レーザ溶接装置及びレーザ溶接方法
【課題】溶接部の溶け込み深さを直接測定することで、溶接部の品質の評価を高精度に行うレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とするレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】本発明は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とするレーザ溶接装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて溶接する際に溶接部の品質を評価するレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ溶接装置として、溶接部の溶融金属が発する光を用いて、溶接部の品質を評価する装置がある（特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、図９に示すように、レーザ発振器１１から一定強度で連続的に出力されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１２を介して集光光学系１３に伝送され、集光光学系１３で溶接部２に集光される。集光光学系１３で集光されたレーザ光は、被溶接材１の溶接に供される。被溶接材１の溶接の際に溶接部２の溶融金属は光を発する。溶融金属の発した光は集光光学系１３で集光され、モニタ光伝送用光学系１４を介して干渉フィルタ１５に伝送される。干渉フィルタ１５に伝送された光のうち溶融金属の発した光の波長成分が干渉フィルタ１５で選択される。干渉フィルタ１５で選択された波長成分の光はフォトダイオード１６で受光される。フォトダイオード１６は受光した光の発光強度に応じた信号を出力する。フォトダイオード１６から出力された信号は、アンプ１７、Ａ／Ｄ変換器１８を介してコンピュータ１９に入力される。コンピュータ１９には溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係が予め記憶され、入力された信号をこの相関関係に当てはめることでコンピュータ１９は溶接部２の溶け込み深さを導出する。導出した溶接部２の溶け込み深さに基づいて、コンピュータ１９は溶接部２の品質を評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２０７５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーザ溶接装置では、溶け込み深さを直接検出せずに、溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係を用いることで、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に溶接部２の溶け込み深さを測定している。しかしながら、この相関関係は、被溶接材１の材質のばらつきや周囲の温度などの要因によって、常に一定の関係をとるとは限らない。このため、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に導出した溶接部２の溶け込み深さは、必ずしも実際の溶け込み深さと一致するとは限らない。ゆえに、実際の溶け込み深さと異なる値に基づいて溶接部２の品質を評価する場合が生じ、溶接部２の品質の評価を高精度に行うことができないといった課題を従来のレーザ溶接装置は有している。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、溶接部の溶け込み深さを直接計測ることで溶接部の品質の評価を高精度に行うレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記レーザ光と同軸にすると共に、前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きくなるように前記物体光を前記溶接部へ照射して前記溶接部の溶け込み深さを測定し、測定した前記溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、溶接部の溶け込み深さを直接検出することができ、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１におけるレーザ溶接装置の模式図
【図２】実施の形態１における波長走査光源の波長の時間変化のグラフを示す図
【図３】実施の形態１におけるキーホールと物体光のスポットとレーザ光のスポットとの関係を示す模式図
【図４】実施の形態１における物体光でキーホールの深さを測定する原理の説明図
【図５】実施の形態１における物体光と参照光との光路長差と干渉光の強度との関係のグラフを表す図
【図６】実施の形態１におけるレーザ溶接装置の動作を示すフローチャート
【図７】実施の形態２におけるキーホールと物体光のスポットとレーザ光のスポットとの関係を示す模式図
【図８】実施の形態３におけるレーザ溶接装置の模式図
【図９】従来のレーザ溶接装置の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるレーザ溶接装置１００の概要を示す図である。
【００１３】
まず、レーザ溶接装置１００の概要について説明する。
【００１４】
図１に示すように、レーザ溶接装置１００では、水平方向（図１のｘ方向）に延在する被溶接材１０１の溶接部１０２を溶接するにあたり、垂直方向（ｚ方向）から被溶接材１０１の上面にレーザ発振器１０７からレーザ光が照射される。レーザ光の照射された溶接部１０２は、その上部から溶融し、溶接部１０２に溶融池１０３が形成される。溶接部１０２が溶融する際に、溶融池１０３から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール１０４が形成される。ここでは、溶融池１０３とキーホール１０４とを合わせて溶接部１０２として扱う。このとき、第１ビームスプリッタ１０６（光学部材）により、光干渉計１０５から出射される物体光が、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、キーホール１０４の内部に照射される。照射された物体光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、第１ビームスプリッタ１０６を介して、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、物体光の光路長を測定できるため、測定した光路長からキーホール１０４の深さを、溶接部１０２の溶け込み深さとして特定する。特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。
【００１５】
レーザ溶接装置１００では、溶接部１０２における物体光のスポット径が、同じ位置におけるレーザ光のスポット径よりも大きくなるように、設定されている。これにより、理由は後述するが、物体光をキーホール１０４の底部１０４ａへ的確に照射することができる。ゆえに、底部１０４ａの位置を高精度に検出することが可能となる。底部１０４ａの位置はキーホール１０４の深さに該当し、キーホール１０４の深さは、溶接部１０２の溶け込み深さとみなすことができる。つまり、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の溶け込み深さを、高い精度で測定することが可能である。
【００１６】
以上が、レーザ溶接装置１００の概要についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００の各構成について、それぞれ説明を行う。
【００１７】
まず、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を担う構成部分について説明する。
【００１８】
レーザ発生手段であるレーザ発振器１０７から発振されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１０８を介して第１集光光学系１０９で集光される。第１集光光学系１０９で集光されたレーザ光は、第１ビームスプリッタ１０６を透過して、溶接部１０２に集光され、被溶接材１０１の溶接に供される。ここでは、レーザ発振器１０７にＹＡＧレーザを用いた。
【００１９】
移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１を介して、コンピュータ１１２の制御部（制御手段）１１２ａからの指令により移動する。被溶接材１０１は、移動ステージ１１０に固定されており、レーザ発振器１０７がレーザ光を発振している間に、移動ステージ１１０を移動させることで、被溶接材１０１におけるレーザ光の照射位置を変化させ、所望の範囲についてレーザ溶接を行う。
【００２０】
制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７と接続されており、移動ステージ１１０の移動速度の他に、レーザ光の出力開始・停止、レーザ光の出力強度、などを制御する機能も備えている。
【００２１】
以上が、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を担う構成部分についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分について説明する。
【００２２】
光干渉計１０５は、Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する手段である。実施の形態１では、レーザ発振器１０７からのレーザ光と波長の異なるレーザ光を、光干渉計１０５に備わる波長走査光源１１３から出射する。以下の説明では、波長走査光源１１３から出射されるレーザ光を測定光と記載し、レーザ発振器１０７から発振されるものについてのみレーザ光と記載する。
【００２３】
波長走査光源１１３は、波長幅の短い測定光を連続的に出射し、出射する測定光の中心波長を、図２のように周期的に変化させる。図２では、照射する測定光の波長を縦軸に、時間を横軸に示す。このような測定光の中心波長を周期的に変化させる動作を波長走査と呼ぶ。
【００２４】
図１の波長走査光源１１３から出射した測定光は、光ファイバ系１１４を透過して、第１ファイバカプラ１１５に入射する。第１ファイバカプラ１１５に入射した測定光は、物体光と参照光の２つに分岐される。物体光とは測定対象である溶接部１０２に照射される測定光のことを意味し、参照光とは基準面である参照ミラー１１６に照射される測定光を意味する。このとき、物体光は第１光ファイバ系１１４ａに、参照光は第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。また、第１ファイバカプラ１１５は、入射した測定光の５０％を物体光に、残りの５０％を参照光に分岐させる。
【００２５】
物体光は、第１光ファイバ系１１４ａを透過して、光干渉計１０５から出射し、溶接部１０２に照射される。溶接部１０２に照射された物体光の一部は、溶接部１０２で反射する。溶接部１０２で反射した物体光は、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５に入射した物体光は、第１光ファイバ系１１４ａを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに物体光が通過した光路の長さを、物体光の光路長とする。
【００２６】
参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、参照ミラー１１６に照射される。参照ミラー１１６に照射された参照光は、参照ミラー１１６で反射した後、第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。第２光ファイバ系１１４ｂに入射した参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに参照光が通過した光路の長さを、参照光の光路長とする。参照光の光路長は、基準値として予め測定しておく。
【００２７】
