特開 2023-91290 ウォブル溶接ヘッド

(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】P2023091290

(43)【公開日】2023-06-30

(54)【発明の名称】ウォブル溶接ヘッド

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20230623BHJP

   B23K 26/082 20140101ALI20230623BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

B23K26/00 P

B23K26/082

B23K26/21 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021205958

(22)【出願日】2021-12-20

(71)【出願人】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105887

【弁理士】

【氏名又は名称】来山 幹雄

(72)【発明者】

【氏名】田中 研太

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168BA00

4E168CA03

4E168CA05

4E168CB04

4E168DA02

4E168DA28

4E168EA15

4E168KA15

(57)【要約】

【課題】ウォブル溶接において、容易に欠陥検査を行うことが可能なウォブル溶接ヘッドを提供する。
【解決手段】指令されたパターンに基づいてビーム走査器で走査されたレーザビームが、加工レンズで加工対象物の表面に集光される。加工対象物の表面でレーザビームが反射した反射光の強度、及びレーザビームの入射によって発生したプラズマ光のうち加工レンズを透過したプラズマ光の強度の少なくとも一方の強度を、光センサが測定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

指令されたパターンに基づいてレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器で走査された前記レーザビームを加工対象物の表面に集光する加工レンズと、
前記加工対象物の表面で前記レーザビームが反射した反射光のうち前記加工レンズを透過した反射光の強度、及び前記レーザビームの入射によって発生したプラズマ光のうち前記加工レンズを透過したプラズマ光の強度の少なくとも一方の強度を測定する光センサと
を備えたウォブル溶接ヘッド。

【請求項2】

前記加工レンズは球面レンズであり、
前記加工レンズの焦点距離をｆ［ｍｍ］と標記し、前記加工レンズの光軸に対する前記レーザビームの振り角をθ［°］と標記したとき、振り角θは、－２×１０^－６×ｆ^２＋０．００２３×ｆ＋０．２４以下である請求項１に記載のウォブル溶接ヘッド。

【請求項3】

さらに、前記ビーム走査器と前記加工レンズとの間に配置され、前記加工レンズを透過した反射光またはプラズマ光の一部を、前記ビーム走査器に向かう経路と、前記光センサに向かう経路とに分岐させる分岐光学素子を備えた請求項１または２に記載のウォブル溶接ヘッド。

【請求項4】

さらに、前記分岐光学素子と前記光センサとの間の反射光の経路に配置されたモニタ光学系を備えており、
前記モニタ光学系は、前記加工対象物の表面においてビームスポットが指定されたパターンに沿って移動するときのビームスポットの軌跡の全域を、前記光センサの受光面に投影する請求項３に記載のウォブル溶接ヘッド。

【請求項5】

前記モニタ光学系は、
前記加工対象物から前記光センサに向かう反射光またはプラズマ光のビーム径を縮小するビームエキスパンダと、
前記ビームエキスパンダでビーム径を縮小された反射光またはプラズマ光を前記光センサの受光面に集光させる焦点距離７２ｍｍ以下のフォーカスレンズと
を含む請求項４に記載のウォブル溶接ヘッド。

【請求項6】

前記フォーカスレンズの焦点距離が前記フォーカスレンズの直径以下であり、前記フォーカスレンズは非球面レンズである請求項５に記載のウォブル溶接ヘッド。

【請求項7】

指令されたパターンに基づいてレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器で走査された前記レーザビームを加工対象物の表面に集光する加工レンズと、
を備え、
前記加工レンズは球面レンズであり、
前記加工レンズの焦点距離をｆ［ｍｍ］と標記し、前記加工レンズの光軸に対する前記レーザビームの振り角をθ［°］と標記したとき、振り角θは、－２×１０^－６×ｆ^２＋０．００２３×ｆ＋０．２４以下であるウォブル溶接ヘッド。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ウォブル溶接ヘッドに関する。

