レーザ加工ヘッド
【課題】レーザ加工ヘッドを大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングできるようにしたレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】平行レーザ光Ｌ１１にしたレーザ光Ｌ１０を反射ミラー１１３，１１４により２分割し、この分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂを集光レンズ群１１５にて被加工部Ｗに集光させることによりレーザ溶接を行うにあたって、集光レンズ群１１５により捕らえられた溶接部の光学像をイメージセンサ１３１上に結像する。ガイド光源１３２からスリット光を溶接開先に照射すると、画像処理装置１４０ではスリット光が溶接開先を横断する状態の画像を認識でき、溶接開先位置の認識もできる。また、イメージセンサの代わりに、プラズマの光や溶融金属の発する光を受光できるセンサを配置すれば、発光状態の認知もできる。
【解決手段】平行レーザ光Ｌ１１にしたレーザ光Ｌ１０を反射ミラー１１３，１１４により２分割し、この分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂを集光レンズ群１１５にて被加工部Ｗに集光させることによりレーザ溶接を行うにあたって、集光レンズ群１１５により捕らえられた溶接部の光学像をイメージセンサ１３１上に結像する。ガイド光源１３２からスリット光を溶接開先に照射すると、画像処理装置１４０ではスリット光が溶接開先を横断する状態の画像を認識でき、溶接開先位置の認識もできる。また、イメージセンサの代わりに、プラズマの光や溶融金属の発する光を受光できるセンサを配置すれば、発光状態の認知もできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工ヘッドに関する。本発明が対象とするレーザ加工ヘッドは、レーザ光を２分割してから被加工部に集光させることによりレーザ加工（例えばレーザ溶接）を行うと共に、分割したレーザ光の間に配置した加工手段の先端加工部による加工（例えばアーク溶接）も同時に行うタイプのレーザ加工ヘッドである。
本発明では、かかるタイプのレーザ加工ヘッドにおいて、大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングできるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
金属同士を接合する溶接技術の一種として、レーザ溶接とアーク溶接がある。レーザ溶接では、レーザ光を光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うことができる。一方、アーク溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能である。
【０００３】
このため、近年では溶接範囲が広く且つ深溶け込みの溶接を行うことを目的として、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができるレーザ加工ヘッドが開発されてきた。
【０００４】
ここで、本願発明者が先に開発して出願し、出願公開（特開２００２−５９２８６）さたレーザ加工ヘッドの概要について、図３を参照して説明する。
【０００５】
図３に示すレーザ加工ヘッド１０では、外筒１１内に、コリメートレンズ群１２と、第１反射ミラー１３と、第２反射ミラー１４と、集光レンズ群１５と、電極ヘッド１６で保持したアーク電極１７が備えられている。
【０００６】
ＹＡＧレーザ発振器（図示省略）から出力されて光ファイバ２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ０は、レーザ加工ヘッド１０のコリメートレンズ群１２に向けて照射される。このレーザ光Ｌ０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したコリメートレンズ群１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１となる。
【０００７】
平行レーザ光Ｌ１の一部は、第１反射ミラー１３により、平行レーザ光Ｌ０の光軸に対して直交する方向に反射される。このようにして、平行レーザ光Ｌ１は、第１反射ミラー１３により反射されなかった残りの分割レーザ光Ｌ２ａと、第１反射ミラー１３により反射された分割レーザ光Ｌ２ｂとに分かれる。
【０００８】
分割レーザ光Ｌ２ｂは、第２反射ミラー１４により、平行レーザ光Ｌ１及び分割レーザ光Ｌ２ａの光軸に対して平行な方向に反射される。
このようにして、分割レーザ光Ｌ２ａと分割レーザ光Ｌ２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【０００９】
分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、複数枚のレンズを直列配置して構成された集光レンズ群１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００１０】
電極ヘッド１６により外筒１１に支持されたアーク電極１７は、集光レンズ１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ２ａと分割レーザ光Ｌ２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極１７により、アーク溶接が行われる。
【００１１】
このようにして、このレーザ加工ヘッド１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−５９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した、レーザ溶接とアーク溶接を同時に行うことができる、または一方だけの溶接を行うことができる、加工ヘッド１０において、溶接時における溶接状態等を観察したいという要望がある。
この要望を実現するには、レーザ加工ヘッド１０により溶接している部分を撮影することができる撮像手段を、レーザ加工ヘッド１０の横に取り付け、レーザ加工ヘッド１０の移動に同期して撮像手段を移動していけばよい。
しかし、このような撮像手段を、レーザ加工ヘッド１０とは別に取り付けると、装置構成が大型化する。また、レーザ加工ヘッド１０の横に、撮像手段を配置した場合には、溶接の際に、撮像手段が、周囲の部材に干渉（衝突）してしまうことがあり、溶接精度や溶接効率が低下してしまうことがある。
【００１４】
本発明は上記従来技術に鑑み、レーザ溶接等のレーザ加工と、アーク溶接等の加工を同時に行うレーザ加工ヘッドにおいて、装置構成を大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングできるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、２分割した２つの分割レーザ光を、互いに平行で空間的に離れた２つの分割光路に沿い個別に伝送する分割光学系と、
前記分割光学系から伝送されてきた２分割された分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、２分割された分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、２つの前記分割光路のうちの一方の分割光路を伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１６】
また本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射されなかった第１の分割レーザ光と、反射された第２の分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、
第１反射ミラーにより反射された第２の分割レーザ光を更に反射して、第１の分割レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を透過させる第２反射ミラーと、
