(57)【要約】【課題】溶接状態を高い精度で検査することができる信頼性の高いレーザ溶接モニタリング方法を提供する。【解決手段】レーザ溶接モニタリング方法は、第２溶接材料に第１溶接材料を溶接するために第１溶接材料側からレーザを照射する照射工程と、照射されたレーザの第１溶接材料の表面におけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲においてレーザの反射光を計測する反射光計測工程と、スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲においてレーザの照射に基づく熱放射光を計測する熱放射光計測工程と、計測された反射光と計測された熱放射光とに基づいて、溶接された第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する推定工程とを包含する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１溶接材料と第２溶接材料とのレーザ溶接におけるレーザ溶接モニタリング方法であって、
前記第２溶接材料に前記第１溶接材料側からレーザを照射する照射工程と、
前記第１溶接材料の表面にレーザーを照射する際、おけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲で前記レーザの反射光を計測する反射光計測工程と、
前記スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲で熱放射光を計測する熱放射光計測工程と、
前記計測された反射光と熱放射光とに基づいて、第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する推定工程とを包含する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】
前記熱放射光計測工程において計測される前記熱放射光の波長は、１．２マイクロメータ（μｍ）以上２マイクロメータ（μｍ）以下である、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項３】
前記熱放射光計測工程は、複数の波長について前記熱放射光を計測する、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項４】
前記推定工程は、前記反射光の強度と前記反射光の時間との少なくとも一方と、前記熱放射光の強度と前記熱放射光の時間との少なくとも一方とに基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定する、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項５】
前記推定工程は、キーホールが発生したときにおける前記反射光の強度に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定する、請求項４記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項６】
前記推定工程は、前記発生したキーホールが維持されている間における前記反射光の時間に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定する、請求項５記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項７】
前記推定工程は、前記第２溶接材料が溶融を開始した時間を基準とした前記熱放射光の時間に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定する、請求項４記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項８】
前記推定工程は、プルームが発生したときにおける前記反射光の強度に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定する、請求項４記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項９】
キーホールあるいはプルームの発生した時間の加工表面の温度が、直前の加工表面の温度に対して低くない場合、キーホールあるいはプルームの発生した時間の加工表面の温度を下回るまで、基準時間を早めて使用する、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項１０】
各時刻で異なる波長の熱放射光により求めた温度で、熱放射光の強度を割った値を熱放射光の強度として使用する、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項１１】
溶接部の接合強度が試料溶接部以外の強度を上回った場合、反射光と熱放射光から、前記第２溶接材料の接合部の直径、半径あるいは面積を推察することより、接合状態および接合強度をモニタする、請求項１記載のレーザ溶接モニタリング方法。
【請求項１２】
第１溶接材料と第２溶接材料とのレーザ溶接におけるレーザ溶接モニタリング装置であって、
前記第２溶接材料に前記第１溶接材料側からレーザを照射する照射手段と、
前記第１溶接材料の表面にレーザーを照射する際、おけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲で前記レーザの反射光を計測する反射光計測装置と、
前記スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲で熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、