【背景技術】

【0002】

銅やアルミニウム等の高反射材の溶接を行うために、パルスエネルギ密度の高いレーザビームを用いると、スパッタと呼ばれる金属粉が発生する。スパッタの発生を抑制する一つの手法として、ビームスポットを小刻みに移動させるウォブル（ｗｏｂｂｌｅ）溶接が知られている（特許文献１）。特許文献１に開示されたウォブル溶接では、レーザビームを１°～２°の走査角により画定される狭い視野内でビームスポットを移動させる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０１８－５２０００７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ウォブル溶接された溶接個所の欠陥検査は、検査員がオフラインで目視や検査機器を使用して行われている。大量生産ラインでは、検査すべき箇所が膨大になり、検査員の負担が大きい。本発明の目的は、ウォブル溶接において、容易に欠陥検査を行うことが可能なウォブル溶接ヘッドを提供することである。

【0005】

ウォブル溶接においては、ビーム走査器でレーザビームを走査し、走査されたレーザビームを加工レンズで加工対象物に集光させる。レーザビームが走査されても加工対象物の表面におけるビームスポットの大きさが変化しないようにするために、加工レンズとしてｆθレンズが用いられる。ｆθレンズは通常の球面レンズに比べて高価であるため、ウォブル溶接ヘッドの低価格化を図ることが困難である。本発明の他の目的は、低価格化を図ることが可能なウォブル溶接ヘッドを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の一観点によると、
指令されたパターンに基づいてレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器で走査された前記レーザビームを加工対象物の表面に集光する加工レンズと、
前記加工対象物の表面で前記レーザビームが反射した反射光のうち前記加工レンズを透過した反射光の強度、及び前記レーザビームの入射によって発生したプラズマ光のうち前記加工レンズを透過したプラズマ光の強度の少なくとも一方の強度を測定する光センサと
を備えたウォブル溶接ヘッドが提供される。

【0007】

本発明の他の観点によると、
指令されたパターンに基づいてレーザビームを走査するビーム走査器と、
前記ビーム走査器で走査された前記レーザビームを加工対象物の表面に集光する加工レンズと、
を備え、
前記加工レンズは球面レンズであり、
前記加工レンズの焦点距離をｆ［ｍｍ］と標記し、前記加工レンズの光軸に対する前記レーザビームの振り角をθ［°］と標記したとき、振り角θは、－２×１０^－６×ｆ^２＋０．００２３×ｆ＋０．２４以下であるウォブル溶接ヘッドが提供される。

【発明の効果】

【0008】

反射光の強度を測定結果から、溶接結果の有無を判定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。

【図2】図２Ａは、加工対象物の表面におけるビームスポットの移動の一例を示す模式図であり、図２Ｂは、反射光センサの受光面に縮小投影されたビームスポットの像の移動の様子を示す模式図である。

【図3】図３は、上記実施例によるウォブル溶接ヘッドを用いてウォブル溶接を行う手順を示すフローチャートである。

【図4】図４は、他の実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。

【図5】図５は、レーザビームの平均出力と溶け込み深さとの関係の実験結果を示すグラフである。

【図6】図６Ａ～図６Ｃは、レーザビームの振り角θと、パワー密度比との関係を示すグラフである。

【図7】図７は、加工レンズの焦点距離と、振り角θの許容範囲との関係を示すグラフである。

【図8】図８は、さらに他の実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

図１～図３を参照して、一実施例によるウォブル溶接ヘッドについて説明する。
図１は、一実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。レーザ伝送ファイバ６０を伝送されて出力端から出力されたれたレーザビームが、コリメートレンズ１３でコリメートされ、ビーム走査器１０、分岐光学素子１４、及び加工レンズ１５を経由して加工対象物６１に入射する。一例として、レーザ発振器として波長約１０７０ｎｍのレーザビームを出力するファイバレーザ発振器が用いられる。

【0011】

ビーム走査器１０は、２つのガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙを含む。ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙは、それぞれモータ１２Ｘ、１２Ｙによって揺動される。ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙの揺動によってレーザビームが二次元方向に走査される。溶接用の高出力のレーザビームに対応するために、ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙとして、石英材の表面に誘電体多層膜をコーティングしたものが用いられる。

【0012】

分岐光学素子１４は、レーザビームの波長域における反射率が９５％以上のミラーであり、ビーム走査器１０で走査されたレーザビームの大部分を、加工レンズ１５に向けて反射させる。その他の波長域においては、大部分の光を透過させる。加工レンズ１５として、ｆθレンズが用いられる。加工レンズ１５の焦点位置に加工対象物６１の表面が配置される。ビーム走査器１０でレーザビームが走査されると、加工対象物６１の表面上でビームスポットが移動する。ビームスポットが移動しても、加工対象物６１の表面でビームスポットの形状及び大きさはほとんど変化しない。

