JP2003103386A

JP2003103386A - Ｙａｇレーザ溶接のモニタリング装置

Info

Publication number: JP2003103386A
Application number: JP2001293325A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ogawa; 哲也小川; Takeo Maede; 武男前出; Hirokuni Hachiuma; 弘邦八馬
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-08

Abstract

(57)【要約】【課題】溶接部の品質を確実に判定することができ、
しかも装置全体のコンパクト化及び制御構成の簡略化を
図ることができるＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装置
を提供する。【解決手段】ＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装置で
ある。溶接部３からのＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の強度の
平均値と分散値を求める。２０ＫＨｚのサンプリングレ
ートから４０Ｈｚ毎に５００点ずつの分散値及び平均値
を求める。この平均値と分散値とに基づいて溶接部３の
品質を判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ＹＡＧレーザ溶
接のモニタリング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＹＡＧレーザ溶接を行う場合、例えば、
レーザ出力、レーザ焦点位置、ワークの隙間（非貫通重
ね溶接の場合）、溶接速度等の多くの施工条件を管理す
る必要がある。ところが、これらの項目を管理した場
合、実験室レベルでは溶接良好となるが、実験室レベル
でない量産時では、部品精度、レーザ出力の低下、作業
ミス等によって、突発的な溶接不良を起こすおそれがあ
った。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】そのため、例えば特開
２０００−２７１７６８号公報に記載されるように、溶
接作業中に溶接部の品質を判定するためのモニタリング
装置が提案されている。すなわち、この装置は、ＹＡＧ
溶接部からの可視光の発光強度に加えてＹＡＧレーザの
反射光の強度を上下２箇所に配設したセンサによってそ
れぞれ検出すると共に、これら検出信号を低周波成分と
高周波成分とに分けて測定し、これら都合８種類の信号
情報に基づいて溶接部の品質を判定するものである。こ
のため、このようなものでは、２台のカメラを必要とす
る共に、８種類の信号を処理する必要があり、装置全体
として大型化し、しかも制御構成の複雑化を招いてい
た。

【０００４】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、溶接部の品質
を確実に判定することができ、しかも装置全体のコンパ
クト化及び制御構成の簡略化を図ることができるＹＡＧ
レーザ溶接のモニタリング装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段および効果】そこで請求項
１のＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装置は、ＹＡＧレ
ーザ溶接のモニタリング装置において、溶接部からのＹ
ＡＧレーザ反射光の強度の分散値を求め、この分散値に
基づいて上記溶接部の品質を判定すること特徴としてい
る。

【０００６】上記請求項１のＹＡＧレーザ溶接のモニタ
リング装置では、良好な溶接部からのＹＡＧレーザ反射
光の強度と、良好でない溶接部からのＹＡＧレーザ反射
光の強度では相違するので、この強度を検出することに
よって、溶接部の品質の判定を行うことができる。しか
も、データとして分散値を用いるので、精度よく判定す
ることができる。また、溶接作業を行いつつこの溶接部
に良否を判断することができるもので、良好であれば、
継続して溶接作業を行うことができ、高品質の製品を安
定して能率よく提供することがきる。また、不良である
場合、直ちに、この溶接作業を停止して、その後の無駄
な溶接を回避することができると共に、不良となる原因
を除去してその後の溶接作業を良好な状態に戻すことが
でき、生産性の向上を図ることができる。さらに、ＹＡ
Ｇレーザ反射光の強度を検出するためのセンサとしては
１台でよく、しかも、処理するための信号としても１種
類でよいので、装置全体のコンパクト化及び制御構成の
簡略化を図ることができる。

【０００７】請求項２のＹＡＧレーザ溶接のモニタリン
グ装置は、ＹＡＧレーザ反射光の強度の平均値を求め、
この平均値と上記分散値に基づいて溶接部の品質を判定
すること特徴としている。

【０００８】上記請求項２のＹＡＧレーザ溶接のモニタ
リング装置では、データとして分散値と平均値を用いる
ので、より高精度に品質を判定することができる。これ
により、不良品を良品としてそのまま製品とするおそれ
がきわめて減少し、製品供給が安定する。

【０００９】請求項３のＹＡＧレーザ溶接のモニタリン
グ装置は、２０ＫＨｚのサンプリングレートから４０Ｈ
ｚ毎に５００点ずつの分散値及び平均値を求めることを
特徴としている。