第２ファイバカプラ１１７は、差動ディテクタ１１８の第１入力１１８ａに接続される光ファイバ系１１４ａと、第２入力１１８ｂに接続される光ファイバ系１１４ｂとについて、これらを透過する光に５０：５０のカップリングをするものである。具体的には、第１光ファイバ系１１４ａから第２ファイバカプラ１１７に入射した物体光の５０％は、そのまま、第１入力１１８ａに入射するが、残りの５０％の物体光は、第２ファイバカプラ１１７の作用により、第２入力１１８ｂに入射する。同様に、第２光ファイバ系１１４ｂから第２ファイバカプラ１１７に入射した参照光の５０％は、そのまま、第２入力１１８ｂに入射するが、残りの５０％の参照光は、第２ファイバカプラ１１７の作用により、第２入力１１８ａに入射する。このとき、参照光と物体光とが１つの光束に結合されることで干渉光となって、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂ、それぞれに入射する。
【００２８】
差動ディテクタ１１８は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差動を取ることで、干渉光に含まれるノイズの影響を除去し、ノイズを除去した干渉光を、その強度に応じて電気信号に変換する。また、差動ディテクタ１１８は、変換した干渉光の電気信号を、Ａ／Ｄ変換器１１９へ出力する。
【００２９】
ここで、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う上記以外の構成部分を説明する前に、差動ディテクタ１１８を設ける理由について説明する。実施の形態１では、レーザ発振器１０７からレーザ光が照射されている最中の溶接部１０２の溶け込み深さを、光干渉計１０５を用いて測定する。このため、溶接部１０２の発光（溶融金属が発する光）がノイズとして、光干渉計１０５による測定の精度に影響を与える。そこで、実施の形態１では、ノイズの影響を低減させるため、差動ディテクタ１１８を設けるのである。
【００３０】
差動ディテクタ１１８のノイズの影響を低減させる機能について詳細を説明する。
【００３１】
第２ファイバカプラ１１７の作用により、第１光ファイバ系１１４ａから第２入力１１８ｂに入射した物体光の位相は、第１入力１１８ａに入射した物体光の位相よりもλ／４遅れる。この現象は、参照光でも同じである。このため、第１入力１１８ａに入射した干渉光の位相に対して、第２入力１１８ｂに入射した干渉光の位相は反転の関係となる。つまり、差動ディテクタ１１８で、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからの信号の差分をとることで、溶接部１０２の発光の影響等を除去することができる。以下の（数１）〜（数７）を用いて詳細を説明する。第１光ファイバ系１１４ａを透過して第２ファイバカプラ１１７に入射する物体光の電界成分Ｅsを（数１）に、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して第２ファイバカプラ１１７に入射する参照光の電界成分Ｅrを（数２）に、それぞれ表す。
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここでの、Ｅs0は物体光の振幅、Ｅr0は参照光の振幅を表す。また、ωは波長走査光源１１３からの測定光の角振動数、ｔは時間、φsは物体光の位相、φrは参照光の位相を示す。また、（数１）の右辺における第２項は、溶接部１０２からの発光（ノイズ）の電解成分を示し、Ｅn、ωn、φn、は、溶接部１０２の発光の、振幅、角振動数、位相をそれぞれ示す。
【００３５】
前述の通り、第２ファイバカプラ１１７の作用によって、物体光と参照光とには、５０：５０のカップリングが行われる。このとき、第１光ファイバ系１１４ａから第２入力１１８ｂに入射した物体光は、その位相がλ／４遅れ、第２光ファイバ系１１４ｂから第１入力１１８ａに入射した参照光も、その位相がλ／４遅れる。これらから、第１入力１１８ａに入射する干渉光（物体光と測定光）の電解成分ＥAは（数３）で、第２入力１１８ｂに入射する干渉光の電解成分ＥBは（数４）で表すことができる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
【００３８】
溶接部１０２の発光は干渉しないことを考慮すると、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂでそれぞれ検出される干渉光の強度ＩA、ＩBは、それぞれ（数５）、（数６）で求めることができる。
【００３９】
【数５】
【００４０】
【数６】
【００４１】
第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとの差動をとると、次の（数７）を得られる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
（数７）より、溶接部１０２の発光に依存する項が除去されたことが理解できる。このことから、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとの差動をとることで、溶接部１０２の発光の影響を除去できることが明らかとなる。
【００４４】
以上が差動ディテクタ１１８による、ノイズの影響を低減する機能についての説明である。ここから、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分についての説明に戻る。
【００４５】
Ａ／Ｄ変換器１１９には、波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ出力が、波長走査光源１１３から入力されている。入力されたトリガ出力に基づくことで、Ａ／Ｄ変換器１１９は、波長走査光源１１３の繰り返しの周期と同期して、差動ディテクタ１１８から出力される干渉光の電気信号についての集録を行う。このとき、集録された干渉光の電気信号は、コンピュータ１１２へ出力される。
【００４６】
コンピュータ１１２は、入力された干渉光の電気信号に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する測定部（測定手段）１１２ｂを有する。干渉光には、物体光と参照光との光路長差に応じた干渉が生じるため、この干渉に基づいて測定部１１２ｂは、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。具体的には、コンピュータ１１２が、入力された干渉光の電気信号に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行し、処理の結果に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。
【００４７】
以上が、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分についての説明である。
【００４８】
レーザ溶接装置１００では、溶け込み深さ測定機能と、先に説明したレーザ溶接機能を担う構成とを有している。これらの機能を同時に作動させるため、レーザ溶接装置１００は、更に、以下に説明する構成を備えている。
【００４９】
レーザ発振器１０７からのレーザ光と、光干渉計１０５からの物体光とを、同軸の光束に結合する光学部材の一例として第１ビームスプリッタ１０６が、レーザ溶接装置１００に備えられている。第１ビームスプリッタ１０６で同軸の光束に結合された、レーザ光と物体光とが、溶接部１０２に照射されることで、レーザ溶接と同時に溶接部１０２の溶け込み深さの測定を行うことが可能である。このとき、第１ビームスプリッタ１０６は、ダイクロイックミラーであり、レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの物体光を反射するように、透過・反射させる波長が設定されている。
【００５０】
このとき、第１ビームスプリッタ１０６で、レーザ光と物体光とを十分に分離するために、レーザ光と物体光との波長差を１００ｎｍ以上とすることが望ましい。実施の形態１では、波長１０６４〜１０９０ｎｍのレーザ光を発振するレーザ発振器１０７を用い、１２７０〜１３７０ｎｍの波長の測定光（物体光）を波長走査する波長走査光源１１３を用いる。波長走査光源１１３の波長走査の周期は、０．５ｍｓである。
【００５１】
更に、光干渉計１０５と第１ビームスプリッタ１０６との間に、物体光を集光する第２集光光学系１２０を設置する。第２集光光学系１２０は、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射した物体光を、第１ビームスプリッタ１０６を介して、溶接部１０２に集光させる機能を有する。また、第２集光光学系１２０は、溶接部１０２から反射した物体光を、第１ビームスプリッタ１０６を介して、第１光ファイバ系１１４ａに再度、入射させる機能も有している。
【００５２】
また、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａと第２集光光学系１２０との間に、物体光の波長のみを透過させる干渉フィルタ１２１を設ける。溶接部１０２で反射したレーザ光や、溶接部１０２の発光が、第１光ファイバ系１１４ａに入射するのを防止することを目的として、第１光ファイバ系１１４ａの直前に干渉フィルタ１２０が設けられている。
【００５３】
以上の構成により、レーザ溶接装置１００は、溶け込み深さ測定機能と、レーザ溶接機能とを同時に行うことを可能とする。ただし、ここまで説明した構成だけでは、レーザ溶接時に、溶け込み深さを精度良く測定することができない場合がある。溶け込み深さを精度良く測定できない場合として、光干渉計１０５が、キーホール１０４の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう場合について説明する。
【００５４】
キーホール１０４は、溶接部１０２で溶融した金属が蒸発し、蒸発時の蒸気の圧力によって形成される。形成されるキーホール１０４の形状は、レーザ光の照射時間や溶融池１０３の状態により、変化する。このため、キーホール１０４の底部１０４ａの位置と、レーザ光のスポットの中心の位置とが、一致しない場合が生じる。この場合、レーザ光と同軸の光束に結合された物体光は、底部１０４ａに照射されない状態が生じ得る。
【００５５】
底部１０４ａに物体光が照射されない状態、例えば、キーホール１０４の内側面に物体光が照射された状態では、物体光の反射した位置を底部１０４ａの位置として、光干渉計１０５はキーホール１０４の深さを測定する。つまり、底部１０４ａに物体光が照射されなければ、光干渉計１０５は、キーホール１０４の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう。実際の深さよりも浅く測定したキーホール１０４の深さからは、精度良く溶接部１０２の検査を行うことはできない。
【００５６】
光干渉計１０５が、キーホール１０４を実際の深さよりも浅く測定するのを防止するためには、的確に物体光を底部１０４ａに照射する必要がある。そこで、以下に、的確に物体光を底部１０４ａに照射するための実施の形態１における構成を説明する。
【００５７】
実施の形態１では、溶接部１０２において、レーザ発振器１０７からのレーザ光のスポット径よりも、光干渉計１０５からの物体光のスポット径の方が大きくなるように、第１集光光学系１０９、第２集光光学系１２０を配置する。この構成により、物体光をキーホール１０４の略全域に照射することが可能となる。キーホール１０４の略全域に物体光を照射すれば、略確実に、底部１０４ａに物体光が照射される。このため、レーザ光のスポットの中心と底部１０４ａとが一致しない場合でも、物体光を底部１０４ａに照射することが可能となる。
【００５８】
レーザ光のスポット径と物体光のスポット径とをどのように設定すれば、より確実に、物体光をキーホール１０４の底部１０４ａに照射できるかを、次に説明する。
【００５９】
図３に、溶接部１０２の表面におけるレーザ光のスポット、物体光のスポット、キーホール１０４、溶融池１０３の位置関係を示す。この図３は、図１に示した矢印Ａの向きから見た状態である。このとき、移動ステージ１１０による被溶接材１０１の移動方向が、図３に矢印で示した移動方向である。実施の形態１では、図３に示すように、レーザ光のスポットと、物体光のスポットは、共に円形状である。
【００６０】
図３に示すように、レーザ光のスポット径（直径）をｒl、物体光のスポット径（直径）をｒsとする。このとき、移動ステージ１１０により被溶接材１０１が移動することで、レーザ光の照射される位置が変化する。レーザ光の照射される位置が変化することで、形成されるキーホール１０４の形状も、被溶接材１０１の移動方向に長軸を有する楕円形状となる。このキーホール１０４の長軸の長さをｒkとする。
【００６１】
