JP7511142B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工状態を監視できるレーザ加工装置に関する。

レーザ溶接技術は、被加工物にレーザ発振器から射出されたレーザ光を照射し、レーザ光の熱量で被加工物を溶融させ、他の被加工物に溶接することで、これらの被加工物を機械的及び／又は電気的に接続する技術である。レーザ溶接技術は、一般的に家電機器や精密機器、もしくは自動車部品といった多岐にわたる分野で普及している。

こうしたレーザ溶接技術においては個々のレーザ発振器や被加工物の形状や大きさに応じて、種々の調整項目がトライアンドエラーにより調整されるのが一般的であるが、所定品質の加工品が得られない場合にそうしたトライアンドエラーによる調整では対応できない場合が存在する。

特許文献１では、加工装置の内部情報の測定値と仮判定部とに設定されたしきい値との比較により良否判定を行い、実際の加工品との品質をフィードバックして仮判定部のしきい値を更新することが開示されている。

特開２０１７－１６４８０１号公報

しかしながら、特許文献１による加工結果の評価方法では、加工後に加工結果を評価しており、加工結果を得るまでに時間を要する。さらに、特許文献１による加工結果の評価方法では、加工後に加工結果を取得し、加工結果が異常であることを検知できたとしてもその原因が特定できないため、異常への対応に手間がかかる。

本開示は、上記従来の問題点に鑑み、レーザ加工状態を迅速かつ高精度で監視することができるレーザ加工装置を提供することを目的としている。

本開示の一態様は、集光されたレーザ光を走査しながら被加工物に照射し、該被加工物の表面上に溶融領域を形成するレーザ加工装置であって、
レーザ光の照射中に前記溶融領域から発生する光を検出する機能を有し、被加工物の表面において第１測定領域を検出対象とする第１光検出部と、
レーザ光の照射中に前記溶融領域から発生する光を検出する機能を有し、被加工物の表面において、入熱領域を含み、かつ前記第１測定領域より狭い第２測定領域を検出対象とする第２光検出部と、
前記第１光検出部から出力される第１検出信号および前記第２光検出部から出力される第２検出信号に基づいて、前記溶融領域の溶融状態を推定する演算部と、を備え、
前記溶融領域から発生する光は、前記溶融領域から放射される熱放射光を含み、
前記演算部は、前記第１光検出部からの信号と前記第２光検出部からの信号を加算することにより、加工異常による熱放射光の変動部分を強めた合成データを取得し、および／または、前記第１光検出部からの信号から前記第２光検出部からの信号を引算することにより、形状変化による熱放射光の変動部分を強めた変換データを取得する。

本開示に係るレーザ加工装置によれば、レーザ加工状態を迅速かつ高精度で監視することができる。

本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図。 図２（Ａ）は、溶融領域Ｍと測定領域Ｑ１，Ｑ２の関係を示す説明図。図２（Ｂ）は、その拡大図。 熱放射光量と溶接品質との相関関係の一例を示す説明図。図３（Ａ）は、熱放射光量の時間変化を示すグラフ。図３（Ｂ）は、レーザ出力の時間変化を示すグラフ。

（１．装置構成）
図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。図１は、本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。レーザ加工とは、レーザ光を用いて溶接、切断、穿孔、マーキング、表面処理、エッチング、堆積などを行う手法である。ここでは、レーザ溶接を例示するが、本開示はこれに限定されない。

レーザ加工装置は、レーザ光供給ユニットとして、レーザ発振器１、レーザ光伝送用の光ファイバ２、コリメートレンズ３、部分反射ミラー４、集光レンズ６を備え、さらに光検出ユニットとして、レーザ出力センサ５、部分反射ミラー８、集光レンズ１１、第１光センサ１０、集光レンズ２３、第２光センサ２０を備える。これらのコンポーネントの多くは、鏡筒９の内部に収容可能である。

レーザ加工装置はさらに、被加工物Ｗを支持する加工ステージ３０と、装置全体を制御する演算ユニットＰＣとを備える。

レーザ発振器１は、例えば、炭酸ガスレーザなどの気体レーザ、ＹＡＧレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどの固体レーザで構成され、予め定めた波長および予め定めた出力のレーザ光を発生する。一例として、レーザ光は、波長１０７０ｎｍの連続波（ＣＷ）である。被加工物Ｗの光吸収特性に応じて最適なレーザ波長を選択することが可能であり、例えば、被加工物Ｗが銅Ｃｕまたは金Ａｕである場合、レーザ波長は４０５～４５０ｎｍなどの比較的短い波長が好ましい。また被加工物Ｗがアルミニウムである場合、光吸収特性がよく良好な溶接が可能となることから、レーザ波長は８００ｎｍ程度の波長が好ましい。

