(57)【要約】このレーザ加工監視装置は、所与の金属系被加工物Ｗにレーザ光ＬＢを照射し、その被加工物Ｗをレーザエネルギーにより溶かして所望のレーザ加工を行うレーザ加工機の監視装置であって、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４、ガイド光発生部１５、伝送用光ファイバ１６、１７、ヘッド１８（出射ユニット２４、センサユニット２６）、操作パネル２０、モニタ部２５を有している。モニタ部２５は、この実施形態におけるレーザ監視装置であり、主に制御部１４、操作パネル２０、センサ信号処理ユニット２２およびセンサユニット２６等を含んで構成される。
2018185973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属系の被加工物にレーザ光を照射し前記被加工物の溶融を伴うレーザ加工の監視方法であって、
前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、
前記放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、
前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、
前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を可視化して表示する第４の工程と
を有するレーザ加工監視方法。
【請求項２】
可視化して表示された前記センサ出力信号の波形に基づいて、前記レーザ加工における前記レーザ光の作用を監視する第５の工程を有する、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項３】
可視化して表示された前記センサ出力信号に基づいて、前記レーザ加工の加工状態または加工品質に関係する所定の要因の影響度を評価する第６の工程を有する、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項４】
可視化して表示された前記センサ出力信号に基づいて、前記レーザ加工の良否を判定する第７の工程を有する、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項５】
前記第２の工程は、
前記被加工物に対向して配置される第１のユニット内で、前記放射光の受光および光電変換を行って前記センサ出力信号を電流出力で生成する工程と、
前記第１のユニット内で電流出力の前記センサ出力信号を電流−電圧変換する工程と、
前記第１のユニット内で、電圧信号に変換された前記センサ出力信号を所望のゲインで増幅する工程と
を有し、
前記第３の工程は、
前記第１のユニット内で、増幅された前記センサ出力信号を電圧−電流変換する工程と、
電流信号に変換された前記センサ出力信号を前記第１のユニットから遠隔の第２のユニットまで電気ケーブルを介して電流伝送する工程と、
前記第２のユニット内で、前記第１のユニットから電流伝送された前記センサ出力信号を電流−電圧変換する工程と、
電圧信号に変換された前記センサ出力信号をアナログ−ディジタル変換する工程と、
ディジタル信号に変換された前記センサ出力信号を電圧−カウント値変換して前記波形データを取得する工程と、
を有する、
請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項６】
前記第２の工程において光電変換される放射光は、受光された前記放射光のうち少なくとも３００ｎｍの波長帯域に含まれるすべての放射光である、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項７】
前記第２の工程において光電変換される放射光は、受光された前記放射光のうち１３００ｎｍ〜２５００ｎｍの波長帯域に含まれるすべての放射光である、請求項１に記載のレーザ加工監視方法。
【請求項８】
金属系の被加工物にレーザ光を照射し前記被加工物の溶融を伴うレーザ加工の監視を行うためのレーザ監視装置であって、
前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、
前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、
前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を可視化して表示する表示部と
を有するレーザ加工監視装置。
【請求項９】
前記受光部は前記被加工物に対向して配置される第１のユニット内に設けられ、前記信号処理部の少なくとも一部は前記第１のユニットから離れた場所に配置される第２のユニット内に設けられる、請求項８に記載のレーザ加工監視装置。
【請求項１０】
前記信号処理部は、
前記第１のユニット内で、前記受光部より生成される電流出力の前記センサ出力信号を電圧信号に変換する第１の電流−電圧変換回路と、
前記第１のユニット内で、前記第１の電流−電圧変換回路によって電圧信号に変換された前記センサ出力信号を所望のゲインで増幅する増幅器と、
前記第１のユニット内で、前記増幅器により増幅された前記センサ出力信号を電流信号に変換する第１の電流−電圧変換回路と、
前記第１の電圧−電流変換回路によって電流信号に変換された前記センサ出力信号を前記第１のユニットから前記第２のユニットまで伝送する電気ケーブルと、
前記第２のユニット内で、前記第１のユニットから電流伝送された前記センサ出力信号を電流−電圧変換する第２の電流−電圧変換回路と、
前記第２のユニット内で、電圧信号に変換された前記センサ出力信号をアナログ−ディジタル変換するアナログ−ディジタル変換器と、
ディジタル信号に変換された前記センサ出力信号についてその瞬時的な電圧値をカウント値（相対値）に変換する電圧−カウント値変換部と、
を有する、請求項９に記載のレーザ加工監視装置。
【請求項１１】
可視光であるガイド光を発生するガイド光発生部と、
