JP2002321073A - レーザー溶接部の品質モニタリング方法およびその装置 - Google Patents

レーザー溶接部の品質モニタリング方法およびその装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザー溶接部のポロシティーの発生を確実
に検出する。 【解決手段】 ワーク５の溶接部Ｆに向けて照射したレ
ーザー光線の反射光をセンサ６ａで検出して電気信号に
変換し、計測装置７において、その電気信号の周波数分
布を算出し、算出された周波数分布のうちの特定の周波
数帯における信号強度を算出し、算出された信号強度が
あらかじめ設定されている基準値を超えていれば、ポロ
シティーの発生が過大であると判断し、基準値を超えて
いなければポロシティーの発生が正常範囲内であると判
断する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー溶接部の
品質モニタリング方法およびその装置に係り、特に、レ
ーザー溶接部のポロシティー、アンダーフィル、未溶着
などの溶接状態の発生をモニタリングすることができ
る、レーザー溶接部の品質モニタリング方法およびその
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】自動車のボディーに使用されるような、
非常に薄い鋼板の溶接は、レーザー溶接によって行われ
るものもある。レーザー溶接が用いられるのは、レーザ
ー溶接は、スポット溶接と比較すると、鋼板を表裏両面
から挟む必要がなく、片面からの溶接が可能であること
や、細く複雑な形状の溝であってもその内部を容易に溶
接できることなど、多くの利点を備えているからであ
る。しかし、その一方では、鋼板の合わせ精度不良によ
る溶接品質の低下や、溶接部の汚染に起因する突発的な
溶接品質の低下を起こしやすいという欠点がある。
【０００３】したがって、従来、たとえば特開平２００
０−２７１７６８号公報に開示されているようなモニタ
リング方法を用いて、レーザー溶接部の品質の状態をリ
アルタイムに予測できるようにしている。上記公報に開
示されている技術では、検出角度の異なる２つのセンサ
によって、レーザー溶接部のキーホールで発生するプル
ームからの光と照射したＹＡＧレーザーの反射光とを検
出し、それぞれのセンサで検出された光の強度により溶
接条件（出力、焦点位置、ワーク間隙）の変化を検出し
て、レーザー溶接部の品質の状態をリアルタイムに予測
している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
溶接品質のモニタリング方法では、レーザー溶接部に溝
ができてしまうという溶接状態（アンダーフィル）、規
定の溶接条件から逸脱してしまうという溶接条件不適合
の発生は検出できるものの、亜鉛メッキ鋼板などのレー
ザー溶接時に発生する、溶接部のポロシティー（多孔質
化）の発生は検出し難いという問題がある。
【０００５】ポロシティーの発生が検出し難いのは、従
来の溶接品質のモニタリング方法が、レーザー光が照射
されて溶融している部分（キーホール）から発せられる
光に基づいて、溶接品質の状態を判断しているためであ
る。なぜならば、ポロシティーは、キーホール内に亜鉛
蒸気が混入することで発生するが、亜鉛蒸気が混入して
も、キーホールから発せられる光はほとんど変化しない
からである。
【０００６】また、従来の溶接品質のモニタリング方法
では、重ね溶接を行う場合、上下の板間隙間が大きすぎ
ると、上下の板の溶着が不完全な未溶着状態が発生する
が、この未溶着状態の発生も検出し難いという問題があ
る。
【０００７】従来の溶接品質のモニタリング方法でも、
ポロシティーおよび未溶着を除くアンダーフィルなどの
溶接状態、溶接条件不適合の発生は検出できるが、その
検出方法は溶接状態の種類ごとに異なっているため、そ
の検出をするために非常に複雑な計算処理が必要にな
る。したがって、その計算処理に対するＣＰＵの処理負
担が大きくなるという問題もある。
【０００８】さらに、従来の溶接品質のモニタリング方
法では、溶接を行った部分の全体に渡って、ポロシティ
ーおよび未溶着を除くアンダーフィルなどの溶接状態、
溶接条件不適合状態が発生した場合には、それらの状態
の発生は容易に検出できるが、溶接を行った部分の一部
だけにそれらの状態が発生した場合には、それらの状態
の発生を容易に検出することができないという問題もあ
る。
【０００９】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
て成されたものであり、レーザー溶接部のポロシティ
ー、アンダーフィル、未溶着などの溶接状態の発生をＣ
ＰＵの処理負担を大きくせずに確実に検出することがで
きる、また、レーザー溶接部の一部分における、ポロシ
ティー、アンダーフィル、未溶着などの溶接状態の発生
も確実に検出することができる、レーザー溶接部の品質
モニタリング方法およびその装置の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記した課題を解決し、
目的を達成するため、請求項１に記載の発明にかかるレ
ーザー溶接部の品質モニタリング方法は、ＹＡＧレーザ
ーからワークの溶接部に向けてレーザー光線を照射する
段階と、照射したレーザー光線の当該溶接部からの反射
光を検出する段階と、検出された反射光から得られる信
号の周波数分布を算出する段階と、算出された周波数分
布のうちの特定の周波数帯における信号強度を算出する
段階と、算出された信号強度があらかじめ設定されてい
る基準値を超えていれば、ポロシティーの発生が過大で
あると判断し、基準値を超えていなければポロシティー
の発生が正常範囲内であると判断する段階と、を含むこ
とを特徴とする。
【００１１】この請求項１に記載の発明によれば、ポロ
シティーの発生の検出に適したＹＡＧレーザー光線の反
射光を検出し、その反射光に基づいて生成された信号か
ら、過度のポロシティーの発生の検出に必要な、特定の
周波数帯の信号強度だけを抽出しているので、その抽出
した信号の信号強度に基づいて、ポロシティーの発生の
程度が容易に判断できる。したがって、従来は検出する
ことが困難であった、過度のポロシティーの発生が確実
に検出できる。
【００１２】上記した課題を解決し、目的を達成するた
め、請求項９に記載の発明にかかるレーザー溶接部の品
質モニタリング方法は、ＹＡＧレーザーからワークの溶
接部に向けてレーザー光線を照射する段階と、照射した
レーザー光線の当該溶接部からの反射光を検出する段階
と、検出された反射光から得られる信号の周波数分布を
算出する段階と、算出された周波数分布のうち、アンダ
ーフィルの発生を検出するための第１の周波数帯におけ
る信号強度またはポロシティーの発生を検出するための
第２の周波数帯における信号強度の内の少なくとも１つ
の信号強度と、未溶着の発生を検出するための第３の周
波数帯における信号強度とを算出する段階と、一方の軸
が、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯の信号強
度の大きさを示し、他方の軸が、前記第３の周波数帯の
信号強度の大きさを示す、仮想的な２軸座標系に、算出
された前記各周波数帯の信号強度を仮想的にプロットす
る段階と、前記各周波数帯の信号強度が仮想的に前記２
軸座標系のどの領域にプロットされるかによって、アン
ダーフィル、ポロシティー、未溶着のうち少なくとも１
つの溶接状態の発生を判断する段階と、を含むことを特
徴とする。
【００１３】この請求項９に記載の発明によれば、ＹＡ
Ｇレーザー光線の反射光を検出し、その反射光に基づい
て生成された信号から、アンダーフィル、ポロシティ
ー、未溶着の内の少なくとも１つの溶接状態の発生の検
出に適した、第1〜第３の周波数帯の信号強度をそれぞ
れ抽出し、それらの信号強度が２軸座標系のどの領域に
プロットされるかによって、アンダーフィル、ポロシテ
ィー、未溶着の溶接状態の発生を判断するので、複数の
溶接状態の発生が確実に検出できる。
【００１４】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1から請求
項８に記載の発明によれば、ポロシティーの発生の検出
に適したＹＡＧレーザー光線の反射光を検出し、その反
