(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルスレーザ光を用いる溶接の溶接品質を評価するためのレーザ溶接モニタ装置であって、
溶接中に被溶接材の溶接表面から放射された赤外線を受光して、前記溶接表面の温度の波形を表す温度信号を生成する赤外線センサと、
前記温度信号について所定のアルゴリズムを実行して、前記温度の積分値を求める演算処理部と、
前記温度積分値を基準値と比較して、前記溶接の良否を判定する良否判定部と、
所定の初期焦点高さのまわりで溶接毎に焦点高さを変えながら実行される複数の試し溶接において各溶接毎に前記温度信号を取り込んで前記溶接表面の温度の立ち上がりの傾きを求め、前記温度の立ち上がりの傾きを最大にした焦点高さを適正な焦点高さと決定する焦点高さ調整部と
を有するレーザ溶接モニタ装置。
【請求項２】
パルスレーザ光を用いる溶接の溶接品質を評価するためのレーザ溶接モニタ方法であって、
溶接中に被溶接材の溶接表面から放射された赤外線を受光して、前記溶接表面の温度の波形を表す温度信号を生成する工程と、
前記温度信号について所定のアルゴリズムを実行して、前記温度の積分値を求める工程と、
前記温度積分値を基準値と比較して、前記溶接の良否を判定する工程と、
所定の初期焦点高さのまわりで溶接毎に焦点高さを変えながら実行される複数の試し溶接において各溶接毎に前記温度信号を取り込んで前記溶接表面の温度の立ち上がりの傾きを求める工程と、
前記温度の立ち上がりの傾きを最大にした焦点高さを適正な焦点高さと決定する工程と
を有するレーザ溶接モニタ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接に関し、特に、レーザ溶接中の溶接品質をモニタするレーザ溶接モニタ装置及びレーザ溶接モニタ方法に関する。本発明は、溶接プロセスの開発と制御の両方に適用できる。
【背景技術】
【０００２】
レーザは、熱入力が少なくてすむ非接触形のエネルギー源であり、溶接によく使用される。特に、スポット径を小さくすることによって高いピークパワーが得られる低出力のＮｄ：ＹＡＧパルスレーザは、溶融池のまわりの温度をさほど上げなくても被溶接材を融点以上に加熱できる。パルス整形やレーザパワーフィードバックといった高機能により、固体レーザーの出力制御は一段と改善した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２６３８５９
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような高機能を用いたとしても、レーザと母材（被溶接材）間の相互作用を予測するのは容易でない。結局のところ、信頼性が高くて使い勝手の良いレーザ溶接モニタ装置を開発するのは困難である。
【０００５】
一般にモニタ技術では、赤外線（ＩＲ）、紫外線（ＵＶ）、高速カメラ、音、音響トランスジューサー等のセンサを用いる。しかし、モニタした溶接特性を分析して溶接の良否を判別するのは、レーザ、被溶接材間の相互作用の予測がむずかしいために、困難なケースが多い。また、測定したプロファイルを解析するのに複雑なパターンマッチングや高等な数学技法を駆使することもあるが、それによって分析や応用プロセスがますます複雑になってしまうきらいがある。通常のモニタ技術が複雑な上、解析に難しさが伴うので、ユーザはモニタプロセスを理解しようとはせず、ユーザの望むプロセスの設定条件やプロセスの制御条件、仕様に合うシステムの開発についてはシステム開発者にまかせきりになりがちであった。
【０００６】
したがって、溶接特性を取り込み、取り込んだ溶接特性を簡単な数学的アルゴリズムで分析し、分析結果から溶接の良否を区別でき、分析が分かりやすく、個々のユーザの望むプロセス設定、制御の条件、仕様に合うようカスタム化できるレーザ溶接モニタ装置及びレーザ溶接モニタ方法を提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ溶接モニタ装置は、パルスレーザ光を用いる溶接の溶接品質を評価するためのレーザ溶接モニタ装置であって、溶接中に被溶接材の溶接表面から放射された赤外線を受光して、前記溶接表面の温度の波形を表す温度信号を生成する赤外線センサと、前記温度信号について所定のアルゴリズムを実行して、前記温度の積分値を求める演算処理部と、前記温度積分値を基準値と比較して、前記溶接の良否を判定する良否判定部と、所定の初期焦点高さのまわりで溶接毎に焦点高さを変えながら実行される複数の試し溶接において各溶接毎に前記温度信号を取り込んで前記溶接表面の温度の立ち上がりの傾きを求め、前記温度の立ち上がりの傾きを最大にした焦点高さを適正な焦点高さと決定する焦点高さ調整部を有する。
【０００８】
また、本発明のレーザ溶接モニタ方法は、パルスレーザ光を用いる溶接の溶接品質を評価するためのレーザ溶接モニタ方法であって、溶接中に被溶接材の溶接表面から放射された赤外線を受光して、前記溶接表面の温度の波形を表す温度信号を生成する工程と、前記温度信号について所定のアルゴリズムを実行して、前記温度の積分値を求める工程と、前記温度積分値を基準値と比較して、前記溶接の良否を判定する工程と、所定の初期焦点高さのまわりで溶接毎に焦点高さを変えながら実行される複数の試し溶接において各溶接毎に前記温度信号を取り込んで前記溶接表面の温度の立ち上がりの傾きを求める工程と、前記温度の立ち上がりの傾きを最大にした焦点高さを適正な焦点高さと決定する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のレーザ溶接モニタ装置またはレーザ溶接モニタ方法によれば、パルスレーザ光を被溶接材に照射した時にその溶接表面から放射された赤外線を溶接特性とし、溶接品質を表す属性として溶接の溶け込み深さ、溶接強度、溶接接合面積等に対して感度の高い温度積分値を用いるので、信頼性の高い溶接品質のモニタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の一形態における溶接特性を取り込むレーザ溶接モニタ装置のブロック図である。
【図２】本発明の実施形態において、算出および／または使用される種々の属性（パラメータ）を示す波形図である。
【図３】（Ａ）は本発明の実施形態におけるプロセスの開発（たとえばレーザ溶接特性の属性に基づいて溶接の良否を定義すること）とプロセスの制御（たとえば、品質管理のために溶接の良否分類を行うこと）を示すフローチャート、（Ｂ）は本発明の実施形態におけるパルスレーザの焦点高さ調整処理を示すフローチャートである。