【００１０】上記請求項３のＹＡＧレーザ溶接のモニタ
リング装置では、サンプリングレートを適切に選定する
ことにより平均値のばらつきを抑えることができると共
に、分散値も求め易くなる。このため、品質の判定（良
否の判定）が安定して行うことができる。これに対し
て、この範囲よりも細かすぎると平均がばらつき、この
範囲を超えれば分散値が求め難くなり、どちらの場合も
良否の判定が安定しない。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に、この発明のＹＡＧレーザ溶
接のモニタリング装置の実施形態について、図面を参照
しつつ詳細に説明する。図１は２枚のプレート１、２を
ＹＡＧレーザ溶接にて重ね溶接している状態を示す断面
図である。この溶接の際に、この発明にかかるＹＡＧレ
ーザ溶接のモニタリング装置を使用する。なお、ＹＡＧ
レーザ溶接を行うＹＡＧレーザ溶接装置は、図外のＹＡ
Ｇレーザ発振器を備え、光ファイバー等の伝送部材及び
集光レンズを介して、ＹＡＧレーザ発振器からのレーザ
光Ｌを照射する。

【００１２】このモニタリング装置は、溶接部３からの
ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の強度の分散値等を求め、この
分散値等に基づいて上記溶接部３の品質を判定（欠陥を
検出）するものであって、図２に示すように、ＹＡＧレ
ーザ反射光Ｌ１を検出する反射光検出手段５と、このＹ
ＡＧレーザ反射光Ｌ１の強度の平均値や分散値等を演算
する演算手段６と、良好な溶接状態の強度等を予め設定
する設定手段７と、この設定手段７の設定値と上記演算
手段６の演算値とを比較して溶接状態の良否を判断する
判定手段８等を備える。

【００１３】ところで、どのような種類の光を用いれ
ば、溶接品質の判定に最も高精度に行えるかについてテ
ストした。このテストに使用した反射光検出手段５は、
図３に示すように、ＹＡＧレーザ光検知用のＹＡＧ用セ
ンサ１０と、赤外光検知用の赤外用センサ１１と、可視
光検知用の可視用センサ１２とを備え、この反射光検出
手段５に入光した光を、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１と赤外
光と可視光とに分光する。

【００１４】すなわち、反射光検出手段５は、第1部１
３ａと第２部１３ｂとを有するケース本体１３と、この
ケース本体１３の第1部１３ａに付設されるケース１４
と、このケース本体１３の第２部１３ｂに付設されるケ
ース１５、１６とを備え、ケース１４に上記可視用セン
サ１２が収納され、ケース１５に上記ＹＡＧ用センサ１
０が収納され、ケース１６に上記赤外用センサ１１が収
納されている。

【００１５】また、ケース本体１３の第1部１３ａに
は、赤外光を反射し可視光を透過するミラー１７が収納
される。つまり、このミラー１７は、第1部１３ａの入
光口１８から入った光のうち可視光（４００〜７００ｎ
ｍ）を、この入光口１８に相対面する出光口１９を介し
てケース１４へ入光させ、他の赤外光（７５０〜１２０
０ｎｍ）を連絡口２０、２１を介して第２部１３ｂへ入
光させる。そして、この第２部１３ｂには、入射光を約
５０％反射し約５０％を透過するビームスプリッタ２２
が収納されている。つまり、このビームスプリッタ２２
では、第1部１３ａからの可視光の約５０％を、第２部
１３ｂの出光口２３からケース１５に入光させ、他の約
５０％を、出光口２４からケース１６に入光させる。

【００１６】上記ケース１４内にはフィルタ２５が配置
され、このケース１４内に入光した可視光が通過して、
４００〜７００ｎｍの可視光がセンサ１２に入光する。
また、上記ケース１５内にはフィルタ２６が配置され、
このケース１５内に入光した赤外光のうち１０６４ｎｍ
のＹＡＧレーザ反射光Ｌ１がセンサ１０に入光する。さ
らに、上記ケース１６内にはフィルタ２７が配置され、
このケース１６内に入光した赤外光のうち７５０〜９９
０ｎｍの赤外光が、マスク２８と光を集光するためのレ
ンズ２９を介してセンサ１１に入光する。このように、
溶接部３からの光を、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１と赤外光
と可視光とに分光して、各光をそれぞれのセンサ１０、
１１、１２に入光させることができる。なお、各ケース
１４、１５、１６にはエア配管３０が接続され、図外の
空調システムにて空調された空気がこのエア配管３０を
介して供給し、安定温度雰囲気にて検出を行えようにし
ている。

