい。
【００６０】
この実施例５においては、ろう材６が溶融して被接合材５ａ，５ｂから流出して被接合材５ａ，５ｂの表面もしくは側面を流動してくる場合について、照射点１２へのろう材６の流出による反射方向の変化を検出するものであり、特に電気接点と台座とのろう付けのように、ろう材６の流出形状と未ろう接発生の有無との相関性が大きい場合において有効である。
【００６１】
このような溶融加工の監視方法を用いて例えば、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を、銀ろうあるいはりん銅ろうを用いてろう付けし、半導体レーザ光をろう付け面にほぼ平行に照射して、照射点１２のスポット径をφ０．５ｍｍとしてろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合部から３ｍｍ程度離れた所に照射し、受光素子１６として１３ｍｍ×１３ｍｍのＰＳＤを用いてろう付けの良否をＬＥＤ点灯の有無によって判定したところ、ろう材６が流動してきたか否かを監視することができ、さらに閾値θを４５°に設定することによってろう流れ不足、ろう流れ過大および未ろう接の発生といった不良を正確に判定することができた。
【００６２】
実施例６．
図１６はこの発明の実施例６に係る溶融加工装置の構成を示すブロック図、図１７はこの実施例６の受光器の受光素子が検出した受光量を電気信号に変換した波形を示す図である。この実施例６では溶融用エネルギとして、例えば誘導加熱、光ビーム加熱、トーチ加熱などを用いたろう付けを例に挙げて説明する。図１６において、エネルギ制御部１１０からの制御信号によってエネルギ発生源１１１から材料へ溶融用エネルギを投与する。この投与された溶融用エネルギによってろう材６が溶融して被接合材５ａ，５ｂ同士を接合する。監視用光ビーム９を発生する光ビーム源３４０は光発生源３と集光レンズ４とから構成され、ろう材６の流動してくる被接合材５ａ，５ｂの表面に監視用光ビーム９を照射する。受光器１０８ａは監視用光ビーム９の反射光１０の光量を検出する受光素子２０と受光量を電気信号Ｖに変換する光電変換回路１０１によって構成され、受光素子２０としては、例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池などが用いられる。１０７は電気信号Ｖを閾値Ｖｔｈと比較判定する比較判定回路、１０９は比較判定回路１０７ａからの信号を受けてエネルギ発生源１１１の通電電流の低下量を設定もしくは通電停止を設定するための信号をエネルギ制御部１１０にフィードバックしてエネルギ発生源１１１によるエネルギ投与を制御する制御回路である。また、１１２は冷却器制御回路１１３および冷却器１１４から構成された冷却手段である。
【００６３】
上記のように構成された溶融加工装置の動作を以下に説明する。ろう材６が溶融する前は加熱に伴う材料表面状態の影響を受けて図１７に示すラインＡ〜Ｂのごとく振幅の少ない時間幅の大きな緩やかに変化する。さらに溶融加工が進行し、ろう材６が溶融して照射点１２に流動してくると、その形状によって反射光１０が反射光１１となるように、監視用光ビーム９の反射方向が変化し、反射方向が変化した反射光１１が受光素子２０の検出部から外れるため、受光素子２０の受光量は図１７に示すラインＢ〜Ｃのごとく急峻に低下する。電気信号Ｖはあらかじめ設定された閾値Ｖｔｈと比較判定回路１０７ａにおいて随時比較判定され、ろう材６の流動によって電気信号ＶがラインＢ〜ＣのごとくＶｔｈより小さくなった時点で制御回路１０９に比較判定結果を送り制御回路１０９から信号をエネルギ制御部１１０にフィードバックして所定設定時間経過した後にエネルギ投与を停止する、もしくは投与量を低下して所定時間投与後エネルギ投与を停止する。
【００６４】
以上のような溶融加工装置において、材料の光ビーム照射点への流動を検出して材料へのエネルギ投与を制御することにより、材料の溶融範囲を一定基準範囲に抑制することができる。
【００６５】
溶融加工による材料の溶融凝固過程は、主として材料の温度によって支配されるため、溶融形成領域は加工する材料の加熱状態によって決まる。すなわち、比熱、熱伝導率といった溶融される材料の物性、溶融される材料の形状、治具配置といった奪熱構造によってはエネルギ投与を停止してから、温度が低下して溶融物の流動が停止して凝固するまでに時間差が生じる。また、誘導加熱、光ビーム加熱、トーチ加熱、といった傍熱による溶融加工の場合には、エネルギ投与の制御よりも温度低下が遅れを持つ場合がある。このような場合には、エネルギ投与量を低下するもしくは投与停止するとともに、比較判定回路１０７の出力を冷却手段１１２の冷却器制御回路１１３に送って冷却器１１４を作動し、溶融物の温度を強制的に低下させ、溶融の広がり、もしくは流動を抑制することによって精度良く溶融加工の制御を行うことができる。
【００６６】
このような溶融加工装置の冷却手段１１２としては例えば、ガス、液体のごとく流体を冷媒として冷却する手段、あるいは固体状の冷却器を溶融部近傍に押し付けることによって冷却する手段があり、この実施例６では流体を冷媒にした冷却手段を例として図１６に図示してある。冷却手段１１２は冷却器制御回路１１３と冷却器１１４から構成され、冷却器制御回路１１３は比較判定回路１０７によって電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈよりも小さくなった場合に比較判定回路１０７からの出力信号によって冷却器１１４を作動させる。冷却器１１４はガスあるいは液体を冷媒とする場合には、冷媒貯蔵部、冷媒圧力、流量調節部、開閉弁などより構成され、冷却制御回路１１３の出力によって開閉弁を開いて材料の溶融部に冷媒を供給して冷却する。冷媒ガスは材料の溶融部の酸化を防止するために例えば、アルゴン、ヘリウム、窒素といった不活性ガスが好ましい。また、冷媒が液体である場合には例えば水、液化窒素などが比較的安価に入手でき工業的利用価値が高い。
【００６７】
溶融される材料の熱伝導、比熱、形状に応じて冷却媒体の供給量を設定し、溶融された材料を冷却することにより、エネルギ投与手段に関わらず、溶融部の流動を抑制することができ、溶融加工の制御をより安定に行うことができる。
【００６８】
実施例７．