前記第１のユニットに設けられ、前記ガイド光発生部からの前記ガイド光を前記受光部の光軸に一致させて前記被加工物に集光照射する光学系と、
を有する請求項８に記載のレーザ加工監視装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物にパルスレーザ光を照射し、被加工物をレーザエネルギーにより溶かして行われるレーザ加工のモニタリングに用いるレーザ加工監視方法および監視装置に関する。より詳細には、レーザ加工の加工特性に関係する種々の要因の影響について簡明かつ適切なモニタリングを可能とするレーザ加工監視方法および監視装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工時の監視は、大別すると、被加工物に対して入射する前のレーザ光の出力をモニタリングする方法と、被加工物に対してレーザ光が入射した後の加工箇所の状態をモニタリングする方法がある。後者の加工箇所の状態をモニタリングする方法としては、加工箇所を連続的に撮像して画像解析して監視する等の方法により加工箇所自体を直接観察する方法と、加工箇所で発生する熱や光を観察する方法に分けられる。このうち、加工箇所で発生する熱や光を観察する方法は、さらに、加工箇所近傍で生じるプラズマ光を監視する方法、被加工物からの反射光や被加工物からの貫通ビーム光量などを光学的に監視する方法、被加工物からの赤外線量を監視する方法、被加工物の表面の温度を監視する方法、及び被加工物の加工中の音響を監視する方法等が考えられる。いずれも、これらを検出することで、溶接継手線（シーム）の均質性や強度、開先ギャップ、ビード形状、溶融池およびキーホールの形状、溶接部表面温度、ビード表面の欠陥、溶け込み深さ等の溶接品質に係る加工特性を認識又は予測することが目的である。【０００３】
撮像素子を用いる画像解析によるモニタリング方法は、溶融池の形状を画像として直接観察するため、溶接品質の良否を一目瞭然と把握しやすい利点はあるが、ハードウェアおよびソフトウェアが高くつく。加工箇所近傍で生じるプラズマ光を信号処理するモニタリング方法は、プラズマ光が被加工箇所に向けて噴射されるシールドガスによる影響が強く、被加工物への加工影響を正確に反映しているとは言い難いという問題がある。被加工物からの反射光を光電変換素子を用いて信号処理するモニタリング法は、ハードウェアおよびソフトウェアを比較的簡便に済ますことができるが、被加工物からの反射光には被加工物に加工影響が生じる前の光、すなわち、被加工物に溶融が生じる前のレーザ光の単純反射光を原理的に含むものであるため、レーザ加工の加工特性に関係する種々の要因の影響を適切に監視しにくいという問題がある。【０００４】
溶接ビードからの赤外線量を信号処理する方法は、光電変換素子を組み込まれた赤外線放射温度計により放射エネルギーを温度相関値に換算して強度表示するものであるが、温度相関値に換算された強度を表示する場合、とりわけ微細レーザ加工においては被加工物への加工影響が評価できないという問題がある。溶接中の音響を監視する方法は、被加工箇所から生じる音を音響素子により検出して表示する方法であるが、外部の雑音が検出され得るという問題がある。【０００５】
また、パルスレーザによってキーホール溶接を行う方法であって、溶接部分から放出される赤外線のうち、溶融池に形成されるキーホールを検出可能な波長を有する単一波長の赤外線を選択して第一受光装置で計測すると共に、反射光強度を第二受光装置で計測して、両者の値に基いて溶接部分の良否を判定することも提案されている。（特許文献１）【０００６】
また、溶融池からの可視光内の特定の一波長の発光強度を検出し、検出した発光強度に基づいて溶接状態を判定することも提案されている。（特許文献２）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１３／１７１８４８号
【特許文献２】特開２０１７−２４０４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
被加工物からの赤外線量を監視する取り組みは従来から試みられていたものの、これらのいずれも、レーザ加工時に被加工物から放出される放射光のみを検出して高精度に表示することが実現されたものではなかった。【０００９】
赤外光を含む放射光をモニタリングする方式は、一般的には、光電変換素子を用いる信号処理において、加工点付近から生じる放射光を温度相関値に変換して放射温度計により表示する方式であり、測定温度と融点との比較から被加工物が溶けたかどうかを判断できるが、溶融部の微妙な挙動または動的な変化まで捉えることは不可能であり、被加工箇所への加工影響を緻密にモニタリングすることを試みた場合には精度および信頼性が低い。【００１０】
従来のレーザ加工監視装置において、放射光としての赤外光をモニタリングする場合、検出された放射光の強度は装置側で温度換算されて表示される。放射光を温度換算する方式は、ユーザが直感的に加工部の状態を把握しやすいメリットがある反面、実際に加工部に係るエネルギー量は温度に対して指数関数的に増加するので、金属系の被加工物の融点近傍での被加工物に係るエネルギーの変動をユーザが把握しにくく、とりわけ微細レーザ加工において加工特性に関係する種々の要因の影響を簡明かつ適確にモニタリングすることは困難であった。【００１１】
赤外光の検出により被加工箇所の実際の加工状況を可視化しようとすると、被加工箇所から放出される赤外光には、とりわけ金属の溶融時にノイズ成分が多く生じてしまうので、指数関数的に増加するエネルギー量を赤外光から検出して表示する過程で、適切な信号処理をする必要がある。【００１２】
