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JP2021186848A - Laser processing equipment - Google Patents

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JP2021186848A
JP2021186848A JP2020096820A JP2020096820A JP2021186848A JP 2021186848 A JP2021186848 A JP 2021186848A JP 2020096820 A JP2020096820 A JP 2020096820A JP 2020096820 A JP2020096820 A JP 2020096820A JP 2021186848 A JP2021186848 A JP 2021186848A
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light
laser
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laser processing
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和樹 藤原
Kazuki Fujiwara
浩司 船見
Koji Funemi
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
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Abstract

【課題】レーザ加工状態を高精度で監視することができるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ加工装置は、集光された光ビームLBを被加工物Wに照射し、被加工物Wの表面上に溶融領域Mを形成するものであり、光ビームLBを被加工物Wの表面に集光する集光レンズ5と、光ビームLBの照射中に被加工物Wから到来する光を検出する光センサ18〜20と、集光レンズ5と光センサ18〜20との間に設けられ、光ビームLBが集光レンズ5の表面で反射する光を減衰させる遮光部材21と、を備える。【選択図】図1[Problem] To provide a laser processing device capable of monitoring the laser processing state with high accuracy. [Solution] The laser processing device irradiates a workpiece W with a condensed light beam LB to form a melted region M on the surface of the workpiece W, and includes a condenser lens 5 that condenses the light beam LB on the surface of the workpiece W, optical sensors 18-20 that detect light coming from the workpiece W during irradiation with the light beam LB, and a light shielding member 21 that is provided between the condenser lens 5 and the optical sensors 18-20 and attenuates light reflected by the surface of the condenser lens 5 from the light beam LB. [Selected Figure] Figure 1

Description

本開示は、レーザ加工状態を監視できるレーザ加工装置に関する。 The present disclosure relates to a laser processing apparatus capable of monitoring a laser processing state.

レーザ溶接技術は、被加工物にレーザ発振器から射出されたレーザ光を照射し、レーザ光の熱量で被加工物を溶融させ、他の被加工物に溶接することで、これらの被加工物を機械的及び/又は電気的に接続する技術である。レーザ溶接技術は、一般的に家電機器や精密機器、もしくは自動車部品といった多岐にわたる分野で普及している。 Laser welding technology irradiates a work piece with laser light emitted from a laser oscillator, melts the work piece with the heat of the laser light, and welds it to another work piece to weld these work pieces. A technology for mechanically and / or electrically connecting. Laser welding technology is generally widespread in a wide range of fields such as home appliances, precision equipment, and automobile parts.

こうしたレーザ溶接技術においては個々のレーザ発振器や被加工物の形状や大きさに応じて、種々の調整項目がトライアンドエラーにより調整されるのが一般的であるが、所定品質の加工品が得られない場合にそうしたトライアンドエラーによる調整では対応できない場合が存在する。 In such laser welding technology, various adjustment items are generally adjusted by trial and error according to the shape and size of individual laser oscillators and workpieces, but processed products of predetermined quality can be obtained. If this is not possible, there are cases where such trial-and-error adjustments cannot be used.

特許文献1では、加工装置の内部情報の測定値と仮判定部とに設定されたしきい値との比較により良否判定を行い、実際の加工品との品質をフィードバックして仮判定部のしきい値を更新することが開示されている。 In Patent Document 1, pass / fail judgment is performed by comparing the measured value of the internal information of the processing apparatus with the threshold value set in the provisional judgment unit, and the quality of the actual processed product is fed back to the provisional judgment unit. It is disclosed to update the threshold.

特開2017−164801号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-164801

しかしながら、特許文献1による加工結果の評価方法では、加工後に加工結果を評価しており、加工結果を得るまでに時間を要する。さらに、特許文献1による加工結果の評価方法では、加工後に加工結果を取得し、加工結果が異常であることを検知できたとしてもその原因が特定できないため、異常への対応に手間がかかる。 However, in the method for evaluating the processing result according to Patent Document 1, the processing result is evaluated after the processing, and it takes time to obtain the processing result. Further, in the method for evaluating the processing result according to Patent Document 1, even if the processing result can be obtained after the processing and the processing result can be detected to be abnormal, the cause cannot be identified, so that it takes time and effort to deal with the abnormality.

レーザ加工状態をリアルタイムで監視する場合、被加工物の溶融領域から放射される溶接光を検出する光検出部が設けられる。こうした溶接光は、加工用のレーザ光と比べてかなり微弱な強度を有する。溶接光の検出感度を上げるためには、レーザ光の迷光による影響を可能な限り排除することが要望される。 When monitoring the laser machining state in real time, a photodetector is provided to detect the welding light radiated from the molten region of the workpiece. Such welding light has considerably weaker intensity than laser light for processing. In order to increase the detection sensitivity of welding light, it is required to eliminate the influence of stray light of laser light as much as possible.

本開示は、上記従来の問題点に鑑み、レーザ加工状態を高精度で監視することができるレーザ加工装置を提供することを目的としている。 In view of the above-mentioned conventional problems, the present disclosure aims to provide a laser processing apparatus capable of monitoring a laser processing state with high accuracy.

本開示に係るレーザ加工装置は、集光されたレーザ光を被加工物に照射し、該被加工物の表面上に溶融領域を形成するものであって、
前記レーザ光を前記被加工物の表面に集光する集光レンズと、
前記レーザ光の照射中に前記被加工物から到来する光を検出する光検出部と、
前記集光レンズと前記光検出部との間に設けられ、前記レーザ光が前記集光レンズの表面で反射する光を減衰させる遮光部材と、を備える。
The laser processing apparatus according to the present disclosure irradiates a work piece with focused laser light to form a molten region on the surface of the work piece.
A condenser lens that concentrates the laser beam on the surface of the workpiece,
A photodetector that detects light coming from the workpiece during irradiation with the laser beam,
It is provided between the condenser lens and the light detection unit, and includes a light-shielding member that attenuates the light reflected by the laser beam on the surface of the condenser lens.

本開示に係るレーザ加工装置によれば、レーザ加工状態を高精度で監視することができる。 According to the laser processing apparatus according to the present disclosure, the laser processing state can be monitored with high accuracy.

本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the laser processing apparatus which concerns on embodiment of this disclosure. 遮光部材の配置の一例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of arrangement of a light-shielding member. 集光レンズと遮光部材との関係を示す説明図。Explanatory drawing which shows the relationship between a condenser lens and a light-shielding member. 遮光部材の配置の他の例を示す説明図。Explanatory drawing which shows other example of arrangement of a light-shielding member. 遮光部材の位置の最適化設計を示す説明図。Explanatory drawing which shows the optimization design of the position of a light-shielding member. 図6(A)〜(C)は、遮光部材の支持構造の各種例を示す平面図。図6(D)は、被加工物の溶融領域周辺を示す断面図。6 (A) to 6 (C) are plan views showing various examples of the support structure of the light-shielding member. FIG. 6D is a cross-sectional view showing the periphery of the molten region of the workpiece. 反射光量と溶接品質との相関関係の一例を示す説明図。図7(A)は、反射光量の時間変化を示すグラフ。図7(B)は、レーザ出力の時間変化を示すグラフ。Explanatory drawing which shows an example of the correlation between the amount of reflected light and welding quality. FIG. 7A is a graph showing the change in the amount of reflected light over time. FIG. 7B is a graph showing the time change of the laser output.

図面を参照しながら、本開示の実施の形態について説明する。図1は、本開示の実施の形態に係るレーザ加工装置の構成を示すブロック図である。レーザ加工とは、レーザ光を用いて溶接、切断、穿孔、マーキング、表面処理、エッチング、堆積などを行う手法である。ここでは、レーザ溶接を例示するが、本開示はこれに限定されない。 Embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser processing apparatus according to an embodiment of the present disclosure. Laser processing is a method of performing welding, cutting, drilling, marking, surface treatment, etching, deposition, etc. using laser light. Here, laser welding is exemplified, but the present disclosure is not limited to this.

