JP7591750B2 - レーザ加工方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本開示は、レーザ加工方法及びレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ加工方法として、レーザ溶接を行い、リアルタイムで溶接状態の評価を行う方法が知られている。レーザ溶接時に溶融部から発光する熱放射光、プラズマ光、またはレーザ反射光等の溶接光のピーク強度、または発光エネルギに相当する溶接光強度の積分値に基づいて、溶接状態の評価が行われる。

例えば、特許文献１では、レーザ加工ヘッドに取り付けられた溶接光測定光学系を用いて、レーザ溶接時に溶融部から発光される溶接光からレーザ加工を監視している。

また、例えば、特許文献２では、レーザ溶接時に溶融部から発光される溶接光を、レーザ加工ヘッドに取り付けられた１本の光ファイバを用いて光伝送させ、その出口に取り付けられた溶接光測定光学系を用いてレーザ溶接状態を検出している。

国際公開第２０１８／１８５９７３号 特許第３１８４９６９号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載のレーザ加工方法では、レーザ照射位置周辺の溶融部の近傍における溶接光が一括して測定される。そのため、レーザ溶融部の詳細状態、及び溶融部の周囲に発生する溶融異常状態を精度良く評価することが困難である。したがって、加工状態の評価精度の向上といった点で未だ改善の余地がある。

従って、本開示の目的は、上記従来の課題を解決することにあって、レーザ加工における加工状態の評価精度を向上させることにある。

本開示の一の態様のレーザ加工方法は、発振器からレーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工方法であって、レーザビームの照射によって部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光の強度を第１測定領域と、第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれにて測定するステップと、第１測定領域及び第２測定領域において、測定されたそれぞれの溶接光の強度に基づき加工状態を評価するステップと、を含み、第１測定領域と第２測定領域とは、レーザビームの走査方向と交差する方向に並ぶ。

本開示の一の態様のレーザ加工装置は、レーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工装置であって、レーザビームを照射する発振器と、レーザビームを部材に導く照射光学系と、部材をレーザビームに対して相対的に移動させ、レーザビームを走査させるステージと、レーザビームの照射によって部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光を、第１測定領域と、第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれから導く測定光学系と、第１測定領域から測定光学系に導かれた溶接光の強度を測定する第１センサと、第２測定領域から測定光学系に導かれた溶接光の強度を測定する第２センサと、第１測定領域及び第２測定領域において、測定されたそれぞれの溶接光の強度に基づき加工状態を評価する判定部と、を備え、第１測定領域と第２測定領域とは、レーザビームの走査方向と交差する方向に並ぶ。

本開示に係るレーザ加工方法によれば、レーザ加工における加工状態の評価精度を向上できる。

本開示に係る実施形態のレーザ加工装置の模式図 レーザ加工装置の部分拡大図 図２ＡにおけるＡ－Ａ線に沿った断面図 図２ＡにおけるＢ－Ｂ線に沿った平面図 測定部の模式図 正常溶接時の溶接状態の断面図 正常溶接時の溶接状態の断面図 正常溶接時の溶接状態の断面図 正常溶接時の照射パワーと時間との関係を示すグラフ 実際の溶融部の外観写真 比較例の熱放射光を測定する測定領域の説明図 比較例の熱放射光の信号強度の説明図 比較例の熱放射光の信号強度の説明図 比較例の熱放射光の信号強度の説明図 比較例の熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 熱放射光の信号強度の説明図 上限信号強度及び下限信号強度の説明図 溶接状態評価のフローチャート

本開示の第１態様のレーザ加工方法は、発振器からレーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工方法であって、レーザビームの照射によって部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光の強度を第１測定領域と、第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれにて測定するステップと、第１測定領域及び第２測定領域において、測定されたそれぞれの溶接光の強度に基づき加工状態を評価するステップと、を含み、第１測定領域と第２測定領域とは、レーザビームの走査方向と交差する方向に並ぶ。

このような方法により、２つの測定領域を設けることで、それぞれにおいて測定される溶接光の強度を個別に評価できる。そのため、レーザ加工時における加工状態の評価精度を向上できる。

本開示の第２態様のレーザ加工方法において、測定するステップは、第１測定領域からの溶接光を、光学系を用いて第１光ファイバに集光させ、第１光ファイバにより伝送された溶接光を第１センサにより測定し、第２測定領域からの溶接光を、光学系と同じ光学系を用いて第２光ファイバに集光させ、第２光ファイバにより伝送された溶接光を第２センサにより測定することを含んでもよい。

このような方法により、それぞれの測定領域において測定される溶接光を、個別に第１センサ及び第２センサに伝送させ、溶接光の強度を評価することができる。そのため、レーザ加工時における加工状態の評価精度をさらに向上できる。また、第１測定領域からの溶接光と第２測定領域からの溶接光とを同じ光学系を用いて光ファイバに集光させることで、レーザ加工方法を実施するための光学系の点数及びコストを減少できる。

本開示の第３態様のレーザ加工方法において、第１測定領域と第２測定領域とは、走査方向と直交する方向に並んでもよい。

このような方法により、レーザビームの照射位置の側方の領域において発生する溶接光の強度をより精度良く測定できる測定領域の配置が可能になる。

本開示の第４態様のレーザ加工方法において、正常溶接時の溶融部は、走査方向と直交する方向に幅を有し、第１測定領域と第２測定領域とは、それぞれ溶融部の幅以下の直径を有し、第１測定領域が、正常溶接時のレーザビームの照射位置を含んでもよい。

このような方法により、溶融部において発生する溶接光と、溶融部以外の箇所において発生する溶接光との強度を個別に測定できる。

本開示の第５態様のレーザ加工方法において、第１測定領域と第２測定領域とは、溶融部の幅と同じ大きさの直径を有してもよい。

このような方法により、溶融部において、より多くの溶接光を測定できる。

本開示の第６態様のレーザ加工方法において、測定するステップにおいて、溶接光の強度を第１測定領域及び第２測定領域とは異なる第３測定領域で測定し、第１測定領域と第２測定領域と第３測定領域とは、走査方向と直交する方向に隣接して並び、第１測定領域は、正常溶接時のレーザビームの照射位置を含み、第２測定領域と、第３測定領域とは、第１測定領域を挟んで配置されてもよい。

このような方法により、レーザビームの照射位置と、その両側に隣接する領域とにおいて、溶接光の強度を測定し、評価精度をさらに向上できる。

本開示の第７態様のレーザ加工方法において、評価するステップは、第１測定領域において測定された溶接光の信号強度と、予め設定された第１閾値とを比較し、第２測定領域において測定された溶接光の信号強度と、予め設定された第２閾値とを比較し、及び、第３測定領域において測定された溶接光の信号強度と、予め設定された第３閾値とを比較することを含んでもよい。

このような方法により、それぞれの測定領域における加工状態を評価できる。

本開示の第８態様のレーザ加工方法において、第１閾値は下限値であり、第２閾値は上限値であり、第３閾値は上限値であり、評価するステップは、第１測定領域で測定された信号強度が、第１閾値より小さく、第２測定領域で測定された信号強度が、第２閾値より小さく、第３測定領域で測定された信号強度が、第３閾値より大きいと、溶融部の一方側に溶融異常が発生したと判定してもよい。

