特許 7457749 動的光スポットを用いたレーザ溶接システム及びその方法

(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】2024-03-19

(45)【発行日】2024-03-28

(54)【発明の名称】動的光スポットを用いたレーザ溶接システム及びその方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/21 20140101AFI20240321BHJP

   B23K 26/073 20060101ALI20240321BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240321BHJP

【ＦＩ】

B23K26/21 W

B23K26/073

B23K26/00 Q

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2022077471

(22)【出願日】2022-05-10

(65)【公開番号】P2023004881

(43)【公開日】2023-01-17

【審査請求日】2022-05-10

(31)【優先権主張番号】202110711033.7

(32)【優先日】2021-06-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】502330713

【氏名又は名称】台達電子工業股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＤＥＬＴＡ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ， ＩＮＣ．

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．２５２，ＳｈａｎＹｉｎｇ Ｒｄ．，Ｇｕｉｓｈａｎ Ｄｉｓｔ．，Ｔａｏｙｕａｎ Ｃｉｔｙ ３３３，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黄春蓮

(72)【発明者】

【氏名】荘▲ぶん▼羽

(72)【発明者】

【氏名】張耿寧

(72)【発明者】

【氏名】呂庭宇

(72)【発明者】

【氏名】宮春斐

【審査官】岩見 勤

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－１３２６５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８６１８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０１６７０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１６３４１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２３４７６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／２１

Ｂ２３Ｋ ２６／０７３

Ｂ２３Ｋ ２６／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

動的光スポットを用いたレーザ溶接方法であって、
予熱パワーに基づいて溶接対象に対して予熱を行うようにレーザモジュールを制御することと、
前記予熱パワーより大きい溶接パワーに基づいて前記レーザモジュールを制御して第１レンズ及び第２レンズに向けて照射して、前記溶接対象に光スポットを形成して溶接を実行することと、
溶接段階においていずれかの光スポット調整条件が満たされているか否かを継続的に検出し、いずれかの光スポット調整条件が満たされたことを検出すると、前記光スポット調整条件に基づいて前記第１レンズと前記第２レンズとの間のレンズ距離を動的に調整して、前記光スポットの光スポットサイズを調整することと、
溶接が完了する前に、いずれかの光スポット調整条件が満たされているか否かを継続的に検出することと、を含む、
動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項2】

前記レーザ溶接方法は、溶接を実行する前に、
加工データを取得することと、
前記加工データに基づいて、前記予熱パワーと前記溶接パワーとを含む加工パラメータを設定することと、を含み、
溶接を実行することは、前記加工パラメータに基づいて、前記レーザモジュールを制御して加熱を行うことを含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項3】

前記加工データは、対象データを含み、
前記対象データには、前記溶接対象のサイズ、厚さ、面積、材質及び放熱性のうちの少なくとも１つが記録され、
前記加工パラメータは、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の初期の前記レンズ距離と、前記レーザモジュールの各段階でのパワーとを含み、
前記加工パラメータを設定することは、放熱指標データベースにおいて前記対象データに対応する前記加工パラメータを検索することを含む、
請求項２に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項4】

前記溶接対象は、溶接材料と回路基板上のランドとを備え、
前記レーザ溶接方法、溶接を実行する前に、
撮像モジュールを制御して前記溶接対象を継続的に撮影し、連続的な複数の溶接前の画像を取得することと、
前記溶接材料を前記ランドの溶接位置に移動させると同時に、前記複数の溶接前の画像に基づいて自動位置合わせプログラムを実行して、前記溶接材料が前記溶接位置に到達したか否かを検出することと、を含む、
請求項２に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項5】

いずれかの前記光スポット調整条件が満たされたことを検出する際に前記レーザモジュールの前記光スポットサイズを調整することは、
撮像モジュールを制御して前記溶接対象を継続的に撮影し、連続的な複数の溶接画像を取得することと、
前記複数の溶接画像に基づいて、前記溶接対象の溶接状態が異常であることを認識すると、前記溶接状態に対応する調整方針を取得することと、
前記調整方針に基づいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の前記レンズ距離を調整して、前記溶接対象の前記光スポットサイズを調整することと、を含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項6】

前記複数の溶接画像に基づいて前記溶接状態を認識することは、
連続的な前記複数の溶接画像を学習モデルに入力して溶接状態を取得することを含み、
前記学習モデルは，異常な前記溶接状態に対応する前記複数の溶接画像及び機械学習アルゴリズムに基づいてトレーニングされたものである、
請求項５に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項7】

前記光スポット調整条件は、溶接材料が空中で溶融すること、溶融していない前記溶接材料が電子ピンに衝突すること、前記溶接材料が球状に溶融すること、及び前記光スポットが前記溶接対象以外の回路基板本体を焼くことのうちの少なくとも１つを含み、
いずれかの前記光スポット調整条件が満たされたことを検出する際に前記レーザモジュールの前記光スポットサイズを調整することは、
前記溶接材料が空中で溶融する場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを拡大して、前記光スポットの熱エネルギー密度を低めることと、
溶融していない前記溶接材料が前記電子ピンに衝突する場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを縮小し、前記光スポットの熱エネルギー密度を高めることと、
前記溶接材料が球状に溶融する場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを縮小し、前記光スポットの熱エネルギー密度を高めることと、
前記光スポットが回路基板本体を焼く場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを拡大し、前記光スポットの熱エネルギー密度を低めることと、を含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項8】

