JP2010110796A - レーザ加工モニタリング方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工点における金属が実際に溶融されていることを把握して適正かつ確実なモニタリングを行うことができ、また、既設のレーザ加工装置に対して装置の構成を変更することなく適用することのできるレーザ加工モニタリング方法および装置を提供すること。
【解決手段】金属の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融させる加工を施す際に、当該加工点が適正に溶融したことを検出するレーザ加工モニタリング方法において、前記加工点が溶融した際に溶融した当該加工点の表面から乱反射される前記レーザ光の反射光を当該レーザ光の光軸上と異なる位置で検出することにより当該加工点が適正に溶融したか否かを検出することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属のレーザ加工の状態をモニタリングするレーザ加工モニタリング方法および装置に関する。

近年、高出力レーザは、溶接、切断あるいは表面処理等の加工業の分野で広く利用されている。特にレーザ溶接加工は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能になることから、ますますその重要性を高めている。また、光ファイバを利用した遠隔でのレーザ溶接も可能であり、レーザ発振器からたとえば３０ｍ〜５０ｍも離れた遠隔の場所で溶接加工が行われることもめずらしくない。一般のレーザ溶接機は、本体に内蔵のレーザ発振器より発振出力されたレーザ光のレーザ出力をモニタリングする機能が備わっており、レーザ発振器に異常があればレーザ出力のモニタリングを通じて即時にその事態を検知できるようになっている。

しかしながら、遠隔でのレーザ加工にあっては、レーザ発振器より発振出力されたレーザ光が入射ユニット、光ファイバおよびレーザ加工ヘッド等の光学系を経て遠隔の場所で被加工物へ照射されるため、レーザ光路上の何処かの光学部品に生じた汚れや損傷・劣化によって被加工物の加工点でのレーザ出力が異常に低下していても本体側はそれを把握できない。このため、加工後の検査（外観検査、破壊検査または非破壊検査等）に至ってはじめて不良を発見するはめになり、生産管理の面で（不良品の多発等の）問題がある。また、各部のメンテナンス（チェック、清掃、修理、部品交換等）を短いサイクルで定期的に行う対処法は、メンテナンス作業のために生産ラインを頻繁にストップしなければならず、生産効率の面で問題がある。また、従来より、レーザ加工ヘッドから出射されたレーザ光の出力状態をレーザパワーメータによる計測でモニタリングすることも行われている。しかし、この方法も、レーザ加工を止めて実施されるものであり、やはり生産性を下げるという不利点がある。

そこで、本出願人は、光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側の実際のレーザ出力状態や加工状態あるいは光学系の状態等を信頼性の高いインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させるレーザ加工モニタリング装置を提案した（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−０５４８８１号公報

特許文献１に記載されているレーザ加工モニタリング装置においてはインライン方式によってモニタリングすることが可能であるが、既設のレーザ加工装置に適用するためには、既設のレーザ光の出射ユニットを新規のモニタリングヘッドと交換する必要があり、当該新規のモニタリングユニットを設置するスペースのない既設装置には装着することができないという不都合があった。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、加工点における金属が実際に溶融されていることを把握して適正かつ確実なモニタリングを行うことができ、また、既設のレーザ加工装置に対して装置の構成を変更することなく適用することのできるレーザ加工モニタリング方法および装置を提供することを目的としている。

前述した目的を達成するため、本発明者等は鋭意研究し、金属の加工点がレーザ光の照射を受けると、加工点が溶融するまでの間は加工点からの反射光はレーザ光の照射方向と同一方向に反射するが、一端溶融が始まると加工点の表面がそれまで平坦であったものが様々な方向に揺れるために当該表面から反射される反射光は前記照射方向と異なる方向に反射する（すなわち、乱反射する）こととなり、この乱反射する反射光を前記レーザ光の光軸上と異なる位置で検出することにより、加工点における金属が実際に溶融されていることを把握しつつ適正かつ確実にモニタリングすることができることを発見して本発明を完成させた。

即ち、本発明のレーザ加工モニタリング方法は、金属の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融させる加工を施す際に、当該加工点が適正に溶融したことを検出するレーザ加工モニタリング方法であって、前記加工点が溶融した際に溶融した当該加工点の表面から反射される前記レーザ光の反射光を当該レーザ光の光軸上異なる位置で検出することにより当該加工点が適正に溶融したか否かを検出することを特徴とする。

また、本発明のレーザ加工モニタリング装置は、金属の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融させる加工を施す際に、当該加工点が適正に溶融したことを検出するレーザ加工モニタリング装置であって、前記レーザ光の光軸上とは異なる位置に配設された反射光検出手段を有し、前記反射光検出手段は、前記加工点が溶融した際に溶融した当該加工点の表面から反射される前記レーザ光の反射光を検出することを特徴とする。