【0013】

加工対象物６１で反射した反射光が、加工レンズ１５でコリメートされる。ここで、「反射光」は、レーザビームが加工対象物６１の表面で乱反射した拡散反射光を意味する。加工レンズ１５でコリメートされた反射光が、分岐光学素子１４で反射されてビーム走査器１０に向かう経路と、分岐光学素子１４を透過する経路とに分岐される。分岐光学素子１４を透過した反射光が、モニタ光学系２０に入射する。

【0014】

加工対象物６１へのレーザビームの入射による溶接の過程でプラズマ光が発生する。このプラズマ光も、加工レンズ１５及び分岐光学素子１４を透過してモニタ光学系２０に入射する。さらに、加工対象物６１の表面で反射した可視光も、加工レンズ１５及び分岐光学素子１４を透過してモニタ光学系２０に入射する。

【0015】

モニタ光学系２０は、第１ダイクロイックミラー２６及び第２ダイクロイックミラー２７を含む。第１ダイクロイックミラー２６は、溶接用のレーザビームの波長域の光を反射させ、可視波長域の光を透過させる。加工対象物６１の表面からのレーザビームの反射光が第１ダイクロイックミラー２６で反射されて反射光センサ４１に入射する。第１ダイクロイックミラー２６を透過した光が、第２ダイクロイックミラー２７に入射する。

【0016】

第２ダイクロイックミラー２７は、プラズマ光の主成分である波長約６６０ｎｍの光を反射させ、他の可視波長域の光、例えば波長４００ｎｍ～５５０ｎｍの光を透過させる。レーザ溶接の過程で発生したプラズマ光が、第２ダイクロイックミラー２７で反射されてプラズマ光センサ４２に入射する。第２ダイクロイックミラー２７を透過した可視光が二次元イメージセンサ４３に入射する。

【0017】

モニタ光学系２０は、分岐光学素子１４と第１ダイクロイックミラー２６との間に配置された第１モニタコリメートレンズ２１及び第２モニタコリメートレンズ２２を含む。第１モニタコリメートレンズ２１及び第２モニタコリメートレンズ２２は、ガリレオ型またはケプラー型のビームエキスパンダを構成しており、加工レンズ１５でコリメートされた反射光、プラズマ光等の光ビームのビーム径を縮小する。

【0018】

第１ダイクロイックミラー２６と反射光センサ４１との間、第２ダイクロイックミラー２７とプラズマ光センサ４２との間、及び第２ダイクロイックミラー２７と二次元イメージセンサ４３との間に、それぞれフォーカスレンズ２３、２４、２５が配置されている。フォーカスレンズ２３、２４、２５は、それぞれ加工対象物６１の表面からのレーザビームの反射光、プラズマ光、及び可視光を反射光センサ４１、プラズマ光センサ４２、及び二次元イメージセンサ４３の受光面にフォーカスさせる。

【0019】

反射光センサ４１は、加工対象物６１の表面からのレーザビームの反射光の強度を測定する。プラズマ光センサ４２は、溶接の過程で発生したプラズマ光の強度を測定する。二次元イメージセンサ４３は、加工対象物６１の表面の二次元画像データを生成する。反射光センサ４１及びプラズマ光センサ４２による測定結果が電気信号として処理部４５に入力される。さらに、二次元イメージセンサ４３で生成された二次元画像データが処理部４５に入力される。

【0020】

制御部５０が、ビーム走査器１０のモータ１２Ｘ、１２Ｙを制御することにより、ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙを揺動させる。ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙが揺動することにより、加工対象物６１の表面においてビームスポットが制御部５０によって指定されたパターンに沿って移動する。このパターンを、ウォブルパターンという。

【0021】

処理部４５は、反射光センサ４１による反射光強度の測定結果に基づいて、溶接欠陥の有無を判定する。例えば、反射光の強度が所定の許容範囲から外れた場合に、溶接欠陥が発生したと判定する。さらに、反射光の強度の時間波形に対してローパスフィルタを適用して高周波成分を除去し、高周波成分を除去した波形を微分し、この微分波形の値が所定の許容範囲から外れた場合に、溶接欠陥が発生したと判定する。

