(57)【要約】【課題】加工プロセスの悪化を予知することができ不良の再発の原因を究明することができるレーザ溶接モニタリング装置を提供する。【解決手段】レーザ溶接モニタリング装置１００は、被加工物１を貫通して被加工物２の被加工物１に対向する面へ到達するキーホールを形成するように、被加工物１にレーザを照射するレーザ照射装置３と、被加工物２の被加工物１に対向する面によって反射された反射レーザの強度を計測する計測器１４と、計測された反射レーザの強度に基づいて被加工物１と被加工物２との間の隙間の有無をモニタリングするモニタリング装置２７とを具備しており、被加工物２の被加工物１に対向する面の反射率は、被加工物１のレーザが照射される面の反射率よりも高くなっている。【選択図】  図１
2004330292.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接される第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間をモニタリングするレーザ溶接モニタリング方法であって、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面にキーホールを形成するように前記第１溶接材料にレーザを照射する工程と、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面によって反射された反射レーザの強度を計測する工程と、
前記計測された反射レーザの強度に基づいて前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングする工程とを包含して、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率は、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高いことを特徴とするレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項２】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、純アルミである、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項３】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、鉄である、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項４】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されている、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項５】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されている、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項６】
前記第１溶接材料の厚みは０．１ミリメートル（ｍｍ）であり、
前記第２溶接材料の厚みは０．８ミリメートル（ｍｍ）である、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項７】
前記第１溶接材料の厚みは０．４ミリメートル（ｍｍ）であり、
前記第２溶接材料の厚みは０．８ミリメートル（ｍｍ）である、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項８】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、板状の形状をしている、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項９】
前記レーザは、ＹＡＧレーザである、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項１０】
前記レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザである、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項１１】
レーザ溶接される第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間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、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面にキーホールを形成するように前記第１溶接材料にレーザを照射するレーザ照射手段と、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面によって反射された反射レーザの強度を計測する計測器と、
前記計測された反射レーザの強度に基づいて前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングするモニタリング装置とを具備し、
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率は、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高いことを特徴とするレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１２】
前記レーザは、ＹＡＧレーザである、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１３】
前記レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザである、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１４】
前記レーザ照射手段は、前記第１溶接材料の表面に対して垂直な方向に沿って前記レーザを照射する、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１５】
