特許 7378339 レーザ加工装置及びレーザ・アークハイブリッド溶接装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-02

(45)【発行日】2023-11-13

(54)【発明の名称】レーザ加工装置及びレーザ・アークハイブリッド溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/046 20140101AFI20231106BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20231106BHJP

   B23K 26/348 20140101ALI20231106BHJP

【ＦＩ】

B23K26/046

B23K26/00 M

B23K26/348

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020069774

(22)【出願日】2020-04-08

(65)【公開番号】P2021164945

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2022-10-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】玉城 怜士

【審査官】松田 長親

(56)【参考文献】

【文献】特開２００６－０８８１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－２５６２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－１６７９９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０７６１３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／００－２６／７０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

加工対象にレーザ光を集光させる集光レンズと、
前記集光レンズを冷媒により冷却する冷却装置と、
前記冷媒の温度を検出する温度検出装置と、
前記温度検出装置により検出される冷媒温度に基づいて、前記集光レンズから前記加工対象へ照射されるレーザ光の焦点位置の補正量を算出する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記集光レンズを含むレーザヘッドの冷却構造から流出される冷媒の温度と前記冷却構造へ流入する冷媒の温度との温度差、前記冷却構造の熱損失係数、及び前記冷媒の流速と、前記焦点位置の補正量との予め準備された相関関係を用いて、前記熱損失係数、前記冷媒の流速、及び前記温度検出装置を用いて計測される前記温度差に基づいて前記焦点位置の補正量を算出する、レーザ加工装置。

【請求項2】

前記焦点位置の補正量に基づいて、レーザ光の光軸方向に沿って前記集光レンズを移動させる駆動装置をさらに備える、請求項１に記載のレーザ加工装置。

【請求項3】

請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工装置によって構成され、被溶接材の接合部に向けてレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射装置と、
前記接合部との間にアークを発生させるように構成されたアーク溶接装置とを備える、レーザ・アークハイブリッド溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザを用いて溶接や切断等を行なうレーザ加工装置、及びそれを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特開平３－１６１１８６号公報（特許文献１）は、レーザ溶接機のレーザ出力監視方法を開示する。このレーザ出力監視方法では、レーザ光の溶接点間近にある光学要素を冷却する冷媒について、光学要素の入側の温度と出側の温度とが測定され、その温度差とレーザ出力との相関関係に基づいて、レーザ出力の制限又は警報発生の監視制御が行なわれる（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開平３－１６１１８６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

レーザを用いて溶接や切断等を行なうレーザ加工装置においては、レーザ光を集光して加工対象に照射するための集光レンズが設けられている。このようなレーザ加工装置では、連続してレーザ照射が行なわれると、レーザ光の一部がレンズに吸収されることによってレンズの温度が上昇する。その結果、温度が上昇した部分の密度や屈折率が変化し、レーザ光の焦点位置のズレが発生する（このような現象は「熱レンズ効果」とも称される。）。そして、この熱レンズ効果によって加工の効率や品質が低下するという問題がある。

【0005】

熱レンズ効果に対しては、集光レンズの透過率を高めてレンズによる熱の吸収を低減することにより、レンズの熱膨張（熱レンズ）を抑制することが考えられる。しかしながら、レンズの熱膨張を完全に抑制することは不可能であり、また、できるだけ抑制するにしても高品質（高透過率）のレンズが高コストとなる。

【0006】

特許文献１に記載のレーザ出力監視方法は、光学要素（集光レンズ）を冷媒によって冷却するレーザ溶接装置において、冷媒の光学要素入側温度と出側温度との温度差に基づいてレーザ出力の上限値及び下限値を設定し、この上下限値に基づいてレーザ出力を制御するものであり、熱レンズ効果による問題及びその解決手法について、特許文献１では特に検討されていない。

【0007】

それゆえに、本開示の目的は、熱レンズ効果による加工効率や品質の低下を抑制可能なレーザ加工装置、及びそれを用いたレーザ・アークハイブリッド溶接装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示のレーザ加工装置は、加工対象にレーザ光を集光させる集光レンズと、集光レンズを冷媒により冷却する冷却装置と、冷媒の温度を検出する温度検出装置と、制御装置とを備える。制御装置は、温度検出装置により検出される冷媒温度に基づいて、集光レンズから加工対象へ照射されるレーザ光の焦点位置の補正量を算出する。

