JP5187121B2 - レーザ加工装置およびレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工中の加工状態を検出して良否判定するモニタリング技術に関するものである。

レーザ光をワークに照射して加工するレーザ加工技術には、その加工状態をインライン計測するモニタリング技術がある。その一つに、加工時にワークの加工点から発生する反射光やプラズマ光の光強度を計測するものがある（例えば、特許文献１参照。）。

図８は、特許文献１のレーザ加工用モニタリング装置の概略図である。

図８において、レーザ溶接機本体１からのレーザ光は、レーザ照射ユニット２のユニット本体３を介してワーク４に照射される。そして、ワーク４の加工点からの反射光の光強度を反射光検出器５で検出することで、加工状態の異常を判定する。また、それにあわせ、レーザ溶接機本体１からのレーザ光の漏れ光をレーザ光検出器６で検出することで、レーザ照射ユニット２内の光路状態の良否を判定する。
特開２００６−２４７６８１号公報

しかしながら、前記従来の構成では光検出器を複数必要とするため、光学部品も多くなり、その構成が複雑になるという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するためのものであり、光学部品が少なく、機構がシンプルなモニタリング機能付きレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明のレーザ加工装置は、レーザ出射部と、前記レーザ出射部の光軸上に配置された検出部と、前記レーザ出射部と前記検出部との間に配置されたハーフミラーと、前記ハーフミラーからの光を集光させる光学系と、前記レーザ出射部と前記検出部と前記ハーフミラーと前記光学系とを保持する筐体と、前記検出部にて検出した、被加工物からの反射光が前記レーザ照射ユニット内壁面で反射した、光に基いて前記被加工物の加工状態を判定する計測装置と、を備え、前記検出部の検出面に可視光カットフィルタを設け、前記筐体の内壁面が黒アルマイト処理されていることを特徴とする。

以上のように、本発明のレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、光学部品が少なく、機構がシンプルなモニタリング機能付きレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明において、同一構成については同一符号を付して、説明を省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１のレーザ加工装置の概略図である。

図１において、本実施の形態のレーザ加工装置７は、レーザ光を発振生成するレーザ発振器８と、所望の加工位置に設置されるレーザトーチ９（レーザ照射ユニット）と、レーザ発振器８とレーザトーチ９を光学的に結ぶ光ファイバ１０と、レーザトーチ９で検出され出力された電気信号を信号処理して加工状態の良否を判定する計測装置１１と、レーザ加工装置７全体を制御するコントローラ１２とから構成される。そして、このレーザトーチ９からのレーザ光をワーク１３（被加工物）の加工点１４に照射して加工を行い、その加工状態の良否をモニタリングして判定するものである。

レーザ加工装置７の各構成要素について、詳しく説明する。

レーザ発振器８は、コントローラ１２の制御に基づいてレーザ光を発振生成するものである。本実施の形態でのレーザ発振器８は、パルス発振された波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを発振生成する。

レーザトーチ９は、光ファイバ１０からのレーザ光を拡散レーザ光として出射するレーザ出射部１５と、レーザ出射部１５からのレーザ光をワーク１３の加工点１４に向けて反射するハーフミラー１６と、ハーフミラー１６で反射したレーザ光を平行光にするレンズ１７と、レンズ１７からの平行光を集光させて加工点１４に照射するレンズ１８と、入射した光の光強度を計測して電気信号として出力する検出部１９と、レーザ出射部１５とハーフミラー１６とレンズ１７と検出部１９とを保持する筐体２０と、レンズ１８（とレンズ１７）を保持する照射部筐体２１とから構成される。そして、検出部１９の検出面には、検出部１９に入射する光の光強度を弱める性質を有する減光フィルタ２２と、検出部１９に入射する光のうちの可視光（可視の波長の光）をカットする性質を有する可視光カットフィルタ２３とが設けられている。本実施の形態では、レーザ出射部１５からのレーザ光が可視光以外の波長を有するものとしているため、この可視光カットフィルタ２３はレーザ出射光と同じ波長の光を透過する性質を有する。

計測装置１１は、レーザ加工時に検出部１９からの電気信号を数値データとして取り込む機能を有し、取り込んだ電気信号の時系列データとレーザ正常加工時のデータとを比較して、加工状態の良否を判定する機能を有するものである。判定方法の詳細については、後述する。また、計測装置１１は、加工状態の良否の判定の他に、取り込んだ電気信号の時系列データに基づいて、設備状態（レーザトーチ９の光路状態）の良否判定も行う。この計測装置１１は、レーザ正常加工時のデータを記録する機能も有する。