いずれかの前記光スポット調整条件が満たされたことを検出する際に前記レーザモジュールの前記光スポットサイズを調整することは、
温度検出モジュールにより前記溶接対象の検出温度を取得すること、
前記検出温度に基づいて、前記溶接対象の溶接状態が異常であることを検出すると、前記溶接状態に対応する調整方針を取得することと、
前記調整方針に基づいて、前記第１レンズと前記第２レンズとの間の前記レンズ距離を調整して、前記溶接対象の前記光スポットサイズを調整することと、を含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項9】

前記光スポット調整条件は、前記溶接対象の検出温度が予め設定された溶接温度に一致しないこと、及び電子ピンの温度と前記溶接対象のランドの温度との温度差が予め設定された溶接温度差よりも大きいことのうちの少なくとも１つを含み、
いずれかの前記光スポット調整条件が満たされたことを検出する際に前記レーザモジュールの前記光スポットサイズを調整することは、
前記検出温度が前記予め設定された溶接温度よりも高い場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを拡大して、前記光スポットの熱エネルギー密度を低めることと、
前記検出温度が前記予め設定された溶接温度よりも低い場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを縮小して、前記光スポットの熱エネルギー密度を高めることと、
前記温度差が前記予め設定された溶接温度差よりも大きい場合、前記レンズ距離を調整して前記光スポットサイズを縮小して、前記光スポットの熱エネルギー密度を高めて、前記光スポットが温度の低い前記電子ピン又は前記ランドにより高い熱エネルギーを供給することと、を含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項10】

前記レンズ距離を調整することは、
複数の実験距離と複数の実験サイズとの対応関係を取得することと、
現在の前記光スポットサイズと、満たされた前記光スポット調整条件に対応する調整方針とに基づいて前記対応関係を検索して、対応する前記実験距離を決定することと、
前記レンズ距離を前記実験距離に調整することと、を含む、
請求項１に記載の動的光スポットを用いたレーザ溶接方法。

【請求項11】

第１レンズと第２レンズとを備える写真レンズと、
前記第１レンズ及び前記第２レンズのうちの少なくとも１つに接続され、前記第１レンズと前記第２レンズとの間のレンズ距離を調整するために移動するように構成された電動変位モジュールと、
前記写真レンズに向けてレーザ光を発して、前記写真レンズの後の溶接対象に光スポットを形成するように構成されたレーザモジュールと、
前記レーザモジュールと前記電動変位モジュールとに電気的に接続され、予熱段階において予熱パワーに基づいて前記レーザモジュールを制御して溶接対象に対して予熱を行い、溶接段階において前記予熱パワーより大きい溶接パワーに基づいて前記レーザモジュールを制御して前記溶接対象に対して加熱を行うように構成された制御モジュールと、を含み、
前記制御モジュールは、前記溶接段階においていずれかの光スポット調整条件が満たされているか否かを継続的に検出し、いずれかの光スポット調整条件が満たされたことを検出すると、前記光スポット調整条件に基づいて前記第１レンズと前記第２レンズとの間の前記レンズ距離を動的に調整して、前記レーザモジュールの前記光スポットの光スポットサイズを調整し、溶接が完了する前に、いずれかの光スポット調整条件が満たされているか否かを継続的に検出するように構成される、
動的光スポットを用いたレーザ溶接システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ溶接に関し、特に、動的光スポットを用いるレーザ溶接システム及びその方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来のレーザ溶接方法では、レーザモジュールのパワー設定は溶接開始前（オフライン状態）に完了しなければならず、溶接過程（オンライン状態）でパワーを任意に変更することはできなかった。

【0003】

また、従来のレーザ溶接方法では、写真レンズの焦点距離が固定されているため、溶接対象に形成される光スポットサイズも固定されており、レーザの有効加熱範囲を任意に調整することができない。

【0004】

したがって、従来のレーザ溶接方法は、溶接過程に一定の熱エネルギー密度で溶接対象を溶接することしかできず、異なる溶接状態（例えば溶接点の温度が低すぎる又は高すぎる）に応じて光スポットの熱エネルギー密度を調整することができず、溶接品質を低下させて、溶接不良が発生してしまうという問題があった。

【0005】

そのため、従来のレーザ溶接方法には上記の問題があり、より効果的な解決策が急務となっている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の主な目的は、溶接段階において光スポットサイズを調整することにより、熱エネルギー密度を変化させることができる動的光スポットを用いたレーザ溶接システム及びその方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る動的光スポットを用いたレーザ溶接方法は、レーザモジュールを制御して第１レンズ及び第２レンズに照射して、溶接対象に光スポットを形成して溶接を実行することと、溶接段階においていずれかの光スポット調整条件が満たされたことを検出すると、前記光スポット調整条件に基づいて前記第１レンズと前記第２レンズとの間のレンズ距離を調整して、前記光スポットの光スポットサイズを調整することと、を含む。