第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１７】
また本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力されて平行になった平行レーザ光を反射して、第１の分割レーザ光と第２の分割レーザ光とに２分割するビームスプリッタと、
第１の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行な方向に進行させる第１反射ミラーと、
第２の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を透過させる第２反射ミラーと、
第１反射ミラーにて反射された第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明の構成は、
前記被加工部に向けて可視光であるガイド光を照射するガイド光源や、
前記被加工部に向けてスリット状の可視光であるガイド光を斜めに照射するガイド光源を備えていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の構成は、
前記センサは、イメージセンサであったり、
前記センサは、光の色から温度を判定する温度センサであることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の構成は、
前記加工手段の先端加工部は、ＧＭＡ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、または、ろう材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、レーザ光を２分割してから被加工部に集光させることによりレーザ加工（例えばレーザ溶接）を行うと共に、分割したレーザ光の間に配置した加工手段の先端加工部による加工（例えばアーク溶接）も同時に行うタイプのレーザ加工ヘッドにおいて、加工ヘッドの構造を大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングすることができる。
このため、被加工部の状態や、溶接状態や、位置制御などを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は本発明の実施例１に係るレーザ加工ヘッド１１０を備えたレーザ加工装置１００を示す。
【００２４】
実施例１に係るレーザ加工ヘッド１１０では、外筒１１１内に、コリメートレンズ群１１２と、第１反射ミラー１１３と、第２反射ミラー１１４と、集光レンズ群１１５と、ヘッド１１６で保持したアーク電極１１７と、調整光学系１３０と、イメージセンサ１３１と、ガイド光源１３２が備えられている。
【００２５】
コリメートレンズ群１１２は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
第１反射ミラー１１３と第２反射ミラー１１４により、分割光学系が構成されている。第１反射ミラー１１３は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）を反射するフラットミラーである。第２反射ミラー１１４は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）は反射するが、このレーザ光の波長以外の波長の光、即ち、可視光（波長が例えば３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）及び紫外光，赤外光の一部を透過させるフラットミラーである。この第２反射ミラー１１４は、具体的には、石英に透明な赤外系反射コートが施されて構成されており、レーザ光に対しては全反射ミラーとして機能し、可視光に対しては透明板として機能するものである。
【００２６】
集光レンズ群１１５は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ヘッド１１６は、集光レンズ群１１５よりも下方側、つまり、母材（被加工部）Ｗ側に位置しており、後述する２つの分割レーザ光Ｌ１２ａ、Ｌ１２ｂの間の位置に占位するように配置されている。なお、アーク電極１１７としては、ＧＭＡ（gas metal arc welding）電極やＴＩＧ（tungusten inert gas welding）電極を用いることができる。
【００２７】
調整光学系１３０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
イメージセンサ１３１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により構成したものである。
ガイド光源１３２は、母材Ｗに向けて可視光であるガイド光を斜めに照射するものである。このガイド光源１３２は、後述する検査項目によっては使用しなくても良い場合がある。
ガイド光源１３２は、単なる照度を上げるためのガイド光を照射する場合と、スリット光を照射する場合とがある。
【００２８】
ＹＡＧレーザ発振器１２１から出力されて光ファイバ１２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ１０は、レーザ加工ヘッド１１０のコリメートレンズ群１１２に向けて照射される。コリメートレンズ群１１２に入力されたレーザ光Ｌ１０は、コリメートレンズ群１１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１１として出力される。
【００２９】
平行レーザ光Ｌ１１の一部は、第１反射ミラー１１３により、平行レーザ光Ｌ１０の光軸に対して直交する方向に反射される。このようにして、平行レーザ光Ｌ１０は、第１反射ミラー１１３により反射されなかった第１の分割レーザ光Ｌ１２ａと、第１反射ミラー１１３により反射された第２の分割レーザ光Ｌ１２ｂとに分かれる。
【００３０】
分割レーザ光Ｌ１２ｂは、第２反射ミラー１１４により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ１１及び分割レーザ光Ｌ１２ａの光軸に対して平行な方向に進行する。
このようにして、分割レーザ光Ｌ１２ａと分割レーザ光Ｌ１２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【００３１】
分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂは、集光レンズ群１１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００３２】
ヘッド１１６により外筒１１１に支持されたアーク電極１１７は、集光レンズ１１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ１２ａと分割レーザ光Ｌ１２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極１１７により、アーク溶接が行われる。
【００３３】
このようにして、このレーザ加工ヘッド１１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
なお、アーク電極１１７の代わりに、筒状のヘッド１１６からフィラワイヤや、ろう材を供給して、フィラ溶接やロウ付けをすることもできる。
【００３４】
母材Ｗの被加工部分から発した光（光学像）は、集光レンズ１１５にて捕らえられ、反射ミラー１１４を透過して調整光学系１３０に伝播してくる。この光（光学像）は、調整光学系１３０にてイメージセンサ１３１上に集光（結像）される。このため、イメージセンサ１３１では、母材Ｗの被加工部分の画像を光電変換して画像信号Ｓとして出力する。
なお、集光レンズ系１１５から第２反射ミラー１１４に至る光学経路を、請求項１では「一方の分割光路」と称している。
【００３５】
画像処理装置１４０は、画像信号Ｓを信号処理して、モニタ１４１上に、母材Ｗの被加工部分（つまり、集光レンズ１１５にて捕らえた画像）を映し出す。
【００３６】