射光に基づいて生成された信号から、過度のポロシティ
ーの発生の検出に必要な、特定の周波数帯の信号強度だ
けを抽出しているので、従来は検出することが困難であ
った、過度のポロシティーの発生が確実に検出できる。
【００１５】また、信号強度を算出するための特定の周
波数帯を、ワークの板厚、溶接速度、前記ワークにおけ
る溶接部のキーホールの深さＨと当該キーホールの幅Ｄ
とから算出されるアスペクト比Ｈ／Ｄの内の少なくとも
１つの数値に応じて変化させているので、板厚、溶接速
度、アスペクト比の相違によるポロシティーの発生検出
精度のばらつきが解消できる。
【００１６】また、請求項９から請求項２４に記載の発
明によれば、ＹＡＧレーザー光線の反射光を検出し、そ
の反射光に基づいて生成された信号から、アンダーフィ
ル、ポロシティー、未溶着の内の少なくとも１つの溶接
状態の発生の検出に適した、第1〜第３の周波数帯の信
号強度をそれぞれ抽出し、それらの信号強度が２軸座標
系のどの領域にプロットされるかによって、アンダーフ
ィル、ポロシティー、未溶着の溶接状態の発生を判断す
るので、複数の溶接状態の発生が確実に検出できる。ま
た、いずれかの溶接状態が発生していること、または、
いずれの溶接状態も発生していないことを、明確に判断
できないときには、１つの溶接個所に対して記憶されて
いる電気信号の経時変化を時系列に複数の領域に分割
し、その分割した各領域について、溶接個所の品質の状
態を再判断するので、いずれかの溶接状態の発生の是非
が総合的に判断しやすくなり、さらに高精度にいずれか
の溶接状態の発生の判断ができるようになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して、本発
明にかかるレーザー溶接部の品質モニタリング方法およ
びその装置の好適な実施の形態を、実施の形態１（請求
項１〜８に対応）と実施の形態２（請求項９から２４に
対応）に分けて、被溶接部材が亜鉛メッキ鋼板である場
合を例にとって詳細に説明する。 （実施の形態１）図１は、本発明にかかる品質モニタリ
ング装置を備えたＹＡＧレーザー溶接装置の具体的な構
成図である。
【００１８】ＹＡＧレーザー溶接装置１００の上部に
は、光ファイバーケーブル２が取り付けられ、光ファイ
バーケーブル２によって、図示されていないＹＡＧレー
ザー発振器（ＹＡＧレーザー）からのレーザー光線がＹ
ＡＧレーザー溶接装置１００に導かれる。ＹＡＧレーザ
ー溶接装置１００の中央部から下部にかけて、導かれた
レーザー光線を集光するための集光光学系が配置されて
いる。その集光光学系は、コリメーターレンズ３と集光
レンズ４とを有し、導かれたレーザー光線は、コリメー
ターレンズ３によって平行光線にされた後、集光レンズ
４によってワーク（車体パネル）５の表面に集光され
る。集光された部分（溶接部）は、レーザー光線のエネ
ルギーによって溶融され、ワーク同士が溶接される。
【００１９】また、ＹＡＧレーザー溶接装置１００の下
部側面には、ワーク５の表面から仰角６０度（θ１）の
位置に反射光検出手段として機能するセンサ６ａと、仰
角１０度（θ２）の位置にセンサ６ｂとが配置されてい
る。センサ６ａは、主に溶接部に照射されたのちワーク
５に吸収されることなく反射したレーザー光線の反射光
を検出するためのセンサである。センサ６ｂは、溶接に
際して溶接部から発生するプラズマ光（可視光）を検出
するためのセンサである。両センサ６ａ、６ｂによって
検出された光（反射光とプラズマ光）に基づいて溶接部
の溶接品質がリアルタイムに判断される。本発明のモニ
タリング方法およびモニタリング装置は、レーザー光線
の反射光を用いてポロシティーの発生を検出するので、
センサ６ａが特に重要なセンサになる。
【００２０】図２は、本発明にかかる品質モニタリング
装置を備えたＹＡＧレーザー溶接装置の概念図である。
図に示すＹＡＧレーザー溶接装置は、ＹＡＧレーザー発
振器１を備え、このＹＡＧレーザー発振器１で発生した
レーザー光線は光ファイバーケーブル２によって集光光
学系に導かれ、コリメーターレンズ３によって平行光と
されたのち、集光レンズ４によりワーク５の表面に集光
され、その集光されたレーザー光線のパワーによってワ
ーク５を溶接する。
【００２１】一方、ワーク５の表面からの仰角θ１が６
０°となる第１の位置にはセンサ６ａが配設され、この
センサ６ａによって、溶接部Ｆに照射されたのちワーク
５に吸収されることなく反射したＹＡＧレーザーの反射
光がその強度に応じた電気信号に変換される。したがっ
て、センサ６ａは、電気信号変換手段として機能する。
また、ワーク５の表面からの仰角θ２が１０°となる第
２の位置にはセンサ６ｂが配設され、このセンサ６ｂに
よって、溶接に際して溶接部Ｆで発生するプルーム（高
温の金属蒸気）からのプラズマ光（可視光）がその強度
に応じた電気信号に変換される。両センサ６ａ、６ｂに
よって変換された電気信号は、増幅器（プリアンプ）、
バンドパスフィルター、Ａ／Ｄ変換器、パソコンなどか
ら構成される計測装置７に入力される。
【００２２】前記センサ６ａ、６ｂは、図３に示すよう
に、２つのフォトダイオード８、９と、ダイクロイック
ミラー１０、および１０６４ｎｍ±１０ｎｍの波長のみ
を透過する干渉フィルタ１１から構成されている。
【００２３】当該センサ６ａおよび６ｂにおいては、ま
ず、図中の左側から入射した溶接部からの光がダイクロ
イックミラー１０によって波長に応じて選択される。す
なわち波長５００ｎｍ以下の可視光はダイクロイックミ
ラー１０に反射されてフォトダイオード８に導かれ、プ
ラズマ光として電気信号に変換されて、その強度が検出
される。一方、溶接部からの入射光のうちの赤外光は、
ダイクロイックミラー１０を透過したのち、１．０６μ
ｍの波長を有するＹＡＧレーザー光のみが干渉フィルタ
１１を透過してフォトダイオード９に導かれ、ＹＡＧ反
射光として電気信号に変換され、前記計測装置７にそれ
ぞれ入力される。本発明のモニタリング方法およびモニ
タリング装置は、レーザー光線の反射光を用いてポロシ
ティーの発生を検出するので、センサ６ａに設けられて
いるフォトダイオード９からの電子信号を用いることに
なる。
【００２４】図４は、図２に示した計測装置７の具体的
な構成を示す図である。この計測装置７は、各センサ６
ａ、６ｂに設けられているフォトダイオード８、９のそ
れぞれに対して設けられている。したがって、本発明の
モニタリング装置には４台の計測装置７が設けられてい
る。各計測装置７の構成は同一である。
【００２５】計測装置７は、フォトダイオード９からの
電気信号を一定のレベルまで増幅する増幅器（プリアン
プ）７Ａ、増幅器７Ａから出力されたアナログの電気信
号をディジタルの電気信号に変換するＡ／Ｄ変換器７
Ｂ，７Ｄ、特定の周波数帯域の電気信号のみを通過させ
るバンドパスフィルター７Ｃ、入力された電気信号の周
波数分布を算出する周波数分布算出手段としての機能、
特定の周波数帯における信号強度を算出する信号強度算
出手段としての機能、および、ポロシティーの発生の状
況を判断する溶接品質判断手段としての機能を備えたパ
ソコン７Ｅ、溶接品質の判断結果を表示するためのディ
スプレイ７Ｆから構成される。
【００２６】図５から図７は、溶接品質の検出原理の説
明に供する図である。溶接部からの光を分析することに
よってなぜ溶接品質が検出できるのかを、これらの図に
基づいて説明する。図５、図６は、溶接の被対象物であ
る亜鉛めっき鋼板を重ね溶接した場合のポロシティーの
発生状況を示している。図５に示すように、ＹＡＧレー
ザー溶接装置１００により、亜鉛めっき鋼板の突合せ部
２０に高パワー密度のＹＡＧレーザー光線が照射される
と、照射された部分（溶接部）がレーザー光線のエネル
ギーを受けて溶融し始め、金属が溶融しているキーホー
ル２５が形成される。このとき、鋼板の表面にメッキさ
れている亜鉛メッキ層２１は、母材である鋼２２の溶融
温度では金属蒸気となってしまい、金属蒸気の圧力によ
ってキーホール２５内に気泡状のポロシティー（ブロー
ホール）２３が発生する。
【００２７】図６に示すように、レーザー光線は、キー
ホール２５の前面の壁２６で吸収されている。亜鉛メッ
キ鋼板の重ね溶接では、２枚の鋼板の界面に存在する亜
鉛メッキ層２１が溶けたときに、亜鉛金属蒸気２７がキ
ーホール２５内に噴出する。これがポロシティー２３に
なる。ＹＡＧレーザー光線による溶接では、レーザー光
