特許 7542422 溶接状態の検出方法、および溶接装置

(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】2024-08-22

(45)【発行日】2024-08-30

(54)【発明の名称】溶接状態の検出方法、および溶接装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/00 20140101AFI20240823BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240823BHJP

【ＦＩ】

B23K26/00 P

B23K26/00 Q

B23K26/21 F

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2020205602

(22)【出願日】2020-12-11

(65)【公開番号】P2022092729

(43)【公開日】2022-06-23

【審査請求日】2023-09-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】増田 梨沙

(72)【発明者】

【氏名】外川 隆一

【審査官】山下 浩平

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－１５３３７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－３３０２７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－０６１６７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１４７２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１３／１７１８４８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／００２６３８９（ＵＳ，Ａ１）

(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】

レーザが照射された部分からの反射光、および、前記レーザが照射された部分における発光を検出する工程と、
検出された前記反射光、および、検出された前記発光に基づいて、前記レーザが照射された部分の溶接状態を検出する工程と、
を備え、
前記溶接状態を検出する工程において、前記発光の信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが所定の第２の閾値以下となるか否かを検出し、
前記発光の信号レベルが前記第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが前記第２の閾値以下となった場合には、前記レーザが照射された部分に凹部が発生したと判定する溶接状態の検出方法。

【請求項2】

前記溶接状態を検出する工程において、前記反射光の信号レベルが前記第２の閾値以下となっている時間と、前記レーザが照射された部分の移動速度と、の積から前記凹部の長さを演算する請求項１記載の溶接状態の検出方法。

【請求項3】

前記溶接状態を検出する工程において、前記第２の閾値と、前記信号レベルの最小値との差から、前記凹部の深さを演算する請求項１または２に記載の溶接状態の検出方法。

【請求項4】

前記溶接状態を検出する工程において、予め求められた前記凹部が発生していない場合の、前記発光の信号レベルの積分値と、前記凹部が発生した場合の、前記発光の信号レベルの積分値と、の差に基づいて、前記凹部の大きさを演算する請求項１～３のいずれか１つに記載の溶接状態の検出方法。

【請求項5】

前記溶接状態を検出する工程において、前記発光の信号の入力開始時点と、前記信号レベルが増加し始めた時点との間の時間に基づいて、前記凹部の深さを演算する請求項１～４のいずれか１つに記載の溶接状態の検出方法。

【請求項6】

前記溶接状態を検出する工程において、前記反射光の信号レベルが所定の第３の閾値以上となった場合には、意図しない部分に前記レーザが照射されたと判定する請求項１～５のいずれか１つに記載の溶接状態の検出方法。

【請求項7】

前記溶接状態を検出する工程において、前記発光の信号レベルが所定の第４の閾値以上となった場合には、意図しない部分に前記レーザが照射されたと判定する請求項１～６のいずれか１つに記載の溶接状態の検出方法。

【請求項8】

ワークにレーザを照射可能なレーザ照射部と、
前記レーザが照射された部分からの反射光、および、前記レーザが照射された部分における発光を検出可能な検出部と、
検出された前記反射光、および、検出された前記発光に基づいて、前記レーザが照射された部分の溶接状態を検出可能なコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、前記発光の信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが所定の第２の閾値以下となるか否かを検出し、
前記発光の信号レベルが前記第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが前記第２の閾値以下となった場合には、前記レーザが照射された部分に凹部が発生したと判定する溶接装置。

【請求項9】

前記ワークの、前記レーザが照射される位置を移動可能な移動部をさらに備え、
前記コントローラは、前記反射光の信号レベルが前記第２の閾値以下となっている時間と、前記レーザが照射された部分の移動速度と、の積から前記凹部の長さを演算する請求項８記載の溶接装置。

【請求項10】

前記コントローラは、前記第２の閾値と、前記信号レベルの最小値との差から、前記凹部の深さを演算する請求項８または９に記載の溶接装置。

【請求項11】

前記コントローラは、予め求められた前記凹部が発生していない場合の、前記発光の信号レベルの積分値と、前記凹部が発生した場合の、前記発光の信号レベルの積分値と、の差に基づいて、前記凹部の大きさを演算する請求項８～１０のいずれか１つに記載の溶接装置。

【請求項12】

前記コントローラは、前記発光の信号の入力開始時点と、前記信号レベルが増加し始めた時点との間の時間に基づいて、前記凹部の深さを演算する請求項８～１１のいずれか１つに記載の溶接装置。

【請求項13】

前記コントローラは、前記反射光の信号レベルが所定の第３の閾値以上となった場合には、意図しない部分に前記レーザが照射されたと判定する請求項８～１２のいずれか１つに記載の溶接装置。

