JPH03106581A - 突き抜けを音響的に検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は加工品のレーザ加工に関し、特にレーザを用
いて加工品に穴あけする際の突き抜けの判定に関する。

発明の背景 ３つの主要なレーザ加工技術、すなわち切断、溶接およ
び穴あけのうち、穴あけ（ドリリング）の制御が一番難
しい問題である。たとえば、航空機エンジン燃焼器およ
びアフターバーナの部品にレーザで穴をあける作業を考
えてみる。これらの部品は耐熱鋼合金からつくられ、壁
厚さが０．０２０〜０．０８０インチ（０．０５０８〜
０．２０３２ｃｍ＋）であるところに、０．０２０イン
チ（０．０５０８ＣＩ＋）の穴を数万個表面に対して２
０ｍにあける必要がある。現在、プロセス制御のために
穴の特性（直径、形状、再凝固層厚さなど）を検知する
実行可能な技術は２つしかない。すなわち空気流れ試験
とピン検査である。

空気流れ試験では、加工品を穴あけ装置から取り去り、
既知の差圧を加工品の両側にかける。こうして生じる空
気流れを測定して流れ抵抗の測定値を得る。そして、あ
けた穴の数がわかっているので、この測定値が穴あけ面
積の測定値、すなわちドリル穴の直径と形状の目安とな
る。この方法は、平均穴直径および形状については極め
て信頼できる方法であるが、かなり大きな集合の穴につ
いてしか信頼を置けず、流れ試験を行なっている間レー
ザ加工を行なうことができるという意味でリアルタイム
ではない。またこの測定値は、他の幾何学的特性、たと
えば再凝固層厚さ、穴テーパなどの信頼できる指標とは
ならない。

ピン検査では、穴あけを停止してから、順次直径が大き
くなるピンを穴に次々に挿入．する。レーザであけた穴
が真直ぐであることはほとんどなく、ピンを挿入しにく
いので、ビン検査は穴直径の指標としては近似にすぎな
い。ピン検査も他の幾何学的特性の信頼できる指標では
なく、リアルタイムな方法でもない。

光学的方法を用いてもよいが、これらの方法は測定の際
の角度や穴の長さなどから信頼できない。

さらに、穴の数が多いため光学的監視は困難である。

レーザであけた穴の直径などの特性の間接的な指標の１
つとして、「突き抜け時間Ｊ　　（ｂｒｏａｋｔｈｒｏ
ｕｇｈ　ｔｉ■ｅ）、すなわち全レーザパルス長さと比
較した突き抜けまでの部分の時間が考えられる。突き抜
け時間が長ければ、穴の直径はそれだけ小さい。突き抜
け後、レーザ光パルスがあけた穴を拡大するからである
。

したがって、この発明の目的はレーザ加工装置を監視す
ること、特にレーザ穴あけの際の突き抜け時間を判定す
ることにある。

発明の要旨 この発明による加工品のレーザ加工装置は、加工品にパ
ルスレーザ光を照射して加工品内に振動を起こさせる手
段と、加工品内の振動を音響的に監視する手段と、その
振動が変化するときを判定する手段とを備える。

この発明による加工品のレーザ加工方法は、加工品にバ
ルスレーザ光を当てて加工品を振動させ、加工品内の振
動を音響的に監視し、その振動が変化するときを判定す
る工程を含む。

実施例の記載 第１図はこの発明の１実施例を一部斜視図にて示すブロ
ック図である。１０はレーザ、たとえばＮｄ　ｒ　ＹＡ
Ｇ型のフェース●ボンブ・レーザ（ＦＰＬ−『ａｃａ　
ｐｕｍｐｏｄ　ｌａｓｏｒ）を示す。他の形式のレーザ
も使用できるが、ＦＰＬは高いエネルギー密度と、パル
ス間の集束しなおしを必要としない大きい披写界深度を
有し、パワーが大きいほどビームの品質が良くなるので
、ＦＰＬが好適である。さらにＮｄ：ＹＡＧは波長１．
０６μｍの出力を生じ、これは多数の材料を加工するの
に良好な波長である。レーザ１０は、電［１１から電力
供給され制御されるフラッシュ管（閃光管）のような励
起手段（図示せず）を有する。またレーザ１０には、フ
ォトダイオードのような光センサ１３を全反射空洞鏡の
外側に配置して光の漏れを監視する。このような鏡が実
際には「全」反射性ではないからである。センサ１３か
らの出力信号をコンピュータ２６に送る。レーザ１０か
らの出力光ビーム１２を平凸レンズ１４により光ファイ
バ１６に集束する。光ファイバ１６の両端を米国特許第
４，６７６，５８６号および第４，．６８１．３９６号
に示されているように調整し、入射または出射レーザ光
がファイバのクラッディングを傷つけないようにするの
が好ましい。所望に応じて、光マルチプレクサ、たとえ
ば米国特許第４，７３９．１６２号および米国特許出願
第９４４，７７１号（１９８６年１２月２２日出願）に
開示のものを使用して、複数の加工品位置の同時加工を
可能にすることができる。

