JP2003334679A - レーザ溶接の診断装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数成分が複雑に重なった音が発生する溶
接の場合、あるいは連続した溶接を行う場合においても
適正な品質判定ができるレーザ溶接の診断装置を提供す
る。 【解決手段】 レーザ溶接の溶接箇所で発生する溶接音
を集音し、集音された溶接音を電気信号に変換するマイ
クロフォン３、マイクロフォン３により変換され増幅器
４で増幅された電気信号を周波数帯ごとの時系列信号に
変換るすバンドバスフィルタ５及び波形成形器６、波形
成形器６により変換された時系列信号の変化を抽出する
特徴抽出器７、特徴抽出器７により抽出された時系列信
号の変化と該時系列信号の変化に対する基準値設定器９
に格納された閾値とを比較し溶接の良否を判断する比較
器８を備えたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接におい
て、溶接個所から発生する音を検出し、検出した音信号
の変化に基づいて溶接の欠陥検出を行うレーザ溶接の診
断装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図７は、特開平１１−１４７１８９号公
報に記載されたレーザ溶接欠陥検出装置を示す構成図で
ある。図において、１はレーザ溶接器、２は溶接対象の
ワーク、３はマイクロホン、１１は表示装置、１２は溶
接状態判定処理装置、１３は記憶装置、１４は吸音材、
１５はレーザ反射ミラー、１６は集光レンズ、１７はレ
ーザトーチである。

【０００３】上記図７に示した構成において、レーザ溶
接器１から発生されたレーザ光は伝送ファイバでレーザ
トーチ１７内へ導入され、導入されたレーザ光は、レー
ザ反射ミラー１５及び集光レンズ１７を通って、レーザ
トーチ１７の下端開口部からワーク２に照射され、溶接
が行われる。

【０００４】一方、ワーク２の溶接箇所から発生される
溶接音はマイクロホン３で集音され、集音された音信号
は電圧変換されて溶接状態判定処理装置１２に出力され
る。溶接状態判定処理装置１２はマイクロホン３から入
力された電圧信号に基づいて欠陥検出等の判定処理を行
い、その処理結果は表示装置１１に表示され、記憶装置
１３に記憶される。

【０００５】図８は、溶接状態判定処理装置１２の構成
を示す図である。溶接状態判定処理装置１２では、マイ
クロホン３から入力された電圧信号はＡ／Ｄコンバータ
１２ａでデジタル信号に変換され、ＣＰＵ１２ｂ、高速
信号処理プロセッサ１２ｃで予め定められた処理アルゴ
リズムに従って欠陥検出等の溶接状態の良否判定をオン
ラインで行う。

【０００６】高速信号処理プロセッサ１２ｃでは、検出
した溶接音から得られる音信号の工程に基づいて良否判
定を行う。例えば、溶接音による音信号は、溶接が良好
に行われている場合には、溶接不良状態で発生される溶
接音による音信号に比べて高くなる。したがって、溶接
音による音信号に下限値と上限値を設定し、音信号が上
記下限値と上記上限値との間の範囲にある場合に良好と
判定し、上記範囲から外れている場合には不良と判定す
る。

【０００７】また、レーザトーチ１７は、その下部がワ
ーク２の溶接箇所を覆うように位置しているために溶接
音はレーザトーチ１７内部に進入するが、進入した溶接
音の中でレーザトーチ１７の内へ器に当たるものは吸音
材１４で吸収されるため、溶接音の反射、共鳴は抑制さ
れ、レーザトーチ１７上部に進入する溶接音をマイクロ
ホン３で検出することになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように構成された従来のレーザ溶接欠陥検出装置は、マ
イクロホンで検出された溶接音全体で評価するため、周
波数成分が複雑に重なった音が発生する溶接の場合、適
正な品質判定ができないという問題があった。

【０００９】また、連続した溶接を行うと、溶接音が徐
々に変化するため、単に下限値と上限値だけでは適正な
品質判定ができないという問題があった。

【００１０】本発明は、上記のような問題を解決するた
めになされたものであり、周波数成分が複雑に重なった
音が発生する溶接の場合、あるいは連続した溶接を行う
場合においても適正な品質判定ができるレーザ溶接の診
断装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ溶接
の診断装置は、レーザ溶接の溶接箇所で発生する溶接音
を集音する集音手段、該集音手段により集音された溶接
音を電気信号に変換する溶接音電気信号変換手段、該溶
接音電気信号変換手段により変換された電気信号を周波
数帯ごとの時系列信号に変換する電気信号時系列信号変
換手段、該電気信号時系列信号変換手段により変換され
た時系列信号の変化を抽出する時系列信号変化抽出手
段、該時系列信号変化抽出手段により抽出された時系列
信号の変化と該時系列信号の変化に対する閾値とを比較
し溶接の良否を判断する比較判断手段を備えたものであ
る。