【請求項14】

前記コントローラは、前記発光の信号レベルが所定の第４の閾値以上となった場合には、意図しない部分に前記レーザが照射されたと判定する請求項８～１３のいずれか１つに記載の溶接装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、溶接状態の検出方法、および溶接装置に関する。

【背景技術】

【0002】

対象物にレーザを照射して溶接を行う溶接装置がある。この様な溶接装置において、レーザを対象物に照射した際に、対象物の材料などに起因する溶接欠陥が発生する場合がある。

【0003】

溶接欠陥には、例えば、レーザ溶接時に溶融金属が飛散することで、溶接部に発生した凹みなどがある。凹みが発生すると、外観を損なうだけでなく、接合部の強度不足が生じたり、封止溶接の場合には、リークが生じたりするおそれがある。凹みが発生した場合、凹みの程度によっては、不良品となる場合があるが、凹みが発生した箇所に再度レーザを照射し、対象部分を再溶融させることにより、表面部を平滑化すれば、良品にできる場合がある。そのため、凹みの発生した位置やその程度を知る必要がある。
この場合、レーザ溶接が完了した後に、目視または光学観察により凹みを検出し、その程度を確認した後に再度レーザを照射する方法がある。しかし、この方法では、生産効率が低下するという課題がある。また、溶接時に発生するレーザ照射部からの発光をリアルタイムで測定し、その強度により溶接金属の飛散を検出する方法が提案されているが、凹みの程度までは分からない。また、溶接時に発生するレーザ照射部からの反射光をリアルタイムで測定し、凹みを検出する方法が提案されているが、溶接位置における対象物の表面形状の影響を受けるので、過検出や見逃しが発生するという課題があった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１２－６０３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

本発明が解決しようとする課題は、レーザ溶接時に発生する、溶融金属の飛散による凹みの発生をリアルタイムに検出し、その凹み量を推定して、再溶融による修復の可否を判断する機能を有する溶接状態の検出方法、および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】

【0006】

実施形態に係る溶接状態の検出方法は、レーザが照射された部分からの反射光、および、前記レーザが照射された部分における発光を検出する工程と、検出された前記反射光、および、検出された前記発光に基づいて、前記レーザが照射された部分の溶接状態を検出する工程と、を備えている。前記溶接状態を検出する工程において、前記発光の信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが所定の第２の閾値以下となるか否かを検出する。前記発光の信号レベルが前記第１の閾値以上となり、且つ、前記反射光の信号レベルが前記第２の閾値以下となった場合には、前記レーザが照射された部分に凹部が発生したと判定する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】溶接装置を例示するための模式図である。

【図2】（ａ）～（ｃ）は、凹部の発生を例示するための模式断面図である。

【図3】（ａ）は、可視光を検出するセンサからの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。（ｂ）は、反射光を検出するセンサからの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。

【図4】図３（ｂ）におけるＡ部の拡大図である。

【図5】レーザの１パルスの照射に対応する可視光の信号レベルの変化を例示するためのグラフである。

【図6】（ａ）～（ｄ）は、凹部の判定を例示するための模式図である。

【図7】ワークの溶接位置の近傍に設けられた膜を例示するための模式斜視図である。

【図8】溶接位置を例示するための模式平面図である。

【図9】レーザの１パルスの照射に対応する可視光の信号レベルの変化を例示するためのグラフである。

【図10】レーザの１パルスの照射に対応する光のスペクトルを例示するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0009】

まず、本実施の形態に係る溶接状態の検出方法を実行可能な溶接装置１について説明する。
図１は、溶接装置１を例示するための模式図である。
溶接装置１は、ワーク１００に向けてレーザ２０ａを照射し、ワーク１００のレーザ２０ａが照射された部分を溶融させることで溶接を行う。例えば、図１に示すように、ワーク１００ａとワーク１００ｂの接続部分にレーザ２０ａを照射して溶接を行うことができる。なお、溶接の形態には特に限定がなく、例えば、突き合わせ溶接であってもよいし、隅肉溶接であってもよい。図１に例示をした溶接の形態は、突き合わせ溶接である。

【0010】

溶接装置１には、トーチ１０、レーザ照射部２０、検出部３０、移動部４０、およびコントローラ５０を設けることができる。
トーチ１０は、例えば、筐体１１、レンズ１２、レンズ１３、およびハーフミラー１４を有する。

【0011】

筐体１１は、筒状を呈し、一方の方向に延びる形状を有する。筐体１１の中心軸は、ワーク１００の溶接を行う面に対して傾けることもできるし、略垂直となるように設けることもできる。ただし、図１に示すように、筐体１１の中心軸がワーク１００の溶接を行う面に対して略垂直となっていれば、ワーク１００に照射されたレーザ２０ａの反射光２０ｂや、レーザ２０ａが照射された部分において生じた可視光や赤外光を含む発光２０ｃを精度良く検出することができる。また、ワーク１００の溶接を行う面に対して略垂直な方向からレーザ２０ａを照射すれば、レーザ２０ａをワーク１００に効率よく吸収させることができる。