本発明は、上記従来技術の課題を解決するものであり、金属の被溶接材の溶融を伴うレーザ加工について簡明かつ適確なモニタリングを可能とするレーザ加工監視方法およびレーザ監視装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のレーザ加工監視方法は、金属系の被加工物にレーザ光を照射し前記被加工物の溶融を伴うレーザ加工の監視方法であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光する第１の工程と、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する第２の工程と、前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する第３の工程と、前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を可視化して表示する第４の工程とを有する。【００１４】
本発明のレーザ加工監視装置は、金属系の被加工物にレーザ光を照射し前記被加工物の溶融を伴うレーザ加工の監視を行うためのレーザ監視装置であって、前記レーザ光の照射中に前記被加工物の加工点付近から生じる放射光を受光して、前記放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光を光電変換して、前記放射光の強度を表すアナログのセンサ出力信号を生成する受光部と、前記センサ出力信号の波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データに変換する信号処理部と、前記波形データに基づいて前記センサ出力信号の波形を可視化して表示する表示部とを有する。【００１５】
本発明においては、レーザ加工中に金属の被加工物の加工点付近から生じる放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光の強度を表すセンサ信号の波形を強度変化を損なわずに可視化して表示するようにしたので、表示された波形自体からレーザ加工の加工状態、加工の良否等について簡明かつ適確なモニタリングを行うことができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレーザ加工監視方法またはレーザ加工監視装置によれば、上記のような構成および作用により、金属の被溶接材の溶融を伴うレーザ加工について簡明かつ適確なモニタリングを可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態におけるレーザ加工監視装置を含むレーザ加工装置の全体構成を示すブロック図である。
【図２】黒体の放射スペクトル分布を示すグラフ図である。
【図３】ステンレス鋼にパルスレーザ光を照射してその溶融部から発せられた赤外線強度のスペクトル分布を示す図である。
【図４】第１の実施例について実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図５】第２の実施例について実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図６】第３の実施例について実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図７Ａ】第４の実施例のサンプルを模式的に説明するための図である。
【図７Ｂ】第４の実施例のサンプルを模式的に説明するための図である。
【図８】第４の実施例の第１のサンプルについて実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図９】第４の実施例の第２のサンプルについて実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図１０】第４の実施例の第３のサンプルについて実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図１１】第４の実施例の第４のサンプルについて実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図１２】第５の実施例について実施形態のレーザ加工監視装置により得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を示す図である。
【図１３】実施形態のレーザ加工監視装置における信号処理系の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
［装置全体の構成および作用］
【００１９】
図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工監視装置が組み込まれたレーザ加工装置全体の構成を示す。このレーザ加工装置は、所与の被加工物ＷにＣＷレーザ光又はパルスレーザ光ＬＢを照射し、その被加工物Ｗをレーザエネルギーにより溶かして所望のレーザ加工またはレーザ溶融加工を行うレーザ加工機として構成されており、レーザ発振器１０、レーザ電源１２、制御部１４、ガイド光発生部１５、伝送用光ファイバ１６、１７、ヘッド１８、操作パネル２０およびモニタ部２５を有している。モニタ部２５は、この実施形態におけるレーザ監視装置であり、主に制御部１４、操作パネル２０、センサ信号処理ユニット２２およびヘッド１８のセンサユニット２６等を含んで構成される。
【００２０】
レーザ発振器１０は、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザあるいは半導体レーザからなり、被加工物Ｗに対してたとえばレーザスポット溶接を施すときは、制御部１４の制御の下でレーザ電源１２より電力または励起信号を供給され、その媒体に固有の波長を有するレーザ光ＬＢを発振出力する。レーザ発振器１０で発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ１６を介してヘッド１８に伝送される。
【００２１】