このとき、操作者が、モニタ１４１に映し出された画像を目視認識することにより、例えば溶接加工する前における、被加工部分の状態を観察することができる。
また溶接が完了した後に、溶接完了した部位（溶接が完了した溶接線）に沿いレーザ加工ヘッド１１０を移動させていけば、溶接完了した部位の状態（肉盛り状態）などを、モニタ１４１に映し出して目視確認することもできる。
【００３７】
また画像処理装置１４０にて画像処理した結果をもとに、制御装置１４２では、レーザ加工ヘッド１１０と母材Ｗとの位置関係を認識し、溶接開始前における位置合わせをするように、レーザ加工ヘッド１１０の位置制御をすることもできる。
【００３８】
なお、被加工部分が暗い場合には、ガイド光源１３２から照度をあげるために照明用のガイド光（可視光）を母材Ｗに向けて照射するようにしてもよい。
【００３９】
またガイド光源１３２からスリット光（可視光）を母材Ｗの被加工部分である溶接開先を横断する状態で当てると、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像が、集光レンズ１１５，第２反射ミラー１１４及び調整光学系１３０を介してイメージセンサ１３１に結像される。このため、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を示す画像信号Ｓが画像処理装置１４０に送られる。
【００４０】
このとき画像処理装置１４０では、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を画像処理することにより、三角測量の原理を応用して、溶接開先の位置を検出することができる。なお、この位置検出手法は周知技術であるので、その詳細説明は省略する。
レーザ加工ヘッド１１０を溶接開先（溶接線）に沿って移動させていくときに、このような処理を連続的に行うことにより、画像処理装置１４０は溶接線位置を認識できる。画像処理装置１４０にて認識した溶接線位置をもとに、制御装置１４２では、レーザ加工ヘッド１１０が溶接線位置に沿って移動するように、倣い制御をすることができる。
【００４１】
また画像処理装置１４０では、画像の色ならびに色分布を処理・検出することにより、例えば溶接中における、溶融池の温度状態やプラズマ発光の温度状態などを判定することもできる。
【００４２】
さらに、イメージセンサ１３１の代わりに、光の色から温度を判定する温度センサを取り付け、この温度センサの検出結果をもとに、母材Ｗの温度状況を判定・検出することもできる。
さらに、イメージセンサ１３１の代わりに、プラズマから発光する紫外光等を検知する強度センサを取り付けることで溶接状況を判定することもできる。又、加工に使用するレーザの反射光を検知するセンサを取り付けることで溶接加工状態を判定することもできる。
【００４３】
実施例１のレーザ加工ヘッド１１０では、レーザ溶接とアーク溶接が同時にできるようにするためレーザ光を一旦２分割した後に集光している。このような構成になっている実施例１のレーザ加工ヘッド１１０では、第２反射ミラー１１４の上方位置が光学的・空間的に余裕があるので、この位置に調整光学系１３０やイメージセンサ１３１を配置した。このため、レーザ加工ヘッド１１０の大型化を招来することなく、被溶接部分の画像認識などのモニタリングを行うことができる。
【実施例２】
【００４４】
図２は本発明の実施例２に係るレーザ加工ヘッド２１０を備えたレーザ加工装置２００を示す。
【００４５】
実施例２に係るレーザ加工ヘッド２１０では、外筒２１１内に、コリメートレンズ群２１２と、ビームスプリッタ２１８と、第１反射ミラー２１３と、第２反射ミラー２１４と、集光レンズ群２１５と、ヘッド２１６で保持したアーク電極２１７と、調整光学系２３０と、イメージセンサ２３１と、ガイド光源２３２が備えられている。
【００４６】
コリメートレンズ群２１２は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ビームスプリッタ２１８は、レーザ光を２分割する機能をする光学素子である。
第１反射ミラー２１３と第２反射ミラー２１４により、分割光学系が構成されている。第１反射ミラー２１３は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）を反射するフラットミラーである。第２反射ミラー２１４は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）は反射するが、このレーザ光の波長以外の波長の光、即ち、可視光（波長が例えば３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）及び紫外光，赤外光の一部を透過させるフラットミラーである。この第２反射ミラー２１４は、具体的には、石英に透明な赤外系反射コートが施されて構成されており、レーザ光に対しては全反射ミラーとして機能し、可視光に対しては透明板として機能するものである。
【００４７】
集光レンズ群２１５は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ヘッド２１６は、集光レンズ群２１５よりも下方側、つまり、母材（被加工部）Ｗ側に位置しており、後述する２つの分割レーザ光Ｌ２２ａ、Ｌ２２ｂの間の位置に占位するように配置されている。なお、アーク電極２１７としては、ＧＭＡ（gas metal arc welding）電極やＴＩＧ（tungusten inert gas welding）電極を用いることができる。
【００４８】
調整光学系２３０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
イメージセンサ２３１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により構成したものである。
ガイド光源２３２は、母材Ｗに向けて可視光であるガイド光を斜めに照射するものである。このガイド光源２３２は、後述する検査項目によっては使用しなくても良い場合がある。
ガイド光源２３２は、単なる照度を上げるためのガイド光を照射する場合と、スリット光を照射する場合とがある。
【００４９】
ＹＡＧレーザ発振器２２１から出力されて光ファイバ２２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ２０は、レーザ加工ヘッド２１０のコリメートレンズ群２１２に向けて照射される。コリメートレンズ群２１２に入力されたレーザ光Ｌ２０は、コリメートレンズ群２１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ２１として出力される。
【００５０】
平行レーザ光Ｌ２１は、ビームスプリッタ２１８により、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して直交する方向で、互いに進行方向が逆向きの、第１の分割レーザ光Ｌ２２ａと第１の分割レーザ光Ｌ２２ｂに２分割される。
【００５１】
第１反射ミラー２１３に向かって進行していった分割レーザ光Ｌ２２ａは、第１反射ミラー２１３により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して平行な方向に進行する。
第２反射ミラー２１４に向かって進行していった分割レーザ光Ｌ２２ｂは、第２反射ミラー２１４により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して平行な方向に進行する。
このようにして、分割レーザ光Ｌ２２ａと分割レーザ光Ｌ２２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【００５２】
分割レーザ光Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂは、集光レンズ群２１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００５３】
ヘッド２１６により外筒２１１に支持されたアーク電極２１７は、集光レンズ２１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ２２ａと分割レーザ光Ｌ２２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極２１７により、アーク溶接が行われる。
