(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ加工ヘッド１の光学系ハウジングのレーザ出射口の保護ガラス９の破損を予知する検出方法と装置を提供する。【解決手段】保護ガラス９ａの温度を熱検出器１６で測定し、温度の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラス９ａの破損が近未来に起きると判定する。このときレーザ溶接スタート時の被加工物１０ａの溶接部からの輻射熱による保護ガラス９ａの温度上昇期間を判定期間から除くことで、より正確に保護ガラス９ａの破損を予知できる。【選択図】図４
2006055879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられ、レーザ光で溶接される被溶接加工物に対向する位置に配置される保護ガラスの破損を検出するレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法において、
前記保護ガラスの温度を測定し、該温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラスの破損が近未来にあると判定することを特徴とするレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法。
【請求項２】
溶接スタート時の被溶接加工物からの輻射熱による保護ガラスの温度上昇期間を保護ガラスの破損判定期間から除くことを特徴とする請求項１記載のレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法。
【請求項３】
溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられ、レーザ光で溶接される被溶接加工物に対向する位置に配置される保護ガラスの破損を検出するレーザ出射口保護ガラスの破損検出装置において、
前記保護ガラスの温度を測定する熱検出器と、該熱検出器で測定した保護ガラスの温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラスの破損が近未来にあると判定する判定手段を備えたことを特徴とするレーザ出射口保護ガラスの破損検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられた保護ガラスの破損を自動的に検出する方法と装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工は金属やセラミック等の加工に適用され、高密度のエネルギーを非常に狭い範囲に集中させることから、従来のアーク熱源よりも深い溶け込みが可能であり、入熱量を低下させることが可能となる。そのため、高能率で高品質な溶接や切断加工が可能であり、近年各種の産業に普及している。特にＹＡＧレーザなどの光ファイバ伝送可能なレーザ加工では、ロボット等と組合せて量産製品の加工に適用されている。
【０００３】
レーザ加工ヘッドの概略構造を図４により説明する。図４は、保護ガラスが被加工部から比較的離れているレーザ加工ヘッドの構造を示す概要図である。レーザ加工ヘッド１ａの光学部品は、レーザ光１１を導光する出射光学系と、被加工物１０ａの加工点を観察するための観察光学系から構成される。
【０００４】
ＹＡＧレーザ光は、光ファイバ２によりレーザ加工ヘッド１ａに導光され、光ファイバ２の端より広角に出射する。光ファイバ２は、光ファイバコネクタ３によりハウジング４ａに固定されている。出射光学系は、光ファイバ２より出射したレーザ光１１を下方に反射させるディフレクタ６と、レーザ光１１の広がりを平行光にするコリメートレンズ７と、レーザ光１１を被加工物１０ａの加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ８などから構成される。
【０００５】
コリメートレンズ７と集光レンズ８は、焦点距離が１００〜２００ｍｍのレンズが一般的に使用される。また、レーザ加工ヘッド１ａには、被加工物１０ａの加工点を観察するために観察光学系を備える場合が多く、この場合には撮像装置であるＣＣＤカメラ５がハウジング４ａの上部に取付けられる。このような観察光学系を設けるために、ディフレクタ６はＹＡＧレーザ光を反射し、可視光を透過するものが用いられる。
【０００６】