線の波長が１．０６μｍ程度と短いため、亜鉛金属蒸気
２７がキーホール２５の開口部より噴出したプルーム２
８に対しては、レーザー光線はほぼ透明である。したが
って、プルーム２８を観察してもポロシティー２３の有
無のような高速な現象をつかまえることはできない。
【００２８】ところが、ＹＡＧレーザー光線の反射光
は、キーホール２５前面の壁２６の状態によって変化す
ると考えられる。亜鉛金属蒸気２７の噴出によってキー
ホール２５前面の壁２６の状態が変動すると、レーザー
光線の反射光も変動することになる。この現象は、鋼板
界面付近のキーホール２５内部で起こるので、観察角度
が低い位置にあるセンサ６ｂではとらえることができ
ず、観察角度が高い位置にあるセンサ６ａによってのみ
とらえることができる。
【００２９】したがって、センサ６ａを設置する角度
は、キーホール２５前面の壁２６の変動状態が反射光に
よってとらえることができる角度の範囲内で設定する必
要がある。実際には、溶接部に照射されるレーザー光線
に干渉せずに、キーホール２５前面の壁２６の変動状態
が反射光によってとらえることができる範囲の、仰角４
５度から７０度の範囲の角度である。なお、この角度の
範囲内でのさらに最適な角度は、板厚、板間の隙間、レ
ーザー光線のパワーや焦点位置などの溶接条件に応じて
決まる。本実施の形態では、図１に示したように仰角６
０度としている。
【００３０】また図７に示すように、亜鉛メッキ鋼板同
士が突合せ部２０においてきちんと接触してなく、多少
の隙間３０が生じてしまっている場合には、キーホール
２５で溶融した金属がその隙間３０に流れ込むために、
アンダーフィル３１という溶接状態が発生する。このア
ンダーフィル３１の発生は、観察角度の低い位置にある
センサ６ｂによってもとらえることができる。
【００３１】つぎに、本発明にかかるモニタリング装置
でポロシティーを検出するための処理を、図８のフロー
チャートおよび図９から図１２を参照しながら説明す
る。図９から図１２に示されている波形などのデータ
は、次の溶接条件（基本溶接条件）に基づいて測定され
た結果得られたものである。ＹＡＧレーザーの出力は加
工点で３Ｋｗである。亜鉛メッキ鋼板の厚みはそれぞれ
０．８ｍｍのものを用いた。溶接速度は４．５ｍ／ｍｉ
ｎである。
【００３２】図８のフローチャートは、本発明にかかる
モニタリング方法の手順を示したものである。図６に示
したように、ＹＡＧレーザー光線が亜鉛メッキ鋼板の突
合せ部２０に照射されると、照射された部分がレーザー
光線のエネルギーを受けて溶融する。溶融した金属は非
常に高温であるから、キーホール２５およびプルーム２
８からは、可視光、赤外光、ＹＡＧレーザー光線の反射
光などが放射状に放出される。センサ６ａとセンサ６ｂ
は、これらの光を入射し、電気信号に変換する。変換さ
れた電気信号は、パソコン７Ｅ（図４参照）の図示しな
い記憶装置に格納される（Ｓ１）。
【００３３】図９は、基本溶接条件の下で溶接が行われ
たときの、ＹＡＧレーザー光線の反射光から得られた電
気信号の（フォトダイオード９で変換された）波形図で
ある。この電気信号の波形図は、サンプリング周波数２
０ＫＨｚで作成されたものである。この波形図におい
て、縦軸は信号強度を表し、横軸は時間を表している。
また、ＹＨは、観察角度が高い位置にあるセンサ６ａに
よってとらえられた反射光の時間的変動状況を示してい
る。ＹＬは、観察角度が低い位置にあるセンサ６ｂによ
ってとらえられた反射光の時間的変動状況を示してい
る。この図では、正常な溶接が行われた「良品」、ポロ
シティーの発生が過大である「ポロシティー品」、アン
ダーフィルが生じた「アンダーフィル品」の波形が示さ
れている。アンダーフィル品の場合、良品の場合とは明
らかにその波形形状が異なるので、アンダーフィル品で
あることの判断は容易である。しかし、ポロシティー品
の場合には、良品の場合との比較だけでは、波形形状に
相違が見られないことから、ポロシティー品であること
の判断は困難である。
【００３４】図１０は、基本溶接条件の下で溶接が行わ
れたときの、キーホール２５およびプルーム２８の可視
光から得られた電気信号の（フォトダイオード８で変換
された）波形図である。この波形図も、サンプリング周
波数２０ＫＨｚで作成されたものである。この波形図に
おいて、縦軸は信号強度を表し、横軸は時間を表してい
る。また、ＹＨは、観察角度が高い位置にあるセンサ６
ａによってとらえられた可視光の時間的変動状況を示し
ている。ＹＬは、観察角度が低い位置にあるセンサ６ｂ
によってとらえられた可視光の時間的変動状況を示して
いる。この図では、正常な溶接が行われた「良品」、ポ
ロシティーの発生が過大である「ポロシティー品」、ア
ンダーフィルが生じた「アンダーフィル品」の波形が示
されている。アンダーフィル品の場合、良品の場合とは
明らかにその波形が異なるので、アンダーフィル品であ
ることの判断は容易である。しかし、ポロシティー品の
場合には、良品の場合との比較だけでは、波形形状に相
違が見られないことから、ポロシティー品であることの
判断は困難である。
【００３５】このように、各センサ６ａ、６ｂによって
反射光、可視光それぞれの時間的な強度変化状態を調べ
ただけでは良品とポロシティー品との差別化は困難であ
る。このため、記憶装置に格納した波形のうち、観察角
度が高い位置にあるセンサ６ａによってとらえられた反
射光の時間的変動状況を示すＹＨのみの波形を取り出し
て、この波形にＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演
算を施す（Ｓ２）。
【００３６】図１１は、図９に示したＹＨの波形にＦＦ
Ｔ信号強度演算を施し、その結果得られた波形図であ
る。この波形図において、縦軸は相対信号強度を表し、
横軸は周波数を表している。相対信号強度とは、それぞ
れの周波数の信号成分がどの程度含まれているかを示す
量であり、この相対信号強度は単位を持たない。この図
を見れば明らかなように、ＦＦＴ信号強度演算を施す
と、良品とポロシティー品との間でも相対信号強度の分
布に相違が生じる。つまり、良品は１００Ｈｚから５０
０Ｈｚ付近に相対信号強度のピーク部分が存在している
が、ポロシティー品は０Ｈｚから１０００Ｈｚ付近に相
対信号強度のピーク部分が存在している。本発明の品質
モニタリング方法では、この違いを次のようにして差別
化する。
【００３７】ＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演算
を施した結果得られた図１１の波形の内、６０５Ｈｚか
ら６５０Ｈｚの間の信号強度の合計値を算出し（Ｓ
３）、その合計値が、基準値として設定されている１７
０，０００を超えれば（Ｓ４：Ｙｅｓ）、ポロシティー
の発生が過大であると判断し（Ｓ５）、超えていなけれ
ば（Ｓ４：Ｎｏ）、ポロシティーの発生は正常範囲内で
あると判断する（Ｓ６）。なお、フローチャートには示
していないが、ポロシティーの発生の判断結果は、ディ
スプレイ７Ｆに表示される。
【００３８】つぎに、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号
強度演算を施した結果得られた図１１の波形の特徴量か
ら、マハラノビス距離を算出する（Ｓ７）。このマハラ
ノビス距離は、良品の波形の特徴量から得られた正規化
された基準空間から、観察されたワークの波形の特徴量
（位置）がどの程度離れているのかを距離で表したもの
である。求められたマハラノビス距離にしたがって、図
１２に示すような分布図を作成する。たとえば、図１２
に示すように、図１１の波形図から得られた特徴量（位
置）を、縦軸がＦＦＴ信号強度、横軸が対数表示された
マハラノビス距離となっているグラフに書き込んでいく
と、それぞれのワークの特徴量に応じて分布する。
【００３９】この分布図に基づいて、マハラノビス距離
が基準値１０００を超えれば（Ｓ８：Ｙｅｓ）、アンダ
ーフィルが生じていると判断し（Ｓ９）、超えていなけ
れば（Ｓ８：Ｎｏ）、アンダーフィルは生じていないと
判断する（Ｓ１０）。
【００４０】以上の実施の形態では、ポロシティーの発
生が過大であるか否かを、特定の周波数帯の信号強度の
合計値に基づいて判断したが、図１２の分布図を見れば
わかるように、ポロシティー品は、マハラノビス距離が
２以下で、かつ信号強度が１７００００以上の領域に分