ここでは、レーザ光として連続波を用いる場合を例示するが、パルス波のレーザ光を用いてもよい。連続波のレーザ光を用いた場合、被加工物Ｗへの投入熱量を大きくできるため、生産性が高くなる点で好ましい。またパルス波のレーザ光を用いた場合、連続波に比べて加工時の熱影響を低減できる点で好ましい。

レーザ発振器１は、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、演算ユニットＰＣからのコマンドに応じて、レーザ光の出力が制御可能になり、パルス波の場合は周期およびデューティサイクルも制御可能になる。

レーザ光伝送用の光ファイバ２は、レーザ発振器１からのレーザ光を鏡筒３の内部まで伝送する機能を有する。なお、光ファイバ２の代替として、レーザ発振器１から射出されたレーザ光を、ミラーなどの光学素子を用いて鏡筒９に導光することも可能である。

コリメートレンズ３は、光ファイバ２から出射されるレーザ光を平行な光ビームに変換する。

部分反射ミラー４は、光ファイバ２からの光ビームの大部分を反射し、その一部を透過させる機能を有する。一例として、部分反射ミラー４は、例えば、ダイクロイックミラーなど、特定の波長範囲の光を反射し、異なる波長範囲の光を透過させるミラーが使用できる。部分反射ミラー４は、反射波長または透過波長に応じて所望の光学特性が選択でき、必要に応じて透過光量と反射光量の比率を変化させてもよい。部分反射ミラー４を通過した光ビームは、レーザ光の出力を監視するレーザ出力センサ５によって受光される。レーザ出力センサ５は、フォトダイオード、Ａ／Ｄ変換器などを含み、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットＰＣに入力される。

集光レンズ６は、部分反射ミラー４で反射したレーザ光を集光して光ビームＬＢを形成し、被加工物Ｗの表面に予め定めた形状の光スポットを形成する。光スポットの照射領域には、多量の熱エネルギーが投入され、融点を超えた部分が溶融領域Ｍとなり、例えば、被加工物Ｗの溶接が行われる。

加工ステージ３０は、ＸＹＺθテーブルなどで構成され、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、演算ユニットＰＣからのコマンドに応じて被加工物Ｗの３次元位置および光ビームＬＢの光軸周りの角度が制御可能になる。

光ビームＬＢを被加工物Ｗに対して走査する場合、１）鏡筒９および光ビームＬＢを固定した状態で加工ステージ３０を予め定めた方向に予め定めた速度で移動させる方法、２）鏡筒９をロボットアームやリニアステージなどの走査機構に搭載し、加工ステージ３０を固定した状態で鏡筒９を予め定めた方向に予め定めた速度で移動させる方法、３）集光レンズ６と被加工物Ｗとの間に、例えば、ガルバノミラーなどの光学スキャナを設置する方法、４）上記１）～３）の方法の組合せ、などが可能である。

演算ユニットＰＣは、プロセッサ、メモリ、マスストレージなどを含むコンピュータで構成され、予め設定されたプログラムに従って各種動作を実行する。

本実施形態では、レーザ光の照射中に溶融領域Ｍから発生する光、例えば、ａ）溶融領域Ｍから放射される熱放射光、ｂ）溶融領域Ｍから放射される可視光、およびｃ）被加工物Ｗから反射する反射光のうちの少なくとも１つを検出するために、第１光センサ１０および第２光センサ２０が設置される。

溶融領域Ｍから発生する光の一部は、集光レンズ６に入射し、部分反射ミラー４を通過して部分反射ミラー８に入射する。部分反射ミラー８は、入射した光を予め定めた比率で反射し透過させる機能を有する。一例として、部分反射ミラー８は、波長依存性のないハーフミラーが使用できる。他の例として、部分反射ミラー８は、波長依存性のあるダイクロイックミラーが使用でき、必要に応じて波長依存性を有してもよく、透過光量と反射光量の比率を変化させてもよい。

部分反射ミラー８を通過した光は、集光レンズ１１を通って第１光センサ１０で受光される。第１光センサ１０は、レーザ光の照射中に溶融領域Ｍから発生する光を検出する機能を有し、被加工物Ｗの表面において第１測定領域を検出対象とする。この第１測定領域については後述する。第１光センサ１０は、フォトダイオード、Ａ／Ｄ変換器などを含み、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットＰＣに入力される。