前記計測された反射光と熱放射光とに基づいて、第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する推定装置とを具備することを特徴とするレーザ溶接モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接におけるモニタリング方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接では、試料の材質、熱伝導等の物理的な性質および材料の構造や熱容量等の機械的な性質に基づいて、レーザの照射時間、ピークパワー、パルス波形および繰り返し回数等を変えた実験を繰り返し行い、最適的なレーザ溶接条件を決定する。そのため、レーザ溶接条件は、一定範囲の規則性はあるもの、レーザ加工の専門家が決定したあいまいさをもつことになる。このようなあいまさを管理するために、レーザ溶接における加工状態あるいは加工結果を加工毎にモニタすることは重要である。
【０００３】
また、近年、レーザ溶接は、精密な大量生産ラインに適用されることも多くなってきている。レーザ溶接における溶接状態、特に溶接欠陥の検査では、オフラインにて検査員が目視で検査するか、あるいは検査機器を使用して検査することが多い。精密な大量生産ラインでは、多量な箇所を検査することが必要となり、検査にかかる負担は大きい。また、生産性の観点から検査時間は短いことが必要があり、溶接と同時に、または溶接と並行して検査（リアルタイム検査）を行えることが望ましい。しかしながら、現状の接合強度まで加工モニタにより検査することができる機器は存在していない。
【０００４】
一般に、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。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２２５６６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、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、各特性の識別および詳細な分析が難しいのが現状である。現状の加工モニタ技術は、未溶接、溶接および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。
【０００７】
この原因の一つは、信号処理方法にある。数多くの加工結果を求め、結果を統計的に処理することが多く、その結果、モニタ結果の微弱な情報はかき消されてしまい、個々の試料の大まかな傾向がわかるレベルにとどまっている。リアルタイム検査を実用化するためには、レーザ溶接の加工結果を示すデータの信頼性を上げることが必要である。
【０００８】
本発明の目的は、溶接状態を高い精度で検査することができる信頼性の高いレーザ溶接モニタリング方法およびレーザ溶接モニタリング装置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、第１溶接材料と第２溶接材料とのレーザ溶接におけるレーザ溶接モニタリング方法であって、前記第２溶接材料に前記第１溶接材料側からレーザを照射する照射工程と、前記第１溶接材料の表面にレーザーを照射する際、スポットの範囲よりも狭い第１計測範囲で前記レーザの反射光を計測する反射光計測工程と、前記スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲で熱放射光を計測する熱放射光計測工程と、前記計測された反射光と熱放射光とに基づいて、第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する推定工程とを包含することを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るレーザ溶接モニタリング装置は、第１溶接材料と第２溶接材料とのレーザ溶接におけるレーザ溶接モニタリング装置であって、前記第２溶接材料に前記第１溶接材料側からレーザを照射する照射手段と、前記第１溶接材料の表面にレーザーを照射する際、スポットの範囲よりも狭い第１計測範囲で前記レーザの反射光を計測する反射光計測装置と、前記スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲で熱放射光を計測する熱放射光計測装置と、前記計測された反射光と熱放射光とに基づいて、第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する推定装置とを具備することを特徴とする。
【００１１】
【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、計測された反射光と熱放射光とに基づいて、第１溶接材料と第２溶接材料との接合強度および接合面積を推定する。このため、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レベルに留まっている現状の加工モニタ技術を向上させ、リアルタイムで溶接部の接合強度および接合面積を求めることができる。その結果、溶接状態を検査できる信頼性の高いレーザ溶接モニタリング方法を得ることができる。
【００１２】
この実施の形態では、前記熱放射光計測工程において計測される前記熱放射光の波長は、１．２マイクロメータ（μｍ）以上２マイクロメータ（μｍ）以下であることが好ましい。
【００１３】
前記熱放射光計測工程は、複数の波長について前記熱放射光を計測することが好ましい。
【００１４】
前記推定工程は、前記反射光の強度と前記反射光の時間との少なくとも一方と、前記熱放射光の強度と前記熱放射光の時間との少なくとも一方とに基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定することが好ましい。
【００１５】
前記推定工程は、キーホールが発生したときにおける前記反射光の強度に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定することが好ましい。
【００１６】
