(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＹＡＧレーザ光を溶接トーチへ伝送して加工材の表面へ照射させるようにする光ファイバーに、プローブレーザ光を同軸に入射してＹＡＧレーザ光と共に加工材の表面に照射させるようにし、一方、上記光ファイバーに入射させる前のプローブレーザ光を分岐させて周波数変調させるようにし、該周波数変調後のプローブレーザ光の分岐光と加工材表面で反射したプローブレーザ光の戻り光を同軸上で受けて両者の周波数の差に基づいてＹＡＧレーザ光の戻り光を検出することを特徴とするＹＡＧレーザ溶接戻り光検出方法。
【請求項２】
ＹＡＧレーザ溶接機のＹＡＧレーザ光伝送用光ファイバーにプローブレーザ光を同軸に入射させるように配置したプローブレーザ光源と、上記光ファイバーに入射させる前のプローブレーザ光の分岐光を周波数変調させる変調器と、該変調器で周波数変調された後のプローブレーザ光分岐光と加工材の表面で反射したプローブレーザ光戻り光とを同軸上で受けてＹＡＧレーザ光の戻り光を検出するヘテロダイン検出器とを備えた構成を有することを特徴とするＹＡＧレーザ溶接戻り光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＹＡＧレーザ溶接時に加工材表面で反射して戻ってくるレーザ光の戻り光を間接的に検出するために用いるＹＡＧレーザ溶接戻り光検出方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ溶接は、ＹＡＧレーザ光源から発したＹＡＧレーザ光を、光ファイバーを通し溶接トーチまで伝送して、溶接トーチにより加工材の表面に照射させるようにするものであり、レーザ光を光ファイバー伝送する点がＣＯ2 レーザ溶接と大きく異なっている。
【０００３】
そのため、溶接に失敗する等して、照射したレーザ光が加工材表面から反射して戻ってくると、光ファイバー端部が急速に加熱されるので、発火する心配がある。すなわち、ＹＡＧレーザ溶接では、溶接が適正に行われると、レーザ光は加工材側に吸収されることになるので、反射光はあまり戻ってこないが、レーザ光が加工材にうまく当らずに適正に入熱されないと、そのときの反射光（散乱光）が戻ってくるため、光ファイバーやレンズ等の光学系に悪影響を与える可能性がある。
【０００４】
したがって、光学系に悪影響を与えないようにするためには、ＹＡＧレーザ光の戻り光量を測定して、その戻り光量に応じて溶接を中断したり、溶接トーチの姿勢等を制御すればよいことになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来では、ＹＡＧレーザ光の戻りそのものを検出することは行われておらず、光ファイバーの出射側端部の温度を検出し、その温度上昇によって戻り光量が多くなっていることを推定しているに過ぎないため、高感度、高Ｓ／Ｎの検出を行うことはできなかった。すなわち、温度検出による方法では、発火を妨げるに充分な高速応答が得られず、信頼性の面で問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、応答速度が速くしかも高Ｓ／Ｎ比の検出が可能なＹＡＧレーザ溶接戻り光検出方法及び装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、ＹＡＧレーザ光を溶接トーチへ伝送して加工材の表面へ照射させるようにする光ファイバーに、プローブレーザ光を同軸に入射してＹＡＧレーザ光と共に加工材の表面に照射させるようにし、一方、上記光ファイバーに入射させる前のプローブレーザ光を分岐させて周波数変調させるようにし、該周波数変調後のプローブレーザ光の分岐光と加工材表面で反射したプローブレーザ光の戻り光を同軸上で受けて両者の周波数の差に基づいてＹＡＧレーザ光の戻り光を検出するＹＡＧレーザ溶接戻り光検出方法とし、又、ＹＡＧレーザ溶接機のＹＡＧレーザ光伝送用光ファイバーにプローブレーザ光を同軸に入射させるように配置したプローブレーザ光源と、上記光ファイバーに入射させる前のプローブレーザ光の分岐光を周波数変調させる変調器と、該変調器で周波数変調された後のプローブレーザ光分岐光と加工材の表面で反射したプローブレーザ光戻り光とを同軸上で受けてＹＡＧレーザ光の戻り光を検出するヘテロダイン検出器とを備えた構成を有するＹＡＧレーザ溶接戻り光検出装置とする。
【０００８】