本発明のレーザ加工モニタリング装置をレーザ加工モニタリング方法によって動作させることにより、金属の加工点に対してレーザ光の照射が開始されると、加工点が溶融するまでの間は加工点からの反射光がレーザ光の照射方向と同一方向に反射されるために反射光は反射光検出手段によって検出されないが、一旦溶融が始まると加工点の表面がそれまで平坦であったものが様々な方向に揺れるために当該表面から反射される反射光は前記照射方向と異なる方向にも乱反射することとなり、この乱反射する反射光をレーザ光の光軸上とは異なる位置に配設された反射光検出手段によって前記照射方向と異なる方向から検出することにより、加工点における金属が実際に溶融されていることを把握しつつ適正かつ確実にモニタリングすることができる。

本発明のレーザ加工モニタリング方法および装置によれば、加工点における金属が実際に溶融されていることを把握して適正かつ確実なモニタリングを行うことができ、また、既設のレーザ加工装置に対して装置の構成を変更することなく適用することができるという効果を奏する。

以下、本発明のレーザ加工モニタリング方法および装置を図面に示す実施形態により説明する。

図１に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタリング装置を適用したレーザ加工装置の全体構成を示す。

このレーザ加工装置は、基本構成として、レーザ加工用のレーザ光（たとえばパルスレーザ光）ＬＢを発振出力するレーザ発振器（図示せず）を内蔵するレーザ加工機本体１と、所望の加工場所に配置されて被加工物Ｗの加工点ＷＰに向けてレーザ光ＬＢを照射するレーザ加工ヘッド２と、レーザ加工機本体１とレーザ加工ヘッド２とを光学的に結ぶ光ファイバ３と、レーザ加工モニタリング装置４とを有する。

レーザ加工モニタリング装置４は、加工点ＷＰが溶融した際に溶融した加工点ＷＰの表面から乱反射されるレーザ光ＬＢの反射光ＬＲをレーザ光ＬＢの光軸上とは異なる位置で検出する反射光検出手段としての反射光検出器５と、モニタリング用の所要の信号処理や表示出力等を行うモニタ装置本体６とを有する。

このレーザ加工装置において、レーザ加工機本体１内のレーザ発振器で生成または発振出力されたレーザ光ＬＢは、光ファイバ３を通って遠隔のレーザ加工ヘッド２まで伝送され、レーザ加工ヘッド２より被加工物Ｗの加工点ＷＰに向けて集光照射される。例えば、溶接加工の場合、被加工物Ｗの加工点ＷＰでは、互いに重ね合わされた（または突き合わされた）２つの部材がレーザ光ＬＢのレーザエネルギにより溶融接合される。また、レーザ発振器は、たとえばＹＡＧレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ等のようなレーザ発振器を有している。レーザ加工機本体１には、レーザ発振器より出射されたレーザ光ＬＢを光ファイバ３の一端面に集光入射させる入射ユニット（図示せず）や、光ファイバ３に入射する直前のレーザ光ＬＢのレーザ出力を測定するレーザ出力測定部（図示せず）等も設けられている。光ファイバ３は、例えば、任意のマルチモード光ファイバでよい。

反射光検出器５は、光電変換素子例えばフォトダイオード５ａを有しており、受光した反射光ＬＲの光強度を表す電気信号ＳＬを発生する。反射光検出器５の出力信号（反射光強度検出信号）ＳＬはモニタ装置本体６の反射光計測演算部１１へ送られる。光電変換素子のフォトダイオード５ａは、モニタ装置本体６内に設けてもよい。その場合、反射光検出器５からフォトダイオード５ａまでは光ファイバによって反射光ＬＲを導くとよい。また、反射光検出器５はレーザ加工ヘッド２から出射されるレーザ光ＬＢの照射方向に対して傾斜角度θをもって傾斜配置されて、溶融した加工点ＷＰの表面から乱反射される反射光ＬＲを受光できるようにされている。

モニタ装置本体６は、正面のパネルにキーまたはボタン類を含む入力部７や液晶パネル等のディスプレイ８を備えるとともに、本実施形態のモニタリングに必要な各種演算処理を行う電子回路を内蔵している。このモニタ装置本体６に内蔵されている電子回路は、たとえばマイクロコンピュータや周辺回路を含み、機能的には、全体の制御を行う制御部９、各種の情報を記憶している記憶部１０、反射光計測演算部１１、比較部１２、演算区間設定部１３等を有している。各部を以下に説明する。

制御部９は、パネル入力部７およびディスプレイ８を通じてユーザとマン・マシン・インタフェースを行うほか、レーザ溶接機本体１でレーザ光ＬＢが発振出力される度にレーザ溶接機本体１より同期用のタイミング信号を受け取り、モニタ装置本体６内の各部に所要の制御信号またはデータを与えるように形成されている。