【0009】

レーザ光の焦点位置のズレ量は、集光レンズの熱膨張（熱レンズ）の量に依存する。集光レンズの熱膨張量は、集光レンズに吸収された熱量に依存する。そして、集光レンズに吸収された熱量は、冷却装置の冷媒温度に表われる。そこで、本開示のレーザ加工装置では、冷却装置の冷媒温度に基づいて、集光レンズから加工対象へ照射されるレーザ光の焦点位置の補正量が算出される。これにより、熱レンズ効果に伴なうレーザ光の焦点位置のズレ量を適切に推定することができる。したがって、このレーザ加工装置によれば、熱レンズ効果による効率や品質の低下を抑制することが可能となる。また、このレーザ加工装置によれば、従前に比べて高品質（高透過率）のレンズを準備する必要はない。また、焦点位置の補正量の算出に冷却装置の冷媒温度を用いるので、集光レンズの温度を直接検出する温度センサ（熱電対等）を設ける必要はなく、焦点位置の補正量を容易に算出することができる。

【0010】

レーザ加工装置は、焦点位置の補正量に基づいて、レーザ光の光軸方向に沿って集光レンズを移動させる駆動装置をさらに備えてもよい。

【0011】

このような構成により、算出された焦点位置の補正量に基づいて、焦点位置のズレを容易に修正することができる。

【0012】

制御装置は、集光レンズを含むレーザヘッドの冷却構造から流出される冷媒の温度と冷却構造へ流入する冷媒の温度との温度差と、焦点位置の補正量との予め準備された相関関係を用いて、温度検出装置を用いて計測される温度差に基づいて焦点位置の補正量を算出してもよい。

【0013】

このような構成により、温度検出装置を用いて計測される温度差に基づいて、焦点位置の補正量を容易に算出することができる。

【0014】

制御装置は、集光レンズを含むレーザヘッドの冷却構造から流出される冷媒の温度と冷却構造へ流入する冷媒の温度との温度差、冷却構造の熱損失係数、及び冷媒の流速と、焦点位置の補正量との予め準備された相関関係を用いて、熱損失係数、冷媒の流速、及び温度検出装置を用いて計測される温度差に基づいて焦点位置の補正量を算出してもよい。

【0015】

このような構成により、冷却構造の熱損失係数、冷媒の流速、及び温度検出装置を用いて計測される温度差に基づいて、焦点位置の補正量を精度良くかつ容易に算出することができる。

【0016】

また、本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置は、上記のレーザ加工装置によって構成され、かつ、被溶接材の接合部に向けてレーザ光を照射するように構成されたレーザ照射装置と、接合部との間にアークを発生させるように構成されたアーク溶接装置とを備える。

【0017】

レーザ・アークハイブリッド溶接装置では、アーク溶接の熱によって、レーザ照射装置に設けられる集光レンズの温度が上昇しやすく、熱レンズ効果が助長されやすい。また、レーザ・アークハイブリッド溶接装置では、集光レンズと加工対象（被溶接材）との間に設けられる保護ガラスがアークによるスパッタで汚れやすい。保護ガラスに汚れが付着すると、保護ガラスでのレーザ光の反射が大きくなり、反射光が集光レンズに吸収されることで熱レンズ効果がさらに助長される可能性がある。このように、レーザ・アークハイブリッド溶接では、熱レンズ効果が助長されやすいところ、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、レーザ照射装置が上記のレーザ加工装置によって構成されるので、熱レンズ効果による効率や品質の低下を効果的に抑制することができる。

【発明の効果】

【0018】

本開示のレーザ加工装置によれば、熱レンズ効果による加工効率や品質の低下を抑制することができる。また、本開示のレーザ・アークハイブリッド溶接装置によれば、熱レンズ効果による溶接効率や品質の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】実施の形態１に従うレーザ加工装置が用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。

【図2】レーザヘッドにおいてレーザ光が集光される様子を示す図である。

【図3】レーザヘッドの構成の一例を示す図である。

【図4】集光レンズを冷却する冷却システムの構成の一例を示すブロック図である。

【図5】図４に示す制御装置により実行される処理の手順の一例を説明するフローチャートである。

【図6】実施の形態２における制御装置により実行される処理の手順の一例を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0021】