コントローラ１２は、レーザ発振器８のレーザ出力を制御するためのものである。具体的な制御方法としては、計測装置１１から受信した信号を基にレーザ出力を制御するものである。このコントローラ１２は、計測装置１１から加工状態ＮＧ（否）となる信号を受信した場合に、レーザ発振器８の出力を止める機能を有する。

ワーク１３は、光を反射する性質を有する複数枚の板状材料を重ねたものである。本実施の形態では、１ｍｍ厚のＳＵＳ板２枚を重ねたものを用いている。

加工点１４は、ワーク１３の所定の領域であり、レーザ光が照射されて物理特性が変性する部位である。

ハーフミラー１６は、レーザ出射部１５からのレーザ光を加工点１４に反射する一方、加工点１４で反射した反射光を透過させる性質を有する。

レンズ１７，１８は、ハーフミラー１６で反射したレーザ光が、レンズ１７で平行光にされた後にレンズ１８で加工点１４に集光するように配置された光学系である。また、この光学系は、本実施の形態においては、加工点１４から反射したレーザ光をレンズ１８で平行光にした後にレンズ１７で集光させる機能も有する。

検出部１９は、入射した光の光強度を電気変換して電気信号にするものである。本実施の形態では、ワーク１３からの反射光を検出して加工状態を検出し、あわせて、レーザ出射部１５からのレーザ光の漏れ光を検出して設備状態（レーザトーチ９の光路状態）を検出するために用いている。本実施の形態では、ワーク１３からの反射光の散乱光を検出するため、この検出部１９は、ワーク１３からの反射光の光軸上に配置しないことが望ましい。ワーク１３からの反射光の検出は、筐体２０の内壁面での乱反射光（散乱光）を検出することで行っているが、詳しくは後述する。

筐体２０は、レーザ光の乱反射を弱めるために、その内壁面に黒アルマイト（アルミニウムの陽極酸化）の処理を行ったものである。この黒アルマイト処理を行うことにより、内壁面の耐食性を向上させると共に、反射させることでワーク１３からの反射光を検出部１９に導くことができる。

この内壁面については、反射率が高いと筐体２０内で光の強い乱反射が発生してしまい、従来の構成のような装置では光を吸収してしまう。そのため、本実施の形態のように、適当な強さでの反射光（散乱光）を発生させるための条件を、発明者は種々検討し、黒アルマイト処理を行った場合が望ましいことをつきとめた。この黒アルマイト処理を行った内壁面を反射面として用いることで、レーザ光の乱反射時の光強度を適当な強さに弱めることが可能となる。ただし、レーザ光の乱反射光を用いてモニタリングするため、光を完全に吸収する黒アルマイト処理は行わないことが必要である。

続いて、図１の計測装置１１の詳細について、ブロック図を用いて説明する。

図２は、実施の形態１の計測装置１１のブロック図である。

図２において、検出部１９からの電気信号は、計測装置１１の計測演算部２４に取り込まれ、光強度測定値の時系列データとして記憶される。そして、基準波形記憶部２５に記憶された正常加工時の光強度測定値の時系列データを読み出して、測定した時系列データとの比較を比較部２６で行う。

この比較方法について詳しく説明する。まず、比較するに際して、比較するための条件について設定しておく必要がある。そこで、比較するためのモニタ区間（時間区間）を、モニタ区間設定部２７に記憶させておく。また、比較する基準や閾値や条件等の比較方法については、比較方法設定部２８に記憶させておく。そして、これらモニタ区間設定部２７と比較方法設定部２８から読み出したモニタ区間と比較方法とを用いて、測定した時系列データと正常加工時の時系列データとの比較を比較部２６で行う。

そして、比較部２６での比較結果に基づいて、加工状態判定部２９において、加工状態の良否の判定を行う。そして、加工状態判定部２９での良否判定に基づいて適宜調整を行って、レーザ照射を行う。ここで、加工状態ＯＫ（良）の場合は、そのままの条件でワーク１３にレーザを照射する。また、加工状態ＮＧ（否）の場合は、制御部３０において、コントローラ１２でレーザ照射条件を変えるための通知信号を作成し、計測装置１１からコントローラ１２へ信号を送信することで、レーザ照射条件を変えてレーザを照射する。