図１８はこの発明の実施例７に係る溶融加工装置の構成を示すブロック図、図１９および図２０はこの実施例７のろう材６の流動先端部の形状を示す断面図、図２１はこの交流パルス通電とろう材の流動との関係を示す図である。この実施例７は溶融加工として特に電気抵抗発熱を用いたろう付けの場合の実施例である。図１８において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、反射光１０、反射光１１、照射点１２、受光素子２０、光電変換回路１０１、比較判定回路１０７、受光器１０８ａ、制御回路１０９、通電制御回路１１５およびエネルギ発生源１９６を備える。受光器１０８ａは監視用光ビーム９の反射光１０の光量を検出する受光素子２０と受光量を電気信号Ｖに変換する光電変換回路１０１によって構成され、受光素子２０としては例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池などが用いられる。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。一対の電極１９ａ，１９ｂ間には被接合材５ａ，５ｂが介在され、被接合材５ａ，５ｂ間にはろう材６が介在され、一対の電極１９ａ，１９ｂはろう材６を被接合材５ａ，５ｂを介して挟持する。電源１１６はリード線２１を介して電極１９ａ，１９ｂから被接合材５ａ，５ｂを経てろう材６に電流を供給する。ろう材６は供給された電流によってジュール熱を生じて加熱され溶融して被接合材５ａ，５ｂ同士を接合する。通電制御回路１１５は制御回路１０９からの信号を受けて通電電流を制御する信号を電源１１６に出力する。つまり、この通電制御回路１１５は溶融用エネルギ発生源としての電源１６がパルス通電によって溶融用エネルギを発生する手段を構成する。
【００６９】
この実施例７の電気抵抗発熱を用いたろう付けにおいては、被接合材５ａ，５ｂおよびろう材６に電磁ピンチ効果が生まれる。すなわち、導体中を流れる電流によって電磁力がはたらき、例えば導体が溶融金属のような液体である場合にはこの力が導体内部への圧縮力（ピンチ力Ｆ）となって働く。ピンチ力Ｆの大きさは通電電流値Ｉの２乗に比例する。このようなピンチ力Ｆによってろう材の流動先端部の形状は変形し、通電電流値Ｉが大きければ変形量が増加するため、監視用光ビーム９を照射した照射点１２へのろう材６の流動によって、監視用光ビーム６の反射方向の変化は大きくなるため、この実施例７はろう材６の流動を感度よくとらえることができる。図１９に示すろう材６の流動先端部の形状は通電パルス周波数６０Ｈｚ、電流値６．５ｋＡ（実効値）の交流通電電流条件によるものであり、図２０に示すろう材６の流動先端部の形状は電流値３．５ｋＡの直流の通電電流条件によるものである。交流通電パルスの場合のピンチ力は電流値３．５ｋＡの直流通電の場合よりも約３倍以上になり、そのピンチ力がピーク値に達した場合には図１９のようにろう材６の流動先端部の角度が大きくなり、監視用光ビーム９の反射方向の変化を瞬時にとらえることができる。
【００７０】
このような大きな通電電流値Ｉを供給するためには、直流では実効電力値が極めて大きくなり、実用的には不可能であり、パルス状の通電電流を供給することによって可能となる。
【００７１】
例えば、実施例６における受光素子２０上では上記パルス通電の通電条件において、１ｍｓｅｃ以下の短時間で反射方向が変化し、ろう材６の流れを極めて高精度に抑制することができた。
【００７２】
さらに、特に電気接点の台座とのろう付けすなわち接点の抵抗発熱によるろう付けにおいては、電極などへの熱伝導によって熱の逃げが大きく、ろう材６の流動は通電を停止することによって瞬時に停止する。例えば、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を銀ろうを用いて交流パルス通電によってろう付けした場合には、通電中にはろうは約９００℃の到達温度で約３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で流動し、通電停止後は通電直後は５ｍｍ／ｓｅｃ以下となり、電極による冷却効果によってほぼ５０ｍｓｅｃ程度で停止する。このため、通電停止の時間制御を行うことによってろう材６の流動量を高精度に制御することができる。
【００７３】
図２１に示すように、例えば４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を実効値６．５ｋＡ、６０Ｈｚの交流パルス通電によってろう付けした場合、ろう材６は電磁ピンチ力の影響を受けて、パルス周波数の２倍の周波数で脈動しながら流動し、通電の停止直後には流動は停止し、ろう材６の流動量を的確に制御することができた。
【００７４】
また、この実施例７では一つの光ビーム源と、光ビームの反射光の受光する一つの受光素子を用いた例を図示して説明したが、複数の光ビーム源と各光ビーム源による光ビームの反射光を受光する受光素子を用いてもよく、その場合にはろう材が流動する領域をより正確に検出することができるので、ろう材６の流動量を高精度に制御することができる。
【００７５】
実施例８．
図２２はこの発明の実施例８に係る溶融加工装置の構成を示すブロック図であって、反射光を受光する素子を光量を検出する検出部がアレイ状に配置された受光素子とした場合の実施例を示す。図２２において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、反射光１０、反射光１１、照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、受光素子２０、リード線２１、比較判定回路１０７、受光器１０８ｂ、制御回路１０９、通電制御回路１１５、電源１１６およびエネルギ発生源１９６を備える。受光器１０８ｂは、光量を検出する検出部８がアレイ状に配置された受光素子７と、受光量を電気信号に変換する光電変換回路１０１と、監視用光ビーム９の反射光１０の受光量が最も大きくなる検出部８の電気信号Ｖを出力する最大受光部判定回路１０２とから構成される。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。
【００７６】
このように構成された溶融加工装置において、受光素子７の加工開始前もしくは特定の加工経過時間後の反射光１０の受光量が最大となる検出部８を最大受光部判定回路１０２で判定する。この検出部８からの電気信号Ｖを比較判定回路１０７によって閾値Ｖｔｈと比較し、電気信号Ｖに応じた受光量が閾値Ｖｔｈより小さくなった時点で、比較判定回路１０７が比較判定結果を制御回路１０９に送り、制御回路１０９から信号を通電制御部１１５にフィードバックし、通電制御部１１５が制御回路１０９からの信号のフィードバックを受けてから所定設定時間経過した後に電源１１６を通電停止とするか、もしくは通電制御部１１５が制御回路１０９からの信号のフィードバックを受けてから所定設定時間経過した後に電源１１６の電極１９ａ，１９ｂへの通電電流量を低下して所定時間通電後に、電源１１６を通電停止とする。