光ファイバーにＹＡＧレーザ光と同軸にプローブレーザ光を入射させると、プローブレーザ光の光軸がＹＡＧレーザ光の光軸と一致していることから、ＹＡＧレーザ光が加工材表面で反射された場合に、プローブレーザ光も同様に反射されることになり、プローブレーザ光の反射光が光ファイバーを通って入射側まで戻ってくるので、この戻り光と分岐光とを同軸で受けてヘテロダイン検出することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させてＹＡＧレーザ光の戻り量を測定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１０】
図１は本発明のＹＡＧレーザ溶接戻り光検出装置の実施の一形態を示すもので、ＹＡＧレーザ光源１から発振したＹＡＧレーザ光２を、ＹＡＧレーザミラー３で反射させてから光ファイバー４に入射させ、該光ファイバー４により溶接トーチ５へ伝送して加工材６の表面へ向けて照射させるようにしてあるＹＡＧレーザ溶接機において、１／４波長板７を透過させて上記光ファイバー４にプローブレーザ光としてのＨｅ−Ｎｅレーザ光９をＹＡＧレーザ光２と同軸に入射させるようにするプローブレーザ光源としてのＨｅ−Ｎｅレーザ光源８を設け、且つ該Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源８によるＨｅ−Ｎｅレーザ光９の光路の１／４波長板７よりも上流位置に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９を分岐させるビームスプリッター１０を設けると共に、該ビームスプリッター１０で分岐させたＨｅ−Ｎｅレーザ光分岐光９ａを周波数変調させる変調器としてのＡＯモジュレーター１１を設ける。
【００１１】
又、上記ＡＯモジュレーター１１で変調した後の分岐光９ａを９０°変向させるようにするミラー１２と、該ミラー１２で反射された分岐光９ａを透過させる１／２波長板１３とを備え、一方、加工材６の表面で反射したＨｅ−Ｎｅレーザ光９の戻り光９ｂを反射させて上記１／２波長板１３を透過した後の分岐光９ａへ向けるようにする偏光ビームスプリッター１４を設け、且つ上記１／２波長板１３を透過した分岐光９ａを透過させると共にビームスプリッター１４で反射させた戻り光９ｂを９０°変向させて、分岐光９ａと戻り光９ｂを同軸上に集めるようにするビームスプリッター１５を設け、更に、同軸で送られてくるＨｅ−Ｎｅレーザ光９の分岐光９ａと戻り光９ｂを入射させてヘテロダイン検出することによりＹＡＧレーザ光２の戻り光を間接的に検出するようにしたヘテロダイン検出器としてのシリコンフォトディテクター１６を装備させる。
【００１２】
上記各構成要素について詳述する。すなわち、ＹＡＧレーザミラー３は誘電体多層膜鏡であり、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を透過できるようにしてある。１／４波長板７は直線偏光と円偏光とを変換するようにしてあり、又、１／２波長板１３は偏光方向を紙面に平行な方向に変換するようにしてある。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源８は単一横モード、直線偏光発振のＨｅ−Ｎｅレーザ光９を出力するもので、紙面に対し垂直な方向に電界が振動する偏光を出力するようにしてある。ビームスプリッター１０は出力を１対１に分割して２つの光に分けるように配置してある。偏光ビームスプリッター１４は紙面に垂直な偏光を透過させ、紙面と平行な偏光を反射するようにしてある。ビームスプリッター１５は９０°異なる方向から入射した光を同軸の光とするようにしてある。ＡＯモジュレーター１１は光の周波数を動作周波数だけシフトさせる機能を有し、本実施の形態では、約８０MHz の周波数をシフトさせるようにしてある。シリコンフォトディテクター１６は、周波数が僅かに異なる光が入射することにより光強度にうねりが生じ、両者の周波数の差の信号が、戻り光がきたときに検出されるようにしてある。
【００１３】
ＹＡＧレーザ溶接機を用いて加工材６の加工を行うときに、ＹＡＧレーザ光源１から発したＹＡＧレーザ光２の戻りを検出する場合には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源８から発したＨｅ−Ｎｅレーザ光９を、ＹＡＧレーザ光２と同軸に光ファイバー４に入射して、ＹＡＧレーザ光２と共に加工材６の表面に照射させるようにし、一方、上記光ファイバー４に入射させる前のＨｅ−Ｎｅレーザ光９を分岐させて周波数変調させるようにし、更に、周波数変調後のＨｅ−Ｎｅレーザ光分岐光９ａと加工材６の表面で反射させられたＨｅ−Ｎｅレーザ光戻り光９ｂとを同軸に受けて両者の周波数の差に基づいてＹＡＧレーザ光２の戻り光を間接的に検出させるようにする。