切断、溶接等のレーザ加工では数ｋＷのレーザ光１１をスポット状に集光し、金属等の被加工物１０ａに当てるため、金属が瞬間的に溶融、蒸発し、被加工物１０ａが配置された溶融部からは金属蒸気、プラズマ、スパッタ及び金属表面付着物からのヒューム等が発生する。これら溶融部からの発生物から光学部品を保護するために、光学部品は密閉されたハウジング４ａ内に設置し、前記光学部品を内蔵したハウジング４ａのレーザ出射口には保護ガラス９ａを設置する。
【０００７】
そして溶融部から発生するプラズマや金属蒸気などを吹き飛ばし、溶接部をシールドするためのアシストガスを溶接部に噴射するためのアシストガスノズル１５がハウジング４ａの近傍に設けられ、さらに、保護ガラス９ａへのスパッタやフュームの付着を防ぐために、保護ガラス９ａの平面と平行な方向に高速にエアーを噴出するエアーカーテンノズル１４がサポート１３によりハウジング４ａに取付けられている。
【０００８】
これらの対策により、溶融部からの飛散物はほとんどが除去されるため、保護ガラス９ａの汚染は少ない。しかし、レーザ加工ヘッド１ａを長時間使用していると保護ガラス９ａは少しずつ汚染される。特に、対象ワーク（被加工物１０ａ）によっては保護ガラス９ａと溶融部の距離が接近する場合もあり、この場合は保護ガラス９ａの汚染確率は非常に高くなる。
【０００９】
図５は、保護ガラス９ｂが被加工部１０ｂに比較的接近しているレーザ加工ヘッド１０ｂの構造を示す概要図である。図５に示すように対象ワークである被加工物１０ｂが狭隘部にある場合には、集光されるレーザ光１１の光路にミラー１７を設置し、レーザ光１１を曲げて対象ワークの隅部を加工可能にしている。
【００１０】
保護ガラス９ｂが溶融部からのスパッタ、ヒュームで汚染されるとレーザ光１１を反射あるいは吸収するため、被加工物１０ｂを照射しているレーザパワーが減衰するため加工能力が低下し、加工不良を起こす原因になる。また、前記汚染は保護ガラス９ｂの破損原因にもなるため、汚染が進行したところで、保護ガラス９ｂの交換が必要になる。
【００１１】
保護ガラス９ｂの破損の一例としては、付着したスパッタがレーザ光１１を吸収し、スパッタ付着部のガラス温度が上昇し、熱歪により保護ガラス９ｂに割れを発生し、さらにその割れ部にレーザ光１１が照射されて急激な温度上昇を招き、保護ガラス９ｂが溶融破裂する場合がある。
【００１２】
この他、保護ガラス９（９ａ、９ｂ）の破損原因はいろいろ考えられるが、保護ガラス９が溶融破裂すると、その溶融破裂により高価な光学系が汚染され、また汚染された状態でレーザ加工を続行すれば、当然ながら加工は正常に行われず、溶融部からの発生物で光学系が損傷するおそれがある。つまり、レーザ加工ヘッド１（１ａ、１ｂ）をロボット等に搭載して完全自動で連続溶接を行う場合には、保護ガラス９の汚染状態の検出機能と、保護ガラス９の溶融破損等の破損前兆検出機能が必要になる。
【００１３】
特に保護ガラス９と被加工物１０が配置される溶融部の距離が接近している場合には、保護ガラス９が汚染され易く、また保護ガラス９を透過するレーザ光１１のパワー密度が高いため溶融損傷が発生し易くなるので、溶融破損等の破損前兆検出機能が望まれる。
【００１４】
保護ガラス９の汚染状態の検出機能としては、特開平９−５７４７９号公報には観察光学系のＣＣＤカメラで保護ガラスを撮影し、画像処理装置で汚染状態を判定する方法が開示されている。しかし、レーザ光が照射されている間はＣＣＤカメラの撮影はできないため、被加工物の加工中にリアルタイムでの保護ガラスの汚染状態の検出はできない。
【００１５】
被加工物のレーザ加工中にリアルタイムで保護ガラスの汚染状態を検出する方法としては、特公平７−１６７９５号公報には保護ガラスに付着した汚れによってガラス内面で反射された光をレーザ光の光路の傍らに設置した光センサで検出して汚れ状態を判定する方法が開示されている。また、特表２００２−５１５３４１号公報には、保護ガラスあるいは保護ガラスの保持具に温度感知器を設置し、保護ガラスの温度を測定し、汚れ状態を判定する方法が開示されている。
【００１６】
また、保護ガラスの破損検出方法としては、特開平９−１２２９６２号公報には集光レンズと保護ガラスの間の空間に外部からエアーを供給して、その空間部の圧力を圧力センサで検出し、保護ガラスが破損した場合のエアー漏れの検出により保護ガラスの破損を検出する方法と、保護ガラスの有無センサにより、保護ガラスの破損を検出する方法が開示されている。しかし、この方法では保護ガラスの破損後でないと異常を検出できないため保護ガラスが溶融破裂破損した場合にはガラスの溶融破損と溶融部からの発生物により光学系を汚染あるいは破損させてしまうことがあった。