【0012】

レンズ１２は、筐体１１の内部に設けることができる。レンズ１２は、筐体１１の、ワーク１００側とは反対側の端部に設けることができる。レンズ１２は、レーザ照射部２０から照射されたレーザ２０ａを集光する。

【0013】

レンズ１３は、筐体１１の内部に設けることができる。レンズ１３は、筐体１１の、ワーク１００側の端部に設けることができる。レンズ１３は、レンズ１２により集光されたレーザ２０ａをさらに集光して、ワーク１００に照射する。レーザ２０ａがワーク１００に照射されると、照射されたレーザ２０ａの一部がワーク１００に吸収されて溶接が行われる。

【0014】

また、ワーク１００に照射されたレーザ２０ａの一部は、反射されてレンズ１３に入射する。そのため、レンズ１３は、ワーク１００からの反射光２０ｂを集光することもできる。また、レーザ２０ａの照射が行われると、レーザ２０ａが照射された部分が溶融し、高温の金属蒸気１００ｄが発生したりして、可視光や赤外光などを含む発光２０ｃが発生する。発光２０ｃの一部は、レンズ１３に入射する。そのため、レンズ１３は、入射した発光２０ｃ１（発光２０ｃの一部）を集光することもできる。

【0015】

ハーフミラー１４は、筐体１１の内部に設けることができる。ハーフミラー１４は、レンズ１２とレンズ１３の間に設けることができる。ハーフミラー１４は、筐体１１の中心軸に対して傾けて設けることができる。ハーフミラー１４は、レンズ１２側から入射したレーザ２０ａを透過させる。ハーフミラー１４を透過したレーザ２０ａは、レンズ１３に入射する。また、ハーフミラー１４は、レンズ１３側から入射した反射光２０ｂと発光２０ｃ１を反射させる。ハーフミラー１４は、筐体１１の中心軸に対して傾いているので、ハーフミラー１４より反射された反射光２０ｂと発光２０ｃ１は、筐体１１の側方に出射する。

【0016】

レーザ照射部２０は、例えば、レーザ発振器２１、照射ヘッド２２、および伝送部２３を有する。
レーザ発振器２１は、例えば、ＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）レーザ発振器とすることができる。この場合、レーザ発振器２１から出射したレーザ２０ａの基本波の波長は、例えば、１０６４ｎｍ程度とすることができる。

【0017】

また、レーザ発振器２１は、レーザ２０ａのパルス発振が可能なもの、すなわち、パルスレーザ発振器とすることができる。パルス発振は、１パルスの照射時間が短いので、ピークパワーを高くしても、レーザ２０ａが照射された部分の周囲に与える熱影響を小さくすることができる。また、ピークパワーを高くすることができるので、アルミニウムやアルミニウム合金などの高反射材料の溶接に有利となる。この場合、ワーク１００の溶接部１００ｃは点状（パルススポット溶接）とすることもできるし、図１に示すように線状（パルスシーム溶接）とすることもできる。

【0018】

照射ヘッド２２は、レーザ発振器２１から出射したレーザ２０ａをレンズ１２に照射する。
伝送部２３は、レーザ発振器２１と照射ヘッド２２との間に設けられ、レーザ発振器２１から出射したレーザ２０ａを照射ヘッド２２に伝達する。伝送部２３は、例えば、光ファイバなどとすることができる。
以上に説明した様に、レーザ照射部２０は、ワーク１００にレーザ２０ａを照射する。

【0019】

図１に示すように、検出部３０は、ハーフミラー１４を介して筐体１１の外部に出射した反射光２０ｂと発光２０ｃ１とを検出する。すなわち、検出部３０は、レーザ２０ａが照射された部分からの反射光２０ｂ、および、レーザ２０ａが照射された部分の、照射による発光２０ｃを検出する。この場合、後述するように、反射光２０ｂの検出値と発光２０ｃ１の検出値とに基づいて、溶接状態を検出する。そのため、検出部３０は、反射光２０ｂを検出するセンサ３１と、発光２０ｃ１を検出するセンサ３２とを備えることができる。

【0020】

前述したように、反射光２０ｂは、レーザ２０ａの反射光であるため、波長はレーザ２０ａと同じとなる。そのため、センサ３１は、レーザ２０ａの波長の光、例えば、波長が１０６４ｎｍ程度の光を検出可能なものとする。

【0021】

前述したように、発光２０ｃ１は、レーザ２０ａの照射に伴い発生した光であるため可視光や赤外光などを含む広い波長帯域を有する。そのため、センサ３２として、可視光を検出可能なセンサ３２ａ、および赤外光を検出可能なセンサ３２ｂの少なくともいずれかを設けることができる。なお、可視光は、例えば、波長が３００ｎｍ～８００ｎｍの範囲にある光とすることができる。赤外光は、例えば、波長が１１００ｎｍ～1６００ｎｍの範囲にある光とすることができる。