［実施の形態１］
図１は、本開示の実施の形態１に従うレーザ加工装置が用いられるレーザ・アークハイブリッド溶接装置の全体構成を示す図である。図１を参照して、このレーザ・アークハイブリッド溶接装置１（以下、単に「ハイブリッド溶接装置１」と称する場合がある。）は、溶接トーチ１０と、溶接ワイヤ２０と、溶接電源装置３０と、レーザヘッド４０と、レーザ発振装置６０とを備える。

【0022】

このハイブリッド溶接装置１は、各種部材の溶接に用いることができ、異材接合の溶接にも用いることができる。異材接合とは、互いに主成分が異なる異種材料の接合であり、ハイブリッド溶接装置１は、たとえば、ＧＩ鋼板やＧＡ鋼板等の溶融亜鉛メッキ鋼板と、アルミニウム合金板との溶接に用いることができる。アルミニウム合金板には、軟質アルミニウムだけでなく、ＪＩＳ規格の５０００番台（たとえば５０５２）、６０００番台（たとえば６０６３）、７０００番台（たとえば７０７５）等の硬質アルミニウムも適用可能である。ハイブリッド溶接装置１によって、互いに接合される母材７０の一方と他方とが、たとえば、重ね隅肉溶接継手やフレア溶接継手等によって接合される。

【0023】

溶接トーチ１０、溶接ワイヤ２０、及び溶接電源装置３０は、母材７０の接合部との間にアークを発生させることで溶接を行なうアーク溶接装置を構成する。溶接トーチ１０は、母材７０の接合部に向けて、溶接ワイヤ２０及び図示しないシールドガスを供給する。溶接トーチ１０は、溶接電源装置３０から溶接電流の供給を受け、溶接ワイヤ２０の先端と母材７０の接合部との間にアーク２５を発生させるとともに、溶接部に向けてシールドガス（アルゴンガスや炭酸ガス等）を供給する。溶接ワイヤ２０に代えて、非消耗材の電極（タングステン等）を用いてもよい。すなわち、溶接トーチ１０を用いるアーク溶接は、溶極式（マグ溶接やミグ溶接等）であってもよいし、非溶極式（ティグ溶接等）であってもよい。

【0024】

溶接電源装置３０は、アーク溶接を行なうための溶接電圧及び溶接電流を生成し、生成された溶接電圧及び溶接電流を溶接トーチ１０へ出力する。また、溶接電源装置３０は、溶接トーチ１０における溶接ワイヤ２０の送り速度も制御する。

【0025】

レーザヘッド４０及びレーザ発振装置６０は、レーザ光５０によって加工対象の母材７０を加工（溶接）するレーザ加工装置であり、母材７０の接合部に向けてレーザ光５０を照射することで溶接を行なうレーザ照射装置を構成する。レーザヘッド４０は、レーザ発振装置６０からレーザ光の供給を受け、母材７０の接合部に向けてレーザ光５０を照射する。レーザヘッド４０からのレーザ光５０は、溶接トーチ１０から発生するアーク２５の近傍に照射され、このハイブリッド溶接装置１では、溶接ワイヤ２０の先端から発生するアーク２５よりも溶接進行方向の前方にレーザ光５０が照射される。

【0026】

図２は、レーザヘッド４０においてレーザ光が集光される様子を示す図である。図２を参照して、レーザヘッド４０内には、少なくとも１枚の集光レンズ４２と、保護ガラス４４とが設けられている。集光レンズ４２は、レーザ発振装置６０からレーザ光の供給を受け、図示しない母材７０の表面にレーザ光５０を集光させるように構成されている。なお、この例では、集光レンズ４２は、３枚のレンズによって構成されているが、レンズの枚数はこれに限定されるものではない。

【0027】

保護ガラス４４は、集光レンズ４２の下方（集光レンズ４２と図示しない母材７０との間）に配設され、溶接時における母材７０からのスパッタの飛散等から集光レンズ４２を保護する。

【0028】

レーザヘッド４０から連続してレーザ光の照射が行なわれると、レーザ光の一部が集光レンズ４２に吸収されることによって集光レンズ４２の温度が上昇する。その結果、温度が上昇した部分の密度や屈折率が変化し、レーザ光５０の焦点位置のズレ（熱レンズ効果）が発生する（実線→点線）。この熱レンズ効果によって溶接の効率や品質が低下する。