続いて、図１に示すレーザ加工装置を用いたモニタリング方法について説明する。

図３は、実施の形態１のレーザ加工モニタリング方法のフローを示す図である。

先ず、レーザ発振器８から光ファイバ１０を介してレーザ出射部１５より出射されたレーザ光を、ハーフミラー１６で反射させ、レンズ１７で平行光にし、レンズ１８で集光させて、ワーク１３の加工点１４にレーザ照射する（ステップＳ１）。

続いて、ワーク１３で反射した反射光がレンズ１８，１７，ハーフミラー１６を順に透過した後に筐体２０の黒アルマイト処理された内壁面で乱反射した散乱光と、レーザ出射部１５からハーフミラー１６を透過したレーザ出射光との混在光を、検出部１９で検出する（ステップＳ２）。

続いて、Ａ／Ｄ変換ボード（図示せず）を用いて、ステップＳ２で検出した信号のＡ／Ｄ変換を行う（ステップＳ３）。

続いて、計測装置１１の比較部２６において、前述の比較方法で測定された波形と正常加工時の波形との比較を行う（ステップＳ４）。

続いて、計測装置１１の加工状態判定部２９において加工状態の良否（ＯＫ／ＮＧ）を判定する（ステップＳ５）。

続いて、ステップＳ５にて加工状態ＯＫ（良）の場合は、そのままの条件でレーザ照射できるので、ステップＳ１に戻って再度レーザ照射を行う。

また、ステップＳ５にて加工状態ＮＧ（否）の場合は、レーザ照射条件を変える必要があるため、計測装置１１からコントローラ１２に加工状態を通知し、コントローラ１２でレーザ照射条件を変更する（ステップＳ６）。

続いて、ステップＳ６で条件を変更した後に、ステップＳ１に戻ってレーザ照射を行う。

これらのステップを繰り返すことで、レーザ加工状態をモニタリングしながら、レーザ照射を行う。ここで、レーザ照射（ステップＳ１）を複数回行っているのは、具体的な加工内容を溶接だとし、複数回のレーザ照射によりワークの溶接を行うためである。

（実施の形態２）
本実施の形態は、実施の形態１で説明したレーザ加工装置を用いて、加工（溶接）プロセスの要因分析を行い、アルゴリズムを定義して自動分析を行うためのものである。装置，方法については、実施の形態１と同様のものを用いるため、説明を省略する。

図４は、実施の形態２のレーザトーチ９付近の拡大図である。なお、図４においては、加工プロセスの阻害要因について、Ａ１，Ａ２，Ｂ１，Ｂ２，Ｃの３種類５項目を定義し、それぞれの発生箇所を図中に追記している。以下、それぞれの阻害要因について説明する。

光ファイバ１０が劣化している場合（図４のＡ１）と、レンズ１７，１８や保護ガラス（図示せず）に異物や汚れが付着している場合（図４のＡ２）には、レーザ光路においてレーザ光の散乱が起こる（これらを要因Ａとする。）。

光ファイバ１０が抜けてしまっている（接続が外れている）場合（図４のＢ１）と、ワーク１３の高さや位置がずれている場合（図４のＢ２）には、レーザ集光系（検出部１９等）での集光ズレが起こる（これらを要因Ｂとする。）。

ワーク表面に異物や汚れが付着している場合は、検出結果にノイズが発生する（これを要因Ｃとする。）。

これらの阻害要因を分けて考えるために、本実施の形態では、実施の形態１の装置を用いて、ワーク１３表面やレーザトーチ９内で発生した散乱光を検出部１９（光センサ）で捉え、その波形強度を細かく分析した。これにより、加工（溶接）プロセスの阻害要因を検出し、加工不良を検査することが可能となる。

本実施の形態においては、検出部１９で捉えた散乱光の光強度と、レーザ出射部１５に設置されているパワーメータ（図示せず）の値を、Ａ／Ｄ変換ボードで、サンプリングレート５０，０００点／秒（サンプリング間隔２０μ秒）で、分解能３２，７６８階調（１６ビット）のデータで取り込んだ場合を検討する。

本実施の形態では、上述の条件で、要因Ａ，Ｂ，Ｃの阻害要因が発生した場合の散乱光波形の特徴を分析した。

図５（ａ）は、実施の形態２のレーザ発振器８から出力されるレーザ光の光強度を示す図であり、図５（ｂ）は、実施の形態２のワーク１３からの反射光による正常時の散乱光強度を示す図である。図５（ａ），（ｂ）においては、縦軸が光強度を示し、横軸が時間を示す。

