JP2001219287A - レーザ溶接の監視方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】プラズマの光と観測器集光部の間の環境が変動
するような場合でも溶接状態を正確に判定することがで
きるレーザ溶接の監視方法を提供する。 【解決手段】溶接時に発生するレーザ誘起プラズマの光
を分光し、溶接欠陥の発生に関わる特定の元素の発光ス
ペクトルの強度と、この元素の発光スペクトルの波長に
近接する波長を持つ被溶接材の元素の発光スペクトルの
強度との強度比に応じて欠陥発生の有無を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接におけ
る溶接状態の監視方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接の溶接状態は、レーザ出力、
溶接速度などの基本的条件はもとより、焦点位置、シー
ルド状態および被溶接材の表面状態の微妙な変動などに
よって大きく変動する。したがって、健全なレーザ溶接
部を安定して得るためには、溶接状態の監視を行うこと
が不可欠である。

【０００３】このため、従来から、溶接部の監視方法は
種々開発されている。特に、溶接部のプラズマ状態を観
察し、これを監視に用いる方法は多い。例えば、特開平
１１−１０３３５号公報には、溶接部の光を波長フィル
タを通して正常な溶接品質を維持するのに必要な元素に
起因する波長成分、溶接品質に悪影響を与える元素に起
因する波長成分のうち、少なくとも１つの波長成分の波
長光を選択採取し、この１つまたは複数の特定波長の発
光強度を監視しながら、この発光強度に応じて溶接状況
の異常の有無を判断する方法が示されており、この方法
によれば、例えば、溶接部への酸素の混入が検出できる
としている。

【０００４】しかし、上記の方法では、溶接部と集光部
の間のフュームの量が時々刻々変化する場合や、湯気が
不規則に立ち上るような環境下では、取り込む信号強度
が予測の範囲を超えて変動するので、正確な溶接状態の
判定ができないという欠点がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、プラ
ズマの光と観測器集光部の間の環境が変動するような場
合においても、その溶接状態を正確に判定することがで
きるレーザ溶接の監視方法を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、上記の課題
を達成するために種々実験を行った。その結果、溶接時
に発生するプラズマの光を分光器を通して分光し、特定
の元素の発光スペクトルの強度と、この元素の発光スペ
クトルの波長に波長が近接する被溶接材の元素の発光ス
ペクトルの強度との比を監視し、その強度比を用いて基
準を設ければ、溶接部近傍の環境に左右されずにレーザ
溶接の状態を正確に判定しうることを知見した。

【０００７】上記の知見に基づく本発明の要旨は、次の
レーザ溶接の監視方法にある。

【０００８】金属材料のレーザ溶接状態の監視方法にお
いて、溶接時に発生するレーザ誘起プラズマの光を分光
し、溶接欠陥の発生に関わる特定の元素の発光スペクト
ルの強度と、この元素の発光スペクトルの波長に近接す
る波長を持つ被溶接材の元素の発光スペクトルの強度と
の比を監視し、この強度比に応じて溶接状態を判定する
溶接状態の監視方法。

【０００９】上記の本発明の方法によった場合、溶接部
近傍の環境に左右されずにレーザ溶接の状態を正確に判
定できるのは、次の理由による。

【００１０】一般的に、金属材料のレーザ溶接は、溶接
部をＨｅやＡｒ等の不活性ガスでシールドしつつ実施さ
れる。そのため、溶接状態が正常な場合には、発生する
プラズマは被溶接材である金属元素とＨｅやＡｒ等のシ
ールドガス元素のプラズマである。

【００１１】しかし、例えば、シールド状態に乱れが発
生して溶接部に大気を巻き込むと、大気の主成分である
ＯやＮのプラズマも発生する。したがって、プラズマの
光を分光分析してＯやＮ固有の発光スペクトル線を検出
できるようにしておけば、シールドガスへのこれらの混
入を検出することが可能である。

【００１２】次に、例えば、上述のようにＮが混入して
もそれが溶接欠陥発生の原因になるにはある程度以上の
量が必要であり、欠陥監視としては混入量も検出する必
要がある。レーザの入熱条件が一定の場合、シールドガ
ス中のＮ濃度とＮの発光スペクトル線の強度との関係は
ほぼ一定であるので、Ｎの発光強度を測定すればＮの混
入量を特定することが原理的には可能である。