ヘッド１８は、２つの筒状ユニットすなわち下部の出射ユニット２４と上部のセンサユニット２６とを同軸で縦２段に連結しており、被加工物Ｗに対向して、たとえばその直上に設置または配置される。出射ユニット２４は、伝送用光ファイバ１６を介してレーザ発振器１０に光学的に接続されており、ユニット内にコリメートレンズ２８、ダイクロイックミラー３０、光学レンズ３２および保護ガラス３４をそれぞれ所定の位置に設けている。レーザ加工時は、光ファイバ１６の中を伝搬してきたレーザ光ＬＢが、出射ユニット２４内で光ファイバ１６の終端面より一定の広がり角で水平方向に出て、コリメートレンズ２８を通り抜けて平行光となり、ダイクロイックミラー３０で垂直下方に光路を折り曲げ、光学レンズ３２を通って金属系の被加工物Ｗの加工点Ｐ付近に集光入射する。そうすると、レーザ光ＬＢのレーザエネルギーにより加工点Ｐ付近が溶融・凝固して、そこに溶接ナゲットひいては溶接継手が形成される。溶接継手は、たとえば突き合せ継手、Ｔ型継手、Ｌ字継手、重ね継手など任意であり、ユーザにより選択される。
【００２２】
センサユニット２６は、伝送用光ファイバ１７を介してガイド光発生部１５に光学的に接続されており、ユニット内にダイクロイックミラー３６、光学レンズ３８、赤外線センサ４０および増幅器４２を設けている。この実施形態における赤外線センサ４０は、特定帯域の波長を有する光ＬＭのみを透過してそれ以外の光を遮断する波長フィルタまたはバンド・パス・フィルタ４４を前段に配置し、その後段に光電変換素子としてたとえばフォトダイオード４６を配置している。
【００２３】
ガイド光発生部１５より光ファイバ１７の中を伝搬してきた可視光のガイド光ＭＢは、センサユニット２６で光ファイバ１７の終端面より一定の広がり角で水平方向に出ると、ダイクロイックミラー３６で垂直下方に光路を折り曲げ、光学レンズ３８および出射ユニット２４内のダイクロイックミラー３０、光学レンズ３２等を通って被加工物Ｗの加工点Ｐ付近を照射するようになっている。
【００２４】
一方、レーザ加工時には、被加工物Ｗの加工点Ｐ付近から広帯域の波長を有する電磁波（光）が放射される。被加工物Ｗから放射される電磁波の中で垂直上方に向かうもののうち、出射ユニット２４内の光学レンズ３２、ダイクロイックミラー３０を通り抜けた光がさらにセンサユニット２６内の光学レンズ３８、ダイクロイックミラー３６を通ってバンド・パス・フィルタ４４に入射し、バンド・パス・フィルタ４４によって選択された所定帯域の波長成分を有する光ＬＭがフォトダイオード４６の受光面に入射するようになっている。
【００２５】
フォトダイオード４６は、受光した光ＬＭを光電変換し、電流出力のセンサ出力信号ＣＳを発生する。この電流出力のセンサ出力信号ＣＳは、電流−電圧変換回路１００（図１３）によって電圧信号に変換された後、増幅器４２により制御部１４の指定したゲインで増幅される。増幅器４２より出力された電圧出力のセンサ出力信号ＣＳは、電圧−電流変換回路１０２（図１３）によって電流信号に変換され、センサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に電流伝送される。
【００２６】
この実施形態において赤外線センサ４０のバンド・パス・フィルタ４４に設定される上記透過波長帯域は、単一のフォトダイオード４６を用いるモニタリング法において、感度、汎用性、コスト性等を総合的に勘案し、被加工物Ｗについて選択され得る複数種類の材料および多種多様な加工形態について加工点付近の溶接特性に対する所定の要因の影響を放射エネルギーの強度ないし変化として捉えるのに最も適した帯域に選ばれる。
【００２７】
この点に関しては、図２に示すような周知の黒体放射スペクトル分布を好適に用いることができる。図２のグラフのように、黒体が放射する電磁波のスペクトルと表面温度との間には一定の関係があり、物体の温度が高いと放射エネルギーのピークは短波長へシフトし、低いと長波長にシフトし、かつ温度の変化に対してピークの放射エネルギーが指数関数的に変化する。このグラフによれば、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長は約１８００ｎｍである。
【００２８】
一方で、本発明者が、鉄系のステンレス鋼（融点が約１５００℃）にレーザ光を照射した際に検出される１０００ｎｍ以上の光の強度（相対的カウント値）を加工点に対して様々な角度位置から測定し、スペクトル分布をスペクトラム・アナライザにより分析した結果を図３に示す。スペクトラム・アナライザの表示波形は、検出された１０００ｎｍ以上の光の強度について経時的な区別をせずに、それぞれのピーク値を相対強度として示すものである。示された波形は、測定時の角度位置に応じて波形全体が示す強度が異なっていたものの、一定の特性が得られた。これによれば、当該ステンレス鋼の溶融部から発せられる赤外線の強度（放射エネルギー密度）は、約１０００ｎｍ〜１１００ｎｍの帯域にわたる急峻な山形の特性と、約１２００ｎｍ〜２５００ｎｍの帯域にわたるブロードな山形の特性をもつ。後者のブロードな山形の特性に着目すると、ピーク点の波長は約１８００ｎｍであり、温度１５００℃の黒体から放射されるエネルギー密度のピーク点の波長（約１８００ｎｍ）と概ね近似している。
【００２９】
このことから、被加工物Ｗの材質として想定され得る複数種類の金属について、それぞれの融点を指標とすることにより、図２のグラフを参照して、単一のフォトダイオード４６を用いる本発明のモニタリング法における実用上の最適な透過波長帯域を決定することができる。
【００３０】
この実施形態では、レーザ溶融加工の主な材料である鉄系金属、銅系金属、アルミ系金属の融点がそれぞれ概ね１５００℃前後、１０００℃前後、６００℃前後であることから、図２に示すように１．３μｍ（１３００ｎｍ）〜２．５μｍ（２５００ｎｍ）の帯域を赤外線センサ４０の透過波長帯域としている。感度が選択された透過波長帯域に完全に対応するフォトダイオードを用いてもよい（この場合は独立したフィルタは不要である）が、それよりも広範な透過波長帯域を検出するフォトダイオード４６を用いてもよい。後者の場合は、例えば１３００ｎｍ以上の帯域の放射光のみを透過するバンド・パス・フィルタ４４をフォトダイオード４６の手前側に設けるとよく、また、２５００ｎｍより長い帯域の放射光についても同様に２５００ｎｍ以下の帯域の放射光のみを透過するバンド・パス・フィルタ４４を設けてもよい。これにより、図２に示される黒体放射スペクトル分布と分光放射エネルギー密度との相関があると考えられる金属系被溶接材からの放射光のうち、図３に示される金属系被溶接材の１３００ｎｍ〜２５００ｎｍの帯域にわたるブロードな山形の部分を特定波長として全て監視することができる。