【図４】焦光位置により変化するレーザ溶接特性を示す波形図である。
【図５】本発明の実施形態において、反射波形に基づいて溶接品質を定義する属性（パラメータ）を算出する処理を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施形態において、温度（ＩＲ）波形に基づいて溶接品質を定義する属性（パラメータ）を算出する処理を示すフローチャートである。
【図７】本発明の実施形態において、音の波形に基づいて溶接品質を定義する属性（パラメータ）を算出する処理を示すフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態において、焦光位置に依存する異なる種類の属性のグラフである。
【図９】本発明の実施形態において、溶接で使用する各エネルギーレベルと、２つの被溶接面に対する試験を示す図である。
【図１０】本発明の実施形態において、溶接中に異なるアルゴリズムを適用して得られる属性（パラメータ）のグラフである。
【図１１】本発明の実施形態において、温度（ＩＲ）積分値と溶接接合面積との相関を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態において、温度（ＩＲ）積分値と溶接強度との相関を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態において、音積分値と溶接接合面積との相関を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態において音積分値と溶接強度との相関を示す図である。
【図１５】本発明の別の実施形態における、溶接特性を取り込むレーザ溶接モニタ装置のブロック図である。
【図１６】（Ａ）は本発明の更に別の実施形態における溶接特性を取り込むレーザ溶接モニタ装置のブロック図、（Ｂ）は（Ａ）の溶接モニタ装置に適用できる二色検出器の断面図、（Ｃ）は（Ｂ）の二色検出器の検出応答特性を示す図である。
【図１７】本発明の更に別の実施形態における溶接特性を取り込むレーザ溶接モニタ装置のブロック図である。
【図１８】本発明の実施形態において、内部にセンサを有するレーザ溶接モニタ装置のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。
【００１２】
図１に、本発明の実施の一形態における、溶接特性を取り込んで（または測定して）分析するレーザ溶接モニタ装置１００のブロック図を示す。このレーザ溶接モニタ装置１００は、プロセス開発とプロセス管理のいずれかあるいはその両方に使用可能である。本実施形態では、３つの信号、すなわち、反射レーザ放射線、赤外放射線および空気音響を対応する数のセンサでそれぞれ取り込む。
【００１３】
さらに、専用テレビ（ＣＣＴＶ）カメラを使って溶接の前後における溶接パーツの画像を取り込む。溶接前の画像分析（たとえば、ビデオデジタイザタイプのソフトウェアによる分析）からは、パーツの識別と位置決めの確認ができる。たとえば、取込画像を利用してレーザビームの溶接位置合わせができる。溶接後の画像からは、溶接位置やスポットサイズを確認できる。画像から収集したこの種の情報は、定性的か、定量的かの如何を問わず、アルゴリズムにより単一値出力を生成する際や溶接品質を定義する際にデータとして利用できる。
【００１４】
溶接表面から反射したレーザ放射線（反射または反射信号）は、溶接品質の指標として利用できる。どうしてかというと、金属反射率は、初期は高いが融点では急激に下がるからである。また、溶融池の形状により反射の方向性に変化が生じ、これが反射信号を変化させる。例えば、溶接表面が凹んだところでは吸収が増えるので信号は小さくなる。平らなところでは直接に反射するので強い信号となる。凸部では反射がセンサから外れるので信号強度は下がる。
【００１５】
溶融池の熱により発生する赤外線（ＩＲ）放射（温度信号、ＩＲ信号または赤外線信号）は溶接表面温度に依存する。ＩＲ信号は、溶融池温度の指標ではあるが溶融池の正確な温度を表わすようなものではない。ＩＲ信号は加熱のレベル、速度に依存し、母材表面から逃げる熱量にも依存する。さらに、溶接表面積のサイズ、溶融池の流れにも依存する。ナゲットが成長するにつれ、赤外線を放射する面積は広がる。さらに、ＩＲ信号は母材の放射率にも依存する。ここに、物性上、放射率が低いと反射率は高い。そして、放射率の大きさは温度によって変わる。
【００１６】
空気音響（音響、音信号、空気伝播の音波）は溶融池（一般に非常に高温）とまわりの空気（この方が低温）との相互作用により引き起こされる。圧力の変化で音が発生する。ここで、理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴを適用する。ここに、Ｐは圧力、Ｖは体積、ｎはモル数、Ｒは定数でたとえば０．０８２１，Ｔは絶対温度である。微分すると（ｄＰ／ｄｔ）Ｖ＝ｎＲ（ｄＴ／ｄｔ）である。したがって、温度の時間変化が小さければ、圧力変化は小さく、音信号も小さい。逆に、温度の時間変化が大なら、圧力変化大で、音信号も大となる。
【００１７】
フォトダイオード１１８を使って溶接表面からの反射信号、たとえば１０６４ｎｍ（ナノメートル）を測定する。フォトダイオード１１８は、たとえば８００ｎｍにピーク応答を有するＳｉ（シリコン）フォトダイオードでよい。また、フォトダイオード１０２によりＩＲ信号を測定する。フォトダイオード１０２は、たとえば、１５５０ｎｍにピーク応答を有するＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）  フォトダイオードでよい。さらに、マイクロホン１２４で音信号を測定する。マイクロホン１２４は、たとえば２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚで応答がフラットなマイクロホンでよい。他の実施形態では、フォトトダイオード１０２，１１８および／またはマイクロホン１２４に代えて、あるいはこれらに加え、他のセンサまたは検出器、たとえばモニタ用センサ、プラズマセンサ、機械視覚センサ等を使用して、レーザ溶接特性を測定するようにしてもよい。
【００１８】
図１のレーザ溶接モニタ装置１００において、フォトダイオード１０２，１１８およびマイクロホン１２４からのクリーンな低ノイズ信号はデジタイザ１２８に送られる。デジタイザ１２８は、たとえばデジタルオシロスコープのようなオシロスコープであってよく、様々なレーザ溶接特性の分析に用いられる。このデジタイザ１２８は、測定した溶接特性データを処理（例えばＡ−Ｄ変換）するために、データ収集・処理装置１３０（データ処理装置、たとえばコンピュータあるいは自動データ処理装置）に接続されている。