【００１２】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離するバンドパスフィルタと該
バンドパスフィルタから出力される周波数帯の信号の変
化成分を抽出する波形成形器とを備えたものである。

【００１３】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換するウ
ェーブレット変換器であるものである。

【００１４】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換する短
時間ＦＦＴであるものである。

【００１５】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号の周期性の特徴を抽出する特徴抽出器であるもので
ある。

【００１６】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号の時間的偏差量を算出する偏差抽出器であるもので
ある。

【００１７】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号のパターンを認識してマハラノビス距離を算出する
マハラノビス距離演算器であるものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を図
に基づいて説明する。 実施の形態１．図１は、本発明に係るレーザ溶接の診断
装置の実施の形態１を示す構成図である。

【００１９】図において、１はレーザ溶接器、２は溶接
対象のワーク、３はレーザ溶接器１からワーク２にレー
ザ光を照射し溶接する際に発生する溶接音を集音する集
音手段と集音した溶接音を電気信号に変換する溶接音電
気信号変換手段を兼ねたマイクロホン、４はマイクロホ
ン３で変換された電気信号を増幅する増幅器、５は増幅
器から得られる信号を必要周波数帯に分離するバンドパ
スフィルタ、６はバンドパスフィルタ５から得られる周
波数帯の信号の変化成分を抽出する波形成形器であり、
増幅器４、バンドパスフィルタ５及び波形成形器６によ
り溶接音電気信号変換手段により変換された電気信号を
周波数帯ごとの時系列信号に変換する電気信号時系列信
号変換手段を構成している。

【００２０】７は時系列信号の変化を抽出する時系列信
号変化抽出手段であり、ここでは波形成形器６の信号か
ら前もって設定した周期性により特徴を抽出する特徴抽
出器７を用いている。８は特徴抽出器７の出力と基準値
設定器９に格納された閾値とを比較する比較器であり、
比較器８及び基準値設定器９により、溶接の良否を比較
判断する比較判断手段を構成している。１０は比較器８
から出力される比較結果を基にデータを保存するデータ
保存装置、１１は表示装置である。

【００２１】次に、図１の構成における動作について、
検出・演算の過程を示す図６を参照して説明する。な
お、演算は、アナログのバンドパスフィルタでも、その
他の周波数分析の機能を有する手法であってもよい。

【００２２】レーザ溶接器１からワーク２にレーザ光を
照射し溶接すると、溶接状態に応じて溶接音が発生し、
人の耳には「バチバチ」といったように聞こえる。発生
した溶接音をマイクロホン３で電気信号に変換し、増幅
器４で適当な利得を与える（図６（１）参照）。

【００２３】増幅器４で増幅された信号を一定の周波数
帯を通過させるように設定されたバンドパスフィルタ５
に入力し、周波数帯の時系列信号に分離する。バンドパ
スフィルタ５は、例えば、溶接時に発生する主要周波数
成分である２ｋＨｚを設ける（図６（２）参照）。

【００２４】バンドパスフィルタ５で周波数帯毎に分離
された時系列信号は波形成計器６で実効値計算し直流信
号に変換される（図６（３）参照）。

【００２５】溶接に欠陥があると、上記主要周波数成分
が瞬間的に小さくなる。主要周波数成分が小さくなった
時、人の耳には、違った響きに聞こえるが、溶接音には
他の周波数成分が多量に含まれているため、図６（１）
に示したように、増幅器４からの出力だけでは、主要周
波数成分が小さくなったことを判断するのは難しい。し
かし、図６（３）に示したように、単一の周波数成分を
抽出した波形成形器６からの出力は、明確に主要周波数
成分が小さくなったことを判断することができる。この
ように、周波数帯域ごとに時系列で判断した結果は、人
の聴覚による判断と合致し、同等であることを示してい
る。

【００２６】特徴抽出器７は、図６（４）に示したよう
に、波形成形器６の出力から、最大値、最小値、実効
値、平均値、尖度、歪度等の特徴量を計算する。

【００２７】比較器８は、特徴抽出器７で計算された特
徴量と、事前に特徴量の閾値を設定した基準値設定器９
の設定値と比較し、判定し、保存装置１０に判定結果及
び時系列信号を保存するとともに、表示装置１１に判定
結果を表示し外部に診断結果を知らせる。

