JP2005131645A - レーザ加工方法及び加工状態判断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ光照射による金属材料の加工部の溶融状態のばらつきや角度・位置のわずかな違いにより、加工後に照射したレーザ光の照射光が変化して、加工状態を誤判断するおそれの少ないレーザ加工の加工状態判断方法を提供する。
【解決手段】 金属材料のレーザ加工の加工状態判断方法であって、加工用の第１次レーザ光の照射した後に、前記第１次レーザ光よりもエネルギー密度の低い第２次レーザ光を加工部に照射して、前記第２次レーザ光の反射光を計測することにより加工状態を判定するレーザ加工の加工状態判断方法において、前記第２次レーザ光の反射光を第１の所定時間計測して、この後に前記第２次レーザ光の反射光を第２の所定時間計測することにより加工状態を判定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、金属材料にレーザを照射するレーザ加工方法、レーザ加工の加工状態判断方法、レーザ加工状態判断装置及びレーザ加工装置に関するものである。

従来、金属材料にレーザを照射することにより、溶接や切断等をするレーザ加工は、非接触加工であるので、加工後の状態の良否を判断するには、加工後に目視等による外観検査が必要となっていた。これに対して、レーザ加工において、加工後に測定光を照射して反射光から加工の良否を判断する装置が特開平４―１８２０８５号公報（特許文献１）に開示されている。また、レーザ加工後に、弱いパワーのレーザ光を照射して、反射光のパワーを測定することにより、加工の良否を判断する加工方法が特開平４―３３７８６号公報（特許文献２）に開示されている。また、これらの方法を用いてインラインで検査を行うレーザ加工装置が特開２００１―１２１２７９号公報（特許文献３）に開示されている。
特開平４―１８２０８５号公報 特開平４―３３７８６号公報 特開２００１―１２１２７９号公報

しかしながら、特許文献１〜３の検査方法では、レーザ光照射による金属材料の加工部の溶融状態のばらつきや角度・位置のわずかな違いにより、加工後に照射したレーザ光の照射光が変化して、加工状態を誤判断するおそれがあった。特に、２枚の金属板を重ねて溶接することにより接合した場合に、上方からの目視や特許文献１〜３に記載の方法では、確実に接合されたかどうかを判定することが容易ではなかった。

本発明は、かかる事由に鑑みてなしたもので、その目的とするところは、レーザ光照射による金属材料の加工部の溶融状態のばらつきや角度・位置のわずかな違いにより、加工後に照射したレーザ光の照射光が変化して、加工状態を誤判断するおそれの少ないレーザ加工の加工状態判断方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本願発明のレーザ加工の加工状態判断方法は、加工用の第１次レーザ光の照射した後に、前記第１次レーザ光よりもエネルギー密度の低い第２次レーザ光を加工部に照射して、前記第２次レーザ光の反射光を計測することにより加工状態を判定するレーザ加工の加工状態判断方法において、前記第２次レーザ光の反射光を第１の所定時間計測して、この後に前記第２次レーザ光の反射光を第２の所定時間計測することにより加工状態を判定する。

本願発明のレーザ加工の加工状態判断方法は、第２次レーザ光の反射光を第１の所定時間計測して、この後に前記第２次レーザ光の反射光を第２の所定時間計測することにより加工状態を判定しているので、前記第１の所定時間計測により溶融状態を評価することができて、第２の所定時間計測により凝固状態を評価することができる。このために、レーザ光照射による金属材料の加工部の溶融状態のばらつきや角度・位置のわずかな違いにより、加工後に照射したレーザ光が変化して、加工状態を誤判断するおそれが少なくなる。

（実施形態１）
本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法を図１〜１０に基づいて説明する。本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法は、図１に示すように、加工用のレーザ光照射後に、加工用レーザ光（第１次レーザ光）のエネルギー密度より低く、レーザ光照射部が加工されないレベルの所定のエネルギー密度の第２次レーザ光を加工部に照射し、第２次レーザ光の反射光強度を計測することで、加工部の溶融凝固状態（溶融有無および溶融形状）を検出し加工状態を判定する。図１（a）に示すように、第２次レーザ光は第１次レーザ光に連続させてもよく、図１（ｂ）に示すように、第１次レーザ光照射後、所定の時間経過後に照射させてもよい。