【００１９】
データ収集処理装置１３０はシステムオンチップ（ＳＯＣ、チップに実装したシステム）で構成できる。他の実施形態では、デジタイザ１２８とデータ収集・処理装置１３０とを単一のモニタ用デバイスとして一体化し、まとめてデータ収集処理装置と呼んでいる。たとえば、デジタイザ１２８は、他の実施形態において、データ収集・処理装置に実装したＤＳＰ（デジタル信号処理）やＤＡＱ（データ収集）のボードとして構成される。さらに他の実施形態では、測定した溶接特性に対する分析を手動で行い、データ収集処理装置はほとんど、あるいは全く使用されない。
【００２０】
レーザ信号は光ファイバーケーブル１２２により供給される。光ファイバケーブル１２２は、たとえば任意のマルチモード光ファイバでよく、たとえば６００ＳＩ（６００μｍ径、ステップ形）光ファイバでよい。レーザは必ずしも本溶接モニタ装置１００の一部ではなく、任意の適当なパルスレーザでよい。たとえば、レーザ信号は、波長１０６４ｎｍのレーザービーム（たとえば出力５００Ｗ（ワット）未満）を発生するＮｄ：ＹＡＧパルスレーザにより与えられてよい。他の実施形態では、これに代えて他の任意の適当なレーザ、たとえばフィードバックレーザ、非フィードバックレーザ、ＣＯ2レーザ、緑色レーザ等を使用できる。光ファイバケーブル１２２から出たレーザ信号は、コリメータ１２０を通過する。コリメータ１２０は、任意の適当なコリメータでよく、たとえばユニテック・ミヤチ社（米国カルフォルニア州、モンロヴィア）から入手できる１００ＨＣＯＬ（１００ｍｍ高光学濃度コリメータ）を使用してよい。
【００２１】
この後、レーザ信号はダイクロイックミラー１１０に入射する。ダイクロイックミラー１１０は、たとえば１０６４ｎｍを９９．５％反射し、６３３ｎｍを１０％反射する。これにより、１０６４ｎｍのレーザビームは殆ど反射し、溶接表面に照射されるようになっている。ダイクロイックミラー１１０で反射したレーザー信号は、収束レンズ１１２で収束される。収束レンズ１１２は任意の適当な収束レンズでよく、たとえば１００ＨＦＯＣ（１００高光学濃度収束レンズ）を使用できる。
【００２２】
溶接表面に照射されたレーザ信号の一部は反射する。光信号（たとえば反射信号を含む）は収束レンズ１１２、ダイクロイックミラー１１０を通り、コールドミラー１０９に入射する。コールドミラー１０９は、たとえば、４５０〜７５０ｎｍを９０％反射し、ＩＲ（赤外線）を１０％しか反射しない。コールドミラー１０９で反射した光信号の一部は、ビデオレンズ１３４を通ってＣＣＴＶカメラ１３２に入力される。本実施形態では、ＣＣＴＶカメラ１３２が溶接プロセスと同軸上にある。すなわち、カメラ１３２と溶接ナゲット及び／または溶接位置が一列に並んでいる。しかも、ＣＣＴＶカメラ１３２のワークディスタンスないし画像距離は余り長くなっていない。しかし、コールドミラー１０９がＩＲ放射線の一部を反射または吸収することがあり、これによってＩＲ放射の伝播距離が長くなり、ＣＣＴＶカメラへの入力信号レベルが低くなることもある。
【００２３】
ＣＣＴＶカメラ１３２の出力も分析のためデジタイザ１２８に送られてよい。デジタイザ１２８は、画像を取り込むようカスタム化され、ビデオデジタイザ機能を持ち得る。コールドミラー１０９を通った反射信号は、ダイクロイックミラー１０８（反射率が、たとえば、１０６４ｎｍで１００％、６６３ｎｍで１０％）で反射し、干渉フィルタ１１４（たとえば、１０６４±１０ｎｍ干渉フィルタ）で１０６４ｎｍの信号として透過し（フィルタリングされ）、レンズ１１６たとえば７５ｍｍ（ミリメートル）平凸レンズを通ってフォトダイオード１１８に収束入射する。
【００２４】
フォトダイオード１１８は、たとえば、１０６４ｎｍに対して感度が高く、応答速度の大きいものでよい。フォトダイオード１１８の出力は、波形の観察および／または分析のためデジタイザ１２８に与えられる。他の実施形態では、デジタイザ１２８は使用せず、代わりに、フォトダイオード１１８の出力をデジタイザ機能をもつデータ収集処理装置１３０に直接入力する。さらに他の実施形態では、溶接レーザやステッパモータ（たとえば、収束レンズ１１２を焦点の合った位置と外れた位置との間で動かすのに使われる）によって生じた電気ノイズを取り除くために、ローパスフィルタたとえば３極１５ｋＨｚ（キロヘルツ）のローパスフィルタを使用してよい。
【００２５】
溶接表面からのＩＲ信号は、収束レンズ１１２、ダイクロイックミラー１１０、コールドミラー１０９を通過し、３つのロングパスフィルタ１０６（たとえば１４００ｎｍ以上）でフィルタリングされ、レンズ１０４（たとえば２５ｍｍ平凸レンズ）を通ってフォトダイオード１０２に収束入射される。ここでは３つのロングパスフィルタを使用したが、この数は用途に応じて増減し得る。ステファン・ボルツマン則によれば、ほとんどの金属は融点において１４００〜１７００ｎｍの範囲内で良好な応答を示す。したがって、フォトダイオード１０２は、たとえば１４００〜１７００ｎｍの範囲で高感度なものがよい。２５ｍｍ平凸レンズは、信号強度をたとえば１０倍改善できる。ロングパスフィルタ１０６（たとえば各段のフィルタが阻止帯域でＯＤ３（１０-3の透過率相当の光学濃度）を有するロングパスフィルタ）を用いて、１０６４ｎｍ信号の通過を阻止、あるいは減少させることができる。他の実施形態では、３個以上またはそれ以下のロングバスフィルタを使用できる。
【００２６】
フォトダイオード１０２の出力も処理および分析のためデジタイザ１２８に供給される。デジタイザ１２８としてオシロスコープを使う場合には、波形の観察もできる。他の実施形態では、フォトダイオード１１８の出力の場合と同様に、３極１５ｋＨｚローパスフィルタをフォトダイオード１０２とデジタイザ１２８との間に設けることができる。
【００２７】
マイクロホン１２４は、溶接付近の空気の急激な膨張により生ずる音信号を検出するのに用いられる。プリアンプ１２６はマイクロホン１２４からの信号を適当なレベルに増幅してデジタイザ１２８に供給する。他の実施形態では、マイクロホン１２４とプリアンプ１２６は一体化した単一のデバイスで構成される。他の実施形態では、ローパスフィルタたとえば３極１５ｋＨｚローパスフィルタをプリアンプ１２６とデジタイザ１２８間に設けてよい。ローパスフィルタは、たとえばレーザ電源のＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）により生じる２０ｋＨｚ信号を低減または除去するのに用いられる。非フィードバックレーザ、たとえばＬＷ５２（ユニテック・ミヤチレーザー溶接機）の場合、あるいはその他の非パワーフィードバックレーザの場合には、２０ｋＨｚ信号は発生しない。
