JP2018501964A - 溶接シームの深さをリアルタイムで測定するための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピースの溶接又は接合中に、照射を用いてリアルタイムで溶接シームの深さを測定するための装置に関する。この装置は、測定光源であってを備え、当該測定光源の光が、ビームスプリッタ（１７）により基準アーム（１８）及び測定アーム（１９）に結合される測定光源と、コリメータモジュール（２１）であって、少なくとも１つのコリメートレンズ（２９）を有し、当該コリメートレンズ（２９）が前記測定アーム（１９）における光導波路（２０）を介して前記コリメータモジュール（２１）に供給される測定光ビーム（２３）をコリメートし、且つ、処理されるべきワークピースから反射された測定光ビーム（２３）を前記光導波路（２０）の出口／入口面（２６）上で結像するコリメータモジュール（２１）と、前記測定光ビーム（２３）を処理ビーム（１０）のビーム路に結合するための結合素子（２４）と、前記測定光ビーム（２３）と前記処理ビーム（１０）とを前記ワークピース上で共同集束し、且つ、前記反射された測定光ビーム（２３）をコリメートする集束レンズ（２５）と、溶接シームの深さを決定するための分析ユニット（１５）であって、当該分析ユニット（１５）内に、前記ワークピースから反射された前記測定光が、前記基準アーム（１８）からの、重畳された反射光と共にガイドされる分析ユニット（１５）と、を備え、前記コリメータモジュール（２１）は、前記測定光ビーム（２３）の軸方向焦点位置を設定するための手段、前記測定光ビーム（２３）の横方向焦点位置を設定するための手段、及び、フィールドレンズ（２８）を含み、当該フィールドレンズ（２８）は、前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）と前記コリメートレンズ（２９）との間に配置され、且つ、前記測定光ビーム（２３）のビーム拡大と、従って、前記測定光ビーム（２３）の焦点直径とを画定することを特徴とする。

Description

本発明は、ワークピースの溶接又は接合中に溶接シームの深さを照射によりリアルタイムで測定するための装置に関する。

図１に示されているように、溶融金属１２により取り囲まれている空洞１１（キーホールとも称する）が、溶接手順中の深いレーザ溶接プロセスにおいて、処理レーザビーム１０のビーム軸に沿って生じる。空洞の深さ（本文以下、キーホール深さとも称する）Ｔｄは、溶接シーム又は溶接浸透の深さＴｅに関連している。凝固金属１４は、溶融金属１２の後ろに配置される（供給方向Ｖに見られる）。

従って、キーホール１１の深さＴｄが知られている場合、溶接浸透深さＴｅを、金相試験を用いて画定でき、これらの２つの変数間の補正係数を特定できる。キーホール深さＴｄを測定し、そして補正係数を適用することにより、溶接浸透深さＴｅをリアルタイムで測定することが可能である。多くの材料において、キーホール深さＴｄと溶接浸透深さＴｅとはほぼ同一であり、従って、補正係数を省略できる。溶接浸透深さＴｅを知ることが、多数の用途において非常に重要である。

現在、金属のレーザ溶接において溶接プロセス中に溶接シームの深さを直接測定する市販のシステムがない。従って、溶接プロセス後、材料内への溶接浸透がどのくらいの深さであったかが分らない。しかし、溶接浸透深さは重要なパラメータである。なぜなら、深さが小さ過ぎると強度が欠如するからである。反対に、深さが極端に大きいと溶接貫通を生じることがあり、溶接シームが後側から見えてしまう。

後に溶接浸透深さが分るように顕微鏡写真を生成する場合が多い。この方法は破壊的検査方法の代表であり、コスト高で時間がかかる。なぜなら、この検査は、典型的にはランダムサンプルとして実行されるに過ぎないからである。溶接浸透深さをリアルタイムで測定することにより、溶接浸透深さの変化を確認でき、また、パラメータを適応させることにより修正もできる。このようにして、連続的なプロセスチェックを実行でき、また同時に、使用不能材料の廃棄も低減できる。

特許文献１から、表面データを得るための光学測定システムを有するレーザ処理装置が公知であり、このシステムにおいて、短コヒーレント光源からの測定光がビームスプリッタにより処理ビーム路に結合され、従って、測定光及び処理レーザ光の集束が共通のレンズにより行われる。反射された測定光及び基準波が、干渉計のように構築された測定システムに入力される。

処理結果の分析、及び／又は、製造工程中の処理プロセスの調整のために、測定ポイントが、処理セル内にて、処理ポイントの前、処理ポイントで、及び／又は、処理ポイントの後ろで選択される。例えば、焦点位置、ワークピース位置、ワークピース面、及び、例えば、接合パートナー間の間隙をモニタでき、処理ポイントの前の測定ポイントを用いて調整できる。例えば、処理ポイントにおける測定により、処理深さもモニタ及び調整できる。

特許文献２は、高エネルギー処理ビーム（距離測定用表面スキャンのためのコヒーレンス断層撮影が割り当てられる）を用いてワークピースを処理するためのさらなる処理装置を記載している。測定光ビームが処理ビーム路に結合されて、処理ビームと共にワークピース上に集束され、従って両方のビームの焦点は同一平面に配置される。こうして、ワークピース上の表面構造が、処理プロセスをモニタするために得られる。