【００３１】
この実施形態におけるモニタ部（レーザ加工監視装置）２５は、金属系被加工材に適応する波長帯域として１３００ｎｍ〜２５００ｎｍの帯域に生じる放射光をすべて検出し、検出された放射光の強度をそのまま表示するので、実際に加工部に係る指数対数的に増加するエネルギー量を高感度に検出することができる。さらに、被溶接材の材料の相異や被溶接箇所の微細な隙間の有無、さらに、レーザ加工機側での数十Ｗ単位や１０ミリ秒単位の相異を加工点からの放射光のモニタリングによる波形によって把握することができる。
【００３２】
なお、上述の実施例では、１３００〜２５００ｎｍの波長帯域に生じる放射光をすべて検出する例として説明したが、検出する放射光の帯域の幅は、図２の黒体からの放射スペクトル分布を参考とし、任意の幅から生じる放射光をすべて検出するように構成してもよい。例えば、被加工箇所で生じる光から、少なくとも３００ｎｍの波長帯域の幅をすべて検出してもよい。少なくとも３００ｎｍの波長帯域幅として、１８００〜２１００ｎｍの波長帯域幅を選択して検出する場合には、図２より、１５００℃の黒体から生じる放射光のピークと、７００℃の黒体から生じる放射光のピークより左側に落ち込んだ箇所より左側の光の強度をモニタリングすることになる。この場合、７００℃の黒点から生じる放射光のピーク値より落ち込んだ領域の放射光をモニタリングするので検出精度の問題が生じる可能性はあるものの、検出する波長帯域に所定の幅があることにより、アルミの融点付近の温度とステンレス鋼の融点付近の温度を含む放射光領域をモニタリングすることが可能である。
【００３３】
センサユニット２６よりセンサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に電流伝送されたセンサ出力信号ＣＳは、センサ信号処理ユニット２２において初段の電流−電圧変換器１０４（図１３）によって電流−電圧変換される。そして、電圧信号に変換されたセンサ出力信号ＣＳがＡ／Ｄ変換器５０によりディジタル信号に変換される。
【００３４】
センサ信号処理ユニット２２内に設けられる演算処理部５２は、特定の演算処理を高速に行えるハードウェアまたはミドルウェアの演算処理装置、好ましくはＦＰＧＡ（フィード・プログラマブル・ゲートアレイ）からなり、データメモリ５４を用いてセンサ出力信号ＣＳの瞬時的な電圧値を放射光の強度を表すカウント値（相対値）に換算し、その換算値をディジタルの波形データＤＣＳとして生成する。生成された波形データＤＣＳは、データメモリ５４に保存される。演算処理部５２は、波形データＤＣＳに基づいて、制御部１４を介して監視パネル２０のディスプレイ上にセンサ出力信号ＣＳの波形を表示し、あるいは後述する良否判定の処理も実行してその判定結果をセンサ出力信号ＣＳの波形と一緒に表示するようになっている。制御部１４は、演算処理部５２から与えれた波形データＤＣＳおよび判定結果のデータを映像信号に変換して監視パネル２０のディスプレイ（表示部２０ａ）にセンサ出力信号ＣＳの波形や判定結果情報等の画像を表示する。
【００３５】
このように、この実施形態におけるモニタ部（レーザ加工監視装置）２５は、レーザ加工時に照射されるレーザ光の戻り光（反射光）ではなく、被加工物自身が溶融状態に達する際の放射光をモニタリングの対象として、放射光を温度換算せずに、加工時の放射光量の変化を特定の帯域における瞬時的な積分値を一義的なカウント値に換算した上で、該カウント値の経時的な変化をカウント値に換算して表示することにより被加工物への加工影響を可視化するものである。
【００３６】
操作パネル２０は、たとえば、液晶ディスプレイからなる表示部２０ａと、キーボード式あるいはタッチパネル式の入力部２０ｂとを含んでおり、制御部１４の表示制御の下で種々の設定画面やモニタ画面を表示する。この実施形態では、設定画面の一つとして、パルスレーザ光ＬＢの設定条件に対応するレーザ出力波形を表示部２０ａのディスプレイ上に表示することも可能となっている。また、モニタ画面の一つとして、表示部２０ａのディスプレイ上に、たとえば後述する図４〜図６、図８〜図１２に示すように、モニタ部２５において強度変化を損なわずに取得した非常に精細なセンサ出力信号の波形を可視化して表示する。
【００３７】
被加工物Ｗ上に設定された複数の加工点Ｐについて、たとえばレーザスポット溶接が行われる場合、制御部１４は、ガイド光発生部１５をオンにして、被加工物Ｗにガイド光ＭＢを集光照射する。ガイド光ＭＢのスポットを加工点Ｐに合わせることで、加工点Ｐの位置決めを正確に行えるとともに、モニタリング系とレーザ加工系の光軸合わせを正確に行うことができる。
【００３８】
そして、制御部１４の制御の下でレーザ発振器１０より所定の条件でパルスレーザ光ＬＢが発振出力されると、このパルスレーザ光ＬＢは、光ファイバ１６を介してヘッド１８の出射ユニット２４に伝送され、出射ユニット２４より被加工物Ｗの当該加工点Ｐ付近に集光照射される。これによって、当該加工点Ｐ付近がパルスレーザ光ＬＢのレーザエネルギーを吸収して瞬時に溶け、その溶融部分から熱放射の電磁波（主に赤外線）が発せられる。
【００３９】