前記推定工程は、前記発生したキーホールが維持されている間における前記反射光の時間に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定することが好ましい。
【００１７】
前記推定工程は、前記第２溶接材料が溶融を開始した時間を基準とした前記熱放射光の時間に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定することが好ましい。
【００１８】
前記推定工程は、プルームが発生したときにおける前記反射光の強度に基づいて前記接合強度および前記接合面積を推定することが好ましい。
【００１９】
キーホールあるいはプルームの発生した時間の加工表面の温度が、直前の加工表面の温度に対して低くない場合、キーホールあるいはプルームの発生した時間の加工表面の温度を下回るまで、基準時間を早めて使用することが好ましい。
【００２０】
各時刻で異なる波長の熱放射光により求めた温度で、熱放射光の強度を割った値を熱放射光の強度として使用することが好ましい。
【００２１】
溶接部の接合強度が試料溶接部以外の強度を上回った場合、反射光と熱放射光から、前記第２溶接材料の接合部の直径、半径あるいは面積を推察することより、接合状態および接合強度をモニタすることが好ましい。
【００２２】
以下、本実施の形態の基本原理を説明する。
【００２３】
本実施の形態において対象とする加工は、レーザ溶接による加工である。溶接は接合技術であり、接合を評価するにためは、引っ張り試験および断面形状評価等のように試料を破壊して検査することが一般的である。生産工程では、破壊試験は抜き取り検査として行うことが多い。
【００２４】
しかしながら、レーザ溶接における加工品質を保証するためには、全数検査が望ましい。加工品質を保証するためには、非破壊検査を行う必要がある。非破壊検査としては、Ｘ線検査を行うことができるが、Ｘ線検査のための検査機器は高価で大掛かりな試験機であり、オフライン化される可能性があり、検査に非常に手間がかかる。
【００２５】
本実施の形態は、接合強度および接合面積のような加工時にける被加工物の情報を、加工中の表面モニタに基づいて高い精度で計測することができる加工モニタ計測技術と、加工モニタ信号を処理することで精度の高い接合強度および接合面積を求める信号処理技術とによって、上記した課題を解決する。
【００２６】
初めに、加工モニタ計測技術について述べる。現状の計測方法として、プラズマ光、振動、反射光および熱放射光の内、どの計測方法によって計測するかという研究は多く見けられるが、どのように計測するかの研究は未だ十分研究はなされていない。
【００２７】
本実施の形態では、レーザ溶接において特徴的な加工現象をモニタすることに注目した。レーザ溶接には、大別して熱伝導型の溶接とキーホール型の溶接とが存在する。溶接結果としては、熱伝導型の溶接では表面の溶融部のサイズに対して浅い溶け込みが生じ、キーホール型の溶接では表面の溶融部のサイズに対して深い溶け込みが生じる。
【００２８】
熱伝導型の溶接とキーホール型の溶接との間の大きな相違点の一つは、加工中にキーホールが発生するか否かである。加工中にキーホールが発生すると、レーザ光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て吸収される。このため、キーホール型の溶接ではレーザ光の反射強度は基本的には減衰する。また、キーホールが発生しない熱伝導型の溶接の場合でも、加工表面では酸化膜が形成され、反射光の強度も変化することを実験によって確認した。
【００２９】
先に述べた加工に伴う顕著な反射光の変化は、加工状態を反映しており、レーザ光が照射される試料の表面上におけるレーザのスポット径のサイズよりも狭い範囲において顕著に起こる。このため、試料の表面上におけるレーザのスポット径のサイズよりも狭い計測範囲において反射光を計測する。
【００３０】
レーザ溶接における、もう一つの特徴な現象は、レーザスポットの中心部から溶融が始まり、溶接が進捗するにつれて、溶融部が拡大することである。溶融している部分は数千ケルビンの高い温度に達し、溶融あるいは蒸発を起こすほど非常に高温な状態になっている。このため、溶融部からの熱放射光の強度は強い。この熱放射光の強度を計測する範囲として、発生する熱の影響によって加工周辺部に溶融部が広がるため、レーザ光が照射される試料表面上におけるレーザのスポット径のサイズよりも広い領域を計測する必要がある。
【００３１】
また、熱放射光は、非接触の温度計測プローブ光として用いられ、２色温度計の原理を用いると、異なる波長の熱放射光との比をとることで、表面の温度情報のみを抜き出すことができる。
【００３２】
しかし、熱放射光を計測することは、加工表面の温度と加工表面状態（試料の液体・気体・固体の相変化および溶融サイズ）とが複雑に掛け合わされたものを計測していることになるので、計測された熱放射光に基づいて得られる情報は非常に情報量が多くなり、単純に一つの物理的な性質を表してはいない。
【００３３】
このことは、反射光についても同様なことが言える。たとえば、金属材料をレーザ溶接する場合の反射光の時間的変化について述べる。各時刻における反射光の強度に注目すると、キーホールが発生して溶接が完了する場合、全体的な傾向として、時間と共に反射光の強度は減少していく。特に、キーホールの発生に伴って急激な加工変化が見られる。キーホールが発生せず溶接が完了しない場合、溶融にともなって反射光の強度は減衰するが、その後再び反射光の強度は増加していくことが実験によって観測できた。試料に穴およびアンダーフィルが発生する場合は、反射光は穴をぬけるか、アンダーフィルによって乱反射されるため、正反射方向からの計測では、反射光は戻ってこないかあるいは非常に低い値をとる。反射光は、レーザ加工現象を反映した信号であることがわかるが、接合強度や接合面積とは１対１の対応にはなっていない。つまり、反射光や熱放射光単体を観測しても、モニタ信号と加工結果とを１：１に対応させることは難しい。
【００３４】