レーザ加工装置は、レーザ光供給ユニットとして、レーザ発振器1、レーザ光伝送用の光ファイバ2、コリメートレンズ4、部分反射ミラー7、集光レンズ5を備え、さらに光検出ユニットとして、レーザ出力センサ9、遮光部材21、部分反射ミラー8、集光レンズ10、撮像カメラ11、部分反射ミラー12,13、反射ミラー14、集光レンズ15〜17、光センサ18〜20を備える。これらのコンポーネントの多くは、鏡筒3の内部に収容可能である。 The laser processing apparatus includes a laser oscillator 1, an optical fiber 2 for laser light transmission, a collimating lens 4, a partial reflection mirror 7, and a condenser lens 5 as a laser light supply unit, and a laser output sensor 9 as a light detection unit. The light-shielding member 21, the partial reflection mirror 8, the condenser lens 10, the image pickup camera 11, the partial reflection mirrors 12, 13, the reflection mirror 14, the condenser lenses 15 to 17, and the optical sensors 18 to 20 are provided. Many of these components can be accommodated inside the lens barrel 3.

レーザ加工装置はさらに、装置全体を制御する演算ユニットPCを備える。 The laser processing apparatus further includes an arithmetic unit PC that controls the entire apparatus.

レーザ発振器1は、例えば、炭酸ガスレーザなどの気体レーザ、YAGレーザ、半導体レーザ、ファイバレーザなどの固体レーザで構成され、予め定めた波長および予め定めた出力のレーザ光を発生する。一例として、レーザ光は、波長1070nmの連続波(CW)である。被加工物Wの光吸収特性に応じて最適なレーザ波長を選択することが可能であり、例えば、被加工物Wが銅Cuまたは金Auである場合、レーザ波長は405〜450nmなどの比較的短い波長が好ましい。また被加工物Wがアルミニウムである場合、光吸収特性がよく良好な溶接が可能となることから、レーザ波長は800nm程度の波長が好ましい。 The laser oscillator 1 is composed of, for example, a gas laser such as a carbon dioxide gas laser, a solid-state laser such as a YAG laser, a semiconductor laser, or a fiber laser, and generates a laser beam having a predetermined wavelength and a predetermined output. As an example, the laser beam is a continuous wave (CW) with a wavelength of 1070 nm. It is possible to select the optimum laser wavelength according to the light absorption characteristics of the workpiece W. For example, when the workpiece W is copper Cu or gold Au, the laser wavelength is relatively relatively such as 405 to 450 nm. Short wavelengths are preferred. Further, when the workpiece W is aluminum, the laser wavelength is preferably about 800 nm because the light absorption characteristics are good and good welding is possible.

ここでは、レーザ光として連続波を用いる場合を例示するが、パルス波のレーザ光を用いてもよい。連続波のレーザ光を用いた場合、被加工物Wへの投入熱量を大きくできるため、生産性が高くなる点で好ましい。またパルス波のレーザ光を用いた場合、連続波に比べて加工時の熱影響を低減できる点で好ましい。 Here, the case where a continuous wave is used as the laser light is illustrated, but a pulsed laser light may be used. When a continuous wave laser beam is used, the amount of heat input to the workpiece W can be increased, which is preferable in terms of high productivity. Further, when the laser beam of the pulse wave is used, it is preferable in that the thermal influence at the time of processing can be reduced as compared with the continuous wave.

レーザ発振器1は、演算ユニットPCと通信可能に接続され、演算ユニットPCからのコマンドに応じて、レーザ光の出力が制御可能になり、パルス波の場合は周期およびデューティサイクルも制御可能になる。 The laser oscillator 1 is communicably connected to the arithmetic unit PC, and the output of the laser beam can be controlled in response to a command from the arithmetic unit PC, and in the case of a pulse wave, the cycle and duty cycle can also be controlled.

レーザ光伝送用の光ファイバ2は、レーザ発振器1からのレーザ光を鏡筒3の内部まで伝送する機能を有する。なお、光ファイバ2の代替として、レーザ発振器1から射出されたレーザ光を、ミラーなどの光学素子を用いて鏡筒3に導光することも可能である。 The optical fiber 2 for laser light transmission has a function of transmitting the laser light from the laser oscillator 1 to the inside of the lens barrel 3. As an alternative to the optical fiber 2, the laser beam emitted from the laser oscillator 1 can be guided to the lens barrel 3 by using an optical element such as a mirror.

コリメートレンズ4は、光ファイバ2から出射されるレーザ光を平行な光ビームLBに変換する。 The collimating lens 4 converts the laser beam emitted from the optical fiber 2 into a parallel light beam LB.

部分反射ミラー7は、光ファイバ2からの光ビームLBの大部分を反射し、その一部を透過させる機能を有する。一例として、部分反射ミラー4は、例えば、ダイクロイックミラーなど、特定の波長範囲の光を反射し、異なる波長範囲の光を透過させるミラーが使用できる。部分反射ミラー7は、反射波長または透過波長に応じて所望の光学特性が選択でき、必要に応じて透過光量と反射光量の比率を変化させてもよい。部分反射ミラー7を通過した光ビームは、レーザ光の出力を監視するレーザ出力センサ9によって受光される。レーザ出力センサ9は、フォトダイオード、A/D変換器などを含み、演算ユニットPCと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットPCに入力される。レーザ出力センサ9の検出信号は、レーザ発振器1のレーザ出力と相関がある。レーザ出力が高い場合は、レーザ出力センサ9の前方に光を減衰する光学素子を設置してもよい。センサや光学素子の表面反射を低減するため、レーザ光LBの進行方向に対して角度を付けて配置してもよい。 The partial reflection mirror 7 has a function of reflecting most of the light beam LB from the optical fiber 2 and transmitting a part of the light beam LB. As an example, as the partial reflection mirror 4, a mirror such as a dichroic mirror that reflects light in a specific wavelength range and transmits light in a different wavelength range can be used. The partially reflected mirror 7 can select desired optical characteristics according to the reflected wavelength or the transmitted wavelength, and the ratio of the transmitted light amount to the reflected light amount may be changed as needed. The light beam that has passed through the partially reflected mirror 7 is received by the laser output sensor 9 that monitors the output of the laser light. The laser output sensor 9 includes a photodiode, an A / D converter, and the like, and is communicably connected to the arithmetic unit PC, and the detection signal thereof is input to the arithmetic unit PC. The detection signal of the laser output sensor 9 correlates with the laser output of the laser oscillator 1. When the laser output is high, an optical element that attenuates light may be installed in front of the laser output sensor 9. In order to reduce the surface reflection of the sensor or the optical element, the laser beam LB may be arranged at an angle with respect to the traveling direction.

集光レンズ5は、部分反射ミラー7で反射した光ビームLBを集光して、被加工物Wの表面に予め定めた形状の光スポットを形成する。光スポットの照射領域には、多量の熱エネルギーが投入され、融点を超えた部分が溶融領域Mとなり、例えば、被加工物Wの溶接が行われる。 The condenser lens 5 condenses the light beam LB reflected by the partial reflection mirror 7 to form a light spot having a predetermined shape on the surface of the workpiece W. A large amount of heat energy is applied to the irradiation region of the light spot, and the portion exceeding the melting point becomes the melting region M, and for example, welding of the workpiece W is performed.

被加工物Wは、例えば、XYZθテーブルなどで構成される加工ステージ(不図示)の上に支持される。こうした加工ステージは、演算ユニットPCと通信可能に接続され、演算ユニットPCからのコマンドに応じて被加工物Wの3次元位置および光ビームLBの光軸周りの角度が制御可能になる。 The workpiece W is supported on a machining stage (not shown) composed of, for example, an XYZθ table. Such a machining stage is communicably connected to the arithmetic unit PC, and the three-dimensional position of the workpiece W and the angle around the optical axis of the optical beam LB can be controlled in response to a command from the arithmetic unit PC.

光ビームLBを被加工物Wに対して走査する場合、1)鏡筒3および光ビームLBを固定した状態で加工ステージを予め定めた方向に予め定めた速度で移動させる方法、2)鏡筒3をロボットアームやリニアステージなどの走査機構に搭載し、加工ステージを固定した状態で鏡筒3を予め定めた方向に予め定めた速度で移動させる方法、3)集光レンズ5と被加工物Wとの間に、例えば、ガルバノミラーなどの光学スキャナを設置する方法、4)上記1)〜3)の方法の組合せ、などが可能である。被加工物Wへの光ビームLBの照射および走査は、別個に行ってもよいが、照射および走査を同時に行うことによって連続的な溶接部を形成できる。 When scanning the optical beam LB against the workpiece W, 1) a method of moving the processing stage in a predetermined direction at a predetermined speed with the lens barrel 3 and the optical beam LB fixed, and 2) a lens barrel. A method in which 3 is mounted on a scanning mechanism such as a robot arm or a linear stage, and the lens barrel 3 is moved in a predetermined direction at a predetermined speed while the processing stage is fixed. 3) Condensing lens 5 and a workpiece For example, a method of installing an optical scanner such as a galvano mirror between W and 4) a combination of the above methods 1) to 3) can be used. The light beam LB may be irradiated and scanned separately on the workpiece W, but a continuous weld can be formed by simultaneously irradiating and scanning the workpiece W.