このような方法により、溶融異常の発生領域を特定することができ、レーザ加工における加工状態の評価精度をさらに向上できる。

本開示の第９態様のレーザ加工方法において、第１閾値は上限値であり、第２閾値は上限値であり、第３閾値は上限値であり、評価するステップは、第１測定領域で測定された信号強度が、第１閾値より小さく、第２測定領域で測定された信号強度が、第２閾値より大きく、第３測定領域で測定された信号強度が、第３閾値より大きいと、レーザビームの照射方向に沿ってレーザビームの焦点位置がずれたと判定してもよい。

このような方法により、焦点位置ずれを判定することができ、レーザ加工時における加工状態の評価精度をさらに向上させることができる。

本開示の第１０態様のレーザ加工装置は、レーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工装置であって、レーザビームを照射する発振器と、レーザビームを部材に導く照射光学系と、部材をレーザビームに対して相対的に移動させ、レーザビームを走査させるステージと、レーザビームの照射によって部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光を、第１測定領域と、第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれから導く測定光学系と、第１測定領域から測定光学系に導かれた溶接光の強度を測定する第１センサと、第２測定領域から測定光学系に導かれた溶接光の強度を測定する第２センサと、第１測定領域及び第２測定領域において、測定されたそれぞれの溶接光の強度に基づき加工状態を評価する判定部と、を備え、第１測定領域と第２測定領域とは、レーザビームの走査方向と交差する方向に並ぶ。

このような構成により、それぞれの測定領域において測定される溶接光の強度を個別に評価することができる。そのため、レーザ加工時における加工状態の評価精度を向上できる。

本開示の第１１態様のレーザ加工装置において、第１測定領域から測定光学系に導かれた溶接光を、第１センサに伝送する第１光ファイバと、第２測定領域から測定光学系に導かれた溶接光を、第２センサに伝送する第２光ファイバと、をさらに備えてもよい。

このような構成により、それぞれの測定領域において測定される溶接光を、個別に第１センサ及び第２センサに伝送させ、溶接光の強度を評価することができる。そのため、レーザ加工時における加工状態の評価精度をさらに向上できる。

以下に、実施形態に係るレーザ加工方法について、図面に基づいて詳細に説明する。

（実施形態）
図１は、本開示に係る実施形態のレーザ加工装置の模式図である。図２Ａは、レーザ加工装置１００の部分拡大図である。図２Ｂは図２ＡのＡ－Ａ線に沿った断面図であり、図２Ｃは図２ＡのＢ－Ｂ線に沿った断面図である。図２Ａにおいて、便宜上、レーザ加工装置１００の一部は省略されている。

図１に示すように、レーザ加工装置１００は、レーザビームＬ１を照射し、レーザビームＬ１の照射によって形成される溶融部３１を介して、加工対象物である部材６、７を接合する装置である。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、照射光学系２と、ステージ８と、測定光学系１０と、光ファイバ１３と、測定部１４と、制御部１５と、記憶部１６とを備える。

レーザ発振器１は、レーザビームＬ１を発振する装置である。レーザ発振器１から発振されたレーザビームＬ１は、例えば、直接、あるいは光ファイバなどの伝送手段を用いて、照射光学系２へと導かれる。レーザ発振器１は、例えば、１０７０ｎｍの波長を有するレーザビームＬ１を発振する。

照射光学系２は、レーザ発振器１からのレーザビームＬ１を加工対象物である部材６、７の表面に導いて集光させる光学系である。照射光学系２は、複数の光学素子により構成され、例えば、コリメートレンズ３と、ダイクロイックミラー４と、集光レンズ５とを有する。レーザビームＬ１は、コリメートレンズ３によって平行ビームとなり、ダイクロイックミラー４によって直角に折り曲げられ、集光レンズ５によって集光され、部材６の表面に照射される。ダイクロイックミラー４は、レーザビームＬ１の波長のみが全反射され、それ以外の波長は透過するように、表面がコーティングされている。ただし、本明細書にて、「全反射」は９９％以上の反射を意味し、レーザビームＬ１の残り１％程度はダイクロイックミラー４を透過する。

ステージ８は、加工対象物である部材６、７を支持し、照射光学系２によって集光されたレーザビームＬ１に対して部材６、７を移動させる装置である。ステージ８は、部材７と、照射方向において部材７に重ねて配置される部材６とを支持する。また、ステージ８は、ステージ制御部９によって制御され、ステージ制御部９の制御に従って、部材６、７を搭載した状態で直線状に移動する。ステージ８の移動とレーザビームＬ１の照射とが同期されると、ある走査方向（Ｙ方向）に沿って溶融部３１が形成され、溶融部３１によって部材６と部材７とが接合、すなわちレーザ溶接される。本実施の形態では、部材６、７は板状の部材である。部材６、７は、照射対象の領域においてそれぞれの部材６、７を互いに重ね合わせることができるように、部材６、７の厚み方向と直交する面方向において広がる部分を有する部材であればよい。

レーザビームＬ１を部材６、７に照射すると、溶融部３１が形成されると共に、部材６の表面から溶接光Ｗ０が放射される。図２Ａに示すように、溶接光Ｗ０は、溶融部３１から放射される溶接光Ｗ１と、例えば、溶融部３１の周囲から放射される溶接光Ｗ２、Ｗ３とを含む。溶接光Ｗ０には、可視光であるプラズマ光、部材６の温度と相関の高い熱放射光、またはレーザビームＬ１の反射光等が含まれる。部材６から放射された溶接光Ｗ０は、例えば、直接、あるいはレンズなどの伝送手段を用いて、測定光学系１０へと導かれる。

測定光学系１０は、加工対象物である部材６の表面からの溶接光Ｗ０を、光ファイバ１３に導いて結像させる光学系である。図１に示すように、測定光学系１０は、複数の光学素子により構成され、例えば、集光レンズ５と、ダイクロイックミラー４と、全反射ミラー１１と、結像レンズ１２とを有する。本実施形態において、測定光学系１０は、ダイクロイックミラー４と集光レンズ５とを、照射光学系２と共有する。また、集光レンズ５とダイクロイックミラー４において、便宜上、レーザビームＬ１と溶接光Ｗ０とをずらして描いているが、実際には、レーザビームＬ１と溶接光Ｗ０とは同軸上となる。溶接光Ｗ０は、集光レンズ５とダイクロイックミラー４を通過し、全反射ミラー１１によって直角に曲げられ、結像レンズ１２によって光ファイバ１３の端面に結像される。

また、測定光学系１０は、照射光学系２と共にレーザ加工ヘッド１７に収容される。レーザ加工ヘッド１７は、照射光学系２及び測定光学系１０を収容する筐体を形成し、レーザビームＬ１及び溶接光Ｗ０が筐体外部に漏れることを防止する。

光ファイバ１３は、測定光学系１０に導かれた溶接光Ｗ０を測定部１４に伝送させる伝送手段である。本実施形態では、レーザ加工装置１００は、３本の光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃを備える。図２Ａに示すように、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの一端は、結像レンズ１２と対向するようにレーザ加工ヘッド１７に接続される。図２Ｂに示すように、３本の光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの一端は、Ｚ方向に沿って直線状に密接して配置されており、ホルダー１８によって固定される。また、図１に示すように、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの他端は、測定部１４に接続される。