次に、信号処理技術について述べる。レーザ溶接の結果に大きく影響するパラメータとして、照射時間とピークパワーとがある。同じエネルギーを試料に与えても、照射時間とピークパワーとが違うと加工結果が変わることがあり得る。つまり、モニタ信号の強度的な因子だけでなく、時間的な因子も、レーザ溶接信号処理については重要な因子である。信号処理の出力信号として、接合強度と接合面積とを扱うため、その情報を含む信号を入力信号として選択することが必要である。
【００３５】
本実施の形態では、接合強度および接合面積を推測するために、表面の溶融部とキーホールのサイズとだけでなく、キーホールが維持されている時間と、溶接する試料を、レーザが入射してくる方向に関して、レーザがはじめに照射する試料を試料１、試料１と接合する試料を試料２とした場合の試料２が溶融している時間とを組み合わせて使用した。これらの値を決めるには、別のモニタ手段と、加工途中の加工状態を見るためにレーザを加工の途中で停止させた加工結果とを用いた。
【００３６】
第１に、試料１の表面上における溶融部のサイズに関しては、熱放射光をモニタした。基本的には、加工が進むにつれ、温度も上昇し高温領域が広がり、熱放射光の強度が上がっていく。この場合、熱放射光を計測しても、溶融部のサイズを確認することはできない。しかし、キーホールあるいはプルームが発生すると、高速度カメラと異なる波長の熱放射光を計測することにより、温度はほぼ一定になり、溶融部のサイズが強く反映することが確認できた。キーホールやプルームが発生すると、試料の表面温度は、気化熱として奪われるため、沸点よりも多少低いが、ほぼ一定になっていると考えられる。その結果、溶融部のサイズを決定するためには、高速度カメラによってキーホールあるいはプルームの発生を確認した後、プルームが発生した時の熱放射光の強度と時間とを基準として、それに対する加工結果の強度に基づいて溶融径を求めることができた。
【００３７】
第２に、キーホールのサイズに関しては、反射強度をモニタした。キーホールあるいはプルームの発生も溶接サイズと同様に高速度カメラによって確認した後、発生した時の熱放射光の強度と時間とを基準として、それに対する加工結果の強度に基づいてキーホールのサイズを決定した。
【００３８】
第３に、キーホールが維持されている時間に関しては、反射の時間をモニタした。キーホールあるいはプルームの発生も溶接サイズと同様に高速度カメラによって確認した後、発生した時の熱放射光の強度と時間とを基準として、キーホールが維持されている時間を決定した。
【００３９】
なお、上記の３つの因子に関しては、高速度カメラによりキーホールあるいはプルームが発生した時刻を求め、その時刻における加工表面の温度を、異なる波長の熱放射光を計測することによって求め、求めた加工表面の温度が、それ以前の温度に対して低い温度であるか否かを確認した。
【００４０】
もし、低くない場合は、求めた加工表面の温度を下回るまで、基準時間を早める補正を行った。さらに、各時刻で異なる波長の熱放射光に基づいて求めた温度によって、熱放射強度を割り、表面状態を顕著に表した形にすることで、溶融部のサイズとの対応を顕在化させた。
【００４１】
第４に、試料２が溶融している時間に関しては、反射の時間をモニタした。試料２が溶融している時間は、加工途中の加工状態を見るために、レーザを加工の途中で停止させた加工結果に基づいて決定した。加工結果に基づいて試料２が溶融を開始するときの強度を実験的に求め、その強度を超えている時間を試料２が溶融している時間であると決定した。
【００４２】
以上の４つの因子のうち、反射光と熱放射光とに関する少なくとも１つ以上の因子に基づいて、接合強度および接合面積を推察した。しかし、モニタ信号と加工結果とは１：１に対応していないため、接合強度および接合面積を求めるには、複数の入力情報が精度の低いものであった。そのため、接合強度および接合面積を表す情報を分散的に表現することによって、全体として精度の高い表現を実現した。具体的には、ニューラルネットワークを使用した。
【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】
実施の形態１においては、純アルミに対して基本波ＹＡＧレーザを照射してスポット溶接を行い、加工点ごとに加工表面からのレーザの反射光、および加工時に発生する熱放射光を計測し、計測データに基づいて加工モニタを行った。図１には、実施の形態１において使用した、反射光と熱放射光とを異なる計測領域において計測することができ、レーザと同軸方向から測定することができる機構を有するレーザ溶接モニタリング装置１００の構成が示されている。本明細書においてスポット径のサイズとは、中心部の強度に対して１／ｅになった値をいう。
【００４６】
被加工物１は、純アルミであり、純度９７％以上で、厚み１５０μｍであり、被加工物２は純アルミであり、純度９９％以上で、厚み１ｍｍであり、被加工物２に被加工物１を重ね合わせて使用した。試料を固定するために、被加工物２の下方に図示しないコバルト磁石を置き、厚さ２ｍｍの磁性金属製で加工点を中心に直径３ｍｍの穴のあいた図示しない治具を被加工物１の上に置き、被加工物１と被加工物２とを固定した。
【００４７】
レーザ溶接モニタリング装置１００は、レーザ光源を備えている。レーザ光源は、基本波ＹＡＧレーザ３によって構成されている。基本波ＹＡＧレーザ３のレーザ条件は、ピークパワーを２ｋＷに固定し、照射時間を１ｍｓ、２ｍｓ、３ｍｓ、４ｍｓおよび５ｍｓと変化させた条件で行った。
【００４８】
基本波ＹＡＧレーザ３から出射されたレーザ光は、直径３００μｍのファイバ４を通って集光レンズ５を透過し、１０６４ｎｍのレーザ光を全反射する誘電帯多層膜によって構成されたダイクロイックミラー６によって全反射されて、焦点距離３０ｍｍの集光レンズ７に導かれ、２００μｍのスポット径で被加工物１の表面に集光されて、重ね合せスポット溶接を行う。
【００４９】