キーホール１０４の長軸の長さｒkは、レーザ光の強度の増加に伴って長くなり、レーザ光を照射する時間の減少、すなわち、移動ステージ１１０による移動速度の増加に伴って短くなる傾向がある。このとき、自身のスポット径ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような強力なレーザ光は、溶接に向かない（穴が開いてしまう）。同様に、ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような速度で被溶接材１０１を移動させることも好ましくない。このため、レーザ溶接において、ｒlの３倍よりも、ｒkの値は小さくなることが理解できる。よって、レーザ光のスポット径ｒl（直径）とキーホール１０４の長軸の長さｒkとの関係は、次の（数８）で与えられる。
【００６２】
【数８】
【００６３】
レーザ光が照射されることでキーホール１０４が形成されるため、形成されるキーホール１０４の位置は、レーザ光のスポット位置から大きく離間することは無い。このため、レーザ光と同軸の物体光のスポット径の直径ｒsを、ｒlの３倍以上にすれば、物体光のスポットの中にキーホール１０４を略完全に含ませることが可能となる。物体光のスポット内にキーホール１０４が略完全に含まれれば、略確実に、底部１０４ａに対して、物体光が照射される。つまり、物体光のスポット径の直径ｒsを、レーザ光のスポット径ｒlの３倍以上にすることで、底部１０４ａへ略確実に物体光を照射することができ、高精度に、キーホール１０４の深さを測定可能となる。一方で、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光は、キーホール１０４の測定に寄与しないノイズとなる。物体光のスポット径ｒsが大きくなる程、ノイズの影響が強くなる。発明者らは、ｒsが、ｒlの１０倍以下の場合では、ノイズの影響が小さく、キーホール１０４の深さを測定できることを見出した。これらのことから、物体光のスポット径ｒsをレーザ光のスポット径ｒlの３倍以上・１０倍以下に設定することで、底部１０４ａに対して略確実に物体光を照射することができ、
キーホール１０４の深さ、すなわち、溶接部１０２の溶け込み深さを高精度に測定することができる。
【００６４】
実施の形態１では、図１のレーザ光伝送用光学系１０８のレーザ光出射口の直径を１００μｍとして、第１集光光学系１０９の結像倍率を１／２倍とする。また、第１光ファイバ系１１４ａの物体光出射口の直径を１０μｍとし、第２集光光学系１２０の結像倍率を１５倍とする。これらにより、レーザ光のスポット径ｒlを５０μｍ、物体光のスポット径ｒsを１５０μｍとする。また、これらのスポット径を調節しやすくするため、溶接部１０２の表面と所望の溶け込み深さとの間で、第１集光光学系１０９と第２集光光学系１２０の焦点の位置を一致させるのがよい。
【００６５】
以上のように、レーザ光と物体光のそれぞれのスポット径を調節することで、レーザ溶接装置１００は、精度良く、溶接部１０２の溶け込み深さを測定できる。続いて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する具体的な手法について説明する。
【００６６】
図４は、物体光でキーホール１０４の深さを測定する原理の説明図である。物体光のスポット内に、キーホール１０４が位置すると、被溶接材１０１の表面と、キーホール１０４の底部１０４ａとで物体光が反射する。光干渉計１０５は、参照光の光路長を基準として、物体光の光路長の基準からの光路差を測定する。このため、光干渉計１０５は、被溶接材１０１の表面の位置と、底部１０４ａの位置とを、参照光の光路長からの光路長差としてそれぞれ測定する。図４中の点線は、参照光と物体光の光路長差が０となる位置であり、Ｌ１は点線の位置から溶接部１０２表面までの光路長、Ｌ２は点線の位置から底部１０４ａまでの光路長を表す。
【００６７】
このとき、物体光と参照光との光路長差と干渉光の強度との関係のグラフを図５に示す。図５では、干渉光の強度を縦軸に示し、基準からの光路長を横軸に示す。溶接部１０２の表面と、底部１０４ａで反射する物体光の強度が強くなるため、図５のようなピークを持つ。このピーク間の距離を求めることで溶接部１０２の表面から底部１０４ａまでの距離、すなわちキーホール１０４の深さが求まる。キーホール１０４の深さは、溶接部１０２の溶け込み深さに相当する。以上の手法により、図１の光干渉計１０５は、溶接部１０２の溶け込み深さを測定可能である。
【００６８】
続いて、図１の光干渉計１０５で測定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００による溶接部１０２の評価手法について説明する。
【００６９】
コンピュータ１１２は、測定した溶け込み深さから溶接部１０２の品質を評価する評価部（評価手段）１１２ｃを備える。良品の溶け込み深さの範囲を予めコンピュータ１１２に記憶させ、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内であるか否かを判定することで、評価部１１２ｃは溶接部１０２の良否についての評価を行う。評価の結果は、表示器１２２に表示される。
【００７０】
溶接部１０２の溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲を超え、評価部１１２ｃにより溶接部１０２が不良と判定された場合、レーザ溶接装置１００は、レーザ光の照射を中止し、レーザ溶接の動作を中段する。
【００７１】
以上、説明した図１のレーザ溶接装置１００の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００７２】
ステップＳ１では、制御部１１２ａが、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動開始指令を出力する。これにより、移動ステージ１１０に固定されている被溶接材１０１の移動が開始される。
【００７３】
ステップＳ２では、制御部１１２ａが、光干渉計１０５の波長走査光源１１３に測定光の出力開始指令を出力する。これにより、波長走査光源１１３は、波長走査を開始する。
【００７４】
ステップＳ３では、制御部１１２ａが、レーザ発振器１０７にレーザ光の出力開始指令を出力する。これにより、溶接部１０２にレーザ光が照射され、レーザ溶接が開始される。
【００７５】
ステップＳ４では、測定部１１２ｂが、光干渉計１０５からの信号に基づき、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。
【００７６】
ステップＳ５では、評価部１１２ｃが、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内か否かを判定し、溶接部１０２の品質を評価する。溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内の場合（ステップＳ５のＹｅｓ）は、ステップＳ６に進み、溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲外の場合（ステップＳ５のＮｏ）は、ステップＳ７に進む。
【００７７】
ステップＳ６では、現在、レーザ光を照射している場所が、被溶接材１０１の溶接を行う場所の終端点か否かを、制御部１１２ａが判定する。レーザ光を照射している場所が終端点であると判定した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）はステップＳ８に進み、レーザ光を照射している場所が終端点でないと判定した場合（ステップＳ６のＮｏ）はステップＳ４に戻る。
【００７８】
ステップＳ７では、溶接部１０２が不良である旨を表示器１２２に表示する。この場合、被溶接材１０１に対する溶接を完了したか否かの判定を行うことなく（ステップＳ６を経ることなく）、ステップＳ８に進む。
【００７９】
ステップＳ８では、制御部１１２ａが、レーザ光の出力停止指令をレーザ発振器１０７に出力する。これにより、レーザ光の照射を終了する。
【００８０】
ステップＳ９では、制御部１１２ａが、波長走査光源１１３に測定光の出力停止指令を出力する。これにより、波長走査を終了する。
【００８１】
ステップＳ１０では、制御部１１２ａが、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動停止指令を出力する。これにより、移動ステージ１１０に固定されている被溶接材１０１の移動が停止される。
【００８２】
以上、説明したステップＳ１からステップＳ１０によって、レーザ溶接装置１００は動作を行う。
【００８３】
なお、実施の形態１において、レーザ光の照射位置の移動手段として照射される側（被溶接材１０１）を移動させる移動ステージ１１０を設けたが、この移動手段に、照射する側（レーザ光）を移動させるガルバノスキャナを用いても良い。
【００８４】
なお、実施の形態１では、光干渉計１０５の光源として波長走査光源１１３、検出器として差動ディテクタ１１８を設け、いわゆるＳＳ−ＯＣＴの原理を利用した。溶接部１０２の溶け込み深さは、高速に変動（数十ｋＨｚオーダー）することが予想されるため、数十ｋＨｚのオーダーでの波長走査が可能な、ＳＳ−ＯＣＴを用いることで、高速変動する溶接部１０２の溶け込み深さを、高精度に測定することができる。ＯＣＴの別の原理として、参照ミラー１１６を移動させることで、対象の距離を測定する、いわゆるＴｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）がある。このＴＤ−ＯＣＴを実施の形態１に用いる場合、参照ミラー１１６を溶け込み深さの高速変動に追従させる必要がある。しかし、ＴＤ−ＯＣＴでは参照ミラー１１６を機械的動作によりその位置を変動させるため、このような高速変動に参照ミラー１１６を追従させるのは現実的でない。このため、ＴＤ−ＯＣＴを実施の形態１に用いては、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する精度が低下してしまう。
【００８５】
なお、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲を超える前に、溶接条件を変更して、溶け込み深さを適切な値に調節することで、不良品の発生を未然に防止するようにしてもよい。この場合、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲を、良品の溶け込み深さの範囲より、厳しい条件で設定する。測定した溶け込み深さが、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲を超えた場合、溶け込み深さが適切な値となるように、制御部１１２ａは、溶接条件を変更する。制御部１１２ａによる溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行う。
【００８６】
なお、波長走査光源１１３の出力は、溶接部１０２に影響を与えない範囲で調節を行う必要がある。実施の形態１では、レーザ発振器１０７の出力を３００Ｗ、波長走査光源１１３の出力を２３ｍＷとした。
【００８７】
（実施の形態２）
実施の形態１では、物体光のスポットを円形状として説明した。実施の形態２では、物体光のスポットを直線形状として説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８８】
実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００では、図１の第２集光光学系１２０としてシリンドリカルレンズを用いることで、溶接部１０２に集光される物体光のスポットを直線形状に形成する。
【００８９】
図７に、溶接部１０２の表面におけるレーザ光のスポット、物体光のスポット、キーホール１０４、溶融池１０３の位置関係を示す。この図７は、図１に示した矢印Ａの向きから見た状態である。このとき、移動ステージ１１０による被溶接材１０１の移動方向が、図７に矢印で示した移動方向である。
【００９０】
図７に示すように、直線形状の物体光のスポットの長軸の向きを、移動方向と一致させるようにシリンドリカルレンズを配置する。キーホール１０４の底部１０４ａの位置は、レーザ光のスポットの位置から、移動方向にずれることが多いと考えられるからである。この場合、物体光のスポットの長軸の長さをｌl、短軸の長さをｌsとする。また、実施の形態１と同様、レーザ光のスポット径（直径）をｒl、キーホール１０４の長軸の長さをｒkとする。
【００９１】