【0022】

移動部４０は、ワーク１００の、レーザ２０ａが照射される位置を移動させる。例えば、移動部４０は、トーチ１０とワーク１００の相対的な位置を移動させる。図１に例示をした様に、移動部４０がワーク１００の位置を移動させるものである場合には、移動部４０はワーク１００を載置可能な移動テーブルなどとすることができる。移動テーブルは、例えば、サーボモータなどを備えた一軸テーブルやＸＹテーブルなどとすることができる。移動部４０がトーチ１０の位置を移動させるものである場合には、移動部４０はトーチ１０を保持可能な多関節ロボットなどとすることができる。なお、移動部４０は、トーチ１０の位置とワーク１００の位置を移動可能なものとすることもできる。

【0023】

コントローラ５０は、溶接装置１に設けられた各要素の動作を制御する。コントローラ５０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算素子と、半導体メモリなどの記憶素子を有することができる。コントローラ５０は、例えば、コンピュータとすることができる。記憶素子には、溶接装置１に設けられた各要素の動作を制御する制御プログラムを格納することができる。演算素子は、記憶素子に格納されている制御プログラム、操作者により入力されたデータなどを用いて、溶接装置１に設けられた各要素の動作を制御する。

【0024】

また、コントローラ５０は、検出部３０からの検出信号に基づいて、溶接状態を検出する。コントローラ５０は、検出された反射光２０ｂ、および、検出された照射による発光２０ｃ１に基づいて、レーザ２０ａが照射された部分の溶接状態を検出する。例えば、演算素子は、記憶素子に記憶されている判定プログラムおよび閾値などのデータと、検出部３０からの検出信号に基づいて溶接状態を検出することができる。
なお、溶接状態の検出に関する詳細は後述する。

【0025】

次に、溶接装置１の作用について例示をする。
なお、以下においては、図１に例示をしたワーク１００ａとワーク１００ｂの突き合わせ溶接を説明するが、ワーク１０１ａとワーク１０１ｂの隅肉溶接の場合も同様である。

【0026】

まず、図示しない搬送装置や操作者などによって、移動部４０の上にワーク１００ａとワーク１００ｂが載置される。
次に、コントローラ５０は、レーザ発振器２１を制御して、パルス状のレーザ２０ａを所定の間隔で繰り返し発振させる。レーザ発振器２１から出射したレーザ２０ａは、伝送部２３を介して照射ヘッド２２に伝送され、照射ヘッド２２からレンズ１２に向けて照射される。レンズ１２に入射したレーザ２０ａは、レンズ１２より集光され、ハーフミラー１４を透過してレンズ１３に入射する。レンズ１３に入射したレーザ２０ａは、レンズ１２より集光され、ワーク１００ａとワーク１００ｂの接続部分（溶接位置）に照射される。

【0027】

また、コントローラ５０は、移動部４０を制御して、トーチ１０とワーク１００の相対的な位置を移動させて、前述した線状の溶接を行うことができる。
また、例えば、ワーク１００ａに対するワーク１００ｂの位置が動かないようにするために、線状の溶接を行う前に、ワーク１００ａとワーク１００ｂとを点状に溶接し、その後、線状の溶接を行う場合もある。この様な場合には、点状の溶接を行う位置において、パルス状のレーザ２０ａを発振させ、点状の溶接を行う位置と位置の間においては、パルス状のレーザ２０ａを発振させないようにすればよい。

【0028】

レーザ２０ａが溶接位置に照射されると、反射光２０ｂと、発光２０ｃとが発生する。発光２０ｃには、可視光２０ｃａと赤外光２０ｃｂが含まれるが、可視光２０ｃａは、主に、金属蒸気１０１ｅにおいて発生する。そのため、可視光２０ｃａは、プラズマ発光などと称される場合もある。赤外光２０ｃｂは、主に、溶融池１０１ｄにおいて発生する。溶融池１０１ｄについては、後述する図２において説明する。

【0029】

反射光２０ｂと発光２０ｃ１（発光２０ｃの一部）は、レンズ１３およびハーフミラー１４を介して、検出部３０に入射する。検出部３０からは、反射光２０ｂに基づく検出信号と、発光２０ｃ１に基づく検出信号とが出力される。

【0030】

コントローラ５０は、反射光２０ｂに基づく検出信号と、発光２０ｃ１に基づく検出信号とから溶接状態の検出を行うことができる。
また、コントローラ５０は、溶接状態の検出結果に基づいて、溶接状態の良否を判定することができる。コントローラ５０は、判定結果に基づいて、不良となった部分のリペアを行ったり、不良となった部分の情報（例えば、後述する凹部１０１ｆ１の大きさや位置など）を表示装置に表示したり、不良となった部分の情報を外部の機器に送信したりすることができる。