【００７７】
この実施例８では監視用光ビーム９の反射光１０の光量を検出する検出部８がアレイ状に配置された受光素子７における受光量が最も大きくなる検出部８を判定してから、その検出部８における受光量の変化を検出するので、被接合材５ａ，５ｂの位置決め誤差によって生じる受光位置のずれによる影響を受けず、常に安定した制御を行うことができ、結果として、ろう付け加工の工業的な量産への利用価値が高くなる。
【００７８】
以上のように構成された溶融加工装置を用いて、例えば４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を、銀ろうあるいはりん銅ろうを用いてろう付けした。波長６８０ｎｍ〜７８０ｎｍの半導体レーザ光をろう付け面にほぼ平行に照射して、照射点１２のスポット径をφ０．５ｍｍとしてろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合部から３ｍｍ程度離れた所に照射した。その反射光を５ｍｍ×５ｍｍのフォトダイオードからなる検出部が０．５ｍｍのギャップをもって縦横４素子ずつ配置した受光素子を用いたところ、ろう流れ不足および過剰なろう流れが生じることがなくろう材６の流動量を一定にすることができ、ろう付け品質を安定にすることができた。
【００７９】
実施例９．
図２３は、この発明による溶融加工装置の一実施例を示したものである。これは、受光器（受光素子２０）を含む面上において、監視用光ビーム９の照射部分が溶融される以前における監視用光ビーム９の反射光照射位置からは特定の距離だけ離し、さらに溶融後の反射光１１が投光されるような位置に配置したものである。すなわち、受光器（受光素子２０）として、光ビームの照射点１２が溶融状態になった後に上記受光素子２０に反射光１１が投光されるように、光ビームの照射部が溶融する前の光ビームの反射光１０の受光位置が受光素子２０外のところに位置するような構成になっている。また、この実施例は、実施例６と比べて受光素子２０は、ろうの流動する向きと同じ向きにずらして配置した例である。他の部分は実施例６と同一のもの、もしくは相当するものであり、同じ符号を用いてその説明を省略する。
【００８０】
上記のように構成された溶融加工装置の動作を以下に説明する。ろう材６が溶融する前には、受光量は照射点１２の表面状態の変化や反射光を遮るように蒸発、飛散する。例えば、フラックスのような表面活性剤の影響を受けることがないので、受光量を変換した電気信号Ｖは図２４に示すラインＥ〜Ｆのごとくバックグラウンドレベルを維持する。さらに加工が進行してろう材６が溶融し、かつ照射点１２に流動してくると、その形状によって反射方向が変化して受光素子２０に投光されるため、電気信号ＶはラインＦ〜Ｇのごとく急峻に増加する。電気信号Ｖはあらかじめ設定された閾値Ｖｔｈと比較判定回路１０７において随時比較判定され、ろうの流動によって電気信号ＶがラインＦ〜ＧのごとくＶｔｈ２より大きくなった時点で出力回路１０９に比較判定結果を送り、出力回路１０９から信号を制御部１１０にフィードバックして所定設定時間経過した後にエネルギ投与を停止する、もしくは投与量を低下して所定時間投与後エネルギ投与を停止する。
【００８１】
以上のような溶融加工装置において、照射点１２の表面状態やフラックス等の表面活性剤の影響を受けずに、材料の光ビーム照射点１２への流動を安定に検出して材料へのエネルギ投与を制御することができるので、材料の溶融範囲を一定基準範囲に抑制することができる。
【００８２】
実施例１０．
図２５は、この発明による溶融加工装置の他の実施例について示したものである。本実施例は溶融加工として、特に電気抵抗発熱を用いたろう付けの場合の実施例である。図２５中の符号３〜６、９〜１１、２０、１０１、１０７、１０８ａ、１０９、３４０は上記実施例７の図１８と同一のもの、もしくは相当するものである。エネルギ発生源１９６を構成する１９ａ，１９ｂは被接合材５ａ，５ｂおよびその間に介在したろう材６を挟持するように構成された一対の電極、２１は上記電極１９ａ，１９ｂに通電するリード線、１１６は上記電極１９ａ，１９ｂおよび５ａ，５ｂとその間に介在するろう材６とに電流を供給する電源である。１１５は出力回路１０９からの信号を受けて通電電流を制御する通電制御部である。また、この実施例では、実施例７と比べて受光素子は、ろうの流動する向きと同じ方向にずらして配置した例である。
【００８３】
本実施例で示す抵抗発熱を用いたろう付けにおいては、電源１１６から供給された電流によってジュール熱を生じさせて加熱し、ろう材６を溶融して被接合材５ａと５ｂとを接合する。この時、ピンチ力によってろう材６の流動先端形状は変形し、通電電流値Ｉが大きければ変形量が増加するため、光ビームを照射した照射点１２へのろうの流動による反射方向の変化はより大きくなって、ろうの流動を感度良くとらえることができる。
【００８４】
さらに、特に電気接点の台座とのろう付け、すなわち接点の抵抗発熱によるろう付けにおいては、電極等への熱伝導によって熱の逃げが大きく、ろうの流動は通電を停止することによって瞬時に停止する。例えば、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座を、銀ろうを用いてパルス通電によってろう付けした場合には、通電中にろうは約９００℃の到達温度で約３０ｍｍ／ｓｅｃの速度で流動し、通電停止後は通電直後に５ｍｍ／ｓｅｃ以下となり、電極による冷却効果によってほぼ５０ｍｓｅｃ程度で停止する。このため、通電停止の時間を制御することによって、ろうの流動量を高精度にコントロールすることができる。
【００８５】
図２６は上記実施例７で説明した図１９のごとく、ろうが電磁ピンチ力の影響を受けて、パルス通電の周波数の２倍の周波数で脈動しながら流動してきた場合の電気信号Ｖの変化を示す。脈動変形に同期して受光量も脈動するため、電気信号Ｖは図２６に示すラインＦ〜Ｇのような波形となる。電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈよりも大きくなった時点で出力回路１０９に比較判定結果を送り、出力回路１０９から信号を制御部１１０にフィードバックして所定設定時間経過した後に通電を停止すると流動も停止するので、流動量を高精度に制御することができた。