【0029】

本実施の形態１では、集光レンズ４２の温度上昇を抑制するために、集光レンズ４２を冷媒により冷却するための冷却装置が設けられる（図２では図示せず）。しかしながら、冷却装置によって集光レンズ４２を冷却しても、レーザ照射時の集光レンズ４２の熱膨張を完全に無くすことはできず、レーザ光５０の焦点位置のズレは発生する。

【0030】

このような熱レンズ効果（レーザ光の焦点位置のズレ）に対しては、集光レンズの透過率を高めてレンズによる熱の吸収を低減することによりレンズの熱膨張を抑制するアプローチも考えられる。しかしながら、レンズの熱膨張を完全に抑制することは不可能であり、また、できるだけ抑制するにしても高品質（高透過率）のレンズが高コストとなる。

【0031】

そのため、本実施の形態１のハイブリッド溶接装置１では、熱レンズ効果に伴なう焦点位置のズレを適切に補正するアプローチをとる。レーザ光５０の焦点位置のズレ量は、集光レンズ４２の熱膨張（熱レンズ）の量に依存する。集光レンズ４２の熱膨張量は、集光レンズ４２に吸収された熱量に依存する。そして、集光レンズ４２に吸収された熱量は、集光レンズ４２を冷却する冷却装置の冷媒温度に表われる。

【0032】

そこで、本実施の形態１のハイブリッド溶接装置１では、冷却装置の冷媒温度を検出し、検出された冷媒温度に基づいてレーザ光５０の焦点位置の補正量が算出される。これにより、熱レンズ効果に伴なう焦点位置のズレ量を適切に推定することができる。また、このような手法によれば、従前に比べて高品質（高透過率）の集光レンズを準備する必要はない。さらに、焦点位置の補正量の算出に冷却装置の冷媒温度を用いるので、集光レンズ４２の温度を検出する温度センサ（熱電対等）を設ける必要はなく、焦点位置の補正量を容易に算出することができる。

【0033】

図３は、レーザヘッド４０の構成の一例を示す図である。図３を参照して、レーザヘッド４０は、少なくとも１枚の集光レンズ４２及び保護ガラス４４のほか、レンズホルダ４６と、レンズ駆動装置４８とをさらに含む。

【0034】

レンズホルダ４６は、集光レンズ４２の周縁部（たとえば集光レンズ４２の全周囲）において集光レンズ４２を保持し、集光レンズ４２と一体的にレーザ光５０の光軸方向に沿って移動可能に構成される。そして、レンズホルダ４６には、集光レンズ４２を冷却するための冷媒が流れる冷却構造（冷媒路）が集光レンズ４２の全周囲を囲むように設けられている（図示せず）。

【0035】

レンズ駆動装置４８は、レーザ光５０の光軸方向に沿ってレンズホルダ４６（すなわち集光レンズ４２）を移動させることができる。レンズ駆動装置４８は、たとえば、ボールねじとボールねじを駆動するモータとを含んで構成される。

【0036】

なお、この実施の形態１では、レンズ駆動装置４８は、図示しない制御装置からの制御信号に従ってレンズホルダ４６（集光レンズ４２）を移動させるものとするが、ユーザが手動でレンズホルダ４６（集光レンズ４２）を移動させるものであってもよい。

【0037】

算出されたレーザ光５０の焦点位置の補正量に従ってレンズ駆動装置４８によりレンズホルダ４６及び集光レンズ４２を移動させることによって、熱レンズ効果に伴なう焦点位置のズレを修正することができる。

【0038】

図４は、集光レンズ４２を冷却する冷却システムの構成の一例を示すブロック図である。図４を参照して、冷却システム１００は、チラー（ＣＨ）８０と、冷却構造８２と、温度センサ（ＴＭ）８４と、流速センサ（ＶＭ）８６と、熱損失係数設定部８８と、制御装置９０とを含む。

【0039】

チラー８０は、レーザヘッド４０内に設けられる冷却構造８２（冷媒路）との間で冷媒を流速Ｖｗで循環させるとともに、冷却構造８２において集光レンズ４２（図示せず）から吸熱した冷媒を冷却して所定の設定温度で冷却構造８２へ供給する冷媒循環装置である。チラー８０は、冷媒を循環させるためのポンプや、冷媒を冷却するための放熱機構等を含んで構成される（いずれも図示せず）。