【特許文献１】特開平９−５７４７９号公報
【特許文献２】特公平７−１６７９５号公報
【特許文献３】特表２００２−５１５３４１号公報
【特許文献４】特開平９−１２２９６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上記従来技術では、保護ガラスの破損の検出が保護ガラスの破裂後に初めて可能になるため、保護ガラスが溶融破裂破損した場合には保護ガラスの溶融破損と溶融部からの発生物により光学系を汚染あるいは破損させてしまうことがあるという問題があった。  
本発明の課題は、レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に配置される保護ガラスの破損を予知する検出方法と装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の上記課題は次の解決手段により解決される。  
請求項１記載の発明は、溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられ、レーザ光で溶接される被溶接加工物に対向する位置に配置される保護ガラスの破損を検出するレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法において、前記保護ガラスの温度を測定し、該温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラスの破損が近未来にあると判定するレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法である。
【００１９】
請求項２記載の発明は、溶接スタート時の被溶接加工物からの輻射熱による保護ガラスの温度上昇期間を保護ガラスの破損判定期間から除く請求項１記載のレーザ出射口保護ガラスの破損検出方法である。
【００２０】
請求項３記載の発明は、溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられ、レーザ光で溶接される被溶接加工物に対向する位置に配置される保護ガラスの破損を検出するレーザ出射口保護ガラスの破損検出装置において、前記保護ガラスの温度を測定する熱検出器と、該熱検出器で測定した保護ガラスの温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラスの破損が近未来にあると判定する判定手段を備えたレーザ出射口保護ガラスの破損検出装置である。
【００２１】
（作用）
図２に被加工物の溶接部と溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられる保護ガラスが比較的遠くに離れていて、溶接部からの輻射熱の影響が無い場合の保護ガラスの温度曲線を示す。通常、保護ガラスは使用されるレーザ光波長（ＹＡＧレーザの場合は１０６４ｎｍ）に対して多層反射防止膜コートが施されているため、高エネルギーのレーザ光を透過しても熱のロスが少なく、温度変化は少なく、特に急激な温度変化を起こすことはない。
【００２２】
また、図３に被加工物の溶接部と保護ガラスが比較的接近していて、溶接部からの輻射熱の影響がある場合の保護ガラスの温度曲線を示す。レーザ加工のスタート時には溶接部の輻射熱の影響を受けて保護ガラスの温度は急激に上昇している。但し、このような溶接装置では、保護ガラス周辺を水冷あるいは乾燥エアーによる空冷を行うため、数秒後には保護ガラスの急激な温度上昇はおさまり、温度変化は少なく、特に急激な温度変化を起こすことはない。
【００２３】
次に、図１に保護ガラス破損時の保護ガラスの温度曲線を示す。図１には溶接部と保護ガラスの距離が比較的接近している場合の保護ガラスの温度測定値を示しており、加工スタート時には被加工物の溶融部からの輻射熱の影響を受けて保護ガラスの温度は急激に上昇している。そして保護ガラスの溶融破裂破損直前には急激な温度上昇が起こっている。これは、大型の汚染物の付着や保護ガラスの割れが発生する前にレーザ光の吸収により急激な温度上昇があり、この温度上昇で保護ガラスが溶融破裂するためである。
【００２４】
前記保護ガラスの急激な温度上昇を検出し、レーザ光の照射を停止すれば、保護ガラスを溶融破裂させること無く、保護ガラスの交換処理を行うことができる。前記保護ガラスの交換を適切なタイミングで行うことで、高価な光学系を汚染、あるいは損傷させることが無くなる。