【0008】

本発明に係る動的光スポットを用いたレーザ溶接システムは、第１レンズと第２レンズとを備える写真レンズと、前記第１レンズ及び前記第２レンズのうちの少なくとも１つに接続され、前記第１レンズと前記第２レンズとの間のレンズ距離を調整するために移動するように構成された電動変位モジュールと、前記写真レンズに向けてレーザ光を発して、前記写真レンズの後の溶接対象に光スポットを形成するように構成されたレーザモジュールと、前記レーザモジュールと前記電動変位モジュールとに電気的に接続され、前記レーザモジュールを照射制御するとともに、溶接段階においていずれかの光スポット調整条件が満たされたことを検出すると、前記光スポット調整条件に基づいて前記第１レンズと前記第２レンズとの間のレンズ距離を調整して、前記レーザモジュールの前記光スポットの光スポットサイズを調整するように構成された制御モジュールと、を含む。

【発明の効果】

【0009】

本発明は、光スポットの光スポットサイズを調整することにより、１つのレーザパワーで異なる溶接状態にそれぞれ適用する多様な熱エネルギー密度を生成することができ、溶接品質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムの構成図である。

【図2】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムの構成図である。

【図3】本発明の一実施形態に係る制御モジュールの構成図である。

【図4】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法のフローチャートである。

【図5】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。

【図6】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。

【図7】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。

【図8】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接の概略図である。

【図9】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接の概略図である。

【図10】本発明の一実施形態に係る溶接対象の概略図である。

【図11】本発明の一実施形態に係るランドの総作用パワーと温度応答との関係を示すグラフである。

【図12】本発明の一実施形態に係る光スポットサイズと温度応答との関係を示すグラフである。

【図13】本発明の一実施形態に係るランド位置と作用パワーとの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本発明の好ましい実施形態については、図面を参照しながら以下に説明する。

【0012】

本発明に係る動的光スポットを用いたレーザ溶接システム及び動的光スポットを用いたレーザ溶接方法は、レーザ溶接過程で溶接状態を判断するとともに、レンズ間の距離を調整することにより光スポットサイズを調整し、熱エネルギー密度を動的に調整することができ、現在の溶接状態に最も合致した光スポットサイズ及び熱エネルギー出力を提供し、溶接効率や溶接品質を向上させることができる。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムの構成図である。本実施形態に係るレーザ溶接システムは、特に、レーザモジュール１１と、電動変位モジュール１２と、写真レンズ１３と、レーザモジュール１１と電動変位モジュール１２とに電気的に接続される制御モジュール１０とを含む。

【0014】

レーザモジュール１１は、溶接材料（例えば、スズ、アルミニウム、鋼、合金、熱可塑性プラスチックなどで作られる溶接ワイヤ又は溶接粉末）を溶融するための熱源として高エネルギー密度のレーザ点光源を発するために用いられ、溶融した溶接材料で複数の部品の接点を被覆して固定する。

【0015】

写真レンズ１３は、複数のレンズ１３０を含む、図１は、２群のレンズ１３０（第１レンズと第２レンズ）を例とるが、レンズの最大数量を限定するものではない。写真レンズ１３は、レーザモジュール１１からのレーザ光を受け、レーザ光を（反射又は屈折して）溶接対象２（上述した接点と溶接材料）に導き、溶接範囲を示す光スポットを形成するために用いられる。

【0016】

上記光スポットの光スポットサイズは、レーザの有効加熱範囲を示すことに用いられ、例えば、レーザ熱エネルギーの実際の照射範囲であり、予め設定された温度（溶接材料の熔点や他の所定温度など）又は予め設定されたパワー割合（例えば１０％、５０％、９０％又は他の所定割合）を超える範囲である。

【0017】

本発明では、電動変位モジュール１２は、複数のレンズ１３０のうちの少なくとも１つに接続され、任意の光路（即ち、レーザモジュール１１から写真レンズ１３を貫通して溶接対象２に達するレーザ経路）において、光軸の平行方向で上記光路中の任意の２つのレンズの距離を調整して（例えば、１群のレンズの位置のみを移動するか、又は複数群のレンズの位置を同時に移動する）、上記光路の直線長さを長く又は短くして、写真レンズ１３の焦点距離を変えて、投影した光スポットサイズを変える。

【0018】

なお、レーザモジュール１１の加工パラメータ（例えばレーザパワー）が一定である（即ち、レーザの総パワーが一定である）場合には、光スポットサイズが大きいほど（例えば直径３ｍｍ）、光スポットにおける各箇所の熱エネルギー密度が低くなる（一箇所の加熱パワーが低くなる）ことを示し、光スポットサイズが小さいほど（例えば直径０．８ｍｍ）、光スポットにおける各箇所の熱エネルギー密度が高くなる（一箇所の加熱パワーが高くなる）ことを示す。