加工中の反射光は、レーザ光が被加工物１の表面に対して垂直に照射されているので、照射されたレーザ光と同軸方向から戻ってくることになり、集光レンズ７、ダイクロイックミラー６を通り抜ける。そして、１０６４ｎｍと５００ｎｍから６８０ｎｍまでのレーザ光を反射し、１１００ｎｍから２０００ｎｍまでのレーザ光を透過するビームスプリッター８によって反射され、さらに、１０６４ｎｍのレーザ光を全反射する誘電帯多層膜のダイクロイックミラー９によって反射され、集光レンズ１０において像を結ばせ、像面上に直径１００μｍのピンホール１１を置き、反射光を計測するサイズを決定する。
【００５０】
ピンホール１１を通過した反射光は集光レンズ１２と１０６４ｎｍを通過する干渉フィルター１３と集光レンズ１４とを通り抜けて、ＳＩのセンサ１５上に像を結ばせ、直径１００μｍの計測径１６において、１００ｋＨｚのサンプリングによって計測した。計測した信号は信号処理装置２８において、１ｋＨｚのローパスフィルタによって高周波成分を取り除いた。
【００５１】
熱放射光は、反射光と同様に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７、ダイクロイックミラー６およびビームスプリッター８を透過して、集光レンズ１７において像を結ばせ、像面上に直径１．５ｍのピンホール１８を置き、熱放射光を計測するサイズを決定した。ピンホール１８を通過した熱放射光は集光レンズ３６と、１３００ｎｍを通過する干渉フィルターと波長１０６４ｎｍ用のノッチフィルターとの２枚組みフィルター１９を通り、集光レンズ３７により、ＩｎＧａＡｓによって構成されたセンサ２０上に像を結ばせ、直径１．５ｍｍの計測径２１で、１０ＭＨｚのサンプリングで計測した。計測した熱放射光を表す信号は信号処理装置２８において、１ｋＨｚのローパスフィルタによって高周波成分を取り除いた。
【００５２】
画像計測に関しては、１８，０００コマの高速画像を計測可能な高感度カメラを用いて、加工部のキーホールあるいはプルームの発生を画像計測した。照明光として、アルゴンイオンレーザ２２を用いて、ファイバ２３を通って集光レンズ２４に導き、ハーフミラー２５を通して、ダイクロイックミラー９、ビームスプリッター８、ダイクロイックミラー６を通り、集光レンズ７を通って加工点を照明した。照明された光は、集光レンズ７、ダイクロイックミラー６、ビームスプリッター８、ダイクロイックミラー９およびハーフミラー２５を通って、集光レンズ２６で高速度カメラ２７に加工点の像を結ばせ画像計測を行った。
【００５３】
各レーザ条において３０サンプルレーザ溶接の結果は、１ｍｓから照射時間を長くしていくと、表面の平均溶融径は３０６μｍ、５４２μｍ、７６６μｍ、９５０μｍおよび１０３４μｍと増加していった。また溶接も、照射時間が１ｍｓでは未溶接であったが、他の条件では溶接することができた。
【００５４】
各条件において３０サンプルの加工の高速画像結果から、キーホールが形成された時点の反射光と熱放射光との強度が最大の値を１とし、基準として使用した。加工において、反射光および熱放射光の強度が１を超えた時点でキーホール溶接の開始とみなし、熱放射光の強度が１０を越えた時点で被加工物２の溶融が開始されたと決定した。
【００５５】
また、接合部に対してせん断方向に沿った引張り試験を行い、２０ニュートン（Ｎ）以上で、溶接部を中心に母材がせん断破壊されたため、正確な溶接強度を計ることができなかった。そのため、被加工物２の表面の接合面積のサイズを測り、モニタ信号との相関関係も求めた。また、２０ニュートン（Ｎ）未満では母材の破断が生じないので、接合部の引張り強度を計測することができた。
【００５６】
５０個の加工点に関する、キーホール発生の時間を基準とした反射光の時間、熱放射光の強度を入力信号として、引張り強度と被加工物２の表面の接合面積のサイズとを出力信号として、誤差伝播方法を用いて、入出力関係を信号処理装置２８に設けられたニューラルネットワークに精度９８％で学習させた。
【００５７】
その結果、未溶接であるか溶接されたかを示す非常に顕著な加工結果をモニタすることができるだけでなく、±数Ｎ／ｍｍ２の精度がある引張り強度と±数１０μｍの精度がある被加工物２の溶融径のサイズとによってレーザ溶接をモニタすることができた。
【００５８】
また、キーホールが発生する時間を基準とした反射光の強度と時間、熱放射光の強度、被加工物２が溶融を開始した時間を基準とした熱放射光の時間の４つの因子うち、反射光と熱放射光に関する少なくとも１つ以上の因子を、入力信号として用い、引張り強度と被加工物２の溶融径のサイズとを出力信号として、誤差伝播方法を用いて、入出力関係を信号処理装置２８のニューラルネットワークに精度９８％で学習させた結果、キーホールが発生する時間を基準とした反射光の時間と熱放射光の強度とを入力信号とした場合と同等な精度で、引張り強度と被加工物２の表面の接合面積のサイズとをモニタすることができた。
【００５９】
図２は実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置における反射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフであり、図３は溶融径の時間的変化を示すグラフである。
【００６０】
図２を参照すると、横軸は照射されたレーザの溶接材料１の表面におけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲におけるレーザの反射光の強度を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶融径が大きくなればなるほど反射光の強度は弱くなる。溶融径が約３００μｍであるときはレーザの反射光は約０．７であり、溶融径が約５００μｍに大きくなるとレーザの反射光は約０．６に減少する。溶融径がさらに約７００μｍに大きくなるとレーザの反射光はさらに約０．５に減少し、溶融径がさらに約１０００μｍに大きくなるとレーザの反射光はさらに約０．４に減少する。
【００６１】