光ファイバ１６を、米国特許第４．７９９．７５５号に
示されたような出力カップラ２０により加工品１８の近
くに保持するのが好ましい。平凸レンズ２１により光ビ
ームｌ２を加工品１８上に集束する。必要なら、あける
穴の所望の直径に応じて、レンズ２ｌをカップラ２０に
内蔵させたり、省略してもよい。また所望に応じてカッ
プラ２０をなくしてもよい。さらに、所望に応じて、レ
ーザ１０を加工品１８の近くに位置決めして、ビーム１
２を直接、すなわちレンズ１４、２１、光ファイバ１６
およびカップラ２０を通さずに加工品１８に入射させる
ことができる。カップラ２０を操作装置１９、たとえば
工作機械モデルＨＰ−１０５（米国サウスカロライナ州
クローバ所在のＳ．Ｅ，ハフマン社（Ｓ．Ｅ．１１ｕｒ
ｒｍａｎ　Ｃｏｒｐ．）製〉で支持する。所望に応じて
、カップラ２０を固定位置に位置決めし、加工品１８を
制御可能な位置決め装置に装着することができる。いず
れの実施例でも、カップラ２０に対する加工品１８の相
対的位置決めを制御できる。

加工品１８はたとえば鋼またはアルミニウムのような金
属、プラスチックまたは一般にインパルス励起されたと
きにレーザ穴あけにより誘起された振動を伝搬できる適
当な固体材料とすることができる。さらに、加工品１８
は静止でも、可動、たとえば回転可能でもよい。中空の
直円筒形として図示したが、加工品１８の形状はこれ以
外でもよい。

音響センサ２２、たとえば加速度計または接触型マイク
ロホンを加工品１８上に、または所望により、加工品１
８を支える支持板（図示せず）上に装着する。あるいは
また、マイクロホンを加工品ｌ８の近くに配置すること
ができるが、これは望ましくない周囲の雑音を拾うこと
になる。センサ２２からの信号を、エイリアシング防止
低域フィルタ（ＬＰＦ）２４に送る。このＬＰＦ２４の
遮断周波数は約１５０ｋＨｚであるが、他の周波数を用
いてもよい。加工品１８が回転している場合、スリップ
リング（図示せず）または遠隔測定法を川いて信号を音
響センサ２２からＬＰＦ２４に伝送することができる。

ＬＰＦ２　４の出力信号をコンピュータ２６に送る。コ
ンピュータ２６の出力信号を電源１１と操作装置１９に
送る。

作動時には、第３図に示すように、レーザ１０が発生す
る光パルス２８をセンサ１３で感知し、コンピュータ２
６に送る。また光パルス２８をカップラ２０から送り出
し、第２Ａ図に示すように加工品１８の材料を加熱し、
その部分を蒸発させ、その材料の高速乱流プラズマ３０
を噴出させ、こうして穴３２をあける。プラズマ３０と
溶融材料（図示せず〉が噴出する結果加工品１８の母材
（穴あけされていない部分〉に振動が生じる。

穴３２の特性、たとえば直径、再凝固層厚さなどはパル
ス２８のエネルギーに依存する。特に、突き抜け後にも
パルスが存在すると、穴の直径が拡大する。レンズ２１
がカップラ２０内部または外部に存在する場合、これら
の特性はレーザビームの焦点面の加工品１８上の位置に
も依存する。