部分反射ミラー８を反射した光は、集光レンズ２３を通って第２光センサ２０で受光される。第２光センサ２０は、レーザ光の照射中に溶融領域Ｍから発生する光を検出する機能を有し、被加工物Ｗの表面において第１測定領域より狭い第２測定領域を検出対象とする。この第２測定領域については後述する。第２光センサ２０は、フォトダイオード、Ａ／Ｄ変換器などを含み、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットＰＣに入力される。

第２光センサ２０は、入射光の光軸に対して垂直な方向に位置決め可能なＸステージ２１およびＹステージ２２に搭載される。Ｘステージ２１およびＹステージ２２は、演算ユニットＰＣと通信可能に接続され、演算ユニットＰＣからのコマンドに応じて第２光センサ２０の位置が制御可能になり、これにより被加工物Ｗの表面における第２測定領域が移動可能になる。

測定対象の熱放射光として、一例として１３００ｎｍの波長の光が使用できる。その場合、被加工物Ｗにレーザ光を照射すると、溶融領域Ｍから熱放射光が放射される。こうした熱放射光は、集光レンズ６を経由して部分反射ミラー４を透過し、部分反射ミラー８によって分割され、第１光センサ１０および第２光センサ２０に入射する。そのため部分反射ミラー４には、レーザ光を反射し、熱放射光のみを透過させる波長選択性を有する反射膜が形成される。

また、熱放射光と同時に可視光を測定対象とする場合、例えば、部分反射ミラー４に可視光も透過する波長選択性の反射膜を形成し、熱放射光を測定する光センサの手前に可視光のみを反射する波長選択性の反射膜を形成したミラーを追加し、可視光用の光センサを設置することによって、熱放射光と同様に可視光を検出することが可能である。

また、熱放射光と同時に被加工物Ｗからの反射光を測定対象とする場合、例えば、部分反射ミラー４とコリメートレンズ３との間の光路外に反射光用の光センサを設置することによって、熱放射光と同様に可視光を検出することが可能である。

熱放射光、可視光、反射光を測定する場合、これらを同時に測定してもよく、複数波長を測定してもよい。このことで溶接時に発生する様々な波長の光から情報をより詳細に把握することが可能となる。その場合、測定したい波長に応じて、ミラーやレンズの波長領域を選択していくことが望ましい。

光センサとして使用するフォトディテクタに関しては、測定する波長域に応じて感度の高いものを使用する方が望ましい。

熱放射光を検出する場合、光センサに入射するまでの光路上に、波長１３００ｎｍの光を選択的に透過させるバンドパスフィルタを配置してもよい。これにより熱放射光以外の不要な波長の光が光センサに入射することを防止し、より高精度の熱放射光量の測定が可能となる。

（２．複数の測定領域）
第１光センサ１０は、被加工物Ｗの表面において第１測定領域を検出対象とする。第２光センサ２０は、被加工物Ｗの表面において第１測定領域より狭い第２測定領域を検出対象とする。そのため第２光センサ２０は、例えば、第１光センサ１０よりも受光エリアが小さい検出素子を使用したり、あるいは第１光センサ１０よりも小さい開口を有するアパーチャを設けて、物理的に測定エリアを制限する方法が採用できる。こうしたアパーチャとして開口径が変更可能なアパーチャを使用してもよい。

また、測定領域を変更する他の方法として、集光レンズ１１，２３の焦点距離を異なるように設定する方法を用いてもよい。例えば、第２光センサ２０用の集光レンズ２３の焦点距離が２００ｍｍである場合、第１光センサ１０用の集光レンズの焦点距離を１００ｍｍに設定すれば、同じサイズの検出素子であっても２倍の測定領域を確保できる。このように所望の測定領域に応じて集光レンズ１１，２３の焦点距離を調整してもよい。

また、第１光センサ１０と第２光センサ２０との位置関係については、部分反射ミラー８を透過しおよび反射した光をそれぞれ検出できる位置であればよい。

第１光センサ１０の第１測定領域と第２光センサ２０の第２測定領域は、溶融領域Ｍにおいて溶接幅を含むことが好ましい。そのため被加工物Ｗに所望の溶接を行い、加工時の溶接形状を、顕微鏡などを用いて確認する。測定分解能に関しては、測定する形状の１００分の１以下の精度で測定できることが望ましい。その溶接形状を測定し、溶接幅を確認した後、その溶接幅に応じて第２光センサ２０の第２測定領域を、アパーチャや集光レンズなどで制限する。