布しているので、アンダーフィルの発生を判断する場合
と同様に、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演算を
施した結果得られた図１１の波形の特徴量から、マハラ
ノビス距離と特定の周波数帯の信号強度とを算出し、こ
の距離と信号強度とがどの領域に属するかを判断するこ
とによっても、ポロシティーの発生が過大であるか否か
を判断することができる。
【００４１】なお、以上の実施の形態では、板厚が０．
８ｍｍで、溶接速度が４．５ｍ／ｍｉｎの溶接条件で溶
接を行った場合について述べたが、本発明の品質モニタ
リング方法および品質モニタリング装置は、他の溶接速
度や板厚に対しても適用可能である。溶接速度または板
厚が上記の溶接条件とは異なる場合には、ポロシティー
の発生を判断するための特定の周波数を変化させる。こ
れは、溶接速度または板厚が変化すると、この変化と共
に、ポロシティーの溶接状態の発生を判断するために有
効な特定の周波数も変化してしまうからである。ポロシ
ティーが発生したことを判断する精度を維持するために
は、溶接速度または板厚によって自ずとポロシティーの
発生の判断に最適な周波数が存在する。
【００４２】溶接速度または板厚の変化によって、この
特定の周波数をどのように変化させれば、ポロシティー
の発生の判断が常に正確にできるのかを、次のような実
験によって求めた。ワークとして板厚が０．８ｍｍ、
１．０ｍｍ、１．２ｍｍの亜鉛メッキ鋼板を用い、２枚
の鋼板を重ね合わせて溶接を行った。溶接速度は、３．
０ｍ／ｍｉｎ〜５．０ｍ／ｍｉｎの間で変化させた。Ｙ
ＡＧレーザーの出力は加工点で３Ｋｗであり、この出力
は固定した。
【００４３】まず、板厚が変化した場合を説明する。実
験は、溶接速度を３．５ｍ／ｍｉｎで固定し、２枚の板
厚合計を１．６ｍｍ〜２．４ｍｍの間で変化させた。た
とえば、板厚合計が２．４ｍｍの場合、ポロシティーが
発生すると、０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯の信号強
度が高くなる傾向が見られた。合計板厚を下げていく
と、信号強度が高くなる周波数帯が大きくなった。この
実験の結果を図１３に示す。
【００４４】図１３に示すように、板厚合計が、１．６
ｍｍでは０Ｈｚから１０００Ｈｚの周波数帯の信号強度
が高くなり、１．８ｍｍでは０Ｈｚから８００Ｈｚの周
波数帯の信号強度が高くなり、２．０ｍｍでは０Ｈｚか
ら７００Ｈｚの周波数帯の信号強度が高くなり、２．４
ｍｍでは０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数帯の信号強度が
高くなる。したがって、ポロシティーの発生の判断は、
板厚合計が何ｍｍであるかによって、どの周波数帯によ
り行うかを決める。なお、図１３に示すような、板厚合
計と周波数との関係は、計測装置７の記憶装置に記憶さ
せておく。
【００４５】つぎに、溶接速度が変化した場合を説明す
る。実験は、板厚合計が１．６ｍｍの場合に３．０ｍ／
ｍｉｎ〜５．０ｍ／ｍｉｎの間で、また、板厚合計が
２．０ｍｍの場合に３．０ｍ／ｍｉｎ〜５．０ｍ／ｍｉ
ｎの間で変化させた。どちらの板厚の場合も、溶接速度
が速くなるに従い、信号強度が大きくなる周波数帯が小
さくなった。この実験の結果を図１４に示す。
【００４６】図１４に示すように、板厚合計が１．６ｍ
ｍでは、溶接速度が３．５ｍ／ｍｉｎで０Ｈｚから１０
００Ｈｚの周波数帯の信号強度が高くなり、溶接速度が
４．０ｍ／ｍｉｎで０Ｈｚから８００Ｈｚの周波数帯の
信号強度が高くなり、溶接速度が４．５ｍ／ｍｉｎで
２．０ｍｍでは０Ｈｚから７００Ｈｚの周波数帯の信号
強度が高くなり、溶接速度が５．０ｍ／ｍｉｎで０Ｈｚ
から６００Ｈｚの周波数帯の信号強度が高くなる。
【００４７】また、板厚合計が２．０ｍｍでは、溶接速
度が３．０ｍ／ｍｉｎで０Ｈｚから８００Ｈｚの周波数
帯の信号強度が高くなり、溶接速度が３．５ｍで０Ｈｚ
から７００Ｈｚの周波数帯の信号強度が高くなり、溶接
速度が４．０ｍ／ｍｉｎで０Ｈｚから６００Ｈｚの周波
数帯の信号強度が高くなる。
【００４８】したがって、ポロシティーの発生の判断
は、溶接速度が何ｍ／ｍｉｎであるかによって、どの周
波数帯により行うかを決める。なお、図１３に示すよう
な板厚合計と周波数との関係、および、図１４に示すよ
うな板厚合計と溶接速度と周波数との関係は、図１５に
示すようなテーブルとして計測装置７の記憶装置に記憶
させておく。この図では、溶接速度が存在している条件
のところには、ポロシティーの発生を判断するために有
効な周波数が記憶されていることを示している。たとえ
ば、上板の板厚ｔ１が１．２ｍｍで、下板の板厚ｔ２が
０．８ｍｍで、溶接速度が３．５ｍ／ｍｉｎでは、図１
４に示したように、合計板厚が２．０ｍｍで溶接速度が
３．５ｍ／ｍｉｎの、０Ｈｚから８００Ｈｚの周波数帯
が用いられる。また、上板の板厚ｔ１と下板の板厚ｔ２
が０．８ｍｍで、溶接速度が５．０ｍ／ｍｉｎでは、図
１４に示したように、合計板厚が１．６ｍｍで溶接速度
が５．０ｍ／ｍｉｎの、０Ｈｚから６００Ｈｚの周波数
帯が用いられる。
【００４９】以上のように、板厚と溶接速度との変化に
基づいて、ポロシティーの発生を判断するために有効な
周波数が変化するのは、溶接が行われているときに溶接
部に生じる、キーホールの形状の相違に起因すると考え
ることもできる。
【００５０】図１６に示すように、ＹＡＧレーザー光線
が当たると材料が溶融する部分、すなわちキーホールが
生じるが、このキーホールの形状は、板厚や溶接速度に
よって変化する。たとえば、キーホールの形状は、板厚
が厚くなると、キーホールの深さＨが大きくなり、細長
い形状になる。したがって、キーホールの深さＨと当該
キーホールの幅Ｄとから算出されるアスペクト比Ｈ／Ｄ
は大きくなる。また、キーホールの形状は、溶接速度が
速くなると、キーホールの幅Ｄが小さくなり、この場合
も細長い形状になる。したがって、キーホールの深さＨ
と当該キーホールの幅Ｄとから算出されるアスペクト比
Ｈ／Ｄは大きくなる。
【００５１】図１３および図１４に示したように、板厚
が厚くなったときにも、溶接速度が速くなったときに
も、ポロシティーの発生を判断するために有効な周波数
が低くなるのは、上記のように、板厚が厚くなったとき
にも、溶接速度が速くなったときにも、アスペクト比Ｈ
／Ｄが大きくなるので、キーホールの形状が細長くなっ
てキーホールの共振周波数が低下し、その結果、信号強
度が大きくなる周波数帯が低下するのが原因ではないか
と思われる。
【００５２】したがって、ＣＣＤカメラを用いてキーホ
ールの形状を認識し、アスペクト比Ｈ／Ｄを求めること
によって、ポロシティーの発生を判断するための有効な
周波数を求めても良い。 （実施の形態２）つぎに、第２の実施の形態について説
明する。第１の実施の形態では、ポロシティーの発生の
みの判断を行っていたが、この実施の形態では、さら
に、アンダーフィルや未溶着といった溶接状態の発生の
判断も正確に行うものである。
【００５３】なお、この実施の形態でも、レーザー溶接
部の品質モニタリング装置の構成は、図１から図４に示
したものとまったく同一であるので、それらの構成の説
明は省略する。なお、この実施の形態においては、図４
に示したパソコン７Ｅが、記憶手段としての機能と、ア
ンダーフィルの発生を検出するための第１の周波数帯に
おける信号強度、ポロシティーの発生を検出するための
第２の周波数帯における信号強度、および、未溶着の発
生を検出するための第３の周波数帯における信号強度と
を算出する信号強度算出手段としての機能と、アンダー
フィル、ポロシティー、未溶着の溶接状態の発生を判断
する溶接品質判断手段としての機能と、記憶されている
１つの溶接個所に対する電気信号の経時変化を時系列に
複数の領域に分割する分割手段としての機能を有してい
る。
【００５４】本発明にかかるモニタリング装置でアンダ
ーフィル、ポロシティー、未溶着の溶接状態を検出する
ための処理を、図１８のフローチャートおよび図１９か
ら図２５を参照しながら説明する。図１９から図２１に
示されている波形データは、次の溶接条件（基本溶接条
件）に基づいて測定された結果得られたものである。Ｙ
ＡＧレーザーの出力は加工点で３Ｋｗである。亜鉛メッ
キ鋼板の厚みはそれぞれ０．８ｍｍのものを用いた。溶
接速度は４．５ｍ／ｍｉｎである。