【0040】

冷却構造８２は、レーザヘッド４０内に設けられ、集光レンズ４２を冷却するための冷媒が流れる冷媒路である。冷却構造８２は、たとえば、レンズホルダ４６（図３）において集光レンズ４２の全周囲を囲むように設けられている。

【0041】

温度センサ８４は、冷却構造８２を通過した冷媒の温度を検出し、検出された冷媒温度を示す温度検出信号Ｔｍを制御装置９０へ出力する。なお、温度センサ８４は、冷却構造８２から流出される冷媒の温度と、冷却構造８２に流入する冷媒の温度との温度差を検出し、その検出値を制御装置９０へ出力してもよい。

【0042】

流速センサ８６は、チラー８０及び冷却構造８２を循環する冷媒の流速Ｖｗを検出し、検出された流速を示す流速検出信号Ｖｍを制御装置９０へ出力する。

【0043】

熱損失係数設定部８８は、熱損失係数設定信号を出力する。熱損失係数設定信号には、冷媒の密度ρ、冷媒の比熱ｃ、熱損失係数Ｈｆ等の情報が含まれる。熱損失係数Ｈｆは、レーザ発振装置（ＰＳ）６０から出力されるレーザ光がレーザヘッド４０を通過してレーザ光５０（図１等）として出力される場合に失われる熱損失の係数を示す。レーザ発振装置６０からのレーザ光の出力をＬｃとし、レーザヘッド４０から母材７０へ照射されるレーザ光５０の出力をＬｏとすると、たとえば、熱損失係数Ｈｆ＝（Ｌｃ－Ｌｏ）／Ｌｃである。

【0044】

なお、この実施の形態１では、流速センサ８６及び熱損失係数設定部８８は、必須の構成ではなく、後述の実施の形態２において用いられるものである。

【0045】

制御装置９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリ（ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory））と、各種信号を入出力するための入出力ポートとを含んで構成される（いずれも図示せず）。

【0046】

制御装置９０は、温度センサ８４から冷媒温度を示す温度検出信号Ｔｍを受け、温度センサ８４により検出される冷媒温度とチラー８０の設定温度との温度差ΔＴｗを算出する。なお、温度検出信号Ｔｍは、冷却構造８２から流出される冷媒の温度を示し、チラー８０の設定温度は、冷却構造８２へ流入する冷媒の温度に相当する。すなわち、温度差ΔＴｗは、冷却構造８２による集光レンズ４２の冷却前後の冷媒の温度差に相当する。

【0047】

そして、制御装置９０は、算出された温度差ΔＴｗ、並びにメモリに記憶されたプログラム及びマップ等に基づいて、母材７０へ照射されるレーザ光５０の焦点位置の補正量ΔＬを算出する。具体的には、制御装置９０は、冷却構造８２から流出される冷媒の温度と冷却構造８２に流入する冷媒の温度との温度差と、レーザ光５０の焦点位置の補正量との相関関係を示す予め準備されたマップ（焦点位置補正マップ）を用いて、算出された温度差ΔＴｗから焦点位置の補正量ΔＬを算出する。焦点位置補正マップは、事前の評価実験やシミュレーションにより予め求められてメモリに記憶されている。

【0048】

なお、上記の焦点位置補正マップに代えて、温度差ΔＴｗと焦点位置の補正量ΔＬとの相関関係を示す相関関数ｆ１を用いて、焦点位置の補正量ΔＬ＝ｆ１（ΔＴｗ）により補正量ΔＬを算出してもよい。この場合、相関関数ｆ１も、事前の評価実験やシミュレーションにより予め求められてメモリに記憶される。

【0049】

そして、制御装置９０は、算出された焦点位置の補正量ΔＬに従ってレンズ駆動装置４８を制御することにより、レーザヘッド４０内の集光レンズ４２（図３）を移動させる。具体的には、制御装置９０は、補正量ΔＬだけ集光レンズ４２を移動させてもよいし、補正量ΔＬに調整ゲインを乗算した移動量だけ集光レンズ４２を移動させてもよい。