反射光計測演算部１１は、反射光検出器５より送られてくる反射光ＬＲの光強度検出信号ＳＬを基に、レーザ溶接中に被加工物Ｗの加工点ＷＰから乱反射された反射光ＬＲの光強度測定値ＰＲを求める。図２に示すように、パルスレーザ光ＬＢ（同図（ａ）参照）が被加工物Ｗに照射されると、所定時間（ｔ０〜ｔ１時）経過後に加工点ＷＰが溶融を開始し、所定時間（ｔ１〜ｔ２時）において溶融が継続されてレーザ加工が施されて、パルスレーザ光ＬＢの照射が終了される（ｔ２時）。この場合において、加工点ＷＰから反射される反射光ＬＲの強度は、パルスレーザ光ＬＢの照射方向と同一方向から次第に傾斜した位置（傾斜角度θが０から４０度、６０度、８０度）において変化の度合いが相違する。具体的には、同図（ｂ）に示すように、傾斜角度θ＝０の場合には、反射される反射光ＬＲの強度は、加工点ＷＰの表面が溶融を開始する（ｔ１時参照）までは平坦面であるために反射光ＬＢの強度が高いが、溶融を開始した後は反射光ＬＢの強度が急激に低下する。傾斜角度θ＝４０度、６０度、８０度の場合には、同図（ｃ）から（ｅ）に示すように、被加工物Ｗが溶融を開始するまでは反射光ＬＲは検出されず、溶融後は加工点ＷＰ部分の金属の表面が重力、溶融金属の表面張力等の相互作用によって激しく揺れるために表面から反射光ＬＲが乱反射されることとなり、傾斜角度θが小さいほど早期に反射光ＬＲが検出され、パルスレーザ光ＬＢの照射が終了するまでほぼ一定の強度の反射光ＬＲが検出される。

演算区間設定部１３は、反射光計測演算部１１による反射光強度の検出時間を設定するために設けられており、ユーザがパネル入力部７を通じて所望の演算区間Ｔｃを任意に設定入力できるようになっている。この演算区間Ｔｃは、図３に示すように、加工点ＷＰの溶融加工が適正に施された否かを検出するために、加工点ＷＰの溶融開始時（ｔ１時）より所望時間後の第１の時点（ｔａ）からレーザ光ＬＢの照射終了時（ｔ２時）よりも所望時間前の第２の時点（ｔｂ）までの演算区間Ｔｃ（ｔａ〜ｔｂ）として設定することができる。反射光計測演算部１１は、制御部９（あるいはユーザ）からの指示にしたがい、反射光ＬＲの光強度測定値ＰRを求めるために、演算区間Ｔｃでたとえば積分値ＥＲあるいは平均値ＰＡＶを演算する。積分値ＥＲは、反射光ＬＲのエネルギ（ジュール）に相当する。平均値ＰＡＶは、反射光ＬＲの光強度検出信号ＳＲを適当な周期でサンプリングして相加平均としてよい。また、演算区間ＴＣ内の最大値またはピーク値をもって光強度測定値ＰＲとすることもできる。レーザ加工の良否を判定する基準としては、反射光ＬＲの積分値ＥＲ、平均値ＰＡＶ、ピーク値の中から少なくとも１つを用いるとよい。複数用いると判定の精度が上がるので、複数を用いることが好適である。

反射光計測演算部１１で得られた光強度測定値ＰＲは、制御部９に与えられるとともに比較部１２にも与えられる。制御部９は、反射光計測演算部１１からの光強度測定値ＰＲをそのままディスプレイ８に表示出力してもよい。比較部１２には、反射光計測演算部１１から光強度測定値ＰＲを与えられ、制御部９からは記憶部１０に予め記憶されている加工部正常／異常判定用の判定基準値として、良好範囲を示す前記積分値、平均値、ピーク値が与えられる。そして、比較部１２は、反射光演算部１１から入力された光強度測定値ＰＲを判定基準値と比較して、比較結果を制御部９へ出力するようにされている。制御部９は、比較部１２からの比較結果を受け、光強度測定値ＰＲが判定基準値を満たすものである場合には、レーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ加工が正常（異常なし）であると判定し、光強度測定値ＰＲが判定基準値を満たさない場合には、レーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ加工に異常ありと判定するように形成されている。

