JP2004066266A - レーザ溶接品質検査方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接、特に薄板材の重ね合わせ溶接において、溶接の品質検査をより正確に行えるレーザ溶接品質検査方法及び装置を提供する。
【解決手段】レーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、被溶接物２のキーホール４周辺に形成される溶融池５の後端部分６に光照射装置３から照明用レーザ光７を照射し、その溶融池５の後端部分６からの反射光１１を受光装置１０で受光し、反射光１１の強さに応じた電気信号に変換する。この電気信号の強度に基づいて処理装置１３が正規化等の演算を行い、溶接品質の良、不良を判定して結果を出力する。処理装置１３の正規化演算で用いられる平均値には、テスト溶接によって「良」という検査結果が得られた値が選定される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被溶接物にレーザビームを照射して行うレーザ溶接において、溶接部からの光を検出して溶接の品質を検査するレーザ溶接品質検査方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のこの種のレーザ溶接品質検査方法には、特開２０００−４２７６９号公報に記載の方法がある。これは、溶接箇所からの光のうち、照射されたレーザ光の反射光を検出し、その強さに基づいて溶接箇所の欠陥を検出するというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、レーザ光が照射された溶接箇所からの反射光が、溶接欠陥の発生に伴って強度変化することから、溶接箇所の欠陥検出に有効である。
しかし、溶接箇所（レーザ光照射箇所）からの反射光による欠陥検出は、実際には溶接品質による顕著な差の生じ難い部位からの検出となり、検査精度に、期待する程の有効性を見い出し得なかった。
一方、レーザ光による溶接は、近年、２枚の薄板材、例えば、自動車等の車体を構成する２枚のパネル材の重ね合わせ溶接に多用されてきているが、この種の製造加工ラインにおいては、最近では高品質のみならず、高速化の要求も高まってきている。このため、レーザ溶接の品質検査も、このようなラインにおいて耐え得るような、精度の高い、特に、薄板材の重ね合わせ高速溶接において精度の高いレーザ溶接の品質検査方法が望まれてきた。
本発明の目的は、上記のような要望に鑑みなされたもので、より精度の高い溶接品質の検査、特に薄板材の重ね合わせ高速溶接において精度の高いレーザ溶接品質検査方法及び装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ溶接品質検査方法に係る発明は、複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、前記被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分に照明用の光を照射し、その溶融池の後端部分からの反射光の強度に基づいて溶接の品質検査をすることを特徴とする。
【０００５】
請求項２に記載のレーザ溶接品質検査装置に係る発明は、複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、前記被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分に照明用の光を照射する光照射手段と、この光照射手段により光が照射された前記溶融池の後端部分からの反射光を受光し、この反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光手段と、この受光手段からの電気信号の強度に基づいて所定の演算を行い、溶接の品質の良、不良を判定して結果を出力する処理手段とを具備することを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、処理手段は、受光手段からの電気信号に対して一次微分処理、正規化処理及びしきい値処理を行って溶接の品質の良、不良を判定し、正規化処理結果により