特開 2022-191763 レーザ加工システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022191763

(43)【公開日】2022-12-28

(54)【発明の名称】レーザ加工システム

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20221221BHJP

【ＦＩ】

B23K26/00 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021100199

(22)【出願日】2021-06-16

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】橋岡 司

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA32

4E168CA00

4E168FB05

(57)【要約】

【課題】加工開始前に、酸素濃度を検出するためのセンサの異常を検知する。
【解決手段】被加工物２にレーザ光を照射するレーザ装置１１と、レーザ装置１１によりレーザ光が照射された被加工物２に向けてシールドガスを噴射するシールドガスノズル１２と、外部からのエアの供給を受けて、シールドガスノズル１２にシールドガスを供給するシールドガス供給部１３と、シールドガス供給部１３からシールドガスノズル１２に供給されるシールドガスの酸素濃度、及び、外部から供給されるエアの酸素濃度が測定可能であるセンサ１４と、シールドガス供給部１３を介さずに、センサ１４にエアを供給するバイパス通路２４と、を備え、レーザ装置１１を利用した被加工物２の加工前に、センサ１４によりバイパス通路２４を介して供給されたエアの酸素濃度を測定してセンサ１４の動作確認を行う。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

被加工物にレーザ光を照射するレーザ装置と、
前記レーザ装置によりレーザ光が照射された前記被加工物に向けてシールドガスを噴射するシールドガスノズルと、
外部からのエアの供給を受けて、前記シールドガスノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給部と、
前記シールドガス供給部から前記シールドガスノズルに供給されるシールドガスの酸素濃度、及び、外部から供給されるエアの酸素濃度が測定可能であるセンサと、
前記シールドガス供給部を介さずに、前記センサにエアを供給するバイパス通路と、を備え、
前記レーザ装置を利用した前記被加工物の加工前に、前記センサは、前記バイパス通路を通ったエアの酸素濃度を測定して前記センサの動作確認を行う、
レーザ加工システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ光を被加工物に照射して加工を行うレーザ加工システムに関する。

【背景技術】

【0002】

精密溶接加工の方法として、レーザクラッド加工が知られている。従来、このような分野の技術として、特開２０１７－０５６４８０号公報がある。レーザクラッド加工では、レーザで粉末を溶かす際に加工点での溶融池の安定化、溶融池温度上昇抑制を目的としてシールドガスを用いる。

【0003】

ここで、シールドガスの濃度が低くなり、すなわち酸素濃度が上昇すると、ヒュームによる設備へのダメージやクラッド割れなどの品質不良を引き起こす場合がある。そのため、シールドガスは必要な純度を維持する必要があり、純度の保証の手段として酸素濃度センサが用いられる。特に、レーザ加工の際に酸素濃度が１％以下のシールドガスを使用する場合には、一般的にジルコニア式酸素濃度センサが使用される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－０５６４８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、前述したような従来のレーザクラッド加工において利用されるジルコニア式酸素濃度センサでは、継続的に使用している場合、空気中に極微量に含まれるシリコン系ガスにより電極に皮膜が形成され、センサとしての機能が失われて検知不良を起こす場合がある。

【0006】

特に図３に示すように、電極表面に皮膜が形成された場合には、シールドガスにおける酸素濃度が高い場合であっても、酸素は低濃度であると検知してしまう誤検知が発生しやすくなる。ここで、シールドガスの酸素濃度が高くなると、表面の酸化や、不適切な肉盛り形状等などの、被加工物における加工不良が発生しやすくなる。

【0007】

さらに、被加工物の加工点で発生するヒュームや、図４に示すようにシールドガスノズルに付着するスパッタが成長することにより、レーザ加工用の設備にダメージが蓄積され、最終的には被加工物の加工不良に繋がるおそれがある。そのため、酸素濃度センサに起因する酸素濃度の誤検知の発生を低減し、加工不良を未然に防止したいという要望があった。
本発明は、加工開始前に、酸素濃度を検出するためのセンサの異常を検知するレーザ加工システムを提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明にかかるレーザ加工システムは、被加工物にレーザ光を照射するレーザ装置と、前記レーザ装置によりレーザ光が照射された前記被加工物に向けてシールドガスを噴射するシールドガスノズルと、外部からのエアの供給を受けて、前記シールドガスノズルに前記シールドガスを供給するシールドガス供給部と、前記シールドガス供給部から前記シールドガスノズルに供給されるシールドガスの酸素濃度、及び、外部から供給されるエアの酸素濃度が測定可能であるセンサと、前記シールドガス供給部を介さずに、前記センサにエアを供給するバイパス通路と、を備え、前記レーザ装置を利用した前記被加工物の加工前に、前記バイパス通路を通ったエアの酸素濃度を前記センサで測定し、前記センサの動作確認を行う。
これにより、センサが正しく酸素濃度を計測できているか否かを検出する動作を、加工開始前に行うことができる。