キーホール１０４の長軸の長さｒkよりも、ｌlを長くすれば、底部１０４ａに物体光を的確に照射することが可能となる。このため、ｌlをｒlの３倍以上にすればよい。これらの理由を次に説明する。
【００９２】
キーホール１０４の長軸の長さｒkは、レーザ光の強度の増加に伴って長くなり、レーザ光を照射する時間の減少、すなわち、移動ステージ１１０による移動速度の増加に伴って短くなる傾向がある。このとき、自身のスポット径ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような強力なレーザ光は、溶接に向かない（穴が開いてしまう）。同様に、ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような速度で被溶接材１０１を移動させることも好ましくない。このため、レーザ溶接において、ｒlの３倍よりも、ｒkの値は小さくなることが理解できる。よって、レーザ光のスポット径ｒl（直径）とキーホール１０４の長軸の長さｒkとの関係は、次の（数９）で与えられる。
【００９３】
【数９】
【００９４】
レーザ光が照射されることでキーホール１０４が形成されるため、形成されるキーホール１０４の位置は、レーザ光のスポット位置から大きく離間することは無い。このため、物体光のスポットの長軸の長さｌlを、ｒlの３倍以上にすれば、物体光のスポットの中にキーホール１０４を略完全に含ませることが可能となる。物体光のスポット内にキーホール１０４が略完全に含まれれば、略確実に、底部１０４ａに対して、物体光が照射される。つまり、物体光のスポットの長軸の長さｌlを、レーザ光のスポット径ｒlの３倍以上にすることで、底部１０４ａへ略確実に物体光を照射することができ、高精度に、キーホール１０４の深さを測定可能となる。
【００９５】
このとき、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光は、キーホール１０４の測定に寄与しないノイズとなる。実施の形態１では、物体光の円形状のスポット径ｒsが、ｒlの１０倍以上になると、ノイズの影響が強くなり、キーホール１０４の深さを測定できなくなった。一方、実施の形態２では、物体光のスポットが、直線形状であるため、その長軸の長さｌlを長くしても、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光の量は実施の形態１に比べて少ない。発明者らは、ｌlがｒlの５０倍以下であれば、キーホール１０４の深さを測定できることを予測した。
【００９６】
なお、物体光のスポットの短軸の長さｌsが短すぎると、底部１０４ａに物体光が照射されない場合が生じうる。これを防止するため、ｌsをｒlの１倍〜２倍に設定する。
【００９７】
以上のように、実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００によって、キーホール１０４の底部１０４ａの位置に、物体光を略確実に照射することができ、キーホール１０４の深さ、すなわち、溶接部１０２の溶け込み深さを高精度に測定可能である。
【００９８】
また、レーザ溶接装置２００は、実施の形態１よりも、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光（ノイズ）の量を減らすことが可能となり、ノイズの影響を低減して、キーホール１０４の深さを測定可能である。また、ノイズの影響が小さいため、長軸方向の物体光のスポットの長さｌlを、実施の形態１の物体光のスポット径よりも長くすることが可能である。このため、レーザ光のスポットの中心の位置から、レーザ光のスポット径ｒlの１０倍以上離れた位置に、底部１０４ａが存在するような場合があっても、レーザ溶接装置２００は、ｌlをｒlの１０倍以上にすることで、底部１０４ａに物体光を照射可能である。
【００９９】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１のレーザ溶接装置１００に、溶接部１０２の発光から分光スペクトルを算出する分光器１２３と、算出した分光スペクトルから溶接部１０２の材料を特定する材料特定部（材料特定手段）１１２ｄと、を備えるレーザ溶接装置３００について説明する。
【０１００】
図８にレーザ溶接装置３００の模式図を示す。ここでは、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。
【０１０１】
被溶接材１０１は、材料の異なる領域を有する場合がある。このような被溶接材１０１を溶接する際には、領域の材料に合わせた溶接条件で、レーザ溶接を行う必要がある。しかしながら、領域の分布が未知の場合、予め溶接条件を決定してレーザ溶接を行うことはできない。また、光干渉計１０５で測定した溶接部１０２の溶け込み深さに基づいて溶け込み深さが適切になるように溶接条件を変更する場合、材料が未知であれば、溶接条件を適切に変更することができない。そこで、実施の形態３では、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する際に、溶接部１０２の材料を特定し、特定した材料に適した溶接条件にて溶け込み深さを適切に調節するレーザ溶接装置３００を提供する。
【０１０２】
まず、レーザ溶接装置３００による、材料特定手法の原理について説明する。
【０１０３】
溶接部１０２では、照射されるレーザ光により蒸発した金属がプラズマ化することで発光する。この発光は、材料毎に異なる波長の光を含む。このため、発光の分光スペクトルは、材料により異なる。それゆえ、溶接部１０２の発光から、分光器１２３で分光スペクトルを算出することで、算出した分光スペクトルから材料を特定できる。
【０１０４】
次に、レーザ溶接装置３００の装置構成とその作用について説明する。
【０１０５】
溶接部１０２の発光は、第２ビームスプリッタ１２４、第３集光光学系１２５、フィルタ１２６を介して、分光器１２３に入射する。
【０１０６】
第１ビームスプリッタ１０６と被溶接材１０１との間であって、レーザ光の光軸上に配置された第２ビームスプリッタ１２４（光分離手段）は、レーザ発振器１０７からのレーザ光と光干渉計１０５からの物体光を透過し、これら以外の光を反射する。これにより、第２ビームスプリッタ１２４は、レーザ光と物体光を、これら以外の光から分離する。実施の形態３では、レーザ発振器１０７が１０６４ｎｍ〜１０９０ｎｍの波長のレーザ光を出力し、波長走査光源１１３が１２７０ｎｍ〜１３７０ｎｍの波長の物体光を照射する。このため、第２ビームスプリッタ１２４は、１０６４ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１２７０ｎｍ〜１３７０ｎｍの波長の光を透過し、それ以外の波長の光を反射する。これにより、光干渉計１０５に、溶接部１０２の発光等が入射するのを防止できる。
【０１０７】
第２ビームスプリッタ１２４で反射した光は、第３集光光学系１２５、フィルタ１２６を介して、分光器１２３に入射する。フィルタ１２６は、分光器１２３で分光スペクトルの算出に必要な波長の光のみを透過させる。実施の形態３では、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を分光器１２３での解析に用いるため、フィルタ１２６は、この波長帯の光のみを透過させる。
【０１０８】
分光器１２３は、入射した光を波長毎に分光し、分光した各波長における強度をそれぞれ検出することにより、入射した光の分光スペクトルを算出する分光スペクトル算出手段である。算出された分光スペクトルの情報は、コンピュータ１１２の材料取得部１１２ｄへ入力される。材料取得部１１２ｄは、入力された分光スペクトルの情報に基づいて、溶接部１０２の材料を特定する。このとき、コンピュータ１１２には、予め複数種類の材料に対応する溶接条件が記憶されている。
【０１０９】
一方、溶接部１０２から反射した物体光は、第２ビームスプリッタ１２４を透過した後に、第１ビームスプリッタ１０６で反射して光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、入射した物体光から、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。測定された溶け込み深さは、コンピュータ１１２へ入力される。
【０１１０】
コンピュータ１１２の制御部１１２ａは、入力された溶け込み深さに基づいて、溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を調節する。このとき、材料特定部１１２ｄでは、溶接部１０２の材料が特定されている。このため、制御部１１２ａは、溶接部１０２の材料に合わせて、溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を調節する。制御部１１２ａによるレーザ溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行う。
【０１１１】
以上のように、被溶接材１０１の材料が未知であっても、レーザ溶接装置３００は、溶接部１０２の溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を適切に調節することが可能である。
【０１１２】
また、材料の特定に用いる溶接部１０２の発光は、光干渉計１０５に入射すると測定に不要なノイズとなる。光干渉計１０５のノイズとなる光を、第２ビームスプリッタ１２４によって分離することで、光干渉計１０５にノイズが入射することを防止し、光干渉計１０５の測定精度を向上させることができる。
【０１１３】
なお、実施の形態３では、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００を用いて説明したが、レーザ溶接装置１００の代わりに実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１００ レーザ溶接装置
１０１ 被溶接材
１０２ 溶接部
１０４ キーホール
１０５ 光干渉計
１０６ 第１ビームスプリッタ
１０７ レーザ発振器
１１０ 移動ステージ
１１２ コンピュータ
１１２ａ 制御部
１１２ｂ 測定部
１１２ｃ 評価部
１１２ｄ 材料特定部
１１３ 波長走査光源
１１７ 第２ファイバカプラ
１１８ 差動ディテクタ
１２３ 分光器
１２４ 第２ビームスプリッタ
２００ レーザ溶接装置
３００ レーザ溶接装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いて溶接する際に溶接部の品質を評価するレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のレーザ溶接装置として、溶接部の溶融金属が発する光を用いて、溶接部の品質を評価する装置がある（特許文献１参照）。
【０００３】
具体的には、図９に示すように、レーザ発振器１１から一定強度で連続的に出力されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１２を介して集光光学系１３に伝送され、集光光学系１３で溶接部２に集光される。集光光学系１３で集光されたレーザ光は、被溶接材１の溶接に供される。被溶接材１の溶接の際に溶接部２の溶融金属は光を発する。溶融金属の発した光は集光光学系１３で集光され、モニタ光伝送用光学系１４を介して干渉フィルタ１５に伝送される。干渉フィルタ１５に伝送された光のうち溶融金属の発した光の波長成分が干渉フィルタ１５で選択される。干渉フィルタ１５で選択された波長成分の光はフォトダイオード１６で受光される。フォトダイオード１６は受光した光の発光強度に応じた信号を出力する。フォトダイオード１６から出力された信号は、アンプ１７、Ａ／Ｄ変換器１８を介してコンピュータ１９に入力される。コンピュータ１９には溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係が予め記憶され、入力された信号をこの相関関係に当てはめることでコンピュータ１９は溶接部２の溶け込み深さを導出する。導出した溶接部２の溶け込み深さに基づいて、コンピュータ１９は溶接部２の品質を評価する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−２０７５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のレーザ溶接装置では、溶け込み深さを直接検出せずに、溶融金属の発光強度と溶け込み深さとの相関関係を用いることで、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に溶接部２の溶け込み深さを測定している。しかしながら、この相関関係は、被溶接材１の材質のばらつきや周囲の温度などの要因によって、常に一定の関係をとるとは限らない。このため、溶接部２の溶融金属の発光強度から間接的に導出した溶接部２の溶け込み深さは、必ずしも実際の溶け込み深さと一致するとは限らない。ゆえに、実際の溶け込み深さと異なる値に基づいて溶接部２の品質を評価する場合が生じ、溶接部２の品質の評価を高精度に行うことができないといった課題を従来のレーザ溶接装置は有している。