【0019】

また、上記光スポットサイズは、写真レンズ１３の複数のレンズ１３０の曲率及びレンズ距離にも関係している。

【0020】

制御モジュール１０（ＣＰＵ、ＧＰＵ、ＴＰＵ、ＭＣＵなどのプロセッサ又はそれらの任意の組み合わせ）は、レーザ溶接システムを制御するために用いられる。

【0021】

図１及び図２を併せて参照する。図２は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接システムの構成図である。

【0022】

図２に示す実施形態において、電動変位モジュール１２は、電動モータ３２と、変位アセンブリ３３と、１つ又は複数のレンズ台３４とを含む。

【0023】

電動モータ３２は、回転によって変位アセンブリ３３にパワーを供給する。変位アセンブリ３３（例えば、スライドレール装置又はガイドレール装置）は、動力を受けて各レンズ台３４の位置を移動して複数のレンズ間のレンズ距離を変えることに用いられる。各レンズ台３４は、各レンズを固定装備するためのものであり、変位アセンブリ３３によって移動されると、載置された各レンズと一緒に移動する。

【0024】

一実施形態において、写真レンズ１３は、１つ又は複数の変位可能な変位レンズ３０と、１つ又は複数の変位不能な固定レンズ３１とを含む。変位不能な固定レンズ３１は、写真レンズ１３内に固定配置され、その位置が不変である。変位レンズ３０は、レンズ台３４上に移動可能に配置されている。

【0025】

本発明は、一部のレンズのみを変位可能に設定し、他のレンズを変位不能に設定することにより、変位による光軸ずれの確率を大幅に低減することができ、光スポットサイズを調整する感度を低減することができる。

【0026】

一実施形態において、写真レンズ１３は、１つの変位レンズ３０及び１つの固定レンズ３１のみを有している。これにより、光スポットサイズを調整する感度を最小限に抑え、光スポットサイズの変化を正確に制御することができる。

【0027】

例えば、１つの変位レンズ３０と１つの固定レンズがある場合、光スポットサイズの変化幅は比較的に小さく（例えば、変位レンズ３０を１ｍｍ移動して、光スポットは１ｍｍ大きく／小さくなる）、２群以上の変位レンズ３０、又は３群以上のレンズを配置した場合、光スポットサイズの変化幅は比較的に大きく（例えば、変位レンズ３０を１ｍｍ移動して、光スポットは５ｍｍ大きく／小さくなる）、精密な制御に不利である。

【0028】

一実施形態において、少なくとも１つのレンズ（又は一面）は凸レンズであり、レーザ光の集束効果を実現する。

【0029】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、制御モジュール１０に電気的に接続される赤外線レーザ温度計や熱画像計などの温度検出モジュール４０をさらに含む。温度検出モジュール４０は、溶接対象２に対して温度を検出して、溶接対象２の１点又は複数点の検出温度を取得するために用いられる。

【0030】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、制御モジュール１０に電気的に接続される、溶接対象２を撮影して溶接対象２の画像を取得するための撮像モジュール４１をさらに含む。

【0031】

一実施形態において、撮像モジュール４１は、溶接対象２のカラー画像（例えばＲＧＢ画像）を撮影するカラーカメラ（例えばＲＧＢカメラ）であってもよい。

【0032】

一実施形態において、撮像モジュール４１は、溶接対象２の赤外線画像を撮影する赤外線カメラであってもよい。

【0033】

一実施形態において、撮像モジュール４１は、溶接対象２の熱感知画像を撮影する熱感知カメラであってもよい。

【0034】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、制御モジュール１０に電気的に接続されるイーサネット（登録商標）カード、Ｗｉ－Ｆｉネットワークカード、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）ネットワークカード、セルラネットワークモジュールなどの通信インタフェース４２をさらに含む。通信インタフェース４２は、ネットワーク（無線ネットワーク、有線ネットワーク、セルラネットワーク、ローカルエリアネットワーク、又はインターネットなど）を介して外部機器（管理者コンピュータなど）と通信することができる。

【0035】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、制御モジュール１０に電気的に接続される、ディスプレイ、タッチスクリーン、又はプロジェクトモジュールなどの表示装置とマウス、キーボード、又はタッチパネルなどの入力装置との任意の組み合わせなどのマンマシンインタフェース４３をさらに含む。マンマシンインタフェース４３は、ユーザがデータを入力し、情報を出力するために用いられる。

【0036】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、制御モジュール１０に電気的に接続される記憶モジュール４４をさらに含み、記憶モジュール４４は、例えば、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＳＳＤ、磁気ディスク、フラッシュメモリなどの記憶装置、又は上記任意の組み合わせであってもよく、データを格納するために用いられる。

【0037】

一実施形態において、記憶モジュール４４は、放熱指標データベース４４０を記憶することができる。放熱指標データベース４４０は、予め構築されており、複数の加工データとそれぞれ適用される複数の加工パラメータとの対応関係が記録されている。

【0038】

一実施形態において、上記対応関係は、異なる溶接対象に対して加熱実験を実行することによって取得することができ、又は機械学習によるトレーニングによって取得することができるが、これらに限定されない。