レーザビームによるはんだ付け、特には、レーザビームによるろう付けのための公知の装置（特許文献３）において、集束レンズが、はんだ付けワイヤに対してレーザ焦点を位置決めするためにコリメートレンズの光軸に対して垂直に線状変位可能であることが提示されている。コリメートレンズの光軸と集束レンズの光軸との相対移動を実行するために、レーザビームフィード（すなわち、光導波路のファイバ端及びコリメートレンズ）も共に変位され得る。

特許文献４は、レーザ処理機器における距離測定のための方法及び構成を記載している。この機器において、ワークピース上での処理ビームの反射が測定光ビームとして用いられている。測定光ビームは基準ビームと重畳され、基準ビームは、短コヒーレンス干渉計の原理に従い、処理ビームからビームスプリッタにより分離される。

特許文献５は、処理レーザビームの焦点を変位及び設定するための装置及び方法を記載している。この装置及び方法において、焦点の調整は集束レンズの変位により可能にされている。

特許文献６は、レーザ溶接のためのさらなる方法及び装置を記載している。この場合、処理レーザビームの軸方向焦点位置は、コリメートレンズ及び／又は集束レンズの軸方向変位により調整される。

ソーラボ(Thorlabs)社は、商品番号ＰＡＦＡ−Ｘ−４−Ｃとして、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向、ｑ方向及びｊ方向における調整のための５つの自由度を有するファイバコリメータを提供している。この場合、コリメートレンズの並進、ファイバホルダの傾斜、及び、ファイバ端とコリメートレンズとの間の距離変化が用いられている。

レーザ溶接中の溶接浸透深さをリアルタイムで決定するシステムが、特許文献７から公知である。このシステムにおいて、測定光ビームはコリメートされ、キーホール内で集束される。反射された測定光は、ブロードバンド光源、干渉計、及び分光計を備えた分析システムに提供される。しかし、測定光の、処理ビーム路への結合は記載されていない。

現在、キーホール深さ又は溶接浸透深さを直接測定する市販のシステムがまだ存在しない。従って、測定光をキーホールに最適に結合するためのシステムもまだ存在しない。市販のファイバコリメータは、測定光を調節可能にコリメート（ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向、及びビーム拡大を設定）するように、従ってコリメートビームが溶接ヘッドを通ってキーホール内に最適に集束でき且つ反射光がレーザにて結像されるようには設計されていない。多くの場合、コリメータ及び光学ユニットがその内部に収容されてレーザ溶接中の状況に耐える防塵部（ダストプロテクション）も設けられていない。

深いレーザ溶接中のキーホール開口に関する情報の項目を得るために、カメラベースのキーホール開口の同軸観察が現在まで用いられてきた。しかし、この方法を用いて確認できるのは、キーホール及びその周囲の平坦な観察のみであり、実際のキーホール深さではない。この目的のために、測定光の焦点位置のみを調整しなければならない。また、キーホール照射の同軸偏光面に依存する観察は、キーホールの形状寸法についての推測を可能にするが、実際の深さ情報は提供しない。

既に眼科学で用いられているように、いわゆる光干渉技術は、それ自体を測定方法として示唆している。

独国特許出願公開第１０１５５２０３号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０１６４４４号明細書 独国特許出願公開第１０１５１８２８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０７８０８９号明細書 国際公開第２００４／０４５７９８号パンフレット 独国特許出願公開第１０２００９０４６４８５号明細書 米国特許第８，８２２，８７５号明細書

本発明の目的は、溶接又は接合中に、溶接浸透深さをリアルタイムで測定するための装置を提供することである。この装置を用いることにより、特には、この場合に生じる空洞の深さを確実に測定でき、その測定結果から溶接浸透深さを確認できる。

この目的は、請求項１に記載の装置により達成される。本発明の有利な改良及び実施形態が、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、ワークピースの溶接又は接合中に、照射を用いて溶接シームの深さをリアルタイムで測定するための装置は、測定光源であって、当該測定光源の光がビームスプリッタにより基準アーム及び測定アームに結合される測定光源と、コリメータモジュールであって、少なくとも１つのコリメートレンズを有し、当該コリメートレンズが前記測定アームにおける光導波路を介して前記コリメータモジュールに供給された測定光ビームをコリメートし、且つ、処理されるべきワークピースから反射された測定光ビームを前記光導波路（２０）の出口／入口面上で結像するコリメータモジュールと、前記測定光ビームを処理ビームのビーム路に結合するための結合素子と、前記測定光ビームと前記処理ビームとを前記ワークピース上で共同集束し、且つ、前記反射された測定光ビームをコリメートする集束レンズと、溶接シームの深さを決定するための分析ユニットであって、当該分析ユニット内に、前記ワークピースから反射された前記測定光が、前記基準アームからの、重畳された反射光と共にガイドされる分析ユニットとを備え、前記コリメータモジュールは、前記測定光ビームの軸方向焦点位置を設定するための手段と、前記測定光ビームの横方向焦点位置を設定するための手段と、フィールドレンズ（２８）とを含む。当該フィールドレンズは、前記光導波路の前記出口／入口面と、前記コリメートレンズとの間に配置され、且つ、前記測定光ビームのビーム拡大と、従って、前記測定光ビームの焦点直径とを画定することを特徴とする。