演算ユニットPCは、プロセッサ、メモリ、マスストレージなどを含むコンピュータで構成され、予め設定されたプログラムに従って各種動作を実行する。 The arithmetic unit PC is composed of a computer including a processor, a memory, a mass storage, and the like, and executes various operations according to a preset program.

本実施形態では、レーザ光の照射中に溶融領域Mから発生する溶接光LW、例えば、a)溶融領域Mから放射される熱放射光LT、b)溶融領域Mから放射される可視光LV、およびc)被加工物Wから反射する反射光LRを個別に検出するために、3つの光センサ18〜20が設置される。 In the present embodiment, welding light LW generated from the molten region M during irradiation with laser light, for example, a) thermal radiated light LT emitted from the molten region M, b) visible light LV emitted from the molten region M, And c) Three optical sensors 18 to 20 are installed in order to individually detect the reflected light LR reflected from the workpiece W.

溶融領域Mから発生する溶接光LWの一部は、集光レンズ5に入射し、部分反射ミラー7を通過して部分反射ミラー8に入射する。部分反射ミラー8は、入射した光を予め定めた比率で反射し透過させる機能を有する。一例として、部分反射ミラー8は、波長依存性のないハーフミラーが使用できる。他の例として、部分反射ミラー8は、波長依存性のあるダイクロイックミラーが使用でき、波長に応じて透過光量と反射光量の比率を変化させてもよい。 A part of the welding light LW generated from the melting region M is incident on the condenser lens 5, passes through the partial reflection mirror 7, and is incident on the partial reflection mirror 8. The partial reflection mirror 8 has a function of reflecting and transmitting incident light at a predetermined ratio. As an example, as the partial reflection mirror 8, a half mirror having no wavelength dependence can be used. As another example, as the partially reflected mirror 8, a dichroic mirror having a wavelength dependence can be used, and the ratio of the amount of transmitted light to the amount of reflected light may be changed according to the wavelength.

部分反射ミラー8を通過した光は、集光レンズ10を通って撮像カメラ11で受光される。撮像カメラ11は、レーザ光の照射中に溶融領域Mから発生する光を検出し、溶融領域Mおよびその周辺領域を撮像する機能を有する。撮像カメラ11は、イメージセンサ、A/D変換器などを含み、演算ユニットPCと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットPCに入力される。撮像カメラ11のサンプリング周期(測定周期)は、レーザ照射の出力制御を行う時間の100分の1以下が望ましい。 The light that has passed through the partial reflection mirror 8 is received by the image pickup camera 11 through the condenser lens 10. The image pickup camera 11 has a function of detecting the light generated from the molten region M during irradiation with the laser beam and imaging the molten region M and its peripheral region. The image pickup camera 11 includes an image sensor, an A / D converter, and the like, and is communicably connected to the arithmetic unit PC, and the detection signal thereof is input to the arithmetic unit PC. The sampling cycle (measurement cycle) of the image pickup camera 11 is preferably 1/100 or less of the time for controlling the output of laser irradiation.

部分反射ミラー8を反射した光は、部分反射ミラー12に入射する。部分反射ミラー12は、例えば、ダイクロイックミラーで構成され、溶融領域Mから発生する溶接光LWのうち、可視光LV、例えば、波長400〜700nmの光を透過し、それ以外の波長の光を反射する。部分反射ミラー12を透過した可視光LVは、集光レンズ15によって集光され、光センサ18で受光される。 The light reflected by the partial reflection mirror 8 is incident on the partial reflection mirror 12. The partial reflection mirror 12 is composed of, for example, a dichroic mirror, transmits visible light LV, for example, light having a wavelength of 400 to 700 nm among the welding light LW generated from the molten region M, and reflects light having other wavelengths. do. The visible light LV transmitted through the partially reflected mirror 12 is condensed by the condenser lens 15 and received by the optical sensor 18.

部分反射ミラー12で反射した光は、部分反射ミラー13に入射する。部分反射ミラー13、例えば、ダイクロイックミラーで構成され、溶融領域Mから発生する溶接光LWのうち、熱放射光LH、例えば、波長1300〜1550nmの光を反射し、それ以外の波長の光を透過する。部分反射ミラー13で反射した熱放射光LHは、集光レンズ16によって集光され、光センサ19で受光される。 The light reflected by the partial reflection mirror 12 is incident on the partial reflection mirror 13. It is composed of a partially reflective mirror 13, for example, a dichroic mirror, and among the welding light LW generated from the molten region M, the heat radiated light LH, for example, the light having a wavelength of 1300 to 1550 nm is reflected, and the light having other wavelengths is transmitted. do. The heat radiant light LH reflected by the partial reflection mirror 13 is collected by the condenser lens 16 and received by the optical sensor 19.

部分反射ミラー13を透過した光は、反射ミラー14に入射する。反射ミラー14は、例えば、波長依存性のないミラーで構成され、溶融領域Mから発生する溶接光LWのうち、上述した可視光LVおよび熱放射光LHを除いた光、例えば、波長1070nmの反射光LRを反射する。反射ミラー14で反射した反射光LRは、集光レンズ17によって集光され、光センサ20で受光される。 The light transmitted through the partially reflected mirror 13 is incident on the reflected mirror 14. The reflection mirror 14 is composed of, for example, a mirror having no wavelength dependence, and is a reflection of the welding light LW generated from the molten region M excluding the above-mentioned visible light LV and thermal radiation light LH, for example, a wavelength of 1070 nm. Reflects light LR. The reflected light LR reflected by the reflection mirror 14 is collected by the condenser lens 17 and received by the optical sensor 20.

光センサ18は、上述した可視光LVの強度を検出し、電圧値または電流値などの電気信号に変換する。光センサ19は、上述した熱放射光LHの強度を検出し、電圧値または電流値などの電気信号に変換する。光センサ20は、上述した反射光LRの強度を検出し、電圧値または電流値などの電気信号に変換する。光センサ18〜20は、フォトダイオード、A/D変換器などを含み、演算ユニットPCと通信可能に接続され、その検出信号は演算ユニットPCに入力される。 The optical sensor 18 detects the intensity of the visible light LV described above and converts it into an electric signal such as a voltage value or a current value. The optical sensor 19 detects the intensity of the above-mentioned thermal radiation light LH and converts it into an electric signal such as a voltage value or a current value. The optical sensor 20 detects the intensity of the reflected light LR described above and converts it into an electric signal such as a voltage value or a current value. The optical sensors 18 to 20 include a photodiode, an A / D converter, and the like, and are communicably connected to the arithmetic unit PC, and the detection signal thereof is input to the arithmetic unit PC.

本実施形態では、部分反射ミラー12,13として、所望の分光特性を有するダイクロイックミラーを使用する場合を例示したが、その代替として波長依存性のないハーフミラーが使用し、その後段に所望の分光特性を有するバンドパスフィルターを配置してもよい。バンドパスフィルターの使用により、不要な波長の光が光センサに入射することを防ぎ、より高精度の光測定が可能となる。 In the present embodiment, a case where a dichroic mirror having desired spectral characteristics is used as the partial reflection mirrors 12 and 13 is exemplified, but a half mirror having no wavelength dependence is used as an alternative, and the desired spectroscopy is performed in the subsequent stage. A bandpass filter having characteristics may be arranged. By using a bandpass filter, it is possible to prevent light of an unnecessary wavelength from being incident on the optical sensor, and it is possible to perform light measurement with higher accuracy.

本実施形態では、3つの波長帯域を同時に測定する構成を採用しており、これにより溶接時に発生する物理現象を様々な波長の光から詳細に把握することが可能となる。そのため、測定したい波長に応じて、ミラーやレンズの波長領域を選択することが望ましい。 In this embodiment, a configuration is adopted in which three wavelength bands are measured at the same time, which makes it possible to grasp the physical phenomenon generated at the time of welding in detail from light of various wavelengths. Therefore, it is desirable to select the wavelength range of the mirror or lens according to the wavelength to be measured.