被加工金属材料としては、鉄、銅、アルミニウムおよびその合金等の金属材料の２枚の板材（第１金属板１及び第２金属板２）に第１次レーザ光を照射することにより、溶接加工を実施する。具体的な、溶接構造としては、図２に示す重ね継手溶接、図３に示す突合せ継手溶接、図４に示すみ肉継手溶接等の種々の継手溶接に適用される。いずれの溶接においても、第１金属板１及び第２金属板２に第１次レーザ光を照射させて、両方の金属板を溶融させる。この場合、溶融部３が形成されることにより、第１金属板１及び第２金属板２が接合する。また、第２次レーザ光４を照射させているときには、反射光５が、照射部から照射される。ここで、図２〜４で、それぞれ（ａ）は、溶融部３が良好に形成されて、第１金属板１及び第２金属板２が接合された状態を示し、それぞれ（ｂ）は、溶融部３の形成状態が不良であり、第１金属板１及び第２金属板２が接合されていない状態を示している。

また、２枚の金属材料を重ね合わせたものに第１次レーザ光を照射する重ね継手溶接においては、レーザ光照射側である金属板１にレーザ吸収率の大きい金属板を配置して、レーザ未照射側である金属板２にレーザ吸収率の小さい金属材料を配置する。

図５に計測された反射光の波形の模式図を示す。判定区間１（第１次レーザ光終了から第１の所定時間までの区間ｔ1）の第２次レーザ光の反射光強度の振幅Ｗ１を、あらかじめ設定しておいた閾値と比較することにより第１の欠陥（穴あき不良）の判定が可能となる。また、判定区間２（第１の所定時間から第２の所定時間までの区間ｔ2）の第２次レーザ光の反射光強度の振幅Ｗ２を、あらかじめ設定した閾値と比較することにより第２の欠陥（金属板１のみ溶融不良）の判定が可能となる。

ここで、加工状態の判定のフローチャートを図６に示す。つまりあらかじめ判定区間１での閾値振幅Ｗth1と、判定区間２での閾値振幅Ｗth2とを設定しておく。そして、計測された反射光の判定区間１での振幅Ｗ1がＷth1よりも大きくて、判定区間２での振幅Ｗ2がＷth2よりも小さい場合に良品と判断する。図７〜９に重ね継手溶接の断面図とそれぞれに対応する反射光の計測波形の模式図を示す。まず、図７（ａ）に示すように金属板１と金属板２とに良好に溶融部３が形成されている場合、反射光の波形の模式図は図７（ｂ）に示すように、最初に判定区間１では第１次レーザ光照射直後は照射部が溶融し揺動しているために、大きな振幅Ｗ1で振動する。したがって、振幅Ｗ1がＷth1よりも大きくなる。次に、判定区間２では、時間経過とともに凝固が進行し振動が減衰するために、小さい振幅Ｗ2で振動する。したがって、振幅Ｗ2がＷth2よりも小さくなる。

また、図８（ａ）に示すように金属板１のみに溶融部３が形成されている場合、判定区間１では図８（ｂ）に示すように第１次レーザ光照射直後は良品時と同様に大きな振幅Ｗ1で振動した第２次レーザ光の反射光が計測される。このため、良品と同様に振幅Ｗ1がＷth1よりも大きくなる。しかしながら、金属板１から金属板２への熱伝導が発生しないために金属板１のレーザ光照射部の溶融状態が継続し、時間経過とともに振動が減衰することがないので、判定区間２でも同様に大きな振幅Ｗ2で振動した第２次レーザ光の反射光が計測される。したがって、振幅Ｗ2がＷth2よりも大きくなる。

さらに、図９（ａ）に示すように穴あき不良の場合、レーザ光照射部に穴が開いて溶融部３がほとんど存在しない。このため、図９（ｂ）に示すように第１次レーザ光照射直後から小さい振動の第２次レーザ光の反射光が計測される。このため、振幅Ｗ1がＷth1よりも小さくなる。

ここで、第１の所定時間は第１次レーザ光終了後から少なくとも５ｍ秒以下として、第２の所定時間は１０ｍ秒以下とする。こうすることにより、第１次レーザ光終了直後のレーザ光照射部の溶融部の凝固する前の状態で評価することができ、第２次レーザ光の反射光強度により加工状態を判断することが容易となる。