【００２８】
溶接表面は、たとえばステンレス鋼（たとえば３０４ＳＳ）を使用する。その理由は、Ｎｄ：ＹＡＧ放射と３０４ＳＳとの結合性が良く、被溶接材の溶接性が非常に良いからである。３０４ＳＳを使用した場合には、材料作用による歪みがなく溶接結果を形状・寸法のみから解釈できる。他の実施形態では、溶接表面は、銅、アルミニウム、あるいは当業者にとって既知であるその他の任意の適当な金属または合金であってよい。
【００２９】
フォトダイオード１０２、１１８の出力およびマイクロホン１２４の出力は、溶接中あるいは溶接後に、デジタイザ１２８上に表示される（デジタイザがオシロスコープの場合）。デジタイザ１２８は、１つまたは複数のデータ収集ボード（ＤＡＱ）、ディジタル信号処理（ＤＳＰ）ボードおよび／またはカスタム電子機器を含んでよい。他の実施形態では、センサー出力の表示が任意の適当なデバイス、たとえばＬＥＤ（発光ダイオード）により行なわれる。
【００３０】
本発明の実施形態においては、解釈と判断のために、原モニタ用信号を分析するためのアルゴリズムが開発された。このアルゴリズムは、たとえば図２に例示するような積分および最大値等の簡単な数学的技法を用いて定式化できる。
【００３１】
図２は、波形１５２（たとえば、いずれか一つの検出器で取り込んだ溶接特性の波形）のグラフ１５０であり、本発明の実施形態で測定可能または使用可能な複数の異なる属性（パラメータ）を例示したものである。波形データをデータ収集処理装置／コンピュータに転送した後、最大、最小、傾き、積分等の数学的に簡単な代数演算、解析演算を含むアルゴリズムを使って、溶接の良否を区別するのに有効な属性（パラメータまたは特性）に対する単一値出力を得ることができる。比較を容易にするため、このアルゴリズムは正規化するとよい。
【００３２】
たとえば、波形１５２は、最大値１５４、立下りの傾き１５６、立上りの傾き１５８および波形面積を表わす積分１６０といった属性を持っている。一実施形態におけるアルゴリズムは、マイクロソフトのＥｘｃｅｌ公式および／またはＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃプログラミングを用いて構築できる。なお、「マイクロソフト」と「ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ」はマイクロソフト社（米国、ワシントン州レッドモンド、デラウエア）の登録商標である。
【００３３】
本発明の実施形態によれば、種々の属性に対して単一値出力を生成するアルゴリズムによって、判断または決定プロセスを改善できる。判断のために単一値を使用するのは、取り込んだ波形に対しパターンマッチングを施したり高等な数学的技法を適用するのに比べ、はるかに分かりやすく容易に実施できるからである。したがって、属性用の単一値データは溶接性能の定量的な尺度として利用できる。また、この定量的結果は判定の良否を定める設定値と容易に比較できる。さらに、各々が単一値である溶接箇所品質測定とアルゴリズム結果との間で相関をとって、接合品質の評価基準、尺度を与えることもできる。
【００３４】
図３の（Ａ）に、本発明の実施形態における溶接モニタのセットアップ処理（プロセス準備）と溶接モニタの実行処理（プロセス管理）とを示す。ステップ２００〜２０８は、溶接モニタ装置のセットアップのために行われるプロセス準備ステップであり、通常は溶接を開始する前に実行されるものである。一方、ステップ２１０と２１２は、プロセス制御のステップであり、進行中の溶接をプロセス制御（プロセス管理）するために繰り返し実行されるものである。
【００３５】
ステップ２００では、溶接（試し溶接）を実行し、溶接特性を取り込む。すなわち、溶接特性の波形（たとえば、反射、ＩＲおよび／または音の各信号）を異なるレーザエネルギーレベルなどについて、ある時間に亘って収集する。
【００３６】
ステップ２０２では、各溶接特性毎に、１つまたは複数の属性（パラメータ）について、アルゴリズムライブラリの中から当該属性に関連する１つまたは複数のアルゴリズムを取り出して実行することにより、単一値データの値を求める。
たとえば、溶接特性（反射、ＩＲ、音等）の各々について、当該属性を表わす単一値を数学的なアルゴリズム（最大、最小、傾き、積分、その他の代数関数／解析関数等）により求め、プロットする。ここに、属性は、期間たとえば、レーザパルスの開始時点から始まる期間に対しても定義できる。比較を容易にするため、すべての属性を同じグラフ上に表わすようにするとよい。たとえば、図８は、焦光位置に依存する各種の属性を示すグラフである。図８からわかるように、焦光位置が焦点の合った位置から焦点の外れた位置に変わるにつれて、各種属性に変化が生じる。
【００３７】
ステップ２０４では、溶接毎に溶接品質を判定している。これにより、或る溶接は「良」、他の或る溶接は「不良」というように判定が下される。溶接品質の評価は、物理的試験および／または目視検査によって行われる。物理的試験は、溶接強度、溶接接合面積、溶接断面等の試験を含み、破壊検査によって確認することもできる。たとえば、一実施形態では、溶接品質を５つのグループ、すなわち（ａ）最良、（ｂ）良、（ｃ）可、（ｄ）不良、（ｅ）最悪に分けて判定する。これらのグループは、異なるレーザ設定値（たとえばエネルギーレベル）に対し定義されてよく、各グループに属する溶接が複数（たとえば５）であり得る。
【００３８】
ステップ２０６では、（たとえばステップ２０２からの）アルゴリズムの単一値出力を、（たとえばステップ２０４からの）溶接品質と相関付けることにより、溶接品質を表わす属性を選ぶ。このようにして選択されていく属性の振る舞いは、一貫している（たとえば、最適ケースに対する増加関数、あるいは減少関数となっている）はずであり、これを頼りに溶接の良否を区別できる。たとえば、図８に示すように、焦点位置が焦点パラメータ値０．０００ｃｍ（ぴったり焦点の合った位置）から離れるにつれて、多数の属性たとえば温度（ＩＲ）立上りの傾き、音積分、音立上りの傾き等が高感度で変化する。
【００３９】