図３を参照すると、横軸は溶接材料１の表面にレーザを照射した時間を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶接材料１の表面にレーザを照射する時間が経過すればするほど、レーザが照射された溶接材料１の溶融径は大きくなる。溶接材料１の表面にレーザを照射した時間が約０．０５ｍｓのときは溶接材料１の溶融径は約３００μｍになっている。レーザを照射した時間が約１．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約５００μｍに増大する。レーザを照射した時間が約２．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径はさらに約７００μｍに増大し、約４ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約１０００μｍに増大する。
【００６２】
図４はレーザ溶接モニタリング装置における熱放射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフであり、図５はレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフである。
【００６３】
図４を参照すると、横軸はスポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲におけるレーザの照射に基づく熱放射光の強度を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶融径が大きくなればなるほど熱放射光の強度は大きくなる。溶融径が約３００μｍであるときは熱放射光の強度は約１０であり、溶融径が約５００μｍに大きくなると熱放射光の強度は約１２に増大する。溶融径がさらに約７００μｍに大きくなると熱放射光の強度はさらに約１４に増大し、溶融径がさらに約１０００μｍに大きくなると熱放射光の強度はさらに約１７に増大する。
【００６４】
図５を参照すると、横軸は溶接材料１の表面にレーザを照射した時間を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶接材料１の表面にレーザを照射する時間が経過すればするほど、レーザが照射された溶接材料１の溶融径は大きくなる。溶接材料１の表面にレーザを照射した時間が約０．０５ｍｓのときは溶接材料１の溶融径は約３００μｍになっている。レーザを照射した時間が約１．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約５００μｍに増大する。レーザを照射した時間が約２．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径はさらに約７００μｍに増大し、約４ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約１０００μｍに増大する。
【００６５】
以上のように本実施の形態によれば、溶接材料２に溶接材料１を溶接するために溶接材料１側からレーザを照射する照射工程と、照射されたレーザの溶接材料１の表面におけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲においてレーザの反射光を計測する反射光計測工程と、スポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲においてレーザの照射に基づく熱放射光を計測する熱放射光計測工程と、計測された反射光と計測された熱放射光とに基づいて、溶接された溶接材料１と溶接材料２との接合強度および接合面積を推定する推定工程とを包含する。このため、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レベルに留まっている現状の加工モニタ技術を向上させ、リアルタイムで溶接部の接合強度および接合面積を求めることができる。その結果、溶接状態を検査できる信頼性の高いレーザ溶接モニタリング方法を得ることができる。
【００６６】
（実施の形態２）
実施の形態２として、実施の形態１と同様に純アルミに対して基本波ＹＡＧレーザを照射してスポット溶接を行い、加工点ごとに加工表面からのレーザの反射光、および加工時に発生する複数の熱放射光を計測し、計測データに基づいて加工モニタを行った。
【００６７】
図２には、実施の形態１において使用した、反射光と複数の熱放射光とを互いに異なる計測領域において計測することができ、レーザと同軸方向から測定できる機構を有するモニタリング装置１００Ａの構成が示されている。
【００６８】
図２に示すように、実施の形態１と同様、被加工物１は、純アルミであり、純度９７％以上で、厚み１５０μｍであり、被加工物２は純アルミであり、純度９９％以上で、厚み１ｍｍであり、溶接には被加工物１と被加工物２とを２枚重ね合わせて使用した。
【００６９】
試料の固定も、実施の形態１と同様な治具によって固定した。基本波ＹＡＧレーザ３のレーザ条件は、照射時間を３ｍｓに固定し、ピークパワーを１．５ｋＷ、２ｋＷ、２．５ｋＷ、３ｋＷ、３．５ｋＷおよび４ｋＷと変化させた条件で行った。
【００７０】
基本波ＹＡＧレーザ３のレーザ光は、直径３００μｍのファイバ４を通って集光レンズ５に導かれ、１０６４ｎｍを全反射する誘電帯多層膜のダイクロイックミラー６によって反射されて、焦点距離３０ｍｍの集光レンズ７に導かれ、２００μｍのスポット径で被加工物１の表面に集光され、重ね合せスポット溶接を行う。
【００７１】
加工中の反射光は、レーザが被加工物１に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７と、ダイクロイックミラー６とを通り抜けて、１０６４ｎｍと５００ｎｍから６８０ｎｍまでを反射し、１１００ｎｍから２０００ｎｍまでを透過するビームスプリッター８によって反射され、さらに、１０６４ｎｍを全反射する誘電帯多層膜のダイクロイックミラー９によって反射され、集光レンズ１０で像を結ばせ、像面上に直径１００μｍのピンホール１１を置き、反射光を計測するサイズを決定する。
【００７２】