【0022】

プラズマ光センサ４２によるプラズマ光の強度の測定結果についても同様の処理を行い、反射光に代えてプラズマ光を用いて、または反射光とプラズマ光とを併用して、溶接欠陥の発生の有無を判定するようにしてもよい。さらに、二次元イメージセンサ４３で取得された二次元画像データを画像解析することによって、溶接欠陥の発生の有無を判定するようにしてもよい。

【0023】

図２Ａは、加工対象物６１（図１）の表面におけるビームスポット３０の移動の一例を示す模式図である。ウォブルパターン３１は、例えば円周形状であり、ビームスポット３０の中心がウォブルパターン３１に沿って移動する。溶接用のレーザビームは、例えば連続発振（ＣＷ）レーザビームであり、図２Ａでは、一定時間間隔ごとのビームスポットの位置を破線で示している。加工対象物６１（図１）が静止している場合、ビームスポット３０の軌跡３２はドーナツ型になる。レーザビームを入射させながら加工対象物６１を移動させると、加工対象物６１の表面におけるビームスポット３０の軌跡はらせん状になる。加工対象物６１を移動させながらレーザビームを入射させることにより、溶接ラインに沿った溶接を行うことができる。なお、溶接用のレーザビームとしてパルスレーザビームを用いてもよい。この場合は、ショット間でビームスポット３０が相互に重なるようにビームスポット３０を移動させる。

【0024】

図２Ｂは、反射光センサ４１（図１）の受光面３６に縮小投影されたビームスポット３０の軌跡３２（図２Ａ）の像３５を示す模式図である。ビームスポット３０がウォブルパターン３１（図２Ａ）に沿って移動しても、ビームスポット３０の軌跡３２の像３５の全域が受光面３６内に収まるように、モニタ光学系２０の各光学素子が調整されている。プラズマ光センサ４２（図１）及び二次元イメージセンサ４３（図１）においても、同様に、ビームスポット３０の軌跡３２（図２Ａ）の像が受光面内に収まるように、モニタ光学系２０の各光学素子が調整されている。

【0025】

次に、図３を参照して、上記実施例によるウォブル溶接ヘッドを用いてウォブル溶接を行う手順について説明する。

【0026】

図３は、上記実施例によるウォブル溶接ヘッドを用いてウォブル溶接を行う手順を示すフローチャートである。まず、加工対象物６１（図１）の溶接ラインの始点にレーザビームのビームスポットを位置決めする（ステップＳ１）。例えば、ウォブルパターン３１（図２Ａ）の中心点が溶接ラインの始点に一致するように、加工対象物６１を配置する。

【0027】

加工対象物６１の移動、レーザビームの出力、及びビーム走査器１０によるレーザビームのウォブリングを開始する（ステップＳ２）。例えば、ウォブルパターン３１（図２Ａ）の中心点を溶接ラインに沿って移動させながら、ウォブリングされたレーザビームを加工対象物６１に入射させる。これにより、ウォブル溶接が行われる。

【0028】

ウォブル溶接の開始と同時に、処理部４５（図１）が、反射光センサ４１で測定された反射光の強度、及びプラズマ光センサ４２で測定されたプラズマ光の強度の取得を開始する（ステップＳ３）。溶接ラインの終点までウォブル溶接を継続する（ステップＳ４）。溶接ラインの終点まで溶接が完了したら、加工対象物６１の移動、レーザビームの出力、ビーム走査器１０によるウォブリングを停止する（ステップＳ５）。

【0029】

溶接が終了すると、処理部４５は、溶接中に取得した反射光の強度及びプラズマ光の強度に基づいて、溶接欠陥の発生の有無を判定する（ステップＳ６）。なお、この判定は溶接中に行ってもよい。溶接欠陥の発生有りと判定した場合は（ステップＳ７）、警報を出力し（ステップＳ８）、加工対象物６１に対する処理を終了する。溶接欠陥の発生無しと判定した場合は（ステップＳ７）、警報を出力することなく、加工対象物６１に対する処理を終了する。