【００５４】
このようにして、このレーザ加工ヘッド２１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
なお、アーク電極２１７の代わりに、筒状のヘッド２１６からフィラワイヤや、ろう材を供給して、フィラ溶接やロウ付けをすることもできる。
【００５５】
母材Ｗの被加工部分から発した光（光学像）は、集光レンズ２１５にて捕らえられ、反射ミラー２１４を透過して調整光学系２３０に伝播してくる。この光（光学像）は、調整光学系２３０にてイメージセンサ２３１上に集光（結像）される。このため、イメージセンサ２３１では、母材Ｗの被加工部分の画像を光電変換して画像信号Ｓとして出力する。
なお、集光レンズ系２１５から第２反射ミラー２１４に至る光学経路を、請求項１では「一方の分割光路」と称している。
【００５６】
画像処理装置２４０は、画像信号Ｓを信号処理して、モニタ２４１上に、母材Ｗの被加工部分（つまり、集光レンズ２１５にて捕らえた画像）を映し出す。
【００５７】
このとき、操作者が、モニタ２４１に映し出された画像を目視認識することにより、例えば溶接加工する前における、被加工部分の状態を観察することができる。
また溶接が完了した後に、溶接完了した部位（溶接が完了した溶接線）に沿いレーザ加工ヘッド２１０を移動させていけば、溶接完了した部位の状態（肉盛り状態）などを、モニタ２４１に映し出して目視確認することもできる。
【００５８】
また画像処理装置２４０にて画像処理した結果をもとに、制御装置２４２では、レーザ加工ヘッド２１０と母材Ｗとの位置関係を認識し、溶接開始前における位置合わせをするように、レーザ加工ヘッド２１０の位置制御をすることもできる。
【００５９】
なお、被加工部分が暗い場合には、ガイド光源２３２から照度をあげるために照明用のガイド光（可視光）を母材Ｗに向けて照射するようにしてもよい。
【００６０】
またガイド光源２３２からスリット光（可視光）を母材Ｗの被加工部分である溶接開先を横断する状態で当てると、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像が、集光レンズ２１５，第２反射ミラー２１４及び調整光学系２３０を介してイメージセンサ２３１に結像される。このため、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を示す画像信号Ｓが画像処理装置２４０に送られる。
【００６１】
このとき画像処理装置２４０では、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を画像処理することにより、三角測量の原理を応用して、溶接開先の位置を検出することができる。なお、この位置検出手法は周知技術であるので、その詳細説明は省略する。
レーザ加工ヘッド２１０を溶接開先（溶接線）に沿って移動させていくときに、このような処理を連続的に行うことにより、画像処理装置２４０は溶接線位置を認識できる。画像処理装置２４０にて認識した溶接線位置をもとに、制御装置２４２では、レーザ加工ヘッド２１０が溶接線位置に沿って移動するように、倣い制御をすることができる。
【００６２】
また画像処理装置２４０では、画像の色ならびに色分布を処理・検出することにより、例えば溶接中における、溶融池の温度状態やプラズマ発光の温度状態などを判定することもできる。
【００６３】
さらに、イメージセンサ２３１の代わりに、光の色から温度を判定する温度センサを取り付け、この温度センサの検出結果をもとに、母材Ｗの温度状況を判定・検出することもできる。
さらに、イメージセンサ２３１の代わりに、プラズマから発光する紫外光等を検知する強度センサを取り付けることで溶接状況を判定することもできる。又、加工に使用するレーザの反射光を検知するセンサを取り付けることで溶接加工状態を判定することもできる。
【００６４】
実施例２のレーザ加工ヘッド２１０では、レーザ溶接とアーク溶接が同時にできるようにするためレーザ光を一旦２分割した後に集光している。このような構成になっている実施例２のレーザ加工ヘッド２１０では、第２反射ミラー２１４の上方位置が光学的・空間的に余裕があるので、この位置に調整光学系２３０やイメージセンサ２３１を配置した。このため、レーザ加工ヘッド２１０の大型化を招来することなく、被溶接部分の画像認識などのモニタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例１に係るレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【図２】本発明の実施例２に係るレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【図３】従来のレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【符号の説明】
【００６６】
100,200 レーザ加工装置
110,210 レーザ加工ヘッド
111,211 外筒
112,212 コリメートレンズ群
113,213 第1反射ミラー
114,214 第2反射ミラー
115,215 集光レンズ群
116,216 ヘッド
117,217 アーク電極
218 ビームスプリッタ
120,220 光ファイバ
121,221 ＹＡＧレーザ発振器
130,230 調整光学系
131,231 イメージセンサ
132,232 ガイド光源
140,240 画像処理装置
141,241 モニタ
142,242 制御装置
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ加工ヘッドに関する。本発明が対象とするレーザ加工ヘッドは、レーザ光を２分割してから被加工部に集光させることによりレーザ加工（例えばレーザ溶接）を行うと共に、分割したレーザ光の間に配置した加工手段の先端加工部による加工（例えばアーク溶接）も同時に行うタイプのレーザ加工ヘッドである。
本発明では、かかるタイプのレーザ加工ヘッドにおいて、大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングできるように工夫したものである。
【背景技術】
【０００２】
金属同士を接合する溶接技術の一種として、レーザ溶接とアーク溶接がある。レーザ溶接では、レーザ光を光学機器により集光して高いエネルギー密度が得られることから、狭い溶融範囲において深溶け込みの溶接を行うことができる。一方、アーク溶接では、アークが比較的広範囲に広がるため、ビード幅の広い溶接となり、開先裕度の高い溶接が可能である。
【０００３】
このため、近年では溶接範囲が広く且つ深溶け込みの溶接を行うことを目的として、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができるレーザ加工ヘッドが開発されてきた。
【０００４】
ここで、本願発明者が先に開発して出願し、出願公開（特開２００２−５９２８６）さたレーザ加工ヘッドの概要について、図３を参照して説明する。
【０００５】
図３に示すレーザ加工ヘッド１０では、外筒１１内に、コリメートレンズ群１２と、第１反射ミラー１３と、第２反射ミラー１４と、集光レンズ群１５と、電極ヘッド１６で保持したアーク電極１７が備えられている。
【０００６】
ＹＡＧレーザ発振器（図示省略）から出力されて光ファイバ２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ０は、レーザ加工ヘッド１０のコリメートレンズ群１２に向けて照射される。このレーザ光Ｌ０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したコリメートレンズ群１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１となる。
【０００７】
平行レーザ光Ｌ１の一部は、第１反射ミラー１３により、平行レーザ光Ｌ０の光軸に対して直交する方向に反射される。このようにして、平行レーザ光Ｌ１は、第１反射ミラー１３により反射されなかった残りの分割レーザ光Ｌ２ａと、第１反射ミラー１３により反射された分割レーザ光Ｌ２ｂとに分かれる。