ステップ２０８では、品質管理のために、選択された属性に関連するアルゴリズムの単一値出力について、溶接の良否を定義している。たとえば、図１１において、溶接接合面積が０．０８５ｍｍ2以上となっている溶接はいずれも良とみなせる一方で、溶接接合面積が０．０８５ｍｍ2より小さいのは溶接不良とみなしてよい。図１１からわかるように、０．０８５ｍｍ2の溶接接合面積は温度（ＩＲ）曲線の下方の面積約０．００７にほぼ対応している。
【００４０】
ステップ２１０では、溶接を実行し、選択された属性と関連するアルゴリズムを実行して対応する単値出力を求める。次のステップ２１２で、実行アルゴリズムの単値出力に基づき溶接を良／否に分類する。たとえば、ステップ２１０の溶接につきその温度（ＩＲ）曲線の下方の面積がほぼ０．００７（０．０８５ｍｍ2の溶接接合面積に対応する）、もしくはそれ以上の場合には、溶接良と判定する。
【００４１】
図３（Ｂ）は、本発明の実施形態におけるパルスレーザの焦点高さの調整処理を示すフローチャートである。ステップ２１４では、複数の溶接（試し溶接）を実行し、各溶接毎に少なくとも温度特性を取り込む。ここに、複数の溶接は、初期焦点高さの上下に位置する異なる焦点高さで実行されるものである。初期焦点高さは、システム開発者あるいはユーザにより決められてよく、レーザの焦点が合った位置辺りに選ばれる。
【００４２】
したがって、たとえば、一回目の試し溶接を近似的に焦点の合った初期焦点高さで行い、そのあと初期焦点高さの上下で焦点高さを調整しながら、各焦点高さ毎に温度特性を収集する。
【００４３】
ステップ２１６では、温度特性の中で立上りの傾きを最大（最大の立上り傾きアルゴリズムあるいは温度の最大変化率の単一値出力）にした焦点高さを適正な（焦点が合った）焦点高さとして決定する。以上の処理は、所望の属性（たとえば温度特性に示される立上りの傾きの最大値）が、焦点が合った焦点高さを表わす属性としてすでに決まっている図３（Ａ）に示した処理の特別なケースと考えられる。なお、焦点があった焦点高さを表わす属性についても、複数の溶接に対して行う１つまたは複数のアルゴリズムの処理結果を通じて選択するようにし、溶接毎にその品質を判定し、アルゴリズムの各単一値出力を各溶接品質に相関づけるようにしてもよい。
【００４４】
図４は、オシロスコープの出力２２０であり、複数の異なる焦点位置、すなわち＋０．２５４ｃｍ、＋０．１２７ｃｍ、０．０００ｃｍ、−０．１２７ｃｍ、−０．２５４ｃｍの各焦点位置毎に取った複数の異なる波形を示したものである。波形２２２は、焦点位置が＋０．２５４ｃｍの場合の反射、ＩＲ、音の波形を示す。波形２２４は焦点位置が＋０．１２７ｃｍの場合の反射、ＩＲ、音の波形を示す。波形２２６は、０．０００ｃｍの焦点高さ（焦点が合った位置）に対する反射、ＩＲ、音の波形を示し、波形２２８と２３０は下方の焦点位置である−０．１２７ｃｍと−０．２５４ｃｍにそれぞれ対応する波形を示したものである。
【００４５】
これらの波形を収集する際、焦点位置を変えて溶接するとワークディスタンスが変化する。この変動に対しアルゴリズムの算出結果は高感度を呈し得る。スポット溶接はビードが母材上に残るように実行されてよい。ＬＷ５０Ａ（ユニテク・ミヤチレーザ溶接機、ピークパワー５ｋＷの可能なＮｄ：ＹＡＧパルスレーザ）を使って波形を収集できる。他の実施形態では、他の任意の適当なパワーフィードバックレーザを用いて上記の波形を取り込んでもよい。
【００４６】
レーザパルス（たとえば、１ｋＷ、５Ｊ）は、焦点が合った状態で径０．６１０ｍｍ、深さ０．３０５ｍｍの溶接ナゲットを形成する。本発明の実施形態では、ｚ軸ステッパモータを使用し、０．１２７ｃｍ刻みで焦点高さを変える。
【００４７】
図４から読み取れるように、溶接断面とモニタ用原信号（溶接特性波形）にはある傾向が認められる。図４に示すように、溶接断面の壁は、焦点が合った状態では急峻であるが、焦点高さが焦点の合った位置から上下に外れるにつれ徐々に緩慢になる（伝導溶接タイプ）。同様に、全てのモニター用信号（溶接特性の波形）も、焦点が合った状態から外れるにつれその形状を変える。
【００４８】
温度（ＩＲ）信号は、焦点が合っている場合に、立上りが急峻となって曲線の下方の面積が最大となる。温度（ＩＲ）の立上りの傾きは、ワークディスタンスが焦点位置から上下に外れるにつれ、緩やかになり三角形の形状が出来る。焦点が合った状態での音信号波形は、開始部での大きさ（正の値）が最大となりパルス後の負の落ち込みも最大になる。焦点から上下に外れるにつれ、この正の値と負の落ち込みは目立たなくなる。
【００４９】
図５、図６および図７は、本発明の実施形態において、焦点位置を変えることにより異なってくる溶接特性に基づき、溶接品質を定義する属性（パラメータ）を単一値出力形式で導出する処理（数学的アルゴリズム）を示したものである。
【００５０】
図５は、本発明の実施形態において、反射波形に基づき溶接品質を定義するための属性に対する単一値出力を生成する処理（数学的アルゴリズム）を示したものである。図５（Ａ）のステップ２５０で各反射波形毎に反射信号の最大値を求め、ステップ２５２で一番大きな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５１】
図５（Ｂ）のステップ２６０で各反射波形を０．４ｍｓ〜５ｍｓの時間区間で積分し、ステップ２６２で各波形毎の最大値を求める。そして、ステップ２６４で、一番小さな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。図５（Ｃ）のステップ２７０で各反射波形を０ｍｓ〜５ｍｓの区間で積分し、ステップ２７２で各波形毎の最大値を求める。ステップ２７４で一番小さな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５２】
図６は、本発明の実施形態において、ＩＲ波形に基づき、溶接品質を定義するための属性に対する単一値出力を導出する処理（数学的アルゴリズム）を示したものである。図６（Ａ）のステップ３００で各ＩＲ波形毎に反射信号の最大値を求め、ステップ３０２で一番大きな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５３】
図６（Ｂ）のステップ３１０で各ＩＲ波形の傾きを０．０ｍｓ〜０．５ｍｓの時間区間で読み込み、波形毎の最大値をステップ３１２で求める。ステップ３１４で、一番大きな最大値を持つ波形を焦点があった位置での溶接による波形として選択する。図６（Ｃ）のステップ３２０で、各ＩＲ波形を０ｍｓ〜５ｍｓの時間区間で積分し、ステップ３２２で各波形毎の最大値を求める。ステップ３２４で、一番大きな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５４】