【0039】

一実施形態において、上記加工データは、異なる溶接対象（溶接する部品及び／又は溶接材料）の対象データを含んでもよく、対象データには、溶接対象のサイズ、厚さ、面積、材質、及び／又は放熱性が記録されてもよい。

【0040】

一実施形態において、上記加工パラメータは、複数のレンズ間の初期のレンズ距離、及び／又は、各段階（予熱段階、溶接段階、及び／又は成形段階）におけるレーザモジュール１１のパワーを含んでもよい。

【0041】

これにより、レーザ溶接システムは、現在の溶接対象の対象データを取得した後、放熱指標データベース４４０を検索して適用可能な加工パラメータ４４１を取得し、加工パラメータ４４１に基づいて溶接を実行して最適なパワー制御を達成することができる。

【0042】

一実施形態において、記憶モジュール４４は、光スポット調整条件４４２を記憶してもよい。光スポット調整条件４４２は、例えば、いずれかの異常状態の発生が検出され、指定された光スポットサイズを調整するタイミングが到来したこと（例えば、予熱段階に入ること、溶接段階に入ること、成形段階に入ること、溶接材料が溶融していないか、又は溶融したことなど）であってもよいが、これらに限定されない。

【0043】

一実施形態において、記憶モジュール４４は、様々な異常状態及び／又はタイミングに対応する調整方針４４３を記憶してもよい。調整方針４４３は、光スポットサイズの拡大又は縮小（対応するレンズ移動方向）、及び／又は調整された光スポットサイズ（対応するレンズ距離又は変位レンズ３０の位置）であってもよい。

【0044】

一実施形態において、異常状態が、溶接材料が空中で溶融すること、溶融していない溶接材料が電子ピンに衝突すること、溶接材料が球状に溶融すること、光スポットが溶接対象以外の回路基板本体を焼くことなど、コンピュータ視覚（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ）によって認識できる異常状態である場合、対応する調整方針４４３は、それぞれ、溶接材料が空中で溶融する場合に光スポットサイズを拡大すること、溶融していない溶接材料が電子ピンに衝突する場合に光スポットサイズを縮小すること、溶接材料が球状に溶融する場合に光スポットサイズを縮小すること、光スポットが溶接対象以外の回路基板本体を焼く場合に光スポットサイズを拡大することであってもよい。

【0045】

一実施形態において、異常状態が、溶接対象の検出温度が予め設定された溶接温度に一致しないこと（即ち、温度が高すぎる又は低すぎること）、電子ピンの温度と溶接対象（例えばランド）の温度との温度差が予め設定された溶接温度差よりも大きいことである場合、対応する調整方針４４３は、それぞれ、温度が高すぎる場合に光スポットサイズを拡大すること、温度が低すぎる場合に光スポットサイズを縮小すること、温度差が大きすぎる場合に光スポットサイズを縮小して、光スポットの熱エネルギー密度を高めること、温度が低い電子ピン又はランドに高い熱エネルギーを提供することであってもよい。

【0046】

図１～図３を併せて参照する。図３は、本発明の一実施形態に係る制御モジュールの構成図である。本実施形態では、制御モジュール１０は、モジュール５０～５６を含んでもよい。これらのモジュール５０～５６は、それぞれ異なる機能を実行するように設定されている（詳細は後述する）。

【0047】

上記のモジュール５０～５６は、相互接続（電気接続及び情報接続であってもよい）されており、ハードウェアモジュール（例えば、電子回路モジュール、集積回路モジュール、ＳｏＣ等）、ソフトウェアモジュール（例えば、ファームウェア、作業システムやアプリケーションプログラム）、又はソフトウェアとハードウェアの組み合わせであってもよいが、これらに限定されない。

【0048】

なお、上記モジュール５０～５６がソフトウェアモジュール（例えば、ファームウェア、作業システムやアプリケーションプログラム）である場合、記憶モジュール４４は、非一時的なコンピュータ可読記録媒体（図示せず）を含んでもよい。上記非一時的なコンピュータ可読記録媒体には、コンピュータプログラム４４５が記憶され、コンピュータプログラム４４５には、コンピュータ実行可能なプログラムコードが記録されている。制御モジュール１０は、上記プログラムコードを実行すると、対応するモジュール５０～５６として機能することができる。

【0049】

次に、本発明のレーザ溶接方法について説明するが、本発明の各実施形態に係るレーザ溶接方法は、上述した図１～図３及び／又は図８～図１０のいずれかの実施形態に係るレーザ溶接システムに適用することができる。

【0050】

図４は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法のフローチャートである。本実施形態に係るレーザ溶接方法は、以下のステップＳ１０～Ｓ１４を含む。

【0051】

ステップＳ１０において、制御モジュール１０は、レーザ制御モジュール５０によりレーザモジュール１１を制御して写真レンズ１３（第１レンズと第２レンズとを含む）に向けて照射し、溶接対象２に光スポットを形成して溶接を実行する。

【0052】

ステップＳ１１において、溶接段階において、制御モジュール１０は、監視モジュール５４により、予め設定されたいずれかの光スポット調整条件が満たされているか否かを検出する。