【００８６】
また、本実施例では一つの光ビーム源と光ビームの反射光を受光する一つの受光素子を用いた場合について示したが、上記実施例７と同様に光ビーム源と各光ビームの反射光を受光する受光素子を用いてもよく、その場合にはろうが流動する領域をより正確に検出することができるので、流動量を高精度に制御することができる。
【００８７】
実施例１１．
図２７はこの発明の実施例１１に係る溶融加工装置の構成を示すブロック図、図２８はこの実施例１１の動作を説明するための受光位置の変位距離の変化の様子を示す図である。この実施例１１は反射光を受光する受光素子として受光位置を検出する受光素子１６を用いた場合の実施例を示したものである。図２７において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、反射光１０、反射光１１、照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、リード線２１、距離算定回路１０６、比較判定回路１０７ｂ、受光器１０８ｃ、制御回路１０９、通電制御回路１１５、電源１１６およびエネルギ発生源１９６を備える。受光器１０８ｃは、例えばＰＳＤのような受光位置を検出するための受光素子１６と、受光位置の座標を出力する座標演算回路１０５とから構成される。距離算定回路１０６は座標演算回路１０５の出力を受けて受光位置の変位距離ｒを比較判定回路１０７ｂに出力する。比較判定回路１０７ｂは距離算定回路１０６から受け取った変位距離ｒをあらかじめ設定した閾値ｒｔｈと比較判定する。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。
【００８８】
以上のように構成された溶融加工装置の動作について説明する。距離算定回路１０６によって出力される変位距離ｒは図２８のように変化する。ろう材６が溶融する前は、加熱に伴う照射点１２の材料表面状態が変化しても、監視用光ビーム９の反射方向は変化しないため、受光素子１６の受光位置の変位距離ｒは図２８に示すラインＡ〜Ｂのごとくほぼ０で一定である。そして、溶融加工が進行し、ろう材６が溶融して照射点１２に流動してくると、その形状によって、監視用光ビーム９の反射方向が変化するため、受光素子１６の受光位置の変化にともない変位距離ｒは図２８に示すラインＢ〜Ｃのごとく急激に立ち上がるように変化する。よって、変位距離ｒをあらかじめ設定した閾値ｒｔｈと比較判定回路１０７ｂで比較判定し、ｒ＞ｒｔｈとなった時点で、制御回路１０９に比較判定結果を送り、通電制御部１１５に信号をフィードバックし、通電制御部１１５が制御回路１０９からの信号のフィードバックを受けてから所定設定時間経過した後に電源１１６の電極１９ａ，１９ｂへの通電電流量を低下して所定時間通電後に、電源１１６を通電停止とする。
【００８９】
以上のように構成された溶融加工装置においては、加工中の受光位置は監視用光ビーム９の反射方向の変化によってのみ変位するので、材質や表面状態の影響を考慮することなく制御することができる。
【００９０】
このような溶融加工装置を用いて前記した電気接点と台座を６０Ｈｚの交流通電パルスでろう付けした場合において、半導体レーザ光をろう付け面にほぼ平行に照射して、照射点のスポット径をφ０．５ｍｍとしてろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合部から３ｍｍ程度離れた所に照射し、受光素子１６として１３ｍｍ×１３ｍｍのＰＳＤを用いてろう付けしたところ、ろう流れ不足、ろう流れ過大を抑制することができた。
【００９１】
実施例１２．
図２９はこの発明の実施例１２に係るエネルギ源としてパルス通電加熱を用いた溶融加工装置の構成を示すブロック図、図３０〜図３２はこの実施例１２の動作を説明するための要部を示す図、図３３はこの実施例１２の動作を説明するための受光位置の変位距離の変化の様子を示す図である。この実施例１２は監視用光ビーム９をパルス通電の周波数以上の周波数で走査（オシレート）する溶融加工装置の実施例について示したものである。図２９において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、反射光１０、反射光１１、照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、受光素子２０、リード線２１、光電変換回路１０１、距離算定回路１０６、比較判定回路１０７ａ、受光器１０８ａ、制御回路１０９、通電制御回路１１５、電源１１６、エネルギ発生源１９６およびビームオシレータ２２３を備える。受光器１０８ａは監視用光ビーム９の反射光１０の光量を検出する受光素子２０と受光量を電気信号Ｖに変換する光電変換回路１０１によって構成され、受光素子２０としては例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池などが用いられる。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。ビームオシレータ２２３は光発生源３からの光ビーム９をパルス通電の周波数以上の周波数でオシレートするためのものであって、このビームオシレータ２２３は監視用光ビーム９を反射するミラー２２と、ミラー２２を振動させるガルバノメータなどの振動装置２３とから構成される。この振動装置２３でミラー２２を振動するのに代替し、監視用光ビーム９をオシレートする構成として光発生源３自体を振動装置２３で振動させてもよい。この実施例１２の制御回路１０９は、比較判定回路１０７ａで電気信号Ｖと閾値Ｖｔｈ３を比較する毎に時間を計数するカウンタ回路１１７と、電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈ３より小さくなる時間をカウンタ回路１１７から受けて記憶して出力するメモリ回路１１８と、メモリ回路１１８の出力とカウンタ回路１１７の出力の差分を取る差分回路１１９と、差分Δｔを閾値Δｔｔｈと比較判定する第２の比較判定回路１０７ｃと、第２の比較判定回路１０７ｃからの信号を受けて通電電流の低下量を設定して通電制御部１１５に制御信号をフィードバックする演算出力回路１２０とより構成される。