このような構造によって、レーザ加工装置１００は、図２Ａに示す３つの異なる測定領域４１、４２、４３から放射されるそれぞれの溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３を測定できる。本明細書にて、「測定領域」とは、溶融部３１及びその周囲における部材６の表面の領域であり、正常または異常な溶接において溶接光が発生し得る領域を意味する。測定領域４１、４２、４３が異なるとは、部材６の表面において、相違を有する領域であることを意味する。言い換えると、測定領域４１、４２、４３は一致しない領域である。測定領域４１、４２、４３は、部分的に互いに重なって設けられてもよい。また、測定領域４１、４２、４３は互いに対して間隔を有して設けられてもよい。本実施の形態では、図２Ｃに示すように、測定領域４１、４２、４３は互いに重ならず、第１測定領域４１が第２測定領域４２に、接し、第１測定領域４１が第３測定領域４３に接するように配置される。より具体的には、３つの測定領域４１、４２、４３は、互いに隣接して、走査方向Ｋと直交する直線状に並ぶ。第１測定領域４１は、第２測定領域４２と第３測定領域４３との間に挟まれて配置される。図２Ａに示すように、溶融部３１に位置する第１測定領域４１から放射される溶接光Ｗ１は、第１光ファイバ１３ａに結像される。溶融部３１の一方側に位置する第２測定領域４２から放射される溶接光Ｗ２は、第２光ファイバ１３ｂに結像される。溶融部３１の他方側に位置する第３測定領域４３から放射される溶接光Ｗ３は、第３光ファイバ１３ｃに結像される。

図１及び図２Ａに示すように、光ファイバ１３ａは、溶接光Ｗ１を測定部１４ａに伝送し、光ファイバ１３ｂは、溶接光Ｗ２を測定部１４ｂに伝送し、光ファイバ１３ａは、溶接光Ｗ３を測定部１４ｃに伝送する。

測定部１４は、光ファイバ１３によって伝送された溶接光Ｗ０の強度を測定し、強度に応じた信号を制御部１５に伝送する装置である。本実施形態では、レーザ加工装置１００は、３本の光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対応する３つの測定部１４ａ、１４ｂ、１４ｃを備える。測定部１４ａ、１４ｂ、１４ｃの詳細構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、測定部１４ａの模式図である。他の測定部１４ｂ、１４ｃは、測定部１４ａと同様な構造を有してもよい。

測定部１４ａは、複数の光学素子及びセンサより構成される。測定部１４ａは、例えば、コリメートレンズ２０、反射ミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、フィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、結像レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、受光センサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃ及び増幅器２５ａ、２５ｂ、２５ｃを有する。光ファイバ１３ａを通る溶接光Ｗ１は、コリメートレンズ２０によって平行光となった後、複数の反射ミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃによって波長毎に分離される。本実施形態では、反射ミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、溶接光Ｗ１を３種類の波長に分離する。具体的には、溶接光Ｗ１から、反射ミラー２１ａはプラズマ光Ｗ１ａ（波長４００～７００ｎｍ）を、反射ミラー２１ｂはレーザ反射光Ｗ１ｂ（波長１０７０ｎｍ）を、反射ミラー２１ｃは熱放射光Ｗ１ｃ（波長１３００ｎｍ）をそれぞれ分離させる。各反射ミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、分離させる波長のみを反射し、それ以外の波長を透過させるように、前面にコーティングが施されている。各反射ミラー２１ａ、２１ｂ、２１ｃで反射された各溶接光Ｗ１ａ、Ｗ１ｂ、Ｗ１ｃは、対応するフィルタ２２ａ、２２ｂ、２２ｃを通過する。通過した溶接光Ｗ１ａ、Ｗ１ｂ、Ｗ１ｃは、対応する結像レンズ２３ａ、２３ｂ、２３ｃによって、対応する受光センサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃに入射される。各受光センサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃからの信号は、対応する増幅器２５ａ、２５ｂ、２５ｃにて、強度に応じた電気信号に変換され、制御部１５に伝送される。

制御部１５は、レーザ加工装置１００全体の制御を司るコントローラである。制御部１５は、プログラムを実行することにより所定の機能を実現するＣＰＵまたはＭＰＵのような汎用プロセッサを含む。制御部１５は、後述の記憶部１６に格納された制御プログラムを呼び出して実行することにより、レーザ加工装置１００における各種の制御を実現する。制御部１５は、ハードウェアとソフトウェアの協働により所定の機能を実現するものに限定されず、所定の機能を実現する専用に設計されたハードウェア回路でもよい。すなわち、制御部１５は、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＧＰＵ、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、ＡＳＩＣ等、種々のプロセッサで実現することができる。制御部１５は、例えば、レーザ発振器１及びステージ制御部９の同期制御を実現する。

制御部１５は、判定部１５Ａとして機能するＣＰＵまたはＭＰＵのような汎用プロセッサを含む。判定部１５Ａは、測定領域４１、４２、４３において測定されるそれぞれの溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度に基づいて、溶接状態を評価する。より具体的には、判定部１５Ａは、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度に基づいて、溶接状態の異常が発生したか否かを判定する。溶接状態の異常には、過度な加熱または溶融、不十分な加熱または溶融、及び照射対象である領域以外における照射等が含まれる。例えば、判定部１５Ａは、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度信号と、予め設定された基準値とを比較して、測定領域４１、４２、４３において、溶接状態の異常が発生したか否かを判定する。

記憶部１６は、種々の情報を記録する記録媒体である。記憶部１６は、例えば、フラッシュメモリ、ＳＳＤ（Solid State Device）、ハードディスク、その他の記憶デバイス又はそれらを適宜組み合わせて実現される。記憶部１６には、制御部１５が実行する制御プログラム、及び溶接状態の評価のために検知された種々の情報等が格納される。記憶部１６には、例えば、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度信号の演算処理ためのアプリケーション１６ａが格納される。記憶部１６には、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３に関する予め設定された基準値、例えば、後述の上限信号強度Ｐａｕ、Ｐｂｕ、Ｐｃｕまたは下限信号強度Ｐａｄ等が格納されてもよい。

ここで、図２Ｃを参照しながら、測定領域４１、４２、４３についてより詳細に説明する。第１測定領域４１は、正常溶接時のレーザビームＬ１の照射位置３０を中心とし、溶融幅Ｄ１と同じ直径を有する円形領域である。溶融幅Ｄ１は、走査方向Ｋと直交する方向に測定した後述の正常溶接時における溶融部３１の幅である。言い換えると、第１測定領域４１は、正常溶接時における溶融部３１に内設して形成される。第２測定領域４２と、第３測定領域４３とは、第１測定領域４１の両側において、第１測定領域４１と同様に、溶融幅Ｄ１と同じ直径を有する円形領域である。第２測定領域４２と、第３測定領域４３とは、第１測定領域４１と同じ寸法を有してもよい。

また、測定領域４１、４２、４３の寸法と光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの寸法との関係ついて説明する。本実施形態において、集光レンズ５と結像レンズ１２との焦点距離を等しい。この場合、測定光学系１０における結像比は１：１となり、測定領域４１、４２、４３の寸法と光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃの端面の寸法とが一致する。そのため、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃのコア径によって、測定領域４１、４２、４３の直径を決定することができる。

光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃのコア径をｄｓ、集光レンズ５の焦点距離をｆ１、光ファイバ１３ａ、１３ｂ、１３ｃに対する結像レンズ１２の焦点距離をｆ２とすると、測定領域４１、４２、４３の直径ｄｍは、式（１）で表される。
ｄｍ＝ｄｓ×ｆ１／ｆ２ ・・・（１）
例えば、集光レンズ５の焦点距離ｆ１が１５０μｍであり、光ファイバ１３ａへの結像レンズ１２の焦点距離ｆ２を１５０μｍである場合、コア径３００μｍの光ファイバ１３ａを選定すると、第１測定領域４１の直径ｄｍを３００μｍに設定できる。

