JPH0761553B2 - レ−ザ出力モニタ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高速繰り返しパルスレーザ光を用いるレーザ
加工に関し、特に加工品質の良否判定能力を向上させた
レーザ出力モニタ装置に関する。

（従来の技術） 高速繰り返しパルスレーザ光は、パルス繰り返し数が大
体50〜200パルス／秒のパルスレーザ光で、主にシーム
溶接や切断等のレーザ加工に用いられている。

レーザ光発生手段としてよく使われるのはYAGレーザ
で、クリプトンランプ等の励起用フラッシュランプを上
記のパルス繰り返し数に相当する周波数で点滅させてYA
Gレーザロッドをパルス発振させるようにしている。

このような高速繰り返しパルスレーザ光を用いるレーザ
加工において加工品質を自動的に管理するために、レー
ザ出力をモニタする装置が使われている。

従来のレーザ出力モニタ装置は、大別して熱量計測方式
と光検出方式の２つの型に分けられる。

熱量計測方式のモニタ装置は、カロリ・メータによりパ
ルスレーザ光を熱量に変換しさらにその熱量を電気信号
に変換する一方、カウンタによりパルスレーザ光の総発
生個数を計数し、該電気信号の累積値、つまり総発熱量
（ジュール）を該総発生個数の計数値で割算することに
よってパルス１個当たり平均出力（ジュール）を算出
し、この平均出力が基準値よりどれだけずれたかどうか
で加工品質の良否を判定するようにしている。

光検出方式のモニタ装置は、フォトダイオード等の光検
出器によってレーザ出力の瞬時値に対応した電気信号
（検出信号）を得て、各パルス毎に該検出信号を一定の
基準値と比較し、その誤差が所定値より大きい場合に不
良と判定してNGを発するようにしている。

（発明が解決しようとする問題点） 上述のような熱量計測式は、パルスレーザ光の出力を一
旦熱に変換するため、追随性ないし応答性が悪く、計測
値が得られるまで20秒ないし30秒もかかるという欠点が
ある。したがって、最近は光検出方式が主流になってい
る。

しかしながら、従来の光検出型モニタ装置には次のよう
な問題があった。

すなわち、第４図に示すようなレーザ出力の瞬時値が検
出された場合、従来は、個々のパルスレーザ出力PR1〜P
Rnが一定の設定許容範囲ＬP〜ＵP内にあるかどうかを検
査して、その範囲から出たパルスPR2,PR5,…をNGとし、
そのNGの総数が設定数を越えたかどうかで加工品質の良
否を判定していた。しかし、YAGのような固体レーザは
熱レンズ効果があるためどうしても個々のパルスレーザ
出力のバラツキは避けられず、このバラツキに対して許
容範囲ＬP〜ＵPを調整しても判定精度が向上するとは限
らない。むしろ、現実には個々のパルスで多少のバラツ
キがあっても全体では良好な加工品質となることがよく
ある。

しかして、従来の光検出型モニタ装置は一定（単一）の
基準値で各パルスレーザ出力を判定する装置であるため
に、その判定結果は実際のレーザ出力特性および加工品
質にマッチしないことが多かった。

また、第５図に示すように、金属ケースの蓋部100に対
し、合わせ目102に沿ってパルスレーザ光のスポットSP
を移動させることにより、合わせ目102を一周にわたっ
て連続的に溶接接合するようなシーム溶接を行う場合、
従来はパルスレーザ光のピーク出力値を一定に制御して
ビームスポットを移動させていた。ところが、ビームス
ポットSPの移動速度、つまりレーザ出射装置の移動速度
のほうは一定ではなく、角部（例えばC1〜C2）では方向
転換するためにかなり遅くなる。しかして、そのような
角部でのレーザエネルギの照射密度は直線部でのそれよ
りもずっと大きくなり、その結果合わせ目102の一周に
わたって一定な溶接強度ないし溶接品質が得られないと
いう不具合があった。