【００９２】
上記のように構成されたパルス通電加熱による溶融加工装置の動作を図３０〜図３２に従って説明する。この実施例１２では監視用光ビーム９はろう材６が溶融して流動してくる部位にろう付け部にほぼ平行にオシレートする。上記のごとくオシレートした監視用光ビーム９の反射光１０を受光器１０８ａ中の受光素子２０で受光する。ろう材６が溶融する前には図３０のごとく監視用光ビーム９がオシレート照射されるので、その反射光１０は受光素子２０上でＸ−Ｙの軌跡を描き、出力する電気信号Ｖはほぼ一定の値をとる。次に図３１に示すように、ろう材６が溶融してオシレート照射する監視用光ビーム９の照射点１２に達すると、図３１のＡ−Ｂでは監視用光ビーム９の反射方向が変化するために、反射光１０の軌跡は受光素子２０上でＹ−Ａ−Ｂ−Ｘとなり、ＡとＢ間での受光量は減少する。さらに、ろう材６の流動が進むと、図３２のＣ−Ｄのごとく監視用光ビーム９の反射方向が変化する部分が増加し、受光素子２０上で受光する受光量が減少する時間が増加する。オシレート変位波形（照射点１２の走査位置の変化を示す波形）と以上の経過に対する電気信号Ｖの出力は図２７に示すような関係になる。図３３中、ａ，ｂ，ｃは図３０，図３１，図３２の状態における出力波形にそれぞれ相当する。ろう材６が溶融して流動し、このろう材６が監視用光ビーム９のオシレートする照射点１２に流動してくると、ろう材６の流動してきた部分だけ監視用光ビーム９の反射方向が変化するため、受光素子２０の受光量が減少する。比較判定回路１０７ａにおいてこの電気信号Ｖが図３３に示す閾値Ｖｔｈ３よりも小さくなった時点でメモリ回路１１８に、その時間ｔａを記憶する。さらに，引き続き電気信号Ｖと閾値Ｖｔｈ３を比較し、電気信号Ｖが再び閾値Ｖｔｈ３よりも大きくなった時間ｔｂと時間ｔａの差分Δｔを差分回路１１９にて出力する。この差分Δｔと閾値Δｔｔｈとを比較判定回路１０７ｃにおいて比較判定し、差分Δｔが閾値Δｔｔｈよりも小さい場合には再び上記の流れを繰り返す。差分Δｔが閾値Δｔｔｈより大きくなった時点で演算出力回路１２０から通電制御部１１５に信号をフィードバックして通電電流量を所定量低下して所定時間通電した後に通電を停止してろう付けを完了する。
【００９３】
以上のように構成された溶融加工装置を用いることによって、一個の光源を用いて線上での、ろうの流動状態を判定して制御することができる。
【００９４】
また、前記したようにパルス通電によるピンチ力の発生は通電パルスの絶対値の２乗に比例し、ろうはその影響を受けて図２１のごとく通電パルスがピーク値に到達する付近で急激に流動する。このため、監視用光ビーム９を通電パルス周波数以上の周波数でオシレートすることによって、オシレート半周期分での受光量変化を、ろう材６の流動１周期分以内でとらえることができ、溶融加工を高精度に制御することができる。例えば５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの商用交流波形を用いた場合には１００Ｈｚまたは１２０Ｈｚの電磁ピンチ力の作用によってろう材６が脈動して流動するため、監視用光ビーム９を５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ以上でオシレートすれば溶融加工を高精度に制御できるので、商用交流の周波数を変換する必要もなく構造が簡単となる。
【００９５】
また、時間差分Δｔと閾値Δｔｔｈをオシレート周期Τで割算する割算回路を設け、Δｔ／Τと閾値Δｔｔｈ／Τとを比較判定する構成にすることによって、オシレート周波数に依存することなく適応することができる。
【００９６】
実施例１３．
図３４はこの発明の実施例１３に係る制御方法を採用した溶融加工装置の構成を示すブロック図、図３５はこの実施例１３の制御方法の流れを示すフローチャートである。図３４において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、反射光１０、反射光１１、照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、受光素子２０、リード線２１、光電変換回路１０１、距離算定回路１０６、比較判定回路１０７ａ、受光器１０８ａ、制御回路１０９、通電制御回路１１５、電源１１６、およびエネルギ発生源１９６を備える。受光器１０８ａは監視用光ビーム９の反射光１０の光量を検出する受光素子２０と受光量を電気信号Ｖに変換する光電変換回路１０１によって構成され、受光素子２０としては例えばフォトダイオード、フォトトランジスタ、太陽電池などが用いられる。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。この実施例１３における制御回路１０９は、受光量に対応する電気信号Ｖを閾値Ｖｔｈ２と比較判定する毎に加工開始からの時間（加工経過時間＝溶融用エネルギの実際の投入時間）ｔを計数するカウンタ回路１１７、電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈ２より小さくなったときという上記実施例７で説明した比較判定回路１０７からの比較信号によってそのときまでカウンタ回路１１７が計数した時間ｔを記憶する、メモリ回路１１８、メモリ回路１１８に記憶された時間ｔを予め設定された基準値（所定時間情報）と比較判定する比較判定回路１０７Ｃ、この比較判定回路１０７Ｃの出力を演算して通電制御部１１５に制御信号を送る演算出力回路１２０により構成される。よって、この実施例の制御方法は、図３５のフローチャートに示すように、受光量に対応する電気信号Ｖを閾値Ｖｔｈ２と比較判定する毎にカウンタ回路１１７によって、加工開始からの時間ｔを計数する。このようにして電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈ２より小さくなった場合に、その時間ｔをメモリ回路１１８に記憶し、比較判定回路１０７Ｃにおいて時間ｔを予め設定した基準値ｔａ，ｔｂ（ｔａ＞ｔｂ）と比較判定する。ここで基準値ｔａとは適正な加熱速度によってろう付け部の全体にわたって均一に加熱される下限値であり、基準値ｔｂとは通電電流量を低下させることによって均熱をはかり、均一なろう付け形成ができる下限値である。ｔ＞ｔａであれば適正なろう付け加工がなされたと判定して、制御回路から通電制御部に通電停止信号を送って通電を停止する。時間ｔがｔｂ≦ｔ≦ｔａであれば、加熱速度が過大であると判定して、信号を通電制御部に送って、通電電流を所定量低下して所定時間通電後通電を停止する。ｔ＜ｔｂであれば、信号を通電制御部に送って通電を所定設定時間停止して、再度所定設定時間通電する。要するに、この実施例１３は反射光の受光量が閾値より小さいならば、溶融加工の継続時間の基準値との比較結果に応じ通電条件を制御する方法である。
