JPH03504214A - レーザーにより溶接または切断を行う時の品質確認方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザーにより溶接または切断を 行う時の品質確認方法及び装置 本発明は、材料処理作業の間に、プラズマ雲中に生じる紫外線光が、検出器によ り波長約２００ｎｍ−約４５０ｎｍにおいて検出されて、加工片におけるレーザ ービーム結合、およびレーザー出力、ビーム焦点はずれ、ビーム品質、遮蔽ガス や作業ガスの供給、および加工品構造、および加工片表面の清浄状態、溶接間隙 のような他の処理パラメータの特定された限界の検査を制御しようとする過程に おいて、レーザーエネルギー、特にレーザー溶接または切断により材料を処理す るときに、品質を保証する方法に間するものである。そのような品質保証方法は 、ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ″ＥＣＬＡＴ’　８８”ｐ　５８〜５９においてＤＶＳ 　ｒｅｐｏｒｔｓ　ＮＱｌ　１３から公知である。公知の方法は、ａ、閑、方法 の後に実施され、強化されたＵＶ光感度を持つシリコンフォトダイオードからな る光感知検出器と、ａ、ｍ、　Ｕ■光波長に対してのみ透過性のある光学フィル ターを使用している。フィルターは、溶接プール（４）と、検出器との間に置か れている。受信したＵＶ光は、検出器により電気信号に変えられて、処理ユニッ トに送られる。そのような装置により、レーザー材料処理の間に、ａ、ｍパラメ ータの変化を検出し、それらを起り得る材料処理欠陥と認めることができる。

この公知の装置は、溶接プラズマにおける相反する効果を有する２つまたはそれ 以上のバラメークが同時に変化するときには、レーザー溶接処理の間に、処理欠 陥をヰ★出して指示することができないという欠点を持っている。さらに、若し 高い検出感度が調節されると、そのような装置は、過多の欠陥を指示して、それ らは実際にはレーザー溶接パラメータの障害の結果であるが、溶接失敗の結果で はない。

本発明の背景として、レーザードリル処理の監視に、フォトダイオードを使用す ることも考慮された。

コノ公知の監視方法は、ＪＰ　−ＰＳ″Ｐａｔ　ａｂｓｔ、　ｏｆ　Ｊａｐｅｎ ”　１９８７＋Ｖｏ１．１１　／１ｋｌｌ　６６．　Ｍ５９３．　Ｋｏｋａｉ　 Ｎｌ　６１２９６９８０に示されている。

本発明の目的は、ａ、ｍ、方法の装置を提案することであり、これにより、レー ザーエネルギーにより起される溶接の品質制御が、溶接処理の間、それ自体によ り影響を受け、幾つかの処理パラメータの中の１つの変化が溶接欠陥を起さない ようにすることである。

この目的を解決するためには、主クレームの特徴の項による装置を作ることが提 案される。このことは、エネルギー供給により、従って“キー溝”内の蒸気圧力 による、溶接プール（４）から放出される液体物質が、少なくとも１つのフォト ダイオードにより、波長８００ｎｍ−なるべくは１３００ｎｍにおいて光電的に 検出され、電気信号に変えられて、処理ユニットに導かれ、加工片内に生じた中 空部の寸法を判定するという利点を持っている。溶接欠陥は、請求の範囲２によ り発明された装置により検出され、請求の範囲６による処理ユニットの助けによ り、処理欠陥として信号にされる。

請求の範囲Ｉまたは２により発明された方法の基本的利点は、実際の欠陥の不明 確でない監視が可能であるという事実にある。

このことは、溶接プールから放出される液滴の寸法が、溶接部に残された小孔お よび中空部の寸法と同等であるという事実に基いている。

請求の範囲２による装置は、請求の範囲１による方法が、実用的に使用できると いう利点を持っている。請求の範囲２によるこの装置によって、都合のよいレー ザー操作処理としてのレーザー溶接処理の間、溶接部に起こる根深い小孔は、破 壊無しで検出される。このことは、請求の範囲１または２による本発明の装置の 付加的利点である。レーザー操作処理の間、レーザー処理へ、ラドに相対的な加 工片位置を検出することにより、加工片中の検出された溶接欠陥の位置は、これ から先の解析の目的の作業、または処理後の加工片に対する作業の後に、確実に 見出すことができる。

ａ、ｍ、位置検出は、作業の間、例えば回転軸が加工片に回転角度で結合されて いる増分または絶対角度エンコーダーを有する回転対称加工片に対して実現され る。

主クレーム、およびクレーム２および（または）他のクレームとの組合せによる 本発明の装置の別の利点は、穴でも小孔でも、都合のよい作業処理としてのレー ザー溶接操作の間、検出され、信号化されるという事実に存する。