前記レーザ照射手段は、前記レーザが前記第１溶接材料へ向かって透過し、前記反射レーザが前記計測器へ向かって反射するように設けられたビームサンプラーを含んでいる、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１６】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、純アルミである、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１７】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、鉄である、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１８】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されている、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項１９】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されている、請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置。
【請求項２０】
請求項１１記載のレーザ溶接モニタリング装置によってその隙間がモニタリングされる第１溶接材料と第２溶接材料とを備えた溶接材料ユニットであって、
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との少なくとも一方には、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率を、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高くするための表面処理が施されていることを特徴とする溶接材料ユニット。
【請求項２１】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されている、請求項２０記載の溶接材料ユニット。
【請求項２２】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されている、請求項２０記載の溶接材料ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接される第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間をモニタリングするレーザ溶接モニタリング方法、レーザ溶接モニタリング装置および溶接材料ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
重ね合せレーザ溶接において、レーザが第一に入射してくる溶接材料を溶接材料Ａとし、溶接材料Ａに溶接する溶接材料を溶接材料Ｂとすると、レーザ照射中において、▲１▼溶接材料Ａが未溶融である状態、▲２▼溶接材料Ａが溶融した状態、▲３▼溶接材料Ａと溶接材料Ｂとが溶融して接合する状態、▲４▼溶接材料Ａと溶接材料Ｂとが凝固する状態の４つ状態がサブミリ秒からミリ秒の間に状態が変化していく。従って、レーザ加工現象を十分に明確にすることは困難である。
【０００３】
その為、レーザ加工現象を十分に解明しないまま、レーザの照射時間、ピークパワー、パルス波形およびレーザ照射の繰り返し回数等の加工条件を変えた実験を絨毯爆撃的に行うか、または経験に基づいて、レーザ加工条件を決定しているのが現状である。その結果、加工条件は、一定範囲において局所的に最適な条件になる。よって、材料の形状または材料の装填の仕方が僅かに変化しただけでも、治具押えが甘くなる。このため、溶接材料Ａと溶接材料Ｂとの間に隙間が生じ、接合強度や外観等の加工品質のバラツキや不良が発生することがある。
【０００４】
レーザ溶接においてこのような隙間の有無は、レーザ加工の良し悪しを左右する重要な因子である。しかし、現状では、加工時にどれくらいの隙間が開いているのかを十分に把握することができていないまま、扱いやすいレーザパラメタ−を先ず調整することで、バラツキや不良を押さえ込んでしまう。その結果、加工プロセスの悪化や不良の再発を招くことが多い。従って、各加工プロセスのどの部分が悪影響を及ぼしているのかをモニタリングする機構が必要になっている。
【０００５】
さらに、近年、レーザ溶接は、短期間に大量生産することを目的とした組み立てラインに適用されることも多くなっているため、加工プロセスを加工毎にモニタすることの重要度は増してきた。そこでの検査方法は、オフラインによって検査員が目視で行うか、あるいは検査機器を用いて行っており、このような検査によって加工プロセスの悪化を予知したり不良の再発の原因を究明することはできない。加工プロセスの悪化を予知したり不良の再発の原因を究明するためには、すべての加工点に対し、溶接と同時に、加工状態をモニタすることが理想的である。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１１１１５５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら現状の生産工程においては、レーザ加工現象をモニタリングするどころか、各加工時の隙間をモニタリングすることができる機器も存在していない。事実、一般的なレーザ溶接における溶接状態のオンライン計測としては、溶接時に溶接部分において発生するプルーム、音、反射光、熱放射光および高速画像等を利用したものがあるが、モニタ信号と溶接状態との間の関係は、未だ一義的に定められないため、具体的な状態との対応づけが難しく、未溶接、溶接、穴あき等の非常に顕著な加工結果の差を見つけることができるレベルにとどまっている。
【０００８】