【００９７】
溶融加工においては加工部の品質を安定にするためには、材料の加熱状態を均一にすることが必要である。特に、この実施例１３のように抵抗発熱を用いたろう付けのように、加熱時間が１秒前後と短く、エネルギ供給源である電極と被接合材の表面状態や接触状態等によって、材料の加熱状態に偏りが生じ、材料中に温度分布が生じ易いような場合には、均熱化を行う必要がある。また、材料の形状や非対称性によっても温度分布が生じる。このため、通電電流量を低下、もしくは一時的に停止、場合によっては増加することによって、材料への入熱を制御し、均熱化を図ることができる。
【００９８】
さらに、ろうが流動してくるまでの検出時間ｔは材料の加熱状態によって変化するため、検出時間ｔに応じて通電を制御することによって、ろう流れ不足、ろう流れ過大、未ろう接の発生を抑制し、品質のばらつきを少なくすることができる。
【００９９】
また、この実施例１３では光量変化の電気信号Ｖを用いた制御方法について説明したが、実施例１１で示したような受光位置の変位距離ｒを用いても同様の効果を得ることができる。
【０１００】
実施例１４．
図３６はこの発明の実施例１４に係る制御方法を採用した複数の受光素子を備えた溶融加工装置の構成を示すブロック図、図３７はこの実施例１４の制御方法の流れを示すフローチャートである。図３６において、溶融加工装置は、複数の光発生源３と光発生源３に対応する複数の集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、光発生源３に対応する複数の監視用光ビーム９、複数の監視用光ビーム９に対応する複数の反射光１０、複数の監視用光ビーム９に対応する複数の反射光１１、複数の監視用光ビーム９に対応する複数の照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、複数の受光素子２０ａ，２０ｂ、リード線２１、受光素子２０ａ，２０ｂそれぞれに接続された複数の光電変換回路１０１、受光素子２０ａ，２０ｂそれぞれに接続された複数の比較判定回路１０７ａ、制御回路１０９、通電制御回路１１５および電源１１６、およびエネルギ発生源１９６を備える。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。この実施例１４における制御回路１０９は、カウンタ回路１１７とメモリ回路１１８と差分回路１１９と比較判定回路１０７ｃと演算出力回路１２０とより構成される。よって、この実施例の制御方法は、図３７のフローチャートに示すように、各受光素子２０ａ，２０ｂによって光量を検出し、各受光素子２０ａ，２０ｂによる受光量を光電変換回路１０１により電気信号Ｖに変換するとともに、時間ｔを計数する。そして、電気信号Ｖがより早く閾値Ｖｔｈ４よりも小さくなる時間ｔ１をメモリ回路１１８により記憶する。例えば受光素子２０ａからの電気信号Ｖが早く閾値Ｖｔｈ４よりも小さくなった場合には、その時間ｔ１を記憶し、受光素子２０ｂは引き続き光量を検出するとともに、時間ｔを計数してｔ１との差分Δｔをとる。電気信号ＶがＶｔｈ４より小さくない場合には、Δｔを比較回路にてあらかじめ設定した基準値Δｔｍａｘと比較し、電気信号Ｖが閾値Ｖｔｈ４よりも小さくなる前にΔｔがΔｔｍａｘよりも大きくなれば、通電電流を所定量低下する。このようにして閾値Ｖｔｈ４よりも小さくなった時点で、Δｔがあらかじめ設定した基準値Δｔｔｈと比較する。Δｔ＜Δｔｔｈの場合には、通電制御部１１５に信号を送って通電を停止する。Δｔ≧Δｔｔｈの場合には通電制御信号を送って、通電を所定量低下して所定時間通電した後通電を停止する。
【０１０１】
加工部の温度が不均一になることによって溶融部の形成状態すなわちろう材６の流動状態が局部的に異なることがあることから、この実施例１４のごとく複数の受光素子２０ａ，２０ｂからの検出時間の差に応じて通電を制御することによってろう付け部を均熱化してろう付け部全体のろうを溶融することができ、より精度よく未ろう接の発生を抑制することができる。
【０１０２】
実施例１５．
図３８はこの発明の実施例１５に係る制御方法を採用した溶融加工装置の構成を示すブロック図、図３９はこの実施例１５の制御方法の流れを示すフローチャートである。図３８において、溶融加工装置は、光発生源３と集光レンズ４とから構成される光ビーム源３４０、被接合材５ａ，５ｂ、ろう材６、監視用光ビーム９、材料溶融前の光ビームの反射光１０、方向変化した反射光１１、照射点１２、一対の電極１９ａ，１９ｂ、受光素子１６、リード線２１、座標演算回路１０５、距離演算回路１０６、比較判定回路１０７ａ、変換器１０８、制御回路１０９、通電制御回路１１５および電源１１６、およびエネルギ発生源１９６を備える。変換器１０８は監視用光ビーム９の材料溶融前の光ビームの反射光１０と方向変換した反射光１１の受光位置を検出する受光素子１６とこの受光位置による監視用光ビーム９の反射方向の変化を位置座標情報として変換する座標演算回路１０５によって構成され、受光素子１６としては例えばフォトダイオードの表面抵抗を利用した非分割型位置センサ（ＰＳＤ）が用いられる。エネルギ発生源１９６は、一対の電極１９ａ，１９ｂと、これらの電極１９ａ，１９ｂにリード線２１を介して接続された電源１１６とで構成される。この実施例１５における制御回路１０９は、比較判定回路１０７ｂの出力を受けて受光位置の変位方向を算定する方向算定回路１２１、変位方向を閾値θｔｈ１，θｔｈ２と比較判定する比較判定回路１０７ｄ、および比較判定結果を演算して通電制御部１１５に制御信号を送る演算出力回路１２０より構成される。よってこの実施例の制御方法は、図３９のフローチャートに示すように、受光素子１６によって受光位置を検出し、座標演算を経て距離算定回路１０６によって位置の変位距離ｒを算定する。距離算定値ｒを閾値ｒｔｈと比較判定し、ｒ＞ｒｔｈとなった時点で比較判定回路１０７ｂからの出力をうけて位置の変位方向を算定する。この算定値θをあらかじめ設定した基準値θｔｈ１、θｔｈ２（θｔｈ１＜θｔｈ２）と比較判定する。ここで基準値θｔｈ１とは適正な加熱速度によってろう付け全体にわたって均一に加熱される上限値であり、基準値θｔｈ２とは通電電流量を低下させることによって均熱をはかり、均一なろう付け形成ができる上限値である。θ≦θｔｈ１であれば適正なろう付け加工がなされたと判定して、演算出力回路１２０から通電制御部１１５に通電停止信号を送って通電を停止する。θｔｈ１＜θ≦θｔｈ２であれば、加熱が不均一であると判定して、信号を通電制御部１１５に送って、通電電流を所定量低下して所定時間通電後通電を停止する。θ＞θｔｈ２であれば、信号を通電制御部１１５に送って通電を所定設定時間停止して、再度所定設定時間通電する。要するに、この実施例１５は受光位置の変位方向と変位位置とで通電条件を制御する方法である。