図２（Ａ）は、溶融領域Ｍと測定領域Ｑ１，Ｑ２の関係を示す説明図であり、図２（Ｂ）は、その拡大図である。光ビームＬＢは、紙面に対して垂直に入射しており、被加工物Ｗに対してレーザ走査方向ＳＬに沿って移動する。

ここでは、熱放射光を検出する場合を例として説明する。一般に、熱放射光量は加工温度と高い相関があるため、熱放射光量の検出は、溶融領域Ｍの温度を測定するために用いられる。溶接加工では、表面状態や表面の凹凸などの影響、さらに溶接時に発生するスパッタなどが、溶融領域Ｍの信号強度に影響する。そのため、加工中にリアルタイムで、溶融領域Ｍからの熱放射光の測定を行うことが望ましい。

熱放射光の検出は、前述したレーザ溶接装置による溶接加工中に行われる。

溶融領域Ｍは、前述したとおり、光ビームＬＢの照射により被加工物Ｗの表面上に形成され、溶融領域ＭＡと溶融領域ＭＢを含む。

溶融領域ＭＡは、光ビームＬＢの集光照射によって被加工物Ｗの一部が溶融している入熱領域である。溶融領域ＭＢは、光ビームＬＢの照射が終了して、溶融状態が持続している凝固前領域である。例えば、金属が溶融する際、その温度の高さに応じた黒体輻射による熱放射光、および金属元素の光励起と緩和による固有の発光、例えば、可視光が発生する。

凝固領域ＭＣは、図２（Ａ）に一点鎖線で示すように、レーザ照射後に溶融領域ＭＢが時間経過によって冷却され凝固した領域である。この領域は、溶融時に発生する熱放射光や可視光などが減衰してしまい、光検出が困難または不可能である。

図２（Ｂ）に示すように、溶接幅ＤＷは、溶融領域Ｍの溶接幅に対応しており、レーザ走査方向ＳＬに対して垂直な方向に生じる溶接寸法である。

図２（Ａ）に戻って、第１測定領域Ｑ１は、第１光センサ１０の検出対象であり、溶融領域ＭＡの温度測定に必要な領域を充分に含むような範囲として設定される。即ち、第１測定領域Ｑ１は、溶融領域ＭＡより広い領域に設定される。第１測定領域Ｑ１は、一般には円形状の領域として設定されるが、楕円形状、矩形状またはその他の任意の形状でも構わない。

本実施形態では、第１測定領域Ｑ１は、レーザ照射エリアの中心位置を中心として、φ５～１０ｍｍ程度の円形領域としたが、熱放射光を検出できる領域を包含するように構成すればよく、溶接形状に応じて測定領域を変化させることが好ましい。例えば、溶接形状が大きい場合やレーザ出力が高い場合は、実際に加工を行って加工部分を観察し、溶融形状を把握してから測定領域を決定することも可能である。溶融領域ＭＢの観察には、例えば、高速カメラなどを用いて凝固前に溶融している領域を撮影することによって溶融領域ＭＢをより精度良く検出することが可能となる。その際、例えば、第１光センサ１０の手前に、例えば、アパーチャを設けることなど、物理的に測定領域を制限することで、測定領域を設定してもよい。これにより光ビームＬＢの照射終了後に溶融状態が持続している部分で発生する光の検出が可能となる。

第１測定領域Ｑ１は、後述するように、一度の溶接加工における全体の挙動を把握するために用いられることが望ましい。そのため第１測定領域Ｑ１は、連続的な溶接加工における加工領域の全てを含むように設定されることが好ましい。この場合、凝固領域ＭＣのように既に凝固して、熱放射光が検出されない可能性のある領域を含むように設定されるため、測定された熱放射光の信号波形の精度が低下することが考えられる。従って、第１測定領域Ｑ１は、少なくとも溶融領域ＭＢのように、加工中に溶融が生じる領域の全てを含むように設定されることがより好ましい。

第２測定領域Ｑ２は、第２光センサ２０の検出対象であり、光ビームＬＢの照射エリアおよび溶接幅ＤＷを含むような範囲として設定される。即ち、第２測定領域Ｑ２は、第１測定領域Ｑ１よりも狭く、溶融領域Ｍおよびその近傍の温度情報を取得するための領域である。第２測定領域Ｑ２は、一般には円形状の領域として設定されるが、楕円形状、矩形状またはその他の任意の形状でも構わない。