図７は、本発明の実施形態において、音波形に基づき、溶接品質を定義するための属性に対する単一値出力を導出する処理（数学的アルゴリズム）を示したものである。図７（Ａ）のステップ３５０で各音波形毎に音信号の最小値を求め、ステップ３５２で一番小さな最小値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５５】
図７（Ｂ）のステップ３６０で各音プロファイルを０．０ｍｓ〜０．５ｍｓの時間区間で積分し、ステップ３６２で各波形毎の最大値を求める。ステップ３６４で、一番大きな積分値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。図７（Ｃ）のステップ３７０で各音波形を５ｍｓ〜１１．５ｍｓの時間区間で積分し、ステップ３７２で各波形毎の最小値を求める。ステップ３７４で、一番小さな最小値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。図７（Ｄ）のステップ３８０で、各音波形の傾きを０．２５ｍｓ〜０．４ｍｓの時間区間で読み込み、各波形毎の最大値をステップ３８２で求める。ステップ３８４で、一番大きな最大値を持つ波形を焦点が合った位置での溶接による波形として選択する。
【００５６】
図８からわかるように、アルゴリズムの処理結果は、焦点に対して高感度であることを示す。アルゴリズムの傾向は、感度の程度に応じて、低感度、中感度、高感度に分類できる。高感度のアルゴリズムは、たとえば、焦点のところで１の値（正規化した値）を持ち、焦点から離れた端では小さな値（＜０．３）をとる。低感度のアルゴリズム（たとえば、最大値＜０．８）のものも、溶接間での測定変動が小さいような場合には、十分に有効である。図示の実施形態では、正規化したアルゴリズム出力４００が示すように、ＩＲと音のアルゴリズムが、焦点位置に対する感度が一番高い。
【００５７】
図９（Ａ）に重ね継手溶接４２０を示す。この重ね継手溶接は、本発明の一実施形態にしたがい母材４２４と４２６とを重ねて溶接４２２で接合するものである。たとえば、母材４２４は厚さ０．１０２ｍｍのステンレス鋼（たとえばタイプ３０４）であり、母材４２６は厚さ０．６３５ｍｍのステンレス鋼（たとえばタイプ３０４）である。レーザはたとえばＬＷ５０Ａレーザでよく、溶接にレーザ信号を導く光ファイバには４００ＳＩ光ファイバーを使用してよい。レーザ信号は、１００／１００ＦＸ収束ヘッド（ユニテク・ミヤチＦＸシリーズ収束ヘッド）あるいはその他任意の適当な収束ヘッドにより収束される。溶接は、たとえば、４度の傾き角で実施し、約０．４８０ｍｍの溶接を形成する。
【００５８】
重ね継手溶接では、溶け込み深さが変動することがある。レーザ溶接のモニタ結果と溶け込み深さの変動との間には相関性がある。１．４ｋＷ固定のピークパワーでレーザパルス幅を広げることにより、レーザパルスのエネルギーを大きくすることができる。
【００５９】
図９（Ｂ）は、溶接強度を測定するために行う引張試験４３０の様子を示したものである。この引張試験は破断するまで行う破壊試験であり、母材４２４と４２６とを引き離すように引っ張って、破断する直前まで耐えられる強度を測定するものである。図９（Ｃ）は、溶接の実施に用いる種々のレーザパルスエネルギーとパルス時間とを示す。パルス時間は、エネルギーレベルに応じて変わる。図９（Ｄ）は、下部母材４２６表面に形成される溶接接合面４３６を上から見た図４３４である。
【００６０】
本発明の実施形態では、モニタ用原信号（溶接特性の波形）に適用するための複数のアルゴリズムが開発された。図１０に、属性単一値出力のグラフ４４０を示す。このグラフは、本発明の実施形態にしたがい、異なる溶込み深さの溶接特性に対し種々のアルゴリズムを適用することによって生成した属性単一値出力を表わしている。図から読み取れるように、属性のなかには傾向がないものや、傾向は認められるが感度の低いものもある一方で、はっきりした傾向があり感度も良好なものがある。傾向があり感度も良好なものは、図１０からわかるように、たとえば温度（ＩＲ）積分値、音の負の最小値、音積分値、音の立ち上がりの傾き等である。
【００６１】
重ね溶接は、各設定につき多数回溶接で繰り返し行われてよい。図１１〜図１４に、本発明の一実施形態における溶接強度対モニタ信号の相関を示す。たとえば、音積分値と品質出力（溶接接合面積と引張強度）との間で、直線当てはめをすると、Ｒ2（寄与率）の値は０．９５を超える。温度（ＩＲ）積分値の場合もＲ2値は同程度に達する。
【００６２】
溶接は反復測定のために多数回行なわれてよい。この場合に生じるデータポイントのばらつきはモニタ装置と継手品質測定の双方の変動によるものと考えられる。多数回の溶接にわたって強い相関が維持される。このような強い相関が確保されることは、本実施形態の産業上の実用性の高さ（能力）を示すものである。
【００６３】
図１１は、溶接接合面積と温度（ＩＲ）積分値との相関を表わしたグラフ４５０である。データポイントから作成した曲線は、ｙ＝−７１２．３１ｘ2＋１９．５５８ｘ−０．０１７８であり、Ｒ2＝０．９６４３である。図１２は、溶接強度（ｌｂｓ）と温度（ＩＲ）積分値との相関を表わしたグラフ４６０である。データポイントから作成した曲線は、ｙ＝−９３６８１ｘ2＋２６４１．６ｘ−２．６６７６で、Ｒ2＝０．９４３４である。図１３は、溶接接合面積と音積分値との相関を表わしたグラフ４７０である。データポイントから作成した直線は、ｙ＝−２．２３２２ｘ−０．０１６７で、Ｒ2＝０．９５９８である。図１４は、溶接引張強度（ｌｂｓ）と音積分値との相関を表わしたグラフ４８０である。データポイントから作成した直線は、ｙ＝−２９６．７２ｘ−２．５１９２で、Ｒ2＝０．９７２である。
【００６４】
図１５は、本発明の別の実施形態における、溶接特性を取り込んで（または測定して）分析するレーザ溶接モニタ装置５００のブロック図である。本実施形態では、反射したレーザ放射線（反射信号）と赤外放射線（ＩＲ信号）を、フォトダイオード５２６とフォトダイオード５２４でそれぞれ取り込む。さらに、専用テレビ（ＣＣＴＶ）カメラ５０２を使って溶接前後の溶接パーツの画像を取り込む。図１５に示す装置５００の構成部品の多くは、図１の装置１００の構成部品と同一または類似したものでよい。また、フォトダイオード出力および／またはＣＣＴＶ出力も、処理と分析のため、装置１００で用いたものと同様のデジタイザおよび／またはデータ収集処理装置に送られてよい。