【０００６】
そこで、本発明は、上記課題を解決し、溶接部の溶け込み深さを直接計測ることで溶接部の品質の評価を高精度に行うレーザ溶接装置及びレーザ溶接方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のレーザ溶接装置は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のレーザ溶接方法は、レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記レーザ光と同軸にすると共に、前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きくなるように前記物体光を前記溶接部へ照射して前記溶接部の溶け込み深さを測定し、測定した前記溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明によれば、溶接部の溶け込み深さを直接検出することができ、溶接部の品質の評価を高精度に行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１におけるレーザ溶接装置の模式図
【図２】実施の形態１における波長走査光源の波長の時間変化のグラフを示す図
【図３】実施の形態１におけるキーホールと物体光のスポットとレーザ光のスポットとの関係を示す模式図
【図４】実施の形態１における物体光でキーホールの深さを測定する原理の説明図
【図５】実施の形態１における物体光と参照光との光路長差と干渉光の強度との関係のグラフを表す図
【図６】実施の形態１におけるレーザ溶接装置の動作を示すフローチャート
【図７】実施の形態２におけるキーホールと物体光のスポットとレーザ光のスポットとの関係を示す模式図
【図８】実施の形態３におけるレーザ溶接装置の模式図
【図９】従来のレーザ溶接装置の模式図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるレーザ溶接装置１００の概要を示す図である。
【００１３】
まず、レーザ溶接装置１００の概要について説明する。
【００１４】
図１に示すように、レーザ溶接装置１００では、水平方向（図１のｘ方向）に延在する被溶接材１０１の溶接部１０２を溶接するにあたり、垂直方向（ｚ方向）から被溶接材１０１の上面にレーザ発振器１０７からレーザ光が照射される。レーザ光の照射された溶接部１０２は、その上部から溶融し、溶接部１０２に溶融池１０３が形成される。溶接部１０２が溶融する際に、溶融池１０３から溶融金属が蒸発し、蒸発時に生じる蒸気の圧力によってキーホール１０４が形成される。ここでは、溶融池１０３とキーホール１０４とを合わせて溶接部１０２として扱う。このとき、第１ビームスプリッタ１０６（光学部材）により、光干渉計１０５から出射される物体光が、レーザ発振器１０７からのレーザ光と同心・同軸上に重ね合わされ、キーホール１０４の内部に照射される。照射された物体光は、キーホール１０４の底部１０４ａで反射し、第１ビームスプリッタ１０６を介して、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、物体光の光路長を測定できるため、測定した光路長からキーホール１０４の深さを、溶接部１０２の溶け込み深さとして特定する。特定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の良否を判定する。
【００１５】
レーザ溶接装置１００では、溶接部１０２における物体光のスポット径が、同じ位置におけるレーザ光のスポット径よりも大きくなるように、設定されている。これにより、理由は後述するが、物体光をキーホール１０４の底部１０４ａへ的確に照射することができる。ゆえに、底部１０４ａの位置を高精度に検出することが可能となる。底部１０４ａの位置はキーホール１０４の深さに該当し、キーホール１０４の深さは、溶接部１０２の溶け込み深さとみなすことができる。つまり、レーザ溶接装置１００は、溶接部１０２の溶け込み深さを、高い精度で測定することが可能である。
【００１６】
以上が、レーザ溶接装置１００の概要についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００の各構成について、それぞれ説明を行う。
【００１７】
まず、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を担う構成部分について説明する。
【００１８】
レーザ発生手段であるレーザ発振器１０７から発振されたレーザ光が、レーザ光伝送用光学系１０８を介して第１集光光学系１０９で集光される。第１集光光学系１０９で集光されたレーザ光は、第１ビームスプリッタ１０６を透過して、溶接部１０２に集光され、被溶接材１０１の溶接に供される。ここでは、レーザ発振器１０７にＹＡＧレーザを用いた。
【００１９】
移動ステージ１１０は、ステージコントローラ１１１を介して、コンピュータ１１２の制御部（制御手段）１１２ａからの指令により移動する。被溶接材１０１は、移動ステージ１１０に固定されており、レーザ発振器１０７がレーザ光を発振している間に、移動ステージ１１０を移動させることで、被溶接材１０１におけるレーザ光の照射位置を変化させ、所望の範囲についてレーザ溶接を行う。
【００２０】
制御部１１２ａは、レーザ発振器１０７と接続されており、移動ステージ１１０の移動速度の他に、レーザ光の出力開始・停止、レーザ光の出力強度、などを制御する機能も備えている。
【００２１】
以上が、レーザ溶接装置１００におけるレーザ溶接機能を担う構成部分についての説明である。次に、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分について説明する。
【００２２】
光干渉計１０５は、Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ（ＳＳ−ＯＣＴ：波長走査型光干渉断層法）の技術を用いて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する手段である。実施の形態１では、レーザ発振器１０７からのレーザ光と波長の異なるレーザ光を、光干渉計１０５に備わる波長走査光源１１３から出射する。以下の説明では、波長走査光源１１３から出射されるレーザ光を測定光と記載し、レーザ発振器１０７から発振されるものについてのみレーザ光と記載する。
【００２３】
波長走査光源１１３は、波長幅の短い測定光を連続的に出射し、出射する測定光の中心波長を、図２のように周期的に変化させる。図２では、照射する測定光の波長を縦軸に、時間を横軸に示す。このような測定光の中心波長を周期的に変化させる動作を波長走査と呼ぶ。
【００２４】
図１の波長走査光源１１３から出射した測定光は、光ファイバ系１１４を透過して、第１ファイバカプラ１１５に入射する。第１ファイバカプラ１１５に入射した測定光は、物体光と参照光の２つに分岐される。物体光とは測定対象である溶接部１０２に照射される測定光のことを意味し、参照光とは基準面である参照ミラー１１６に照射される測定光を意味する。このとき、物体光は第１光ファイバ系１１４ａに、参照光は第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。また、第１ファイバカプラ１１５は、入射した測定光の５０％を物体光に、残りの５０％を参照光に分岐させる。
【００２５】
物体光は、第１光ファイバ系１１４ａを透過して、光干渉計１０５から出射し、溶接部１０２に照射される。溶接部１０２に照射された物体光の一部は、溶接部１０２で反射する。溶接部１０２で反射した物体光は、光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５に入射した物体光は、第１光ファイバ系１１４ａを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに物体光が通過した光路の長さを、物体光の光路長とする。
【００２６】
参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、参照ミラー１１６に照射される。参照ミラー１１６に照射された参照光は、参照ミラー１１６で反射した後、第２光ファイバ系１１４ｂに入射する。第２光ファイバ系１１４ｂに入射した参照光は、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して、第２ファイバカプラ１１７に入射する。このとき、第１ファイバカプラ１１５から出射して、第２ファイバカプラ１１７に入射するまでに参照光が通過した光路の長さを、参照光の光路長とする。参照光の光路長は、基準値として予め測定しておく。
【００２７】
第２ファイバカプラ１１７は、差動ディテクタ１１８の第１入力１１８ａに接続される光ファイバ系１１４ａと、第２入力１１８ｂに接続される光ファイバ系１１４ｂとについて、これらを透過する光に５０：５０のカップリングをするものである。具体的には、第１光ファイバ系１１４ａから第２ファイバカプラ１１７に入射した物体光の５０％は、そのまま、第１入力１１８ａに入射するが、残りの５０％の物体光は、第２ファイバカプラ１１７の作用により、第２入力１１８ｂに入射する。同様に、第２光ファイバ系１１４ｂから第２ファイバカプラ１１７に入射した参照光の５０％は、そのまま、第２入力１１８ｂに入射するが、残りの５０％の参照光は、第２ファイバカプラ１１７の作用により、第２入力１１８ａに入射する。このとき、参照光と物体光とが１つの光束に結合されることで干渉光となって、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂ、それぞれに入射する。
【００２８】
差動ディテクタ１１８は、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからそれぞれ入力された干渉光の差動を取ることで、干渉光に含まれるノイズの影響を除去し、ノイズを除去した干渉光を、その強度に応じて電気信号に変換する。また、差動ディテクタ１１８は、変換した干渉光の電気信号を、Ａ／Ｄ変換器１１９へ出力する。
【００２９】
ここで、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う上記以外の構成部分を説明する前に、差動ディテクタ１１８を設ける理由について説明する。実施の形態１では、レーザ発振器１０７からレーザ光が照射されている最中の溶接部１０２の溶け込み深さを、光干渉計１０５を用いて測定する。このため、溶接部１０２の発光（溶融金属が発する光）がノイズとして、光干渉計１０５による測定の精度に影響を与える。そこで、実施の形態１では、ノイズの影響を低減させるため、差動ディテクタ１１８を設けるのである。
【００３０】
差動ディテクタ１１８のノイズの影響を低減させる機能について詳細を説明する。
【００３１】
第２ファイバカプラ１１７の作用により、第１光ファイバ系１１４ａから第２入力１１８ｂに入射した物体光の位相は、第１入力１１８ａに入射した物体光の位相よりもλ／４遅れる。この現象は、参照光でも同じである。このため、第１入力１１８ａに入射した干渉光の位相に対して、第２入力１１８ｂに入射した干渉光の位相は反転の関係となる。つまり、差動ディテクタ１１８で、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとからの信号の差分をとることで、溶接部１０２の発光の影響等を除去することができる。以下の（数１）〜（数７）を用いて詳細を説明する。第１光ファイバ系１１４ａを透過して第２ファイバカプラ１１７に入射する物体光の電界成分Ｅsを（数１）に、第２光ファイバ系１１４ｂを透過して第２ファイバカプラ１１７に入射する参照光の電界成分Ｅrを（数２）に、それぞれ表す。
【００３２】
【数１】
【００３３】
【数２】
【００３４】
ここでの、Ｅs0は物体光の振幅、Ｅr0は参照光の振幅を表す。また、ωは波長走査光源１１３からの測定光の角振動数、ｔは時間、φsは物体光の位相、φrは参照光の位相を示す。また、（数１）の右辺における第２項は、溶接部１０２からの発光（ノイズ）の電解成分を示し、Ｅn、ωn、φn、は、溶接部１０２の発光の、振幅、角振動数、位相をそれぞれ示す。