従って、気密溶接が本発明の方法により行われる。この事実により、また加工片 上のａ、＋ｗ、欠陥位置検出の組合せで、レーザービームによる溶接の製品は、 さらに有利である。何故ならば、夜間移動の間にも遠方監視員なしに行い得るか らである。溶接処理は完全に文書化すことができる。生産された品質の確認は、 さらに高度の自動化、急速で欠陥のない物質の流れ、すなわちレーザー溶接ユニ ットの明らかな増加された生産性に導く。

技術の現状に従って、溶接における深層の小孔の検出は、例えば非常に高価なＸ 線カメラにより、または超音波顕微鏡による溶接作業の後にだけ可能である。

請求の範囲１および６による本発明の方法は、さらに、特にレーザーにより溶接 したり、切断を行うときに、請求の範囲２または３、または４による本発明によ る高い制御品質が、材料と、生産後の品質試験に対して必要な時間との浪費を防 止するという事実により、レーザー材料処理の効率を上げる。

放出される“スパッター”の寸法は、定められた時間の間、本発明の検出器によ り検出されている信号の積分に等しい。

請求の範囲６によれば、溶接の安定性、および（または）単一“スパッタ爆発” による加工片損傷の大きさを判定することを特徴とする 請求の範囲６による単一処理と、供給周波数の同期とは、供給周波数に依存する 信号障害が抑制されるという利点を持っている。

この事実により、信号処理ユニットは、主周波数が５０Ｈｚと６０Ｈｚとの間に 変えられるならば、それを調節することなしに正しく動作するであろう。

請求の範囲３による本発明の近■Ｒ感知装置の付加的の利点は、それを既存のＵ Ｖ信号監視ユニットに遅れて積分して入れることが可能であることにある。

請求の範囲２．３および４による装置は、唯１つの検出器ヘッドが取付けられて 、調節されという容易な取扱いにより特徴付けられる。

ａ、ｍ、装置が集束レンズなしでも動作するという事実は、この場合におけるよ うに、検出器ヘッドの確実な調節が必要でなく、検出ヘッドの近似的な心合せで 充分であるので、装置の操作において付加的な利点を与える。

本発明のａ、ｍ、！置に加えて、ＵＶ信号も検出できる。請求の範囲４および５ によるａ、ｍ、装置の両者の組合せは、レーザーで作られた溶接の品質に確実な オン・ラインを声明の可能性を与える。

何故ならば、付加的なＵＶ情報は、検出された近ＩＲ信号の正しい中断に役立つ からである。ＵＶ光は、充分なレーザーエネルギーが加工片に注入されると直ぐ に、生じるので、このことは、溶接処理の開始および終端の検出に依存しないで 、非接触およびレーザーシステムの可能性を与える。ａ、＋ｍ、処理は、レーザ ビームによる切断に利用することもできるが、上部および下部の場所の切断処理 の間、作業スポットが本発明による方法により監視されている点が相違している 。

請求の範囲５による装置は、上部検出器の助けによってレーザーせん孔処理を監 視しく第７図参照）、また主として下部検出器の助けによってレーザー切断に監 視するために有利である。

上記の利点は、ＣＯレーザーによるばかりでなくパルス化された固体状態パワー レーザによって動作するレーザー処理ユニ・ノドにも適用される。

さらに別の利点は、以下に記載の有利な利用において示される。

図面は適当に組合わされてもよく、組合せは請求の範囲１または各請求項の組合 せを参照して行えばよい。

次に本発明を実施例について説明する。

第１図は、レーザービームにより金属を溶接するときの有利な輪郭部における本 発明による品質確認装置の正面図、第２、特許請求の範囲２による本発明の装置 の有利な設計による装置の正面図、 第３図は、請求の範囲３による本発明の装置の有利な設計による装置の正面図、 第４図は、請求の範囲４による本発明の装置の有利な設計による装置の正面図、 第５図は、請求の範囲２−４の１つによる本発明の方法による有利な溶接装置の 輪郭を示す正面図、 第６図は、請求の範囲２による本発明の方法による有利な溶接装置の輪郭を示す 正面図、 第７図は、請求の範囲５による本発明の方法による有利な切断装置の輪郭を示す 正面図、 第８図は、請求の範囲６による本発明の信号処理装置の有利な輪郭を示す接続図 である。