この熱放射のなかで上記のように出射ユニット２４内の光学レンズ３２、ダイクロイックミラー３０およびセンサユニット２６内の光学レンズ３８、ダイクロイックミラー３６を通り抜けた光が赤外線センサ４０のバンド・パス・フィルタ４４に入射する。そして、バンド・パス・フィルタ４４を通過した特定波長帯域（１３００〜２５００ｎｍ）の光ＬＭがフォトダイオード４６で光電変換され、電流出力のセンサ出力信号ＣＳが生成される。このセンサ出力信号ＣＳが上記のようなアナログ信号処理（電流−電圧変換、増幅、電圧−電流変換、電流伝送）を受けてセンサ信号処理ユニット２２に取り込まれる。そして、センサ信号処理ユニット２２内で、センサ出力信号ＣＳが上記のようなディジタル信号処理（電流−電圧変換、アナログ−ディジタル変換、電圧−カウント値変換）を受けて、センサ出力信号ＣＳの波形データＤＣＳが生成され、この１パルス分の波形データＤＣＳがデータメモリ５４に保存される。上記したように、時間軸上でこの波形データＤＣＳの各値（瞬時値）は、光電変換された放射光ＬＭの放射エネルギー密度（強度）の瞬時値に対応している。
【００４０】
こうして取得したセンサ出力信号ＣＳの波形を可視化して表示するときは、演算処理部５２がデータメモリ５４より当該センサ出力信号ＣＳの波形データＤＣＳを読み出して制御部１４に送り、制御部１４が受け取った波形データＤＣＳを映像信号に変換して表示部２０ａにセンサ出力信号ＣＳの波形を画像で表示させる。
【００４１】
この実施形態において、センサユニット２６内に設けられるフォトダイオード４６には、受光感度の高いフォトダイオードたとえば電子冷却付ＩｎＧａＡｓフォトダイオードが用いられる。電子冷却付ＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いる利点は、電子冷却により放射光検出に起因する検出素子（フォトダイオード自身）への熱影響が非常に少ないことであり、受光した放射光ＬＭの光強度に比例する電流出力のセンサ出力信号ＣＳを好適に生成することができる。ただし、放射光ＬＭが微弱な光であるため、センサ出力信号ＣＳも微弱な小信号として出力される。そこで、上記のように、電流−電圧変換回路１００によってセンサ出力信号ＣＳを電圧信号に変換したうえで増幅器４２によりノイズの影響を十分低減できる大きさの信号に変換している。
【００４２】
しかし、このアナログのセンサ出力信号ＣＳを電圧信号のままでセンサユニット２６からセンサケーブル４８を介してたとえば数ｍ以上離れたセンサ信号処理ユニット２２まで伝送（電圧伝送）したならば、センサケーブル４８上の電圧降下によって信号レベルが大幅に減衰し、波形の歪みを生じたりノイズの影響も受けやすい。そこで、センサユニット２６内で電圧−電流変換回路１０２によりセンサ出力信号ＣＳを電流信号に変換してからセンサケーブル４８を介してセンサ信号処理ユニット２２に伝送するようにしており、かかる電流伝送により信号の減衰、波形歪、ノイズ影響等を抑制することができる。このことにより、放射光ＬＭの光強度を表すアナログのセンサ出力信号ＣＳを忠実にセンサユニット２６から遠隔のセンサ信号処理ユニット２２まで伝送することが可能であり、さらにセンサ信号処理ユニット２２内で上記のようなディジタル信号処理にかけることによって、フォトダイオード４６で生成したセンサ出力信号ＣＳの波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データＤＣＳに変換することができる。
［実施例］
【００４３】
以下、図４〜図１２を参照して、この実施形態のレーザ加工監視装置を用いて得られた幾つかの実施例を示す。
【実施例１】
【００４４】
この実施例において用いられたレーザ装置は、アマダミヤチ製パルスファイバレーザ溶接機ＭＬ−３０３０ＡＳである。被加工物Ｗは、厚さ１．０ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）Ｗ１，Ｗ２を横に２枚並べたものとし、パルスレーザ光を用いて突き合せ溶接を行った。この突き合せ溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍ、レーザ出力を５００Ｗ、パルス幅を４５ミリ秒とし、被加工物Ｗ１，Ｗ２間にギャップ（隙間）がない場合（ａ）と０．スポット径３ｍｍの３０％である０．０９ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とで、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の突き合せ溶接の加工特性に対するギャップ（特定要因）の影響を本実施形態のレーザ加工監視装置においてどのように監視できるかを検証した。この実施例において得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を図４に示す。【００４５】
図４において、波形が細かなジグザグを描いている箇所は、被加工箇所で金属の溶融が生じ、溶融池の波面からの放射光乱れが検出されていることを示している。時間軸上で右肩上がりに増大する波形が頂点に達する時点（立下り直前の時点）は、レーザ光の照射を止めた時点である。【００４６】
突き合せ部にギャップがない場合（ａ）の波形とギャップがある場合（ｂ）の波形とを比較すると、前者（ａ）は波形の立上がり開始直後の検出開始点が高く、波形の立下りが緩やかである特性を有している。一方、後者（ｂ）は波形の立ち上がり開始直後の検出開始点が低く、波形の立下りが速やかである特性を有している。この現象は、突き合せ部にギャップがある場合（ｂ）には、金属のない場所（ギャップ）にもレーザ光が入射されるので、照射点でのスポット径に対してギャップが存在することにより溶融池を形成する溶融金属量が少なくなる現象が生じ、溶融池付近から検出される放射光にも溶融金属量の差が放射光量の差になって現れて、波形の立上がり直後の検出開始点が低くなること、また、ギャップを透過する透過光と共に蒸発金属がとんでしまう現象により、溶融金属量が少なくなるので、ギャップがある場合には、波形の立下りが速く検出されることを示している。
【実施例２】
【００４７】