【００３５】
前述の通り、第２ファイバカプラ１１７の作用によって、物体光と参照光とには、５０：５０のカップリングが行われる。このとき、第１光ファイバ系１１４ａから第２入力１１８ｂに入射した物体光は、その位相がλ／４遅れ、第２光ファイバ系１１４ｂから第１入力１１８ａに入射した参照光も、その位相がλ／４遅れる。これらから、第１入力１１８ａに入射する干渉光（物体光と測定光）の電解成分ＥAは（数３）で、第２入力１１８ｂに入射する干渉光の電解成分ＥBは（数４）で表すことができる。
【００３６】
【数３】
【００３７】
【数４】
【００３８】
溶接部１０２の発光は干渉しないことを考慮すると、第１入力１１８ａ、第２入力１１８ｂでそれぞれ検出される干渉光の強度ＩA、ＩBは、それぞれ（数５）、（数６）で求めることができる。
【００３９】
【数５】
【００４０】
【数６】
【００４１】
第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとの差動をとると、次の（数７）を得られる。
【００４２】
【数７】
【００４３】
（数７）より、溶接部１０２の発光に依存する項が除去されたことが理解できる。このことから、第１入力１１８ａと第２入力１１８ｂとの差動をとることで、溶接部１０２の発光の影響を除去できることが明らかとなる。
【００４４】
以上が差動ディテクタ１１８による、ノイズの影響を低減する機能についての説明である。ここから、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分についての説明に戻る。
【００４５】
Ａ／Ｄ変換器１１９には、波長走査の繰り返し周波数と同期したトリガ出力が、波長走査光源１１３から入力されている。入力されたトリガ出力に基づくことで、Ａ／Ｄ変換器１１９は、波長走査光源１１３の繰り返しの周期と同期して、差動ディテクタ１１８から出力される干渉光の電気信号についての集録を行う。このとき、集録された干渉光の電気信号は、コンピュータ１１２へ出力される。
【００４６】
コンピュータ１１２は、入力された干渉光の電気信号に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する測定部（測定手段）１１２ｂを有する。干渉光には、物体光と参照光との光路長差に応じた干渉が生じるため、この干渉に基づいて測定部１１２ｂは、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。具体的には、コンピュータ１１２が、入力された干渉光の電気信号に対して、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を実行し、処理の結果に基づいて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。
【００４７】
以上が、レーザ溶接装置１００における溶け込み深さ測定機能を担う構成部分についての説明である。
【００４８】
レーザ溶接装置１００では、溶け込み深さ測定機能と、先に説明したレーザ溶接機能を担う構成とを有している。これらの機能を同時に作動させるため、レーザ溶接装置１００は、更に、以下に説明する構成を備えている。
【００４９】
レーザ発振器１０７からのレーザ光と、光干渉計１０５からの物体光とを、同軸の光束に結合する光学部材の一例として第１ビームスプリッタ１０６が、レーザ溶接装置１００に備えられている。第１ビームスプリッタ１０６で同軸の光束に結合された、レーザ光と物体光とが、溶接部１０２に照射されることで、レーザ溶接と同時に溶接部１０２の溶け込み深さの測定を行うことが可能である。このとき、第１ビームスプリッタ１０６は、ダイクロイックミラーであり、レーザ発振器１０７からのレーザ光を透過し、光干渉計１０５からの物体光を反射するように、透過・反射させる波長が設定されている。
【００５０】
このとき、第１ビームスプリッタ１０６で、レーザ光と物体光とを十分に分離するために、レーザ光と物体光との波長差を１００ｎｍ以上とすることが望ましい。実施の形態１では、波長１０６４〜１０９０ｎｍのレーザ光を発振するレーザ発振器１０７を用い、１２７０〜１３７０ｎｍの波長の測定光（物体光）を波長走査する波長走査光源１１３を用いる。波長走査光源１１３の波長走査の周期は、０．５ｍｓである。
【００５１】
更に、光干渉計１０５と第１ビームスプリッタ１０６との間に、物体光を集光する第２集光光学系１２０を設置する。第２集光光学系１２０は、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａから出射した物体光を、第１ビームスプリッタ１０６を介して、溶接部１０２に集光させる機能を有する。また、第２集光光学系１２０は、溶接部１０２から反射した物体光を、第１ビームスプリッタ１０６を介して、第１光ファイバ系１１４ａに再度、入射させる機能も有している。
【００５２】
また、光干渉計１０５の第１光ファイバ系１１４ａと第２集光光学系１２０との間に、物体光の波長のみを透過させる干渉フィルタ１２１を設ける。溶接部１０２で反射したレーザ光や、溶接部１０２の発光が、第１光ファイバ系１１４ａに入射するのを防止することを目的として、第１光ファイバ系１１４ａの直前に干渉フィルタ１２０が設けられている。
【００５３】
以上の構成により、レーザ溶接装置１００は、溶け込み深さ測定機能と、レーザ溶接機能とを同時に行うことを可能とする。ただし、ここまで説明した構成だけでは、レーザ溶接時に、溶け込み深さを精度良く測定することができない場合がある。溶け込み深さを精度良く測定できない場合として、光干渉計１０５が、キーホール１０４の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう場合について説明する。
【００５４】
キーホール１０４は、溶接部１０２で溶融した金属が蒸発し、蒸発時の蒸気の圧力によって形成される。形成されるキーホール１０４の形状は、レーザ光の照射時間や溶融池１０３の状態により、変化する。このため、キーホール１０４の底部１０４ａの位置と、レーザ光のスポットの中心の位置とが、一致しない場合が生じる。この場合、レーザ光と同軸の光束に結合された物体光は、底部１０４ａに照射されない状態が生じ得る。
【００５５】
底部１０４ａに物体光が照射されない状態、例えば、キーホール１０４の内側面に物体光が照射された状態では、物体光の反射した位置を底部１０４ａの位置として、光干渉計１０５はキーホール１０４の深さを測定する。つまり、底部１０４ａに物体光が照射されなければ、光干渉計１０５は、キーホール１０４の深さを実際の深さよりも浅く測定してしまう。実際の深さよりも浅く測定したキーホール１０４の深さからは、精度良く溶接部１０２の検査を行うことはできない。
【００５６】
光干渉計１０５が、キーホール１０４を実際の深さよりも浅く測定するのを防止するためには、的確に物体光を底部１０４ａに照射する必要がある。そこで、以下に、的確に物体光を底部１０４ａに照射するための実施の形態１における構成を説明する。
【００５７】
実施の形態１では、溶接部１０２において、レーザ発振器１０７からのレーザ光のスポット径よりも、光干渉計１０５からの物体光のスポット径の方が大きくなるように、第１集光光学系１０９、第２集光光学系１２０を配置する。この構成により、物体光をキーホール１０４の略全域に照射することが可能となる。キーホール１０４の略全域に物体光を照射すれば、略確実に、底部１０４ａに物体光が照射される。このため、レーザ光のスポットの中心と底部１０４ａとが一致しない場合でも、物体光を底部１０４ａに照射することが可能となる。
【００５８】
レーザ光のスポット径と物体光のスポット径とをどのように設定すれば、より確実に、物体光をキーホール１０４の底部１０４ａに照射できるかを、次に説明する。
【００５９】
図３に、溶接部１０２の表面におけるレーザ光のスポット、物体光のスポット、キーホール１０４、溶融池１０３の位置関係を示す。この図３は、図１に示した矢印Ａの向きから見た状態である。このとき、移動ステージ１１０による被溶接材１０１の移動方向が、図３に矢印で示した移動方向である。実施の形態１では、図３に示すように、レーザ光のスポットと、物体光のスポットは、共に円形状である。
【００６０】
図３に示すように、レーザ光のスポット径（直径）をｒl、物体光のスポット径（直径）をｒsとする。このとき、移動ステージ１１０により被溶接材１０１が移動することで、レーザ光の照射される位置が変化する。レーザ光の照射される位置が変化することで、形成されるキーホール１０４の形状も、被溶接材１０１の移動方向に長軸を有する楕円形状となる。このキーホール１０４の長軸の長さをｒkとする。
【００６１】
キーホール１０４の長軸の長さｒkは、レーザ光の強度の増加に伴って長くなり、レーザ光を照射する時間の減少、すなわち、移動ステージ１１０による移動速度の増加に伴って短くなる傾向がある。このとき、自身のスポット径ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような強力なレーザ光は、溶接に向かない（穴が開いてしまう）。同様に、ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような速度で被溶接材１０１を移動させることも好ましくない。このため、レーザ溶接において、ｒlの３倍よりも、ｒkの値は小さくなることが理解できる。よって、レーザ光のスポット径ｒl（直径）とキーホール１０４の長軸の長さｒkとの関係は、次の（数８）で与えられる。
【００６２】
【数８】
【００６３】
レーザ光が照射されることでキーホール１０４が形成されるため、形成されるキーホール１０４の位置は、レーザ光のスポット位置から大きく離間することは無い。このため、レーザ光と同軸の物体光のスポット径の直径ｒsを、ｒlの３倍以上にすれば、物体光のスポットの中にキーホール１０４を略完全に含ませることが可能となる。物体光のスポット内にキーホール１０４が略完全に含まれれば、略確実に、底部１０４ａに対して、物体光が照射される。つまり、物体光のスポット径の直径ｒsを、レーザ光のスポット径ｒlの３倍以上にすることで、底部１０４ａへ略確実に物体光を照射することができ、高精度に、キーホール１０４の深さを測定可能となる。一方で、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光は、キーホール１０４の測定に寄与しないノイズとなる。物体光のスポット径ｒsが大きくなる程、ノイズの影響が強くなる。発明者らは、ｒsが、ｒlの１０倍以下の場合では、ノイズの影響が小さく、キーホール１０４の深さを測定できることを見出した。これらのことから、物体光のスポット径ｒsをレーザ光のスポット径ｒlの３倍以上・１０倍以下に設定することで、底部１０４ａに対して略確実に物体光を照射することができ、
キーホール１０４の深さ、すなわち、溶接部１０２の溶け込み深さを高精度に測定することができる。
【００６４】
実施の形態１では、図１のレーザ光伝送用光学系１０８のレーザ光出射口の直径を１００μｍとして、第１集光光学系１０９の結像倍率を１／２倍とする。また、第１光ファイバ系１１４ａの物体光出射口の直径を１０μｍとし、第２集光光学系１２０の結像倍率を１５倍とする。これらにより、レーザ光のスポット径ｒlを５０μｍ、物体光のスポット径ｒsを１５０μｍとする。また、これらのスポット径を調節しやすくするため、溶接部１０２の表面と所望の溶け込み深さとの間で、第１集光光学系１０９と第２集光光学系１２０の焦点の位置を一致させるのがよい。
【００６５】
以上のように、レーザ光と物体光のそれぞれのスポット径を調節することで、レーザ溶接装置１００は、精度良く、溶接部１０２の溶け込み深さを測定できる。続いて、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する具体的な手法について説明する。
【００６６】
図４は、物体光でキーホール１０４の深さを測定する原理の説明図である。物体光のスポット内に、キーホール１０４が位置すると、被溶接材１０１の表面と、キーホール１０４の底部１０４ａとで物体光が反射する。光干渉計１０５は、参照光の光路長を基準として、物体光の光路長の基準からの光路差を測定する。このため、光干渉計１０５は、被溶接材１０１の表面の位置と、底部１０４ａの位置とを、参照光の光路長からの光路長差としてそれぞれ測定する。図４中の点線は、参照光と物体光の光路長差が０となる位置であり、Ｌ１は点線の位置から溶接部１０２表面までの光路長、Ｌ２は点線の位置から底部１０４ａまでの光路長を表す。