【0031】

一連の作業が終了したワーク１００（ワーク１００ａとワーク１００ｂ）は、図示しない搬送装置や操作者などによって、溶接装置１の外部に搬出される。

【0032】

次に、本実施の形態に係る溶接状態の検出方法についてさらに説明する。
最初に、レーザ２０ａが照射された部分に生じる不良について説明する。
図２（ａ）～（ｃ）は、凹部１０１ｆ１の発生を例示するための模式断面図である。
なお、図２（ａ）～（ｃ）においては、ワーク１０１ａとワーク１０１ｂの隅肉溶接を説明するが、図１に例示をしたワーク１００ａとワーク１００ｂの突き合わせ溶接の場合も同様である。

【0033】

図２（ａ）に示すように、ワーク１０１ａの内部に、異質な部分１０１ａ１がある場合がある。例えば、ワーク１０１ａがアルミニウムやマグネシウムなどの鋳造材の場合、沸点の低い介在物、低い温度ガス化しやすい樹脂などが含まれている場合が多い。図２（ｂ）に示すように、溶融池１０１ｄが部分１０１ａ１に到達すると、部分１０１ａ１は一気に膨張する。溶融池１０１ｄは、溶融した金属から形成されている。そのため、部分１０１ａ１が膨張すると、図２（ｃ）に示すように、溶融した金属１０１ｇが飛び散るスパッタが発生する。溶融した金属１０１ｇが飛び散ると、溶接部１０１ｆに凹部１０１ｆ１が発生する。凹部１０１ｆ１が発生すると、見栄えが悪くなるため商品価値が低下する。また、溶接されたワークの用途（例えば、密閉容器に適用する場合）によっては、凹部１０１ｆ１は、液体やガスがリークする要因となる。

【0034】

そこで、本実施の形態に係る溶接状態の検出方法においては、凹部１０１ｆ１の発生を検出し、さらに発生した凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの情報を取得するようにしている。

【0035】

まず、凹部１０１ｆ１の発生の検出について説明する。
凹部１０１ｆ１が発生すると、レーザ２０ａの正反射が妨げられるので、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルが低下する。そのため、センサ３１からの信号レベルを所定の閾値などを用いて監視すれば、凹部１０１ｆ１の発生を検出することができる。

【0036】

また、溶融した金属１０１ｇが飛び散ると、可視光や赤外光の強度が急激に増加する。例えば、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベル、および赤外光２０ｃｂを検出するセンサ３２ｂからの信号レベルの少なくともいずれかを所定の閾値などを用いて監視すれば、凹部１０１ｆ１の発生を検出することができる。

【0037】

ここで、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルは、溶接前のワークの表面状態などの影響を受ける。例えば、溶接前のワークの表面に既に凹部があると、センサ３１からの信号レベルが低下する。

【0038】

この場合、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベルと、赤外光２０ｃｂを検出するセンサ３２ｂからの信号レベルとは、溶接前のワークの表面状態などの影響を受けにくい。そのため、センサ３２ａからの信号レベルと、センサ３２ｂからの信号レベルは、凹部１０１ｆ１の発生を検出するのに有用である。

【0039】

そこで、本実施の形態に係る溶接状態の検出方法においては、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベルおよび赤外光２０ｃｂを検出するセンサ３２ｂからの信号レベルの少なくともいずれかと、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルと、を用いて溶融した金属１０１ｇが飛び散ることによって生じた凹部１０１ｆ１の発生を検出している。

【0040】

図３（ａ）は、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。
なお、図３（ａ）においては、一例として、センサ３２ａからの信号レベルの変化を用いたが、可視光２０ｃａと赤外光２０ｃｂは、レーザ２０ａの照射により発光するため、赤外光を検出するセンサ３２ｂからの信号レベルも同様に変化する。そのため、センサ３２ｂからの信号レベルの変化を用いることもできる。また、センサ３２ａからの信号レベルとセンサ３２ｂからの信号レベルとを用いることもできる。すなわち、レーザ２０ａの照射による発光２０ｃの強度の変化が分かれば良い。

【0041】

図３（ｂ）は、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。
前述したように、線状の溶接を行うために、パルス状のレーザ２０ａが繰り返し発振される。また、１パルスのレーザ２０ａの照射に対して、反射光２０ｂと、照射による発光２０ｃとがほぼ同時に発生する。ただし、溶融した金属１０１ｇが飛び散れば照射による発光２０ｃの強度はすぐに上昇するが、凹部１０１ｆ１は溶融した金属１０１ｇが飛び散った後に形成されるため、反射光２０ｂの信号レベルは少し遅れて低下する。例えば、ある時間における図３（ａ）の信号レベルと、それよりも少し遅れた時間における図３（ｂ）の信号レベルと、を用いて凹部１０１ｆ１の発生を検出することができる。