このようなシーム溶接に対しては、第６図に示すよう
に、ビームスポットSPの移動速度が落ち込む角部C1〜C
2,C3〜C4,…でレーザ出力が低くなるように設定したほ
うが、結果的には合わせ目102の一周（加工区間）全体
で一定な溶接品質が得られよう。

しかるに、従来のレーザ出力モニタ装置は、一定の基準
値で全てのパルスレーザ出力を判定するようなものだか
ら、第５図のような変形パターンのモニタには対応でき
ない。

本発明は、かかる問題点に鑑み、実際のレーザ出力特性
および加工品質にマッチし、任意のレーザ出力パターン
に対応できるレーザ出力モニタ装置を提供することを目
的とする。

（問題点を解決するための手段） 上記の目的を達成するために、本発明のレーザ出力モニ
タ装置は、所定の加工期間で高速繰り返しパルスレーザ
光を被加工物に照射するレーザ加工用のレーザ出力モニ
タ装置において、前記高速繰り返しパルスレーザ光のレ
ーザ出力量を各パルスについて検出するレーザ出力量検
出手段と、レーザ出力量基準値の候補とされる前記高速
繰り返しパルスレーザ光について、前記レーザ出力量検
出手段より得られるレーザ出力量検出値を前記加工期間
内のパルス全体について一時的に格納するバッファ手段
と、前記加工期間内のパルス全体にわたりレーザ出力量
基準値として設定されるべきレーザ出力量検出値を指定
するための基準値設定手段と、前記基準値設定手段より
指定された前記バッファ手段に格納されている前記加工
期間内のパルス全体にわたる前記レーザ出力量検出値を
前記レーザ出力量基準値として記憶するレーザ出力量基
準値記憶手段と、モニタされるべき前記高速繰り返しパ
ルスレーザ光について、前記レーザ出力量検出手段から
の各レーザ出力量検出値と前記レーザ出力量基準値記憶
手段からの各レーザ出力量基準値とを比較して比較誤差
を求める比較手段と、前記比較手段からの比較誤差を前
記加工期間内のパルス全体にわたり記憶する誤差記憶手
段と、前記誤差記憶手段に記憶されている前記加工期間
内のパルス全体にわたる前記比較誤差に基づいてモニタ
判定結果を出力する判定手段とを具備する構成とした。

（作用） 本発明によれば、判定を行うためのレーザ出力量基準値
は、理想的（理論的）な設定値ではなく、実際に加工し
てみて良好な加工品質を得たときのレーザ出力量検出値
である。本発明では、良好な加工品質が得られた場合に
オペレータによるキー操作等に応動して基準値設定手段
が、その時の高速繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力
量検出値、つまりバッファ手段に格納されている加工期
間または区間（以下、加工区間と称する）のパルス全体
にわたるレーザ出力量検出値をレーザ出力量基準値とし
て指定し、レーザ出力基準値記憶手段がその指定された
レーザ出力量検出値（レーザ出力量基準値）を記憶す
る。

このようなレーザ出力基準値に対して、モニタされるべ
き高速繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力量検出値を
比較したほうが、実際のレーザ出力特性，加工品質特性
にマッチした判定が行える。

そして、本発明では、加工区間内のパルス全体にわたっ
ての比較誤差を基に総合的に判定するので、信頼性の高
い判定結果が得られる。つまり、レーザ出力量検出値と
基準値をパルス全体としてパターン的に比較することに
より、個別的な誤差にとらわれない適格な判定が可能と
なる。

（実施例） 以下、第１図ないし第３図を参照して本発明の一実施例
を説明する。

第１図は、この実施例のシステム構成を示す。レーザ電
源10は、レーザ加工の設定条件にしたがってパルス状の
励起用ランプ電流RIi（ｉ＝１〜ｎ）をレーザ発振器12
に供給する。レーザ発振器12は、例えばYAGレーザであ
り、励起用ランプ電流RIiでフラッシュランプをパルス
点灯させて光をレーザロッドに照射して高速繰り返しパ
ルスレーザ光PRi（ｉ＝１〜ｎ）を発振出力する。