本発明の目的は、加工プロセスの悪化を予知することができ不良の再発の原因を究明することができるレーザ溶接モニタリング方法、レーザ溶接モニタリング装置および溶接材料ユニットを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ溶接モニタリング方法は、レーザ溶接される第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間をモニタリングするレーザ溶接モニタリング方法であって、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面にキーホールを形成するように前記第１溶接材料にレーザを照射する工程と、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面によって反射された反射レーザの強度を計測する工程と、前記計測された反射レーザの強度に基づいて前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングする工程とを包含し、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率は、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高いことを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るレーザ溶接モニタリング装置は、レーザ溶接される第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間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、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面にキーホールを形成するように前記第１溶接材料にレーザを照射するレーザ照射手段と、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面によって反射された反射レーザの強度を計測する計測器と、前記計測された反射レーザの強度に基づいて前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングするモニタリング装置とを具備し、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率は、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高いことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る溶接材料ユニットは、本発明に係るレーザ溶接モニタリング装置によってその隙間がモニタリングされる第１溶接材料と第２溶接材料とを備えた溶接材料ユニットであって、前記第１溶接材料と前記第２溶接材料との少なくとも一方には、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面の反射率を、前記第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高くするための表面処理が施されていることを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本実施の形態に係るレーザ溶接モニタリング方法においては、第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面の反射率は、第１溶接材料の前記レーザが照射される面の反射率よりも高い。このため、レーザ溶接中において第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面によって反射される反射光を強調することができる。従って、反射光の強度に基づいて第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングすることができる。その結果、加工プロセスの悪化および不良の再発の原因を究明することができる。
【００１３】
この実施の形態では、前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、純アルミであることが好ましい。
【００１４】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、鉄であることが好ましい。
【００１５】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されていることが好ましい。
【００１６】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されていることが好ましい。
【００１７】
前記第１溶接材料の厚みは０．１ミリメートル（ｍｍ）であり、前記第２溶接材料の厚みは０．８ミリメートル（ｍｍ）であることが好ましい。
【００１８】
前記第１溶接材料の厚みは０．４ミリメートル（ｍｍ）であり、前記第２溶接材料の厚みは０．８ミリメートル（ｍｍ）であることが好ましい。
【００１９】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、板状の形状をしていることが好ましい。
【００２０】
前記レーザは、ＹＡＧレーザであることが好ましい。
【００２１】
前記レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザであることが好ましい。
【００２２】
本実施の形態に係るレーザ溶接モニタリング装置においては、第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面の反射率は、第１溶接材料のレーザが照射される面の反射率よりも高い。このため、レーザ溶接中において第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面によって反射される反射光を強調することができる。従って、反射光の強度に基づいて第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングすることができる。その結果、加工プロセスの悪化および不良の再発の原因を究明することができる。
【００２３】
前記レーザは、ＹＡＧレーザであることが好ましい。
【００２４】
前記レーザは、Ｈｅ−Ｎｅレーザであることが好ましい。
【００２５】
前記レーザ照射手段は、前記第１溶接材料の表面に対して垂直な方向に沿って前記レーザを照射することが好ましい。