本発明により提供されるコリメータモジュールの結果、光導波路を介して送出された前記測定光を処理レーザに同軸的に重畳させ、それを前記キーホール内に集束させ、次いで、前記キーホール底部から反射された光を前記光導波路内に結合することが可能である。従って、前記キーホール底部と及び前記処理ヘッドとの間の距離を決定でき、材料表面までの距離が知られているならば前記キーホール深さを測定できる。詳細には、前記キーホール底部から反射される光の強度が最大であるように前記測定光を前記キーホール内に集束させるために、様々な設定オプションを前記コリメータモジュールに用いることが可能である。

本発明によれば、このようにビーム形成及び測定光ビームの位置合わせを溶接プロセスに適合させて、最適な測定結果を得ることが可能である。ビーム形成及び位置合わせは必要である。なぜなら、周囲の溶融金属と、空洞内で生じる空気圧との間の平衡（溶接プロセス中にキーホールを開放させておく）が、処理パラメータ（例えば、レーザパワー、供給速度、材料など）に依存し、従って、キーホール形状（開口、傾斜角度、深さなど）もまたプロセス（処理）依存性であるからである。

測定光は、理想的には、光導波路を介して処理ヘッドにガイドされる。熱的及び機械的影響が、導波路内にガイドされた光の偏光面の方向に、しばしば影響を与える。こうして、不都合な影響が、偏光面感受性素子（例えば、測定光の色分割に必要な回折格子）にて生じる。

従って、本発明の有利な一実施形態において、偏光面を変更するための、測定光の偏光面を４５度回転させる光学活性素子、特には、ファラデー回転子が、コリメータモジュール内で、前記光導波路の前記出口／入口面と前記フィールドレンズとの間に配置される。４５度ファラデー回転子をファイバ端に用いることにより、前方及び後方に流れている光波の偏光面が回転され、それにより、これらの波は、光導波路に対する外部の影響に関係なく、ファイバ内で互いに対して常に９０度回転される。従って、前方及び後方に流れている光波が、互いに対してより良好に分離され、また、測定アーム及び基準アームからビームスプリッタ上に戻ってきた光波の偏光面の方向が互いに対して再び平行になることが保証され、これにより、可能な最大変調深さが、生じている干渉において達成される。また、ｓ方向とｐ方向とのランタイムの差が等しくなる。

本発明の有利な実施形態の１つは、前記光導波路の前記出口／入口面が、ファイバ軸に対する垂線に対する８度の傾斜角度を有することを特徴とする。こうして、前記光導波路の前記出口／入口面の反射は、前記光導波路のコア内に戻らずに、ジャケットに吸収され得る。

前記測定光の、前記キーホール開口内への集束が、前記処理ビームの集束のためにも用いられる同一レンズによる同軸配置の結果として生じる。一般的に、このレンズは処理波長のために最適化されているため、測定光波長では色収差が生じる。従って、処理ビームの焦点と測定光ビームの焦点とは異なる面にある。それにもかかわらず、前記測定光ビームの焦点を前記キーホール開口の平面に配置して、色収差の補償を行うために、本発明によれば、前記測定光ビームの焦点位置の軸方向設定が行われ、前記コリメートレンズは、その光軸方向において、前記光導波路の出口／入口面に対して変位可能である。

或いは、前記測定光ビームの前記焦点位置を軸方向設定するために、前記光導波路の出口／入口面を、前記ファラデー回転子及び前記フィールドレンズと共に、前記コリメートレンズに対して、その光軸の方向に変位させることも可能である。

本発明のさらなる実施形態において、前記測定光ビームの前記焦点位置の前記横方向設定のために、前記光導波路の前記出口／入口面が、前記コリメートレンズの光軸に対して１０μｍ以下の精度で変位可能であり、且つ、前記光導波路の前記出口／入口面が、有利には、前記ファラデー回転子と共に変位可能であることが提案される。

キーホール開口の寸法は、著しくプロセス依存性である。従って、例えば、キーホール開口の直径は、処理ビームの焦点直径が減少すると減少する。それにもかかわらず、測定光をキーホール開口内に完全に集束させるために、測定光ビームを処理パラメータに適合させることが必要である。処理ビームの特性に加え、溶接されるべき対象物もまた、キーホールの形状寸法に関与する。溶接実験によれば、ブラインド溶接において、測定光ビームの焦点直径が、例えば突き合わせ継手上での溶接よりも小さいことが必要であることが分かっている。

従って、本発明の有利な一実施形態において、前記フィールドレンズが前記コリメータモジュール内で変位可能であるように配置されることが提案される。こうして、プロセスに対する焦点寸法の適合が可能であり、焦点位置は不変のままである。

キーホール開口の寸法に加え、キーホール開口の形状及び傾斜角度もまたプロセス依存性である。従って、供給速度が増大するとキーホールの傾斜角度も増大し、尚且つ、前記開口が楕円形状になる。最適な測定結果のための位置合わせ及び傾斜に対して測定光ビームを適合させることを可能にするために、本発明によれば、前記コリメータモジュールが、前記処理レーザビームの光軸に対して垂直に、前記処理レーザビームをガイドする溶接ヘッド上で変位可能であるように配置されることが提案される。

この場合、前記コリメータモジュールは、有利には、アダプタ部品により保持されて、前記溶接ヘッド上で変位可能である。前記アダプタ部は、前記コリメータモジュールがいかなる任意の方向にも変位され得るように回転するように設計されている。