【００５５】本実施の形態では、未溶着の溶接状態も検
出できるようにしている。未溶着とは、所望の溶接強度
が得られない不完全な溶接のことである。未溶着の溶接
状態は、図１７に示すように、２枚の鋼板を重ねて溶接
するときに、上下の鋼板の突合せ部２０においてその板
間の隙間４０が大き過ぎることが原因で生じる。隙間４
０が大きすぎると、下側の鋼板まで十分に熱が回らず
に、溶接部が十分に溶融されないからである。
【００５６】図１８のフローチャートは、本発明にかか
るモニタリング方法の手順を示したものである。図６に
示したように、ＹＡＧレーザー光線が亜鉛メッキ鋼板の
突合せ部２０に照射されると、照射された部分がレーザ
ー光線のエネルギーを受けて溶融する。溶融した金属は
非常に高温であるから、キーホール２５およびプルーム
２８からは、可視光、赤外光、ＹＡＧレーザー光線の反
射光などが放射状に放出される。センサ６ａとセンサ６
ｂは、これらの光を入射し、電気信号に変換する。変換
された電気信号は、溶接個所ごとにパソコン７Ｅ（図４
参照）の図示しない記憶装置に格納される（Ｓ２１）。
【００５７】図１９および図２０は、基本溶接条件の下
で溶接が行われたときの、ＹＡＧレーザー光線の反射光
から得られた電気信号の（フォトダイオード９で変換さ
れた）波形図である。これらの電気信号の波形図は、サ
ンプリング周波数２０ＫＨｚで作成されたものである。
これらの波形図において、縦軸は信号強度（電圧値）を
表し、横軸は時間を表している。これらの波形図は、観
察角度が高い位置にあるセンサ６ａによってとらえられ
た、ある溶接個所における反射光の時間的変動状況（経
時変化）を示している。図１９には、正常な溶接が行わ
れた「良品」、および、不完全な溶接になってしまった
「未溶着品」の波形が示され、図２０には、アンダーフ
ィルが生じた「アンダーフィル品」、および、ポロシテ
ィーの発生が過大である「ポロシティー品」の波形が示
されている。これらの波形図を対比してみると、アンダ
ーフィル品の波形形状だけが他の波形形状とは明らかに
異なるのでアンダーフィル品であることの判断は容易で
ある。しかし、未溶着品およびポロシティー品の波形形
状は、良品の波形形状と比較しても明らかな相違が見ら
れない。このため、この波形図からこれらの溶接状態を
見極めるのは困難である。
【００５８】このように、反射光の時間的な強度変化状
態を調べただけでは、良品と未溶着品および良品とポロ
シティー品との差別化は困難である。このため、記憶装
置に格納した波形のうち、観察角度が高い位置にあるセ
ンサ６ａによってとらえられた１つの溶接個所の反射光
の時間的変動状況を示す波形を取り出して、この波形に
ＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演算を施す（Ｓ２
２）。
【００５９】図２１は、図１９および図２０に示した波
形のそれぞれにＦＦＴ信号強度演算を施し、その結果得
られた波形図である。この波形図において、縦軸は信号
強度を表し、横軸は周波数を表している。信号強度と
は、それぞれの周波数の信号成分がどの程度含まれてい
るかを示す量（面積）であり、この信号強度は単位を持
たない。
【００６０】この図を見れば明らかなように、ＦＦＴ信
号強度演算を施すと、「良品」、「未溶着品」、「アン
ダーフィル品」、「ポロシティー品」のそれぞれについ
て信号強度の分布に相違が生じる。本発明の品質モニタ
リング方法では、この違いを次のようにして差別化す
る。
【００６１】ＦＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演算
を施した結果得られた図２１の波形の内、０〜１０００
Ｈｚの周波数帯をアンダーフィルの発生を検出するため
の第１の周波数帯に設定し、また、同様に、０〜１００
０Ｈｚの周波数帯をポロシティーの発生を検出するため
の第２の周波数帯に設定する。このような周波数帯に設
定するのは、実験の結果によれば、この周波数帯でアン
ダーフィルまたはポロシティーの発生が明確に検出でき
たからである。ここでは、第１および第２の周波数帯は
同一の周波数帯としているが、ポロシティーの発生を検
出するために有効な周波数帯は、第１の実施の形態でも
述べたように、板厚または溶接速度に応じて変える必要
がある。したがって、板厚または溶接速度によっては、
ポロシティーの発生を検出するための第２の周波数帯
が、たとえば、０〜６００Ｈｚのように変化する。
【００６２】そして、引き続き、３０００Ｈｚから６０
００Ｈｚの周波数帯を未溶着の発生を検出するための第
３の周波数帯に設定する。図２１を見ればわかるよう
に、未溶着が発生したときには、この周波数帯の信号強
度が、アンダーフィルまたはポロシティーが発生したと
きの信号強度と比較して、高くなる傾向にあるからであ
る。また、この周波数帯を設定したのも、実験の結果に
よれば、この周波数帯で未溶着の発生が明確に検出でき
たからである。
【００６３】これらの周波数帯の信号強度を求め、図２
２のような仮想的に設けられる２軸座標系に仮想的にプ
ロットする。この２軸座標系は、横軸が、０Ｈｚ〜１０
００Ｈｚの周波数帯（第１の周波数帯と第２の周波数
帯）における信号強度を示し、縦軸が、３０００ＨＺ〜
６０００Ｈｚ（第３の周波数帯）における信号強度の大
きさをそれぞれ示す座標系である。
【００６４】たとえば、アンダーフィル品の場合は、図
２１に示したような波形が得られるが、この波形に対し
て、０Ｈｚ〜１０００Ｈｚの周波数帯の波形から得られ
る面積と３０００ＨＺ〜６０００Ｈｚの周波数帯の波形
から得られる面積とを求め、それぞれの面積を横軸と縦
軸にプロットする。このプロットにより、図２２に示す
ように、アンダーフィル品（△印）は、２軸座標系の横
軸と縦軸との信号強度が小さい領域で分布する傾向にあ
ることがわかる。同様に、ポロシティー品（□印）の場
合は、２軸座標系の縦軸の信号強度が小さく横軸の信号
強度が大きい領域に分布する傾向にあることが、また、
未溶着品（◇印）の場合は、２軸座標系の縦軸の信号強
度が大きく横軸全体の領域に分布する傾向にあることが
わかる。さらに、良品（○印）の場合は、２軸座標系の
縦軸の信号強度が小さく横軸の信号強度が中間程度の領
域に分布する傾向にあることがわかる。
【００６５】アンダーフィル品、ポロシティー品、未溶
着品、良品が、上記の２軸座標系にどのように分布する
のかを、多数の溶接品について調査した結果、それぞれ
の分布領域が図２３に示すように分かれることがわかっ
た。また、１つの溶接個所で部分的にアンダーフィル、
ポロシティー、未溶着の現象が組み合わされて発生した
場合には、それぞれの領域の境界付近に分布することが
考えられる。このため、本発明では、図２４のように、
溶接状態の種類の判別が困難な混在領域を規定した。し
たがって、仮想的な２軸座標系には、アンダーフィル領
域、良品領域、ポロシティー領域、未溶着領域、混在領
域が存在する。なお、混在領域をどの程度の幅でとるの
かは、実験またはこの手法の運用の結果に応じて決め
る。
【００６６】なお、この仮想的な２軸座標系は、図４に
示したパソコン７Ｅで作られるが、これらの領域が２次
元平面として実際に作られるわけではない。また、上記
の各信号強度の演算結果に基づいて、この２軸座標系に
その演算結果が仮想的にプロットされるが、そのプロッ
トがその２次元平面上に実際に行われるものではない。
パソコン７Ｅには各領域を形成する信号強度の数値範囲
が記憶され、パソコン７Ｅは、演算結果がどの領域の数
値範囲に属するかによって、どの溶接状態が発生したの
か、また、良品であるのかを即座に判断できる。
【００６７】図１８のフローチャートに戻って、溶接中
に得られる、図２１に示した波形に対して、０〜１００
０Ｈｚおよび３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの信号強度を
算出する（Ｓ２３）。算出された０〜１０００Ｈｚの信
号強度と３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの信号強度とによ
って特定される２軸座標系内の座標が、図２４に示した
どの領域かを判断する（Ｓ２４）。
【００６８】そして、その座標があらかじめ設定した良
品領域に属していれば（Ｓ２４：ＹＥＳ）、その溶接個
所の溶接は正常に行われたもの（良品）と判断する（Ｓ