図５（ａ）に示すように、本実施の形態においては、レーザ発振器８からのレーザ光の光強度は、比較的シンプルな波形となっている。図５（ａ）に示すように、最初に大きなパワーを投入してワーク１３の金属を溶かした後は、スパッタを抑制するために、時間と共に強度が減少する三角波形となっている。この波形は、加工（溶接）対象の特長により、強度や時間を適切に決める必要があり、場合によっては波形の形状そのものを変えることも必要である。本実施の形態では、このような波形のスポット溶接を複数回重ねて打つことで、溶接を行う。

図５（ｂ）の領域Ｄは、レーザ光がワークの金属表面に照射された時、金属が溶融するまではレーザ光の反射率が大きいために生じている現象である。このような特徴は、複数回のレーザ照射の中で１回目の照射時にのみ見られる特徴であり、加工（溶接）不良を見極めるうえで重要な特徴となる。

発明者は、正常波形に対して、上述の要因Ａ，Ｂ，Ｃの変動要因が加わった場合の波形変化の状況を、実験により確認した。この状況について説明する。

図６（ａ）は、実施の形態２における要因Ａによる波形変化を示す図であり、図６（ｂ）は、実施の形態２における要因Ｂによる波形変化を示す図であり、図６（ｃ）は、実施の形態２における要因Ｃによる波形変化を示す図である。図６（ａ）〜（ｃ）においては、縦軸が光強度を示し、横軸が時間を示す。

図６（ａ）は、要因Ａによる波形変化を示すものだが、これは二つの場合に分けられる。一つ目の場合は、レーザ光路に存在する異物、保護ガラスの汚れ等によりレーザ光が散乱され散乱光強度が増加する場合である。二つ目の場合は、光ファイバの劣化によりレーザトーチに入るレーザ光強度が減少することにより散乱光も減少する場合である。これらは、いずれの場合も、正常時の波形の形を保ったまま大きさが変化するのが特徴である。

図６（ｂ）は、要因Ｂによる波形変化を示すものである。レーザ光が加工点に集光されていないことにより、散乱光のピーク点の形状が変化する。それにより、時間的な遅れ（横軸上のズレ）、光強度の減少（縦軸上の減少）、波形形状の変形が見られることが特徴である。

図６（ｃ）は、要因Ｃによる波形変化を示すものである。レーザ光がワーク表面の異物に吸収されるため、初期のピークは減少するが、その後の散乱光は大きくなるという特徴を示す。本実施の形態における実験では、異物がレーザ光を吸収したためにピーク時の散乱光強度が減少しているが、付着した異物の特性によっては同様の結果にならないことも考えられるので、付着した異物の材質等を分析し、それに基づく特性を調べておくことで、より分析の精度が向上すると考えられる。

発明者は、図６（ａ）〜（ｃ）で得られた実験結果を基に、加工（溶接）不良の要因の分類を行った。この結果を図７（ａ），（ｂ）にまとめる。

図７（ａ）は、レーザ加工モニタリングの第１のアルゴリズムを説明する図であり、図７（ｂ）は、レーザ加工モニタリングの第２のアルゴリズムを説明する図である。

ここで、レーザ加工モニタリングは、散乱光波形の評価のためのアルゴリズムであり、その基本的な考え方は、実施の形態１にて説明したように、正常時の波形（基準波形）との比較により評価するものである。所定の閾値や、基準波形を中心に設定された許容範囲を外れた部分の面積（光強度×時間）の大きさを評価して、あらかじめ決定した条件を超える場合を加工（溶接）不良として検出するものである。

図７（ａ）は、評価アルゴリズムの基本的な処理基準を示すものである。ここでは、図７（ａ）に示すように、波形全体を３種類のエリアに分割して考える。ピーク検出エリアでは、ピークの高さを基準波形と比較する。波形比較エリアでは、許容範囲から外れた部分の面積を計測して、面積の大きさで良否の判定を行う。本実施の形態においては、無効エリアは、阻害要因による影響が少ないために判定に用いない。ピーク高さと面積の比較により、前述の要因Ａ，Ｃにより発生する加工不良を検出することができる。この基準を用いることで、第１のアルゴリズムを構築する。これら３つのエリアの分割基準や、基準波形については、ワークやレーザの種類によって異なるものとなるため、それらに応じて適宜決定される。なお、本実施の形態では、波形全体を３種類のエリアに分割して考えたが、これらエリアは、３種類以外の種類のエリアに分割することも可能であるし、複数のエリアが重なっている状態を用いても良い。これらは、測定対象物や判定基準によっては適宜決定される必要がある。