【００１３】しかし、発光強度の測定値は、(1) プラズ
マ全体の発光強度が時々刻々大きく変動すること、(2)
プラズマの光を集光する光学系の構成、ヒューム、水蒸
気、湯気等の外乱要素および集光光学系の汚れ等の影響
を大きく受けることから、同一溶接条件に対しても、そ
の測定値は大きく変動する。このため、実際には発光強
度の値のみでＮ混入量の測定を行うことは困難である。

【００１４】ここで、いくつかの発光スペクトル強度の
比を評価する方法がある。しかし、この方法は、上記
(2) の発光強度の測定値への影響が波長によって異なる
ため、波長の大きく離れたスペクトル線の強度を比較し
ても、影響を受ける度合いが異なるので、強度比も上述
の影響因子の影響を大きく受ける。逆に、近接した波長
同士ならば影響を受ける度合いはほぼ等しく、近接波長
の測定値の比は、上述の影響因子の影響をほとんど受け
ない。このため、近接波長の発光強度の比は安定した測
定値となる。

【００１５】さらに、互いに比較する近接波長の選択に
関しては、例えば、上述のようなＮの混入に起因する欠
陥の場合、一方はＮの発光スペクトル線で、他方はそれ
に近接し、かつ常に安定して発生する発光スペクトル線
を選択する必要がある。後者については、被溶接材であ
る金属元素の発光スペクトルを用いれば、溶接により必
ず発生するので、比較の対象として好適である。

【００１６】したがって、溶接時に発生するプラズマの
光を分光器を通して分光し、欠陥に関連する特定の元素
の発光スペクトルの強度と、この元素の発光スペクトル
の波長に近接する波長を持つ被溶接材の元素の発光スペ
クトルの強度との比を監視し、その強度比を用いれば、
溶接部近傍の環境に左右されずにレーザ溶接の状態を正
確に判定できるのである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施形態の一例を説明する。

【００１８】図１は、本発明の実施形態の一例を示し、
監視装置の概略構成を示している。図に示すように、被
溶接材３にレーザビーム１を照射して溶接を行うと、そ
の溶接部にレーザ誘起プラズマ２が発生する。このレー
ザ誘起プラズマ２は、被溶接材３および図示を省略した
シールドガスにより形成されているが、シールド状態が
不良の場合には周囲の大気が混入したものとなる。

【００１９】そして、その監視装置は、溶接部に発生す
るレーザ誘起プラズマ２のプラズマの光を、集光光学系
４と受光部５を備えた光ファイバー６により分光器７に
導いて分光し、ＣＣＤ検出器８で波長毎の発光強度を検
出してコンピュータ９に入力し、データ処理を行ってス
ペクトル分布のデータを得るようになっている。

【００２０】なお、図示例では、プラズマの光を分光器
７に導く手段として、集光光学系４としてのレンズと光
ファイバー６を用いる場合を示したが、その手段は以下
のようなものであってもよい。すなわち、レンズに代え
てミラーを用いる。レンズ、ミラーおよび光ファイバー
を適宜に組み合わせる。何も用いずに直接プラズマの光
を分光器に入射させる。また、ＣＣＤ検出器８は、マル
チチャンネル検出器であればよく、フォトダイオードア
レイ等を用いてもよい。

【００２１】次に、シールドガス中にＮが混入し、Ｎに
起因するピットやブローホール等の欠陥が発生する場合
を例にとって本発明の監視方法によりその欠陥を検出す
る方法について説明する。

【００２２】図２と図３は、母材に低炭素鋼、シールド
ガスにＨｅガスを用いたレーザ溶接時におけるある瞬間
のプラズマの光の波長分布の測定結果の一例を示す図
で、図２はシールドが良好で欠陥が発生しなかった場
合、図３はシールドが不良でＮに起因する欠陥が発生し
た場合である。そして、両図中、特に波長を記した７４
４．５ｎｍは被溶接材である低炭素鋼の主成分Ｆｅの発
光スペクトル、７４６．８ｎｍはＮの発光スペクトルで
ある。

【００２３】図２と図３の対比からわかるように、Ｆｅ
の発光スペクトルは両図とも同じであるが、図２では欠
陥の発生起因には到らなかったものの少量のＮ混入があ
り、微弱なＮの発光スペクトルが検出されているのに対
し、図３ではＮの発光スペクトルが非常に強く検出され
ている。