溶接の品質不良時における品質不良の種類が判別可能であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明者らは、レーザ溶接、特に薄板材の重ね合わせ高速溶接において、上記のような目的を達成するため鋭意、実験・検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明者らは、被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分の表面（池面）が激しく波動していれば溶接品質不良、波動がなく穏やかであれば良品質（正常溶接）になるとの知見を得た。そしてこれによれば、レーザ光を照射している溶接箇所の現象に基づく従来技術以上に溶接品質の良、不良を高い確度で判定できることを見い出した。そこで本発明者らは、その判定の実現に当たり、溶融池の後端部分における表面の上記現象を、溶融池の後端部分に照明用の光（照明光）を照射し、その溶融池の後端部分から反射してくる光（反射光）の強度によって把握できるとの結論を得、本発明を完成するに至った。
【０００８】
なお、照明光の出射部と反射光の受光部を光出入射部として一体化した場合、つまり、照明光の出射方向と反射光の受光方向とを１８０°逆方向に設定した場合には、反射光の強度と溶接品質の良否とは次の関係を有するようになる。すなわち、上記光出入射部が溶融池表面の真上（溶融池表面に垂直な方向）にあって、そこから照明光が出射された場合には、溶融池表面に波動がなく穏やかである程、反射光の受光強度が大きくなるので、反射光の受光強度が大のときに良品質（正常溶接）と判定される。上記光出入射部が溶融池表面の真上から傾斜した方向にあって、そこから照明光が出射された場合には、溶融池表面に波動がなく穏やかであると上記光出入射部側に光は反射せず、それとは反対側に反射する。したがって、この場合は、反射光の受光強度が小さい程、良品質（正常溶接）と判定される。溶融池表面が激しく波動していれば乱反射等により上記光出入射部側への光反射も頻繁に、ないし大きく生じるようになるので、反射光の受光強度が大きい程、溶接品質が不良と判定される。
後述実施形態においては、上記光出入射部を溶接用のトーチに一体に取り付け、トーチと共に溶接方向に移動させるようにしている。したがって、トーチによるレーザ照射位置よりも溶接方向後側に位置する溶融池の後端部分表面に対し、照明光・反射光の出入射をする上記光出入射部の向きは、溶融池表面の真上からは傾斜した方向となる。すなわち、後述実施形態においては、反射光の受光強度が大きい程、溶接品質が不良と判定される場合を例示する。
【０００９】
図１は、本発明によるレーザ溶接品質検査方法が適用された装置（本発明装置）の一実施形態の説明図である。
図１において、１はレーザ溶接用のトーチで、このトーチ１から出射されるレーザビーム（光）１ａを矢印イに示すように被溶接物２に照射して溶接を行う。被溶接物２は、複数の被溶接部材、ここでは２枚の薄鋼板２ａ，２ｂが上下に重ね合わされたものであり、重ね合わせ溶接は、このような被溶接物２（薄鋼板２ａ，２ｂ）にレーザビーム１ａを照射して行う。
レーザ装置には炭酸ガスレーザ装置やＹＡＧレーザ装置があり、ここではＹＡＧレーザ装置が用いられている。溶接は、トーチ１若しくは被溶接物２のいずれか一方、又はそれらの双方を移動させ、ここではトーチ１を矢印ロ方向に移動させて行う。
【００１０】
光照射装置３は、溶接時、被溶接物２のキーホール４周辺に形成される溶融池５の後端部分６に照明用のビーム光、ここではレーザ光（照明用レーザ光７）を照射する装置である。なお図中、一点鎖線で囲む領域はキーホール領域、二点鎖線で囲む領域は溶融池領域、実線で囲む領域は照明用レーザ光７の照射領域を、各々示す。
この光照射装置３は、照明用レーザ装置３ａと、この照明用レーザ装置３ａからの照明用レーザ光７を案内し溶融池５の後端部分６に向けて出射する照明用光ファイバ３ｂとを備えて構成されている。
上記照明用光ファイバ３ｂは、その途中から後述受光用光ファイバとで光ファイバ束８を構成して光出入射部９に至り、この光出入射部９から照明用レーザ光７を出射する。実線矢印ハ−ハ間は照明用レーザ光７の照射範囲を示す。
【００１１】