光センサ18〜20の測定分解能に関しては、測定対象の形状の100分の1以下の精度で測定できることが望ましい。特に、光センサ18〜20の測定領域は、被加工物Wの溶接幅を含むように設定することが好ましい。測定領域を変更する場合、一例として、集光レンズ15〜17の焦点距離を調整する方法を用いてもよい。集光レンズ15〜17として、例えば、焦点距離200mmのレンズの代わりに焦点距離100mmのレンズを使用した場合、光センサ18〜20の受光サイズの2倍の領域が測定可能になる。こうして選択する測定領域に合わせて焦点距離を調整することが好ましい。他の例として、光センサ18〜20の直前に開口径が変更可能なアパーチャを設けて、測定領域を制限する方法も使用可能である。 Regarding the measurement resolution of the optical sensors 18 to 20, it is desirable that the measurement can be performed with an accuracy of 1/100 or less of the shape of the object to be measured. In particular, it is preferable that the measurement region of the optical sensors 18 to 20 is set so as to include the welding width of the workpiece W. When changing the measurement area, as an example, a method of adjusting the focal length of the condenser lenses 15 to 17 may be used. When, for example, a lens having a focal length of 100 mm is used as the condenser lenses 15 to 17 instead of a lens having a focal length of 200 mm, a region twice the light receiving size of the optical sensors 18 to 20 can be measured. It is preferable to adjust the focal length according to the measurement area selected in this way. As another example, a method of limiting the measurement area by providing an aperture whose opening diameter can be changed is provided immediately before the optical sensors 18 to 20 can also be used.

次に、本開示の実施の形態における光検出方式について説明する。図2は、遮光部材21の配置の一例を示す説明図である。遮光部材21は、レーザ波長に対して光吸収性で耐熱性を有する材料、例えば、黒アルマイトなどのコーティングが施された金属などで形成され、集光レンズ5と光センサ18〜20、特に反射光検出用の光センサ20との間に設けられる。 Next, the photodetection method according to the embodiment of the present disclosure will be described. FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of the arrangement of the light-shielding member 21. The light-shielding member 21 is made of a material having light absorption and heat resistance with respect to the laser wavelength, for example, a metal coated with black alumite or the like, and the condenser lens 5 and the optical sensors 18 to 20, particularly reflection. It is provided between the light sensor 20 for light detection.

遮光部材21の機能に関して、レーザ発振器1から供給される光ビームLBが部分反射ミラー7によって反射され、被加工物Wに向かって下向き(−Z方向)に進行する。続いて光ビームLBが集光レンズ5を通過する際、光ビームLBの一部が集光レンズ5の前面及び/又は後面で正反射して、上向き(+Z方向)に進行する。遮光部材21が存在しなければ、光ビームLBの表面反射光がそのまま上向きに進行し、最終的に光センサ18〜20、特に光センサ20に到達するようになる。その結果、比較的微弱な反射光LRと比べてより強い光が光センサ20に入射するようになり、検出信号のS/N比を低下させてしまう。その対策として、遮光部材21を集光レンズ5の光軸の延長上に設置することによって、光ビームLBの表面反射光を減衰または阻止して光センサ20に到達するのを防止できる。 Regarding the function of the light-shielding member 21, the light beam LB supplied from the laser oscillator 1 is reflected by the partial reflection mirror 7 and travels downward (−Z direction) toward the workpiece W. Subsequently, when the light beam LB passes through the condenser lens 5, a part of the light beam LB is specularly reflected on the front surface and / or the rear surface of the condenser lens 5 and travels upward (+ Z direction). If the light-shielding member 21 is not present, the surface-reflected light of the light beam LB travels upward as it is, and finally reaches the optical sensors 18 to 20, particularly the optical sensor 20. As a result, stronger light is incident on the optical sensor 20 as compared with the relatively weak reflected light LR, and the S / N ratio of the detection signal is lowered. As a countermeasure, by installing the light-shielding member 21 on the extension of the optical axis of the condenser lens 5, it is possible to attenuate or block the surface reflected light of the light beam LB and prevent it from reaching the optical sensor 20.

一般に、レンズやミラーでの表面反射は、反射防止コーティングが無い場合、入射光の約4%の割合が表面で反射する。一般に被加工物Wが金属である場合、溶接を行うのに必要なレーザ光の出力は、被加工物Wの材料のレーザ光波長における吸収率や照射条件にもよるが、一般に数十〜数kWの範囲である。そのため、この表面反射成分が大きい場合、溶融領域Mからの反射光LRよりも非常に大きな光量となり、光センサに向かう方向へ戻り光となって検出されることになる。その場合、表面反射による光量が大きくなり過ぎると、溶融領域Mから戻る反射光LRのS/N比が低下し、例えば、レーザ光のわずかな出力変動との区別が困難となる。 In general, surface reflections on lenses and mirrors reflect about 4% of the incident light on the surface without an antireflection coating. Generally, when the workpiece W is a metal, the output of the laser beam required for welding is generally several tens to several tens to several, although it depends on the absorption rate at the laser beam wavelength of the material of the workpiece W and the irradiation conditions. It is in the range of kW. Therefore, when this surface reflection component is large, the amount of light is much larger than the reflected light LR from the molten region M, and the light is detected as return light in the direction toward the optical sensor. In that case, if the amount of light due to surface reflection becomes too large, the S / N ratio of the reflected light LR returning from the molten region M decreases, and it becomes difficult to distinguish it from, for example, a slight output fluctuation of the laser light.

溶接時にリアルタイム測定を行う場合、溶融領域Mから戻る反射光LRの強度は、溶融領域Mの形状変化を大きく反映する重要な情報である。例えば、反射光LRの方向が光ビームLBの入射方向に接近するように溶融領域Mの形状が突発的に変化した際、この形状変化によって反射光成分も大きくなる現象や、光ビームLB6の焦点位置が変化することで集光スポット径が変化し、溶融領域Mの溶接面積の増加により反射光量がジャストフォーカス時に比べて増加する現象などが監視できる。 When real-time measurement is performed during welding, the intensity of the reflected light LR returning from the molten region M is important information that largely reflects the shape change of the molten region M. For example, when the shape of the molten region M suddenly changes so that the direction of the reflected light LR approaches the incident direction of the light beam LB, the reflected light component also increases due to this shape change, or the focal point of the light beam LB6. It is possible to monitor a phenomenon in which the diameter of the condensing spot changes due to the change in the position, and the amount of reflected light increases as compared with the case of just focus due to the increase in the welding area of the molten region M.

図3は、集光レンズ5と遮光部材21との関係を示す説明図である。光ビームLBが集光レンズ5に入射する際、表面反射が発生する。ここでは理解容易のために、光ビームLBが平行光であって円形断面を有する場合を例示するが、楕円形断面でも矩形断面でも同様である。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing the relationship between the condenser lens 5 and the light shielding member 21. Surface reflection occurs when the light beam LB is incident on the condenser lens 5. Here, for the sake of easy understanding, the case where the light beam LB is parallel light and has a circular cross section is illustrated, but the same applies to both an elliptical cross section and a rectangular cross section.

図3に示すように、集光レンズ5の表面が凸型であり、光ビームLBが集光レンズ5に対して垂直に入射した場合、厳密には、表面反射光LZは、凸面ミラー反射のようにビーム径が広がるように反射される。光ビームLBがレンズ表面に垂直に入射する場合、水平面(XY面)とレンズの曲率により発生する角度(接線方向の角度)をθ、集光レンズ5から遮光部材21までの距離をHと定義すると、遮光部材21の位置での表面反射光LZのビーム径の広がりは、H×tanθ×2となる。 As shown in FIG. 3, when the surface of the condenser lens 5 is convex and the light beam LB is incident perpendicular to the condenser lens 5, strictly speaking, the surface reflected light LZ is reflected by the convex mirror. It is reflected so that the beam diameter is widened. When the light beam LB is vertically incident on the lens surface, the angle (angle in the tangential direction) generated by the horizontal plane (XY plane) and the curvature of the lens is defined as θ, and the distance from the condenser lens 5 to the light-shielding member 21 is defined as H. Then, the spread of the beam diameter of the surface reflected light LZ at the position of the light-shielding member 21 becomes H × tan θ × 2.