【０００８】
分割レーザ光Ｌ２ｂは、第２反射ミラー１４により、平行レーザ光Ｌ１及び分割レーザ光Ｌ２ａの光軸に対して平行な方向に反射される。
このようにして、分割レーザ光Ｌ２ａと分割レーザ光Ｌ２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【０００９】
分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、複数枚のレンズを直列配置して構成された集光レンズ群１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００１０】
電極ヘッド１６により外筒１１に支持されたアーク電極１７は、集光レンズ１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ２ａと分割レーザ光Ｌ２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極１７により、アーク溶接が行われる。
【００１１】
このようにして、このレーザ加工ヘッド１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−５９２８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述した、レーザ溶接とアーク溶接を同時に行うことができる、または一方だけの溶接を行うことができる、加工ヘッド１０において、溶接時における溶接状態等を観察したいという要望がある。
この要望を実現するには、レーザ加工ヘッド１０により溶接している部分を撮影することができる撮像手段を、レーザ加工ヘッド１０の横に取り付け、レーザ加工ヘッド１０の移動に同期して撮像手段を移動していけばよい。
しかし、このような撮像手段を、レーザ加工ヘッド１０とは別に取り付けると、装置構成が大型化する。また、レーザ加工ヘッド１０の横に、撮像手段を配置した場合には、溶接の際に、撮像手段が、周囲の部材に干渉（衝突）してしまうことがあり、溶接精度や溶接効率が低下してしまうことがある。
【００１４】
本発明は上記従来技術に鑑み、レーザ溶接等のレーザ加工と、アーク溶接等の加工を同時に行うレーザ加工ヘッドにおいて、装置構成を大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングできるレーザ加工ヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決する本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、２分割した２つの分割レーザ光を、互いに平行で空間的に離れた２つの分割光路に沿い個別に伝送する分割光学系と、
前記分割光学系から伝送されてきた２分割された分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、２分割された分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、２つの前記分割光路のうちの一方の分割光路を伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１６】
また本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射されなかった第１の分割レーザ光と、反射された第２の分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、
第１反射ミラーにより反射された第２の分割レーザ光を更に反射して、第１の分割レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を透過させる第２反射ミラーと、
第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１７】
また本発明の構成は、
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力されて平行になった平行レーザ光を反射して、第１の分割レーザ光と第２の分割レーザ光とに２分割するビームスプリッタと、
第１の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行な方向に進行させる第１反射ミラーと、
第２の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を透過させる第２反射ミラーと、
第１反射ミラーにて反射された第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光（可視光や、紫外光や、赤外光の一部）が集光される位置に配置されたセンサと、を有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明の構成は、
前記被加工部に向けて可視光であるガイド光を照射するガイド光源や、
前記被加工部に向けてスリット状の可視光であるガイド光を斜めに照射するガイド光源を備えていることを特徴とする。
【００１９】
また本発明の構成は、
前記センサは、イメージセンサであったり、
前記センサは、光の色から温度を判定する温度センサであることを特徴とする。
【００２０】
また本発明の構成は、
前記加工手段の先端加工部は、ＧＭＡ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、または、ろう材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、レーザ光を２分割してから被加工部に集光させることによりレーザ加工（例えばレーザ溶接）を行うと共に、分割したレーザ光の間に配置した加工手段の先端加工部による加工（例えばアーク溶接）も同時に行うタイプのレーザ加工ヘッドにおいて、加工ヘッドの構造を大型化することなく、被加工部の状態等をモニタリングすることができる。
このため、被加工部の状態や、溶接状態や、位置制御などを容易に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００２３】
図１は本発明の実施例１に係るレーザ加工ヘッド１１０を備えたレーザ加工装置１００を示す。
【００２４】
実施例１に係るレーザ加工ヘッド１１０では、外筒１１１内に、コリメートレンズ群１１２と、第１反射ミラー１１３と、第２反射ミラー１１４と、集光レンズ群１１５と、ヘッド１１６で保持したアーク電極１１７と、調整光学系１３０と、イメージセンサ１３１と、ガイド光源１３２が備えられている。
【００２５】
コリメートレンズ群１１２は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
第１反射ミラー１１３と第２反射ミラー１１４により、分割光学系が構成されている。第１反射ミラー１１３は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）を反射するフラットミラーである。第２反射ミラー１１４は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）は反射するが、このレーザ光の波長以外の波長の光、即ち、可視光（波長が例えば３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）及び紫外光，赤外光の一部を透過させるフラットミラーである。この第２反射ミラー１１４は、具体的には、石英に透明な赤外系反射コートが施されて構成されており、レーザ光に対しては全反射ミラーとして機能し、可視光に対しては透明板として機能するものである。
【００２６】
集光レンズ群１１５は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ヘッド１１６は、集光レンズ群１１５よりも下方側、つまり、母材（被加工部）Ｗ側に位置しており、後述する２つの分割レーザ光Ｌ１２ａ、Ｌ１２ｂの間の位置に占位するように配置されている。なお、アーク電極１１７としては、ＧＭＡ（gas metal arc welding）電極やＴＩＧ（tungusten inert gas welding）電極を用いることができる。