【００６７】
このとき、物体光と参照光との光路長差と干渉光の強度との関係のグラフを図５に示す。図５では、干渉光の強度を縦軸に示し、基準からの光路長を横軸に示す。溶接部１０２の表面と、底部１０４ａで反射する物体光の強度が強くなるため、図５のようなピークを持つ。このピーク間の距離を求めることで溶接部１０２の表面から底部１０４ａまでの距離、すなわちキーホール１０４の深さが求まる。キーホール１０４の深さは、溶接部１０２の溶け込み深さに相当する。以上の手法により、図１の光干渉計１０５は、溶接部１０２の溶け込み深さを測定可能である。
【００６８】
続いて、図１の光干渉計１０５で測定した溶け込み深さに基づいて、レーザ溶接装置１００による溶接部１０２の評価手法について説明する。
【００６９】
コンピュータ１１２は、測定した溶け込み深さから溶接部１０２の品質を評価する評価部（評価手段）１１２ｃを備える。良品の溶け込み深さの範囲を予めコンピュータ１１２に記憶させ、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内であるか否かを判定することで、評価部１１２ｃは溶接部１０２の良否についての評価を行う。評価の結果は、表示器１２２に表示される。
【００７０】
溶接部１０２の溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲を超え、評価部１１２ｃにより溶接部１０２が不良と判定された場合、レーザ溶接装置１００は、レーザ光の照射を中止し、レーザ溶接の動作を中段する。
【００７１】
以上、説明した図１のレーザ溶接装置１００の動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。
【００７２】
ステップＳ１では、制御部１１２ａが、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動開始指令を出力する。これにより、移動ステージ１１０に固定されている被溶接材１０１の移動が開始される。
【００７３】
ステップＳ２では、制御部１１２ａが、光干渉計１０５の波長走査光源１１３に測定光の出力開始指令を出力する。これにより、波長走査光源１１３は、波長走査を開始する。
【００７４】
ステップＳ３では、制御部１１２ａが、レーザ発振器１０７にレーザ光の出力開始指令を出力する。これにより、溶接部１０２にレーザ光が照射され、レーザ溶接が開始される。
【００７５】
ステップＳ４では、測定部１１２ｂが、光干渉計１０５からの信号に基づき、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。
【００７６】
ステップＳ５では、評価部１１２ｃが、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内か否かを判定し、溶接部１０２の品質を評価する。溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲内の場合（ステップＳ５のＹｅｓ）は、ステップＳ６に進み、溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲外の場合（ステップＳ５のＮｏ）は、ステップＳ７に進む。
【００７７】
ステップＳ６では、現在、レーザ光を照射している場所が、被溶接材１０１の溶接を行う場所の終端点か否かを、制御部１１２ａが判定する。レーザ光を照射している場所が終端点であると判定した場合（ステップＳ６のＹｅｓ）はステップＳ８に進み、レーザ光を照射している場所が終端点でないと判定した場合（ステップＳ６のＮｏ）はステップＳ４に戻る。
【００７８】
ステップＳ７では、溶接部１０２が不良である旨を表示器１２２に表示する。この場合、被溶接材１０１に対する溶接を完了したか否かの判定を行うことなく（ステップＳ６を経ることなく）、ステップＳ８に進む。
【００７９】
ステップＳ８では、制御部１１２ａが、レーザ光の出力停止指令をレーザ発振器１０７に出力する。これにより、レーザ光の照射を終了する。
【００８０】
ステップＳ９では、制御部１１２ａが、波長走査光源１１３に測定光の出力停止指令を出力する。これにより、波長走査を終了する。
【００８１】
ステップＳ１０では、制御部１１２ａが、ステージコントローラ１１１に移動ステージ１１０の移動停止指令を出力する。これにより、移動ステージ１１０に固定されている被溶接材１０１の移動が停止される。
【００８２】
以上、説明したステップＳ１からステップＳ１０によって、レーザ溶接装置１００は動作を行う。
【００８３】
なお、実施の形態１において、レーザ光の照射位置の移動手段として照射される側（被溶接材１０１）を移動させる移動ステージ１１０を設けたが、この移動手段に、照射する側（レーザ光）を移動させるガルバノスキャナを用いても良い。
【００８４】
なお、実施の形態１では、光干渉計１０５の光源として波長走査光源１１３、検出器として差動ディテクタ１１８を設け、いわゆるＳＳ−ＯＣＴの原理を利用した。溶接部１０２の溶け込み深さは、高速に変動（数十ｋＨｚオーダー）することが予想されるため、数十ｋＨｚのオーダーでの波長走査が可能な、ＳＳ−ＯＣＴを用いることで、高速変動する溶接部１０２の溶け込み深さを、高精度に測定することができる。ＯＣＴの別の原理として、参照ミラー１１６を移動させることで、対象の距離を測定する、いわゆるＴｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ＯＣＴ（ＴＤ−ＯＣＴ）がある。このＴＤ−ＯＣＴを実施の形態１に用いる場合、参照ミラー１１６を溶け込み深さの高速変動に追従させる必要がある。しかし、ＴＤ−ＯＣＴでは参照ミラー１１６を機械的動作によりその位置を変動させるため、このような高速変動に参照ミラー１１６を追従させるのは現実的でない。このため、ＴＤ−ＯＣＴを実施の形態１に用いては、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する精度が低下してしまう。
【００８５】
なお、測定した溶け込み深さが良品の溶け込み深さの範囲を超える前に、溶接条件を変更して、溶け込み深さを適切な値に調節することで、不良品の発生を未然に防止するようにしてもよい。この場合、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲を、良品の溶け込み深さの範囲より、厳しい条件で設定する。測定した溶け込み深さが、溶接条件を変更するための溶け込み深さの範囲を超えた場合、溶け込み深さが適切な値となるように、制御部１１２ａは、溶接条件を変更する。制御部１１２ａによる溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行う。
【００８６】
なお、波長走査光源１１３の出力は、溶接部１０２に影響を与えない範囲で調節を行う必要がある。実施の形態１では、レーザ発振器１０７の出力を３００Ｗ、波長走査光源１１３の出力を２３ｍＷとした。
【００８７】
（実施の形態２）
実施の形態１では、物体光のスポットを円形状として説明した。実施の形態２では、物体光のスポットを直線形状として説明する。なお、以下の説明では、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８８】
実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００では、図１の第２集光光学系１２０としてシリンドリカルレンズを用いることで、溶接部１０２に集光される物体光のスポットを直線形状に形成する。
【００８９】
図７に、溶接部１０２の表面におけるレーザ光のスポット、物体光のスポット、キーホール１０４、溶融池１０３の位置関係を示す。この図７は、図１に示した矢印Ａの向きから見た状態である。このとき、移動ステージ１１０による被溶接材１０１の移動方向が、図７に矢印で示した移動方向である。
【００９０】
図７に示すように、直線形状の物体光のスポットの長軸の向きを、移動方向と一致させるようにシリンドリカルレンズを配置する。キーホール１０４の底部１０４ａの位置は、レーザ光のスポットの位置から、移動方向にずれることが多いと考えられるからである。この場合、物体光のスポットの長軸の長さをｌl、短軸の長さをｌsとする。また、実施の形態１と同様、レーザ光のスポット径（直径）をｒl、キーホール１０４の長軸の長さをｒkとする。
【００９１】
キーホール１０４の長軸の長さｒkよりも、ｌlを長くすれば、底部１０４ａに物体光を的確に照射することが可能となる。このため、ｌlをｒlの３倍以上にすればよい。これらの理由を次に説明する。
【００９２】
キーホール１０４の長軸の長さｒkは、レーザ光の強度の増加に伴って長くなり、レーザ光を照射する時間の減少、すなわち、移動ステージ１１０による移動速度の増加に伴って短くなる傾向がある。このとき、自身のスポット径ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような強力なレーザ光は、溶接に向かない（穴が開いてしまう）。同様に、ｒlの３倍以上のｒkのキーホール１０４を形成するような速度で被溶接材１０１を移動させることも好ましくない。このため、レーザ溶接において、ｒlの３倍よりも、ｒkの値は小さくなることが理解できる。よって、レーザ光のスポット径ｒl（直径）とキーホール１０４の長軸の長さｒkとの関係は、次の（数９）で与えられる。
【００９３】
【数９】
【００９４】
レーザ光が照射されることでキーホール１０４が形成されるため、形成されるキーホール１０４の位置は、レーザ光のスポット位置から大きく離間することは無い。このため、物体光のスポットの長軸の長さｌlを、ｒlの３倍以上にすれば、物体光のスポットの中にキーホール１０４を略完全に含ませることが可能となる。物体光のスポット内にキーホール１０４が略完全に含まれれば、略確実に、底部１０４ａに対して、物体光が照射される。つまり、物体光のスポットの長軸の長さｌlを、レーザ光のスポット径ｒlの３倍以上にすることで、底部１０４ａへ略確実に物体光を照射することができ、高精度に、キーホール１０４の深さを測定可能となる。
【００９５】
このとき、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光は、キーホール１０４の測定に寄与しないノイズとなる。実施の形態１では、物体光の円形状のスポット径ｒsが、ｒlの１０倍以上になると、ノイズの影響が強くなり、キーホール１０４の深さを測定できなくなった。一方、実施の形態２では、物体光のスポットが、直線形状であるため、その長軸の長さｌlを長くしても、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光の量は実施の形態１に比べて少ない。発明者らは、ｌlがｒlの５０倍以下であれば、キーホール１０４の深さを測定できることを予測した。
【００９６】
なお、物体光のスポットの短軸の長さｌsが短すぎると、底部１０４ａに物体光が照射されない場合が生じうる。これを防止するため、ｌsをｒlの１倍〜２倍に設定する。
【００９７】
以上のように、実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００によって、キーホール１０４の底部１０４ａの位置に、物体光を略確実に照射することができ、キーホール１０４の深さ、すなわち、溶接部１０２の溶け込み深さを高精度に測定可能である。
【００９８】
また、レーザ溶接装置２００は、実施の形態１よりも、キーホール１０４以外の場所で反射する物体光（ノイズ）の量を減らすことが可能となり、ノイズの影響を低減して、キーホール１０４の深さを測定可能である。また、ノイズの影響が小さいため、長軸方向の物体光のスポットの長さｌlを、実施の形態１の物体光のスポット径よりも長くすることが可能である。このため、レーザ光のスポットの中心の位置から、レーザ光のスポット径ｒlの１０倍以上離れた位置に、底部１０４ａが存在するような場合があっても、レーザ溶接装置２００は、ｌlをｒlの１０倍以上にすることで、底部１０４ａに物体光を照射可能である。
【００９９】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１のレーザ溶接装置１００に、溶接部１０２の発光から分光スペクトルを算出する分光器１２３と、算出した分光スペクトルから溶接部１０２の材料を特定する材料特定部（材料特定手段）１１２ｄと、を備えるレーザ溶接装置３００について説明する。