続いて、正常溶接時の溶接状態について、図４Ａ～図４Ｄを参照しながら説明する。正常溶接とは、設計されている加工が実施されて、異常が生じていない溶接を意味する。図４Ａ～図４Ｃは、正常溶接時の溶接状態の断面図であり、図４Ｄは、正常溶接時の照射パワーと時間との関係を示すグラフである。

図４Ａに示すように、レーザ溶接開始時では、レーザビームＬ１が、部材７の上に配置される部材６に照射される。例えば、部材７は厚み１ｍｍのアルミ材料であり、部材６は厚み０．２ｍｍのアルミ材料である。レーザビームＬ１は、部材６に対して、走査方向Ｋに沿った直線に相対移動するよう走査される。本実施形態では、部材６、７が搭載されているステージ８（図示せず）が移動することで、レーザビームＬ１が部材６に対して相対的に移動している。例えば、レーザビームＬ１のレーザ出力は４００Ｗであり、走査速度は５００ｍｍ／ｓである。

図４Ｂに示すように、レーザビームＬ１照射後における部材６、７には、溶融部３１が形成される。図４Ｃに示すように、走査方向Ｋから見ると、溶融部３１は、略３００μｍの溶融幅Ｄ１と、略４００μｍの溶融深さＤ２を有する。

図４Ｄに示すように、レーザビームＬ１の出力Ｐｌの波形設定は、台形波形であり、時間Ｔｗにおいて、順にスローアップ部、平坦部、スローダウン部からなる。スローアップ部及びスローダウン部を設けることによって、レーザ溶接時のスパッタや陥没を防止することができる。レーザビームＬ１の出力Ｐｌの波形が台形波形であるため、図４Ｂのように、溶融部３１の断面形状も逆台形形状となる。また、レーザビームＬ１の全照射時間は例えば４ｍｓである。

続いて、実際の溶接状態について、図５を参照しながら説明する。図５は、実際の溶融部の外観写真である。

図５（ａ）は、正常溶接時の溶融部外観写真である。正常溶接時、溶融部３１はある一定の溶融幅Ｄ１を有し、設計されたレーザ溶接に即した形状となる。

図５（ｂ）は、溶融部３１の中央に溶融異常部３３が発生した時の溶融部外観写真である。図５（ｂ）は、溶融異常として、穴あきが発生した例を示す。穴あき異常は、一部の溶融が正常に行われず、部材６に貫通孔が形成される、または溶融部３１が凹状に凹んでいる等、溶融の度合いが不十分である状態を示す。不十分な溶融は、例えば、過度な加熱による材料の気化、スパッタの発生、または加工対象物に存在する異物の影響等によって発生し得る。

図５（ｃ）は、溶融部３１の一方の側方に左側溶融異常部３４が発生した時の溶融部外観写真である。左側溶融異常部３４は、走査方向Ｋに対して溶融部３１の左側に発生した溶融異常部である。左側溶融異常部３４は、例えば、接合界面に樹脂異物などが挟まった時に発生し、過度な溶融により必要でない箇所に溶融部３１が形成された状態を示す。したがって、左側溶融異常部３４が発生する溶融部３１の一部において、溶融部３１の溶融幅が大きくなる。

図５（ｄ）は、溶融部３１の他方の側方に右側溶融異常部３５が発生した時の溶融部外観写真である。右側溶融異常部３５は、走査方向Ｋに対して溶融部３１の右側に発生した溶融異常部である。右側溶融異常部３５は、例えば、接合界面に樹脂異物などが挟まった時に発生し、過度な溶融により必要でない箇所に溶融部３１が形成された状態を示す。したがって、右側溶融異常部３５が発生する溶融部３１の一部において、溶融部３１の溶融幅が大きくなる。

ここで、比較例として、１つの測定領域を用いたレーザ加工方法について説明する。

（比較例）
まず、比較例における測定領域について、図６を参照しながら説明する。図６は、比較例の熱放射光を測定する測定領域の説明図である。

図６に示すように、レーザビーム（図示せず）は、部材１０６上の照射位置１３０に照射される。照射位置１３０の周囲で部材１０６が溶融して溶融部１３１を形成する。照射位置１３０の近傍の溶融部１３１から溶接光（図示せず）が発生する。溶接光は、測定領域１３２において測定される。測定領域１３２は、照射位置１３０を含むように配置され、測定領域１３２の中心は、照射位置１３０と一致するように配置されてもよい。測定領域１３２の直径は、溶融部１３１の溶融幅より大きく、例えば、溶融幅の３倍である。したがって、溶融部１３１及びその周囲において放射される溶接光を一括して測定する。

続いて、比較例について、図７Ａ～図７Ｄを参照しながら説明する。図７Ａ～図７Ｄは、比較例の熱放射光の信号強度の説明図である。図７Ａ～図７Ｄにおいて、「（ｉ）」が付された図は溶接状態を示し、「（ｉｉ）」が付された図は測定領域１３２において測定された溶接光の信号強度を示す。また、比較例において、溶接光の一例として、熱放射光が測定される。

図７Ａは、比較例において、正常溶接時に測定される熱放射光の信号強度を示す。図７Ａ（ｉ）に示すように正常にレーザ溶接が行われた場合、部材１０６が溶融し接合される。また、レーザ照射時には、溶融温度、溶融面積等の溶融状態に応じた熱放射光が放射される。図７Ａ（ｉｉ）に示すように、測定領域１３２において、熱放射光に比例した信号強度が測定される。

図７Ｂは、比較例において、溶融部１３１の中央に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度を示す。図７Ｂ（ｉ）に示すように穴あき、突起、凹み等の溶融異常部１３３が溶融部１３１の中央部に発生した場合、正常な溶融部１３１に比べて溶融異常部１３３が高温になるため、熱放射光の信号強度も急激に増加しピークが形成される。そのため、図７Ｂ（ｉｉ）に示すように、信号強度におけるピークの形成によって、測定領域１３２において、溶融異常が発生したことを推定できる。

図７Ｃは、比較例において、溶融部１３１の一方の側方に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度を示す。図７Ｃ（ｉ）に示すように左側溶融異常部１３４が発生した場合、図７Ｂ（ｉｉ）に示す場合と比較して、熱放射光の信号強度の変化が小さい。そのため、図７Ｃ（ｉｉ）に示すように、正常時の溶融部１３１からの熱放射光の変動に埋もれてしまい、溶融異常が発生したことの推定が困難である。

図７Ｄは、比較例において、溶融部１３１の他方の側方に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度を示す。図７Ｄ（ｉ）に示すように左側溶融異常部１３４が発生した場合、図７Ｃ（ｉｉ）に示す熱放射光の信号強度と同様の信号強度が測定される。そのため、溶融異常部が、左側溶融異常部１３４でと右側溶融異常部１３５とのどちらであるかを判定することが困難である。

一方で、本実施形態におけるレーザ加工方法においては、３つの測定領域４１、４２、４３を設ける。測定領域４１、４２、４３を用いたレーザ加工方法について、図８～図１３を参照しながら説明する。図８～１３は、熱放射光の信号強度の説明図である。図８～１３において、「（ａ）」が付された図は溶接状態を示し、「（ｂ）」、「（ｃ）」、「（ｄ）」が付された図はそれぞれ、第１測定領域４１、第２測定領域４２、第３測定領域４３において測定された溶接光の信号強度を示す。