【0053】

いずれかの光スポット調整条件が満たされたことを検出すると、ステップＳ１２を実行する。ステップＳ１２において、制御モジュール１０は、変位制御モジュール５１により、電動変位モジュール１２を制御して光スポット調整条件に基づいて複数のレンズ間のレンズ距離を調整することで、光スポットサイズを調整する。例えば、光スポットサイズを縮小して光スポットの熱エネルギー密度を高めるか、又は光スポットサイズを拡大して光スポットの熱エネルギー密度を低める。一実施形態において、記憶モジュール４４は、複数の実験距離と複数の実験サイズとの対応関係を記憶していてもよい。本実施形態において、制御モジュール１０は、現在の光スポットサイズと、満たされた光スポット調整条件に対応する調整方針とに基づいて上記対応関係を検索する。これにより、制御モジュール１０は、対応する実験距離を決定するとともに、上記レンズ距離を上記実験距離に調整することができ、その結果、光スポットのスポットサイズを調整することができる。

【0054】

光スポット調整条件が満たされたことを検出しなかった場合には、ステップＳ１３を実行する。

【0055】

ステップＳ１３において、制御モジュール１０は、監視モジュール５４により、溶接が完了したか否か、例えば接点が溶融した溶接材料に被覆されているか否かを判断する。

【0056】

ステップＳ１４において、制御モジュール１０は、レーザ制御モジュール５０により、レーザモジュール１１を制御して、溶融した溶接材料が冷却成形されるまで溶接材料の加熱を停止する（又は光スポットサイズを大きくして熱エネルギー密度を小さくして冷却成形の速度を緩やかにする）。

【0057】

本発明は、光スポットの光スポットサイズを調整することにより、１つのレーザパワーで異なる溶接状態にそれぞれ適用する多様な熱エネルギー密度を生成することができ、溶接品質を向上させることができる。

【0058】

図４及び図５を併せて参照する。図５は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。図４に示すレーザ溶接方法に比べて、図５に示すレーザ溶接方法は、溶接段階を開始する前に、以下の予熱段階のステップＳ２０～Ｓ２２を含む。

【0059】

ステップＳ２０において、制御モジュール１０は、パラメータ設定モジュール５２によって加工データを取得する。例えば、マンマシンインタフェース４３を介して入力を受け付けるか、又は通信インタフェース４２を介して加工データを受信する。

【0060】

ステップＳ２１において、制御モジュール１０は、パラメータ設定モジュール５２により、加工データに基づいて対応する加工パラメータを設定するとともに、レーザ制御モジュール５０により、予熱プログラムを実行するようにレーザモジュール１１を制御する。

【0061】

一実施形態において、制御モジュール１０は、加工データの対象データに基づいて、放熱指標データベース４４０において対応する加工パラメータを検索する。

【0062】

一実施形態において、上記加工パラメータは、予熱段階の予熱パワー、溶接段階の溶接パワー、及び／又は成形段階の成形パワーを含んでもよい。溶接パワーは予熱パワーよりも大きく、予熱パワーは成形パワーよりも大きい。

【0063】

一実施形態において、上記加工パラメータは、初期の光スポットサイズ（又は対応するレンズ距離或いはレンズ位置）を含んでもよい。制御モジュール１０は、変位制御モジュール５１により、初期の光スポットサイズに基づいて光スポットサイズを初期の光スポットサイズに調整する。

【0064】

一実施形態において、上記予熱プログラムは、予熱パワーに基づいてレーザモジュール１１を制御して予熱を実行すること、例えば、溶接対象をより低いパワーで予め加熱することを含んでもよい。

【0065】

ステップＳ２２において、制御モジュール１０は、位置合わせ処理を実行して、溶接対象を溶接位置（図１０に示す）に正確に移動させるとともに、材料吐出装置７１１が溶接材料を溶接位置（図９に示す）に移動させる。

【0066】

一実施形態において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により撮像モジュール４１を制御して溶接対象を継続的に撮影し、連続的な複数の溶接前の画像を取得し、材料吐出装置７１１により溶接材料を溶接位置に移動させると同時に、位置合わせ制御モジュール５３により、撮影された複数の溶接前の画像に基づいて自動位置合わせプログラムを即時実行して、コンピュータ視覚により溶接材料が溶接位置に到達したか否かを検出する。

【0067】

図４～図６を併せて参照する。図６は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。図６に示すレーザ溶接方法は、図４に示すレーザ溶接方法に比べて、ステップＳ１１及びステップＳ１３において、以下の溶接段階の監視ステップＳ３０～Ｓ３６が含まれる。

【0068】

本実施形態では、制御モジュール１０は、ステップＳ３０～Ｓ３１を実行することにより、コンピュータ視覚に基づいて現在の溶接状態を認識することができる。

【0069】

ステップＳ３０において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、撮像モジュール４１を制御して溶接対象を連続的に撮影し、連続的な複数の溶接画像を取得する。

【0070】

ステップＳ３１において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、撮像された複数の溶接画像に基づいて、溶接対象の溶接状態を認識し、例えば、画像特徴認識、機械学習、又は他の画像解析技術によって溶接状態を決定する。