この実施例において用いられたレーザ装置は、アマダミヤチ製パルスファイバレーザ溶接機ＭＬ−３０３０ＡＳである。被加工物Ｗは、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０４）Ｗ１，Ｗ２を２枚重ねたものとし、パルスレーザ光を用いて重ね溶接を行った。この重ね溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍ、レーザ出力を５００Ｗ、パルス幅を４５ミリ秒とし、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）間にギャップがない場合（ａ）と被加工材（Ｗ１，Ｗ２）間にスポット径０．３ｍｍの２０％である０．０６ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とで、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の重ね溶接の加工特性に対するギャップ（特定要因）の影響の有無ないし程度がどのように監視できるかを検証した。この実施例において得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を図５に示す。【００４８】
図５において、波形が細かなジグザグを描いている箇所は、被加工箇所で金属の溶融が生じ、溶融池の波面からの放射光乱れが検出されていることを示している。時間軸上で右肩上がりに増大する波形が頂点に達する時点（立下り直前の時点）は、レーザ光の照射を止めた時点である。【００４９】
この重ね溶接において０．０６ｍｍのギャップがある場合（ｂ）とない場合（ａ）とを比較すると、波形の右肩上り部分においては放射光の強度変化を識別しにくいものであったが、波形の立下り部分、すなわちパルスレーザの照射を止めた後においては、ギャップがある場合（ｂ）の方が、ギャップがない場合（ａ）よりも、波形の立下りがゆるやかであった。この現象は、重ね溶接において、被加工材にギャップがない場合（ａ）は、照射レーザ光が１枚目の金属Ｗ１を溶融して貫通した後にそのまま２枚目の金属Ｗ２を溶融に移行するように作用すると考えられるが、一方で、被加工材に微小なギャップがある場合（ｂ）には、ギャップに存在する空気層の影響により被加工材における熱引きが金属層間にギャップがない場合（ａ）と比べて遅れることにより波形の立下りが緩やかに検出されることを示している。
【実施例３】
【００５０】
この実施例において用いられたレーザ装置は、アマダミヤチ製パルスファイバレーザ溶接機ＭＬ−３０３０ＡＳである。被加工物Ｗは、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼ＳＵＳ３０４の板材Ｗ１，Ｗ２を隙間なく２枚重ねたものとし、矩形波のパルスレーザ光を用いて重ね溶接を行った。この重ね溶接においては、レーザビームのスポット径を０．３ｍｍとし、レーザ出力およびパルス幅をバラメータとした。すなわち、レーザ出力については、３００Ｗ〜５５０Ｗまで５０Ｗ刻みで６段階の値を選択し、パルス幅について２５ミリ秒、３５ミリ秒、４５ミリ秒の３段階の値を選択した。そして、被加工物（Ｗ１，Ｗ２）の重ね溶接の加工特性に対するレーザ出力（第１の特定要因）およびパルス幅（第２の特定要因）の影響がどのように監視できるかを検証した。この実施例において得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を図６に示す。【００５１】
図６において、レーザ光のレーザ出力設定値を大きくするほどセンサ出力信号の波形により示される放射光強度も比例して増大し、かつ、レーザ出力の設定値を大きくするほどセンサ出力信号の波形の立下りの開始が遅れることが示され、さらに、パルス幅を大きくするほどセンサ出力信号の波形により表示される放射光強度（特に立下り直前の最大ピーク値）がより高くなるという相関性が看取できる。これにより、レーザ加工における被加工物からの放射光が、数十Ｗ単位、１０ミリ秒単位で、正確に検出されることを示している。
【実施例４】
【００５２】
この実施例において用いられたレーザ装置は、アマダミヤチ製ファイバレーザ溶接機ＭＬ−６８１１Ｃである。この実施例では、上述した実施例１〜３のようなパルスーザ光ではなくＣＷのレーザ光を用いるレーザ溶接加工において溶接特性に対するレーザ出力（第１の特定要因）およびギャップ（第２の特定要因）の影響が本実施形態のレーザ加工監視装置においてどのように監視できるかを検証した。【００５３】
典型的な被加工物Ｗは、切欠部のある板材と平材とを重ね溶接して窪み部（切欠部）を形成する場合を想定したもので、窪み部（切欠部）の深さをギャップとした。【００５４】
具体的には、図７Ａの（ａ）に示すように、厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板Ｗ１と厚さ３．０ｍｍのステンレス鋼板Ｗ２とを上下に重ね合わせたものをサンプル（１）とした。一方、図７Ａの（ｂ）に示すように、一定の間隔を置いて配置された厚さ３.０ｍｍの２枚のステンレス鋼板Ｗ２Ｌ，Ｗ２Ｒの上に厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板Ｗ１を架橋形態で重ね、ステンレス鋼板Ｗ２Ｌ，Ｗ２Ｒの間でステンレス鋼板Ｗ１の下に３ｍｍのギャップを形成するように薄いステンレス鋼板Ｗ２Ｍを配置したものをサンプル（２）とした。同様に、図７Ａの（ｃ）、図７Ｂの（ｄ）に示すように、ギャップ調整用のステンレス鋼板Ｗ２Ｍの厚さを変えて、ステンレス鋼板Ｗ１の直下に２ｍｍ、１ｍｍのギャップを形成したものをそれぞれサンプル（３），（４）とした。各サンプル（１）〜（４）のいずれも、被加工物Ｗを載置するＸＹテーブルを一定方向（ｘ方向）に掃引して、被加工物Ｗ上にライン状の溶接ビードを形成する重ね溶接を行った。各サンプル（１）〜（４）についてレーザ出力は２００Ｗ、４００Ｗ、６００Ｗの３通りを選んだ。各サンプル（１）〜（４）について得られたセンサ出力信号のモニタリング表示波形を図８〜図１１にそれぞれ示す。【００５５】