３つの測定領域４１、４２、４３は、上述のように、レーザビームの走査方向Ｋに直交する方向に並び、それぞれ溶融部３１の溶融幅Ｄ１と同じ大きさの直径を有する。また、下記の説明において、溶接光の一例として、熱放射光が測定され、測定領域４１、４２、４３から放出される熱放射光の信号強度をそれぞれ信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃとする。

まず、図８は、正常溶接時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。第１測定領域４１においては、部材６が溶融し、溶融温度に応じた熱放射光が放出され、信号強度Ｐａが測定される。一方、測定領域４２、４３では、部材６は溶融しておらず、熱伝導のみによる加熱状態にあるため、測定領域４２、４３から放出される熱放射光は第１測定領域４１から放出される熱放射に対して少ない。そのため、信号強度Ｐｂ、Ｐｃは信号強度Ｐａより小さい。

図９は、溶融部３１の中央に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。図９（ａ）に示すように穴あき、突起、凹み等の溶融異常部３３が溶融部３１の中央部に発生した場合、正常な溶融部３１に比べて溶融異常部３３が高温になる。そのため、図９（ｃ）に示すように、信号強度Ｐａは急激に増加しピークが形成される。一方で、図９（ｂ）、（ｄ）に示すように、第２測定領域４２、第３測定領域４３では、放出される熱放射光が変化しないため、信号強度Ｐｂ、Ｐｃは変化しない。熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃより、溶融部３１の中央部に溶融異常が発生したことが推定できる。

図１０は、溶融部３１の一方の側方に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。図１０（ａ）に示すように左側溶融異常部３４が発生した場合、正常な溶融部３１に比べて、測定領域４１、４３から放出される熱放射光が増加する。そのため、図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｃも増加する。一方で、図１０（ｄ）に示すように、第２測定領域４２では、放出される熱放射光が変化しないため、信号強度Ｐｂは変化しない。熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃより、左側溶融異常部３４が発生したことが推定できる。

図１１は、溶融部３１の他方の側方に溶融異常部が発生した時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。図１１（ａ）に示すように右側溶融異常部３５が発生した場合、正常な溶融部３１に比べて、測定領域４１、４２から放出される熱放射光が増加する。そのため、図１１（ｃ）、（ｄ）に示すように、熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂも増加する。一方で、図１１（ｂ）に示すように、第３測定領域４３では、放出される熱放射光が変化しないため、信号強度Ｐｃは変化しない。熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃより、右側溶融異常部３５が発生したことが推定できる。

すなわち、本実施形態では、信号強度Ｐｂまたは信号強度Ｐｃの一方の信号強度にピークが現れることで、溶融異常が発生した方向（右側か左側か）が判定できる。

図１２は、焦点位置ずれが発生した時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。図１２（ａ）に示すように、レーザ溶接の途中から、レーザ照射方向に焦点位置のずれが発生すると、正常の溶融部３１に対して、溶融幅が広がった溶融部３１ａが形成される。そのため、溶融部３１のうち溶融幅の広がった領域である溶融部３１ａからの熱放射光が、第２測定領域４２及び第３測定領域４３で測定される。図１２（ｂ）、（ｄ）に示すように、熱放射光の信号強度Ｐｂ、Ｐｃは、溶接途中の溶融幅の広がった時間以降において、より大きい値を取る。熱放射光の信号強度Ｐｂ、Ｐｃが、共に同時により大きい値を取ると、焦点位置ずれが発生したことが推定できる。

図１３は、照射位置ずれが発生した時に測定される熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを示す。図１３（ａ）に示すように、レーザ溶接の途中から、走査方向Ｋと交差する方向において、照射位置のずれが発生すると、正常の溶融部３１に対して、走査方向Ｋからずれた溶融部３１ｂが形成される。図１３（ａ）では、走査方向Ｋに対して左側にずれた溶融部３１ｂを示す。溶融部３１ｂにおいて、主に第１測定領域４１において測定された熱放射光が、第３測定領域４３で測定される。図１３（ｂ）～（ｄ）に示すように、第３測定領域４３において測定される信号強度Ｐｃがより大きい値を取り、第１測定領域４１及び第２測定領域４２において測定される信号強度Ｐａ、Ｐｂがより小さい値を取る。熱放射光の信号強度Ｐｂ、Ｐｃの一方がある時間でより大きい値を取り、他の２つの信号強度が同時により小さい値を取ると、一方側へ照射位置ずれが発生したことが推定できる。

次に、実施形態におけるレーザ溶接状態の評価方法について説明する。溶接状態の評価は、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度と、予め設定された基準値との比較によって実施される。本実施形態において、基準値の一例として、上限信号強度及び下限信号強度について説明する。

まず、正常溶接時の熱放射光の正常信号強度Ｐ０（ｔ）を時間ｔにおいて測定し、正常信号強度Ｐ０（ｔ）に基づいて上限信号強度及び下限信号強度を算出する。時間ｔは、レーザ照射開始前からレーザ照射完了後までの時間である。正常信号強度Ｐ０（ｔ）は、複数回測定され、通常、３０回以上測定される。正常信号強度Ｐ０（ｔ）は、照射されるレーザビームＬ１の出力Ｐｌの波形に応じて時間ｔにおいて変化し、図４に示すような台形波形を有する。正常信号強度Ｐ０（ｔ）は、正常溶接時において、測定領域４１、４２、４３から放出されるそれぞれの熱放射光の正常信号強度Ｐ０ａ（ｔ）、Ｐ０ｂ（ｔ）、Ｐ０ｃ（ｔ）を含む。複数回の正常信号強度Ｐ０（ｔ）より、平均信号強度Ｐｍ（ｔ）、及び正常信号強度Ｐ０（ｔ）のバラツキ度合いを示す標準偏差Ｐσ（ｔ）が算出される。上限信号強度Ｐｕ（ｔ）及び下限信号強度Ｐｄ（ｔ）は、平均信号強度Ｐｍ（ｔ）、標準偏差Ｐσ（ｔ）、及びシグマレベル係数ｋを用いて、式（２）、（３）によって算出される。
Ｐｕ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）＋ｋ・Ｐσ（ｔ）・・・（２）
Ｐｄ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）－ｋ・Ｐσ（ｔ）・・・（３）
正常信号強度Ｐ０（ｔ）が時間ｔにおいて変化するため、正常信号強度Ｐ０（ｔ）を用いて算出される上限信号強度Ｐｕ（ｔ）及び下限信号強度Ｐｄ（ｔ）も時間ｔにおいて変化する。例えば、ｋ＝３のときは、上限信号強度Ｐｕ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）＋３Ｐσ（ｔ）と下限信号強度Ｐｄ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）－３Ｐσ（ｔ）の間に信号強度Ｐ（ｔ）が含まれる確率は統計学的に９９．７３％である。また、Ｋ＝４の場合には、上限信号強度Ｐｕ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）＋４Ｐσ（ｔ）と下限信号強度Ｐｄ（ｔ）＝Ｐｍ（ｔ）－４Ｐσ（ｔ）の間に信号強度Ｐが含まれる確率は統計学的に９９．９４％である。算出された上限信号強度Ｐｕ（ｔ）及び下限信号強度Ｐｄ（ｔ）は、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の強度に対する基準値として、記憶部１６に格納される。