【００２７】
調整光学系１３０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
イメージセンサ１３１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により構成したものである。
ガイド光源１３２は、母材Ｗに向けて可視光であるガイド光を斜めに照射するものである。このガイド光源１３２は、後述する検査項目によっては使用しなくても良い場合がある。
ガイド光源１３２は、単なる照度を上げるためのガイド光を照射する場合と、スリット光を照射する場合とがある。
【００２８】
ＹＡＧレーザ発振器１２１から出力されて光ファイバ１２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ１０は、レーザ加工ヘッド１１０のコリメートレンズ群１１２に向けて照射される。コリメートレンズ群１１２に入力されたレーザ光Ｌ１０は、コリメートレンズ群１１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ１１として出力される。
【００２９】
平行レーザ光Ｌ１１の一部は、第１反射ミラー１１３により、平行レーザ光Ｌ１０の光軸に対して直交する方向に反射される。このようにして、平行レーザ光Ｌ１０は、第１反射ミラー１１３により反射されなかった第１の分割レーザ光Ｌ１２ａと、第１反射ミラー１１３により反射された第２の分割レーザ光Ｌ１２ｂとに分かれる。
【００３０】
分割レーザ光Ｌ１２ｂは、第２反射ミラー１１４により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ１１及び分割レーザ光Ｌ１２ａの光軸に対して平行な方向に進行する。
このようにして、分割レーザ光Ｌ１２ａと分割レーザ光Ｌ１２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【００３１】
分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂは、集光レンズ群１１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ１２ａ，Ｌ１２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００３２】
ヘッド１１６により外筒１１１に支持されたアーク電極１１７は、集光レンズ１１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ１２ａと分割レーザ光Ｌ１２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極１１７により、アーク溶接が行われる。
【００３３】
このようにして、このレーザ加工ヘッド１１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
なお、アーク電極１１７の代わりに、筒状のヘッド１１６からフィラワイヤや、ろう材を供給して、フィラ溶接やロウ付けをすることもできる。
【００３４】
母材Ｗの被加工部分から発した光（光学像）は、集光レンズ１１５にて捕らえられ、反射ミラー１１４を透過して調整光学系１３０に伝播してくる。この光（光学像）は、調整光学系１３０にてイメージセンサ１３１上に集光（結像）される。このため、イメージセンサ１３１では、母材Ｗの被加工部分の画像を光電変換して画像信号Ｓとして出力する。
なお、集光レンズ系１１５から第２反射ミラー１１４に至る光学経路を、請求項１では「一方の分割光路」と称している。
【００３５】
画像処理装置１４０は、画像信号Ｓを信号処理して、モニタ１４１上に、母材Ｗの被加工部分（つまり、集光レンズ１１５にて捕らえた画像）を映し出す。
【００３６】
このとき、操作者が、モニタ１４１に映し出された画像を目視認識することにより、例えば溶接加工する前における、被加工部分の状態を観察することができる。
また溶接が完了した後に、溶接完了した部位（溶接が完了した溶接線）に沿いレーザ加工ヘッド１１０を移動させていけば、溶接完了した部位の状態（肉盛り状態）などを、モニタ１４１に映し出して目視確認することもできる。
【００３７】
また画像処理装置１４０にて画像処理した結果をもとに、制御装置１４２では、レーザ加工ヘッド１１０と母材Ｗとの位置関係を認識し、溶接開始前における位置合わせをするように、レーザ加工ヘッド１１０の位置制御をすることもできる。
【００３８】
なお、被加工部分が暗い場合には、ガイド光源１３２から照度をあげるために照明用のガイド光（可視光）を母材Ｗに向けて照射するようにしてもよい。
【００３９】
またガイド光源１３２からスリット光（可視光）を母材Ｗの被加工部分である溶接開先を横断する状態で当てると、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像が、集光レンズ１１５，第２反射ミラー１１４及び調整光学系１３０を介してイメージセンサ１３１に結像される。このため、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を示す画像信号Ｓが画像処理装置１４０に送られる。
【００４０】
このとき画像処理装置１４０では、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を画像処理することにより、三角測量の原理を応用して、溶接開先の位置を検出することができる。なお、この位置検出手法は周知技術であるので、その詳細説明は省略する。
レーザ加工ヘッド１１０を溶接開先（溶接線）に沿って移動させていくときに、このような処理を連続的に行うことにより、画像処理装置１４０は溶接線位置を認識できる。画像処理装置１４０にて認識した溶接線位置をもとに、制御装置１４２では、レーザ加工ヘッド１１０が溶接線位置に沿って移動するように、倣い制御をすることができる。
【００４１】
また画像処理装置１４０では、画像の色ならびに色分布を処理・検出することにより、例えば溶接中における、溶融池の温度状態やプラズマ発光の温度状態などを判定することもできる。
【００４２】
さらに、イメージセンサ１３１の代わりに、光の色から温度を判定する温度センサを取り付け、この温度センサの検出結果をもとに、母材Ｗの温度状況を判定・検出することもできる。
さらに、イメージセンサ１３１の代わりに、プラズマから発光する紫外光等を検知する強度センサを取り付けることで溶接状況を判定することもできる。又、加工に使用するレーザの反射光を検知するセンサを取り付けることで溶接加工状態を判定することもできる。
【００４３】
実施例１のレーザ加工ヘッド１１０では、レーザ溶接とアーク溶接が同時にできるようにするためレーザ光を一旦２分割した後に集光している。このような構成になっている実施例１のレーザ加工ヘッド１１０では、第２反射ミラー１１４の上方位置が光学的・空間的に余裕があるので、この位置に調整光学系１３０やイメージセンサ１３１を配置した。このため、レーザ加工ヘッド１１０の大型化を招来することなく、被溶接部分の画像認識などのモニタリングを行うことができる。
【実施例２】
【００４４】
図２は本発明の実施例２に係るレーザ加工ヘッド２１０を備えたレーザ加工装置２００を示す。
【００４５】
実施例２に係るレーザ加工ヘッド２１０では、外筒２１１内に、コリメートレンズ群２１２と、ビームスプリッタ２１８と、第１反射ミラー２１３と、第２反射ミラー２１４と、集光レンズ群２１５と、ヘッド２１６で保持したアーク電極２１７と、調整光学系２３０と、イメージセンサ２３１と、ガイド光源２３２が備えられている。
【００４６】
コリメートレンズ群２１２は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ビームスプリッタ２１８は、レーザ光を２分割する機能をする光学素子である。