【0050】

なお、制御装置９０における上記の各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。

【0051】

図５は、図４に示した制御装置９０により実行される処理の手順の一例を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、所定の周期で繰り返し実行される。

【0052】

図５を参照して、制御装置９０は、温度センサ８４（図４）からの温度検出信号Ｔｍに基づいて、冷却構造８２通過後の冷媒の温度を取得する（ステップＳ１０）。次いで、制御装置９０は、ステップＳ１０において取得された冷媒温度からチラー８０の設定温度を差し引くことによって、冷却構造８２による集光レンズ４２の冷却前後の冷媒の温度差ΔＴｗを算出する（ステップＳ２０）。

【0053】

続いて、制御装置９０は、冷却構造８２から流出される冷媒の温度と冷却構造８２に流入する冷媒の温度との温度差と、レーザ光５０の焦点位置の補正量との相関関係を示す焦点位置補正マップをメモリから読み出し、この焦点位置補正マップを用いて、ステップＳ２０において算出された温度差ΔＴｗから焦点位置の補正量ΔＬを算出する（ステップＳ３０）。

【0054】

そして、制御装置９０は、その算出された焦点位置の補正量ΔＬに従ってレンズ駆動装置４８を制御する（ステップＳ４０）。これにより、補正量ΔＬに従ってレーザ光５０の光軸方向に沿って集光レンズ４２が移動し、熱レンズ効果に伴なうレーザ光５０の焦点位置のズレが修正される。

【0055】

以上のように、この実施の形態１においては、レーザヘッド４０に設けられる冷却構造８２を流れる冷媒の温度に基づいて、集光レンズ４２から母材７０へ照射されるレーザ光５０の焦点位置の補正量ΔＬが算出される。これにより、熱レンズ効果に伴なう焦点位置のズレ量を適切に推定することができる。したがって、この実施の形態１によれば、熱レンズ効果による効率や品質の低下を抑制することが可能となる。

【0056】

そして、この実施の形態１によれば、従前に比べて高品質（高透過率）の集光レンズを準備する必要はない。また、焦点位置の補正量ΔＬの算出に冷却システム１００における冷媒の温度を用いるので、集光レンズ４２の温度を直接検出する温度センサ（熱電対等）を設ける必要はなく、焦点位置の補正量ΔＬを容易に算出することができる。

【0057】

また、この実施の形態１によれば、算出された焦点位置の補正量ΔＬに基づいて、レンズ駆動装置４８によりレーザ光５０の光軸方向に沿って集光レンズ４２を移動させるので、焦点位置の補正量ΔＬに基づいて焦点位置のズレを容易に修正することができる。

【0058】

また、レーザ・アークハイブリッド溶接装置１では、アーク溶接からの受熱やスパッタによる保護ガラス４４の汚れ等により熱レンズ効果が助長されやすいところ、この実施の形態１に従うレーザ加工装置が用いられるハイブリッド溶接装置１によれば、熱レンズ効果に伴なう効率や品質の低下を効果的に抑制することができる。

【0059】

［実施の形態２］
上記の実施の形態１では、冷却構造８２による集光レンズ４２の冷却前後の冷媒の温度差ΔＴｗに基づいて、レーザ光５０の焦点位置の補正量ΔＬを算出するものとしたが、この実施の形態２では、温度差ΔＴｗだけでなく、冷却システム１００における冷媒の流速、及び冷却構造８２での熱損失も考慮して、焦点位置の補正量ΔＬが算出される。これにより、たとえば、仕様が異なるレーザヘッド４０に対しても、焦点位置の補正量ΔＬを適切に算出することができる。

【0060】

実施の形態２におけるハイブリッド溶接装置１の全体構成、及び冷却システム１００の構成は、図１から図４に示した実施の形態１の構成と同じである。そして、この実施の形態２では、制御装置９０においてレーザ光５０の焦点位置の補正量ΔＬを算出するロジックが実施の形態１と異なる。

【0061】

図６は、実施の形態２における制御装置９０により実行される処理の手順の一例を説明するフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理も、所定の周期で繰り返し実行される。

【0062】

図６を参照して、制御装置９０は、温度センサ８４（図４）からの温度検出信号Ｔｍに基づいて、冷却構造８２通過後の冷媒の温度を取得し、流速センサ８６（図４）からの流速検出信号Ｖｍに基づいて、冷却構造８２を流れる冷媒の流速Ｖｗを取得する（ステップＳ１１０）。