【００６５】
フォトダイオード５２６を使って溶接表面からの反射信号（たとえば１０６４ｎｍ）を測定する。フォトダイオード５２６は、たとえば、８００ｎｍにピーク応答をもつＳｉ（シリコン）フォトダイオードでよい。また、フォトダイオード５２４を使用してＩＲ信号を測定する。フォトダイオード５２４は、たとえば、１５５０ｎｍにピーク応答を持つＩｎＧａＡｓ（インジウムガリウム砒素）  フォトダイオードでよい。他の実施形態として、フォトダイオード５２４および／または５２６に代えて、あるいはこれらに加え、他のセンサまたは検出器（たとえばモニタ用センサー、機械視覚センサ等）を使用して、レーザ溶接特性を測定するようにしてもよい。
【００６６】
レーザ信号は、光ファイバケーブル５２２（任意の適当な光ファイバでよい）を介して、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザより供給される。光ファイバケーブル５２２の出力端より出たレーザ信号は、コリメータ５１８（任意の適当なコリメータでよい）を通過する。次に、レーザ信号は、ダイクロイックミラー５１０（反射率が、たとえば、１０６４ｎｍで９９．５％で、６３３ｎｍで１０％）に入射される。ここで反射したレーザ信号は、適当な収束レンズ５１２によって溶接面に収束照射される。
【００６７】
溶接表面に照射されたレーザ信号の一部は反射する。反射信号は、収束レンズ５１２、ダイクロイックミラー５１０を通り、ダイクロイックミラー５０８（反射率が、たとえば、１０６４ｎｍで１００％、６６３ｎｍで１０％）で反射し、干渉フィルタ５１６（たとえば、１０６４±１０ｎｍ干渉フィルタ）で１０６４ｎｍの信号としてフィルタリングされ、レンズ５２０（たとえば、７５ｍｍ（ミリメートル）平凸レンズ）を通ってフォトダイオード５２６上に収束する。
【００６８】
溶接表面から放射したＩＲ信号は、収束レンズ５１２、ダイクロイックミラー５１０，５０８を通過し、半導体レーザミラー５０６に入射する。半導体レーザミラー５０６は、たとえば、１４００ｎｍ〜１７００ｎｍでの反射率が１００％である。なお、高温プロセスに対しては、半導体レーザミラー５０６を、１２００〜１３００ｎｍミラーに置き換えればよい。次に、ＩＲ信号は、レンズ５１４例えば２５ｍｍ平凸レンズを通ってフォトダイオード５２４に収束する。本実施形態では、半導体レーザミラー５０６が波長１４００〜１７００ｎｍの放射線を反射してフォトダイオード５２４に導くので、図１のロングパスフィルタ１０６のようなロングパスフィルタは不要である。
【００６９】
光信号のうちダイクロイックミラー５１０，５０８でも半導体レーザミラー５０６でも反射されなかったものは、ビデオレンズ５０４を通ってＣＣＴＶカメラ５０２に入力される。本実施形態では、ＣＣＴＶカメラ５０２は溶接プロセスと同軸にある。別言すれば、カメラは溶接が行われる場所と一列に並んでいる。したがって、図１のレーザ溶接モニタ装置１００に比べ、カメラのワークディスタンスは長くとれ、比較的狭い視野での画像、つまり拡大した画像を取り込むことができる。
【００７０】
図１６（Ａ）は、本発明の別の実施形態におけるレーザ溶接特性を取り込んで（または測定して）分析するレーザ溶接モニタ装置５５０のブロック図である。
本実施形態では、反射したレーザ放射線（反射信号）と赤外放射線（ＩＲ信号）は２色検出器５５２により取り込まれる。さらに、専用テレビ（ＣＣＴＶ）カメラ５６８を使って溶接の前後で溶接パーツの画像を取り込む。他の実施形態では、２色検出器５５２の代わりに、あるいはこれらに加え、他のセンサまたは検出器（たとえばモニタ用センサ、機械視覚センサ等）を使用して、レーザ溶接特性を測定するようにしてもよい。
【００７１】
図１６（Ａ）に示す装置５５０の構成部品の多くは、図１の装置１００の構成部品と同一または類似するものでよい。また、フォトダイオード出力および／またはＣＣＴＶ出力も、処理と分析のため、装置１００で用いたものと同様のデジタイザおよび／またはデータ収集処理装置に送られてよい。
【００７２】
レーザ信号は、光ファイバケーブル５７０（任意の適当な光ファイバでよい）を介して、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザより供給される。光ファイバケーブル５７０の出力端より出たレーザ信号はコリメータ５６４（任意の適当なコリメータでよい）を通過する。次に、レーザ信号は、ダイクロイックミラー５６０（反射率が、たとえば、１０６４ｎｍで９９．５％、６３３ｎｍで１０％）に入射される。ここで反射したレーザ信号は、適当な収束レンズ５６２により溶接面に収束される。
【００７３】
溶接プロセスからの光信号には、反射信号とＩＲ信号その他の光信号が含まれる。この光信号は、収束レンズ５６２とダイクロイックミラー５６０を通ってコールドミラー５５８に入射する。コールドミラー５５８は、たとえば、４５０〜７５０ｎｍを９０％反射し、ＩＲ（赤外線）を１０％しか反射しない。光信号のうちコールドミラー５５８で反射したものは、ビデオレンズ５６６を通ってＣＣＴＶカメラ５６８に入力される。
【００７４】
光信号のうちコールドミラー５５８を通ったものは、レンズ５５４（たとえば２５ｍｍ平凸レンズ）を通って２色検出器５５２に入射する。この透過した光信号を、光学的な１．２〜１．３１μｍの半導体ミラーまたはロングパスフィルタ（＞１μｍ）に通すようにしてもよい。
【００７５】
図１６（Ｂ）は、２色検出器５８０の断面図であり、この検出器を図１６（Ａ）の２色検出器５５２として使用できる。２色検出器５８０は上部検出器５８２と下部検出器５８４とを有する。図１６（Ｂ）に示すように、上部検出器５８２のアクティブ（検出）面積は下部検出器５８４の検出面積以上となっている。上部検出器は、たとえば、１０６４ｎｍの反射信号を検出するシリコン検出器でよい。下部検出器は、たとえば、１２００〜１７００ｎｍのＩＲ信号を検出するＩｎＧａＡｓ検出器でよい。
【００７６】
図１６（Ｃ）に示す検出器の応答特性５９２、５９４は、図１６（Ｂ）に示す２色検出器の応答特性である。応答特性５９２は、たとえば、上部検出器（たとえばシリコン検出器）のもので、１０００ｎｍ辺りにピークをもつ。応答特性５９４は、たとえば、下部検出器（たとえばＩｎＧａＡｓ検出器）のもので、１５００ｎｍ辺りにピークをもつ。
【００７７】