第２測定領域Ｑ２は、図２（Ｂ）に示すように、レーザ走査方向ＳＬに対して垂直な方向に測定幅ＤＭを有する。

レーザ走査によって溶接を行う場合、光ビームＬＢの照射が終了した溶融領域ＭＢにおいても投入エネルギーに応じて発光する。そのため狭い測定領域のみでは、照射領域外での溶融状態を把握することが困難となる。そのため溶融領域Ｍより広い領域を熱放射光の検出対象に設定することにより、例えば、スパッタの発生やレーザ光照射後の凝固までに発生する溶融液による影響など、溶融時に発生した現象を検出することが可能となる。この役割を第１測定領域Ｑ１が担う。

一方、溶接形状の詳細な情報など、溶接時の加工状態をより詳細に得るためには、レーザ照射直後の溶融領域Ｍからの熱放射光の挙動を監視することが好ましく、測定領域内における溶融近傍箇所の割合を増やすことで、より感度を上げて測定することが望ましい。従って、測定領域をより小さくし、溶融領域Ｍおよびその近傍の温度情報を取得することによって、溶接加工状態のより詳細な情報を得ることが可能である。この役割を第２測定領域Ｑ２が担う。

熱放射光の検出は、溶融領域Ｍの状態を大きく反映する。そのため、例えば、ある特定の加工条件に対してリアルタイムで熱放射光測定を行うことで、溶融領域Ｍの形状に応じた信号強度を取得することが可能である。溶融領域Ｍの形状、例えば、溶接幅ＤＷや溶接長さに変化が生じた場合、変化した溶接幅１９や溶接長さに応じて検出信号の強度値に差が生じる。つまり、溶融領域Ｍの面積の変化に応じて、溶融領域Ｍから検出される信号強度も変化する。このことを利用し、測定した熱放射光量から溶融領域Ｍの形状を推定したり、本来加工したい形状との差異が発生していることを把握したりできる。例えば、所望の溶融幅ＤＷでの溶接時の熱放射光を測定または算出して基準データベースとして記憶し、次に実際の溶接加工における熱放射光の測定値と比較することで、溶接状況をより精密に把握することができる。このように、測定領域をより小さくすることで、特定の位置の温度情報を精度良く測定することが可能となる。

また、溶接加工においては、溶融領域Ｍの近傍の熱放射光が最も加工状況を反映するが、例えば、溶融領域Ｍから遠ざかる方向に向かって発生したスパッタなど、溶融領域Ｍの近傍以外で検出できる溶接異常も生じ得る。このような溶接異常は、溶融領域Ｍの溶接状態以外の要因に起因する熱放射光への影響を発生させる。このことを利用し、熱放射光の検出により溶接異常が発生していることを把握できる。例えば、熱放射光の波形におけるピークの有無を判断し、溶接異常の発生有無を判断できる。このように、測定領域をより大きくすることによって、溶接加工全体における状況を精度良く測定できる。

第２測定領域Ｑ２は、加工中において常に溶融領域Ｍおよびその近傍の温度情報を取得することが望ましい。そのため、第２測定領域Ｑ２は、図１に示すようなＸステージ２１およびＹステージ２２を用いて、レーザ光の移動に伴ってリアルタイムに移動するのが好ましい。具体的には、演算ユニットＰＣは、加工ステージ３０及び／又は鏡筒９の変位量を取得しながら、これに同期するようにＸステージ２１及び／又はＹステージ２２を駆動してもよい。

これらの演算または推定は、第１測定領域Ｑ１および第２測定領域Ｑ２の各々について実施できる。具体的には、測定領域がより広く、溶接加工全体を含むように設定されている第１測定領域Ｑ１での測定結果に基づいて、溶接異常を判断できる。そして、測定領域がより狭く、溶融領域Ｍの近傍に設定されている第２測定領域Ｑ２での測定結果に基づいて、溶接状態を精密に判断できる。そのため溶融領域Ｍおよびその近傍から熱放射光、およびそれより広い領域からの熱放射光をそれぞれ測定することによって、溶接加工全体としての加工状態をより精度良く評価することが可能となる。

レーザ加工中の第１測定領域Ｑ１および第２測定領域Ｑ２からの信号強度を測定し、続いてレーザ加工終了後に溶接部分の溶接幅ＤＷの測定を行い、信号強度値と溶接幅ＤＷの測定値とを関連付けることによって、溶融面積に基づいた測定結果を検出することが可能となる。具体的には、光センサ１０，２０から取得した信号強度の測定時間に対して、被加工物Ｗの加工後の溶接長さを加工速度で除算することによって、加工に寄与した時間を算出して関連付ければよい。