レーザ発振器12より出た高速繰り返しパルスレーザ光PR
iは、例えば0.1％の反射率をもつビームスプリッタ14を
透過して外部へ送出され所定のレーザ加工、例えばシー
ム溶接に供せられる。

ビームスプリッタ14で反射された一部のパルスレーザ光
PRi′は光フィルタ16,レンズ18を通って光センサ20の受
光面に入射する。光センサ20は、例えばPINフォトダイ
オードからなり、パルスレーザ光PRの瞬時的なレーザ出
力量を表すパルス状の電流信号PIi（ｉ＝１〜ｎ）をレ
ーザ出力量検出信号として生成する。このレーザ出力検
出信号PIiは電流−電圧変換回路22で電圧信号PVi（ｉ＝
１〜ｎ）に変換されて積分回路24に入力され、ここで各
パルス毎に時間積分される。そして、各積分値SPi（ｉ
＝１〜ｎ）は、S/H（サンプル・ホールド）回路26およ
びA/D（アナログ・ディジタル）変換器28によりディジ
タルのレーザ出力検出データDPi（ｉ＝１〜ｎ）に変換
されてCPU30に入力される。

CPU30は、後述するようにレーザ出力量基準値設定，比
較，判定等の諸機能を果たすもので、メモリ32に直接接
続するとともに、I/O（入出力インターフェイス）回路3
4を介してプリンタ36,キーボード38,ディスプレイ40,外
部制御回路42に接続する。

第２図は、この実施例によるCPU30の諸機能を示すブロ
ックである。実線のブロック100〜114がCPU30の機能で
ある。なお、メモリ32はバッファ32A,基準値記憶部32B,
誤差記憶部32Cに共用されている。

第２図において、A/D変換器28からのレーザ出力検出デ
ータDPi（ｉ＝１〜ｎ）は入力部100で取り込まれると、
先ずバッファ32Aに格納される。

基準値設定部102は、キーボード38より基準値設定を指
示する信号を入力すると、それに応動してバッファ32A
に格納されている最新のレーザ出力検出データDPiをレ
ーザ出力基準値《DPi》として当該加工区間内のパルス
全体にわたり（ｉ＝１〜ｎ）基準値記憶部32Bに書き込
む（登録）する。その際に、当該加工区間の条件、例え
ばパルス数（ｎ），周波数等のデータも併せてストアす
る。上記の基準値設定指示信号は、テスト加工または実
際の加工で良好な（望ましくは最適な）加工品質が得ら
れた場合にオペレータがキーボード38の所定ボタンを押
すことによって発生される。また、加工区間の諸条件
は、キーボード38からのキー入力にしたがって加工区間
条件設定部104で設定される。

さて、当該加工区間でモニタされるべき高速繰り返しパ
ルスレーザ光［PR1〜PRn］に対しては、バッファ32Aよ
りレーザ出力検出データ［DP1〜DPn］が比較器106に順
次入力される一方、基準値読出部108が基準値記憶部32B
よりレーザ出力量基準値《DPi〜DPn》を順次読み出して
比較器106に転送する。

比較器106は、両入力データ［DPi］，《DPi》間で減算
または割算を行ってその誤差EPiを誤差記憶部32Cに格納
する。

当該加工区間内のレーザ照射が終了すると、したがって
最後のパルスについての誤差EPiが誤差記憶部32Cに格納
されると、判定部110がパルス全体の誤差EP1〜EPnを基
に予め設定された演算処理を行って当該加工の良否を判
定する。この演算処理としては、例えば誤差EP1〜EPnの
平均値を求めるものや、一定値以上の誤差EPiの個数の
総和をとるもの等、各種の方法が使用可能である。いず
れの方法を使っても、良好な加工品質を与えた高速繰り
返しレーザ光のレーザ出力を基準値として加工区間の全
体にわたり総合的に比較判定するものであるから、実際
の加工に則した信頼性の高い判定結果が得られる。