【００２５】
請求項１、３記載の発明によれば、溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に設けられる保護ガラスの温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上になるとこの急激な温度上昇があったとして、近未来に保護ガラスの破損があると判定する。
【００２６】
また、請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明の作用に加えて、レーザ加工スタート時に溶接部からの輻射熱で保護ガラスが温度上昇する場合は、スタート時の温度上昇期間を保護ガラスの破損検出のための判定期間から除くことにより保護ガラス破損の誤判定をなくすことができる。
【発明の効果】
【００２７】
請求項１〜３記載の発明によれば、溶接用レーザ加工ヘッドの光学系ハウジングのレーザ出射口に配置される保護ガラスが溶融破裂破損する前の急激な温度上昇を検出し、レーザ光の照射を停止させることができるので、保護ガラスを溶融破裂させること無く、保護ガラスの交換処理を行うことができ、高価な光学系を汚染、あるいは損傷させることが無くなる。これにより連続してレーザ加工が自動で行えるため生産性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に本発明の実施例を図面を用いて説明する。  
図４は、保護ガラスが被加工部から離れているレーザ加工ヘッドの構造を示す概要図である。
【００２９】
本実施例のレーザ加工ヘッド１ａには、レーザ発振器（図示せず）で発生したレーザ光１１をレーザ加工ヘッド１ａに導光する光ファイバ２と光ファイバ２などの光学部品を固定して保護するハウジング４ａを備え、該ハウジング４ａには光ファイバ２などの光学部品を固定するための光ファイバコネクタ３、被加工物１０ａの表面を監視確認するためのＣＣＤカメラ５、光ファイバ２より出射したレーザ光１１を下方に反射させて可視光は透過するディフレクタ６、光ファイバ２から広角に出射したレーザ光１１を平行光にするコリメートレンズ７、コリメートレンズ７で平行光になったレーザ光１１を被加工物１０ａの加工点において焦点を結ぶようにする集光レンズ８、被加工物１０ａからのフュームやスパッタ等から前記光学系を保護する保護ガラス９ａを収納している。  
保護ガラス９ａはハウジング４ａのレーザ出射口に設けられているが、保護ガラス９ａの下方でレーザ光１１が焦点を結ぶ位置には被加工物１０ａが配置されている。
【００３０】
ハウジング４ａにはサポート１３が設けられ、該サポート１３がエアーカーテンノズル１４とアシストガスノズル１５を支持固定している。被加工物１０ａの溶接部からのフュームやスパッタ等を払い飛ばすための高速エアーが保護ガラス９ａと被加工物１０ａの間にあるエアーカーテンノズル１４から噴射され、また被加工物１０ａの溶接部から発生するプラズマや金属蒸気を吹飛ばし、被加工物１０ａの溶接部をシールドするためのアシストガスがアシストガスノズル１５から被加工物１０ａの溶接部に向けて噴射される。
【００３１】
また、レーザ加工中の保護ガラス９ａの温度を測定するための温度検出器１６が保護ガラス９ａに接触させるようにサポート１３の先端部に取り付けられている。
【００３２】
図５には保護ガラス９ｂと被加工物１０ｂの溶接部が比較的接近しているレーザ加工ヘッド１ｂの概略側面図を示す。図５のレーザ加工ヘッド１ｂは、図４のレーザ加工ヘッド１ａとはハウジング４の形状も異なる。図５のレーザ加工ヘッド１ｂはハウジング４ｂのレーザ出射口に保護ガラス９ｂを設けるが、また、レーザ出射口から出射するレーザ光１１を減衰させないための反射ミラー１７をレーザ出射口近傍のハウジング４ｂの内部に配置してある。この場合にも、レーザ加工中の保護ガラス９ｂの温度を測定するための温度検出器１６が保護ガラス９ｂに接触するように反射ミラー１７の下端部に取り付けられている。
【００３３】
既に説明したように、図１は保護ガラス９（９ａ、９ｂ）の破損時を含む保護ガラス９の温度の経時変化曲線である。図２は被加工物１０（１０ａ、１０ｂ）の溶接部からの輻射熱の影響が無い場合の保護ガラス９の温度の経時変化曲線を示す図である。図３は前記溶接部からの輻射熱の影響が有る場合の保護ガラス９の温度の経時変化曲線を示す図である。
【００３４】