【０１００】
図８にレーザ溶接装置３００の模式図を示す。ここでは、実施の形態１と同じ構成には同じ符号を付して、説明を省略する。
【０１０１】
被溶接材１０１は、材料の異なる領域を有する場合がある。このような被溶接材１０１を溶接する際には、領域の材料に合わせた溶接条件で、レーザ溶接を行う必要がある。しかしながら、領域の分布が未知の場合、予め溶接条件を決定してレーザ溶接を行うことはできない。また、光干渉計１０５で測定した溶接部１０２の溶け込み深さに基づいて溶け込み深さが適切になるように溶接条件を変更する場合、材料が未知であれば、溶接条件を適切に変更することができない。そこで、実施の形態３では、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する際に、溶接部１０２の材料を特定し、特定した材料に適した溶接条件にて溶け込み深さを適切に調節するレーザ溶接装置３００を提供する。
【０１０２】
まず、レーザ溶接装置３００による、材料特定手法の原理について説明する。
【０１０３】
溶接部１０２では、照射されるレーザ光により蒸発した金属がプラズマ化することで発光する。この発光は、材料毎に異なる波長の光を含む。このため、発光の分光スペクトルは、材料により異なる。それゆえ、溶接部１０２の発光から、分光器１２３で分光スペクトルを算出することで、算出した分光スペクトルから材料を特定できる。
【０１０４】
次に、レーザ溶接装置３００の装置構成とその作用について説明する。
【０１０５】
溶接部１０２の発光は、第２ビームスプリッタ１２４、第３集光光学系１２５、フィルタ１２６を介して、分光器１２３に入射する。
【０１０６】
第１ビームスプリッタ１０６と被溶接材１０１との間であって、レーザ光の光軸上に配置された第２ビームスプリッタ１２４（光分離手段）は、レーザ発振器１０７からのレーザ光と光干渉計１０５からの物体光を透過し、これら以外の光を反射する。これにより、第２ビームスプリッタ１２４は、レーザ光と物体光を、これら以外の光から分離する。実施の形態３では、レーザ発振器１０７が１０６４ｎｍ〜１０９０ｎｍの波長のレーザ光を出力し、波長走査光源１１３が１２７０ｎｍ〜１３７０ｎｍの波長の物体光を照射する。このため、第２ビームスプリッタ１２４は、１０６４ｎｍ〜１０９０ｎｍ、１２７０ｎｍ〜１３７０ｎｍの波長の光を透過し、それ以外の波長の光を反射する。これにより、光干渉計１０５に、溶接部１０２の発光等が入射するのを防止できる。
【０１０７】
第２ビームスプリッタ１２４で反射した光は、第３集光光学系１２５、フィルタ１２６を介して、分光器１２３に入射する。フィルタ１２６は、分光器１２３で分光スペクトルの算出に必要な波長の光のみを透過させる。実施の形態３では、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長を分光器１２３での解析に用いるため、フィルタ１２６は、この波長帯の光のみを透過させる。
【０１０８】
分光器１２３は、入射した光を波長毎に分光し、分光した各波長における強度をそれぞれ検出することにより、入射した光の分光スペクトルを算出する分光スペクトル算出手段である。算出された分光スペクトルの情報は、コンピュータ１１２の材料取得部１１２ｄへ入力される。材料取得部１１２ｄは、入力された分光スペクトルの情報に基づいて、溶接部１０２の材料を特定する。このとき、コンピュータ１１２には、予め複数種類の材料に対応する溶接条件が記憶されている。
【０１０９】
一方、溶接部１０２から反射した物体光は、第２ビームスプリッタ１２４を透過した後に、第１ビームスプリッタ１０６で反射して光干渉計１０５に入射する。光干渉計１０５は、入射した物体光から、溶接部１０２の溶け込み深さを測定する。測定された溶け込み深さは、コンピュータ１１２へ入力される。
【０１１０】
コンピュータ１１２の制御部１１２ａは、入力された溶け込み深さに基づいて、溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を調節する。このとき、材料特定部１１２ｄでは、溶接部１０２の材料が特定されている。このため、制御部１１２ａは、溶接部１０２の材料に合わせて、溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を調節する。制御部１１２ａによるレーザ溶接条件の変更は、レーザ光の出力強度や、被溶接材１０１の移動速度を調節することで行う。
【０１１１】
以上のように、被溶接材１０１の材料が未知であっても、レーザ溶接装置３００は、溶接部１０２の溶け込み深さが適切になるように、溶接条件を適切に調節することが可能である。
【０１１２】
また、材料の特定に用いる溶接部１０２の発光は、光干渉計１０５に入射すると測定に不要なノイズとなる。光干渉計１０５のノイズとなる光を、第２ビームスプリッタ１２４によって分離することで、光干渉計１０５にノイズが入射することを防止し、光干渉計１０５の測定精度を向上させることができる。
【０１１３】
なお、実施の形態３では、実施の形態１に係るレーザ溶接装置１００を用いて説明したが、レーザ溶接装置１００の代わりに実施の形態２に係るレーザ溶接装置２００を用いてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明は、自動車や電子部品等のレーザ溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【０１１５】
１００ レーザ溶接装置
１０１ 被溶接材
１０２ 溶接部
１０４ キーホール
１０５ 光干渉計
１０６ 第１ビームスプリッタ
１０７ レーザ発振器
１１０ 移動ステージ
１１２ コンピュータ
１１２ａ 制御部
１１２ｂ 測定部
１１２ｃ 評価部
１１２ｄ 材料特定部
１１３ 波長走査光源
１１７ 第２ファイバカプラ
１１８ 差動ディテクタ
１２３ 分光器
１２４ 第２ビームスプリッタ
２００ レーザ溶接装置
３００ レーザ溶接装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、
前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、
前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、
前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、
測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、
前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径の３倍以上１０倍以下である請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記光干渉計は、周期的に波長を走査した前記物体光を照射する波長走査型光源と、前記溶接部で反射した前記物体光を複数に分割するファイバカプラと、前記ファイバカプラで分割された前記物体光をそれぞれ電気信号に変換すると共にそれぞれ変換した前記電気信号の差動を出力する差動ディテクタと、出力された前記差動に基づいて前記溶接部の溶け込み深さを測定する測定手段と、を有する請求項１又は２記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記物体光を直線形状に集光するシリンドリカルレンズを前記光干渉計と前記光学部材との間に備える請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記レーザ光の照射位置を移動させる移動手段と、
前記溶接部が溶融する際の発光を前記レーザ光と前記物体光とから分離させると共に前記光学部材と前記溶接部との間に配置された光分離手段と、
前記光分離手段を介して検出した前記発光から分光スペクトルを算出する分光スペクトル算出手段と、
算出した前記分光スペクトルに基づき前記溶接部の材料を特定する材料特定手段と、
測定した前記溶け込み深さと特定した前記材料とに基づいて前記レーザ出力手段の出力強度又は前記移動手段の移動速度を制御する制御手段と、
を備える請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記レーザ光と同軸にすると共に、前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きくなるように前記物体光を前記溶接部へ照射して前記溶接部の溶け込み深さを測定し、
測定した前記溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価するレーザ溶接方法。
【請求項１】
レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接装置であって、
前記レーザ光を照射するレーザ出力手段と、
前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記溶接部に照射すると共に前記溶接部で反射した前記物体光から前記溶接部の溶け込み深さを測定する光干渉計と、
前記レーザ出力手段からの前記レーザ光と前記光干渉計からの前記物体光とを同軸にして前記溶接部に照射する光学部材と、
測定した前記溶接部の溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価する評価手段と、を備え、
前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きいことを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記溶接部における前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径の３倍以上１０倍以下である請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記光干渉計は、周期的に波長を走査した前記物体光を照射する波長走査型光源と、前記溶接部で反射した前記物体光を複数に分割するファイバカプラと、前記ファイバカプラで分割された前記物体光をそれぞれ電気信号に変換すると共にそれぞれ変換した前記電気信号の差動を出力する差動ディテクタと、出力された前記差動に基づいて前記溶接部の溶け込み深さを測定する測定手段と、を有する請求項１又は２記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記物体光を直線形状に集光するシリンドリカルレンズを前記光干渉計と前記光学部材との間に備える請求項１〜３のいずれか１項記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記レーザ光の照射位置を移動させる移動手段と、
前記溶接部が溶融する際の発光を前記レーザ光と前記物体光とから分離させると共に前記光学部材と前記溶接部との間に配置された光分離手段と、
前記光分離手段を介して検出した前記発光から分光スペクトルを算出する分光スペクトル算出手段と、
算出した前記分光スペクトルに基づき前記溶接部の材料を特定する材料特定手段と、
測定した前記溶け込み深さと特定した前記材料とに基づいて前記レーザ出力手段の出力強度又は前記移動手段の移動速度を制御する制御手段と、
を備える請求項１〜４のいずれか１項記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
レーザ光で溶接部を溶接するレーザ溶接方法であって、
前記レーザ光と波長の異なる光である物体光を前記レーザ光と同軸にすると共に、前記物体光のスポット径が前記レーザ光のスポット径よりも大きくなるように前記物体光を前記溶接部へ照射して前記溶接部の溶け込み深さを測定し、
測定した前記溶け込み深さに基づいて前記溶接部の良否を評価するレーザ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２３６１９６（Ｐ２０１２−２３６１９６Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４９８１（Ｐ２０１１−１０４９８１）
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１０日（２０１１．５．１０）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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