溶接部分の溶接幅ＤＷや長さが変化する条件として、レーザ光の出力の増減、レーザ光の焦点位置の変動によるスポット径の変更、さらに重ね合わせ溶接の場合は隙間発生時には光が隙間部で散乱することから、溶融領域Ｍの形状も変化し、溶接幅ＤＷが狭くなることがある。溶接幅ＤＷの変動は、面積として信号強度に反映される。こういった溶接形状の変化は、溶融領域Ｍからの光を検出することで測定が可能であるが、溶接幅ＤＷにより近い寸法の測定領域で検出することで、溶接幅ＤＷの変動に対する検出精度を向上させることが可能である。

その際の条件として、測定幅ＤＭの下限は、溶融幅ＤＷの１．２５倍とし、測定幅ＤＭの上限は、レーザ光の照射位置を中心とする凝固前の溶融領域ＭＢの外接円の半径ＲＣとすることが好ましい。即ち、第１測定領域Ｑ１の半径Ｒ１は、下記の式
１．２５×ＤＷ≦Ｒ１≦ＲＣ
を満たすことが好ましい。これにより溶接状態の検出精度を高めることが可能である。

また、レーザ光の照射エリアが第２測定領域Ｑ２の範囲内に収まることで、照射時のリアルタイムに変化する形状を反映することが可能となる。これにより溶接幅ＤＷや溶接長さの情報がより精度良く検出することが可能となる。溶接幅や溶接長さの変動は、一般的に接合強度に大きく影響するため、精度良く測定を行えるようになれば、溶接時の接合外れといった不良を低減し、製品の品質安定化にも繋げることが可能である。

第２光センサ１０が第２測定領域Ｑ２を測定して得られる信号強度は、溶融領域Ｍの状態及び形状変化を大きく反映するようになり、形状変化時の信号強度変動は、測定データの割合として大きく表れる。一方、第１測定領域Ｑ１は、溶融領域ＭＡおよび溶融領域ＭＢの両方を含むため、第１測定領域Ｑ１を測定した信号強度は、溶融形状変化による変動は小さくなる。そのため、例えば、第１測定領域Ｑ１の測定値および第２測定領域Ｑ２の測定値の両方を考慮することによって、溶融形状変化に起因した信号数値の検出精度を高めることが可能となる。

例えば、第１測定領域Ｑ１の測定値Ｓ１と第２測定領域Ｑ２の測定値Ｓ２を加算（Ｓ１＋Ｓ２）することにより、溶接異常による熱放射光の変動部分をより強めた合成データを取得できる。また、第１測定領域Ｑ１の測定値Ｓ１から第２測定領域Ｑ２の測定値Ｓ２を引算（Ｓ１－Ｓ２）することにより、形状変化による熱放射光の変動部分をより強めた変換データを取得できる。

また、さらに溶融領域Ｍの後方で信号波形が変化する現象が発生している場合、形状変化時の波形変動の挙動について第２光センサ２０を用いて高感度で検出できるため、原因を切り分けて検出することが可能となる。例えば、スパッタの発生が生じることで、溶融領域Ｍからの溶融金属の飛び出しなどを検出することが可能となり、溶接部分の更なる品質管理に繋がる。その他の事例として、例えば、第２測定領域Ｑ２の外側で発生するレーザ光照射後の溶融部への異物混入や、突発的な溶融領域の形状変化といった現象の発生も検出可能となる。これらの現象の発生は、主に第１測定領域Ｑ１で検出されるため、第２測定領域Ｑ２から検出される信号波形と比較することによって推定可能となる。

また、第１測定領域Ｑ１および第２測定領域Ｑ２を測定したデータを、例えば、閾値判定に使用することによって溶接異常発生を検出することが可能となる。

また、第１光センサ１０および第２光センサ２０で測定した信号波形と、溶接幅ＤＷの測定結果との相関関係を機械学習により学習させることにより、溶接形状の特定、判別などを行うことが可能となる。この場合、ある溶接加工において、例えば、溶融幅ＤＷ、溶融長さ、溶接不良の有無などの溶接結果を、第１光センサ１０および第２光センサ２０で測定した信号波形とともに教師データセットとする。そして、信号波形と溶接結果との相関関係を学習する。こうした機械学習は、演算ユニットＰＣで実行してもよく、あるいはネットワークで接続された外部コンピュータで実行してもよい。