【発明の効果】

【0009】

これにより、加工開始前に、酸素濃度を検出するためのセンサの異常を検知することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】レーザ加工システムの構成の一例を示した図である。

【図2】レーザ加工システムによる準備段階及び加工段階のフローを示した図である。

【図3】関連するセンサで誤検出が発生する状態の一例を示した図である。

【図4】関連するシールドガスノズルにおける不良状態が発生した状態の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、レーザ加工システム１の構成の一例を示した図である。

【0012】

レーザ加工システム１は、被加工物２にレーザの照射を行うレーザ装置１１と、シールドガスを噴射するシールドガスノズル１２と、シールドガスノズル１２にシールドガスを供給するシールドガス供給部１３と、シールドガスノズルに供給される気体の酸素濃度を測定するセンサ１４と、センサ１４により測定された酸素濃度を判定する判定部１５と、判定部１５の判定結果に応じてレーザ加工システム１による被加工物のレーザ加工の継続や停止を制御する機器制御部１６と、バイパス通路２４と、を備える。

【0013】

レーザ装置１１は、レーザ光を照射する装置である。レーザ装置１１は、機器制御部１６からの制御に応じて、被加工物２にレーザ光を照射する。

【0014】

シールドガスノズル１２は、レーザ装置１１によりレーザ光が照射される被加工物２に向けて、シールドガスを噴射するノズルである。シールドガスノズル１２は、センサ１４を介して、シールドガス供給部１３に接続されている。

【0015】

一例として、シールドガスノズル１２とシールドガス供給部１３は、ガスを輸送可能である管によって、センサ１４を介して接続されている。ここで、シールドガスノズル１２と、センサ１４と、を接続する気体の通路である管を、第１の通路２１とする。同様に、センサ１４と、シールドガス供給部１３と、を接続する管を第２の通路２２とする。なお、第１の通路２１には第１の弁３１が設けられており、第２の通路２２には第２の弁３２が設けられている。

【0016】

シールドガス供給部１３は、シールドガスノズル１２に供給するシールドガスを発生させる装置である。シールドガス供給部１３には、レーザ加工システム１の外部から乾燥した空気（以下、ドライエア）を供給するための管である第３の通路２３が接続されている。なお、第３の通路２３には第３の弁３３が設けられている。

【0017】

さらに、第２の通路２２と、第３の通路２３には、シールドガス供給部１３を介さずに互いの管を接続するバイパス通路２４が接続されている。ここで、バイパス通路２４における第２の通路２２側の端部は、第２の弁３２を介して第２の通路２２と接続されている。同様に、バイパス通路２４における第３の通路２３側の端部は、第３の弁３３を介して第３の通路２３と接続されている。

【0018】

センサ１４は、第２の通路２２を介して挿入されたシールドガスやエアの酸素濃度を測定するジルコニア式センサを用いることができる。後に詳述するように、センサ１４では、レーザ加工システム１における加工を行う前の準備段階では、レーザ加工システム１の外部から供給され、バイパス通路２４を利用して第２の通路２２に挿入されるドライエアの酸素濃度を測定する。さらにセンサ１４では、レーザ加工システム１において実際の加工を行う加工段階では、シールドガス供給部１３から第２の通路２２を利用して供給されるシールドガスの酸素濃度を測定する。

【0019】

ここでセンサ１４は、シールドガスノズル１２に繋がる通路である第１の通路２１に接続しているとともに、シールドガス供給部１３に繋がる通路である第２の通路２２に接続している。なお後述するように、この第２の通路２２では第２の弁３２により、シールドガス供給部１３側と、バイパス通路２４のいずれを利用する状態にするかが切り替えられる。

【0020】

また、センサ１４は、判定部１５と接続されている。センサ１４は、判定部１５に対して酸素濃度の測定結果を出力する。例えば、センサ１４から判定部１５への酸素濃度の情報の出力は、アナログ信号によって行われる。

【0021】

ここで、第１の弁３１，第２の弁３２，第３の弁３３について、より詳細に説明する。

【0022】

第１の通路２１には、機器制御部１６からの制御に応じて、シールドガスノズル１２へのガスの供給状態を変更する第１の弁３１が設けられている。例えば、第１の弁３１は、機器制御部１６からの制御指示に応じて弁の開閉状態を切り替えることで、シールドガスノズル１２へのガスの供給を行う状態と、供給を停止する状態と、を切り替えることができる。