【０１０３】
以上のように受光位置の変位方向θの大きさによって、１個の光ビーム源と受光素子を用いるだけで光ビーム照射点へ流動したろうの流動形状を特定できるので、θに応じて通電を制御することによって、簡易な構成で確実に未ろう接の発生を抑制することができる。
【０１０４】
このような制御方法によって、４ｍｍ×６ｍｍ×２ｍｍの銀系合金からなる電気接点と３ｍｍ×５０ｍｍ×６ｍｍの銅材からなる台座をろう付けした。ろう材６として銀ろうあるいはりん銅ろうを用い、波長６８０ｎｍ〜７８０ｎｍの半導体レーザをろう付け面にほぼ平行に照射して、照射点のスポット径をφ０．５ｍｍとしてろう付け部の長手方向のほぼ中央付近で接合部から３ｍｍ程度の所に入射角６０°で照射した。その反射光を１３ｍｍ×１３ｍｍのＰＳＤを用いて受光して制御したところ、ろう流れ不足、および過大なろう流れが生じることなく、ろう材６の流動量を一定にすることができ、さらに、未ろう接部の発生を抑制することができた。
【０１０５】
【発明の効果】
請求項１によれば、材料の監視用光ビーム照射部分の溶融に伴う反射光の反射方向の変化を受光素子で検出して表示器に表示することによって、照射部分が溶融したことを報知でき、溶接品質を適切に監視できるようになる。
請求項２によれば、監視用光ビームの照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、反射光の検出部を列状または格子状に配置した受光素子で検出するので、請求項１の効果が得られ、また、例えば照射点の表面状態の変化やフラックスをはじめとする表面活性剤の蒸発、飛散といった光ビームの散乱の影響を受けることなく安定に監視することができる。
請求項３によれば、監視用光ビームの照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、監視用光ビーム照射部分の溶融後の反射光を受光する位置に配置された受光素子で検出することで、請求項１の効果が得られる。
請求項４によれば、監視用光ビームの照射部分における材料の固相から溶融状態への変化を、反射光の受光位置の位置情報を出力する受光素子からの位置情報により検出することで、請求項１の効果が得られる。
請求項５によれば、受光量と閾値との比較によって、材料に投与される溶融用エネルギの投与を制御する。例えば制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから所定時間後に、溶融用エネルギの投与を停止するか、または制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから溶融用エネルギの投与量を低下し、その溶融用エネルギの投与量低下から所定時間後に溶融用エネルギの投与を停止するように構成にしたので、光ビームの照射点の材料が固体状態から溶融状態に変化して反射光の受光量が変化するのを検出でき、その受光量に応じてエネルギ投与量を変化させることができる。したがって、溶融材料の広がり量、流動量および形状を制御することができ、溶融加工における加工品質を高精度に安定性良く制御することができるという効果が得られる。
請求項６によれば、受光器は、監視用光ビームの照射部分が溶融される以前における監視用光ビームの反射光路からは特定の距離だけ離し、さらに溶融後の反射光が投光されるような位置に配置した構成になっているので、照射点表面状態やフラックス等の表面活性剤の影響を受けずに、材料の光ビーム照射点への流動を安定に検出して材料へのエネルギ投与を制御することができるので、材料の溶融範囲を一定基準範囲に安定性よく抑制することができる。
請求項７によれば、受光位置の変位距離と閾値との比較によって、材料に投与される溶融用エネルギの投与を制御する。例えば制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから所定時間後に、溶融用エネルギの投与を停止するか、または制御回路がエネルギ発生源を制御するための信号をエネルギ制御部にフィードバックしてから溶融用エネルギの投与量を低下し、その溶融用エネルギの投与量低下から所定時間後に溶融用エネルギの投与を停止するように構成したので、光ビーム照射点での反射光の方向の変化を検出でき、これにより照射点における材料の固体から溶融状態への変化および溶融形状を検出できる。したがって、品質の良否を大きく反映する材料の溶融物の広がり量、流動量および形状を安定性良く制御することができるという効果が得られる。
請求項８によれば、溶融部分の流動を抑制する冷却手段を有するように構成したので、溶融物の溶融の広がりや流動を抑えることができ、加工品質の向上を図れるという効果が得られる。
請求項９によれば、エネルギ発生源からのパルス通電加熱による溶融用エネルギが材料に電磁ピンチ効果を誘発するように構成したので、材料の流動を精度良く制御できるという効果が得られる。
請求項１０によれば、エネルギ発生源からのパルス通電の周波数以上の周波数で監視用光ビームを走査するように構成したので、走査半周期分での受光量変化を、溶融材料の流動１周期分以内でとらえることができ、溶融加工を高精度に制御することができるという効果が得られる。
請求項１１によれば、受光位置の変位距離と閾値との比較結果を所定設定時間と比較して、溶融用エネルギの投入量と投入時間とを制御するので、材料の均熱化を図ることができ、溶融加工における加工品質を高精度に安定性良く制御することができるという効果が得られる。
請求項１２によれば、溶融加工の経過時間が所定設定時間以内である場合に、溶融用エネルギの出力条件を制御するので、材料の均熱化の精度を高めることができ、溶融加工における加工品質を高精度に安定性良く制御することができるという効果が得られる。