２５）。一方、その座標があらかじめ設定した良品領域
に属していなければ（Ｓ２４：ＮＯ）、その座標があら
かじめ設定したアンダーフィル領域、ポロシティー領
域、未溶着領域のいずれかの領域に属しているか否かを
判断する（Ｓ２６）。
【００６９】その座標がアンダーフィル領域、ポロシテ
ィー領域、未溶着領域のいずれかの領域に属していれば
（Ｓ２６：ＹＥＳ）、属している領域の溶接状態が生じ
ており、その溶接個所の溶接の品質には問題があると判
断する（Ｓ２７）。なお、フローチャートには示してい
ないが、良品であったこと、またはいずれかの溶接状態
の発生があったことは、ディスプレイ７Ｆに表示され
る。以上の処理によって、１つの溶接個所全体に対する
判断が終了する。
【００７０】一方、その座標がアンダーフィル領域、ポ
ロシティー領域、未溶着領域のいずれかの領域にも属し
ていなければ、すなわち、図２４の混在領域に属してい
れば（Ｓ２６：ＮＯ）、図２５に示すように、その溶接
個所を複数の領域に分割し、それぞれの領域に対して再
度、溶接状態の是非を判断する。
【００７１】再度の溶接状態の是非の判断は、次のよう
な手順で行われる。
【００７２】前述のように、１つの溶接個所に対してセ
ンサ６ａから出力された電気信号の経時変化は、パソコ
ン７Ｅの記憶装置に記憶されているが、再度の溶接状態
の是非を判断するときには、この記憶されている電気信
号の経時変化を時系列に複数の領域に分割する。たとえ
ば、ある溶接個所の溶接長さが図２５に示すように３０
ｍｍであるときには、その溶接個所をたとえば６ｍｍず
つ５分割し、それぞれの分割された１つ１つの領域につ
いて、どのような溶接状態が発生しているのか、または
良品であるのかを、上記の手順とまったく同一の手順で
１つずつ判断する。
【００７３】この領域の分割を、記憶されている電気信
号について当てはめると、溶接速度が本実施の形態では
４．５ｍ／ｍｉｎであるから、３０ｍｍの溶接個所を溶
接するのには、０．４ｓｅｃ要することになる。したが
って、記憶装置に記憶されているこの溶接個所の電気信
号は、０．４ｓｅｃ分の電気信号である。これを上記の
ように５分割するのには、この電気信号を０．０８ｓｅ
ｃずつ時系列に分割する。この分割により、その溶接個
所について、０〜０．０８ｓｅｃの第１時間帯、０．０
８ｓｅｃ〜０．１６ｓｅｃの第２時間帯、０．１６ｓｅ
ｃ〜０．２４ｓｅｃの第３時間帯、０．２４ｓｅｃ〜
０．３２ｓｅｃの第４時間帯、０．３２ｓｅｃ〜０．０
４ｓｅｃの第５時間帯の５つの時間帯の電気信号が得ら
れる。なお、分割は、１ｍｍ程度から８ｍｍ程度の単位
で行うのが望ましいが、溶接個所の形状や望まれる溶接
品質の判断精度に応じて臨機応変に変えることも必要で
ある。
【００７４】これらの時間帯の電気信号を記憶装置から
１つずつ取り出して、これら５つの電気信号の波形にＦ
ＦＴ（高速フーリエ変換）信号強度演算を施す（Ｓ２
８）。そして、それぞれの波形に対して、０〜１０００
Ｈｚおよび３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの信号強度を算
出する（Ｓ２９）。それぞれ算出された、０〜１０００
Ｈｚの信号強度と３０００Ｈｚ〜６０００Ｈｚの信号強
度が、図２４に示した２軸座標系内のそれぞれのどの領
域に存在するかを判断する（Ｓ３０）。ここまでの処理
により、たとえば、図２５に示すように、第１時間帯に
相当する領域（図２５では左端の領域）では未溶着が生
じており、第２時間帯に相当する領域（その右隣の領
域）でも未溶着が生じており、残りの第３時間帯から第
５時間帯（残りの右端までの領域）は良品であると判断
される。
【００７５】つぎに、その溶接個所に対する良品割合を
算出する（Ｓ３１）。上記の場合、５分割した領域のう
ちの２つの領域にいずれかの溶接状態が生じていたので
あるから、良品割合は６０％となる。
【００７６】良品であると判断された領域の数が、分割
した領域の数に対してあらかじめ設定した必要良品割合
（たとえば７０％）を超えていれば（Ｓ３２：ＹＥ
Ｓ）、その溶接個所は全体としてみれば良品であると判
断する（Ｓ３３）。このような手法を用いるのは、たと
えば、ある溶接個所において、アンダーフィル、ポロシ
ティー、未溶着などの溶接状態の発生を見込んで、その
溶接長さを設計上要求される溶接長さよりも長く設定し
ているときには、算出された良品部分の長さが設計上要
求される溶接長さよりも長ければ、その溶接個所は総合
的に良品と判断しても、溶接品質上は問題がないからで
ある。
【００７７】一方、良品であると判断された領域の数
が、分割した領域の数に対してあらかじめ設定した必要
良品割合（たとえば７０％）を超えていなければ（Ｓ３
２：ＮＯ）、その溶接個所はアンダーフィル、ポロシテ
ィー、未溶着などの溶接状態が存在し、その溶接個所は
総合的にみて溶接品質に問題があると判断する（Ｓ３
４）。なお、フローチャートには示していないが、総合
的にみて良品であったこと、または総合的にみて溶接品
質に問題があったことは、ディスプレイ７Ｆに表示され
る。
【００７８】このように、ある溶接個所全体に対する判
断が溶接品質に問題があるとの判断であったときに、そ
の溶接個所に対する再判断をすると、溶接個所全体のみ
の評価法に比較して判断精度を向上させることができ
る。
【００７９】以上の処理は、溶接と同時にリアルタイム
で行われる。また、上記の分割判断が行われたとして
も、その判断は、次の溶接個所の溶接が行われるまでに
終了する。そして、最終的にその溶接個所が溶接品質に
問題があると判断されると、その溶接個所にはペイント
が吹き付けられる。１つのワークには溶接個所が何十個
所も存在する場合があるが、このようにペイントが吹き
付けられることによって、後工程での最終検査が容易に
なる。最終検査では、ペイントを吹き付けられた部分が
本当に溶接品質に問題があるか否かがもう一度人間の目
で判断される。この最終検査でも溶接品質に問題がある
と判断されたときには、そのワークがバックアップ工程
に搬送されて補修作業が行われる。
【００８０】なお、以上の処理では、板厚または溶接速
度が一定の場合について述べた。第１の実施の形態でも
述べたように、板厚、溶接速度またはアスペクト比によ
って自ずとポロシティーの発生の判断に最適な周波数が
存在する。したがって、本実施の形態でも、第１の実施
の形態の場合と同様に、板厚、溶接速度またはアスペク
ト比によってその周波数（本実施の形態では、第２の周
波数帯）を変化させる。なお、板厚の変化によってどの
ような周波数にするのか、または溶接速度の変化によっ
てどのような周波数にするのかは、第１の実施の形態で
詳細に説明したので、ここでの説明は省略する。
【００８１】以上のように、本実施の形態によれば、ポ
ロシティー、アンダーフィル、未溶着などの溶接状態の
発生を、まったく同一の演算処理によって判断すること
ができるので、従来のように、それぞれの種類の溶接状
態の発生を検出するために、それぞれ異なる複雑な演算
処理をする必要がなくなる。したがって、その計算処理
に対するＣＰＵの処理負担はかなり小さくなる。
【００８２】また、分割判断という手法によって、溶接
を行った部分の一部だけに発生しているいずれかの溶接
状態も容易に判断することができ、発生している溶接状
態の種類の判断精度が格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる品質モニタリング装置を備えた
ＹＡＧレーザー溶接装置の具体的な構成図である。
【図２】本発明にかかる品質モニタリング装置を備えた
ＹＡＧレーザー溶接装置の概念図である。
【図３】センサ内部の具体的な構成を示す図である。
【図４】図２に示した計測装置の具体的な構成を示す図
である。
【図５】溶接品質の検出原理の説明に供する図である。
【図６】溶接品質の検出原理の説明に供する図である。
【図７】溶接品質の検出原理の説明に供する図である。
【図８】本発明の第１の実施の形態にかかるモニタリン
グ方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】基本溶接条件の下で溶接が行われたときの、Ｙ
ＡＧレーザー光線の反射光から得られた電気信号の波形
図である。
【図１０】基本溶接条件の下で溶接が行われたときの、
キーホールおよびプルームの可視光から得られた電気信