図１の装置１００に比べて、本レーザ溶接モニタ装置５５０は、サイズがコンパクトであり、構成部品も少ない。また、ＣＣＴＶカメラ５６８のワークディスタンスあるいは画像距離もそれほど長くはならない。ただし、２色検出器を用いる場合は、ＩＲ放射線が上部検出器（シリコン検出器）を通過する際に３０％ほど減衰する。また、上部検出器は１０６４ｎｍ信号を全て吸収するわけではないので、下部検出器であるＩｎＧａＡｓ検出器に入射する信号が劣化することもある。
【００７８】
図１７は、本発明の更にもう１つの実施形態におけるレーザ溶接特性を取り込んで（または測定して）分析するレーザ溶接モニタ装置６００のブロック図である。本実施形態では、反射したレーザ放射線と赤外放射線をフォトダイオード６０２、６２８によりそれぞれ取り込む。さらに、専用テレビ（ＣＣＴＶ）カメラ６０８を使って、溶接の前後で溶接パーツの画像を取り込む。図１７に示す装置６００の構成部品の多くは、図１の装置１００の構成部品と同一または類似するものでよい。また、フォトダイオード出力および／またはＣＣＴＶ出力も、処理と分析のため、装置１００で用いたのと同様のデジタイザおよび／またはデータ収集処理装置に送られてよい。
【００７９】
溶接表面からの反射信号（たとえば１０６４ｎｍ）は、フォトダイオード６２８を使って測定する。フォトダイオード６２８は、たとえば、８００ｎｍにピーク応答を有するＳｉ（シリコン）フォトダイオードでよい。また、フォトダイオード６０２を使ってＩＲ信号を測定する。このフォトダイオード６０２は、たとえば、１５５０ｎｍにピーク応答を有するＩｎＧａＡｓフォトダイオードでよい。他の実施形態では、フォトダイオード６０２および／または６２８に代えて、あるいはこれらに加えて、他のセンサまたは検出器（たとえばモニタ用センサ、機械視覚センサ等）を使用して、レーザ溶接特性を測定するようにしてもよい。
【００８０】
レーザ信号は、光ファイバケーブル６２６（任意の適当な光ファイバでよい）を介して、１０６４ｎｍのＮｄ：ＹＡＧパルスレーザより供給される。光ファイバケーブル６２６の出力端より出たレーザ信号は、コリメータ６２２（任意の適当なコリメータでよい）を通過する。次に、レーザー信号は、ダイクロイックミラー６２０（反射率が、たとえば、１０６４ｎｍで９９．５％、６３３ｎｍで１０％）に入射する。ここで反射したレーザ信号は、コールドミラー６２４を通り、次いで適当な収束レンズ６１２によって溶接表面に収束照射される。コールドミラー６２４は、たとえば、４５０〜７５０ｎｍを９０％反射し、ＩＲを１０％反射する。
【００８１】
溶接表面からの光信号は、収束レンズ６１２を通ってコールドミラー６２４に入射する。光信号の４５０〜７５０ｎｍ成分の大部分が、コールドミラー６２４で反射し、ビデオレンズ６１０を通ってＣＣＴＶカメラ６０８に入力される。本実施形態では、ＣＣＴＶカメラ６０８は溶接プロセスに対し同軸に配置されており、カメラのワークディスタンスあるいは画像距離が短縮化されている。また、コールドミラー６２４は、ＩＲ放射線の一部を反射し、他の一部を吸収する。
【００８２】
反射信号はダイクロイックミラー６２０を通り、ダイクロイックミラー６１８（反射率が１０６４ｎｍで１００％、６６３ｎｍで１０％）で反射し、干渉フィルタ６１４（例えば、１０６４±１０ｎｍ干渉フィルタ）で１０６４ｎｍ成分が透過し（フィルタリングされ）、レンズ６１６（たとえば、７５ｍｍ（ミリメートル）平凸レンズ）を通ってフォトダイオード６２８に収束する。
【００８３】
溶接表面からのＩＲ信号は、収束レンズ６１２、コールドミラー６２４、ダイクロイックミラーを通り、３つのロングパスフィルター１０６（たとえば、＞１４００ｎｍ）でフィルタリングされ、レンズ６０４（たとえば、２５ｍｍ平凸レンズ）を通ってフォトダイオード８０２に収束入射する。
【００８４】
本発明の実施形態においては、図１８のレーザ装置６５０に示すように、センサ６６８（溶接モニタ用センサ）をレーザ装置内部に設けることができる。このレーザ装置には、レーザ光を出力するレーザ共振器６５２が設けられる。このレーザ共振器６５２より出力されたレーザ光は、ミラー６５４、６５６で反射され、ファイバ入力結合器６５８を介してマルチモード光ファイバ６６０に入る。マルチモード光ファイバ６６０の出力端より出たレーザ光は、エンドエフェクタ６６２に入力され、溶接表面６６４に導かれる。溶接表面で反射したレーザ信号は、レーザ装置に戻り、センサ６６８により検出される。このように、センサ６６８のような内部センサを用いることにより溶接周りのスペースを節約できる。
【００８５】
以上で特定の実施形態についての説明を終えるが、当業者には種々の変形が可能である。したがって、上記した実施形態以外の実施形態で本発明を実施することが可能である。すなわち、上記の実施形態は本発明の説明のための例示にすぎず、本発明の技術的範囲は特許請求の範囲および均等物に基づいて定められべきものである。
【００８６】
たとえば、各種の溶接を実施して、溶接特性を評価し、その波形を生成することができる。たとえば、他の実施形態では、種々の変形を伴なう界面ギャップ、突合せ溶接および／またはすみ肉溶接の溶接プロセスを実施して、その溶接特性を測定し、溶接品質管理のためのアルゴリズムを開発することができる。
【００８７】
本発明によれば、レーザ溶接の監視、品質管理のために、複数の溶接を実行して各溶接毎に溶接特性を取り込み、各溶接の溶接品質を判定し、各溶接毎の溶接特性に対し、その属性を算出するアルゴリズムを実行して属性として単一値出力を生成し、生成した単一値出力を溶接品質に相関付けることにより、溶接品質を表わす属性を選択するようしているので、分析の手法が簡単な数学的アルゴリズムであるにもかかわらず、分析結果から溶接の良否を容易に区別できる。さらに、分析がユーザにとっても非常に分かりやすく、システムをユーザの望むプロセス設定、制御の条件、仕様に合わせることが容易である。したがって、本発明のレーザ溶接モニタ装置および方法は分かりやすく信頼性が高くて使い勝手が良い。
【符号の説明】
【００８８】
１００      レーザ溶接モニタ装置
１０２      フォトダイオード
１１８      フォトダイオード
１２４      マイクロフォン
１２８      デジタイザ
１３０      データ収集処理装置
１３２      ＣＣＴＶカメラ
１５２      波形
１５４      最大値
１５６      立下りの傾き
１５８      立上りの傾き
１６０      積分
【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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