第１反射ミラー２１３と第２反射ミラー２１４により、分割光学系が構成されている。第１反射ミラー２１３は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）を反射するフラットミラーである。第２反射ミラー２１４は、レーザ光（赤外光：波長が例えば１０６４ｎｍ）は反射するが、このレーザ光の波長以外の波長の光、即ち、可視光（波長が例えば３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）及び紫外光，赤外光の一部を透過させるフラットミラーである。この第２反射ミラー２１４は、具体的には、石英に透明な赤外系反射コートが施されて構成されており、レーザ光に対しては全反射ミラーとして機能し、可視光に対しては透明板として機能するものである。
【００４７】
集光レンズ群２１５は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
ヘッド２１６は、集光レンズ群２１５よりも下方側、つまり、母材（被加工部）Ｗ側に位置しており、後述する２つの分割レーザ光Ｌ２２ａ、Ｌ２２ｂの間の位置に占位するように配置されている。なお、アーク電極２１７としては、ＧＭＡ（gas metal arc welding）電極やＴＩＧ（tungusten inert gas welding）電極を用いることができる。
【００４８】
調整光学系２３０は、複数枚のレンズを直列配置して構成したものである。
イメージセンサ２３１は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）により構成したものである。
ガイド光源２３２は、母材Ｗに向けて可視光であるガイド光を斜めに照射するものである。このガイド光源２３２は、後述する検査項目によっては使用しなくても良い場合がある。
ガイド光源２３２は、単なる照度を上げるためのガイド光を照射する場合と、スリット光を照射する場合とがある。
【００４９】
ＹＡＧレーザ発振器２２１から出力されて光ファイバ２２０により伝送されてきたレーザ光Ｌ２０は、レーザ加工ヘッド２１０のコリメートレンズ群２１２に向けて照射される。コリメートレンズ群２１２に入力されたレーザ光Ｌ２０は、コリメートレンズ群２１２を透過することにより、平行な平行レーザ光Ｌ２１として出力される。
【００５０】
平行レーザ光Ｌ２１は、ビームスプリッタ２１８により、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して直交する方向で、互いに進行方向が逆向きの、第１の分割レーザ光Ｌ２２ａと第１の分割レーザ光Ｌ２２ｂに２分割される。
【００５１】
第１反射ミラー２１３に向かって進行していった分割レーザ光Ｌ２２ａは、第１反射ミラー２１３により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して平行な方向に進行する。
第２反射ミラー２１４に向かって進行していった分割レーザ光Ｌ２２ｂは、第２反射ミラー２１４により更に反射されて、平行レーザ光Ｌ２１の光軸に対して平行な方向に進行する。
このようにして、分割レーザ光Ｌ２２ａと分割レーザ光Ｌ２２ｂとは平行で、且つ、両者間には空間（隙間）が形成される。
【００５２】
分割レーザ光Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂは、集光レンズ群２１５により集光され、母材Ｗの被溶接部に向けて集光・照射される。これにより、集光された分割レーザ光Ｌ２２ａ，Ｌ２２ｂによりレーザ溶接が行われる。
【００５３】
ヘッド２１６により外筒２１１に支持されたアーク電極２１７は、集光レンズ２１５よりもワークＷ側で、かつ、集光されていく分割レーザ光Ｌ２２ａと分割レーザ光Ｌ２２ｂとの間の空間（隙間）に配置されている。このアーク電極２１７により、アーク溶接が行われる。
【００５４】
このようにして、このレーザ加工ヘッド２１０を用いることにより、レーザ溶接とアーク溶接とを同時に行うことができる。
なお、アーク電極２１７の代わりに、筒状のヘッド２１６からフィラワイヤや、ろう材を供給して、フィラ溶接やロウ付けをすることもできる。
【００５５】
母材Ｗの被加工部分から発した光（光学像）は、集光レンズ２１５にて捕らえられ、反射ミラー２１４を透過して調整光学系２３０に伝播してくる。この光（光学像）は、調整光学系２３０にてイメージセンサ２３１上に集光（結像）される。このため、イメージセンサ２３１では、母材Ｗの被加工部分の画像を光電変換して画像信号Ｓとして出力する。
なお、集光レンズ系２１５から第２反射ミラー２１４に至る光学経路を、請求項１では「一方の分割光路」と称している。
【００５６】
画像処理装置２４０は、画像信号Ｓを信号処理して、モニタ２４１上に、母材Ｗの被加工部分（つまり、集光レンズ２１５にて捕らえた画像）を映し出す。
【００５７】
このとき、操作者が、モニタ２４１に映し出された画像を目視認識することにより、例えば溶接加工する前における、被加工部分の状態を観察することができる。
また溶接が完了した後に、溶接完了した部位（溶接が完了した溶接線）に沿いレーザ加工ヘッド２１０を移動させていけば、溶接完了した部位の状態（肉盛り状態）などを、モニタ２４１に映し出して目視確認することもできる。
【００５８】
また画像処理装置２４０にて画像処理した結果をもとに、制御装置２４２では、レーザ加工ヘッド２１０と母材Ｗとの位置関係を認識し、溶接開始前における位置合わせをするように、レーザ加工ヘッド２１０の位置制御をすることもできる。
【００５９】
なお、被加工部分が暗い場合には、ガイド光源２３２から照度をあげるために照明用のガイド光（可視光）を母材Ｗに向けて照射するようにしてもよい。
【００６０】
またガイド光源２３２からスリット光（可視光）を母材Ｗの被加工部分である溶接開先を横断する状態で当てると、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像が、集光レンズ２１５，第２反射ミラー２１４及び調整光学系２３０を介してイメージセンサ２３１に結像される。このため、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を示す画像信号Ｓが画像処理装置２４０に送られる。
【００６１】
このとき画像処理装置２４０では、溶接開先にスリット光が横断した状態の画像を画像処理することにより、三角測量の原理を応用して、溶接開先の位置を検出することができる。なお、この位置検出手法は周知技術であるので、その詳細説明は省略する。
レーザ加工ヘッド２１０を溶接開先（溶接線）に沿って移動させていくときに、このような処理を連続的に行うことにより、画像処理装置２４０は溶接線位置を認識できる。画像処理装置２４０にて認識した溶接線位置をもとに、制御装置２４２では、レーザ加工ヘッド２１０が溶接線位置に沿って移動するように、倣い制御をすることができる。
【００６２】
また画像処理装置２４０では、画像の色ならびに色分布を処理・検出することにより、例えば溶接中における、溶融池の温度状態やプラズマ発光の温度状態などを判定することもできる。
【００６３】
さらに、イメージセンサ２３１の代わりに、光の色から温度を判定する温度センサを取り付け、この温度センサの検出結果をもとに、母材Ｗの温度状況を判定・検出することもできる。
さらに、イメージセンサ２３１の代わりに、プラズマから発光する紫外光等を検知する強度センサを取り付けることで溶接状況を判定することもできる。又、加工に使用するレーザの反射光を検知するセンサを取り付けることで溶接加工状態を判定することもできる。
【００６４】
実施例２のレーザ加工ヘッド２１０では、レーザ溶接とアーク溶接が同時にできるようにするためレーザ光を一旦２分割した後に集光している。このような構成になっている実施例２のレーザ加工ヘッド２１０では、第２反射ミラー２１４の上方位置が光学的・空間的に余裕があるので、この位置に調整光学系２３０やイメージセンサ２３１を配置した。このため、レーザ加工ヘッド２１０の大型化を招来することなく、被溶接部分の画像認識などのモニタリングを行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の実施例１に係るレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【図２】本発明の実施例２に係るレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【図３】従来のレーザ加工ヘッドを示す構成図。