【００２６】
前記レーザ照射手段は、前記レーザが前記第１溶接材料へ向かって透過し、前記反射レーザが前記計測器へ向かって反射するように設けられたビームサンプラーを含んでいることが好ましい。
【００２７】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、純アルミであることが好ましい。
【００２８】
前記第１溶接材料と前記第２溶接材料とは、鉄であることが好ましい。
【００２９】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されていることが好ましい。
【００３０】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されていることが好ましい。
【００３１】
本実施の形態に係る溶接材料ユニットにおいては、第１溶接材料と第２溶接材料との少なくとも一方には、第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面の反射率を、第１溶接材料のレーザが照射される面の反射率よりも高くするための表面処理が施されている。このため、レーザ溶接中において第２溶接材料の第１溶接材料に対向する面によって反射される反射光を強調することができる。従って、反射光の強度に基づいて第１溶接材料と第２溶接材料との間の隙間の有無をモニタリングすることができる。その結果、加工プロセスの悪化および不良の再発の原因を究明することができる。
【００３２】
この実施の形態では、前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には鏡面処理が施されていることが好ましい。
【００３３】
前記第２溶接材料の前記第１溶接材料に対向する面には金メッキが施されていることが好ましい。
【００３４】
本実施の形態が対象とする加工は、重ね合せレーザ溶接であって、レーザ溶接中にキーホールと呼ばれる穴が発生する加工である。このようなキーホール型のレーザスポット溶接では、溶融部の直径と溶け込み深さとの間の関係が、熱伝導型のレーザスポット溶接における１０：１と異なり、３：２程度の良好な溶接形状を得ることができる。
【００３５】
このようなキーホール型のレーザスポット溶接の原理は、レーザにより加熱することにより、加工領域の物質が気化する温度まで上昇する。そして、一部蒸発が起こり、蒸発による反力により、残りの液体部を周りへ押しやり、キーホールという窪みを形成する。さらに、その窪みにおいてレーザの多重散乱が起こり、深さ方向のレーザを吸収する部分が増え、良好な溶接形状が形成される。
【００３６】
キーホールが溶接材料Ａの裏面に達した時、溶接に用いるレーザ、あるいは、別の第２のレーザをキーホールに通過させ、溶接材料Ｂの表面に入射させると反射が起き、ふたたびキーホールを通り、外部に反射光として戻ってくることが可能になる。これは、キーホール型のレーザ溶接に特徴的な現象である。
【００３７】
特に、溶接材料Ｂの接合面の反射率が、溶接材料Ａのレーザ入射側の表面における反射率よりも高くなるように処置を施した場合には、反射光を顕著な信号として観測することができる。この信号をもとに、溶接材料Ａと溶接材料Ｂとの間に隙間があるか否かを判断する。
【００３８】
溶接材料Ｂに対する処置としては、溶接材料Ｂよりも反射率の高い材料によって溶接材料Ｂの表面に被膜を形成し、溶接材料Ｂの表面に鏡面研磨を施すことによって対応する。
【００３９】
溶接材料Ａに対する処置としては、ブラストなどで溶接材料Ａの表面を荒らしたり、溶接材料Ａよりもレーザの吸収率が高い材料によって溶接材料Ａの表面に被膜を形成することで対応する。以上の処理を、溶接材料Ａ、あるいは溶接材料Ｂ、もしくは溶接材料Ａと溶接材料Ｂの両方に施す。
【００４０】
また、溶接材料Ａと溶接材料Ｂとの間の隙間が大きいため加工の進行が遅いと、レーザが戻ってくる時間が長くなる。さらに、この信号が発生しない場合は、２通り存在する。１つ目は、溶接材料Ａが溶融した状態でレーザ照射が終わってしまい、未溶接を意味することになる。２つ目は、隙間がない場合におきる。この場合は、良好な溶接が行われていることになる。この場合は、先に説明した従来のモニタ信号による、未接合と接合の選別で事が足りる。
【００４１】
ここで、反射光の基本的な振る舞いについて述べておく。先に述べたが、溶接に用いるレーザ、あるいは、別の第２のレーザはキーホールに囚われ、キーホールの内部において多重反射し吸収されるため、レーザ照射時間が進むにつれ、基本的には反射強度は減衰する。▲２▼溶接材料Ａが溶融した状態から、▲３▼溶接材料Ａと溶接材料Ｂとが溶融して接合する状態に変わる際に、隙間があれば、強い反射光が戻ってくる。その後、レーザ照射が弱められ、凝固過程に移り、キーホールが閉じるので、強度は一旦減少から増加に転じ、再びレーザ照射を弱めるにつれて減少する。
【００４２】
さらに、隙間に問題があると分っていても、溶接材料Ａと溶接材料Ｂとの固定機構がどの程度悪いのかを定量的に評価する手段はなかった。しかし、溶接に用いるレーザ、あるいは、別の第２のレーザの、レーザ溶接中における溶接材料Ｂの接合面からの戻り光に基づいて、溶接材料Ａと溶接材料Ｂとの固定機構を定量的に評価することができる。
【００４３】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００４４】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置１００の構成を示すブロック図である。
【００４５】
厚み０．１ミリメートル（ｍｍ）の純アルミによって構成された被加工物１と厚み０．８ミリメートル（ｍｍ）の純アルミによって構成された被加工物２とに対して、基本波ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ナノメータ（ｎｍ））による、重ね合せスポット溶接を行い、加工点ごとに加工部から戻ってくる、基本波ＹＡＧレーザの正反射光を計測し、接合部の隙間の有無を判断した。図２は、レーザ溶接中の正反射光を計測した結果を示すグラフである。横軸は時間を示しており、縦軸は反射光の強度を示している。
【００４６】