特に、焦点面が加工品１８の表面上にあるときにあけら
れる穴の直径は、黒点面が表面より下にあるときより大
きい。

加工品１８は通常減衰性に乏しいので、乱流流れにより
加工品１８に振動が生じる。加工品１８内の音速は通常
早いので、この振動はセンサ２２により信号３４（第３
図）としてほぼ瞬時に捕えられる。突き抜け時には、第
２Ｂ図に示すように、加工品１９の材料はもはや多量に
蒸発せず、したかって振動および信号３４は大きく測定
可能な幅低下する。

コンピュータ２６は、１１１ｋＨｚの周波数で作動して
光センサ１３からの信号を変換するアナログーディジタ
ル・コンパータ（ＡＤＣ）を備える。他の周波数を用い
てもよい。次にＡＤ変換した信号を決定アルゴリズム、
たとえばしきい値処理に送る。この決定アルゴリズムは
レーザパルスの開始と停止を検出または判定することが
できる。

このアルゴリズムから得られたデータは光パルス長さｔ
１を表わす。

コンピュータ２６はＬＰＦ２４からの信号用のアナログ
ーディジタル・コンバータも備え、このコンバータは、
他の周波数でもよいが、たとえば３３３ｋＨｚのサンプ
リング周波数で作動する。

この場合、ＬＰＦ２４の遮断周波数は、ナイキストの定
理に従ってサンプリング周波数の１／２以下とする。コ
ンピュータ２６内で、ＬＰＦ２４からの振動データをデ
ィジタル化した後、ディジタルフィルタ●アルゴリズム
により演算する。このアルゴリズムは、１実施例では約
４０〜８０ｋＨｚの遮断周波数を有する帯域フィルタと
して作用する。これらの周波数が乱流の噴出流に基づく
振動により生じる。一般に、関心のある通過帯域は加工
品１８の材料および厚さ、レーザ光１２の波長、穴の幾
何形状、加工品１８を保持する治具の剛固さなどの関数
である。

帯域フィルタ，を通過した波形を、スペクトル解析を行
なう高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムで処理す
る。特定の実施例では、約４ｍｓのレーザパルス１つか
ら合計１５３６個のサンプルが得られた。最初の１２８
サンプルをＦＦＴアルゴリズムによりスペクトル解析す
る。つぎに２１サンプルのシフトを行ない、２１番目の
サンプルから出発して１２８サンプルをスペクトル解析
する。この過程を１５３６個のサンプルすべてを分析す
るまで繰り返す。

しきい値決定アルゴリズムをＦＦＴアルゴリズムから得
られた時相（テンボラル〉スペクトルデータに適用し、
突き抜けを判定する。これは、簡軍なしきい値レベルと
することができ、フィルタ通過周波数の最大予想振幅の
何分の１１たとえば半分に設定して、穴あけ中の特定の
時間にこれらの周波数が存在するかしないかを判定する
。このしきい値決定アルゴリズムからの出力データは音
響信号パルス長さ１，である。

第３図に音響信号３４およびレーザ光信号２８を示す。

コンピュータ２６はｔｔ　／ｔｄ比、すなわち突き抜け
時間を計算する。これは穴の直径の間接的測定値である
。この計算した突き抜け時間を、予めコンピュータ２６
のディスクに記憶された、以前の穴あけデータから得ら
れた予想突き抜け時間と比較する。

この情報に基づいて、制御信号を電源１ｌに送ってレー
ザパルスのエネルギーを制御し、また制御信号を操作装
置１９に送らて加工品１８とカップラ２０との間の相対
距離を変更する。この結果、加工品ｌ８に対する光パル
ス２８の焦点面が変わる。したがって、これら２つの変
数を変えることにより、次のレーザパルス２８の間に良
好な穴をあけることができる。特に、もしも実際の突き
抜け時間が予想突き抜け時間より長ければ（穴の直径が
小さすぎる）、レーザ１０のバルスパワーを増加し、焦
点面を加工品ｌ８の表面にもっと近づける。同様に、も
しも実際の突き抜け時間が予想突き抜け時間より短けれ
ば（穴の直径が大きすぎる〉、レーザ１０のパルスバワ
ーを減少させ、焦点面を加工品１８の表面よりもっと下
に配置する。