また、本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法に用いるレーザ加工装置の構造を図１０に示す。このものは、金属板１にレーザ光４を照射するレーザ光出射部と反射光５、プラズマ光６を計測する光計測部とを具備している。また、レーザ光出射部は、第１次レーザ光を発振するレーザ発振部１０ａ、第２次レーザ光を発振するレーザ発振部１０ｂ、これらのYAGレーザ光を導光する光ファイバー１７、１７、所定の方向に反射するミラー１６、１６、集光するレンズ１５を備えている。また、光計測部は、前面にYAGレーザ光のみを透すバンドパスフィルター１１を配置されて反射光５を検出するＰＤセンサ１３と、前面にYAGレーザ光を遮光するカットフィルター１２が配置されていてプラズマ光６を検出するＰＤセンサ１４とを備えている。ここで、反射光５を検出するＰＤセンサ１３の素子としては、Siフォトダイオード、InGaAsフォトダイオードなどが挙げられる。一方、プラズマ光６を検出するＰＤセンサ１４としては、プラズマ光が紫外光〜可視光の場合はマイクロチャンネルプレート、フォトマルチプレーヤーなどがあり、波長190nm〜1100nmの場合ではSiフォトダイオードがあり、波長700nm〜2600nmの場合ではInGaAsフォトダイオードがあり、赤外線領域の場合ではPbSe光導電素子、InAs光起電力素子、InSb光起電力素子、MCT光導電素子などが挙げられる。

以上より、本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法は、第２次レーザ光の反射光を第１の所定時間計測して、この後に第２次レーザ光の反射光を第２の所定時間計測することにより加工状態を判定することを特徴としている。つまり、この溶接状態の判定方法は、レーザ光照射直後の溶融金属の溶融から凝固に至るまでの過程が加工状態に密接に関係していることを利用し、加工用レーザ光照射直後にそれ以上照射部が加工されないエネルギー密度の検査用レーザを加工部に照射し、その反射光の状態により溶融金属材料の溶融凝固状態を検出することにより行っている。このため、溶融現象（キーホール形成状態）の違いやレーザ散乱光による溶接部周辺部の加工状態（周辺樹脂部の熱影響状態）のばらつき等の外乱がなく加工状態の判定が確実に行える。

また、２枚の金属板を重ね合わせたものに前記第１次レーザ光を照射することにより、前記２枚の金属材料を溶接する場合には、他の方法では検出しにくい欠陥についての溶接状態の判定が可能となり、特に効果が有効となる。

また、２枚の金属板を、レーザ光照射側にレーザ吸収率の大きい金属板を配置して、レーザ未照射側にレーザ吸収率の小さい金属板を配置することにより、レーザ未照射側の金属材料の溶融が発生しにくくなり、特に効果が有効となる。

加えて、第１の所定時間を５ｍ秒以下として、第２の所定時間が１０ｍ秒以下とすることにより、溶融状態でレーザを照射することで、欠陥検出しにくい重ね溶接の状態の判定において、判定精度が向上する。

なお、本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法は、溶接加工について記載しているが、これに限ることはなく、穴あけや切断等の加工にもにも適用可能である。

（実施形態２）
実施形態２のレーザ加工の加工状態判断方法に用いるレーザ加工装置の構造を図１１に示す。本実施形態の加工状態判断方法は実施形態１と略同じであるが、光計測部の構造が異なっている。本実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光出射部に波形制御機能を用いることにより第１次レーザ光と第２次レーザ光とを同一の光源であるレーザ発振部１０から発振することができる構造になっている。

本実施形態のレーザ光出射部を用いたのレーザ加工の加工状態判断方法は、第１次レーザ光と第２次レーザ光を同一の光源から照射できるので、レーザ加工装置が簡略化し、設備コストダウンおよび省スペース化となる。

（実施形態３）
実施形態３のレーザ加工の加工状態判断方法に用いるレーザ加工装置の構造を図１２に示す。本実施形態の加工状態判断方法は実施形態１と略同じであるが、光計測部の構造が異なっている。本実施形態のレーザ加工装置は、第１次レーザ光を照射する光学系と同一の光学系により反射光５の計測をする。レーザ加工装置のミラーとして、プラズマ光６は透過し、レーザ光の一部を反射することができる部分反射鏡１８を使用することにより、加工部から発せられたプラズマ光６や反射光５は部分反射鏡１８を透過させる。そして、ミラー１６によりこれらの光の方向を変化させて平凸レンズ１９を通過した後、ダイクロイックミラー２０によりプラズマ光６と反射光５を分離し、ＰＤセンサ１３、１４により計測する。また、プラズマ光６を検出するＰＤセンサ１４の前面にはYAGレーザ光を遮光するカットフィルター１２、反射光５を検出するＰＤセンサ１３の前面にはYAGレーザ光のみを透すバンドパスフィルター１１を配置している。また、プラズマ光６を検出する部分にカメラなどの画像計測装置を配置することで溶接部分の画像認識による判定を行うことも可能である。これらは全てレーザ光と同軸で計測することが可能であり、ガルバノミラーを用いた加工機においても使用することが可能である。