【0063】

次いで、制御装置９０は、ステップＳ１１０において取得された冷媒温度からチラー８０の設定温度を差し引くことによって、冷却構造８２による集光レンズ４２の冷却前後の冷媒の温度差ΔＴｗを算出する（ステップＳ１２０）。

【0064】

続いて、制御装置９０は、熱損失係数設定部８８から熱損失係数設定信号を受け、冷却構造８２の熱損失係数Ｈｆを取得する（ステップＳ１３０）。なお、熱損失係数設定信号には、熱損失係数Ｈｆのほか、冷媒の密度ρ、冷媒の比熱ｃ等の情報も含まれている。

【0065】

次いで、制御装置９０は、冷却構造８２から流出される冷媒の温度と冷却構造８２に流入する冷媒の温度との温度差、冷媒の流速、及び冷却構造８２の熱損失係数と、レーザ光５０の焦点位置の補正量との相関関係を示す焦点位置補正マップをメモリから読み出す。そして、制御装置９０は、その焦点位置補正マップを用いて、ステップＳ１２０において算出された温度差ΔＴｗ、並びにステップＳ１１０，Ｓ１３０においてそれぞれ取得された冷媒の流速Ｖｗ及び熱損失係数Ｈｆから焦点位置の補正量ΔＬを算出する（ステップＳ１４０）。

【0066】

なお、上記の焦点位置補正マップに代えて、温度差ΔＴｗ、冷媒の流速Ｖｗ、及び熱損失係数Ｈｆと、焦点位置の補正量ΔＬとの相関関係を示す相関関数ｆ２を用いて、焦点位置の補正量ΔＬ＝ｆ２（ΔＴｗ，Ｖｗ，Ｈｆ）により補正量ΔＬを算出してもよい。相関関数ｆ２の一例として、ｆ２（ΔＴｗ，Ｖｗ，Ｈｆ）＝Ｖｗ×ΔＴｗ×（１／Ｈｆ）が挙げられる。これは、冷却構造８２における時間当たりの熱損失量に熱損失係数Ｈｆの逆数を掛けることで、焦点位置の補正量ΔＬを推定することを示す。また、冷媒の密度ρ及び比熱ｃを用いて、ｆ２（ΔＴｗ，Ｖｗ，Ｈｆ）＝c×ρ×Ｖｗ×ΔＴｗ×（１／Ｈｆ）と拡張してもよい。これらの場合、相関関数ｆ２も、事前の評価実験やシミュレーションにより予め求められてメモリに記憶される。

【0067】

そして、制御装置９０は、その算出された補正量ΔＬに従ってレンズ駆動装置４８を制御する（ステップＳ１５０）。これにより、補正量ΔＬに従って、レーザ光５０の光軸方向に沿って集光レンズ４２が移動し、焦点位置のズレが修正される。

【0068】

以上のように、この実施の形態２においては、冷却システム１００における冷媒の温度だけでなく、冷媒の流速Ｖｗ、及び冷却構造８２の熱損失係数Ｈｆも考慮して、レーザ光５０の焦点位置の補正量ΔＬが算出される。これにより、たとえば、仕様が異なるレーザヘッド４０に対しても、焦点位置の補正量ΔＬを精度良くかつ容易に算出できる。

【0069】

なお、上記の実施の形態１，２では、本開示のレーザ加工装置がレーザ・アークハイブリッド溶接装置１に適用されるものとしたが、本開示のレーザ加工装置は、レーザ・アークハイブリッド溶接に用いられるものに限定されるものではない。レーザ加工装置単体で用いても、実施の形態１，２と同様の効果が得られる。

【0070】

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0071】

１ レーザ・アークハイブリッド溶接装置、１０ 溶接トーチ、２０ 溶接ワイヤ、２５ アーク、３０ 溶接電源装置、４０ レーザヘッド、４２ 集光レンズ、４４ 保護ガラス、４６ レンズホルダ、４８ レンズ駆動装置、５０ レーザ光、６０ レーザ発振装置、７０ 母材、８０ チラー、８２ 冷却構造、８４ 温度センサ、８６ 流速センサ、８８ 熱損失係数設定部、９０ 制御装置、１００ 冷却システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】