【００１４】
以下、詳述するに、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源８から紙面に垂直な方向に電界が振動する偏光であるＨｅ−Ｎｅレーザ光９を出力すると、該Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９は、先ず、その出力がビームスプリッター１０で２つに分けられる。直進したＨｅ−Ｎｅレーザ光９は偏光ビームスプリッター１４を透過し、更に、１／４波長板７で直線偏光から円偏光に変換された後、ＹＡＧレーザミラー３を透過し、ここで、反射させられるＹＡＧレーザ光２と同軸の光として光ファイバー４に入射される。
【００１５】
上記の状態において、ＹＡＧレーザ光２に戻り光が発生した場合、同時に、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９も戻ってくることになる。Ｈｅ−Ｎｅレーザ光９の戻り光９ｂはＹＡＧレーザミラー３を透過させられた後、再び１／４波長板７を透過する。この際、円偏光から紙面に平行な偏光に変換されるので、次に、偏光ビームスプリッター１４にて反射されることになる。
【００１６】
一方、ビームスプリッター１０で分けられたＨｅ−Ｎｅレーザ光９の分岐光９ａはＡＯモジュレーター１１に入射させられ、周波数変調される。すなわち、ここでは、周波数が約８０MHz シフトさせられる。続いて、周波数変調後の分岐光９ａはミラー１２で変向させられてから、１／２波長板１３にて偏光方向が紙面に平行な方向に変換される。
【００１７】
更に、１／２波長板１３にて偏光方向が変換された分岐光９ａと、上記偏光ビームスプリッター１４にて反射された戻り光９ｂとは、ビームスプリッター１５で同軸光にさせられてからシリコンフォトディテクター１６に入射させられる。
【００１８】
上記シリコンフォトディテクター１６では、入射されたＨｅ−Ｎｅレーザ光９の戻り光９ｂを、分岐光９ａを基にヘテロダイン検出することによって、ＹＡＧレーザ光２の戻り光の有無を検出することができる。この場合、周波数が僅かに異なる光が入射すると、光強度にうねりが生じ、両者の周波数の差、つまり、８０MHz の信号が、戻り光９ｂが来たときに検出されることになる。戻り光９ｂの有無は、図２に一例を示す如く、うねり信号（ビード信号ｂ）の有無によって識別することができる。又、このうねり信号は量子限界と呼ばれるところの物理的検出限界ぎりぎりの光検出が可能であるので、非常に高感度、高速応答の戻り光検出を実現できる。したがって、光ファイバー４の出射側端部の温度を検出する方式に比して、Ｓ／Ｎ比が高くなり、信頼性を高めることができる。
【００１９】
なお、プローブレーザ光としては、小出力ＣＷレーザ光、ＹＡＧレーザ光と波長の異なるレーザ光、単一モードレーザ光等を採用してもよいこと、その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００２０】
【発明の効果】
以上述べた如く、本発明によれば、ＹＡＧレーザ溶接機のＹＡＧレーザ光伝送用光ファイバーにプローブレーザ光を同軸に入射させるように配置したプローブレーザ光源と、上記光ファイバーに入射させる前のプローブレーザ光の分岐光を周波数変調させる変調器と、該変調器で周波数変調された後のプローブレーザ光分岐光と加工材の表面で反射したプローブレーザ光戻り光とを同軸上で受けてＹＡＧレーザ光の戻り光を検出するヘテロダイン検出器とを備えた構成としてあるので、光ファイバーにＹＡＧレーザ光と同軸にプローブレーザ光を入射させると、加工材表面でＹＡＧレーザ光が反射された場合にプローブレーザ光も同様に戻ってくることから、この戻り光をヘテロダイン検出することにより、温度検出方式よりも高いＳ／Ｎ比でＹＡＧレーザ光の戻りを高速で検出することができ、信頼性の向上化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＹＡＧレーザ溶接戻り光検出装置の実施の一形態を示す概略図である。
【図２】ヘテロダイン検出の検出パターンの一例を示す信号図である。
【符号の説明】
２  ＹＡＧレーザ光
４  光ファイバー
５  溶接トーチ
６  加工材
８  Ｈｅ−Ｎｅレーザ光源（プローブレーザ光源）
９  Ｈｅ−Ｎｅレーザ光（プローブレーザ光）
９ａ  分岐光
９ｂ  戻り光
１１  ＡＯモジュレーター（変調器）
１６  シリコンフォトディテクター（ヘテロダイン検出器）
【図１】
0003815020.tif 000002
【図２】
0003815020.tif 000003