次に、本実施形態のレーザ加工モニタリング装置４を用いてモニタリングする方法を説明する。

レーザ加工機本体１から発振されたパルスレーザ光ＬＢは光ファイバ３を経てレーザ加工ヘッド２より被加工物Ｗの加工点ＷＰに照射される。

パルスレーザ光ＬＢが被加工物Ｗに照射されると、図２および図３に示すように、所定時間（ｔ０〜ｔ１時）経過後に加工点ＷＰが溶融を開始し、所定時間（ｔ１〜ｔ２時）において溶融が継続されてレーザ加工が施されて、パルスレーザ光ＬＢの照射が終了される（ｔ２時）。

本実施形態においては、レーザ加工モニタリング装置４の反射光検出器５により加工点ＷＰからの反射光ＬＲの検出が行われている。反射光検出器５のフォトトランジスタ５ａは、加工点ＷＰの表面が溶融を開始する（ｔ１時参照）までは出力が０である。加工点ＷＰの表面が溶融を開始した後は、加工点ＷＰ部分の金属の表面が重力、溶融金属の表面張力等の相互作用によって激しく揺れるために表面から反射光ＬＲが乱反射されることとなり、反射光検出器５は反射光ＬＲを検出して反射光ＬＲの強度に応じた光強度信号ＳＬを反射光計測演算部１１へ出力する。

この反射光計測演算部１１においては、制御部９（あるいはユーザ）からの指示にしたがい、演算区間設定部１３によって設定されている演算区間Ｔｃにおける反射光ＬＲの光強度測定値ＰRを求める。本実施形態においては、反射光ＬＲの演算区間Ｔｃ内における積分値ＥＲおよび平均値ＰＡＶを演算する。また、反射光ＬＲの演算区間Ｔｃ内の最大値またはピーク値を求める。

続いて、反射光計測演算部１１で得られた光強度測定値ＰＲは、制御部９に与えられるとともに比較部１２にも与えられる。制御部９は、反射光計測演算部１１からの光強度測定値ＰＲをそのままディスプレイ８に表示出力する。

比較部１２は、反射光計測演算部１１から光強度測定値ＰＲを与えられ、制御部９からは記憶部１０に予め記憶されている加工部正常／異常判定用の判定基準値として、良好範囲を示す前記積分値、平均値、ピーク値が与えられているので、反射光演算部１１から入力された光強度測定値ＰＲを判定基準値と比較して、比較結果を制御部９へ出力する。

制御部９は、比較部１２からの比較結果を受け、光強度測定値ＰＲが判定基準値を満たすものである場合には、レーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ加工が正常（異常なし）であると判定し、光強度測定値ＰＲが判定基準値を満たさない場合には、レーザ光ＬＢの加工点ＷＰにおけるレーザ加工に異常ありと判定すし、判定結果をディスプレイ８に表示出力する。

このようにして本実施形態のレーザ加工モニタリング装置４によるレーザ加工のモニタリングが行われる。

本実施形態によれば、加工点ＷＰにおける金属が実際に溶融されていることを把握して適正かつ確実なモニタリングを行うことができる。また、本実施例のレーザ加工モニタリング装置４は、反射光検出器５が小型であるので、既設のレーザ加工装置に対して装置の構成を変更することなく簡単に装着することができる。すなわち、本実施例のレーザ加工モニタリング装置４は、既存のレーザ加工装置に用いられているレーザ光出射ユニットをそのまま利用し、当該出射ユニットとは別に反射光検出器５を配設することにより構成できる。更に、本実施例によるレーザ加工状態の判定に基づいて、レーザ光ＬＢの通る光学部品の状態、レーザ出力状態、レーザ加工状態等を適正に判断することができる。

本発明のレーザ加工モニタリング装置の１実施形態を適用したレーザ加工機の全体を示す概念図 （ａ）から（ｅ）は、本実施形態におけるパルスレーザ光と、反射光の強度を示す特性図 本実施形態の代表的な反射光の強度と制御タイミングとを示す特性図

符号の説明

４ レーザ加工モニタリング装置
５ 反射光検出器
６ モニタ装置本体
９ 制御部

Claims (2)

1. 金属の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融させる加工を施す際に、当該加工点が適正に溶融したことを検出するレーザ加工モニタリング方法であって、
   前記加工点が溶融した際に溶融した当該加工点の表面から反射される前記レーザ光の反射光を当該レーザ光の光軸上と異なる位置で検出することにより当該加工点が適正に溶融したか否かを検出することを特徴とするレーザ加工モニタリング方法。
2. 金属の加工点にレーザ光を照射して当該加工点を溶融させる加工を施す際に、当該加工点が適正に溶融したことを検出するレーザ加工モニタリング装置であって、
   前記レーザ光の光軸上とは異なる位置に配設された反射光検出手段を有し、
   前記反射光検出手段は、前記加工点が溶融した際に溶融した当該加工点の表面から反射される前記レーザ光の反射光を検出することを特徴とするレーザ加工モニタリング装置。

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