前記ビーム路内の面（レンズ、ビームスプリッタ、保護ガラスなど）、詳細には、平坦な面上での反射が付加的な干渉を生じる。測定方法は、干渉ベースの方法であるため、この付加的な干渉が干渉信号を発生する。例えば、平行平面板（プレート）の前側及び後側での反射が干渉信号を生じさせ、これは分析後に、プレートの光学的厚さに対応する信号として示される。これらの干渉信号は、基準測定により除去され得る。しかし、測定システムの感度はこれらの領域において実質的に低減する。従って、本発明によれば、前記集束レンズの前に配置された保護ガラスが、前記処理ビーム路の光軸に対する垂線に対して３度よりも大きい傾斜角度で傾斜され、これにより、前記光導波路における反射が可能な限り低減される。

以下に本発明を、例として、図面に基づいてより詳細に説明する。

溶接中の空洞（キーホール）を示すワークピースの概略断面図である。 溶接浸透深さをリアルタイムで測定する本発明による装置の概略図である。 溶接浸透深さ測定のための測定光ビームを結合するための光学システムを有する溶接ヘッドの概略図である。 大きい集束焦点距離（図４ａ）及び小さい集束焦点距離（図４ｂ）のための適合されたビーム拡大を有する光学システムの概略図である。 図３に示した溶接ヘッドと類似の、カメラ又はフォトダイオードを用いた追加の同軸プロセス監視を有する溶接ヘッドの概略図である。 図３に示した溶接ヘッドと類似の、横方向に変位可能な光学システムを有する溶接ヘッドの概略図である。 ハウジング内に配置された光学システムの斜視図である。

図面の様々な図において、互いに対応する部品及び要素に、同一の参照符号を付する。

本発明によれば、光学システム（本文以下、コリメータモジュールと称する）が提供され、このシステムは、測定システムからの測定光を、溶接ヘッドを通してキーホール内に集束させ、そして、キーホール底部上で反射された測定光を前記測定システム内に戻す。

図２は、キーホール深さをリアルタイムで決定するための装置全体を示す。キーホール深さＴｄの決定又は測定は、光コヒーレンストモグラフィ（干渉断層撮影）の原理に基づき、光のコヒーレンス特性を、干渉計を用いて利用する。このために、分析ユニット１５が、測定光を光導波路１６に結合する広帯域光源（超発光ダイオード、ＳＬＤ）を含む。ビームスプリッタ１７（好ましくはファイバカプラを有する）において、測定光は基準アーム１８と測定アーム１９とに分割され、測定アーム１９は、光導波路２０、コリメータモジュール２１、及び、溶接ヘッド２２を含む。コリメータモジュール２１は、光導波路２０から出射される測定光（測定光ビーム２３）を、溶接ヘッド２２内で処理ビーム１０と同軸的に重畳され得るようにコリメートするために用いられる。重畳は、図３により詳細に示されているように、結合素子として用いられる、部分的に透過性の、詳細にはダイクロイックミラー２４により行われる。次いで、処理レーザビーム１０と測定光ビーム２３とが、共通のレンズ２５（本文以下、集束レンズと称する）により集束される。この場合、測定光ビームの焦点位置及び焦点直径は、測定光がキーホール内に（すなわち、空洞内に）導かれるように設定される。キーホールから反射された測定光は、集束レンズ２５及びコリメータモジュール２１により光導波路２０の出口／入口面２６上で結像され、ファイバカプラ１７にて基準アーム１８からの反射光と重畳され、その後、分析ユニット１５内に戻される。重畳された光は、基準アーム１８と測定アーム１９との経路長さの差に関する情報の項目を含む。これらの情報項目が分析ユニット１５にて分析され、これにより、ユーザは、キーホール底部と溶接ヘッド２２との間の距離に関する情報の項目を得る。

図３は、溶接ヘッド２２及びコリメータモジュール２１内に設置された光学素子を示す。測定光を溶接ヘッド２２にガイドする光導波路２０の端部は、斜め（ベベル）研磨されたファイバ端を出口／入口面２６として有する。斜め研磨は、フレネル反射の結果としてファイバ端で反射が生じること（付加的な干渉をもたらし得る）を防止する。斜めファイバ端にて反射された光は、全反射の限界角度を上回り、従って、ファイバコア内にガイドされない光はジャケット材料に吸収される。典型的に、ＦＣ／ＡＰＣ又はＥ２０００ＡＰＣプラグがファイバ端に取り付けられる（ＡＰＣ＝angled physical contact）。これらのプラグは、ファイバ軸に対する垂線に対して８度の角度を有する。

測定光は、ファイバプラグから出射した後、偏光面を変えるための光学活性素子（詳細にはファラデー回転子２７）を通過する。ファラデー回転子２７は、光の偏光面を４５度回転させる。測定光がキーホール底部で反射された後、測定光は再びファラデー回転子２７を通過する。伝搬方向は反対であるが偏光面は再び同一方向に４５度回転され、従って、戻ってきた測定光の偏光面は、入射測定光の偏光面に対して９０度回転されている。こうして、光学的な総距離（出射方向及び戻り方向）が、両方の偏光面モードに関して等しく、この場合、ねじれ（ツイスティング）の結果として光導波路の偏光面がどのように変化されるかに関係なく、距離差が生じないことが保証される。従って、光導波路２０の移動が測定信号に与える影響が少なくなる。また、測定アーム及び基準アームからの戻り光波の偏光面の方向がビームスプリッタにて再び互いに平行になることが保証され、これにより、可能な最大変調深さが、生じている干渉において達成される。