起り得る溶接欠陥は大体の検査によれば、次の２つのグループに類別される。

１、溶接欠陥は、レーザー処理作業の間に、処理における材料の過度の蒸発率に より、または不純物により（この場合には穴および小孔が発生し得る）起される 。

２、溶接欠陥は、処理の後で、材料を冷却している間に、レーザーエネルギーに より溶接部の中に生じる間隙である。

請求の範囲に記載された発明は、ａ、ｔｏ、類別１の溶接欠陥の信転できるオン ・ライン検出を可能にする。

溶接ブール４の上の集束レンズ２を通ってレーザービームを集中させることによ り加工片５にエネルギーが供給されている間に、“キー溝”６が加工片の内部に 入って行き、そこから“金属スパッター”１５の形をした液体材料が突発して放 出され、プリズム雲３が“キー溝”上に生じる。

溶接処理スポット４は、集束レンズ１０および、なるべくは着色ガラスフィルタ ー型ＵＧＩＩの光学帯域フィルター９を通って、フォト検出器８に投写される。

光学的成分は、円筒状ハウジング７内に取付けられているが、このハウジングは 、溶接処理方向における“レンズ遮蔽”を設けられており、周辺光から検出器を 保護している。開口１４は、セットスクリューとして形成されていて、検出器ヘ ッド内に偏心して取付けられている（第１および２図参照）、フォトダイオード ８の信号は、前増幅器１１により変形されて、信号を処理ユニット１２により処 理できるレンズにする。処理ユニットにおいて検出される溶接欠陥は、インター フェース回路１３を経て別の制御目的に使用することができる（特に、不良溶接 個所を類別するために）。検出器ヘッドの光学軸１６は、作業スポット４の直ぐ 上の場所に向けられる。移動可能な開口１４の助けにより、溶接ブール４がＩＲ 惑知知検出８投写されることを防止される。請求の範囲１および（または）２に よる検出器ヘッドの詳細は第２図に示されている。そのような装置は、光感知検 出器８、特にシリコンフォトダイオードと、ａ、ｍ、近ＩＲ光波長に対してだけ 透明な光学フィルター９とから成っている。フィルター９は、溶接ブール４と、 検出器８との間に配置されている。

検出された光信号は、検出器８により電気信号に変換され、処理ユニソ）１１． １２において処理される。フォトダイオード８への電気接続は、接続体２１と、 接続ケーブル２２とを経て行われる。前増幅器１１は、検出器ヘッドハウジング 内に取付けられると都合がよい。第３図は、請求の範囲３による装置のＵＶ−Ｉ Ｒ組合せ設計の都合のよい設計を示している。

フォトダイオード８は、シリコンフォトダイオードで、これは良好な近ＩＲ感度 および良好な近ＵＶ感度を持っている。フィルター２９は着色ガラス型ＵＧ３で 、ａ、Ｉｌｌ、波長の両方に対して透過性のものである。

第４図に示されて装置は、請求の範囲２による本発明の装置を、ＵＶ検出器に組 合わせる。本発明の装置に対する有利な特徴はすべて、“レンズ遮蔽”７を有す る共通検出器保護ハウジング内の４５°の菫光鏡２０を使用し、移動可能な開口 １４を使用することにより、２つの光検出器８（ＩＲ）および１８（ＵＶ）を場 所的に分離することにより組合わされている。この場合に、光検出器の前方の着 色ガラス　フィルターは、鏡２０とシリコンフォトダイオード８とが既に帯域フ ィルターの振舞をするので不必要である。

第５図は、請求の範囲２−４の中の１つによる本発明の利用に対する有利な溶接 装置を示している。請求の範囲２または４による検出器ヘッドに対しては、水平 線に対する検出器１６の光学軸の角度２３は、０°と３０°との間、請求の範囲 ３による検出器ヘッドに対してはは一゛０°である（第５図参照）。第６図は、 請求の範囲２による本発明の装置の利用に対する溶接装置を示している。フォト ダイオード８を有する近ＩＲ検出器ヘッドは、請求の範囲１、または２、または ４に対する有利な設計の相当する。

ＵＶ検出器ヘッドは、近ＩＲ検出器ヘッドにイ以た構造をしているが、異なった 光学的成分を含んでいる（フォトダイオード８２着色ガラスまたは干渉フィルタ ー１９）。第７図は、請求の範囲５による有利な切断装置を示す。検出器ヘッド は、請求の範囲１゜２．３または４に相当し、レーザー処理スポットの上および 下の同じ設計において使用される（第７図参照）。この装置においては、上記検 出器は、せん孔処理を監視するために使用され、下部検出器は、切断処理を監視 するために使用される。