【００２４】図４は、図２や図３のような瞬間瞬間の発
光スペクトル分布を連続的にコンピュータ９に取り込
み、溶接欠陥の発生に関わる特定の発光スペクトルを７
４６．８ｎｍ、これに近接する被溶接材の発光スペクト
ルを７４４．５ｎｍとして両者の強度比を時々刻々算出
するデータ処理を行って得られた結果の一例を示す図で
ある。この図４からわかるように、欠陥有りの場合と欠
陥なしの場合の信号強度が明確に分離されている。

【００２５】また、図５は、母材に低炭素鋼、シールド
ガスにＨｅを用いたレーザ溶接時、シールドガス流量を
適正なシールドが得られる３０リットル／ｍｉｎとシー
ルド不良を引き起こす５リットル／ｍｉｎに２０秒ピッ
チで切り替えながら溶接を行った場合における波長７４
６．８ｎｍと７４４．５ｎｍの発光強度比の経時変化と
得られた溶接ビードの欠陥発生状況とを対比させて示し
た図である。この図５からわかるように、溶接欠陥は、
シールドガス流量の切り替えに対応して、無→有→無→
有→無の順に変化しており、この変化に対応して波長７
４６．８ｎｍと７４４．５ｎｍの発光強度比も正確に弱
→強→弱→強→弱と変化している。

【００２６】したがって、本発明の方法によれば、欠陥
発生の有無の検出が確実にできることがわかる。ただ
し、図５の場合には、適当なしきい値を設けることが肝
要である。

【００２７】なお、上記の例は、いずれもＮに起因する
ピットやブローホール等の欠陥の発生有無を対象した場
合であるが、例えば開先の汚れや異物の混入、その他種
々の要因に起因して発生する欠陥についても、予めこれ
らが混入した際等に発生する特定の発光スペクトルを決
めておき、それに近接する被溶接材の発光スペクトルを
選定しておけば、図４や図５と同様の結果が得られるの
で、欠陥発生の有無を確実に検出可能である。

【００２８】次に、欠陥発生の有無を確実に行うために
は、欠陥の発生に関わる特定の発光スペクトルと、被溶
接材の発光スペクトルとの発光強度比を用いる必要があ
ること説明する。

【００２９】レーザ誘起プラズマ２の明るさは激しく変
動する。このため、図１に示すような装置によって取り
込むデータの測定強度も時々刻々大きく変動する。

【００３０】図６（ａ）、（ｂ）は、前述した図３に示
すデータを採取した溶接と同一チャンス時に別タイミン
グで採取したレーザ誘起プラズマ２の波長分布の測定結
果の一例を示す図である。したがって、シールド条件が
同一であり、Ｎに起因するピットやブローホールが発生
している。そのため、図３、図６（ａ）および（ｂ）と
も、波長が７４６．８ｎｍのＮの発光スペクトルが明瞭
に検出されており、かつ全体的な波長分布形態の特徴は
同じである。

【００３１】しかし、測定時のプラズマ全体としての明
るさが大きく異なるため、それぞれの発光スペクトルの
ピーク値は大きく異なる。このため、それぞれの波長分
布において、Ｎの発光スペクトル７４６．８ｎｍの測定
値も大きく異なる。

【００３２】したがって、波長分布全体を観察すると、
Ｎに起因する欠陥が発生していることはわかるが、Ｎの
発光スペクトル７４６．８ｎｍの強度のみを連続的に処
理して得られるデータが図７に示ようになり、欠陥が発
生した場合と発生しなかった場合における信号の強度レ
ベルの差異が不明瞭で、欠陥発生の有無判定は不可能で
ある。

【００３３】このことから、欠陥発生の有無判定を確実
に行うためには、溶接欠陥の発生に関わる特定の発光ス
ペクトルと、被溶接材の発光スペクトルの強度比を用い
る必要があるのである。

【００３４】次に、発光スペクトルの強度比を用いて欠
陥監視をする際、比較し合う波長が互いに近接していな
ければならない理由について説明する。

【００３５】図８（ａ）、（ｂ）は、シールドが不良で
Ｎに起因する欠陥が発生した場合におけるレーザ誘起プ
ラズマ２の波長６００〜９００ｎｍにわたる広い範囲の
発光スペクトル分布の測定結果の一例を示す図であり、
両図ともにＮの発光スペクトル７４６．８ｎｍが明瞭に
検出されている。なお、両図は同一溶接チャンスの別タ
イミングで、プラズマ全体の光の強度がほぼ同一のタイ
ミング時に得られたデータである。したがって、Ｎの発
光スペクトル７４６．８ｎｍの発光強度もほぼ同じであ
る。