そのため、例えば、表面反射光LZを遮断する遮光部材21の直径は、光ビームLBの直径にビーム径の広がりH×tanθ×2を加算した寸法とすることで、表面反射光LZを効率よく遮断することが可能となり、溶融領域Mでの形状変化時に発生する反射光成分を高いS/N比で測定することが可能となる。従って、光ビームLBの照射時に集光レンズ5からの表面反射光LZを選択的に遮光することによって、溶接状態の監視精度が向上する。 Therefore, for example, the diameter of the light-shielding member 21 that blocks the surface-reflected light LZ is set to a dimension obtained by adding the spread of the beam diameter H × tan θ × 2 to the diameter of the light beam LB to efficiently block the surface-reflected light LZ. It becomes possible to measure the reflected light component generated when the shape changes in the molten region M with a high S / N ratio. Therefore, by selectively blocking the surface reflected light LZ from the condenser lens 5 when the light beam LB is irradiated, the monitoring accuracy of the welded state is improved.

また、集光レンズ5の表面形状に関して、光ビームLBが入射する表面が平面である場合、表面反射光LZは略平行のままで反射する。そのため遮光部材21の直径は、機械精度などによる誤差も考慮すると、光ビームLBの直径よりもわずかに大きくしておくことが好ましいが、特に制限はない。 Further, regarding the surface shape of the condenser lens 5, when the surface on which the light beam LB is incident is a flat surface, the surface reflected light LZ is reflected while remaining substantially parallel. Therefore, it is preferable that the diameter of the light-shielding member 21 is slightly larger than the diameter of the light beam LB in consideration of an error due to mechanical accuracy and the like, but there is no particular limitation.

このように光ビームLBの表面反射光LZが光センサに到達するのを防止することによって、高いS/N比で溶融領域Mからの反射光成分を取得することが可能になり、溶接領域Mの状態を高精度で監視することができる。そのため、レーザ加工を行った後に、顕微鏡などを用いて溶接部分の形状測定を行い、その測定結果と光センサから取得した信号強度の波形とを関連付けることにより、溶接異常の発生有無を判断することも可能となる。具体的には、光センサから取得した信号強度の測定時間に関して、被加工物Wの加工後の溶接長さを加工速度で除算することで加工に寄与した時間を算出し、両者を比較することで相関を取れば良く、これにより、信号強度値の変動分から溶接形状変化を数値化することが可能となる。測定サンプリング数に関しては、レーザ溶接評価にてプロセスの特徴量、例えばレーザ出力プロファイルのカーブの曲率など物理量の局所的な値の傾向を捉えるのに十分な量のサンプル数が必要となるため、物理量のサンプリング周期(測定周期)は、レーザ照射の出力制御を行う時間の100分の1以下が望ましい。 By preventing the surface reflected light LZ of the light beam LB from reaching the optical sensor in this way, it becomes possible to acquire the reflected light component from the molten region M at a high S / N ratio, and the welded region M becomes possible. The state of can be monitored with high accuracy. Therefore, after laser processing, the shape of the welded part is measured using a microscope or the like, and the presence or absence of welding abnormality is determined by associating the measurement result with the waveform of the signal intensity acquired from the optical sensor. Is also possible. Specifically, regarding the measurement time of the signal intensity acquired from the optical sensor, the time that contributed to the machining is calculated by dividing the welding length of the workpiece W after machining by the machining speed, and the two are compared. It suffices to correlate with, which makes it possible to quantify the change in the weld shape from the fluctuation of the signal intensity value. Regarding the number of measured samples, the physical quantity is required because the laser welding evaluation requires a sufficient number of samples to capture the tendency of the local value of the physical quantity such as the characteristic quantity of the process, for example, the curvature of the curve of the laser output profile. The sampling cycle (measurement cycle) is preferably 1/100 or less of the time for controlling the output of laser irradiation.

図4は、遮光部材21の配置の他の例を示す説明図である。図2と図3では、遮光部材21だけを用いて表面反射光LZを遮光する手法を説明したが、ここでは、遮光部材21の両側にレンズ23,24を配置する手法を説明する。 FIG. 4 is an explanatory diagram showing another example of the arrangement of the light shielding member 21. In FIGS. 2 and 3, a method of shielding the surface reflected light LZ by using only the light-shielding member 21 has been described, but here, a method of arranging the lenses 23 and 24 on both sides of the light-shielding member 21 will be described.

遮光部材21の入射側には、被加工物Wからの溶接光LWおよび集光レンズ5からの表面反射光LZを集光するための集光レンズ23が設けられる。遮光部材21の出射側には、集光レンズ23で集光された光を平行光に戻すためのコリメートレンズ24が設けられる。こうしたアフォーカル光学系では、集光レンズ23の焦点位置とコリメートレンズ24の焦点位置はほぼ一致している。集光レンズ23で集光された表面反射光LZは、円錐形状の光束となるため、遮光部材21の位置を光軸に沿って調整することによって、表面反射光LZの断面直径と遮光部材21の直径との比率を所望の値に設定することが容易になる。 On the incident side of the light-shielding member 21, a condenser lens 23 for condensing the welding light LW from the workpiece W and the surface reflected light LZ from the condenser lens 5 is provided. On the emission side of the light-shielding member 21, a collimating lens 24 for returning the light condensed by the condenser lens 23 to parallel light is provided. In such an afocal optical system, the focal position of the condenser lens 23 and the focal position of the collimating lens 24 are substantially the same. Since the surface reflected light LZ collected by the condenser lens 23 becomes a conical light flux, the cross-sectional diameter of the surface reflected light LZ and the light shielding member 21 can be adjusted by adjusting the position of the light shielding member 21 along the optical axis. It becomes easy to set the ratio with the diameter of the light to a desired value.

図5は、遮光部材21の位置の最適化設計を示す説明図である。表面反射光LZの集光スポット径を計算する際、一般には、4×λ×f/(π×D)という近似式で求められる。ここで、λは光の波長(nm)、fはレンズの焦点距離、Dはビーム直径(mm)である。例えば、λ=1070nm、焦点距離f=150mm、ビーム径D=6mmとすると、スポット径は約34μmとなり、条件にもよるが、スポット径は焦点距離やビーム径に比べて極めて小さくなるため、その位置に正確に微小な遮光部材21を設置することは極めて困難であり、表面反射光LZの遮光漏れや溶接光LWの妨害をもたらす可能性がある。 FIG. 5 is an explanatory diagram showing an optimized design of the position of the light shielding member 21. When calculating the focused spot diameter of the surface reflected light LZ, it is generally obtained by an approximate formula of 4 × λ × f / (π × D). Here, λ is the wavelength of light (nm), f is the focal length of the lens, and D is the beam diameter (mm). For example, if λ = 1070 nm, focal length f = 150 mm, and beam diameter D = 6 mm, the spot diameter is about 34 μm, and depending on the conditions, the spot diameter is extremely small compared to the focal length and beam diameter. It is extremely difficult to accurately install the minute light-shielding member 21 at the position, which may cause light-shielding leakage of the surface reflected light LZ and interference of the welding light LW.

その対策として、遮光部材21は、集光レンズ23とその焦点位置との間に設置し、その位置に対応する円錐状光束の断面直径を考慮することによって、遮光部材21の直径を取り扱いが容易なサイズに大きくすることが可能である。遮光部材21の直径は、下記の式で計算できる。
遮光部材21の直径=ビーム径−((集光レンズ23位置でのビーム径−スポット径)÷焦点距離f×集光レンズ23からの位置)
As a countermeasure, the light-shielding member 21 is installed between the condenser lens 23 and its focal position, and the diameter of the light-shielding member 21 can be easily handled by considering the cross-sectional diameter of the conical luminous flux corresponding to the position. It is possible to increase the size to a large size. The diameter of the light-shielding member 21 can be calculated by the following formula.
Diameter of light-shielding member 21 = beam diameter-((beam diameter at the position of the condenser lens 23-spot diameter) ÷ focal length f x position from the condenser lens 23)

このとき溶融領域M22からは、被加工物Wの固有の発光、熱による熱放射光、加工部分での散乱光など、様々な光が溶接光LWとして集光レンズ5の径内で分布し、集光レンズ5を経由して略平行光となり、集光レンズ23の有効径まで分布しながら到達する。集光レンズをガラスで形成した場合、一般に波長ごとの屈折率差による色収差が存在するため、平行光が集光レンズで集光されると、波長の短い光は、波長の長い光よりも焦点距離が短くなる。 At this time, various lights such as the inherent light emission of the workpiece W, the heat radiation light due to heat, and the scattered light in the processed portion are distributed from the molten region M22 as welding light LW within the diameter of the condenser lens 5. The light becomes substantially parallel light via the condenser lens 5, and reaches the effective diameter of the condenser lens 23 while being distributed. When the condenser lens is made of glass, chromatic aberration generally exists due to the difference in refractive index for each wavelength. Therefore, when parallel light is condensed by the condenser lens, the light having a short wavelength is more focused than the light having a long wavelength. The distance becomes shorter.