図２に示すように、被加工物１０の溶接部と保護ガラス９が比較的遠くに離れていて、溶接部からの輻射熱の影響が保護ガラス９に及ばない場合には、保護ガラス９の温度変化は少なく、溶接中は、ほぼ一定温度を示す。通常保護ガラス９の表面には、使用されるレーザ光波長（ＹＡＧレーザの場合は１０６４ｎｍ）に対する反射防止膜が多層状に被覆されているため、高エネルギーのレーザ光１１を保護ガラス９が透過しても熱のロスが少なために保護ガラス９の温度変化は少なく、特に急激な温度変化を起こすことはない。
【００３５】
図３に示すように、溶接部と保護ガラス９の距離が比較的接近していて、溶接部からの輻射熱の影響が有る場合は、加工スタート時に溶接部の輻射熱の影響を受けて保護ガラス９の温度は急激に上昇する。但し、このような装置では、保護ガラス９の周辺を水冷あるいは乾燥エアーによる空冷を行うため、数秒後には保護ガラス９の急激な温度上昇はおさまり、温度変化は少なく、特に急激な温度変化を起こすことはない。
【００３６】
また、図１に示すように、レーザ加工のスタート時には溶接部の輻射熱の影響を受けて保護ガラス９の温度は急激に上昇している。そして保護ガラス９の溶融破裂破損時には急激な温度上昇が起こっている。これは、保護ガラス９の表面へ大型の汚染物が付着すること等が要因で割れが発生するとレーザ光１１の吸収により急激な温度上昇をまねき、保護ガラス９が溶融破裂するためである。
【００３７】
この急激な温度上昇を検出し、レーザ光１１の照射を停止すれば、保護ガラス９を溶融破裂させること無く、保護ガラス９の交換処理を行うことができ、高価な光学系を汚染、あるいは損傷させることが無くなる。この急激な温度上昇を検出する方法としては、温度上昇の時間微分値が予め設定した閾値以上の時に保護ガラス９の破損が近い未来に生じると判定することより達成される。また、加工スタート時に溶接部からの輻射熱で保護ガラス９が温度上昇する場合は、スタート時の温度上昇期間を前記判定期間から除くことにより保護ガラス９の破損の誤判定をなくすことができる。なお、前記閾値は被加工物１０と保護ガラス９の距離及び／又はレーザ光１１の照射強度などの溶接条件に応じて変化するので、具体的な前記溶接条件が確定した後に決める。
【００３８】
保護ガラス９の温度測定用の温度検出器１６は、検出感度を良くするために保護ガラス９の固定具に取り付けるのではなく、保護ガラス９に直接接触させて温度検出をするのがよく、溶接部からの輻射熱の影響を少なくするためにハウジング４（４ａ，４ｂ）内に設置するのが良い。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明はレーザ溶接技術の中の光学部品の耐久性を高める技術であり、ＨＲＳＧヘッダスタッブ植え込み溶接をレーザ溶接ロボットで行う場合などに利用可能性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】保護ガラス破損時の保護ガラスの温度曲線を示す図である。
【図２】溶接部からの輻射熱の影響が無い場合の保護ガラスの温度曲線を示す図である。
【図３】溶接部からの輻射熱の影響が有る場合の保護ガラスの温度曲線を示す図である。
【図４】保護ガラスが溶接部から比較的離れているレーザ加工ヘッドの構造を示す概要図である。
【図５】保護ガラスが溶接部に比較的接近しているレーザ加工ヘッドの構造を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４１】
１（１ａ，１ｂ）  レーザ加工ヘッド    ２  光ファイバ
３  光ファイバコネクタ                ４（４ａ，４ｂ）  ハウジング
５  ＣＣＤカメラ                      ６  ディフレクタ
７  コリメートレンズ                  ８  集光レンズ
９（９ａ，９ｂ）  保護ガラス          １０（１０ａ，１０ｂ）  被加工物
１１  レーザ光                        １３  サポート
１４  エアーカーテンノズル            １５  アシストガスノズル
１６  温度検出器                      １７  ミラー
【図１】
2006055879.tif 000003
【図２】
2006055879.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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