図１４は、上限信号強度及び下限信号強度の説明図である。

図１４に示すように、上限信号強度Ｐａｕ（ｔ）、Ｐｂｕ（ｔ）、Ｐｃｕ（ｔ）は、それぞれの測定領域４１、４２、４３において測定される信号強度Ｐａ（ｔ）、Ｐｂ（ｔ）、Ｐｃ（ｔ）に対して算出される。下限信号強度Ｐａｄ（ｔ）は、第１測定領域４１において測定される信号強度Ｐａ（ｔ）に対して算出される。上限信号強度Ｐａｕ（ｔ）、Ｐｂｕ（ｔ）、Ｐｃｕ（ｔ）、及び下限信号強度Ｐａｄ（ｔ）は、時間ｔにおいて、照射されるレーザビームＬ１の出力Ｐｌの波形に応じて、台形波形を有する。上限信号強度Ｐａｕ（ｔ）、Ｐｂｕ（ｔ）、Ｐｃｕ（ｔ）、及び下限信号強度Ｐａｄ（ｔ）用いて、それぞれの測定領域４１、４２、４３において、溶接状態を評価する。より具体的には、測定した信号強度Ｐａ（ｔ）が、ある特定の時間ｔに置いて、上限信号強度Ｐａｕ（ｔ）を超える、または下限信号強度Ｐａｄ（ｔ）を下回る場合、溶接状態の異常が発生したと判断する。また、測定した信号強度Ｐｂ（ｔ）、Ｐｃ（ｔ）が、ある特定の時間ｔにおいて、それぞれの上限信号強度Ｐｂｕ（ｔ）、Ｐｃｕ（ｔ）を超える場合、溶接状態の異常が発生したと判断する。一方で、信号強度Ｐａ（ｔ）が上限信号強度Ｐａｕ（ｔ）以下かつ下限信号強度Ｐａｄ（ｔ）以上であり、信号強度Ｐｂ（ｔ）、Ｐｃ（ｔ）が上限信号強度Ｐｂｕ（ｔ）、Ｐｃｕ（ｔ）以下であれば、溶接状態の異常が発生していないと判断する。

続いて、溶接状態の評価方法について、図１５を参照しながらより詳細に説明する。以降の説明及び図１５においては、簡略化のために、測定領域４１、４２、４３の信号強度Ｐａ（ｔ）、Ｐｂ（ｔ）、Ｐｃ（ｔ）をそれぞれＰａ、Ｐｂ、Ｐｃとする。他の各種信号強度についても同様とする。

図１５は、溶接状態評価のフローチャートである。

まず、測定領域４１、４２、４３において、測定部１４は、レーザ溶接時の熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを測定する（ステップＳ１０１）。上述のように、第１測定領域４１は溶融部３１に位置し、第２測定領域４２は右側に位置し、第３測定領域４３は左側に位置する。

次に、判定部１５Ａは、第２測定領域４２から放出された信号強度Ｐｂが、記憶部１６に記憶された上限信号強度Ｐｂｕより小さいか否かを判定する（ステップＳ１０２）。

次に、信号強度Ｐｂが上限信号強度Ｐｂｕより小さいと（Ｓ１０２でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、第３測定領域４３から放出された信号強度Ｐｃが、記憶部１６に記憶された上限信号強度Ｐｃｕより小さいか否かを判定する（ステップＳ１０３）。

次に、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより小さいと（Ｓ１０３でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、第１測定領域４１から放出された信号強度Ｐａが、記憶部１６に記憶された上限信号強度Ｐａｕより小さいか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

そこで、信号強度Ｐａが上限信号強度Ｐａｕより小さいと（Ｓ１０４でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、正常溶接であると判定する。信号強度Ｐａが上限信号強度Ｐａｕより大きければ（Ｓ１０４でＮｏ）、溶融部３１の中央部での溶融異常（穴あきなど）が発生したと判定する。

ステップＳ１０３において、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより大きいと（Ｓ１０３でＮｏ）、判定部１５Ａは、信号強度Ｐａが、記憶部１６に記憶された下限信号強度Ｐａｄより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

そこで、信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより小さいと（Ｓ１０５でＮｏ）、判定部１５Ａは、右側に照射位置ずれが発生したと判定する。信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより大きいと（Ｓ１０５でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、左側に溶融異常が発生したと判定する。

ステップＳ１０２において、信号強度Ｐｂが上限信号強度Ｐｂｕより大きい場合（Ｓ１０２でＮｏ）、判定部１５Ａは、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより小さいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。

次に、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより小さいと（Ｓ１０６でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、信号強度Ｐａが、記憶部１６に記憶された下限信号強度Ｐａｄより大きいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。

そこで、信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより小さいと（Ｓ１０７でＮｏ）、判定部１５Ａは、左側への照射位置ずれが発生したと判定する。信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより大きいと（Ｓ１０７でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、右側に溶融異常が発生したと判定する。

ステップＳ１０６において、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより大きい場合（Ｓ１０６でＮｏ）、判定部１５Ａは、信号強度Ｐａが上限信号強度Ｐａｕより小さいか否かを判定する（ステップＳ１０８）。

そこで、信号強度Ｐａが上限信号強度Ｐａｕより小さいとＳ１０８でＹｅｓ）、判定部１５Ａは、焦点位置ズレが発生したと判定する。信号強度Ｐａが上限信号強度Ｐａｕより大きいと（Ｓ１０８でＮｏ）、判定部１５Ａは、中央溶融異常、右側溶融異常、および左側溶融異常のうち、２種類以上の溶融異常が発生していると判定する。

このように、熱放射光の信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃを用いてステップＳ１０１～Ｓ１０８を実行することで、レーザ溶接状態の評価を行うことができる。

［効果］
実施形態に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置１００によれば、以下の効果を奏するができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法は、レーザ発振器１（発振器）からレーザビームＬ１を照射しながら走査させ、加工対象となる部材６、７を接合するレーザ加工方法である。レーザ加工方法は、測定するステップＳ１０１と評価するステップＳ１０２～Ｓ１０８とを含む。測定するステップＳ１０１では、レーザビームＬ１の照射によって部材から放射される溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度を第１測定領域４１と、第１測定領域４１とは異なる第２測定領域４２とのそれぞれにて測定する。溶接光Ｗ１、Ｗ２は、放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む。評価するステップＳ１０２～Ｓ１０８では、第１測定領域４１及び第２測定領域４２において、測定されたそれぞれの溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度に基づき加工状態を評価する。第１測定領域４１と第２測定領域４２とは、レーザビームＬ１の走査方向Ｋと交差する方向に並ぶ。

このような方法により、２つの測定領域４１、４２を設けることで、それぞれにおいて測定される溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度を個別に評価できる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度を向上できる。さらに、溶接状態における異常を精度良く評価することによって、レーザ溶接の後の工程へ溶接異常品の流出を防ぐことができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、測定するステップＳ１０１では、第１測定領域４１からの溶接光Ｗ１を、測定光学系１０（光学系）を用いて第１光ファイバ１３Ｌａに集光させる。第１光ファイバ１３ａにより伝送された溶接光Ｗ１を測定部１４ａ（第１センサ）により測定する。また、第２測定領域４２からの溶接光Ｗ２を、測定光学系１０を用いて第２光ファイバ１３ｂに集光させ、第２光ファイバ１３ｂにより伝送された溶接光を測定部１４ｂ（第２センサ）により測定する。