【0042】

可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベルの増加、および赤外光２０ｃｂを検出するセンサ３２ｂからの信号レベルの増加の少なくともいずれかを用いれば、凹部１０１ｆ１の発生を検出することができる。しかしながら、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルの低下を併せて用いれば、検出精度のさらなる向上を図ることができる。

【0043】

次に、発生した凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの情報について説明する。
図４は、図３（ｂ）におけるＡ部の拡大図である。
前述した様に、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルは、凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの影響を受ける。そのため、センサ３１からの信号には、凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの情報が含まれている。

【0044】

図４に示すように、反射光２０ｂの信号レベルが所定の閾値Ｓ以下となっている時間Ｔ１を求め、時間Ｔ１と移動部４０による移動速度の積から凹部１０１ｆ１の長さ（開口寸法）の概略値を求めることができる。また、信号レベルと反射位置とには相関関係があるので、所定の閾値Ｓと、信号レベルの最小値との差から、凹部１０１ｆ１の深さＤの概略値を求めることができる。

【0045】

なお、閾値Ｓ、および、信号レベルと反射位置との相関関係は、予め実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。また、所定の期間の信号レベルの平均値を逐次求め、求められた平均値を閾値Ｓとすることもできる。この様にすれば、凹部１０１ｆ１の周辺における信号レベルの平均値を閾値Ｓとすることができるので、凹部１０１ｆ１の長さや深さＤの演算精度を向上させることができる。
以上に説明した様に、反射光２０ｂを検出するセンサ３１からの信号レベルを用いれば、凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの情報を得ることができる。

【0046】

図５は、レーザ２０ａの１パルスの照射に対応する可視光２０ｃａの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。
なお、前述したように、可視光２０ｃａと赤外光２０ｃｂは、レーザ２０ａの照射により発生するため、赤外光２０ｃｂの信号レベルも同様に変化する。そのため、赤外光２０ｃｂの信号レベルの変化を用いることもできる。
また、図５中の波形２０３は、凹部１０１ｆ１の発生がない場合、波形２０４は凹部１０１ｆ１の発生が生じた場合である。

【0047】

波形２０４の積分値と波形２０３の積分値との差Ｂは、飛び散った溶融金属の体積と相関がある。積分値の差Ｂと、飛び散った溶融金属の体積と積分値の差との相関関係と、から凹部１０１ｆ１の大きさ（体積）の概略値を求めることができる。なお、飛び散った溶融金属の体積と積分値の差との相関関係は、予め、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。

【0048】

また、信号レベルが増加し始めた時点は、溶融金属が飛び散った時間と考えられる。信号の入力開始時点と、信号レベルが増加し始めた時点との間の時間Ｔ２を求めれば、溶融金属が飛び散った時点の深さの概略値を求めることができる。この場合、時間Ｔ２が短ければ、溶融金属が飛び散った時点の深さが浅く、深さの浅い凹部１０１ｆ１が発生したと考えられる。時間Ｔ２が長ければ、溶融金属が飛び散った時点の深さが深く、深さの深い凹部１０１ｆ１が発生したと考えられる。時間Ｔ２と深さの相関関係は、予め、実験やシミュレーションを行うことで求めることができる。

【0049】

以上に説明した様に、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベル、および赤外光２０ｃｂを検出するセンサ３２ｂからの信号レベルの少なくともいずれかを用いれば、凹部１０１ｆ１の大きさや形態などの情報を得ることができる。

【0050】

図６（ａ）～（ｄ）は、凹部１０１ｆ１の判定を例示するための模式図である。
例えば、飛散物の量２０５が多くなるほど、飛散の発生位置２０６までの深さが深くなるほど、図６（ａ）に示すように、大きな凹部１０１ｆ１が発生したと考えられる。

【0051】

例えば、飛散物の量２０５が多くても飛散の発生位置２０６までの深さが浅ければ、図６（ｂ）に示すように、小さな凹部１０１ｆ１が発生したと考えられる。
例えば、飛散の発生位置２０６までの深さが深くても飛散物の量２０５が少なければ、図６（ｃ）に示すように、小さな凹部１０１ｆ１が発生したと考えられる。

【0052】

飛散物の量２０５と、飛散の発生位置２０６とを考慮すると、凹部１０１ｆ１の判定を、例えば、図６（ｄ）に示すようにすることができる。
例えば、図６（ｄ）の領域Ｃ１においては、発生した凹部１０１ｆ１の大きさが小さいと考えられるので良品と判定することができる。
例えば、図６（ｄ）の領域Ｃ２においては、発生した凹部１０１ｆ１の大きさが再溶融による修復が可能な大きさと判定することができる。
例えば、図６（ｄ）の領域Ｃ３においては、発生した凹部１０１ｆ１の大きさが再溶融による修復が不可能な大きさと判定することができる。