【００２８】以上のように、本実施の形態によれば、周
波数成分が複雑に重なった音が発生するような場合にお
いても、溶接音を周波数帯域ごとの時系列信号に変換し
て変動を評価することによって、人の聴覚と近似な評価
ができ、省力化することができる。

【００２９】実施の形態２．図２は、本発明に係るレー
ザ溶接の診断装置の実施の形態２を示す構成図であり、
図において図１と同一符号は同一部分または相当部分を
示す。

【００３０】本実施の形態においては、増幅器４から得
られる信号を必要周波数帯に分離し、エネルギー量に変
換するウエーブレット変換器（Ｗａｖｅｌｅｔ Ｔｒａ
ｎｓｆｏｒｍ）５ａを電気信号時系列信号変換手段とし
て用いている。

【００３１】本実施の形態における主要な動作は上記実
施の形態１と同様であり、ウエーブレット変換器５ａ
は、図１に示したバンドパスフィルタ５と波形成形器６
の動作をデジタル処理で実現している。

【００３２】ウエーブレット変換器５ａは、その解析演
算により、実効値を算出するため、波形成形器を設ける
必要がないので、レーザ溶接の診断装置を小型化するこ
とができる。

【００３３】また、ウエーブレット変換器５ａは、基底
関数を拡大あるいは縮小することにより、デジタル音信
号を周波数毎の時系列信号に分離する。この際、溶接状
況や検出したい欠陥の現象に合わせて適切な基底関数を
選択することにより周波数の分離特性が向上し、判定の
信頼性を向上させることができる。

【００３４】実施の形態３．図３は、本発明に係るレー
ザ溶接の診断装置の実施の形態３を示す構成図であり、
図において図１と同一符号は同一部分または相当部分を
示す。

【００３５】本実施の形態においては、増幅器４から得
られる信号を必要周波数帯に分離し、エネルギー量に変
換する短時間ＦＦＴ（ＳＴＦＴ：Ｓｈｏｒｔ Ｔｉｍｅ
Ｆｏｕｒｉｅｒ−Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）５ｂを電気信
号時系列信号変換手段として用いている。

【００３６】本実施の形態における主要な動作は上記実
施の形態１と同様であり、短時間ＦＦＴ５ｂは、図１に
示したバンドパスフィルタ５と波形成形器６の動作をデ
ジタル処理で実現している。

【００３７】短時間ＦＦＴ５ｂは、高速で処理ができる
ため多くの抽出周波数を判定することができる。

【００３８】また、短時間ＦＦＴ５ｂは、その解析演算
により、実効値を算出するため、波形成形器を設ける必
要がないので、レーザ溶接の診断装置を小型化すること
ができる。

【００３９】また、短時間ＦＦＴ５ｂは、フーリエ変換
を短時間毎に繰り返し演算することで、デジタル音信号
を周波数毎の時系列信号に分離する。この際、フーリエ
変換は周波数成分の分解能が高いことから溶接状況や検
出したい欠陥の現象により、周波数の微小な違いを検出
し、判定の信頼性を向上させることができる。

【００４０】実施の形態４．図４は、本発明に係るレー
ザ溶接の診断装置の実施の形態４を示す構成図であり、
図において図１、図２及び図３と同一符号は同一部分ま
たは相当部分を示している。

【００４１】本実施の形態においては、上記実施の形態
１、２及び３における特徴抽出器７に代えて、波形成形
器６から得られる時系列信号の変化量を演算する偏差抽
出器７ａを時系列信号の変化を抽出する時系列信号変化
抽出手段として用いている。

【００４２】本実施の形態における主要な動作は、上記
実施の形態１、２及び３と同様である。以下に、上記実
施の形態１における特徴抽出器７に代えて、偏差抽出器
７ａを用いた場合について説明する。

【００４３】ワーク２を連続して溶接する場合、波形成
形器６から出力される時系列信号が徐々に変化する。し
たがって、溶接開始時と終了時に同じ閾値で溶接状態を
判定しようとすると、判定精度が低下してしまう。

【００４４】偏差抽出器７ａは、波形成形器６から出力
された時系列信号の直前、例えば１秒間のデータを平均
し、その平均値と新規データとの差を求め、偏差量を評
価する。

【００４５】比較器８は、偏差抽出器７ａで計算された
偏差量と、事前に偏差量の閾値を設定した基準値設定器
９の設定値と比較し、判定し、保存装置１０に判定結果
及び時系列信号を保存するとともに、表示装置１１に判
定結果を表示し、外部に診断結果を知らせる。