ピンホール１１を通過した反射光は集光レンズ１２と１０６４ｎｍを通過する干渉フィルター１３と集光レンズ１４とを通り抜けて、ＳＩのセンサ１５上に像を結ばせ、直径１００μｍの計測径１６で、１００ｋＨｚのサンプリングで計測した。計測した信号は信号処理装置２８において、１ｋＨｚのローパスフィルタによって高周波成分を取り除いた。
【００７３】
熱放射光は、反射光と同様に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７、ダイクロイックミラー６およびビームスプリッター８を透過し、集光レンズ１７で像を結ばせ、像面上に直径１．５ｍのピンホール１８を置き、熱放射光を計測するサイズを決定した。
【００７４】
ピンホール１８を透過した熱放射光は集光レンズ３６によって平行ビームにされ、波長１０６４ｎｍ用のノッチフィルター２９を通過し、ハーフミラー３０によって２分岐される。一方のビームは、１２００ｎｍを透過する干渉フィルター３１と集光レンズ３７とを通り抜けて、ＩｎＧａＡｓのセンサ２０上に像を結ばし、直径１．５ｍｍの計測径２１で、１０ＭＨｚのサンプリングで計測した。他方のビームは、２０００ｎｍを通過する干渉フィルター３２と集光レンズ３３とを通り抜けて、ＩｎＧａＡｓのセンサ３４上に像を結ばし、直径１．５ｍｍの計測径３５で、１０ＭＨｚのサンプリングで計測した。計測した信号は信号処理装置２８において、１ｋＨｚのローパスフィルタによって高周波成分を取り除いた。
【００７５】
画像計測に関しては、１８，０００コマの高速画像を計測可能な高感度カメラを用いて、加工部のキーホールあるいはプルームの発生を画像計測した。照明光として、アルゴンイオンレーザ２２を用いて、ファイバ２３を通って集光レンズ２４に導き、ハーフミラー２５によって反射され、ダイクロイックミラー９、ビームスプリッター８およびダイクロイックミラー６を経由して、集光レンズ７を通って加工点を照明した。加工点において反射された光は、集光レンズ７、ダイクロイックミラー６、ビームスプリッター８、ダイクロイックミラー９およびハーフミラー２５を経由して、レンズ２６を通り抜け、高速度カメラ２７で加工点の像を結ばせ画像計測を行った。
【００７６】
各レーザ条において３０サンプルレーザ溶接において、照射時間を３ｍｓに固定し、ピークパワーを１．５ｋＷ、２ｋＷ、２．５ｋＷ、３ｋＷおよび３．５ｋＷと変化させた条件で行った結果、被加工物１の表面の平均溶融径は２６２μｍ、５２８μｍ、７６６μｍ、１０１６μｍおよび１１４３μｍであった。
【００７７】
また溶接も、２ｋＷまでは未溶接であったが、２．５ｋＷから３．５ｋＷまでは溶接することができた。各条件において３０サンプルの加工における高速画像結果に基づいてプルームが発生した時間を求め、発生した時刻における反射光および熱放射光の強度が１を超えた時点でキーホール溶接の開始とみなし、熱放射光の強度が１０を越えた時点で被加工物２の溶融の開始と決めた。
【００７８】
また、接合部に対してせん断方向に沿った引張り試験を行い、２０ニュートン（Ｎ）以上で、溶接部を中心に母材がせん断破壊されたため、正確な溶接強度を計ることができなかった。そのため、被加工物２の表面における接合面積のサイズを測り、モニタ信号との相関関係も求めた。また、２０ニュートン（Ｎ）未満では母材の破断が生じないので、接合部の引張り強度を計測することができた。
【００７９】
５０個の加工点に関する、キーホール発生の時間を基準とした反射光の強度および熱放射光の強度を入力信号として、引張り強度と被加工物２の表面における接合面積のサイズとを出力信号として、誤差伝播方法を用いて、入出力関係を精度９８％でニューラルネットワークで学習させた。その結果、実施の形態１と同様に、未溶接、溶接および穴あき等の非常に顕著な加工結果をモニタできるだけでなく、±数Ｎ／ｍｍ２の精度がある引張り強度と±数１０μｍの精度がある被加工物２の溶融径のサイズとでレーザ溶接をモニタすることができた。
【００８０】
また、プルームおよびキーホールが発生した時刻における加工表面の温度を、波長１１００ｎｍと２０００ｎｍとの熱放射光を計測することによって求め、求めた加工表面の温度が、それ以前の温度に対して低い温度であるか否かを確認した。求めた加工表面の温度が、それ以前の温度に対して低い温度である場合が存在したので、求めた加工表面の温度を下回るまで、基準時間を早める補正を行った。補正した基準時間の時点における反射光と熱放射光の強度が最大の値を１とし、基準として使用し、さらに、各時刻で異なる波長の熱放射光により求めた温度で、熱放射光の強度を割った値を熱放射光の強度として使用した結果、精度が数％改善し、引張り強度と被加工物２の表面における接合面積のサイズとをモニタすることができた。
【００８１】
図７は実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における反射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフであり、図８は溶融径の時間的変化を示すグラフである。
【００８２】
図７を参照すると、横軸は照射されたレーザの溶接材料１の表面におけるスポットの範囲よりも狭い第１計測範囲におけるレーザの反射光の強度を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶融径が大きくなればなるほど反射光の強度は弱くなる。溶融径が約３００μｍであるときはレーザの反射光は約０．７５であり、溶融径が約５００μｍに大きくなるとレーザの反射光は約０．６に減少する。溶融径がさらに約７５０μｍに大きくなるとレーザの反射光はさらに約０．５に減少し、溶融径がさらに約１０００μｍに大きくなるとレーザの反射光はさらに約０．４に減少する。
【００８３】