【0030】

なお、ステップＳ３において、反射光強度及びプラズマ高強度に加えて、二次元イメージセンサ４３からの二次元画像データの取得を開始してもよい。さらに、ステップＳ６において、二次元画像データを解析して溶接欠陥の発生の有無を判定してもよい。

【0031】

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、ビームスポット３０をウォブルパターン３１（図２Ａ）に沿って移動させても、ビームスポット３０の軌跡３２の像３５（図２Ｂ）が反射光センサ４１（図１）の受光面３６（図２Ｂ）内に収まる。また、プラズマ光センサ４２（図１）においても同様に、ビームスポット３０の軌跡３２の像が、プラズマ光センサ４２の受光面に収まるようにモニタ光学系２０が調整されている。このため、ウォブル溶接を行う際に、反射光センサ４１及びプラズマ光センサ４２のうち少なくとも一方の光センサで反射光及びプラズマ光の少なくとも一方の強度を測定することにより、オンラインでリアルタイムに溶接欠陥発生の有無を判定することができる。反射光の強度とプラズマ光の強度とを併用して溶接欠陥発生の有無を判定することにより、判定精度を高めることができる。さらに、二次元画像データを解析して溶接欠陥発生の有無を判定することにより、判定精度をより高めることができる。

【0032】

次に、図４～図７を参照して、他の実施例によるウォブル溶接ヘッドについて説明する。以下、図１～図２Ｂに示した実施例によるウォブル溶接ヘッドと共通の構成については説明を省略する。

【0033】

図４は、本実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。図１に示した実施例によるウォブル溶接ヘッドでは、加工レンズ１５としてｆθレンズが用いられている。これに対して本実施例によるウォブル溶接ヘッドでは、加工レンズ１５として一般的な球面レンズ、例えば平凸レンズ、両凸レンズ、凹凸レンズ等が用いられる。加工レンズ１５の光軸に沿うレーザビームが加工対象物６１の表面にフォーカスされるように、加工レンズ１５と加工対象物６１との間隔が調整されている。

【0034】

加工レンズ１５として球面レンズを用いると、ビーム走査器１０でレーザビームを走査し、レーザビームの中心軸が加工レンズ１５の光軸に対して傾斜した状態で、レーザビームのフォーカス位置（ビームスポット最小の位置）が加工対象物６１の表面からずれてしまう。このため、加工対象物６１の表面におけるビームスポットの大きさが変動してしまう。ビームスポットの大きさが変動することにより、パワー密度も変動する。パワー密度の大きな変動は、溶接不良発生の原因になる。特に、レーザビームの振り角θが大きくなると、パワー密度の変動量が大きくなる。ここで、レーザビームの振り角θとは、加工レンズ１５の光軸とレーザビームの中心軸とのなす角度を意味する。図４において、加工レンズ１５の光軸を太い実線で表し、振り角がθのレーザビームの中心軸を破線で表している。

【0035】

次に、図５～図７を参照して、溶接不良の発生を抑制するためのレーザビームの振り角θの好ましい範囲について説明する。

【0036】

まず、図５を参照して、パワー密度の変動の許容範囲について説明する。
図５は、レーザビームの平均パワーと溶け込み深さとの関係の実験結果を示すグラフである。横軸はレーザビームの平均パワーを単位［Ｗ］で表し、縦軸は溶け込み深さを単位［ｍｍ］で表す。図５において、測定結果を丸記号で表し、一次回帰直線を実線で表す。一次回帰直線からの溶け込み深さの偏差の３σは、約３．５％である。図５において、一次回帰直線からの溶け込み深さの偏差が±３σの範囲を破線で表す。

【0037】

各溶け込み深さに対する平均パワーの分布の３σは約５％になる。すなわち、５％より大きな平均パワーの変動が発生すると、溶け込み深さの明確な違いが発生すると考えられる。この評価結果から、加工対象物６１の表面におけるパワー密度の変動幅の許容範囲を±５％以下に設定することが好ましいと考えられる。

【0038】

次に、図６Ａ～図６Ｃを参照して、レーザビームの振り角θ（図４）と、加工対象物６１の表面におけるパワー密度比との関係について説明する。図６Ａ～図６Ｃは、レーザビームの振り角θと、パワー密度比との関係を示すグラフである。横軸は振り角θを範囲［°］で表し、縦軸はパワー密度比を単位［％］で表す。ここで、パワー密度比は、振り角θが０°のときのパワー密度に対する比である。