【0023】

なお例えば、レーザ加工システム１が準備段階であって、センサ１４にドライエアが挿入される状態である場合に、第１の弁３１では、センサ１４を通過後のドライエアをシールドガスノズル１２側に通さずに、レーザ加工システム１の外部に排出させることができる。

【0024】

第２の通路２２には、機器制御部１６からの制御に応じて状態を変更することで、センサ１４に供給されるガスを切り替える第２の弁３２が設けられている。例えば、第２の弁３２では、センサ１４に供給されるガスを、シールドガス供給部１３から供給されるガスとするか、第３の通路２３からバイパス通路２４を介して供給されるドライエアとするか、を切り替えることができる。

【0025】

第３の通路２３には、機器制御部１６からの制御に応じて状態を変更することで、レーザ加工システム１の外部から供給されるドライエアの供給先を切り替える第３の弁３３が設けられている。例えば、第３の弁では、ドライエアの供給先を、シールドガス供給部１３とするか、バイパス通路２４を介して第２の通路２２に供給することでセンサ１４とするか、を切り替えることができる。典型的には、第２の弁３２と第３の弁３３の切り替えは、連動させることができる。

【0026】

判定部１５は、センサ１４から受信した酸素濃度の情報を利用して、加工開始前である準備段階において、センサ１４が正常に動作しているか否かを判定する。また、判定部１５は、センサ１４の動作が正常であるか否かの判定結果を、機器制御部１６に出力する。

【0027】

機器制御部１６は、レーザ装置１１、第１の弁３１、第２の弁３２及び第３の弁３３のそれぞれの動作を制御する。

【0028】

具体的には、加工開始前である準備段階では、機器制御部１６は、レーザ加工システム１の外部から供給されるドライエアが、シールドガス供給部１３を介さず、かつ、バイパス通路２４を介してセンサ１４に挿入されるように、第２の弁３２と第３の弁３３を制御する。なおこのとき典型的には、ドライエアは、シールドガス供給部１３に供給されない状態である。さらにこのとき、機器制御部１６は、測定のためにセンサ１４を通過したドライエアが、レーザ加工システム１の外部に排出されるように、第１の弁３１を制御する。

【0029】

一方、加工段階では、機器制御部１６は、レーザ加工システム１の外部から供給されるドライエアが、シールドガス供給部１３に供給されるように、第２の弁３２と第３の弁３３を制御する。なおこのとき典型的には、ドライエアは、バイパス通路２４を通らない状態である。さらにこのとき、機器制御部１６は、シールドガス供給部１３から排出されたシールドガスが、センサ１４を介して、シールドガスノズル１２に供給されるように、第１の弁３１を制御する。

【0030】

さらに加工段階において、機器制御部１６は、センサ１４によって測定された酸素濃度が判定部１５において高濃度であると判定された場合に、レーザ装置１１によるレーザ光の照射を停止するように制御するとともに、第１の弁３１の動作を制御して、シールドガスノズル１２からのシールドガスの噴出を停止させる。

【0031】

なお、機器制御部１６は、レーザ装置１１、第１の弁３１、第２の弁３２及び第３の弁３３に対して信号線により接続されており、信号線を介した信号の送受信により制御を行うことができるが、信号の送受信は信号線を用いる方法に限られない。

【0032】

次に図２を参照して、レーザ加工システム１における準備段階、及び加工段階の動作フローについて説明する。

【0033】

まずレーザ加工システム１では、加工開始（始業）前に、準備段階の動作を行う。言い換えると、レーザ加工システム１では、センサ１４の確認サイクルを実施する（Ｓ１）。

【0034】

ここで、レーザ加工システム１は、センサ１４が正常であるか否かを確認する（Ｓ２）。具体的には、機器制御部１６は、第２の弁３２と第３の弁３３を制御することにより、レーザ加工システム１の外部からバイパス通路２４を介して、センサ１４にドライエアが供給される。

【0035】

センサ１４は、ドライエアの酸素濃度を測定し、測定結果を判定部１５に送信する。ここで、ドライエアの酸素濃度は既知である。したがって、判定部１５は、センサ１４で測定されたドライエアの酸素濃度から、センサ１４が正常であるか否かを判定できる。

【0036】

例えば判定部１５では、センサ１４において、ドライエアに含まれる高い酸素濃度に対して、あらかじめ定めた誤差数％の範囲内で酸素濃度が測定できていれば正常であり、誤差の範囲外の計測値となった場合には、異常であると判定する。

【0037】

判定部１５が、センサ１４は正常であると判定した場合には（Ｓ２で正常）、Ｓ４に進む。判定部１５が、センサ１４により正常に酸素濃度を測定できていない、異常状態であると判定した場合には（Ｓ２で異常）、Ｓ３に進み、センサ１４を交換してからＳ４に進む。