【符号の説明】
【００６６】
100,200 レーザ加工装置
110,210 レーザ加工ヘッド
111,211 外筒
112,212 コリメートレンズ群
113,213 第1反射ミラー
114,214 第2反射ミラー
115,215 集光レンズ群
116,216 ヘッド
117,217 アーク電極
218 ビームスプリッタ
120,220 光ファイバ
121,221 ＹＡＧレーザ発振器
130,230 調整光学系
131,231 イメージセンサ
132,232 ガイド光源
140,240 画像処理装置
141,241 モニタ
142,242 制御装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、２分割した２つの分割レーザ光を、互いに平行で空間的に離れた２つの分割光路に沿い個別に伝送する分割光学系と、
前記分割光学系から伝送されてきた２分割された分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、２分割された分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、２つの前記分割光路のうちの一方の分割光路を伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射されなかった第１の分割レーザ光と、反射された第２の分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、
第１反射ミラーにより反射された第２の分割レーザ光を更に反射して、第１の分割レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光を透過させる第２反射ミラーと、
第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力されて平行になった平行レーザ光を反射して、第１の分割レーザ光と第２の分割レーザ光とに２分割するビームスプリッタと、
第１の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行な方向に進行させる第１反射ミラーと、
第２の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光を透過させる第２反射ミラーと、
第１反射ミラーにて反射された第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記被加工部に向けて可視光であるガイド光を照射するガイド光源を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記被加工部に向けてスリット状の可視光であるガイド光を斜めに照射するガイド光源を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記センサは、イメージセンサであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記センサは、光の色から温度を判定する温度センサであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項において、
前記加工手段の先端加工部は、ＧＭＡ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、または、ろう材であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項１】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光を２分割し、２分割した２つの分割レーザ光を、互いに平行で空間的に離れた２つの分割光路に沿い個別に伝送する分割光学系と、
前記分割光学系から伝送されてきた２分割された分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、２分割された分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、２つの前記分割光路のうちの一方の分割光路を伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力された平行レーザ光の一部を反射することにより、反射されなかった第１の分割レーザ光と、反射された第２の分割レーザ光とに２分割する第１反射ミラーと、
第１反射ミラーにより反射された第２の分割レーザ光を更に反射して、第１の分割レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光を透過させる第２反射ミラーと、
第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
入力されたレーザ光を平行にして平行レーザ光として出力するコリメート光学系と、
前記コリメート光学系から出力されて平行になった平行レーザ光を反射して、第１の分割レーザ光と第２の分割レーザ光とに２分割するビームスプリッタと、
第１の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行な方向に進行させる第１反射ミラーと、
第２の分割レーザ光を更に反射して、平行レーザ光と平行で且つ第１の分割レーザ光に対して空間的に離れた方向に進行させる一方、前記レーザ光の波長と異なる波長の光を透過させる第２反射ミラーと、
第１反射ミラーにて反射された第１の分割レーザ光と、第２反射ミラーにて反射された第２の分割レーザ光を、被加工部に集光する集光光学系と、
前記集光光学系よりも被加工部側の位置で、第１と第２の分割レーザ光の間の位置に占位する加工手段の先端加工部と、
前記被加工部側から発し、前記集光光学系で捕えられて、前記第２の反射ミラーを透過して伝播してきた光を集光させる調整光学系と、
前記調整光学系により前記光が集光される位置に配置されたセンサと、
を有することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記被加工部に向けて可視光であるガイド光を照射するガイド光源を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
前記被加工部に向けてスリット状の可視光であるガイド光を斜めに照射するガイド光源を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記センサは、イメージセンサであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項７】
請求項１乃至請求項５の何れか一項において、
前記センサは、光の色から温度を判定する温度センサであることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れか一項において、
前記加工手段の先端加工部は、ＧＭＡ電極、ＴＩＧ電極、フィラワイヤ、または、ろう材であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−７６９８（Ｐ２００７−７６９８Ａ）
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１９１９９４（Ｐ２００５−１９１９９４）
【出願日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１８日（２００７．１．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月３０日（２００５．６．３０）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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