【００１７】そして、各センサ１０、１１、１２により
測定された信号は、図示省略のアンプ等に増幅された
後、上記演算手段６に入力される。この場合、演算手段
６は例えばパソコン（パーソナルコンピュータ）等にて
構成され、各センサ１０、１１、１２からの各波長域の
平均値Ａと分散値（数値としては、標準偏差値であり、
σで表す）を求める。具体的には、データは２０ｋＨｚ
のサンプリングレートによるセンサ（光センサ）１０、
１１、１２からの信号出力データであり、信号出力の５
００点ずつ（４０Ｈｚ毎）の平均値Ａと分散値σであ
る。

【００１８】すなわち、平均値Ａと分散値σは、例え
ば、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１では図４に示すものとな
り、赤外光では図５に示すものとなり、可視光では図６
に示すものとなる。この図４〜図６は、ＹＡＧレーザ溶
接として標準的な溶接条件で行ったものであり、厚さ
１．２ｍｍ同士の非貫通重ね溶接である。前半の約３秒
間は溶接欠陥が生じ、後半は溶接品質が良好であった。
また、横軸はサンプリングポイント数であり２０００点
で１秒である。縦軸は光センサ１０、１１、１２からの
出力電圧である。また、平均値は、グラフに示すＡであ
る。

【００１９】また、各種の欠陥要因（レーザ出力の低
下、速度、隙間、焦点距離）を、それぞれ単独で変更し
てモニタリングデータをとれば、出力では図７に示すグ
ラフとなり、溶接速度では図８に示すグラフとなり、焦
点距離では図９に示すグラフとなり、隙間Ｓ（図１参
照）では図１０に示すグラフとなる。

【００２０】上記図７〜図１０に示すグラフから次のこ
とがいえる。出力変化に対し、ＹＡＧレーザ反射光（Ｙ
ＡＧ光）Ｌ１と赤外光の平均値Ａは０．１ｋＷあたり
０．２５Ｖ程度の傾きで直線的に変化（増加）している
が、可視光の平均値Ａは、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１や赤
外光に比べて、０．１ｋＷあたり０．１５Ｖ程度と傾き
が小さい。また、σ値に有意な差はない。速度変化に対
しては、各データに有意な差はない。焦点位置の変化に
対しては、ＹＡＧ光Ｌ１と赤外光のσ値が±０ｍｍ付近
を中心に、２次曲線的に変化している。＋側は−側に比
べて若干σ値が小さくなっているが、これは設定した焦
点位置が必ずしも溶接的に中心とはいえないからであ
る。隙間の変化に対しては、σ値は特徴的に変化が生じ
た。すなわち、十分な接合品質が得られる隙間０．３ｍ
ｍ以下では、ＹＡＧ光Ｌ１のσ値は約０．０５Ｖ程度に
低く抑えられているが、この０．３ｍｍを超えれば（つ
まり、０．４ｍｍとなれば）、０．１５Ｖ程度まで上昇
する。なお、この隙間０．４ｍｍでは、それぞれ２つの
データがあるが、０．０８Ｖのものは接合したもので、
０．１５Ｖものは接合しなかったものである。σ値と接
合・非接合との間に相関関係があるといえる。なお、こ
の隙間の変化に対して、平均値Ａに有意な差はない。

【００２１】このように、可視光や赤外光よりもＹＡＧ
レーザ反射光Ｌ１の方が、検出感度がよいことが分か
り、ＹＡＧレーザ溶接の大きな欠陥要因である隙間と焦
点ずれとに対して、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の平均値Ａ
や分散値σを管理すれば、溶接部３の良否の判断を行う
ことができる。すなわち、例えば、上記図４〜図１０か
ら分かるように、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の平均値Ａが
３Ｖ以下であれば、発振器の出力が低下していると判断
でき、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の分散値σが０．１以上
であれば、焦点ずれまたは過大隙間による接合不良が生
じていると判断できる。

【００２２】従って、例えば、上記設定手段７にて、Ｙ
ＡＧレーザ反射光Ｌ１の平均値Ａの基準値（閾値）を３
Ｖと設定すると共に、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の分散値
σの基準値（閾値）を０．１に設定して、この閾値と、
反射光検出手段５にて検出された反射光の平均値Ａ及び
分散値σとを、上記判定手段８にて比較しながら上記溶
接装置にて溶接を行うことができる。そのため、検出さ
れた反射光の平均値Ａが閾値以下であれば、出力が低下
しており、不良と判断することができ、検出された反射
光の分散値が閾値以上であれば、焦点ずれまたは過大隙
間による不良と判断することができる。なお、上記設定
手段７及び判定手段８も上記演算手段を構成するパソコ
ンにて構成することができる。