【0053】

ここで、前述したワークは、アルミニウムや銅などの金属から形成されているが、ワークの溶接位置の近傍に、ワークの材料とは異なる材料から形成された部材が設けられる場合がある。例えば、ワークの溶接位置の近傍に、ワークの材料とは異なる金属、樹脂などの有機材料、セラミックスなどの無機材料を含む膜などが形成される場合がある。

【0054】

図７は、ワークの溶接位置の近傍に設けられた膜を例示するための模式斜視図である。
図７は、板状のワーク１０２ａと、板状のワーク１０２ｂをレーザ溶接で溶接する場合である。この場合、ワーク１０２ａとワーク１０２ｂは、例えば、アルミニウムや銅などから形成されている。

【0055】

また、ワーク１０２ａの、凹部１０２ａ１が開口する主面には、膜１０３が形成されている。膜１０３は、ワークの材料とは異なる材料、例えば、樹脂を含む塗膜とすることができる。

【0056】

図８は、溶接位置１０２ｂ１を例示するための模式平面図である。
図８は、前述した点状の溶接を行う場合である。
図８に示すように、溶接は、ワーク１０２ａとワーク１０２ｂの境界に沿って行われる。この場合、溶接位置１０２ｂ１は、レーザ２０ａが膜１０３に照射されない位置とされている。

【0057】

しかしながら、ワーク１０２ａ幅が小さい場合などには、レーザ２０ａが膜１０３に照射される場合が生じ得る。レーザ２０ａが膜１０３に照射されると、膜１０３が損傷して、製品の商品価値が大幅に低下するおそれがある。

【0058】

図９は、レーザ２０ａの１パルスの照射に対応する可視光２０ｃａの信号レベルの変化を例示するためのグラフである。
図９中の波形１０２ｂａは、アルミニウム合金を含むワーク１０２ａ、１０２ｂにのみレーザ２０ａが照射された場合である。
図９中の波形１０３ａは、樹脂を含む膜１０３にのみレーザ２０ａが照射された場合である。

【0059】

図９から分かるように、レーザ２０ａが膜１０３に照射された場合には、例えば、可視光２０ｃａのピークレベルが大きく増加する。そのため、例えば、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａからの信号レベルを所定の閾値などを用いて監視すれば、レーザ２０ａが膜１０３などの意図しない部材に照射されたことを知ることができる。

【0060】

この場合、前述した溶接状態の判定結果とともに、レーザ２０ａが膜１０３などの意図しない部材に照射されたことを、例えば、表示装置に表示することができる。また、意図しない照射が行われた部分の位置情報などを表示装置に表示したり、外部の機器に送信したりすることができる。

【0061】

なお、一例として、可視光２０ｃａを用いる場合を例示したが、赤外光２０ｃｂと反射光２０ｂの場合も材料により信号レベルが変化する。そのため、反射光２０ｂを検出するセンサ３１、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａ、および赤外光を検出するセンサ３２ｂの少なくともいずれかからの信号レベルを所定の閾値などを用いて監視すれば良い。

【0062】

図１０は、レーザ２０ａの１パルスの照射に対応する発光２０ｃ１のスペクトルを例示するためのグラフである。
発光２０ｃ１は、レーザ２０ａの照射に伴い発生した光であるため可視光や赤外光などを含む広い波長帯域を有する。
図１０中の波形１０２ｂｂは、アルミニウム合金を含むワーク１０２ａ、１０２ｂにのみレーザ２０ａが照射された場合である。
図１０中の波形１０３ｂは、樹脂を含む膜１０３にのみレーザ２０ａが照射された場合である。

【0063】

図１０から分かるように、レーザ２０ａがワーク１０２ａ、１０２ｂに照射された場合と、膜１０３に照射された場合とでは、異なるスペクトルとなる。この場合、分光器などを用いればスペクトルの違いがわかるので、レーザ２０ａが膜１０３などの意図しない部材に照射されたことを知ることができる。しかしながら、この様にすると、溶接装置１の構成が複雑となる。

【0064】

そこで、本実施の形態に係る溶接装置１においては、可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａ、および赤外光を検出するセンサ３２ｂの少なくともいずれかからの信号レベルを所定の閾値などを用いて監視することで、レーザ２０ａが膜１０３などの意図しない部材に照射されたことを検出している。

【0065】

例えば、図１０に示すように、波長が４５０ｎｍの可視光２０ｃａを検出するセンサ３２ａ、および、波長が７３０ｎｍの赤外光を検出するセンサ３２ｂの少なくともいずれかからの信号レベルを所定の閾値などを用いて監視すればよい。