ファラデー回転子２７の後ろにフィールド（視野）レンズ２８が配置されており、フィールドレンズ２８を用いて、光導波路２０から出射した測定光ビーム２３の発散に影響を与え得る。出射する測定光ビーム２３は、例えばコーニングＳΜＦ−２８（商品名）の光導波路を用いる場合、開口数が０．１４である。発散に影響を与えることにより、ビームの拡大を変化させ得る。こうして、一方では、集束レンズ２５の所与の集束焦点距離(focusing focal length)において、測定スポットの焦点寸法（すなわち焦点直径）を変えることができ、溶接プロセスに適合された最適化された妥協点を、焦点寸法とフィールド深さとの間で見つけられる。また一方で、異なる集束焦点距離においてビーム拡大を適合させることにより、測定スポットの焦点寸法を一定に保持できる。レンズ構成の変更は、レンズ距離の最小限の変更だけで達成される。これにより、複数の構成をハウジング内で実行でき、機械的適合が最小限に抑えられる。

平坦な凹面を有するフィールドレンズ２８の場合、凹面は、適切に設置された状態（湾曲側がファイバプラグの方向）で凹鏡を形成する。抗反射コーティングが施されていても、入射光のわずかな部分が反射される。フィールドレンズの凹側がこの光を再び結像し、その結果、干渉影響が生じ得る。従って、平面凹レンズの使用時には、結像エラーと、反射されてファイバ内に入射する光との間に関係が生じる。

発散する測定光ビーム２３は、フィールドレンズ２８の後に、コリメートレンズ２９によりコリメートされる。結像エラーを低減するために、好ましくは非球面レンズが用いられる。或いは、２つの球面を有するレンズを用いてもよく、これらのレンズの半径は、球面収差が最小化されるように選択される。しかし、軸勾配を有するガラスから作製したレンズも使用でき、これにより、球面収差を詳細に補正できる。また、ダブレットレンズ又はトリプレットレンズも使用できる。

コリメータモジュール２１はコリメートレンズ２９で終端している。コリメートされた測定光ビーム２３は、ダイクロイックミラー２４を介して、コリメートされた処理レーザビーム１０と同軸的に重畳される。図３に示されている実施形態において、ダイクロイックミラーは、理想的には、処理レーザビーム１０のための高い反射レベル、及び、測定光ビーム２３のための高い透過レベルを有する。処理レーザビーム１０のコリメーションはコリメートレンズ３０を用いて行われる。処理レーザ光は、光導波路３１を介して溶接ヘッド２２へと頻繁にガイドされる。

処理レーザビーム１０と測定光ビーム２３とは、ワークピース面上の共通の集束レンズ２５により集束される。汚染物から保護するために、一般的に、保護ガラス３２が集束レンズ２５の前に配置される。ビーム路に対して垂直に配置された保護ガラス３２では、反射が、概して前側及び後側で生じる。これらの２つの反射は互いに干渉し、ファイバ端上で結像され、従って分析ユニットにて分析され、これにより距離信号が得られる。この距離信号は、保護ガラス３２の光学厚さに正確に対応している。保護ガラスの典型的な厚さは、１．５ｍｍ〜２ｍｍである。従って、距離信号は、典型的な溶接浸透深さが測定される範囲で生じる。この干渉信号を最小限にするために、保護レンズ３２を、好ましくは傾斜を有して設置する。こうして、反射はファイバ端上で、もはや完全には結像されず、干渉信号は著しく低減される。保護ガラスの傾斜角度は、処理ビーム路の光軸に対する垂線に対して、好ましくは３度より大きい値である。

深いレーザ溶接における処理ビームの典型的な焦点直径は、約２００μｍ〜６００μｍの間で変化する。キーホール開口の直径は一般的に小さく、従って、測定光を、処理ビームよりも小さい直径上に集束させなければならない。同時に、多くの用途において、数ミリメートルの溶接浸透深さが実現され、これにより、キーホール深さとキーホール直径とのアスペクト比が大きくなる。従って、可能な限り多くの光がキーホール底部から反射されて分析に利用可能であるように、測定光をキーホール開口内に最適に集束させることが必要である。

この目的のために、測定光ビーム２３の焦点をキーホール開口上に３次元調整することを可能にするように、光学素子を、コリメーション領域（すなわち、コリメータモジュール内）で移動可能であるように取り付けなければならない。溶接プロセスにおいて、１５０ｍｍ〜１０００ｍｍの範囲の比較的大きい集束焦点距離が一般的に用いられる。測定光ビームの焦点直径とフィールド深さとの最適な妥協のために、５０ｍｍ〜１００ｍｍのコリメーション焦点距離が要求される。コリメーション領域における光学素子の移動が、結像面において、コリメーション焦点距離と集束焦点距離との間の結像比率により、著しく増幅される。従って、対応する微細な機械的設定性能が必要である。ｆ＝３００ｍｍの集束焦点距離、及び、ｆ＝５０ｍｍのコリメーション焦点距離を用いる場合、結像比率は１：６となる。従って、例えば、測定スポット（すなわち、測定光ビーム２３の焦点）を結像面に、正確に５０μｍで配置しようとする場合、ファイバ端（すなわち、対象物面における光導波路２０の出口／入口面２６）は、正確に８μｍで配置されなければならない。