そのため、遮光部材21は、集光レンズ23の位置を基準として、集光レンズ23に平行光が入射した際の短波長の焦点位置よりも短い距離に配置することで、レーザ光の戻り光の波長以外の波長領域を、より効率良く伝送させることが可能となる。例えば、ビーム径10mm−(ビーム径10mm−スポット径1mm)÷100mm×50mm=5.5mmとなり、直径φ5.5mmの遮光部材21を設けることで、表面反射光LZを遮断することが可能となる。また、機械精度などによる誤差も考慮すると、計算したサイズよりもわずかに大きくしておくことが好ましいが、特に制限はない。遮光部材21の厚みは、0.02〜5mm程度であればよいが、薄くすることで、表面反射光LZのみを効率良く遮光できるため好ましい。 Therefore, by arranging the light-shielding member 21 at a distance shorter than the short-wavelength focal position when parallel light is incident on the condenser lens 23 with reference to the position of the condenser lens 23, the return light of the laser light can be obtained. It is possible to transmit a wavelength region other than the wavelength more efficiently. For example, the beam diameter is 10 mm − (beam diameter 10 mm − spot diameter 1 mm) ÷ 100 mm × 50 mm = 5.5 mm, and by providing the light-shielding member 21 having a diameter of φ5.5 mm, it is possible to block the surface reflected light LZ. .. Further, considering an error due to machine accuracy or the like, it is preferable to make the size slightly larger than the calculated size, but there is no particular limitation. The thickness of the light-shielding member 21 may be about 0.02 to 5 mm, but it is preferable to reduce the thickness of the light-shielding member 21 because only the surface reflected light LZ can be efficiently light-shielded.

図6(A)〜(C)は、遮光部材21の支持構造の各種例を示す平面図である。図6(D)は、被加工物Wの溶融領域M周辺を示す断面図である。光ビームLBは、予め定めた走査方向、例えば、X方向に平行な方向に沿って走査される。 6 (A) to 6 (C) are plan views showing various examples of the support structure of the light-shielding member 21. FIG. 6D is a cross-sectional view showing the periphery of the molten region M of the workpiece W. The light beam LB is scanned along a predetermined scanning direction, for example, a direction parallel to the X direction.

遮光部材21は、少なくとも1つの不透明な線状の支持部材21aで支持され、支持部材21aは、走査方向Sに対して非平行であるように配置される。図6(A)に示す例では、遮光部材21は、180度間隔で配置された2つの支持部材21aで支持されており、支持部材21aは、走査方向Sに対して略垂直な方向に沿って配置される。図6(B)に示す例では、遮光部材21は、135度間隔および90度間隔で配置された3つの支持部材21aで支持されており、1つの支持部材21aは、走査方向Sに対して略平行な方向に沿って配置され、残り2つの支持部材21aは、走査方向Sに対して略45度で交差する方向に沿って配置される。いずれの支持部材21aも、遮光部材21を支持可能な幅と厚みで形成すればよく、例えば、幅は0.05〜10mm、厚みは0.02〜5mm程度あればよい。支持部材21aの幅および厚みは小さい方が好ましく、溶融領域Mから放射される溶接光LWの伝搬損失を可能な限り低減できる。 The light-shielding member 21 is supported by at least one opaque linear support member 21a, and the support member 21a is arranged so as to be non-parallel to the scanning direction S. In the example shown in FIG. 6A, the light-shielding member 21 is supported by two support members 21a arranged at intervals of 180 degrees, and the support member 21a is along a direction substantially perpendicular to the scanning direction S. Will be placed. In the example shown in FIG. 6B, the light-shielding member 21 is supported by three support members 21a arranged at 135-degree intervals and 90-degree intervals, and one support member 21a is supported with respect to the scanning direction S. The remaining two support members 21a are arranged along a direction substantially parallel to each other, and are arranged along a direction intersecting the scanning direction S at approximately 45 degrees. Each of the support members 21a may be formed with a width and a thickness capable of supporting the light-shielding member 21, and may be, for example, a width of 0.05 to 10 mm and a thickness of about 0.02 to 5 mm. It is preferable that the width and thickness of the support member 21a are small, and the propagation loss of the welding light LW radiated from the melting region M can be reduced as much as possible.

図6(C)に示す例では、遮光部材21は、少なくとも1つの透明な板状の支持部材21bで支持される。支持部材21bは、例えば、光学ガラス、光学合成樹脂などで形成される。支持部材21bの表面には、レーザ光の波長以外の光の反射率を低減する反射防止コーティングが施されることが好ましい。これにより溶融領域Mから放射される溶接光LWの伝搬損失を可能な限り低減できる。 In the example shown in FIG. 6C, the light-shielding member 21 is supported by at least one transparent plate-shaped support member 21b. The support member 21b is made of, for example, optical glass, an optical synthetic resin, or the like. It is preferable that the surface of the support member 21b is provided with an antireflection coating that reduces the reflectance of light other than the wavelength of the laser light. As a result, the propagation loss of the welding light LW radiated from the melting region M can be reduced as much as possible.

一般的な溶接方法として、ステージ走査やガルバノミラー走査を用いて光ビームLBを走査しながら加工を行う。このとき溶融領域Mから放射される溶接光LWは、走査方向に沿って等方状に放射される。また、溶融領域Mでは、加工後もある程度の時間は溶融状態のままで、様々な波長の光を出している。そのため走査方向に沿って放射される光を妨害することは、測定対象となる情報量が減少するため、溶融状態の監視にとって好ましくない。 As a general welding method, processing is performed while scanning the light beam LB using stage scanning or galvanometer mirror scanning. At this time, the welding light LW emitted from the melting region M is isotropically emitted along the scanning direction. Further, in the molten region M, light of various wavelengths is emitted while remaining in the molten state for a certain period of time after processing. Therefore, interfering with the light emitted along the scanning direction is not preferable for monitoring the molten state because the amount of information to be measured is reduced.

そのため、遮光部材21の支持構造として、図6(A)(B)に示すように、支持部材21aは、走査方向Sに対して交差する角度で配置することが好ましく、これにより溶融領域Mからの発光・散乱光をあまり妨害することなく、表面反射光LZを遮光できる。 Therefore, as the support structure of the light-shielding member 21, as shown in FIGS. 6A and 6B, the support member 21a is preferably arranged at an angle intersecting the scanning direction S, whereby from the melting region M. The surface reflected light LZ can be shielded without disturbing the emitted / scattered light of the surface.

次に、溶融領域Mから発生する溶接光LWの測定手法について説明する。光センサ18〜20の検出領域は、光ビームLBの走査による連続的な溶接加工における溶融領域Mの全てを含むようにそれぞれ設定されることが好ましい。レーザ走査を行いながら溶接を行う場合、光ビームLBが照射された領域より後方に位置する溶融領域Mでも投入エネルギーに応じて発光する。そのため、溶融領域Mより広い領域を熱放射光の検出領域とすることによって、例えば、スパッタの発生による影響、光ビームLBの照射後から凝固までに発生する溶融液による影響など、溶融時に発生した現象を検出することが可能となる。 Next, a method for measuring the welding light LW generated from the melting region M will be described. It is preferable that the detection regions of the optical sensors 18 to 20 are set so as to include all of the melting regions M in the continuous welding process by scanning the optical beam LB. When welding is performed while performing laser scanning, light is emitted according to the input energy even in the molten region M located behind the region irradiated with the light beam LB. Therefore, by setting a region wider than the melting region M as the detection region of the thermal radiation light, for example, the influence of the generation of spatter, the influence of the melt liquid generated from the irradiation of the light beam LB to the solidification, and the like occur at the time of melting. It becomes possible to detect the phenomenon.

溶融領域Mから放射される熱放射光LT、プラズマ可視光LVおよび反射光LRの検出信号は、溶融領域Mの状態を大きく反映する。そのため、例えば、特定の加工条件についてリアルタイムで熱放射光LT、可視光LV、反射光LRを検出することによって、溶融領域Mの形状に応じた信号強度を取得することが可能である。 The detection signals of the thermal radiant light LT, the plasma visible light LV, and the reflected light LR emitted from the molten region M largely reflect the state of the molten region M. Therefore, for example, by detecting the thermal radiation light LT, the visible light LV, and the reflected light LR in real time under specific processing conditions, it is possible to acquire the signal intensity according to the shape of the molten region M.