受光装置１０は、溶接時、上記光照射装置３により光が照射された溶融池５の後端部分６からの反射光１１を受光し、この反射光１１の強度に応じた電気信号を出力する装置である。
この受光装置１０は、ここでは複数の受光用光ファイバ１０ａと集光レンズ１０ｂ（図２参照）とフォトセンサ、例えばフォトダイオード１０ｃとを備えて構成されている。
集光レンズ１０ｂは、複数の受光用光ファイバ１０ａの受光端側で、上記溶融池５の後端部分６からの反射光１１を集光して入射させる光学レンズである。フォトダイオード１０ｃは、複数の受光用光ファイバ１０ａから上記反射光１１を受けて電気信号に変換する光電変換素子で、受光強度に応じた強さの電気信号を出力する。なお図１中、破線で囲む領域は溶融池５の後端部分６からの反射光取込み領域１２を示し、破線矢印二−二間は反射光１１の受光範囲を示す。反射光取込み領域１２は、溶融池５の後端部分６内であって、図中、実線で囲む照明用レーザ光７の照射領域内の、照度分布がより均一な領域に設定される。
【００１２】
処理装置１３は、受光装置１０（フォトダイオード１０ｃ）からの電気信号の強度に基づいて所定の演算を行い、溶接の品質の良、不良を判定して結果を出力する装置である。処理装置１３は、フォトダイオード１０ｃからの電気信号に対して、ここでは一次微分処理、正規化処理及びしきい値処理を行い、溶接の品質の良（正常）、不良を判定するように構成されている。フォトダイオード１０ｃからの電気信号に対して高速フーリエ変換（Ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）等の周波数解析を行って溶接品質の良否を判定するように構成してもよいが、本例のような一次微分処理等を行う構成によれば、周波数解析を行う構成に比べて、簡易処理、高速演算を実現できる。
【００１３】
画像表示装置１４は、処理装置１３による判定結果をリアルタイムで表示する装置で、例えば横方向に時間軸を採り、溶接の進行中、溶接不良が生じた場合に、その位置を他の位置（正常位置）と区別して表示されるように構成される。具体的には、時間の経過に伴い、溶接が正常ならば右方向に直線状に線が描かれ、溶接不良が生じた時点でその箇所を不良の程度に応じた振幅をもつ振動波形を描くように表示する。これによれば、溶接不良が生じた時点（溶接不良箇所）と、その不良の程度とが表示画面から観察できる。溶接不良の程度（振幅の大きさ）と、「引け」や「溶け落ち」等、溶接不良の種類との間に対応付けが可能ならば、溶接不良の発生時に、「引け」、「溶け落ち」等の溶接不良の種類をも同時表示するようにしてもよい。
なお、処理装置１３による一次微分処理や正規化処理の結果（処理後の信号波形）を画像表示装置１４に表示可能としてもよい。また、画像表示装置８の表示画像を録画し、溶接後において、溶接結果の解析や確認に利用できるようにしてもよい。
【００１４】
図２は上記光出入射部９の拡大断面図である。
この図に示すように、照明用光ファイバ３ｂと、複数の受光用光ファイバ１０ａ及び集光レンズ１０ｂとは、光出入射部９において一体化されている。この場合、照明用光ファイバ３ｂと集光レンズ１０ｂとは、それらが同軸的に位置（照明用光ファイバ３ｂの光軸２１と集光レンズ１０ｂの光軸２２とが共通）し、また、上記複数の受光用光ファイバ１０ａは照明用光ファイバ３ｂの周囲を囲む状態で一体化されている。
【００１５】
すなわち、光出入射部９の被溶接物２に対向する側の端部には、集光レンズ１０ｂが配置され、その中心軸（光軸）２１部分を照明用光ファイバ３ｂが貫通している。集光レンズ１０ｂの裏面側の集光範囲には、複数の受光用光ファイバ１０ａが照明用光ファイバ３ｂを中心にしてその周囲を囲むように配置されている。
この場合、複数の受光用光ファイバ１０ａ群は、照明用光ファイバ３ｂの光軸２２（集光レンズ１０ｂの光軸２１）を中心にして同心円を描くように複数層、ここでは５層配置され、各層を形成する筒状の受光用光ファイバ１０ａ束は照明用光ファイバ３ｂの光軸２２と同軸的に位置して上記フォトダイオード１０ｃ至る。各層を形成する受光用光ファイバ１０ａ束は、その一端面（受光端面）が集光レンズ１０ｂの裏面に対向し、他端面がフォトダイオード１０ｃの受光面に対向することは勿論である。