本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法は、第１次レーザ光を照射する光学系と同一の光学系により反射光の計測をすることができるので、レーザ加工装置がより簡略化し、装置のコストダウンおよび省スペース化をさらにはかることができる。

（実施形態４）
本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法を図１３、１４に基づいて説明する。本実施形態の加工状態判断方法は、実施形態１と略同じであるが、加工部から発せられるプラズマ光の強度を計測することにより加工状態を判定することを特徴としている。プラズマ光は、図１３に示すように、第１次レーザ光のプラズマ光と、第２次レーザ光のプラズマ光とからなる。

加工部から発するプラズマ光強度は溶融池面積すなわち溶込み深さに比例するため、プラズマ光強度のピーク値Ｐを検出し、あらかじめ設定しておいた閾値Ｐthと比較することにより溶込み深さの判定が可能となる。つまり、溶込み量（深さ）は溶接強度に比例するため、新たに溶接強度欠陥も判定することが可能となる。具体的には、図１４（ａ）に示すように、ピーク値Ｐが閾値Ｐthよりも大きければ、溶接状態は良好と判定し、図１４（ｂ）に示すように、ピーク値Ｐが閾値Ｐthよりも小さければ、溶接状態は不良と判定する。

溶接加工において、第２次レーザ光の反射光強度を計測することでレーザ溶接時の欠陥（穴あき、部分溶接、未溶接）を判定することは可能であるが、溶込み量（深さ）を判定することは困難である。これに対して、加工部から発せられるプラズマ光を計測すれば、溶込み量（深さ）を判定することが可能となる。

本実施形態のレーザ加工の加工状態判断方法は、第１次レーザ光を照射する時に、第１次レーザ光のプラズマ光の強度を計測することにより加工状態を判定することを特徴としているので、溶接状態の判定精度の向上や検出可能欠陥数の増加をはかることができる。

（実施形態５）
実施形態５のレーザ加工方法は、実施形態１〜４のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法の結果を図１５に示すフローチャートに従って、フィードバックしながらリペア加工をするレーザ加工方法である。

例えば、溶接加工において、第１次レーザ光を照射して溶接をした後に、第２次レーザ光を照射して、実施形態１〜４のいずれかに記載の方法で加工状態の良否を判定する。そして、加工状態が良であれば加工を完了し、加工状態が不良の場合、レーザ光出射部を第１回目レーザ光照射部分近傍に移動させて、再度レーザ光を照射し、リペア加工を行う。

本実施形態のレーザ加工方法は、レーザ加工の加工状態判断方法の結果をフィードバックしながらリペア加工をすることを特徴としているので、不良品の発生しにくい生産ラインの構築ができて、生産性が向上する。

（実施形態６）
実施形態６のレーザ加工装置を図１６に基づいて説明する。本実施形態のレーザ加工装置は、実施形態３のレーザ加工装置と略同じであるが、加工状態判定処理部２５が追加されている。
つまり、本実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光を発振させるレーザ発振部１０と、レーザ光を照射するレーザ光出射部２１と、レーザ光照射時に加工部から放出されるプラズマ光および反射光の強度を計測する光計測部２２と、光計測部２２で計測されたプラズマ光６および反射光５の強度から所定の判断基準により加工状態を判定する加工状態判定処理部２５とを有している。

本実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振部と、レーザ光を加工部に照射するレーザ光照射部と、レーザ光を加工部に照射する時に加工部から放出されるプラズマ光と反射光を計測する光計測部と、前記光計測部で計測される光強度から加工状態を判断する判断部と、を有しているので、検査自動化および検査時間短縮により生産性が向上する。

（実施形態７）
実施形態７のレーザ加工装置を図１７に基づいて説明する。本実施形態のレーザ加工装置は、実施形態６のレーザ加工装置と略同じであるが、レーザ光照射制御部２６が追加されている。つまり、本実施形態のレーザ加工装置は、レーザ光を発振させるレーザ発振部１０と、レーザ光を照射するレーザ光出射部２１と、レーザ光照射時に金属材料から放出されるプラズマ光および反射光の強度を計測する光計測部２２と、光計測部２２で計測されたプラズマ光６および反射光５の強度から所定の判断基準により加工状態を判定する加工状態判定処理部２５と、加工状態判定処理部２５での判定結果をレーザ光出射部２１とレーザ発振部１０にフィードバックし、欠陥がある場合は第１回目レーザ光照射部分近傍に再度レーザ光照射させるレーザ光照射制御部２６とを有している。そして、実施形態１〜５記載の方法にて加工状態の判定を行い、その判定結果をもとにリペア加工を行う。