【0039】

図６Ａ、図６Ｂ、及び図６Ｃは、それぞれ加工レンズ１５（図４）として焦点距離１００ｍｍ、３００ｍｍ、及び５００ｍｍの球面レンズを用いた場合のシミュレーション結果を示す。なお、レーザビームの揺動中心から加工レンズ１５までの光路長を１２５ｍｍとした。図６Ａ～図６Ｃにおいて、振り角θが０°のときのパワー密度を基準として９５％以上のパワー密度が得られている振り角θの許容範囲をＡと標記している。

【0040】

次に、図７を参照して、振り角θの許容範囲について説明する。図７は、加工レンズ１５（図４）の焦点距離と、振り角θの許容範囲Ａとの関係を示すグラフである。横軸は加工レンズ１５の焦点距離を単位［ｍｍ］で表し、縦軸は振り角θの許容範囲を単位［°］で表す。加工レンズ１５の焦点距離が長くなると、振り角θの許容範囲が広くなっている。加工レンズ１５の焦点距離をｆ［ｍｍ］と標記し、振り角をθ［°］と標記したとき、図７に示したグラフから、振り角θの許容範囲を、－２×１０^－６×ｆ^２＋０．００２３×ｆ＋０．２４以下に設定すると、加工対象物６１の表面におけるパワー密度の変動を５％以下に抑制できることがわかる。例えば、加工レンズ１５の焦点距離が１００ｍｍ、３００ｍｍ、及び５００ｍｍのとき、振り角θの許容範囲をそれぞれ０．４５°以下、０．７５°以下、０．９°以下にするとよい。

【0041】

本実施例においても、図２Ｂに示したように、反射光センサ４１の受光面３６に転写されるビームスポット３０の軌跡３２（図２Ａ）の像３５が受光面３６内に配置されるように、モニタ光学系２０（図４）を調整することが好ましい。ビームスポット３０は受光面３６に縮小投影されるが、ウォブル動作により、ビームスポット３０から受光面３６に至る反射光の経路が加工レンズ１５の光軸からずれていることや、各レンズの収差により、受光面３６に投影された像３５（図２Ｂ）の直径は１．５ｍｍ程度の大きさを持つ場合が多い。

【0042】

モニタ光学系２０の調整すべきパラメータとして、第１モニタコリメートレンズ２１、第２モニタコリメートレンズ２２、及びフォーカスレンズ２３の焦点距離が挙げられる。また、モニタ光学系２０を調整する前提条件として、加工レンズ１５の焦点距離、レーザビームの振り角θの最大値、反射光センサ４１の受光面３６（図２Ｂ）の直径、加工対象物６１の表面におけるビームスポット３０の直径が与えられる。

【0043】

一例として、反射光センサ４１の受光面３６（図２Ｂ）の直径が５ｍｍ、ビームスポット３０（図２Ａ）の像３５（図２Ｂ）の直径が１．５ｍｍのとき、ビームスポット３０の軌跡３２（図２Ａ）の範囲内からの反射光を受光面３６（図２Ｂ）に安定して入光させるためには、フォーカスレンズ２３の焦点距離を７２ｍｍ以下にすることが好ましい。この場合、フォーカスレンズ２３として、焦点距離の約１／２倍程度の直径の球面レンズを用いることができる。

【0044】

一例として、反射光センサ４１の受光面３６（図２Ｂ）の直径が３ｍｍ、ビームスポット３０（図２Ａ）の像３５（図２Ｂ）の直径が１．５ｍｍのとき、ビームスポット３０の軌跡３２（図２Ａ）の範囲内からの反射光を受光面３６（図２Ｂ）に安定して入光させるためには、フォーカスレンズ２３の焦点距離を３１ｍｍ以下にすることが好ましい。この場合、フォーカスレンズ２３の直径を焦点距離とほぼ等しいか、それ以上にすることが好ましい。この要請を満たすために、フォーカスレンズ２３として、非球面レンズを用いることが好ましい。