また、例えば、不良現象と測定データを関連付けて閾値判定することにより、不良現象の原因を特定することが可能となる。また、機械学習を用いて測定データと、溶接時に発生する現象を関連付けて学習することにより、溶融領域Ｍの状態をより精度良く判定することが可能となり、さらにディスプレイ上に表示することにより設備や加工条件の改善活動に繋げることが可能となる。即ち、溶接不良の具体的な要因と、本開示による熱放射光の信号波形を一例とした溶接状態に関する物理量とを教師データセットとして機械学習により学習させることにより、信号波形と溶接不良の要因との相関関係を学習できる。

測定方法に関して、加工部の温度、加工部からの熱放射光量、加工部の可視光量、被加工物の振動量などがあり、複数選択して測定してもよい。

測定サンプリング数に関して、レーザ溶接評価にてプロセスの特徴、例えばレーザ出力プロファイルのカーブの曲率など物理量の局所的な値の傾向を捉えるのに十分な量のサンプル数が必要となるため、物理量のサンプリング周期（測定周期）は、レーザ照射の出力制御を行うサンプリング周期の１００分の１以下が望ましい。

（３．測定結果）
図３は、熱放射光量と溶接品質との相関関係の一例を示す説明図である。図３（Ａ）は、熱放射光量の時間変化を示すグラフであり、図３（Ｂ）は、レーザ出力の時間変化を示すグラフである。

図３（Ｂ）のプロファイルＰＬは、被加工物Ｗに照射されるレーザ光の出力を示す。ここでは、時刻ｔ１でレーザ出力がオンになり、時刻ｔ６まで一定である場合を例示するが、加工条件に応じてプロファイルＰＬの形状を経時的に変化させることにより、スパッタの抑制も可能である。

図３（Ａ）のプロファイルＰ０（実線）は、適切な溶接が行われた時の熱放射光量を示す。比較容易のために、上側グラフでは、第２光センサ２０が検出した熱放射光量の変化を示すプロファイルＰ２（破線）と重ねて表示する。下側グラフでは、第１光センサ１０が検出した熱放射光量の変化を示すプロファイルＰ１（破線）と重ねて表示する。

時刻ｔ１でレーザ出力がオンになり、レーザ照射領域の温度上昇に伴って熱放射光量が増加する。そして、レーザ照射領域の温度がさらに上昇し、レーザ光照射による入熱量と、被加工物Ｗの熱伝導によるレーザ照射領域から周辺への熱散逸との収支が均等になると、レーザ照射領域の温度は安定し、熱放射光量も一定となる。その後、時刻ｔ６でレーザ照射が完了すると、レーザ照射領域の温度が低下し、熱放射光量が減少する。このような熱放射光量の挙動を検出することにより、レーザ溶接時に不良が発生したか否かを判断できる。また、プロファイルＰ０内にピークが検出された場合は、スパッタが発生したと判断できる。こうした熱放射光量の挙動を確認することで、様々な異常の発生を検出することが可能である。

次にプロファイルＰ２（破線）は、プロファイルＰ０と比較してより大きな信号を示し、続いて時刻ｔ２から時刻ｔ３まで大きく減少し、時刻ｔ４で再び増加し時刻ｔ５で一定になる。第２光センサ２０の第２測定領域Ｑ２が溶融領域ＭＡを含み、溶融領域ＭＢを含まないように設定しているため、レーザ加工時の検出感度は比較的高くなる。

次にプロファイルＰ１（破線）は、プロファイルＰ２と比較して変化が小さい信号を示す。第１測定領域Ｑ１が第２測定領域Ｑ２より広いことから、レーザ加工時の検出感度は減少する。そのため検出信号への外乱の影響により加工領域近傍での検出精度が減少する一方で、溶融領域ＭＢで発生するスパッタや溶融領域Ｍの近傍以外で発生する溶接異常を検出することが可能である。

こうした溶接異常の原因としては、例えば、スパッタの発生、ヒュームの発生、プラズマの発生、レーザ出力変動、スポット径変動、レーザ照射時間変動、及び被加工物Ｗに起因した変動など、既知の不良原因が挙げられる。