被加工物１は純アルミによって構成されており、純度９７％以上で、厚み０．１ｍｍである。被加工物２は純アルミによって構成されており、純度９９％以上で、厚み０．８ｍｍである。被加工物２の表面には鏡面処理が施されている。被加工物１と被加工物２とを２枚重ね合わせて使用した。なお、基本波ＹＡＧレーザが入射してくる方に、被加工物１を置いた。
【００４７】
被加工物１および被加工物２を固定するために、被加工物２の下方にコバルト磁石４を配置し、被加工物１の上に、厚さ２ｍｍの磁性金属製で加工点を中心に直径３ｍｍの穴が形成された治具５によって固定した。
【００４８】
レーザ照射装置３によって照射される基本波ＹＡＧレーザのレーザ条件は、ピークパワーにおいて１．０４キロワット（ｋＷ）のレーザを４ミリ秒（ｍｓ）照射した後、２ミリ秒（ｍｓ）かけてパワーを減少させ、１パルス５．２ジュール（Ｊ）とした。
【００４９】
レーザ照射装置３から照射された基本波ＹＡＧレーザのレーザ光は、直径３００マイクロメートル（μｍ）のファイバ６を通ってレーザ溶接モニタリング装置１００に設けられた集光レンズ７に導かれた後、波長１０６４ナノメータ（ｎｍ）を５％サンプルすることができるビームサンプラー８を通り抜けて、焦点距離８０ミリメータ（ｍｍ）の集光レンズ９に導かれて、３００マイクロメータ（μｍ）のスポット径によって被加工物１の表面に集光され、重ね合せスポット溶接を行う。集光レンズ７の焦点深度は１ミリメートル（ｍｍ）あるものとする。
【００５０】
図２はレーザ溶接モニタリング装置１００によって照射されるレーザ光および反射光の強度の時間的変化を示すグラフであり、図３（ａ）ないし図３（ｄ）および図４（ａ）ないし図４（ｃ）はレーザ溶接モニタリング装置１００によってレーザが照射された被加工物１および２の加工状態を説明するための断面図である。
【００５１】
加工中の反射光２４は、レーザが被加工物１に対して垂直に照射されているので、正反射してレーザと同軸方向から戻ってくることになり、集光レンズ９を通過し、ビームサンプラー８において５％反射し、波長１０６４ナノメータ（ｎｍ）のレーザを通過する干渉フィルター１０を通過した後、集光レンズ１１によって像を結ぶ。像面上に配置された直径１００マイクロメータ（μｍ）のピンホール１２によって反射光２４を計測するサイズを決定する。
【００５２】
ピンホール１２を通過した反射光２４は集光レンズ１３により、ＳＩのセンサ１４上に像を結ばせ、直径１００マイクロメータ（μｍ）の計測径によって、１００キロヘルツ（ｋＨｚ）のサンプリングでオシロスコープ２７により反射光２４を計測した。
【００５３】
計測結果は、図２および図３（ａ）に示すように、被加工物１の表面が溶融するまでは、反射光２４の強度は時間の経過とともに上昇する（状態２−１）。そして図２および図３（ｂ）に示すように、被加工物１の表面が溶融を開始すると反射光２４の強度は減少する（状態２−２）。
【００５４】
次に図２および図３（ｃ）に示すように、被加工物１の表面にキーホール２５が開くと反射光２４の強度はさらに減少していく（状態２−３）。その後図２および図３（ｄ）に示すように、被加工物２の表面から再び強い反射光２４が戻ってくる（状態２−４およびピーク１５）。
【００５５】
次に図２および図４（ａ）に示すように、キーホール２５が被加工物１を貫通して被加工物２にも発生すると、反射光２４の強度は強い反射光２４が戻る前の強度にまで減少する（状態２−５）。そして、図２および図４（ｂ）に示すように、レーザ照射装置３から照射されるレーザの強度が弱められ、凝固過程に移り、反射光２４の強度は一旦増加に転じる（状態２−６）。
【００５６】
その後、図２および図４（ｃ）に示すように、再びレーザ照射を弱めるにつれて反射光２４の強度は減少した（状態２−７）。
【００５７】
その結果、レーザ照射中の反射光２４の波形は、３段のピークを持つ波形になった。なお、２段目のピーク１５が被加工物１と被加工物２との接合の開始を示すか否かを確認するために、ピーク１５が起こる前でレーザ照射を止めたものと、ピーク１５が起こった後レーザ照射を止めたものとを比較し、未接合と接合になっていることを確認している。
【００５８】
また、２段目のピーク１５が発生している時間が長いほど、被加工物１と被加工物２との接合部の隙間１６（図１）が広くなっていることを確認することができた。２段目のピーク１５が発生したときの隙間１６（図１）が１／２０に減少するまで、治具５の穴径を小径化させたところ、穴径は２ミリメートル（ｍｍ）となり、接合強度のバラツキが、３σにおいて６．０Ｎあったものが、３．３Ｎまで抑えることができた。
【００５９】
以上のように実施の形態１によれば、被加工物２の被加工物１に対向する面の反射率は、被加工物１のレーザが照射される面の反射率よりも高くなっている。このため、レーザ溶接中において被加工物２の被加工物１に対向する面によって反射される反射光を強調することができる。従って、反射光の強度に基づいて被加工物１と被加工物２との間の隙間の有無をモニタリングすることができる。その結果、加工プロセスの悪化および不良の再発の原因を究明することができる。
【００６０】
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置１００Ａの構成を示すブロック図である。図１を参照して前述したレーザ溶接モニタリング装置１００の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００６１】
厚み０．４ミリメートル（ｍｍ）の鉄によって構成された被加工物１Ａと厚み０．８ミリメートル（ｍｍ）の鉄によって構成された被加工物２Ａとに対して、基本波ＹＡＧレーザ（波長：１０６４ナノメータ（ｎｍ））による、重ね合せスポット溶接を行う。
【００６２】
その際、基本波ＹＡＧレーザとは別のＨｅ−Ｎｅレーザ（波長：６３２．８ナノメータ（ｎｍ））を用いて、加工点ごとに加工部から戻ってくるＨｅ−Ｎｅレーザを計測し、接合部の隙間の有無を判断した。図６は、レーザ溶接中におけるＨｅ−Ｎｅレーザの反射光を計測した結果を示すグラフである。横軸は時間を示しており、縦軸はＨｅ−Ｎｅレーザの反射光の強度を示している。
【００６３】
被加工物１は鉄の板によって構成されており、厚み０．４ｍｍである。被加工物２は鉄の板によって構成されており、厚み０．８ｍｍである。被加工物２はサンドブラスト加工によって表面が荒らされており、厚み１０マイクロメートル（μｍ）の金メッキが施されている。被加工物１と被加工物２とを２枚重ね合わせて使用した。なお、基本波ＹＡＧレーザが入射してくる方に、被加工物１を置いた。