もちろん、レンズ２１がないときには、レーザパルスの
パワーだけを制御する。さらに、もしも突き抜け時間が
突然長くなったら、それは光学装置の欠損、たとえば光
ファイバ１６の欠損を示唆する。コンピュータ２６はこ
れを監視し、オペレータに警告信号を出すことができる
。

以上の説明は穴あけについて行なったが、この発明は他
の加工技術、たとえば表面肉盛り（クラッディング）、
熱処理、切断などにも使用できる。

これらの加工でも噴出材料が生成し、したがって加工品
１８に振動が生じるからである。この場合、特定周波数
の振動の停止以外の、音響特性、たとえば振動数の変化
を感知するようにコンピュータ２６をプログラムする。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の１実施例を一部斜視図として示すブ
ロック図、 第２Ａ図は穴あけ中にレーザビームが加工品に入射する
状態を示す概略図、 第２Ｂ図は突き抜けを示す概略図、そして第３図は穴お
よび突き抜け時に発生する信号を示す波形図である。 １０・・・レーザ、１１・・・電源、ｌ２・・・光ビー
ム、１３・・・光センサ、１６・・・光ファイバ、１８
・・・加工品、１９・・・操作装置、２０・・・カップ
ラ、２２・・・音響センサ、２４・・・低域フィルタ、
２６・・・コンピュータ、２８・・・レーザパルス、３
２・・・穴、３４・・・音響信号。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、加工品にパルスレーザ光を照射して加工品内に振動
   を起こさせる手段と、 加工品内の振動を音響的に監視する手段と、上記振動が
   変化するときを判定する手段とを備える加工品のレーザ
   加工装置。 ２、上記レーザ光を照射する手段がレーザ光の入射する
   第１端と第２端を有する光ファイバと、光ファイバの第
   ２端に連結され、加工品の近くに配置できる出力カップ
   ラとを含む請求項１に記載の装置。 ３、上記監視手段が加工品の上に装着できる加速度計を
   含む請求項１記載の装置。 ４、上記判定手段が振動をスペクトル解析する手段と、
   スペクトル成分が変化するときを決定するしきい値手段
   とを含む請求項１に記載の装置。 ５、上記判定手段が振動の特定帯域を通過させる帯域フ
   ィルタ手段を含む請求項４に記載の装置。 ６、上記帯域フィルタ手段の通過帯域が約４０〜８０ｋ
   Ｈｚである請求項５に記載の装置。 ７、さらに、レーザ内に配置でき、上記判定手段に接続
   された光センサを含む請求項４に記載の装置。 ８、上記判定手段が振動パルス長さ対レーザパルス長さ
   の比を測定する請求項７に記載の装置。 ９、さらに、レーザ光を焦点面に焦束する手段と、上記
   照射手段と加工品の間に相対運動を起こさせ、上記判定
   手段に接続されていて上記焦点面の位置を加工品に関し
   て変化させる手段と、レーザおよび判定手段に接続され
   、レーザ光のエネルギーを制御する制御可能な電源とを
   含む請求項１に記載の装置。 １０、加工品をパルスレーザで穴あけする際に突き抜け
   を判定する装置において、 穴あけにより加工品に生じる振動を音響的に監視する手
   段と、 その振動のスペクトル成分が変化するときを判定する手
   段とを備える突き抜け判定する装置。 １１、加工品にパルスレーザ光を当てて加工品を振動さ
   せ、 加工品内の振動を音響的に監視し、 上記振動が変化するときを判定する工程を含む加工品の
   レーザ加工方法。 １２、さらにレーザパルスのエネルギーおよび加工品上
   のレーザ光の焦点面を変える工程を含む請求項１１に記
   載の方法。 １３、上記判定する工程で、振動のスペクトル成分が変
   化するときを判定する請求項１１に記載の方法。 １４、上記判定工程で、振動のうち特定周波数の振動を
   通過させ、通過振動をスペクトル解析し、解析スペクト
   ルをしきい値処理する請求項１１に記載の方法。 １５、さらにレーザパルス長さを監視する工程を含む請
   求項１１に記載の方法。 １６、さらにレーザ光の焦点面の加工品に対する関係を
   変える工程を含む請求項１１に記載の方法。