【0038】

次に、レーザ加工システム１では、被加工物２のレーザ加工を行う生産段階（加工段階）を開始する（Ｓ４）。このとき機器制御部１６では、レーザ装置１１と、第１の弁３１と、第２の弁３２と、第３の弁３３を制御する。

【0039】

典型的には、機器制御部１６では、レーザ装置１１から被加工物に対してレーザ光の照射を開始するように制御する。

【0040】

さらに、機器制御部１６では、第２の弁３２及び第３の弁３３を動作させ、バイパス通路２４側の経路を閉じ、バイパス通路２４にドライエアが流れない状態となるように制御する。

【0041】

さらに、機器制御部１６では、第１の弁３１を動作させ、シールドガス供給部１３からシールドガスノズル１２にシールドガスが流れる状態となるように制御する。

【0042】

これにより、シールドガス供給部１３には、レーザ加工システム１の外部からドライエアが供給されるとともに、シールドガス供給部１３により生成され、シールドガス供給部１３から排出されたシールドガスが、シールドガスノズル１２に供給される。

【0043】

その後、レーザ加工を継続的に実行すると、シールドガスの濃度の低下が発生することがある（Ｓ５）。

【0044】

センサ１４では、シールドガス供給部１３からシールドガスノズル１２に供給されるシールドガスの酸素濃度の計測を行う。これにより、センサ１４は、シールドガスの濃度の低下を検知する（Ｓ６）。

【0045】

例えば、センサ１４では、レーザ加工システム１による加工中において、継続的に酸素濃度を計測する。そして、判定部１５は、センサ１４による計測結果を利用して、酸素濃度の上昇した旨を判定する。判定部１５における判定は、例えばＳ２と同様に行うことが可能であり、酸素濃度があらかじめ定めた所定の値より上昇している場合に、シールドガスの濃度が低下している旨の判定を行うことができる。

【0046】

レーザ加工システム１では、判定部１５によるシールドガスの濃度が低下している旨の判定に応じて、設備を自動停止させる（Ｓ７）。

【0047】

このとき例えば、機器制御部１６では、レーザ装置１１から被加工物に対してレーザ光の照射を停止するように制御する。

【0048】

さらに機器制御部１６では、第１の弁３１を動作させ、シールドガス供給部１３からシールドガスノズル１２にシールドガスが流れない状態となるように制御する。

【0049】

さらに機器制御部１６では、第２の弁３２と第３の弁３３を動作させ、シールドガス供給部１３へのドライエアの供給が停止するように制御する。

【0050】

これにより、レーザ加工システム１を停止させることができる。

【0051】

その後、レーザ加工システム１の保全を行う（Ｓ８）。例えば、レーザ加工システム１ではＳ１の準備段階の動作に戻り、センサ１４の動作が正常であるか否かを確認し、センサ１４の動作に異常がみられる場合にはセンサ１４の交換を行い、その後、加工工程を再開することができる。

【0052】

なお、Ｓ１に戻り、センサ１４が正常であるか否かを検知する工程は、自動的に開始することとしても良く、手動で行うこととしても良い。

【0053】

また、この保全の工程において確認する箇所は、センサ１４に限られず、レーザ加工システム１を構成するその他の各部の確認を行うことができる。

【0054】

このようにして、センサ１４が正しく酸素濃度を計測できているか否かを確認する準備段階のサイクルを、レーザ加工を行う加工段階より前に実行することができる。そして、センサ１４に異常がある場合には、その異常を、レーザ加工の開始前に検知することができる。

【0055】

また、加工段階の開始前だけでなく、加工段階を実行中の場合であっても、センサ１４に異常が発生している可能性がある場合には、自動または手動で準備工程に遷移して、センサ１４に異常が発生しているか否かの検査を行うことができる。

【0056】

これにより、レーザ加工システム１では、センサ１４による酸素濃度の誤検知の可能性が低減される。そのため、高酸素濃度が要因となる加工不良を未然に防止することができ、加工不良の製品の発生を抑制できる。

【0057】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。すなわち上記の記載は、説明の明確化のため、適宜、省略及び簡略化がなされており、当業者であれば、実施形態の各要素を、本発明の範囲において容易に変更、追加、変換することが可能である。

【符号の説明】

【0058】

１ レーザ加工システム
２ 被加工物
１１ レーザ装置
１２ シールドガスノズル
１３ シールドガス供給部
１４ センサ
１５ 判定部
１６ 機器制御部
２１ 第１の通路
２２ 第２の通路
２３ 第３の通路
２４ バイパス通路
３１ 第１の弁
３２ 第２の弁
３３ 第３の弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】