【００６４】
レンズ加工中においてＨｅ−Ｎｅレーザ発振器１９から出射されたＨｅ−Ｎｅレーザは、集光レンズ２８を通り抜けて、ハーフミラー２０によって反射され、ダイクロイックミラー１７によって反射されて、集光レンズ１８を通って加工点に照射される。
【００６５】
図７（ａ）ないし図７（ｄ）および図８（ａ）ないし図８（ｂ）は、実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置１００Ａによってレーザが照射された被加工物１Ａおよび被加工物２Ａの加工状態を説明するための断面図である。
【００６６】
Ｈｅ−Ｎｅレーザの加工部からの戻り光２６は、被加工物１Ａの表面に垂直な方向に沿って戻ってくることになり、集光レンズ１８を通過し、ダイクロイックミラー１７によって反射され、ハーフミラー２０を通り抜けて、波長６３２．８ナノメータ（ｎｍ）を透過する干渉フィルター２９を通過した後、集光レンズ１１によって像を結ぶ。
【００６７】
像面上に配置された直径５００マイクロメータ（μｍ）のピンホール２１によって、Ｈｅ−Ｎｅレーザの加工部からの戻り光２６を計測するサイズを決定する。ピンホール２１を通過したＨｅ−Ｎｅレーザの加工部からの戻り光２６は集光レンズ１３により、ＳＩのセンサ１４上に像を結び、直径５００マイクロメータ（μｍ）の計測径によって、１００キロヘルツ（ｋＨｚ）のサンプリングでオシロスコープ２７により戻り光２６を計測した。
【００６８】
計測結果は、図６および図７（ａ）に示すように、被加工物１Ａの表面が溶融するまでは、戻り光２６の強度は増大する（状態４−１）。そして図６および図７（ｂ）に示すように、被加工物１Ａの表面の溶融が開始すると戻り光２６の強度は減少する（状態４−２）。次に図６および図７（ｃ）に示すように、キーホール２５が開くと戻り光２６の強度はさらに減少していく（状態４−３）。
【００６９】
その後図６および図７（ｄ）に示すように、被加工物２Ａの表面から再び強い反射光２６が戻ってくる（状態４−４）。そして図６および図８（ａ）に示すように、キーホール２５が被加工物２Ａにも発生し、戻り光２６の強度は強い戻り光２６が戻る前の強度にまで減少する（状態４−５）。そして図６および図８（ｂ）に示すように、レーザの照射を停止した後、凝固過程に移行した（状態４−６）。
【００７０】
その結果、レーザ照射中の戻り光２６の波形は、２段のピークを持つ波形になった。なお、２段目のピーク２２が接合開始を示すか否かを確認するために、ピーク２２が起こる前においてレーザ照射を止めたものと、ピーク２２が起こった後でレーザ照射を止めたものとを比較し、それぞれ未接合と接合になっていることを確認している。また、２段目のピーク２２が発生している時間が長いほど、接合部の隙間１６（図５）が広くなっていることを確認することができた。
【００７１】
このように、実施の形態１ないし２に係るレーザ溶接部のモニタリング方法と溶接材料とによって、レーザ溶接中に溶接材料Ｂの接合面で戻ってくる反射光を、材料処置を施すことによって、強調させ、隙間の有無を明確にし、加工プロセスの悪化の予知や不良の再発の原因究明を示唆することによって、効率的に加工プロセス改善の対策を打つことができる。例えば、従来、加工治具の隙間を評価するためには、加工したサンプルの断面を評価する方法しかなかった。その為、穴あき不良などが発生した場合には、結局隙間の有無を判断することができなかった。本実施の形態では、穴あき不良が発生する場合でも、隙間の有無を推定することができ、不良の原因を効率的に究明することができる。
【００７２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、加工プロセスの悪化を予知することができ不良の再発の原因を究明することができるレーザ溶接モニタリング方法、レーザ溶接モニタリング装置および溶接材料ユニットを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置の構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置によって照射されるレーザ光および反射光の強度の時間的変化を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置によってレーザが照射された溶接材料の加工状態を説明するための断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置によってレーザが照射された溶接材料の加工状態を説明するための断面図である。
【図５】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置の構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置によって照射されるレーザ光および反射光の強度の時間的変化を示すグラフである。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置によってレーザが照射された溶接材料の加工状態を説明するための断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｂ）は、実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置によってレーザが照射された溶接材料の加工状態を説明するための断面図である。
【符号の説明】
１、２  被加工物
３  レーザ照射装置
８  ビームサンプラー
１４  計測器
２５  キーホール
２７  モニタリング装置
１００  レーザ溶接モニタリング装置
【図１】
2004330292.tif 000003
【図２】
2004330292.tif 000004
【図３】
2004330292.tif 000005
【図４】
2004330292.tif 000006
【図５】
2004330292.tif 000007
【図６】
2004330292.tif 000008
【図７】
2004330292.tif 000009
【図８】
2004330292.tif 000010