号の波形図である。
【図１１】図９に示したＹＨの波形にＦＦＴ信号強度演
算を施し、その結果得られた波形図である。
【図１２】求められたマハラノビス距離に基づいて描か
れた分布図である。
【図１３】板厚合計とポロシティーの発生を判断するた
めに有効な周波数との関係を示す図である。
【図１４】板厚合計と溶接速度とポロシティーの発生を
判断するために有効な周波数との関係を示す図である。
【図１５】計測装置の記憶装置に記憶されるテーブルの
一例を示す図である。
【図１６】溶接部に生じるキーホールのアスペクト比の
説明に供する図である。
【図１７】未溶着の溶接状態の説明に供する図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態にかかるモニタリ
ング方法の手順を示すフローチャートである。
【図１９】基本溶接条件の下で溶接が行われたときの、
ＹＡＧレーザー光線の反射光から得られた電気信号の波
形図である。
【図２０】基本溶接条件の下で溶接が行われたときの、
ＹＡＧレーザー光線の反射光から得られた電気信号の波
形図である。
【図２１】図１９と図２０に示した電気信号に対してＦ
ＦＴ信号強度演算を施し、その結果得られた波形図であ
る。
【図２２】アンダーフィル品、ポロシティー品、未溶着
品、良品の分布状況の説明に供する図である。
【図２３】２軸座標系に規定されている、アンダーフィ
ル領域、ポロシティー領域、未溶着領域、良品領域を示
す図である。
【図２４】２軸座標系に規定されている、混在領域の説
明に供する図である。
【図２５】再度の溶接状態の是非を判断する手順の説明
に供する図である。
【符号の説明】
１…ＹＡＧレーザー発振器、 ２…光ファイバーケーブル、 ３…コリメーターレンズ、 ４…集光レンズ、 ５…ワーク、 ６ａ、６ｂ…センサ、 ７…計測装置、 ７Ａ…増幅器、 ７Ｂ、７Ｄ…Ａ／Ｄ変換器、 ７Ｃ…バンドパスフィルター、 ７Ｅ…パソコン、 ７Ｆ…ディスプレイ、 ８、９…フォトダイオード、 １０…ダイクロイックミラー、 １１…干渉フィルタ、 ２０…突合せ部、 ２１…亜鉛メッキ層、 ２２…鋼、 ２３…ポロシティー、 ２５…キーホール、 ２６…壁、 ２７…亜鉛金属蒸気、 ２８…プルーム、 ３０、４０…隙間、 ３１…アンダーフィル、 １００…ＹＡＧレーザー溶接装置。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 樽井 大志 神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産 自動車株式会社内 Ｆターム(参考） 2G051 AA37 AA89 AB02 AB20 BA10 BB17 CA07 CB01 CB10 CC07 CC11 DA06 EA14 EB01 EC04 4E068 CA17 CB09 DA14 DB01

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ＹＡＧレーザーからワークの溶接部に向
    けてレーザー光線を照射する段階と、 照射したレーザー光線の当該溶接部からの反射光を検出
    する段階と、 検出された反射光から得られる信号の周波数分布を算出
    する段階と、 算出された周波数分布のうちの特定の周波数帯における
    信号強度を算出する段階と、 算出された信号強度があらかじめ設定されている基準値
    を超えていれば、ポロシティーの発生が過大であると判
    断し、基準値を超えていなければポロシティーの発生が
    正常範囲内であると判断する段階と、 を含むことを特徴とするレーザー溶接部の品質モニタリ
    ング方法。
  2. 【請求項２】 前記周波数分布を算出する段階は、 検出された反射光を電気信号に変換する段階と、 変換された電気信号の経時変化に基づいて当該電気信号
    の周波数分布を算出する段階と、 を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶
    接部の品質モニタリング方法。
  3. 【請求項３】 前記信号強度を算出するための特定の周
    波数帯は、前記ワークの板厚、溶接速度、前記ワークに
    おける溶接部のキーホールの深さＨと当該キーホールの
    幅Ｄとから算出されるアスペクト比Ｈ／Ｄの内の少なく
    とも１つの数値に応じて変化させることを特徴とする請
    求項１または請求項２に記載のレーザー溶接部の品質モ
    ニタリング方法。
  4. 【請求項４】 前記信号強度の算出は、信号強度の周波
    数分布を算出する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用い
    て、または、前記特定の周波数帯のみの信号を通過させ
    る帯域フィルタを用いて行われることを特徴とする請求
    項１または請求項２に記載のレーザー溶接部の品質モニ
    タリング方法。
  5. 【請求項５】 ワークの溶接部に向けてレーザー光線を
    照射するＹＡＧレーザーと、 照射したレーザー光線の当該溶接部からの反射光を検出
    する反射光検出手段と、 検出された反射光を電気信号に変換する電気信号変換手
    段と、 変換された電気信号の経時変化に基づいて当該電気信号
    の周波数分布を算出する周波数分布算出手段と、 算出された周波数分布のうちの特定の周波数帯における
    信号強度を算出する信号強度算出手段と、 算出された信号強度があらかじめ設定されている基準値
    を超えていれば、ポロシティーの発生が過大であると判
    断し、基準値を超えていなければポロシティーの発生が
    正常範囲内であると判断する溶接品質判断手段とを有す
    ることを特徴とするレーザー溶接部の品質モニタリング
    装置。
  6. 【請求項６】 前記反射光検出手段は、前記ＹＡＧレー
    ザー光線の反射光のみを検出するために、前記ＹＡＧレ
    ーザー光線の波長の光だけを透過させる干渉フィルタを
    有することを特徴とする請求項５に記載のレーザー溶接
    部の品質モニタリング装置。
  7. 【請求項７】 前記信号強度算出手段は、信号強度を算
    出するための特定の周波数帯を、前記ワークの板厚、溶
    接速度、前記ワークにおける溶接部のキーホールの深さ
    Ｈと当該キーホールの幅Ｄとから算出されるアスペクト
    比Ｈ／Ｄの内の少なくとも１つの数値に応じて変化させ
    ることを特徴とする請求項５に記載のレーザー溶接部の
    品質モニタリング装置。
  8. 【請求項８】 前記信号強度算出手段は、信号強度の周
    波数分布を算出する高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用い
    て、または、前記特定の周波数帯のみの信号を通過させ
    る帯域フィルタを用いて、信号強度を算出することを特
    徴とする請求項５に記載のレーザー溶接部の品質モニタ
    リング装置。
  9. 【請求項９】 ＹＡＧレーザーからワークの溶接部に向
    けてレーザー光線を照射する段階と、 照射したレーザー光線の当該溶接部からの反射光を検出
    する段階と、 検出された反射光から得られる信号の周波数分布を算出
    する段階と、 算出された周波数分布のうち、アンダーフィルの発生を
    検出するための第１の周波数帯における信号強度または
    ポロシティーの発生を検出するための第２の周波数帯に
    おける信号強度の内の少なくとも１つの信号強度と、未
    溶着の発生を検出するための第３の周波数帯における信
    号強度とを算出する段階と、 一方の軸が、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯
    の信号強度の大きさを示し、他方の軸が、前記第３の周
    波数帯の信号強度の大きさを示す、仮想的な２軸座標系
    に、算出された前記各周波数帯の信号強度を仮想的にプ
    ロットする段階と、 前記各周波数帯の信号強度が仮想的に前記２軸座標系の
    どの領域にプロットされるかによって、アンダーフィ
    ル、ポロシティー、未溶着のうち少なくとも１つの溶接
    状態の発生を判断する段階と、 を含むことを特徴とするレーザー溶接部の品質モニタリ