例えば、溶接幅や溶接長さに変化が生じた場合、変化した溶接幅や溶接長さに応じて各光センサ18〜20の検出信号の強度値に差が生じる。つまり、溶融面積の変化に応じて、溶融領域Mから放射される信号強度も変化する。このことを利用して光の信号強度から溶融領域Mの形状を推定したり、本来加工したい形状との差異が発生していることを把握することが可能である。例えば、予備実験で所望の溶融幅での溶接時に発生する光の強度を測定または算出して記憶しおいて、次に実際の溶接加工における光の強度と比較することにより、溶接状態をより精密に把握することができる。そして加工を終えた加工部分を測定し、この測定結果に基づいて検出した光の信号強度値と溶接幅の測定値とを関連付けることによって、溶融面積に基づいた測定結果を検出することが可能となる。 For example, when the welding width or the welding length is changed, the strength value of the detection signal of each optical sensor 18 to 20 is different depending on the changed welding width or the welding length. That is, the signal intensity radiated from the melting region M also changes according to the change in the melting area. By utilizing this, it is possible to estimate the shape of the molten region M from the signal intensity of light and to grasp that there is a difference from the shape originally desired to be processed. For example, by measuring or calculating and storing the intensity of light generated during welding at a desired melt width in a preliminary experiment, and then comparing it with the intensity of light in actual welding, the welding state can be made more precise. Can be grasped. Then, by measuring the machined part that has been machined and associating the signal intensity value of the light detected based on this measurement result with the measured value of the welding width, it is possible to detect the measurement result based on the melted area. Become.

一般に、溶接部分の形状は接合強度に大きく影響するため、溶接状態と検出信号との関係が精度良く測定可能になると、溶接時の接合外れといった不良を低減でき、製品の品質安定化が可能である。 In general, the shape of the welded part greatly affects the joint strength, so if the relationship between the welded state and the detection signal can be measured accurately, defects such as joint detachment during welding can be reduced and the quality of the product can be stabilized. be.

また、各光センサ18〜20で測定した信号波形と、溶接部分の形状測定結果との相関関係を機械学習により学習させることにより、溶接形状の特定が可能となる。この場合、ある溶接加工において、例えば、溶融幅、溶融長さ、溶接不良の有無などの溶接結果を、光センサ18〜20で測定した信号波形とともに教師データセットとする。そして、信号波形と溶接結果との相関関係を学習する。こうした機械学習は、演算ユニットPCで実行してもよく、あるいはネットワークで接続された外部コンピュータで実行してもよい。 Further, the weld shape can be specified by learning the correlation between the signal waveform measured by each of the optical sensors 18 to 20 and the shape measurement result of the welded portion by machine learning. In this case, in a certain welding process, for example, the welding results such as the melt width, the melt length, and the presence or absence of welding defects are used as a teacher data set together with the signal waveforms measured by the optical sensors 18 to 20. Then, the correlation between the signal waveform and the welding result is learned. Such machine learning may be executed on the arithmetic unit PC, or may be executed on an external computer connected by a network.

また、例えば、不良現象と測定データを関連付けて閾値判定することにより、不良現象の原因を特定することが可能となる。また、機械学習を用いて測定データと、溶接時に発生する現象を関連付けて学習することにより、溶融領域Mの状態をより精度良く判定することが可能となり、さらにディスプレイ上に表示することにより設備や加工条件の改善活動に繋げることが可能となる。即ち、溶接不良の具体的な要因と、本開示による熱放射光LT、可視光LV、反射光LRの信号波形を一例とした溶接状態に関する物理量とを教師データセットとして機械学習により学習させることにより、信号波形と溶接不良の要因との相関関係を学習できる。 Further, for example, the cause of the defective phenomenon can be identified by associating the defective phenomenon with the measurement data and determining the threshold value. In addition, by learning by associating the measurement data with the phenomenon that occurs during welding using machine learning, it is possible to determine the state of the molten region M more accurately, and by displaying it on the display, the equipment and equipment can be used. It will be possible to lead to activities to improve processing conditions. That is, by learning the specific factors of the welding failure and the physical quantities related to the welding state using the signal waveforms of the heat radiation LT, the visible light LV, and the reflected light LR according to the present disclosure as an example by machine learning as a teacher data set. , You can learn the correlation between the signal waveform and the cause of poor welding.

測定方法に関して、加工部の温度、加工部からの熱放射光量、加工部の可視光量、被加工物の振動量などがあり、複数選択して測定してもよい。 Regarding the measuring method, there are the temperature of the machined part, the amount of heat radiated light from the machined part, the amount of visible light of the machined part, the vibration amount of the workpiece, and the like, and a plurality of them may be selected and measured.

図7は、反射光量と溶接品質との相関関係の一例を示す説明図である。図7(A)は、反射光量の時間変化を示すグラフであり、図7(B)は、レーザ出力の時間変化を示すグラフである。 FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of the correlation between the amount of reflected light and the welding quality. FIG. 7A is a graph showing the time change of the reflected light amount, and FIG. 7B is a graph showing the time change of the laser output.

図7(B)のプロファイルPLは、被加工物Wに照射されるレーザ光の出力を示す。ここでは、時刻t1でレーザ出力がオンになり、時刻t2から時刻t6までレーザ出力が一定で、時刻t8でオフになる場合を例示するが、加工条件に応じてプロファイルPLの形状を経時的に変化させることにより、スパッタの抑制も可能である。 The profile PL in FIG. 7B shows the output of the laser beam applied to the workpiece W. Here, an example is illustrated in which the laser output is turned on at time t1, the laser output is constant from time t2 to time t6, and turned off at time t8, but the shape of the profile PL is changed over time according to the processing conditions. By changing it, it is possible to suppress spatter.

レーザ出力の上昇に伴い、反射光量が増加する。レーザ出力が安定している場合、溶接形状も安定して形成されていれば、信号波形は一定の出力となる。レーザ出力の低下に伴い、反射光量も減少する。そのため、反射光量の時間変化は、レーザ出力波形に類似した形状となる。 As the laser output increases, the amount of reflected light increases. When the laser output is stable and the weld shape is also stable, the signal waveform becomes a constant output. As the laser output decreases, the amount of reflected light also decreases. Therefore, the time change of the reflected light amount has a shape similar to the laser output waveform.

図7(A)のプロファイルP1は、遮光部材21を使用した場合の反射光プロファイルである。光ビームLBが集光レンズ5で反射した表面反射光を遮光部材21で抑制することによって、光ビームLBの反射光LRの成分を高いS/N比で測定することが可能になり、その結果、溶接形状の変化が信号波形の変化として大きく反映していることが判る。 The profile P1 in FIG. 7A is a reflected light profile when the light-shielding member 21 is used. By suppressing the surface reflected light reflected by the light beam LB by the condenser lens 5 by the light shielding member 21, it becomes possible to measure the component of the reflected light LR of the light beam LB at a high S / N ratio, and as a result. It can be seen that the change in the weld shape is largely reflected as the change in the signal waveform.

そのため、例えば、レーザ加工時の条件を様々に変更しながら溶接を行って反射光の信号強度を事前に取得しておいて、信号強度の数値に上限および下限を設定し、実際の加工で得られる信号強度の数値に応じて定量的に加工条件を予測し評価することが可能である。また、例えば、溶接時に溶融領域Mで穴あきが発生した場合、穴あき発生時に瞬間的に反射光の信号強度が上がることから、加工時の反射光の瞬間的ピークを検出することによって、穴あきの原因がリアルタイムで評価可能となる。 Therefore, for example, welding is performed while changing various conditions during laser machining to obtain the signal strength of the reflected light in advance, and the upper and lower limits are set for the numerical value of the signal strength, which is obtained by actual machining. It is possible to quantitatively predict and evaluate the machining conditions according to the numerical value of the signal strength. Further, for example, when a hole is formed in the molten region M during welding, the signal intensity of the reflected light is instantaneously increased when the hole is generated. Therefore, by detecting the instantaneous peak of the reflected light during processing, the hole is formed. The cause of the space can be evaluated in real time.

図7(A)のプロファイルP2は、遮光部材21を使用しない場合の反射光プロファイルである。光ビームLBが集光レンズ5で反射した表面反射光が光センサ20で受光されるため、溶融領域Mから放射される光の検出感度は減少する。そのため、信号強度への外乱の影響により加工部近傍での検出精度が減少する。 The profile P2 in FIG. 7A is a reflected light profile when the light shielding member 21 is not used. Since the surface reflected light reflected by the light beam LB by the condenser lens 5 is received by the light sensor 20, the detection sensitivity of the light emitted from the molten region M is reduced. Therefore, the detection accuracy in the vicinity of the machined portion is reduced due to the influence of the disturbance on the signal strength.