図４ａは、測定光ビーム２３の焦点（すなわち測定スポット）をキーホール開口にて３次元空間で最適に調整できるようにコリメータモジュール２１に提供される設定オプションを示す。焦点の軸方向設定は、コリメートレンズ２９の軸方向変位により行われる。このようにして、コリメートされたビームは、幾分発散的又は収束的になり、これにより、焦点の位置が軸方向に変位される。或いは、コリメートレンズ２９を変位させる代わりに、ファイバ端、ファラデー回転子２７、及び、フィールドレンズ２８から成るユニットを変位させてもよい。焦点の横方向の調整は、ファイバプラグ（すなわち、光導波路２０の端部）の、コリメートレンズ２９の光軸に対する横方向変位により行われる。

要求される１ｍｍ〜２ｍｍの変位路において、ファイバ端の軸ずれ(off-axis)配置（すなわち、ファイバ端の、光軸からずれた配置）があっても重大な結像エラーが生じないことがシミュレーションにより分かった。使用されるファラデー回転子２７の開口が限られているため、ファラデー回転子２７は、ファイバプラグと共に横方向にも変位される。コリメートレンズと集束レンズとの結像比により（すなわち、コリメートレンズ２９と集束レンズ２５との焦点距離比により）、焦点領域において、調整移動がかなり増幅される。横方向変位の場合、典型的な溶接ヘッド構造（コリメーション焦点距離ｆ_col＝５０ｍｍ、集束焦点距離ｆ_foc=３００ｍｍ）における増幅は、６の係数である。それでも測定光をキーホール開口内に、正確に集束させるために、調整ユニットの、１０μｍ以下の分解能が要求される。

キーホール開口は、処理パラメータに従って、数百マイクロメートルの範囲の直径を有する。しかし、深さは、数ミリメートルにわたり延在し得る。この大きいアスペクト比の結果として、吸収及び散乱がキーホールの壁部で生じる。従って、入射光のわずかな部分のみがキーホール底部で反射され、キーホールから再び離れて光学処理ユニットにより収束される。このために、利用可能な測定光は、結合中に重大な損失が既に生じないように、キーホール内に可能な限り完全に集束されなければならない。また、吸収及び散乱を最小限にするために、キーホール側壁上での反射数を最小限に保つことが有利である。これは、集束される測定光のフィールド深さが大きいこと（ビーム拡大により設定される）により達成され得る。焦点直径が小さいとフィールド深さも小さくなるため、これらの２つの変数間に妥協を見つけなければならない。

図４ｂは、所与のコリメーション焦点距離でフィールドレンズ２８を交換することによりビームの拡大をどのように変更できるかの例を示す。一定の集束焦点距離において、より小さいビーム直径により、より大きいフィールド深さ、及び、より大きい焦点直径が得られる。

レーザ溶接の多くの用途において、同軸のカメラベース又はフォトダイオードベースのシステム３３が、プロセス観察のために用いられる。図５に示されているように、同軸の溶接浸透深さ測定との組み合わせにおいて、追加のダイクロイックミラー３４を使用することで、コリメータモジュール２１からの測定光を、その他のプロセス観察から分離できる。

高供給速度を有するプロセスにおいて、キーホール１１の傾斜が変化する。従って、測定光ビーム２３のより良好な結合のために、コリメートレンズ２９の光軸により画成される測定光ビーム２３の光軸を傾けることも有利であり得る。処理レーザビーム１０は不変のままである。図６は、キーホール１１に衝突する測定光ビーム２３を斜めに入射させる可能性の例を示す。この目的のために、コリメータモジュール２１全体が、処理レーザビーム１０の光軸に対して垂直方向に変位される。変位が増大すると傾斜が増大し、それにより、供給速度に対する、従って、キーホール傾斜に対する適合が可能である。

この方法の利点は、コリメータモジュール２１及び溶接ヘッド２２自体におけるセッティングが不変のままであることである。変位は、コリメータモジュール２１と溶接ヘッド２２との間のアダプタ部品（より詳細には図示せず）により行うことができ、従って、費用効率的なレトロフィットが可能である。また、アダプタ部品を、コリメータモジュール２１がいかなる任意の方向にも変位され得るように、回転するように設計できる。このようにして、方向に依存しない溶接プロセスを実行できる。

溶接ヘッド２２の動作中、溶接スプレー及びダストなどの汚染物が発生する。従って、コリメータモジュール２１の光学ユニット及び微細な機械的調整オプションを、産業環境における外的影響から保護しなければならない。従って、微細な機械的調整オプションとは別個に、ロバストな防塵構造が必要である。このために、対応する保護をもたらしながら、狭い設置空間内での高精度の設定オプションも提供するハウジングが必要である。この目的のために、設定ねじ３５，３６及び３７以外は外部運動部品を全く有さないハウジングを設計した（図７）。より詳細には示さないが、ファイバプラグは、金属−ＰＶＣ管３８内部に移動し、付加的な摩擦力は生じない。なお、ユーザによる光導波路２０の取り外しは、ユニオンナット３９を緩めることにより行われる。