図８を参照すると、横軸は溶接材料１の表面にレーザを照射した時間を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶接材料１の表面にレーザを照射する時間が経過すればするほど、レーザが照射された溶接材料１の溶融径は大きくなる。溶接材料１の表面にレーザを照射した時間が約１．８ｍｓのときは溶接材料１の溶融径は約３００μｍになっている。レーザを照射した時間が約２ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約５００μｍに増大する。レーザを照射した時間が約２．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径はさらに約７００μｍに増大し、約３ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約１０００μｍに増大する。
【００８４】
図９は実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における熱放射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフであり、図１０は実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフである。
【００８５】
図９を参照すると、横軸はスポットの範囲と同じ広さまたはそれよりも広い第２計測範囲におけるレーザの照射に基づく熱放射光の強度を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶融径が大きくなればなるほど熱放射光の強度は強くなる。溶融径が約３００μｍであるときは熱放射光の強度は約８であり、溶融径が約５００μｍに大きくなると熱放射光の強度は約１２に増大する。溶融径がさらに約７００μｍに大きくなると熱放射光の強度はさらに約１４に増大し、溶融径がさらに約１０００μｍに大きくなると熱放射光の強度はさらに約１７に増大する。溶融径がさらに約１２００μｍに大きくなると熱放射光の強度はさらに約２０に増大する。
【００８６】
図１０を参照すると、横軸は溶接材料１の表面にレーザを照射した時間を示しており、縦軸はレーザが照射された溶接材料１の溶融径を示している。溶接材料１の表面にレーザを照射する時間が経過すればするほど、レーザが照射された溶接材料１の溶融径は大きくなる。溶接材料１の表面にレーザを照射した時間が約１．５ｍｓのときは溶接材料１の溶融径は約３００μｍになっている。レーザを照射した時間が約１．９ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約５００μｍに増大する。レーザを照射した時間が約２．５ｍｓになると溶接材料１の溶融径はさらに約７００μｍに増大し、約２．８ｍｓになると溶接材料１の溶融径は約１０００μｍに増大する。
【００８７】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、溶接状態を高い精度で検査することができる信頼性の高いレーザ溶接モニタリング方法およびレーザ溶接モニタリング装置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
【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おける反射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフ
【図３】実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフ
【図４】実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置における熱放射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフ
【図５】実施の形態１に係るレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフ
【図６】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
【図７】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における反射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフ
【図８】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフ
【図９】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における熱放射光の強度と溶融径との間の関係を示すグラフ
【図１０】実施の形態２に係るレーザ溶接モニタリング装置における溶融径の時間的変化を示すグラフ
【符号の説明】
１  被加工物
２  被加工物
３  基本波ＹＡＧレーザ
４  ファイバ
５  集光レンズ
６  ダイクロックミラー
７  集光レンズ
８  ブームスプリッター
９  ダイクロックミラー
１０  集光レンズ
１１  ピンホール
１２  集光レンズ
１３  干渉フィルター
１４  集光レンズ
１５  ＳＩのセンサ
１６  計測径
１７  集光レンズ
１８  ピンホール
１９  集光レンズ
２０  ２枚組みフィルター
２１  集光レンズ
２２  ＩｎＧａＡｓのセンサ
２３  計測径
２４  集光レンズ
２５  ハーフミラー
２６  集光レンズ
２７  高速度カメラ
２８  信号処理装置
２９  ノッチフィルター
３０  ハーフミラー
３１  干渉フィルター
３２  干渉フィルター
３３  集光レンズ
３４  ＩｎＧａＡｓのセンサ
３５  計測径
３６  集光レンズ
３７  集光レンズ
【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】
2005021949.tif 000009
【図８】
2005021949.tif 000010
【図９】
2005021949.tif 000011
【図１０】
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