請求項１３によれば、受光位置の変位方向と変位距離とで溶融用エネルギの出力条件を制御するので、容易な構成で材料の均熱化の精度を高めることができ、溶融加工における加工品質を高精度に安定性良く制御することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の監視方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図２】実施例１の監視用光ビームの照射点まわりを示す断面図である。
【図３】実施例１の受光量の変化を示す波形図である。
【図４】実施例２の監視方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図５】実施例２の監視用光ビームの照射点まわりを示す断面図である。
【図６】実施例２の受光量の変化を示す波形図である。
【図７】実施例３の監視方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図８】実施例３の受光量の変化を示す波形図である。
【図９】実施例４の監視方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図１０】実施例４の受光位置変化を示す概略図である。
【図１１】実施例４の受光位置の変位距離の変化を示す波形図である。
【図１２】実施例５の監視方法による被接合材付近の構成図である。
【図１３】実施例５の受光位置を示す図である。
【図１４】実施例５の監視方法による異なる例を示す被接合材付近の構成図である。
【図１５】実施例５の異なる例の受光位置を示す図である。
【図１６】実施例６の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図１７】実施例６の受光量の変化を示す波形図である。
【図１８】実施例７の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図１９】実施例７のろう材の流動先端部の形状の断面図である。
【図２０】実施例７のろう材の流動先端部の形状の異なる例を示す断面図である。
【図２１】実施例７のろう材の流動量と通電パルスとの関係図である。
【図２２】実施例８の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図２３】実施例９の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図２４】実施例９の受光量の変化を示す波形図である。
【図２５】実施例１０の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図２６】実施例１０の受光量の変化を示す波形図である。
【図２７】実施例１１の溶融加工装置を示すブロツク図である。
【図２８】実施例１１の受光位置の変位距離の変化を示す波形図である。
【図２９】実施例１２の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図３０】実施例１２の照射点のオシレート動作の説明図である。
【図３１】実施例１２の照射点のオシレート動作の説明図である。
【図３２】実施例１２の照射点のオシレート動作の説明図である。
【図３３】実施例１２のオシレート変位と電気信号の出力波形との関係図である。
【図３４】実施例１３の溶融加工装置を示すブロック図である。
【図３５】実施例１３における制御方法を示すフローチャートである。
【図３６】実施例１４の制御方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図３７】実施例１４の制御方法を示すフローチャートである。
【図３８】実施例１５の制御方法に使用する溶融加工装置を示すブロック図である。
【図３９】実施例１５の制御方法を示すフローチャートである。
【図４０】従来のアークスポット溶接を示す構成図である。
【図４１】従来のろう付け工程を示す構成図である。
【図４２】従来の半田付け検査方法を示す構成図である。
【図４３】従来の半田付け検査方法における電気信号の波形図である。
【図４４】従来の半田付け方法の半田付け状態と乱反射の度合いを示す模式図である。
【符号の説明】
１  溶接電極、２  溶接電源、３  光ビーム源、４  集光レンズ、
５ａ，５ｂ  被接合材、６  ろう材、７  アレイ状の受光素子、８  光量検出部、９  監視用光ビーム、１０  材料溶融前の光ビームの反射光、１１  方向変化した反射光、１２  照射点、１３  溶融池、１４  加熱器、１５  エネルギ発生源、１６  受光位置を検出するための受光素子、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  加工開始前の受光素子上での受光位置、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ  ろう流動後の受光素子上での受光位置、１９ａ，１９ｂ  電極、２０，２０ａ，２０ｂ  光量を検出する受光素子、２１  リード線、２２  ミラー、２３  振動装置、２４  未ろう接部、３０  レーザ発振器、３１  半透鏡、３２  光ファイバ、
３３，３４  集光レンズ、３５  はんだ、３６  受光部、３７  半田付け検査部、１０１  光電変換回路、１０２  最大受光部判定回路、１０３  表示回路、
１０４  表示器、１０５  座標演算回路、１０６  距離算定回路、
１０７，１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ  比較判定回路、
１０８ａ  光量を検出する受光素子を含む受光器、１０８ｂ  光量を検出する検出部がアレイ状に配置された受光素子を含む受光器、１０８ｃ  受光位置を検出するための受光素子を含む受光器、１０９  制御回路、１１０  エネルギ制御部、１１１，１９６  エネルギ発生源、１１２  冷却手段、１１３  冷却器制御回路、１１４  冷却器、１１５  通電制御部、１１６  電源、１１７  カウンタ回路、１１８  メモリ回路、１１９  差分回路、１２０  演算出力回路、
１２１  方向算定回路、２２３  ビームオシレータ、３４０  光ビーム源。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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