【0045】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１～図３に示した実施例と同様に、ウォブル溶接を行う際に、オンラインでリアルタイムに溶接欠陥発生の有無を判定することができる。また、本実施例では、加工レンズ１５として、高価なｆθレンズに代えて比較的安価な球面レンズが用いられる。このため、ウォブル溶接ヘッドのコスト低減を図ることが可能である。

【0046】

次に、図８を参照して、さらに他の実施例によるウォブル溶接ヘッドについて説明する。以下、図４～図７を参照して説明した実施例によるウォブル溶接ヘッドと共通の構成については説明を省略する。

【0047】

図８は、本実施例によるウォブル溶接ヘッドの概略図である。図４に示した実施例によるウォブル溶接ヘッドにおいては、レーザビームの反射光を溶接用のレーザビームの経路から分岐させる分岐光学素子１４を、ビーム走査器１０より、溶接用のレーザビームの進行方向の下流側に配置している。これに対して本実施例では、分岐光学素子１４を、ビーム走査器１０より上流側に配置している。より具体的には、レーザ伝送ファイバ６０から出力されたレーザビームの大部分が分岐光学素子１４で反射され、コリメートレンズ１３でコリメートされた後、ビーム走査器１０に入射する。

【0048】

加工対象物６１からの反射光は、加工レンズ１５、ビーム走査器１０を経由した後、コリメートレンズ１３、分岐光学素子１４、第２モニタコリメートレンズ２２を透過し、第１ダイクロイックミラー２６で反射され、フォーカスレンズ２３を透過して反射光センサ４１に入射する。反射光に対して、コリメートレンズ１３が図４に示したウォブル溶接ヘッドの第１モニタコリメートレンズ２１と同様の機能を持つ。すなわち、図８に示した実施例では、１つのコリメートレンズ１３が、図４に示した実施例のコリメートレンズ１３と第１モニタコリメートレンズ２１とを兼ねている。

【0049】

プラズマ光も、同様に、加工レンズ１５、ビーム走査器１０を経由してプラズマ光センサ４２に入射する。二次元イメージセンサ４３は、ビーム走査器１０を介して加工対象物６１の表面を撮像する。ビーム走査器１０のガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙとして、溶接用のレーザビーム及び可視光の２つの波長域の光を反射させるコーティングが施されたものが使用される。二次元イメージセンサ４３で加工対象物６１の表面を撮像する際には、ビーム走査器１０のガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙを静止させる。

【0050】

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図４～図７に示した実施例と同様に、ウォブル溶接を行う際に、オンラインでリアルタイムに溶接欠陥発生の有無を判定することができる。また、ビーム走査器１０を動作させて加工対象物６１の表面においてビームスポット３０（図２Ａ）を移動させても、反射光センサ４１の受光面３６（図２Ｂ）におけるビームスポット３０の像３５の位置は変化しない。このため、反射光センサ４１として、受光面３６の小さなものを使用することができる。プラズマ光センサ４２においても同様である。

【0051】

なお、反射光やプラズマ光に対してガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙでケラレが生じる場合は、反射光センサ４１やプラズマ光センサ４２に到達する光強度が低下してしまう。また、ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙの揺動によって光強度の低下量が変動する。反射光センサ４１やプラズマ光センサ４２に到達する光強度の低下量を少なくし、ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙの揺動による光強度の低下量の変動を抑制するために、ガルバノミラー１１Ｘ、１１Ｙを大きくすることが好ましい。

【0052】

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

【符号の説明】

【0053】

１０ ビーム走査器
１１Ｘ、１１Ｙ ガルバノミラー
１２Ｘ、１２Ｙ モータ
１３ コリメートレンズ
１４ 分岐光学素子
１５ 加工レンズ
２０ モニタ光学系
２１ 第１モニタコリメートレンズ
２２ 第２モニタコリメートレンズ
２３、２４、２５ フォーカスレンズ
２６ 第１ダイクロイックミラー
２７ 第２ダイクロイックミラー
３０ 加工対象物上のビームスポット
３１ ウォブルパターン
３２ ビームスポットの軌跡
３５ ビームスポットの軌跡の像
３６ 反射光センサの受光面
４１ 反射光センサ
４２ プラズマ光センサ
４３ 二次元イメージセンサ
４５ 処理部
５０ 制御部
６０ レーザ伝送ファイバ
６１ 加工対象物

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】