サンプル（１）は、この実施形態による加工監視装置によりＣＷ方式のレーザ照射を監視した場合の基本的な波形を示すためのもので、監視結果を示す図８において上下にノイズ状に表れる信号は、被加工箇所で金属に溶融が生じ、溶融池波面からの放射光乱れが検出されていることを示している。【００５６】
サンプル（２）は、シーム溶接においておもて側のステンレス鋼板Ｗ１の裏側の一部（ｘ方向の中間部）に３.０ｍｍのギャップがある場合を想定したものである。図９において、３段階のレーザ出力（２００Ｗ、４００Ｗ、６００Ｗ）の各々について見られる波形の中間の窪み又は突出部分は、被加工材の裏側に空間がある箇所へのレーザ照射をモニタリングしている際の検出信号を示すものである。【００５７】
６００Ｗと４００Ｗの中間で窪みが生じているのに対して２００Ｗでは突出が生じる理由は、照射レーザのエネルギーと加工箇所での熱引きの関係で説明できる。すなわち、２００Ｗの場合は、レーザ照射エネルギーが全体的に低いため、重ね溶接となる箇所では裏側の金属材へ向かって熱が引けていく影響から放射光も弱く生じるものの、中間部では裏側金属材がなく空気層であるために熱が引き難く、熱が籠ることにより放射光が強く生じるものである。４００Ｗ及び６００Ｗの場合は、中間部で裏側金属層がなく空気層であるために熱が引き難い状況は２００Ｗの場合と同様であるものの、レーザ照射エネルギーが全体的に高いため、重ね溶接となる箇所で生じる放射光が強いためである。【００５８】
サンプル（３）、サンプル（４）は、シーム溶接においておもて側のステンレス鋼板Ｗ１の裏側の一部（ｘ方向の中間部）にそれぞれ２．０ｍｍ、１．０ｍｍのギャップがある場合を想定したものである。図１０，図１１に示すように、サンプル（３）、サンプル（４）のいずれも、サンプル（２）と比べると、２００Ｗの場合はあまり変化が見られなかったが、４００Ｗ、６００Ｗの場合には、中間部の窪み、すなわち検出される放射光の強度は、３.０ｍｍの場合と比べて、２．０ｍｍ、１．０ｍｍと空気層を減少させると、逆に高くなる傾向が見られた。これは、空気層の隙間が短くなることにより金属層からさらに熱が引き難くなるためであると考えられる。【００５９】
サンプル（５）は、図７Ｂの（ｅ）に示すように、おもて側の厚さ０．３ｍｍのステンレス鋼板Ｗ１の裏側の一部（ｘ方向の中間部）に形成される空気層（ギャップ）を０．８ｍｍとしたもので、図１２に示すように、ギャップ３ｍｍのサンプル（２）と比較すると、レーザ出力２００Ｗのときは波形の特性に殆ど違いがなく、レーザ出力４００Ｗのときはギャップ部分の波形レベルが若干高くなっている。【００６０】
上述したように、この実施形態においては、レーザ溶接加工において被加工物（金属）の加工点付近から生じる放射光をセンサユニット２４内の赤外線センサ４０で受光して、その放射光に含まれる所定の波長帯域の放射光成分（ＬＭ）を光電変換してアナログのセンサ出力信号ＣＳを生成し、センサケーブル４８を介して接続されるセンサユニット２４およびセンサ信号処理ユニット２２内に設けた信号処理系（図１３）によってセンサ出力信号ＣＳの波形を強度変化を損なわずにディジタルの波形データＤＣＳに変換し、この波形データＤＣＳに基づいてセンサ出力信号ＣＳの波形を監視パネル２０のディスプレイ（２０ａ）上に可視化して表示し、表示された波形（たとえば図４〜図６、図８〜１２）自体から当該レーザ溶接加工におけるレーザ光の作用の監視、当該レーザ溶接加工の加工状態または加工品質に関係する所定の要因の影響度の監視、当該レーザ溶接加工の良否についての監視等を行えるようにしたので、レーザ溶接加工について簡明かつ適確なモニタリングを可能とすることができる。
［他の実施形態又は変形例］【００６１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。【００６２】
たとえば、上述した実施形態ではセンサユニット２６を出射ユニット２４に連結しているが、センサユニット２６を出射ユニット２４から分離して独立のユニットとして出射ユニット２４の近傍に配置する構成を採ることも可能である。【００６３】
本発明のレーザ加工方法およびレーザ加工装置はレーザスポット溶接に限定されず、溶融を伴う他のレーザ加工たとえばレーザ切断、レーザろう付け、レーザ焼入れ、レーザ表面改質等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１０    レーザ発振器
１２    レーザ電源
１４    制御部
１５    ガイド光発生部
１８    ヘッド
２０    監視パネル
２２    センサ信号処理ユニット
２５    モニタ部（レーザ監視装置）
４０    赤外線センサ
４４    バンド・パス・フィルタ（波長フィルタ）
４６    フォトダイオード（光電変換素子）
４２    増幅器
４８    センサケーブル
５０    Ａ／Ｄ変換器
５２    演算処理部
５４    データメモリ
【図１】
2018185973.tif 000003
【図２】
2018185973.tif 000004
【図３】
2018185973.tif 000005
【図４】
2018185973.tif 000006
【図５】
2018185973.tif 000007
【図６】
2018185973.tif 000008
【図７Ａ】
2018185973.tif 000009
【図７Ｂ】
2018185973.tif 000010
【図８】
2018185973.tif 000011
【図９】
2018185973.tif 000012
【図１０】
2018185973.tif 000013
【図１１】
2018185973.tif 000014
【図１２】
2018185973.tif 000015
【図１３】
2018185973.tif 000016
【国際調査報告】
2018185973.tif 000017
2018185973.tif 000018
2018185973.tif 000019
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