プリント出力部112,画面表示部114は、モニタ出力の制
御を行うもので、モニタされるべき高速繰り返しパルス
レーザ光PRのレーザ出力量検出値［DPi］と基準値《DP
i》の一方または両方を数値データまたはグラフィック
データとしてプリンタ36,デイプレイ40にそれぞれプリ
ント出力，画面表示させる。特に、検出値［DPi］と基
準値《DPi》をパルス毎に互いに対応させてモニタ出力
した場合には、パルス個々についての誤差が明示される
ので、レーザ出力特性や経時変化の状態等に有用なデー
タが得られる。

第３図は、この実施例のモニタ動作のタイミングを示
す。第３図（Ａ）のような高速繰り返しパルスレーザ光
の各パルス［PRi］（ｉ＝１〜ｎ）について、レーザ出
力量検出信号［PIi］（第３図Ｂ），積分値［SPi］（第
３図Ｃ），レーザ光検出データ［DPi］（第３図Ｅ）が
生成される一方、基準値《DPi》（第３図Ｆ）が読み出
され、レーザ光検出データ［DPi］と基準値《DPi》が比
較される（第３図Ｇ）。そして、最後のパルス［PRn］
についての比較が終了した時点で全ての誤差EP1〜EPnを
基に判定が行われる（第３図Ｈ）。

なお、第３図（Ａ）〜（Ｄ）の点線は、基準値《DPi》
に対応した値をそれぞれ示す。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、実際に加工してみて良
好な加工品質を得たときのレーザ出力量検出値を基準値
として、加工区間内のパルス全体にわたっての比較誤差
を基に総合的に判定するようにしたので、実際のレーザ
特性および加工品質特性に応じた信頼性の高い判定結果
が得られ、任意のレーザ出力パターンに対応することが
可能であり、品質管理を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例によるレーザ出力モニタ装
置のシステム構成を示すブロック図、 第２図は、第１図のCPU30の諸機能を示すブロック図、 第３図は、実施例の動作を説明するためのタイミング
図、 第４図は、高速繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力の
例を示す波形図、 第５図は、角部を含む加工区間に対するシーム溶接の方
法を示す略平面図、および 第６図は、第５図のレーザ加工に好適なレーザ出力パタ
ーンを示す図である。 図面において、 12……レーザ発振器、 14……ビームスプリッタ、 20……光センサ、 22……光電流−電圧変換回路、 24……積分回路、 26……S/H回路、 28……A/D変換回路、 30……CPU、 32……メモリ、 36……プリンタ、 38……キーボード、 40……ディスプレイ、 102……基準値設定部、 104……加工区間条件設定部、 106……比較部、 108……基準値記憶部、 110……判定部、 112……プリント部、 114……画面表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の加工期間で高速繰り返しパルスレー
   ザ光を被加工物に照射するレーザ加工用のレーザ出力モ
   ニタ装置において、 前記高速繰り返しパルスレーザ光のレーザ出力量を各パ
   ルスについて検出するレーザ出力量検出手段と、 レーザ出力量基準値の候補とされる前記高速繰り返しパ
   ルスレーザ光について前記レーザ出力量検出手段より得
   られるレーザ出力量検出値を前記加工期間内のパルス全
   体について一時的に格納するバッファ手段と、 前記加工期間内のパルス全体にわたりレーザ出力量基準
   値として設定されるべきレーザ出力量検出値を指定する
   ための基準値設定手段と、 前記基準値設定手段より指定された前記バッファ手段に
   格納されている前記加工期間内のパルス全体にわたる前
   記レーザ出力量検出値を前記レーザ出力量基準値として
   記憶するレーザ出力量基準値記憶手段と、 モニタされるべき前記高速繰り返しパルスレーザ光につ
   いて、前記レーザ出力量検出手段からの各レーザ出力量
   検出値と前記レーザ出力量基準値記憶手段からの各レー
   ザ出力量基準値とを比較して比較誤差を求める比較手段
   と、 前記比較手段からの比較誤差を前記加工期間内のパルス
   全体にわたり記憶する誤差記憶手段と、 前記誤差記憶手段に記憶されている前記加工期間内のパ
   ルス全体にわたる前記比較誤差に基づいてモニタ判定結
   果を出力する判定手段と、 を具備することを特徴とするレーザ出力モニタ装置。