【0071】

一実施形態では、溶接段階において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、溶接材料の溶融流動の状態（画像）を分析して、溶接状態（温度が高すぎる又は低すぎるなど）を認識することができる。

【0072】

本実施形態では、制御モジュール１０は、ステップＳ３２及びステップＳ３３を実行することにより、温度検出に基づいて現在の溶接状態を認識することができる。

【0073】

ステップＳ３２において、制御モジュール１０は、温度検出モジュール４０によって溶接対象の検出温度を取得する。

【0074】

ステップＳ３３において、制御モジュール１０は、温度監視モジュール５６により、検出した検出温度に基づいて溶接対象の溶接状態を決定し、例えば、温度が高すぎる又は低すぎ、温度差が大きすぎる。

【0075】

一実施形態では、溶接段階又は成形段階（溶接点が冷却するのを待っている）において、制御モジュール１０は、ランド及び電子ピンの温度（又は温度差）をそれぞれ検出し、ランド及び電子ピンの温度のうちの低い方を判定し、その光スポットサイズを縮小して加熱速度及び温度を向上させることができる。

【0076】

ステップＳ３４において、制御モジュール１０は、監視モジュール５４（画像監視モジュール５５と温度監視モジュール５６とを含む）により、認識された溶接状態が異常状態であるか否かを判断する。

【0077】

ステップＳ３５において、制御モジュール１０は、監視モジュール５４により、異常な溶接状態に対応する調整方針４４３を取得する。

【0078】

ステップＳ３６において、制御モジュール１０は、変位制御モジュール５１により、取得した調整方針に基づいて写真レンズ１３の複数のレンズ間のレンズ距離を調整して、溶接対象に形成する光スポットサイズを調整する。

【0079】

このようにして、本発明は、画像監視や温度監視により溶接状態を自動的に認識し、溶接状態が異常である場合には、光スポットサイズを自動的に調整して異常状態を排除することができる。

【0080】

図４～図７を併せて参照する。図７は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接方法の一部のフローチャートである。本実施形態では、記憶モジュール４４は、画像認識及び分類を実行するための学習モデル４４４をさらに記憶している。

【0081】

図７に示すレーザ溶接方法は、図６に示すレーザ溶接方法に比べて、ステップＳ３１において、以下の画像に基づく溶接状態の認識ステップＳ４０～Ｓ４２がさらに含まれる。

【0082】

ステップＳ４０において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、連続的な複数の画像（上述した溶接画像や溶接前の画像）を取得する。

【0083】

ステップＳ４１において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、学習モデル４４４に連続的な画像を入力して溶接状態を取得する。

【0084】

一実施形態において、学習モデル４４４は、異常な溶接状態に対応する複数の溶接画像及び機械学習アルゴリズムに基づいてトレーニングされたデータモデルである。

【0085】

一実施形態において、学習モデル４４４は、様々な溶接状態が内蔵された標的データであり、溶接対象（例えばランドサイズ）及び溶接段階の様々な異常状態を認識することができる。

【0086】

一実施形態において、学習モデル４４４は、光スポットサイズを認識することができる。具体的には、まず赤外線厚紙（又はフィルタ）によってフィルタリングされた画像をローパスフィルタリング（ｌｏｗ－ｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ）し、次に画像処理のために画像の二値化を実行し、二値化された画像から光スポットサイズを算出する。

【0087】

一実施形態において、学習モデル４４４は、３Ｄ ＣＮＮ（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ）又はＣｏｎｖＬＳＴＭ（Ｃｏｎｖｏｌｕｔｉｏｎａｌ Ｌｏｎｇ Ｓｈｏｒｔ－Ｔｅｒｍ Ｍｅｍｏｒｙ）深層学習モデルを含む。

【0088】

一実施形態において、制御モジュール１０は、画像監視モジュール５５により、連続的な画像をマージし、マージされた画像を学習モデル４４４に入力して、学習モデル４４４が連続的な画像における物体の移動ベクトルを分析できるようにする。

【0089】

ステップＳ４２において、学習モデル４４４は、入力された連続的な画像に対応する溶接状態である認識結果を出力する。

【0090】

本発明は、機械学習を用いて画像に基づいて溶接状態を認識することにより、認識速度及び正確性を大幅に向上させることができる。

【0091】

図８は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接の概略図である。本実施形態では、レーザモジュール１１からのレーザ光６０は、変位レンズ３０及び固定レンズ３１（即ちレンズ距離ｄ１）を貫通して、溶接対象２上に光スポット６１（即ち光スポットサイズｄ３）を形成する。これらの光学システムは、溶接対象２から一定の距離ｄ２を有している。

【0092】

光スポット６１の光スポットサイズを調整する場合には、電動モータ３２を作動させて変位アセンブリ３３（例えばガイドレール）を駆動し、変位レンズ３０を載置したレンズ台３４を（上方向又は下方向に）移動させることにより、レンズ距離ｄ１を変化させ、その結果、光スポットサイズｄ３を変化させる。