    ング方法。
  10. 【請求項１０】 前記周波数分布を算出する段階は、 検出された反射光を電気信号に変換する段階と、 変換された電気信号の経時変化を記憶する段階と、 電気信号の経時変化に基づいて当該電気信号の周波数分
    布を算出する段階と、 を有することを特徴とする請求項９に記載のレーザー溶
    接部の品質モニタリング方法。
  11. 【請求項１１】 前記２軸座標系には、アンダーフィ
    ル、ポロシティー、未溶着のいずれかの溶接状態の発生
    を判断するための、アンダーフィル領域、ポロシティー
    領域、未溶着領域が規定されていることを特徴とする請
    求項９または請求項１０に記載のレーザー溶接部の品質
    モニタリング方法。
  12. 【請求項１２】 前記２軸座標系には、さらに、アンダ
    ーフィル、ポロシティー、未溶着のいずれかの溶接状態
    が発生していないことを判断するための、良品領域が規
    定されていることを特徴とする請求項１１に記載のレー
    ザー溶接部の品質モニタリング方法。
  13. 【請求項１３】 前記２軸座標系のアンダーフィル領
    域、ポロシティー領域、未溶着領域、良品領域それぞれ
    の境界には、溶接状態の種類を特定することが困難な混
    在領域が規定されていることを特徴とする請求項１２に
    記載のレーザー溶接部の品質モニタリング方法。
  14. 【請求項１４】 さらに、 いずれかの周波数帯の信号強度の仮想的なプロットが前
    記混在領域にされたときには、１つの溶接個所に対して
    記憶されている電気信号の経時変化を時系列に複数の領
    域に分割する段階と、 分割された各領域における電気信号の経時変化に基づい
    て、前記領域ごとに前記電気信号の周波数分布を算出す
    る段階と、 前記領域ごとに算出された周波数分布のそれぞれに対し
    て、前記第１の周波数帯における信号強度または前記第
    ２の周波数帯における信号強度の内の少なくとも１つの
    信号強度と、前記第３の周波数帯における信号強度とを
    算出する段階と、 前記２軸座標系に、算出された前記各周波数帯の信号強
    度を、前記領域ごとに仮想的にプロットする段階と、 前記各周波数帯の信号強度が仮想的に前記２軸座標系の
    どの領域にプロットされるかによって、アンダーフィ
    ル、ポロシティー、未溶着のうち少なくとも１つの溶接
    状態の発生を、前記領域ごとに判断する段階と、 前記判断に基づいて、前記溶接個所の品質の状態を総合
    的に判断する段階と、 を有することを特徴とする請求項１３に記載のレーザー
    溶接部の品質モニタリング方法。
  15. 【請求項１５】 前記溶接個所の品質の状態を総合的に
    判断する段階は、 アンダーフィル、ポロシティー、未溶着のうち少なくと
    も１つの溶接状態が発生していると判断された前記領域
    の数が、前記分割した領域の数に対して一定の割合を超
    えている場合には、その溶接個所の品質には問題がある
    と判断し、そうでない場合には、その溶接個所の品質に
    は問題がないと判断することを特徴とする請求項１４に
    記載のレーザー溶接部の品質モニタリング方法。
  16. 【請求項１６】 前記信号強度を算出するための、前記
    第１から第３の各周波数帯は、前記ワークの板厚、溶接
    速度、前記ワークにおける溶接部のキーホールの深さＨ
    と当該キーホールの幅Ｄとから算出されるアスペクト比
    Ｈ／Ｄの内の少なくとも１つの数値に応じて変化させる
    ことを特徴とする請求項９、請求項１０、または請求項
    １４のいずれかに記載のレーザー溶接部の品質モニタリ
    ング方法。
  17. 【請求項１７】 ワークの溶接部に向けてレーザー光線
    を照射するＹＡＧレーザーと、 照射したレーザー光線の当該溶接部からの反射光を検出
    する反射光検出手段と、 検出された反射光を電気信号に変換する電気信号変換手
    段と、 変換された電気信号の経時変化を記憶する記憶手段と、 電気信号の経時変化に基づいて当該電気信号の周波数分
    布を算出する周波数分布算出手段と、 算出された周波数分布のうち、アンダーフィルの発生を
    検出するための第１の周波数帯における信号強度または
    ポロシティーの発生を検出するための第２の周波数帯に
    おける信号強度の内の少なくとも１つの信号強度と、未
    溶着の発生を検出するための第３の周波数帯における信
    号強度とを算出する信号強度算出手段と、 一方の軸が、前記第１の周波数帯と前記第２の周波数帯
    の信号強度の大きさを示し、他方の軸が、前記第３の周
    波数帯の信号強度の大きさを示す、仮想的な２軸座標系
    に、算出された前記各周波数帯の信号強度を仮想的にプ
    ロットし、前記各周波数帯の信号強度が仮想的に前記２
    軸座標系のどの領域にプロットされるかによって、アン
    ダーフィル、ポロシティー、未溶着のうち少なくとも１
    つの溶接状態の発生を判断する溶接品質判断手段と、 を有することを特徴とするレーザー溶接部の品質モニタ
    リング装置。
  18. 【請求項１８】 前記反射光検出手段は、前記ＹＡＧレ
    ーザー光線の反射光のみを検出するために、前記ＹＡＧ
    レーザー光線の波長の光だけを透過させる干渉フィルタ
    を有することを特徴とする請求項１７に記載のレーザー
    溶接部の品質モニタリング装置。
  19. 【請求項１９】 前記２軸座標系には、アンダーフィ
    ル、ポロシティー、未溶着のいずれかの溶接状態の発生
    を判断するための、アンダーフィル領域、ポロシティー
    領域、未溶着領域が規定されていることを特徴とする請
    求項１７に記載のレーザー溶接部の品質モニタリング装
    置。
  20. 【請求項２０】 前記２軸座標系には、さらに、アンダ
    ーフィル、ポロシティー、未溶着のいずの溶接状態も発
    生していないことを判断するための、良品領域が規定さ
    れていることを特徴とする請求項１９に記載のレーザー
    溶接部の品質モニタリング装置。
  21. 【請求項２１】 前記２軸座標系のアンダーフィル領
    域、ポロシティー領域、未溶着領域、良品領域それぞれ
    の境界には、溶接状態の種類を特定することが困難な混
    在領域が規定されていることを特徴とする請求項２０に
    記載のレーザー溶接部の品質モニタリング装置。
  22. 【請求項２２】 さらに、 いずれかの周波数帯の信号強度の仮想的なプロットが前
    記混在領域にされたときには、前記記憶手段に記憶され
    ている１つの溶接個所に対する電気信号の経時変化を時
    系列に複数の領域に分割する分割手段を有し、 前記溶接品質判断手段は、前記領域ごとにアンダーフィ
    ル、ポロシティー、未溶着のうち少なくとも１つの溶接
    状態の発生を判断し、その判断に基づいて、前記溶接個
    所の品質の状態を総合的に判断することを特徴とする請
    求項２１に記載のレーザー溶接部の品質モニタリング装
    置。
  23. 【請求項２３】 前記溶接品質判断手段は、 アンダーフィル、ポロシティー、未溶着のうち少なくと
    も１つの溶接状態が発生していると判断された前記領域
    の数が、前記分割した領域の数に対して一定の割合を超
    えている場合には、その溶接個所の品質には問題がある
    と判断し、そうでない場合には、その溶接個所の品質に
    は問題がないと判断することを特徴とする請求項２２に
    記載のレーザー溶接部の品質モニタリング装置。
  24. 【請求項２４】 前記信号強度を算出するための、前記
    第１から第３の各周波数帯は、前記ワークの板厚、溶接
    速度、前記ワークにおける溶接部のキーホールの深さＨ
    と当該キーホールの幅Ｄとから算出されるアスペクト比
    Ｈ／Ｄの内の少なくとも１つの数値に応じて変化させる
    ことを特徴とする請求項１７または請求項２２に記載の
    レーザー溶接部の品質モニタリング装置。
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