【0066】

この場合、前述した溶接状態の判定結果とともに、レーザ２０ａが膜１０３などの意図しない部材に照射されたことを、例えば、表示装置に表示することができる。また、意図しない照射が行われた部分の位置情報などを表示装置に表示したり、外部の機器に送信したりすることができる。

【0067】

以上に説明した様に、本実施の形態に係る溶接状態の検出方法は、以下の工程を備えることができる。なお、各工程における内容は、前述したものと同様とすることができるので、詳細な説明は省略する。また、以下の第１の閾値～第４の閾値は、予め実験やシミュレーションを行うことで適宜決定することができる。

【0068】

レーザ２０ａが照射された部分からの反射光２０ｂ、および、レーザ２０ａが照射された部分における発光２０ｃを検出する工程。
検出された反射光２０ｂ、および、検出された発光２０ｃに基づいて、レーザ２０ａが照射された部分の溶接状態を検出する工程。
溶接状態を検出する工程において、発光２０ｃの信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第２の閾値以下となるか否かを検出する。

【0069】

溶接状態を検出する工程において、発光２０ｃの信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第２の閾値以下となった場合には、レーザ２０ａが照射された部分に凹部１０１ｆ１が発生したと判定する。

【0070】

溶接状態を検出する工程において、反射光２０ｂの信号レベルが第２の閾値以下となっている時間Ｔ１と、レーザ２０ａが照射された部分の移動速度と、の積から凹部１０１ｆ１の長さを演算する。

【0071】

溶接状態を検出する工程において、第２の閾値と、信号レベルの最小値との差から、凹部１０１ｆ１の深さを演算する。

【0072】

溶接状態を検出する工程において、予め求められた凹部１０１ｆ１が発生していない場合の、発光２０ｃの信号レベルの積分値と、凹部１０１ｆ１が発生した場合の、発光２０ｃの信号レベルの積分値と、の差に基づいて、凹部１０１ｆ１の大きさを演算する。

【0073】

溶接状態を検出する工程において、発光２０ｃの信号の入力開始時点と、信号レベルが増加し始めた時点との間の時間Ｔ２に基づいて、凹部１０１ｆ１の深さを演算する。

【0074】

溶接状態を検出する工程において、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第３の閾値以上となった場合には、意図しない部分にレーザ２０ａが照射されたと判定する。

【0075】

溶接状態を検出する工程において、発光２０ｃの信号レベルが所定の第４の閾値以上となった場合には、意図しない部分にレーザ２０ａが照射されたと判定する。

【0076】

また、以上に説明した溶接状態の検出方法は、前述した溶接装置１において実行することができる。
例えば、コントローラ５０は、発光２０ｃ１の信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第２の閾値以下となるか否かを検出する。

【0077】

コントローラ５０は、発光２０ｃ１の信号レベルが所定の第１の閾値以上となり、且つ、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第２の閾値以下となった場合には、レーザ２０ａが照射された部分に凹部１０１ｆ１が発生したと判定する。

【0078】

コントローラ５０は、反射光２０ｂの信号レベルが第２の閾値以下となっている時間Ｔ１と、レーザが照射された部分の移動速度と、の積から凹部１０１ｆ１の長さを演算する。

【0079】

コントローラ５０は、第２の閾値と、信号レベルの最小値との差から、凹部１０１ｆ１の深さを演算する。

【0080】

コントローラ５０は、予め求められた凹部１０１ｆ１が発生していない場合の、発光２０ｃ１の信号レベルの積分値と、凹部１０１ｆ１が発生した場合の、発光２０ｃ１の信号レベルの積分値と、の差に基づいて、凹部１０１ｆ１の大きさを演算する。

【0081】

コントローラ５０は、発光２０ｃ１の信号の入力開始時点と、信号レベルが増加し始めた時点との間の時間Ｔ２に基づいて、凹部１０１ｆ１の深さを演算する。

【0082】

コントローラ５０は、反射光２０ｂの信号レベルが所定の第３の閾値以上となった場合には、意図しない部分にレーザ２０ａが照射されたと判定する。

【0083】

コントローラ５０は、発光２０ｃ１の信号レベルが所定の第４の閾値以上となった場合には、意図しない部分にレーザ２０ａが照射されたと判定する。

【0084】

以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0085】

１ 溶接装置、１０ トーチ、２０ レーザ照射部、２０ａ レーザ、２０ｂ 反射光、２０ｃ 発光、２０ｃ１ 発光、２０ｃａ 可視光、２０ｃｂ 赤外光、２１ レーザ発振器、３０ 検出部、３１ センサ、３２ａ センサ、３２ｂ センサ、４０ 移動部、５０ コントローラ、１００ ワーク、１００ａ ワーク、１００ｂ ワーク、１０１ａ ワーク、１０１ｂ ワーク、１０１ｆ１ 凹部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】