【００４６】このように、波形成形器６から出力された
時系列信号の偏差量を評価することによって、時系列信
号が徐々に変化してもその影響を受けることなく、精度
の高い判定ができる。

【００４７】なお、上記動作の説明は上記実施の形態１
を基にして説明したが、上記実施の形態２及び３を基に
した場合も同様である。

【００４８】実施の形態５．図５は、本発明に係るレー
ザ溶接の診断装置の実施の形態５を示す構成図であり、
図において図１、図２及び図３と同一符号は同一部分ま
たは相当部分を示している。

【００４９】溶接の欠陥を判断する場合、正常に溶接で
きた場合の波形成形器６から出力された多数の時系列信
号を基に特徴量あるいは偏差量を求め統計的に閾値を決
定する。したがって、閾値を決定するまでの労力を必要
とする。しかし、溶接方法や溶接対象の種類が変わる
と、閾値を再度設定し直す必要がある。本実施の形態は
上記のような労力を軽減するものである。

【００５０】本実施の形態においては、上記実施の形態
１、２及び３における特徴抽出器７に代えて、マハラノ
ビス演算器７ｂを時系列信号の変化を抽出する時系列信
号変化抽出手段として用いている。

【００５１】マハラノビス演算器７ｂは、パターン認識
の結果をマハラノビス距離として数値で求めるものであ
り、時系列信号の正常データのパターンと、新たに出力
される時系列信号のパターンとを比較してマハラノビス
距離を求める。

【００５２】本実施の形態における主要な動作は、上記
実施の形態１、２及び３と同様である。以下に、上記実
施の形態１における特徴抽出器７に代えて、マハラノビ
ス演算器７ｂを用いた場合について説明する。

【００５３】マハラノビス演算器７ｂは、波形成形器６
から出力された時系列信号のパターンと基準値として求
めた時系列信号のパターンとを比較して、パターンの差
を距離（数値）で評価するものであるので、パターンの
差が小さい場合、すなわちマハラノビス距離が設定値に
近い場合は「軽い欠陥」、パターンの差が大きい場合、
すなわちマハラノビス距離が設定値から遠くはなれてい
る場合は「ひどい欠陥」というような判断をすることが
できる。

【００５４】比較器８は、マハラノビス演算器７ｂで計
算されたマハラノビス距離と、事前にマハラノビス距離
の閾値を設定した基準値設定器９の設定値と比較し、判
定し、保存装置１０に判定結果及び時系列信号を保存す
るとともに、表示装置１１に判定結果を表示し、外部に
診断結果を知らせる。

【００５５】以上のように、本実施の形態はマハラノビ
ス距離、すなわちパターンの差を閾値とするものである
ので、溶接方法や溶接対象の種類が変わっても、閾値自
体は変更する必要はなく、変更された溶接方法や溶接対
象の時系列信号の正常データのパターンを集めるだけで
よい。

【００５６】なお、上記動作の説明は上記実施の形態１
を基にして説明したが、上記実施の形態２及び３を基に
した場合も同様である。

【００５７】

【発明の効果】本発明に係るレーザ溶接の診断装置によ
れば、レーザ溶接の溶接箇所で発生する溶接音を集音す
る集音手段、該集音手段により集音された溶接音を電気
信号に変換する溶接音電気信号変換手段、該溶接音電気
信号変換手段により変換された電気信号を周波数帯ごと
の時系列信号に変換する電気信号時系列信号変換手段、
該電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号の変化を抽出する時系列信号変化抽出手段、該時系
列信号変化抽出手段により抽出された時系列信号の変化
と該時系列信号の変化に対する閾値とを比較し溶接の良
否を判断する比較判断手段を備えたものであるので、周
波数成分が複雑に重なった音が発生するような場合にお
いても、人の聴覚と近似な評価ができ、省力化すること
ができる。

【００５８】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離するバンドパスフィルタと該
バンドパスフィルタから出力される周波数帯の信号の変
化成分を抽出する波形成形器とを備えたものであるの
で、周波数成分が複雑に重なった音が発生するような場
合においても、人の聴覚と近似な評価ができる。

【００５９】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換するウ
ェーブレット変換器であるものであるので、判定の信頼
性を向上させ、かつ、レーザ溶接の診断装置を小型化す
ることができる。

【００６０】また、上記電気信号時系列信号変換手段
は、上記溶接音電気信号変換手段により変換された電気
信号を必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換する短
時間ＦＦＴであるものであるので、判定の信頼性を向上
させ、かつ、レーザ溶接の診断装置を小型化することが
できる。