キーホール１１は、溶接プロセス中にのみ生じるため、キーホール１１における測定光ビームの正確な調整は、溶接手順中にのみ行われ得る。複数の処理パラメータ（供給速度、材料、溶接ジオメトリ、レーザパワーなど）がキーホールに影響を与えるため、測定スポット位置は、各溶接プロセスに対して個々に確認されなければならない。調整のための複数の変型例が考えられる。
１．設定ねじ３５，３６及び３７を回転させることによる、キーホール１１上での測定スポットの手動の反復的位置合わせ。
２．設定ねじ３５，３６及び３７をモータにより回転させる反復的調整。
３．溶接プロセス中にキーホール位置を自動的に探すためのサーチアルゴリズムと組み合わされた自動調整。

生じているキーホール開口内に測定光ビームを最適に集束させることができるように、溶接ヘッド２２をコリメータモジュール２１により拡大できる。こうして、キーホール深さと、従って、溶接浸透深さとを、光学コヒーレンストモグラフィの測定原理によりリアルタイムで明確にすることが可能である。

コリメータモジュールの調整オプションとして、測定光ビームの焦点を、処理ビームに対する先導又は追跡(leading or trailing)により調整することも可能である。従って、先導の場合、上側プレートまでの距離を測定でき、処理ビームの軸方向焦点位置が適合され得る。これは特に、容量性距離測定が可能でないような非金属材料のレーザカットにおいて有利である。追跡の場合、レーザ溶接中にシームの上側ビードを測定でき、生じ得る処理エラーに関する推論を導くことができる。

測定光ビームが周期的に異なる位置をとるため、距離測定を、自動調整として、プロセスの前、プロセス中、及びプロセス後に行うことが可能である。こうして、上側プレートまでの距離、溶接浸透深さ、及び、シームの品質が、測定システムを使用して得られる。モータ駆動による調整オプションに加え、複数のポイントにおける距離測定も実行でき、これは、フィールドレンズ２８とコリメートレンズ２９との間に配置されて測定光ビームを偏向させるスキャナミラーのシステムにより行われる。互いに隣接して配置された多数のファイバ端（ファイバセレクタスイッチを介して個々に割り当てられ得る）も、さらなる代替案として提示される。

また、距離信号も、静的測定光ビームを有する複数の位置から、コリメータモジュール内での適切なビーム形成により得られる。従って、例えば、ウェッジプレートをビーム路に部分的に組み込んだ場合、測定光ビームは、各々が独立の距離信号を提供する２つの部分的ビームに分割される。こうして、ワークピース表面までの距離、及びキーホール深さを同時に知ることが可能である。

レーザ溶接中の溶接浸透深さをリアルタイムで決定するシステムが、特許文献７から公知である。このシステムにおいて、測定光ビームはコリメートされ、キーホール内で集束される。反射された測定光は、ブロードバンド光源、干渉計、及び分光計を備えた分析システムに提供される。しかし、測定光の、処理ビーム路への結合は記載されていない。特許文献８も、請求項１の冒頭によれば、溶接浸透深さをリアルタイムで決定するシステムを記載している。結像ビームの傾斜、及び、ワークピース上でのその入射点の位置を変えるために、枢動可能なミラーが、結像ビームのコリメートされたビーム路に設けられている。また、レーザヘッド、ガラスファイバケーブル、ファイバ接続プラグ、及び、コリメータレンズの相対位置及び角度の設定を用いて、結像ビームの位置及び焦点面を制御できる。レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法が特許文献９から公知である。この装置及び方法において、レーザビームとワークピースとの相互作用ゾーンをモニタするための測定光ビームが、収束ビーム路に結合される。集束レンズに測定光ビームを照射する光学干渉計は、レーザビームとワークピースとの相互作用ゾーンにより反射された測定光を、プロセス監視のための集束レンズを介して受け取る。

独国特許出願公開第１０１５５２０３号明細書 独国特許出願公開第１０２００７０１６４４４号明細書 独国特許出願公開第１０１５１８２８号明細書 独国特許出願公開第１０２０１１０７８０８９号明細書 国際公開第２００４／０４５７９８号パンフレット 独国特許出願公開第１０２００９０４６４８５号明細書 米国特許第８，８２２，８７５号明細書 国際公開第２０１４／１３８９３９号パンフレット 米国特許出願公開第２０１２／０２８５９３６号明細書

本発明によれば、ワークピースの溶接又は接合中に、照射を用いて溶接シームの深さをリアルタイムで測定するための装置は、測定光源であって、当該測定光源の光がビームスプリッタにより基準アーム及び測定アームに結合される測定光源と、コリメータモジュールであって、少なくとも１つのコリメートレンズを有し、当該コリメートレンズが前記測定アームにおける光導波路を介して前記コリメータモジュールに供給された測定光ビームをコリメートし、且つ、処理されるべきワークピースから反射された測定光ビームを前記光導波路の出口／入口面上で結像するコリメータモジュールと、前記測定光ビームを処理ビームのビーム路に結合するための結合素子と、前記測定光ビームと前記処理ビームとを前記ワークピース上で共同集束し、且つ、前記反射された測定光ビームをコリメートする集束レンズと、溶接シームの深さを決定するための分析ユニットであって、当該分析ユニット内に、前記ワークピースから反射された前記測定光が、前記基準アームからの、重畳された反射光と共にガイドされる分析ユニットとを備え、前記コリメータモジュールは、前記測定光ビームの軸方向焦点位置を設定するための手段と、前記測定光ビームの横方向焦点位置を設定するための手段と、フィールドレンズとを含む。当該フィールドレンズは、前記光導波路の前記出口／入口面と、前記コリメートレンズとの間に配置され、且つ、前記測定光ビームのビーム拡大と、従って、前記測定光ビームの焦点直径とを画定し、前記光導波路の前記出口／入口面が、前記測定光ビームの前記焦点位置の前記横方向設定のために、前記コリメートレンズの光軸に対して１０μｍ以下の精度で変位可能であることを特徴とする。