【0093】

図９は、本発明の一実施形態に係るレーザ溶接の概略図である。本実施形態では、レーザモジュール７００の光学システムは、反射鏡７０１と、変位レンズ７０２、７０３と、反射鏡７０４とを含むズーム系である。また、電動変位モジュール７０５を制御することにより、変位レンズ７０２、７０３間のレンズ距離ｄ４を調整し、焦点距離を調整し、レーザ光の光スポットサイズを調整することができる。

【0094】

一実施形態において、レンズ距離ｄ４の調整範囲は３５ｍｍ～４５ｍｍであってもよく、光スポットサイズの調整範囲は０．８ｍｍ～３ｍｍであってもよいが、これらに限定されない。

【0095】

一実施形態において、レーザ溶接システムは正面カメラ７０６を含む。正面カメラ７０６の光学システムは、反射鏡７０７，７０８を含む。正面カメラ７０６は、反射鏡７０７，７０８により、溶接対象の真上の俯瞰画像を撮影できる。

【0096】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、溶接対象の側面画像を撮影するための側面カメラ７０９を含む。

【0097】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、溶接対象の温度を感知するためのレーザ温度計７１０を含む。

【0098】

一実施形態において、溶接対象は、溶接ステージ７１２上に載置され、回路基板上のランド８０、電子ピン８１、及びこれらを被覆する溶接材料８２を含む。

【0099】

一実施形態において、レーザ溶接システムは、材料吐出装置７１１を含む。材料吐出装置７１１は、制御モジュール１０によって制御され、溶接材料８２をランド８０の溶接位置に移動できる。

【0100】

図１０は、本発明の一実施形態に係る溶接対象の概略図である。本発明は、はんだ付け及びランドに適用することができる。具体的には、電子部品９００の複数のピン９０１を複数のランド９１１の複数の穴９１２に位置合わせして挿入し、はんだによりはんだ付けして、複数のピン９０１を回路基板９１０の複数のランド９１１に電気的に固定する。

【0101】

図１１～図１３を併せて参照する。図１１は、本発明の一実施形態に係るランドの総作用パワーと温度応答との関係を示すグラフである。図１２は、本発明の一実施形態に係る光スポットサイズと温度応答との関係を示すグラフである。図１３は、本発明の一実施形態に係るランド位置と作用パワーとの関係を示すグラフである。

【0102】

一般的な半田付け部品（溶接対象）では、光スポットサイズが大きくなると、熱エネルギー密度が低下し、温度応答が悪くなる（温度が低くなる）。

【0103】

しかし、溶接対象が穴のある部品（ランドなど）である場合、レーザ光はガウス形でパワーを出力する（中間エネルギーは高く、周辺エネルギーは低い）ため、大部分のパワーは穴に作用し、実際にランドに作用するパワーはごくわずかである。

【0104】

図１３を参照すると、総出力パワー１０Ｗを例にとると、ランドは実際には３～４Ｗのパワー入力しか受け入れず、パワーの大部分は穴に作用して無駄になる。

【0105】

図１１を参照すると、ランドは、内径が小さいほど面積が大きくなるので、総作用パワー（ランドに作用する総パワー）が高くなり、温度応答が良くなり、即ち昇温が速くなる。

【0106】

図１２を参照すると、本発明は、穴部品の上記のような特性に対応するために、溶接対象がランドなどの穴部品である場合、光スポットサイズを適時に大きくすることにより、ランドが照射される面積を大きくし、ひいては温度応答を向上させることができる。

【0107】

以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に記載の範囲には限定されない。本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記各実施の形態に多様な変更又は改良を加えることができ、上記変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0108】

１０ 制御モジュール
１１ レーザモジュール
１２ 電動変位モジュール
１３ 写真レンズ
１３０ レンズ
２ 溶接対象
３０ 変位レンズ
３１ 固定レンズ
３２ 電動モータ
３３ 変位アセンブリ
３４ レンズ台
４０ 温度検出モジュール
４１ 撮像モジュール
４２ 通信インタフェース
４３ マンマシンインタフェース
４４ 記憶モジュール
４４０ 放熱指標データベース
４４１ 加工パラメータ
４４２ 光スポット調整条件
４４３ 調整方針
４４４ 学習モデル
４４５ コンピュータプログラム
５０ レーザ制御モジュール
５１ 変位制御モジュール
５２ パラメータ設定モジュール
５３ 位置合わせ制御モジュール
５４ 監視モジュール
５５ 画像監視モジュール
５６ 温度監視モジュール
６０ レーザ光
６１ 光スポット
７００ レーザモジュール
７０１、７０４、７０７，７０８ 反射鏡
７０２、７０３ レンズ
７０５ 電動変位モジュール
７０６ 正面カメラ
７０９ 側面カメラ
７１０ レーザ温度計
７１１ 材料吐出装置
７１２ 溶接ステージ
８０ ランド
８１ 電子ピン
８２ 溶接材料
９００ 電子部品
９０１ ピン
９１０ 回路基板
９１１ ランド
９１２ 穴
ｄ１、ｄ２、ｄ４ 距離
ｄ３ 光スポットサイズ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】