【００６１】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号の周期性の特徴を抽出する特徴抽出器であるもので
あるので、周波数成分が複雑に重なった音が発生するよ
うな場合においても、人の聴覚と近似な評価ができる。

【００６２】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号の時間的偏差量を算出する偏差抽出器であるもので
あるので、時系列信号が徐々に変化してもその影響を受
けることなく、精度の高い判定ができる。

【００６３】また、上記時系列信号変化抽出手段は、上
記電気信号時系列信号変換手段により変換された時系列
信号のパターンを認識してマハラノビス距離を算出する
マハラノビス距離演算器であるものであるので、溶接方
法や溶接対象の種類が変わっても、閾値自体は変更する
必要がなくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るレーザ溶接の診断装置の実施の
形態１を示す構成図である。

【図２】 本発明に係るレーザ溶接の診断装置の実施の
形態２を示す構成図である。

【図３】 本発明に係るレーザ溶接の診断装置の実施の
形態３を示す構成図である。

【図４】 本発明に係るレーザ溶接の診断装置の実施の
形態４を示す構成図である。

【図５】 本発明に係るレーザ溶接の診断装置の実施の
形態５を示す構成図である。

【図６】 実施の形態１における動作について、検出・
演算の過程を示す図である。

【図７】 従来のレーザ溶接の診断装置を示す構成図で
ある。

【図８】 従来の溶接状態判定処理装置の構成を示す図
である。

【符号の説明】

１ レーザ溶接器、２ 溶接対象のワーク、３ マイク
ロフォン、４ 増幅器、５ バンドパスフィルタ、５ａ
ウェーブレット変換器、５ｂ ＳＴＦＴ（短時間ＦＦ
Ｔ）、６ 波形成形器、７ 特徴抽出器、７ａ 偏差抽
出器、７ｂ マハラノビス演算器、８ 比較器、９ 基
準値設定器、１０ 保存装置、１１ 表示装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G047 AB07 BA04 BC07 CA04 EA10 GD02 GG06 GG08 GG12 GG17 4E068 CA17 CA18 CC00

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ溶接の溶接箇所で発生する溶接音
   を集音する集音手段、該集音手段により集音された溶接
   音を電気信号に変換する溶接音電気信号変換手段、該溶
   接音電気信号変換手段により変換された電気信号を周波
   数帯ごとの時系列信号に変換する電気信号時系列信号変
   換手段、該電気信号時系列信号変換手段により変換され
   た時系列信号の変化を抽出する時系列信号変化抽出手
   段、該時系列信号変化抽出手段により抽出された時系列
   信号の変化と該時系列信号の変化に対する閾値とを比較
   し溶接の良否を判断する比較判断手段を備えたことを特
   徴とするレーザ溶接の診断装置。
2. 【請求項２】 上記電気信号時系列信号変換手段は、上
   記溶接音電気信号変換手段により変換された電気信号を
   必要周波数帯に分離するバンドパスフィルタと該バンド
   パスフィルタから出力される周波数帯の信号の変化成分
   を抽出する波形成形器とを備えたことを特徴とする請求
   項１記載のレーザ溶接の診断装置。
3. 【請求項３】 上記電気信号時系列信号変換手段は、上
   記溶接音電気信号変換手段により変換された電気信号を
   必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換するウェーブ
   レット変換器であることを特徴とする請求項１記載のレ
   ーザ溶接の診断装置。
4. 【請求項４】 上記電気信号時系列信号変換手段は、上
   記溶接音電気信号変換手段により変換された電気信号を
   必要周波数帯に分離しエネルギー量に変換する短時間Ｆ
   ＦＴであることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接
   の診断装置。
5. 【請求項５】 上記時系列信号変化抽出手段は、上記電
   気信号時系列信号変換手段により変換された時系列信号
   の周期性の特徴を抽出する特徴抽出器であることを特徴
   とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ溶接
   の診断装置。
6. 【請求項６】 上記時系列信号変化抽出手段は、上記電
   気信号時系列信号変換手段により変換された時系列信号
   の時間的偏差量を算出する偏差抽出器であることを特徴
   とする請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ溶接
   の診断装置。
7. 【請求項７】 上記時系列信号変化抽出手段は、上記電
   気信号時系列信号変換手段により変換された時系列信号
   のパターンを認識してマハラノビス距離を算出するマハ
   ラノビス距離演算器であることを特徴とする請求項１な
   いし４のいずれかに記載のレーザ溶接の診断装置。