このような方法により、それぞれの測定領域４１、４２において測定される溶接光Ｗ１、Ｗ２を、個別に測定部１４ａ、１４ｂに伝送させ、溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度を評価することができる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上できる。また、第１測定領域４１からの溶接光Ｗ１と第２測定領域４２からの溶接光Ｗ２とを同じ測定光学系１０を用いて光ファイバ１３ａ、１３ｂに集光させることで、レーザ加工方法を実施するための光学系の点数を減少できる。そのため、レーザ加工方法を実施するための光学系の設計が容易になり、また、コストを抑えることができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、第１測定領域４１と第２測定領域４２とは、走査方向Ｋと直交する方向に並ぶ。

このような方法により、照射位置３０の側方の領域において発生する溶接光をより精度よく測定できる測定領域４１、４２の配置が可能になる。また、溶接光Ｗ１、Ｗ２を測定部１４ａ、１４ｂ及び制御部１５に伝送させる測定光学系１０をより容易に設計することができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、正常溶接時の溶融部３１は、走査方向Ｋと直交する方向に幅Ｄ１を有する。第１測定領域４１と第２測定領域４２とは、それぞれ溶融部３１の幅Ｄ１以下の直径を有する。第１測定領域４１が、正常溶接時のレーザビームＬ１の照射位置３０を含む。

このような方法により、溶融部３１において発生する溶接光Ｗ１と、他の箇所において発生する溶接光Ｗ２とを個別に測定できる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、第１測定領域４１と第２測定領域４２とは、溶融部３１の幅Ｄ１と同じ大きさの直径を有する。

このような方法により、溶融部３１において発生する溶接光Ｗ１と、他の箇所において発生する溶接光Ｗ２とを個別に測定できるとともに、溶融部３１において、より多くの溶接光Ｗ１を測定できる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法の測定するステップＳ１０１において、溶接光Ｗ３の強度を、第１測定領域４１及び第２測定領域４２とは異なる第３測定領域４３で測定する。第１測定領域４１と第２測定領域４２と第３測定領域４３とは、走査方向Ｋと直交する方向に隣接して並ぶ。第１測定領域４１は、正常溶接時のレーザビームＬ１の照射位置３０を含む。第２測定領域４２と、第３測定領域４３とは、第１測定領域４１を挟んで配置される。

このような方法により、溶融部３１が形成される照射位置３０と、その両側の隣接する領域とにおいて、溶接光Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３をリアルタイムで測定することができる。また、照射位置３０以外の周囲の溶融及び凝固現象等も含めた全体的な溶接状態を評価することができる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上させることができる。さらに、照射位置ずれ、焦点位置ずれも評価することができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、第１測定領域４１において測定された溶接光Ｗ１の信号強度Ｐａと、予め設定された上限信号強度Ｐａｕまたは下限信号強度Ｐａｄ（第１閾値）とを比較する（Ｓ１０４、Ｓ１０５、Ｓ１０７、Ｓ１０８）。さらに、第２測定領域４２において測定された溶接光Ｗ２の信号強度Ｐｂと、予め設定された上限信号強度Ｐｂｕ（第２閾値）とを比較する（Ｓ１０２）。さらに、第３測定領域４３において測定された溶接光Ｗ３の信号強度Ｐｃと、予め設定された上限信号強度Ｐｃｕ（第３閾値）とを比較する（Ｓ１０３）。

このような方法により、溶接状態が正常か否かを評価できる。さらに、溶接状態が正常でない場合、溶接異常、照射位置ずれ、焦点ずれのいずれかであるか特定できる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、測定領域４１、４２、４３において、信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃが測定される。信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより小さく、信号強度Ｐｂが上限信号強度Ｐｂｕより小さく、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより大きいと、溶融部３１の一方側に溶融異常が発生したと判定する。

このような方法により、溶融異常の発生箇所を特定することができ、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ加工方法において、測定領域４１、４２、４３において、信号強度Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃが測定される。信号強度Ｐａが下限信号強度Ｐａｄより小さく、信号強度Ｐｂが上限信号強度Ｐｂｕより大きく、信号強度Ｐｃが上限信号強度Ｐｃｕより大きいと、レーザビームＬ１の照射方向に沿ってレーザビームＬ１の焦点位置がずれたと判定する。

このような方法により、焦点位置ずれを判定することができ、レーザ加工時における溶接状態の評価精度をさらに向上させることができる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、レーザビームＬ１を照射しながら走査させ、加工対象となる部材６、７を溶融部３１によって接合する。レーザ加工装置１００は、レーザ発振器１と、照射光学系２と、ステージ８と、測定光学系１０と、測定部１４ａ（第１センサ）と、測定部１４ｂ（第２センサ）と、制御部１５と、を備える。レーザ発振器１はレーザビームＬ１を照射する。照射光学系２は、レーザビームＬ１を部材６、７に導く。ステージ８は、部材６、７をレーザビームＬ１に対して相対的に移動させ、レーザビームＬ１を走査させる。測定光学系１０は、第１測定領域４１と、第１測定領域４１と異なる第２測定領域４２とのそれぞれから、照射によって部材６、７から放射される溶接光Ｗ１、Ｗ２を導く。測定部１４ａは、第１測定領域４１から測定光学系１０に導かれた溶接光Ｗ１の強度を測定する。測定部１４ｂは、第２測定領域４２から測定光学系１０に導かれた溶接光Ｗ２を測定する。制御部１５は、第１測定領域４１及び第２測定領域４２において、測定されたそれぞれの溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度に基づき溶接状態を評価する。第１測定領域４１と第２測定領域４２とは、レーザビームＬ１の走査方向Ｋと交差する方向に並ぶ。

このような構成により、２つの測定領域４１、４２のそれぞれにおいて測定される溶接光Ｗ１、Ｗ２を個別に評価することができる。そのため、レーザ加工時における溶接状態の評価精度を向上できる。

本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、第１光ファイバ１３ａと、第２光ファイバ１３ｂと、をさらに備える。第１光ファイバ１３ａは、第１測定領域４１から測定光学系１０に導かれた溶接光Ｗ１を、測定部１４ａに伝送する。第２光ファイバ１３ｂは、第２測定領域４２から測定光学系１０に導かれた溶接光Ｗ２を、測定部１４ｂに伝送する。

このような構成により、それぞれの測定領域４１、４２において測定される溶接光Ｗ１、Ｗ２を、個別に測定部１４ａ、１４ｂに伝送させ、溶接光Ｗ１、Ｗ２の強度を評価することができる。そのため、レーザ加工時における加工状態の評価精度をさらに向上できる。

本開示は、前記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。

なお、本実施形態では、重ね合わせレーザ溶接を例として説明したが、本開示はこれに限定されない。他種類のレーザまたは他のレーザ加工方法における加工状態の評価にも適用できる。

なお、本実施形態では、３つの測定領域４１、４２、４３を用いた例について説明したが、これに限定されない。２つ以上の測定領域において溶接光を測定する場合においても、溶接状態の評価精度を向上させることができる。

なお、本実施形態では、３つの測定領域４１、４２、４３が走査方向Ｋに直交する直線状に並ぶ例について説明したが、これに限定されない。測定領域４１、４２、４３は、走査方向Ｋと直交する直線に対して角度を有する直線状に配置されてもよい。また、測定領域４１、４２、４３は、曲線状に配置されてもよい。測定領域４１、４２、４３は、溶接光を測定できる配置にあればよい。例えば、１つの測定領域は照射位置３０に設けられ、他の測定領域は当該１つの測定領域を中心として円形状に配置されてもよい。