こうした溶接異常の原因としては、例えば、スパッタの発生、ヒュームの発生、プラズマの発生、レーザ出力変動、スポット径変動、レーザ照射時間変動、及び被加工物Wに起因した変動など、既知の不良原因が挙げられる。 Known causes of welding abnormalities include, for example, spatter generation, fume generation, plasma generation, laser output fluctuation, spot diameter fluctuation, laser irradiation time fluctuation, and fluctuation caused by the workpiece W. Can be mentioned.

溶接不良の一例として、複数の被加工物Wを重ね合わせた際の隙間不良がある。重ね合わせた方向からレーザ光6を照射し、複数の被加工物W同士を溶接する重ね合わせ溶接を行う場合に複数の被加工物W同士を密着させたほうがよい。その理由は、レーザ溶接中の熱る変形や、被加工物Wに加工前から残留する歪などに起因して、被加工物Wの間に隙間があると、被加工物W同士の未接合や接合部の強度不足などの問題が発生するためである。被加工物W同士に隙間があった場合には、溶融領域Mが、一方の被加工物Wを貫通して前記隙間まで抜けた状態となる。さらに、隙間が発生すると、レーザ光が隙間で散乱することから、溶融領域Mの形状も変化し、溶接幅が狭くなる。そのため、熱放射光や反射光強度の低下が見られる。 As an example of welding failure, there is a gap defect when a plurality of workpieces W are overlapped. When performing superposition welding in which a plurality of workpieces W are welded by irradiating a laser beam 6 from the overlapping direction, it is preferable to bring the plurality of workpieces W into close contact with each other. The reason is that if there is a gap between the workpieces W due to thermal deformation during laser welding, strain remaining in the workpiece W from before machining, etc., the workpieces W are not joined together. This is because problems such as insufficient strength of the joints occur. When there is a gap between the workpieces W, the molten region M penetrates one of the workpieces W and comes out to the gap. Further, when a gap is generated, the laser beam is scattered in the gap, so that the shape of the molten region M also changes and the welding width becomes narrow. Therefore, a decrease in the intensity of heat radiated light and reflected light is observed.

このため、重ね合わせ溶接の場合には、反射光強度の低下により被加工物W同士の隙間の発生を推測することができる。そのため反射光の強度低下を感度良く測定することが必要である。 Therefore, in the case of superposition welding, it is possible to infer the occurrence of gaps between the workpieces W due to the decrease in the reflected light intensity. Therefore, it is necessary to measure the decrease in the intensity of the reflected light with high sensitivity.

上述したように、本開示によれば、被加工物の表面において少なくとも2つの測定領域を設定し、溶融領域から発生する光を検出することにより、溶接状態を精度良く監視することが可能である。これにより溶接品質を精度良く評価することが可能となり、オペレータの熟練度に依存せずに溶接の異常予知が可能となる。これにより異常に対する早期対応が可能になり、不良数の減少、装置ダウンタイムの低減、生産性の向上が図られる。 As described above, according to the present disclosure, it is possible to accurately monitor the welding state by setting at least two measurement regions on the surface of the workpiece and detecting the light generated from the molten region. .. This makes it possible to evaluate the welding quality with high accuracy, and it is possible to predict welding abnormalities without depending on the skill level of the operator. This enables early response to abnormalities, reduces the number of defects, reduces equipment downtime, and improves productivity.

また本開示によれば、光ビームが集光レンズの表面で反射する光を減衰させる遮光部材を設けることによって、光センサに入射するノイズ光が大きく減衰する。そのため、被加工物の溶接状態を精度良く監視することが可能である。 Further, according to the present disclosure, by providing a light-shielding member that attenuates the light reflected by the light beam on the surface of the condenser lens, the noise light incident on the optical sensor is greatly attenuated. Therefore, it is possible to accurately monitor the welded state of the workpiece.

本開示は、レーザ加工状態を高精度で監視することができる点で産業上極めて有用である。 The present disclosure is extremely useful in industry in that the laser machining state can be monitored with high accuracy.

1: レーザ発振器
2: 光ファイバ
3: 鏡筒
4: コリメートレンズ
5: 集光レンズ
7,8: 部分反射ミラー
9: レーザ出力センサ
10,15〜17: 集光レンズ
11: 撮像カメラ
12,13: 部分反射ミラー
14: 反射ミラー
18〜20: 光センサ
21: 遮光部材
21a,21b: 支持部材
LB: 光ビーム
LW: 溶接光
M: 溶融領域
PC: 演算ユニット
W: 被加工物
1: Laser oscillator 2: Optical fiber 3: Lens barrel 4: Collimating lens 5: Condensing lens 7, 8: Partial reflection mirror 9: Laser output sensor 10, 15 to 17: Condensing lens 11: Imaging camera 12, 13: Partial reflection mirror 14: Reflection mirror 18 to 20: Optical sensor 21: Light-shielding member 21a, 21b: Support member LB: Optical beam LW: Welding light M: Melting area PC: Calculation unit W: Work piece

Claims (7)

集光されたレーザ光を被加工物に照射し、該被加工物の表面上に溶融領域を形成するレーザ加工装置であって、
前記レーザ光を前記被加工物の表面に集光する集光レンズと、
前記レーザ光の照射中に前記被加工物から到来する光を検出する光検出部と、
前記集光レンズと前記光検出部との間に設けられ、前記レーザ光が前記集光レンズの表面で反射する光を減衰させる遮光部材と、を備えるレーザ加工装置。
A laser processing device that irradiates a work piece with focused laser light to form a molten region on the surface of the work piece.
A condenser lens that concentrates the laser beam on the surface of the workpiece,
A photodetector that detects light coming from the workpiece during irradiation with the laser beam,
A laser processing apparatus including a light-shielding member provided between the condenser lens and the light detection unit to attenuate the light reflected by the laser beam on the surface of the condenser lens.
前記被加工物から到来する光は、前記溶融領域から放射される熱放射光、前記溶融領域から放射される可視光、および前記被加工物から反射する反射光のうちの少なくとも1つである、請求項1に記載のレーザ加工装置。 The light arriving from the workpiece is at least one of thermal radiation emitted from the molten region, visible light emitted from the molten region, and reflected light reflected from the workpiece. The laser processing apparatus according to claim 1. 前記遮光部材は、前記集光レンズの光軸の延長上に位置決めされる、請求項1または2に記載のレーザ加工装置。 The laser processing device according to claim 1 or 2, wherein the light-shielding member is positioned on an extension of the optical axis of the condenser lens. 前記集光レンズと前記遮光部材との間に設けられ、前記レーザ光が前記集光レンズの表面で反射した光を集光するための表面反射集光レンズをさらに備える、請求項3に記載のレーザ加工装置。 The third aspect of claim 3, further comprising a surface-reflecting condensing lens provided between the condensing lens and the light-shielding member for condensing the light reflected by the laser beam on the surface of the condensing lens. Laser processing equipment. 前記レーザ光は、予め定めた走査方向に沿って走査され、
前記遮光部材は、少なくとも1つの不透明な線状の支持部材で支持され、該支持部材は、前記走査方向に対して非平行であるように配置される、請求項3または4に記載のレーザ加工装置。
The laser beam is scanned along a predetermined scanning direction.
The laser processing according to claim 3 or 4, wherein the light-shielding member is supported by at least one opaque linear support member, and the support member is arranged so as to be non-parallel to the scanning direction. Device.
前記遮光部材は、少なくとも1つの透明な板状の支持部材で支持され、該支持部材の表面には、前記レーザ光の波長以外の光の反射率を低減する反射防止コーティングが施される、請求項3または4に記載のレーザ加工装置。 The light-shielding member is supported by at least one transparent plate-shaped support member, and the surface of the support member is provided with an antireflection coating that reduces the reflectance of light other than the wavelength of the laser beam. Item 3. The laser processing apparatus according to Item 3. 前記光検出部から出力される検出信号に基づいて、前記溶融領域の溶融状態を推定する演算部をさらに備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。 The laser processing apparatus according to any one of claims 1 to 6, further comprising an arithmetic unit for estimating a melting state of the melting region based on a detection signal output from the photodetecting unit.
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