図７（ｂ）は、図５（ｂ）の領域Ｄのように、特徴的な部分に注目して、ピーク位置の波形形状や時間的な遅れを検出するアルゴリズムである。ワークの加工点に集光させる際に、レーザ光の焦点が合っていない時に散乱光のピークが時間的に遅れることを利用して加工不良を検出する。これにより、要因Ｂにより発生する加工不良を検出することができる。この基準を用いることで、第２のアルゴリズムを構築する。

これらのアルゴリズムを組み合わせて用いることで、自動分析（自動モニタリング）が可能になる。

なお、基準波形の作成においては、正常な波形も、ある範囲の中で変動している。そのため、モニタリング装置に、ワークの通常加工時に波形を収集，蓄積し、所定回数の波形データの平均値を基準波形と分散値から許容範囲を算出する機能を持たせることが望ましい。これにより、比較的容易に基準波形と許容範囲を算出することが可能となる。

本発明を用いることで、シンプルな構成のレーザ加工装置およびレーザ加工方法を提供できるため、インラインでのレーザ加工状態の検査の用途にも適用できる。

実施の形態１のレーザ加工装置の概略図 実施の形態１の計測装置１１のブロック図 実施の形態１のレーザ加工モニタリング方法のフローを示す図 実施の形態２のレーザトーチ９付近の拡大図 （ａ）実施の形態２のレーザ発振器８から出力されるレーザ光の光強度を示す図、（ｂ）実施の形態２のワーク１３からの反射光による正常時の散乱光強度を示す図 （ａ）実施の形態２における要因Ａによる波形変化を示す図、（ｂ）実施の形態２における要因Ｂによる波形変化を示す図、（ｃ）実施の形態２における要因Ｃによる波形変化を示す図 （ａ）レーザ加工モニタリングの第１のアルゴリズムを説明する図、（ｂ）レーザ加工モニタリングの第２のアルゴリズムを説明する図 特許文献１のレーザ加工用モニタリング装置の概略図

符号の説明

１ レーザ溶接機本体
２ レーザ照射ユニット
３ ユニット本体
４ ワーク
５ 反射光検出器
６ レーザ光検出器
７ レーザ加工装置
８ レーザ発振器
９ レーザトーチ
１０ 光ファイバ
１１ 計測装置
１２ コントローラ
１３ ワーク
１４ 加工点
１５ レーザ出射部
１６ ハーフミラー
１７、１８ レンズ
１９ 検出部
２０ 筐体
２１ 照射部筐体
２２ 減光フィルタ
２３ 可視光カットフィルタ
２４ 計測演算部
２５ 基準波形記憶部
２６ 比較部
２７ モニタ区間設定部
２８ 比較方法設定部
２９ 加工状態判定部
３０ 制御部

Claims (4)

1. レーザ出射部と、
   前記レーザ出射部の光軸上に配置された検出部と、
   前記レーザ出射部と前記検出部との間に配置されたハーフミラーと、
   前記ハーフミラーからの光を集光させる光学系と、
   前記レーザ出射部と前記検出部と前記ハーフミラーと前記光学系とを保持する筐体と、
   前記検出部にて検出した、被加工物からの反射光が前記レーザ照射ユニット内壁面で反射した、光に基いて前記被加工物の加工状態を判定する計測装置と、を備え、
   前記検出部の検出面に可視光カットフィルタを設け、前記筐体の内壁面が黒アルマイト処理されていること
   を特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記計測装置での加工状態の判定は、前記検出部にて検出した前記被加工物からの反射光が前記レーザ照射ユニット内壁面で反射した光の検出時間に応じてピーク検出エリアと波形比較エリアと無効エリアの３種類のエリアに検出結果を分類し、それぞれのエリアに応じた判定基準で判定すること
   を特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記計測装置での加工状態の判定は、前記検出部にて検出した前記被加工物からの反射光が前記レーザ照射ユニット内壁面で反射した光の検出結果と基準波形との比較を行い、ピーク位置または基準波形とのズレによる面積に基づいて、要因を分類して判定すること
   を特徴とする請求項１から２のいずれかに記載のレーザ加工装置。
4. 前記検出部の検出面に減光フィルタを設けたこと
   を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のレーザ加工装置。

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