【００３６】ここで、両図に示した波長６３０．１ｎｍ
は、被溶接材の主成分であるＦｅの発光スペクトルであ
るが、図８（ｂ）の発光強度は図８（ａ）のそれよりも
小さく検出されている。これは、図８（ｂ）のデータを
採取した瞬間が、たまたまレーザ誘起プラズマ２と集光
光学系４の間に、６３０ｎｍ付近を特に減衰させるよう
な粒度分布のヒュームが濃く飛散するような現象が起こ
り、６３０ｎｍ付近の波長帯のみが減衰した結果、６３
０ｎｍ付近の波長強度の測定値が小さくなったためであ
る。

【００３７】図９は、欠陥の発生に関わる発光スペクト
ルとして７４６．８ｎｍ、被溶接材の発光スペクトルと
して６３０．１ｎｍを用い、両者の信号強度比と欠陥発
生状況との対応状態を調べた結果を示す図である。この
図９からわかるように、欠陥の発生時と無発生時の信号
強度の差異が不明確で、欠陥発生の有無を正確に判定す
ることは不可能である。

【００３８】このことから、欠陥発生の有無判定を確実
に行うためには、比較する発光スペクトルはその波長が
互いに近接している必要があるのである。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、プラズマの光と観測器
集光部の間の環境が変動するような場合でもその溶接状
態を正確に判定することが可能で、レーザ溶接時に発生
する溶接欠陥を確実に検出ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の一例を示す図である。

【図２】母材に低炭素鋼、シールドガスにＨｅを用い、
シールドが良好で欠陥の発生がない場合における、ある
瞬間のプラズマの波長分布の測定結果の一例を示す図で
ある。

【図３】溶接条件は図２の場合と同じであるが、シール
ドが不良でＮに起因する欠陥が発生した場合における、
ある瞬間のプラズマの波長分布の測定結果の一例を示す
図である。

【図４】瞬間瞬間の発光スペクトル分布を連続的に取り
込んで溶接欠陥の発生に関わる特定の発光スペクトルを
７４６．８ｎｍ、これに近接する被溶接材の発光スペク
トルを７４４．５ｎｍとした場合における、両者の強度
比の経時処理結果の一例を示す図である。

【図５】母材に低炭素鋼、シールドガスにＨｅを用い、
シールドガス流量を適正なシールドが得られる流量とシ
ールド不良を引き起こす流量に所定ピッチで切り替えな
がら溶接を行った場合における、波長７４６．８ｎｍと
７４４．５ｎｍの発光強度比の経時変化と欠陥発生状況
との対応関係の一例を示す図である。

【図６】図３のデータ採取時と同一チャンスに、別タイ
ミングで採取したレーザ誘起プラズマの波長分布の測定
結果の一例を示す図である。

【図７】Ｎの発光スペクトル７４６．８ｎｍの強度のみ
を監視した場合における発光強度比の経時変化と欠陥発
生状況との対応関係の一例を示す図である。

【図８】シールドが不良でＮに起因する欠陥が発生した
場合におけるレーザ誘起プラズマの波長６００〜９００
ｎｍにわたる広い範囲の発光スペクトル分布の測定結果
の一例を示す図である。

【図９】欠陥の発生に関わる発光スペクトルとして７４
６．８ｎｍ、被溶接材の発光スペクトルとして６３０．
１ｎｍを用い、両者の信号強度比の経時変化と欠陥発生
状況との対応関係の一例を示す図である。

【符号の説明】

１：レーザビーム、 ２：レーザ誘起プラズマ、 ３：被溶接材、 ４：集光光学系（レンズ）、 ５：光ファイバーの受光部、 ６：光ファイバー、 ７：分光器、 ８：ＣＣＤ検出器、 ９：コンピュータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】金属材料のレーザ溶接状態の監視方法にお
   いて、溶接時に発生するレーザ誘起プラズマの光を分光
   し、溶接欠陥の発生に関わる特定の元素の発光スペクト
   ルの強度と、この元素の発光スペクトルの波長に近接す
   る波長を持つ被溶接材の元素の発光スペクトルの強度と
   の比を監視し、この強度比に応じて溶接状態を判定する
   溶接状態の監視方法。