本実施形態のレーザ加工装置は、加工状態判断装置によりレーザ加工の加工状態判断方法の結果をフィードバックしながらリペア加工をすることを特徴としているので、不良品の発生しにくい生産ラインの構築ができて、生産性が向上する。

実施形態１のレーザ光照射を示す図である。 実施形態１の重ね継手溶接を示す断面図であり、（ａ）は良品、（ｂ）は不良品を示している。 実施形態１の突合せ継手溶接を示す断面図であり、（ａ）は良品、（ｂ）は不良品を示している。 実施形態１の肉継手溶接を示す断面図であり、（ａ）は良品、（ｂ）は不良品を示している。 実施形態１の反射光を示す模式図である。 実施形態１の加工状態を判断するフローチャートである。 実施形態１の重ね継手溶接の状態判断を示す面図であり、（ａ）は溶接状態（良品）の断面図、（ｂ）はこのときの反射光を示す模式図である。 実施形態１の重ね継手溶接の状態判断を示す面図であり、（ａ）は溶接状態（一部のみ溶融）の断面図、（ｂ）はこのときの反射光を示す模式図である。 実施形態１の重ね継手溶接の状態判断を示す面図であり、（ａ）は溶接状態（穴あき）の断面図、（ｂ）はこのときの反射光を示す模式図である。 実施形態１のレーザ加工装置を示す断面図である。 実施形態２のレーザ加工装置を示す断面図である。 実施形態３のレーザ加工装置を示す断面図である。 実施形態４のプラズマ光を示す模式図である。 実施形態４のプラズマ光を示す模式図であり、（ａ）は良品のプラズマ光、（ｂ）は不良品のプラズマ光を示している。 実施形態５のレーザ加工方法を判断するフローチャートである。 実施形態６のレーザ加工装置を示す断面図である。 実施形態７のレーザ加工装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 第１金属板
２ 第２金属板
３ 溶融部
４ レーザ光
５ 反射光
６ プラズマ光
１０ レーザ発振部
１０ａ 第１次レーザ光レーザ発振部
１０ｂ 第２次レーザ光レーザ発振部
１１ フィルタバンドパス
１２ ＩＲカットフィルタ
１３ 反射光用ＰＤセンサ
１４ プラズマ光用ＰＤセンサ
１５ レーザ集光レンズ
１６ 反射鏡
１７ 光ファイバ
１８ 部分反射鏡
１９ 平凸レンズ
２０ ダイクロイックミラー
２１ レーザ光出射部
２２ 光計測部
２５ 加工状態判定処理部
２６ レーザ光照射制御部

Claims (11)

1. 金属材料のレーザ加工の加工状態判断方法であって、加工用の第１次レーザ光を照射した後に、前記第１次レーザ光よりもエネルギー密度の低い第２次レーザ光を加工部に照射して、前記第２次レーザ光の反射光を計測することにより加工状態を判定するレーザ加工の加工状態判断方法において、
   前記第２次レーザ光の反射光を第１の所定時間計測して、この後に前記第２次レーザ光の反射光を第２の所定時間計測することにより加工状態を判定することを特徴とするレーザ加工の加工状態判断方法。
2. 前記第１次レーザ光と前記第２次レーザ光を同一の光源から照射することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
3. 前記第１次レーザ光を照射する光学系と同一の光学系により前記第２次レーザ光の反射光の計測をすることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
4. 前記第１次レーザ光を照射する時に、前記第１次レーザ光のプラズマ光の強度を計測することにより加工状態を判定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
5. ２枚の金属材料を重ね合わせたものに前記第１次レーザ光を照射することにより、前記２枚の金属材料を溶接することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
6. 前記２枚の金属材料は、レーザ光照射側にレーザ吸収率の大きい金属材料を配置して、レーザ未照射側にレーザ吸収率の小さい金属材料を配置することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
7. 前記第１の所定時間が５ｍ秒以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
8. 前記第２の所定時間が１０ｍ秒以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法の結果をフィードバックしながらリペア加工をすることを特徴とするレーザ加工方法。
10. レーザ光を発振するレーザ発振部と、前記レーザ光を加工部に照射するレーザ光照射部と、前記レーザ光を前記加工部に照射する時に前記加工部から放出されるプラズマ光と反射光を計測する光計測部と、前記光計測部で計測される光強度から加工状態を判断する判断部と、を有してなり、請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のレーザ加工の加工状態判断方法により加工状態を判断することを特徴とするレーザ加工状態判断装置。
11. 請求項１０記載の加工状態判断装置によりレーザ加工の加工状態判断方法の結果をフィードバックしながらリペア加工をすることを特徴とするレーザ加工装置。
    
    

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