また溶接不良の一例として、スパッタが発生した場合、溶融領域Ｍから飛び出したスパッタが溶融領域Ｍとは別の熱放射光の発生源となり、スパッタから発せられた熱放射光が集光レンズ６に入射し、第１光センサ１０で検出される。このとき、適切な溶融時の熱放射プロファイルＰ０と比べて熱放射光量の増加が観測される。また、スパッタは高速で飛散しているため、瞬間的に集光レンズ６の視野外に飛び出てしまうことで、検出信号の増加はピーク形状として現れる。例えば、スパッタが発生した場合、スパッタサイズにもよるが、適切な溶融時の熱放射光強度と比べて１．５～５倍程度の熱放射光強度の増加が見られ、スパッタ由来のピークが観測される。

また、複数の被加工物Ｗを重ね合わせた方向から光ビームＬＢを照射して重ね合わせ溶接を行う場合には、被加工物Ｗ同士を密着させたほうがよい。その理由は、レーザ溶接中の熱変形や、被加工物Ｗに加工前から残留する歪などに起因して、被加工物Ｗの間に隙間があると、被加工物Ｗ同士の未接合や接合部の強度不足などの問題が発生するためである。被加工物Ｗ同士に隙間があった場合には、溶融領域Ｍが、一方の被加工物Ｗを貫通して前記隙間まで抜けた状態となる。さらに、隙間が発生すると、レーザ光が隙間で散乱することから、溶融領域Ｍの形状も変化し、溶接幅が狭くなる。そのため、熱放射光や反射光強度の低下が見られる。

このため、重ね合わせ溶接の場合には、熱放射光強度の低下により被加工物Ｗ同士の隙間の発生を推測することができる。

上述したように、本開示によれば、被加工物の表面において少なくとも２つの測定領域を設定し、溶融領域から発生する光を検出することにより、溶接状態を精度良く監視することが可能である。これにより溶接品質を精度良く評価することが可能となり、オペレータの熟練度に依存せずに溶接の異常予知が可能となる。これにより異常に対する早期対応が可能になり、不良数の減少、装置ダウンタイムの低減、生産性の向上が図られる。

本開示は、レーザ加工状態を迅速かつ高精度で監視することができる点で産業上極めて有用である。

１： レーザ発振器
２： 光ファイバ
３： コリメートレンズ
４，８：部分反射ミラー
５： レーザ出力センサ
６，１１，２３：集光レンズ
９： 鏡筒
１０：第１光センサ
２０：第２光センサ
２１：Ｘステージ
２２：Ｙステージ
３０：加工ステージ
ＬＢ：光ビーム
Ｍ： 溶融領域
ＰＣ：演算ユニット
Ｗ： 被加工物

Claims (5)

1. 集光されたレーザ光を走査しながら被加工物に照射し、該被加工物の表面上に溶融領域を形成するレーザ加工装置であって、
   レーザ光の照射中に前記溶融領域から発生する光を検出する機能を有し、被加工物の表面において第１測定領域を検出対象とする第１光検出部と、
   レーザ光の照射中に前記溶融領域から発生する光を検出する機能を有し、被加工物の表面において、入熱領域を含み、かつ前記第１測定領域より狭い第２測定領域を検出対象とする第２光検出部と、
   前記第１光検出部から出力される第１検出信号および前記第２光検出部から出力される第２検出信号に基づいて、前記溶融領域の溶融状態を推定する演算部と、を備え、
   前記溶融領域から発生する光は、前記溶融領域から放射される熱放射光を含み、
   前記演算部は、前記第１光検出部からの信号と前記第２光検出部からの信号を加算することにより、加工異常による熱放射光の変動部分を強めた合成データを取得し、および／または、前記第１光検出部からの信号から前記第２光検出部からの信号を引算することにより、形状変化による熱放射光の変動部分を強めた変換データを取得する、レーザ加工装置。
2. 前記溶融領域から発生する光は、前記溶融領域から放射される熱放射光の他に、前記溶融領域から放射される可視光、および被加工物から反射する反射光のうちの少なくとも１つである、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. レーザ光の照射位置に対して前記第２測定領域が移動可能なように前記第２光検出部の位置を制御する位置制御部をさらに備える、請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記第１測定領域は、レーザ光が連続して照射されて形成された連続的な加工領域を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記溶融領域の走査方向に垂直な溶融幅ＤＷ、およびレーザ光の照射位置を中心とする、レーザ光の照射が終了して溶融状態が持続している凝固前領域の外接円の半径ＲＣを用いて、前記第１測定領域の半径Ｒ１は、下記の式
   １．２５×ＤＷ≦Ｒ１≦ＲＣ
   を満たす、請求項１～４のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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