本発明のさらなる実施形態において、前記測定光ビームの前記焦点位置の前記横方向設定のために、前記光導波路の前記出口／入口面が、有利には、前記ファラデー回転子と共に変位可能であることが提案される。

Claims (12)

1. 照射を用いてワークピースの溶接又は接合中に溶接シームの深さをリアルタイムで測定する装置であって、
   当該装置の測定光源であって、当該測定光源の光が、ビームスプリッタ（１７）により基準アーム（１８）及び測定アーム（１９）に結合されている測定光源と、
   − コリメータモジュール（２１）であって、少なくとも１つのコリメートレンズ（２９）を有し、当該コリメートレンズ（２９）が、前記測定アーム（１９）における光導波路（２０）を介して前記コリメータモジュール（２１）に供給される測定光ビーム（２３）をコリメートし、且つ、処理されるべきワークピースから反射された測定光ビーム（２３）を前記光導波路（２０）の出口／入口面（２６）上で結像するコリメータモジュール（２１）と、
   − 前記測定光ビーム（２３）を処理ビーム（１０）のビーム路に結合する結合素子（２４）と、
   − 前記測定光ビーム（２３）と前記処理ビーム（１０）とを前記ワークピース上で共同集束し、且つ、前記反射された測定光ビーム（２３）をコリメートするための集束レンズ（２５）と、
   − 溶接シームの深さを決定するための分析ユニット（１５）であって、当該分析ユニット（１５）内に、前記ワークピースから反射された前記測定光が、前記基準アーム（１８）からの、重畳された反射光と共にガイドされる分析ユニット（１５）と、を備え、
   − 前記コリメータモジュール（２１）が、前記測定光ビーム（２３）の軸方向焦点位置を設定するための手段、前記測定光ビーム（２３）の横方向焦点位置を設定するための手段、及び、フィールドレンズ（２８）を含み、当該フィールドレンズ（２８）が、前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）と前記コリメートレンズ（２９）との間に配置され、且つ、前記測定光ビーム（２３）のビーム拡大と、従って、前記測定光ビーム（２３）の焦点直径とを画定する装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   偏光面を変更する光学活性素子、特に、測定光の偏光面を４５度回転させるファラデー回転子（２７）を備え、
   前記光学活性素が、前記コリメータモジュール（２１）内で、前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）と前記フィールドレンズ（２８）との間に配置されていることを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であって、
   前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）が、ファイバ軸に対する垂線に対して８度の傾斜角度を有することを特徴とする装置。
4. 請求項１、２又は３に記載の装置であって、
   前記コリメートレンズ（２９）が、前記測定光ビーム（２３）の焦点位置の軸方向設定のために、前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）に対して前記コリメートレンズ（２９）の光軸方向に変位可能であることを特徴とする装置。
5. 請求項１、２又は３に記載の装置であって、
   前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）が、前記測定光ビーム（２３）の焦点位置の軸方向設定のために、前記ファラデー回転子（２７）及び前記フィールドレンズ（２８）と共に、前記コリメートレンズ（２９）に対して前記コリメートレンズ（２９）の光軸方向に変位可能であることを特徴とする装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）が、前記測定光ビーム（２３）の前記焦点位置の前記横方向設定のために、前記コリメートレンズ（２９）の光軸に対して１０μｍ以下の精度で変位可能であることを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置であって、
   前記光導波路（２０）の前記出口／入口面（２６）が前記ファラデー回転子（２７）と共に変位可能であることを特徴とする装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記フィールドレンズ（２８）が、前記コリメータモジュール（２１）内で交換可能であるように配置されていることを特徴とする装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記コリメータモジュール（２１）が、前記処理レーザビーム（１０）をガイドする溶接ヘッド（２２）上で前記処理レーザビーム（１０）の光軸に対して垂直方向に変位可能であるように配置されていることを特徴とする装置。
10. 請求項９に記載の装置であって、
    前記コリメータモジュール（２１）が、溶接ヘッド（２２）上で変位可能であるようにアダプタ部品（４０）を用いて保持されていることを特徴とする装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、
    前記アダプタ部品（４０）が、前記コリメータモジュール（２１）がいかなる任意の方向にも変位され得るように、回転するように設計されていることを特徴とする装置。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置であって、
    前記集束レンズ（２５）の前に配置される保護ガラス（３２）を含み、当該保護ガラス（３２）が、前記処理ビーム路の光軸に対する垂線に対して３度よりも大きい傾斜角度で傾斜されていることを特徴とする装置。

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