近ＩＲ信号の処理は、第８図に示されているような接続により行われる。請求の 範囲２による検出器ヘッド７は、信号を前増幅器１１に供給する。増幅された信 号は、周囲の光のレベルを抑制するために高域フィルター２４を通過する。第１ の比較器２８は、高域フィルター２４の出力信号を限界値（ＳＣＨＷＥＬＬＥ） 　　３０と比較するが、これは“キー溝”からの単一の強力な“噴出”１５を監 視するために設定されている。“単一噴出”の継続時間は、溶接部における単一 の大きい穴の大きさを与える。そのような“噴出”の継続時間は、２７　（スト ップウォッチ）により測定され、得られた情報は、欠陥検出の目的で２６の中に 集められる。生産された溶接の安定性は、積分器３２内で２４からの信号を積分 することにより検査される。積分器は、３３と変換器３４とを経て主周波数と同 期して動作する。積分器３２の出力信号は、さらに、第２の比較器２８において 処理される。限界値（ＳＣＨＷＥＬＬＥ）　　３１を超過したことは、溶接の安 定性の消失を意味する。故障の継続時間は、３５（２６に類似）により測定され 、さらに、２６により処理される。そこで、欠陥信号は、インターフェース回路 １３を経て回路出力端２５に達する。

１１２１／’９８１１　　　　　　　　　２Ｌ＋国際調査報告 □１□−’　ＰＣＴ／ＥＰ　９０１００４１２国際調査報告 ＨＰ　　９０００４１２

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．材料処理作業の間に、プラズマ雲中に生じる紫外線光が、検出器により波長 約２００ｎｍ−約４５０ｎｍにおいて検出されて、加工片におけるレーザービー ム結合、およびレーザー出力、ビーム焦点はずれ、ビーム品質、遮蔽ガスや作業 ガスの供給、および加工品構造、および加工片表面の清浄状態、溶接間隙のよう な他の処理パラメータの特定された限界の検査を制御する過程で、レーザーエネ ルギーにより溶接または切断を行う時の品質確認方法において、エネルギーを供 給しているときに生じる“キー溝”内の蒸気圧力により溶接プールから放出され る液体材料の量が、少なくとも１つのフォトダイオードにより、波長８００〜１ ３００ｎｍにおいて検出され、電気信号に変換され、処理ユニットに供給されて 、加工片内に生じた中空部の寸法を判定するようにすることを特徴とする、レー ザーにより溶接または切断を行う時の品質確認方法。
2. ２．請求項１によるレーザー溶接のときに、品質を確認する装置において、放出 される材料の検出が、波長８００〜１３００ｎｍを感知し、検出器保護ハウジン グ（７）に取付けられている少なくとも１つのフォトダイオード（８）により行 われ、前記ハウジングは、周囲光の障害に対してａ．ｍ．フォトダイオードを保 護するための“レンズ遮蔽”と、検出器保護ハウジングの光学軸（１６）に直立 して動かされて、フォトダイオードと溶接プーリとの間の直接目に見える接触を 防止していることを特徴とする、レーザー溶接時の品質確認装置。
3. ３．請求項２による装置において、検出器ハウジング内の少なくとも２つのＳｉ フォトダイオード（８，１８）と、検出器ハウジング（７）と溶接プール（４） との間に置かれた光学的ＵＶ−およびＩＲフィルター（２９）、例えば着色ガラ スフィルターＵＧ３とを備えたことを特徴とする品質確認装置。
4. ４．請求項３による装置において、少なくとも異なった２つのフォトダイオード （８，１８）、および４５°紫外線鏡のような半透明鏡（２０）と、ＵＶ−およ び近ＩＲ放射を分離している光学フィルタ（１９）との組合せを備えたことを特 徴とする品質確認装置。
5. ５．レーザー切断を行う時、この処理を制御するため、またはレーザーせん孔処 理を制御するため、ＵＶ感知検知器ヘッドと、その信号処理ユニットとを含む、 請求項１による品質確認装置において、少なくとも２つの異なったＩＲ感知フォ トダイオード（８）における光学レーザービーム軸（１）の周りのレーザー処理 された“キー溝”（６）に隣接する加工片の上および下の場所を投写することを 特徴とする品質確認装置。
6. ６．請求項１による信号処理方法において、近ＩＲ感知フォトダイオードの信号 を使用される主周期の倍数（例えば６０Ｈｚに対してはＴ＝ｎ・１６．６ｍΔ） 時間に等しい期間の間積分し、積分された信号を予め調節された限界値と比較す ることを特徴とする信号処理方法。