【００２３】このように、このモニタ装置を使用すれ
ば、溶接をしながら溶接の良否を判断することができ、
良好な場合、継続して溶接作業を行うことができて、高
品質の製品を安定して提供することがきる。また、不良
である場合、直ちに、この溶接作業を停止して、その後
の無駄な溶接を回避することができると共に、不良とな
る原因を除去してその後の溶接作業を良好な状態に戻す
ことができる。

【００２４】しかも、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１の強度を
検出するためのセンサとしては１台でよく、しかも、処
理するための信号としても１種類でよいので、装置全体
のコンパクト化及び制御構成の簡略化を図ることができ
る。このため、既存のＹＡＧレーザ溶接装置に簡単に付
設することができ、ＹＡＧレーザ溶接装置による溶接作
業中に溶接品質を管理することができるモニタ装置を低
コストにて供給することができる。

【００２５】以上にこの発明のＹＡＧレーザ溶接のモニ
タリング装置の具体的な実施の形態について説明した
が、この発明は上記実施の形態に限定されるものではな
く、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可
能である。例えば、反射光Ｌ１のデータとしては、少な
くとも分散値が求められればよい。また、上記実施の形
態では、赤外光や可視光の平均値や分散値も演算するこ
とが可能であるので、これらデータを加えて溶接の良否
を判断（品質の判定）してもよいが、ＹＡＧレーザ反射
光Ｌ１は検出感度がよいので、ＹＡＧレーザ反射光Ｌ１
のみであっても溶接品質の判定を安定して行うことがで
きる。さらに、良否の判断基準となる基準値（閾値）と
しては、溶接部３の品質の基準や溶接すべきワーク等に
応じて任意に設定することができる。実施の形態では、
５００点ずつ（４０Ｈｚ毎）のサンプリング点数である
が、これに限るものではなく、自由に設定できるが、こ
れより細かすぎると平均がばらつくおそれがあり、これ
を超えると分散値が求め難くなるおそれがある。また、
２０ｋＨｚのサンプリングレートについては、装置の処
理能力等を考慮して決定したが、もちろんこれに限るも
のではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明のＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装
置の実施形態を示す使用状態説明図である。

【図２】上記モニタリング装置の簡略ブロック図であ
る。

【図３】上記モニタリング装置の要部簡略図である。

【図４】ＹＡＧレーザ反射光の強度の平均値及び分散値
を示すグラフ図である。

【図５】赤外光の強度の平均値及び分散値を示すグラフ
図である。

【図６】可視光の強度の平均値及び分散値を示すグラフ
図である。

【図７】ＹＡＧレーザ出力変化と、平均値及び分散値と
の関係を示すグラフ図である。

【図８】溶接速度変化と、平均値及び分散値との関係を
示すグラフ図である。

【図９】焦点変化と、平均値及び分散値との関係を示す
グラフ図である。

【図１０】隙間変化と、平均値及び分散値との関係を示
すグラフ図である。

【符号の説明】

３溶接部Ｌ１ＹＡＧレーザ反射光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者八馬弘邦大阪府枚方市上野３丁目１番１号株式会社小松製作所生産技術開発センタ内Ｆターム(参考） 2G051 AB13 BA06 BA08 BA10 BB17 CA03 CA07 CB01 EB01 EB02 EC02 EC03 4E068 BA00 CA17 CB09 CC01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装置に
おいて、溶接部からのＹＡＧレーザ反射光の強度の分散値を求
め、この分散値に基づいて上記溶接部の品質を判定する
こと特徴とするＹＡＧレーザ溶接のモニタリング装置。
【請求項２】ＹＡＧレーザ反射光の強度の平均値を求
め、この平均値と上記分散値に基づいて溶接部の品質を
判定すること特徴とする請求項１のＹＡＧレーザ溶接の
モニタリング装置。
【請求項３】２０ＫＨｚのサンプリングレートから４
０Ｈｚ毎に５００点ずつの分散値及び平均値を求めるこ
とを特徴とする請求項２のＹＡＧレーザ溶接のモニタリ
ング装置。