なお、本実施形態では、測定領域４１、４２、４３が、溶融幅Ｄ１と同じ直径を有する円形領域である例について説明したが、これに限定されない。測定領域４１、４２、４３は、溶接光が放射される領域を含むような形状及び寸法を有していればよい。例えば、レーザビームＬ１の照射位置３０の形状または溶融部３１の温度分布に応じて、測定領域４１、４２、４３の形状を変更してもよい。

なお、本実施形態では、熱放射による溶接光が測定される例について説明したが、これに限定されない。プラズマ光、レーザ反射光等の他の溶接光を測定した場合でも、溶接状態の評価を行うことができる。特に、レーザ反射光は溶融部の形状に影響を受けるため、レーザ反射光の信号強度を評価することで、溶融部の形状をより詳細に評価することができる。

本開示は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術に熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、本開示の請求の範囲内に含まれると理解されるべきである。

本開示が適用できるレーザ加工方法は、レーザ照射位置の溶融状態だけではなく、レーザ照射部以外の周囲の溶融部または凝固部も含めた全体的な加工状態を評価することにも適用することができる。

１００ レーザ加工装置
１ レーザ発振器
２ 照射光学系
３ コリメートレンズ
４ ダイクロイックミラー
５ 集光レンズ
６、７ 部材
８ ステージ
９ ステージ制御部
１０ 測定光学系
１１ 全反射ミラー
１２ 結像レンズ
１３ 光ファイバ
１４ 測定部
１５ 制御部
１５Ａ 判定部
１６ 記憶部
１７ レーザ加工ヘッド
３０ 照射位置
３１ 溶融部
４１、４２、４３ 測定領域

Claims (11)

1. 発振器からレーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工方法であって、
   前記レーザビームの照射によって前記部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光の強度を第１測定領域と、前記第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれにて測定するステップと、
   前記第１測定領域及び前記第２測定領域において、測定されたそれぞれの前記溶接光の前記強度に基づき加工状態を評価するステップと、
   を含み、
   前記第１測定領域及び前記第２測定領域は、前記レーザビームの走査方向と交差する方向に並び、それぞれ正常溶接時における前記溶融部の前記走査方向と直交する方向の寸法以下の直径を有する、レーザ加工方法。
2. 前記測定するステップは、
   前記第１測定領域からの前記溶接光を、光学系を用いて第１光ファイバに集光させ、前記第１光ファイバにより伝送された前記溶接光を第１センサにより測定し、
   前記第２測定領域からの前記溶接光を、前記光学系と同じ光学系を用いて第２光ファイバに集光させ、前記第２光ファイバにより伝送された前記溶接光を第２センサにより測定することを含む、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記第１測定領域と前記第２測定領域とは、前記走査方向と直交する方向に並ぶ、請求項１または２に記載のレーザ加工方法。
4. 前記第１測定領域が、正常溶接時の前記レーザビームの照射位置を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
5. 前記第１測定領域と前記第２測定領域とは、それぞれ正常溶接時における前記溶融部の前記寸法と同じ大きさの直径を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
6. 前記測定するステップにおいて、前記溶接光の前記強度を、前記第１測定領域及び前記第２測定領域とは異なる第３測定領域で測定し、
   前記第１測定領域と前記第２測定領域と前記第３測定領域とは、前記走査方向と直交する方向に隣接して並び、
   前記第１測定領域は、正常溶接時の前記レーザビームの照射位置を含み、
   前記第２測定領域と、前記第３測定領域とは、前記第１測定領域を挟んで配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。
7. 前記評価するステップは、
   前記第１測定領域において測定された前記溶接光の信号強度と、予め設定された第１閾値とを比較し、
   前記第２測定領域において測定された前記溶接光の信号強度と、予め設定された第２閾値とを比較し、及び、
   前記第３測定領域において測定された前記溶接光の信号強度と、予め設定された第３閾値とを比較することを含む、請求項６に記載のレーザ加工方法。
8. 発振器からレーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工方法であって、
   前記レーザビームの照射によって前記部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光の強度を第１測定領域と、前記第１測定領域とは異なる第２測定領域と、前記第１測定領域及び前記第２測定領域とは異なる第３測定領域とのそれぞれにて測定するステップと、
   前記第１測定領域で測定される前記溶接光の強度が下限値である第１閾値より小さく、
   前記第２測定領域で測定される前記溶接光の強度が上限値である第２閾値より小さく、
   前記第３測定領域で測定される前記溶接光の強度が上限値である第３閾値より大きい場合、
   前記溶融部の一方側に溶融異常が発生したと判定する判定ステップと、を含み、
   前記第１測定領域、前記第２測定領域、及び前記第３測定領域は、前記レーザビームの走査方向と交差する方向に隣接して並び、
   前記第２測定領域と、前記第３測定領域とは、前記第１測定領域を挟んで配置される、レーザ加工方法。
9. 発振器からレーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工方法であって、
   前記レーザビームの照射によって前記部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光の強度を第１測定領域と、前記第１測定領域とは異なる第２測定領域と、前記第１測定領域及び前記第２測定領域とは異なる第３測定領域とのそれぞれにて測定するステップと、
   前記第１測定領域で測定される前記溶接光の強度が上限値である第１閾値より小さく、
   前記第２測定領域で測定される前記溶接光の強度が上限値である第２閾値より大きく、
   前記第３測定領域で測定される前記溶接光の強度が上限値である第３閾値より大きい場合、
   前記レーザビームの照射方向に沿って前記レーザビームの焦点位置がずれたと判定する判定ステップと、を含み、
   前記第１測定領域、前記第２測定領域、及び前記第３測定領域は、前記レーザビームの走査方向と交差する方向に隣接して並び、
   前記第２測定領域と、前記第３測定領域とは、前記第１測定領域を挟んで配置される、レーザ加工方法。
10. レーザビームを照射しながら走査させ、加工対象となる部材を溶融部によって接合するレーザ加工装置であって、
    レーザビームを照射する発振器と、
    前記レーザビームを前記部材に導く照射光学系と、
    前記部材を前記レーザビームに対して相対的に移動させ、前記レーザビームを走査させるステージと、
    前記レーザビームの照射によって前記部材から放射される熱放射光、プラズマ光、反射光のいずれかを含む溶接光を、第１測定領域と、前記第１測定領域とは異なる第２測定領域とのそれぞれから導く測定光学系と、
    前記第１測定領域から前記測定光学系に導かれた前記溶接光の強度を測定する第１センサと、前記第２測定領域から前記測定光学系に導かれた前記溶接光の強度を測定する第２センサと、
    前記第１測定領域及び前記第２測定領域において、測定されたそれぞれの前記溶接光の前記強度に基づき加工状態を評価する判定部と、
    を備え、
    前記第１測定領域及び前記第２測定領域は、前記レーザビームの走査方向と交差する方向に並び、それぞれ正常溶接時における前記溶融部の前記走査方向と直交する方向の寸法以下の直径を有する、レーザ加工装置。
11. 前記第１測定領域から前記測定光学系に導かれた前記溶接光を、前記第１センサに伝送する第１光ファイバと、
    前記第２測定領域から前記測定光学系に導かれた前記溶接光を、前記第２センサに伝送する第２光ファイバと、
    をさらに備える、請求項１０に記載のレーザ加工装置。

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