このような光出入射部９は、図１から分かるように、ここではトーチ１に取り付けられ、溶融池５の後端部分６に対する照明用レーザ光７の照射領域及び反射光取込み領域１２等の位置関係を変えることなく、トーチ１と共に溶接方向（矢印ロ方向）に移動するように構成されている。
【００１６】
次に、動作について図３を併用して説明する。
図３において、溶接が開始されると、処理装置１３は、ステップ３０１で受光装置１０（フォトダイオード１０ｃ）からの信号（電気信号）を取り込む。処理装置１３に取り込まれる信号は、光照射装置３により光が照射された溶融池５の後端部分６からの反射光１１の強度に応じた信号であり、溶融池５の後端部分６における表面の波動の程度を示す。
ステップ３０２では、取り込んだ信号に対して一次微分処理を行い、信号強度の変化量を抽出する。
図４は、このような一次微分処理の結果の一例を示すグラフで、縦軸は信号変化量、横軸は時間ｔを示す。
この一次微分処理の結果は、後述するように画像表示装置１４により表示可能であり、表示画像において、時間軸上で一定値以上の変化量が生じている場合、その位置（時点）が不良発生箇所として特定できる。特定された不良発生箇所は、手直し等の後工程で有効利用できる。
【００１７】
ステップ３０３では、ステップ３０１で取り込まれたフォトダイオード１０ｃからの信号につき、正規化処理をする。ステップ３０１で取り込まれた信号が、検査時における外乱、例えば受光装置１０の集光レンズ１０ｂの曇りや汚れによってばらつきを生じさせないようにするためである。
正規化処理は、予め正常な溶接結果を得られるようにしたテスト溶接を種々の条件で各々複数回行い、各回毎に得られたフォトダイオード１０ｃからの信号の強度の平均値を求めておき、実際の溶接時において、フォトダイオード１０ｃからの信号の値を上記平均値で割算することにより行う。実際の溶接が正常な溶接であれば、正規化処理（割算）の結果は「１」となり、溶接不良の程度が大きい程、「１」から大きく外れた値を示す。
図５は、このような正規化処理の結果の一例を示すグラフである。この図において、縦軸は信号強度比、横軸は時間ｔを示す。縦軸上のＵ１，Ｕ２，Ｌ１，Ｌ２は各々しきい値を示す。この場合、Ｕ１〜Ｌ１間は正常溶接の範囲、Ｕ１〜Ｕ２間又はＬ１〜Ｌ２間は「引け」という溶接不良の範囲、Ｕ２以上又はＬ２以下は「溶け落ち」という溶接不良の範囲を示す。
この正規化処理の結果は、後述するように画像表示装置１４により表示可能であり、表示画像において、時間軸ｔ上で一定値以上の変化量が生じている場合、その位置（時点）が不良発生箇所として特定できる点は一次微分処理結果表示の場合と同様である。加えて、この正規化処理結果表示においては、時間軸ｔ上での変化量の程度に応じて、「引け」や「溶け落ち」等のような溶接不良の種類も判別できる。特定された不良発生箇所や、判別された溶接不良の種類は、手直し等の後工程で有効利用できる。
【００１８】
ステップ３０４では、ステップ３０３における正規化処理後の値に対してしきい値処理、すなわち、正規化処理後の値をしきい値Ｕ１，Ｕ２，Ｌ１，Ｌ２と比較し、その結果を出力する。具体的には、正規化処理後の値が、上記しきい値Ｕ１〜Ｌ１間にあればその時点における溶接品質が良（正常）であると判定し、それ以外の値であれば溶接品質が不良であると判定し、その結果を出力する。
ステップ３０５では、ステップ３０４におけるしきい値処理の結果を画像表示装置１４が表示する。ステップ３０５においては、図４に示す一次微分処理結果や図５に示す正規化処理結果も画像表示装置１４により表示可能である。正規化処理結果の表示を選択したときには、溶接不良の場合にその種類、例えば「引け」か「溶け落ち」かも付加表示される。具体的には、正規化処理後の値が、上記しきい値Ｕ１〜Ｕ２間又はＬ１〜Ｌ２間にあればその時点において「引け」が生じたことを、同じく上記しきい値Ｕ２以上又はＬ２以下あればその時点において「溶け落ち」が生じたことを、溶接品質が不良である旨に付加して表示される。図５の例では、加工開始から、おおよそ正常溶接→「引け」発生→正常溶接→「引け」発生→「溶け落ち」発生→「引け」発生というような、判定結果も付加表示される。
ステップ３０２〜３０４における処理も処理装置１３が実行する。
以上の動作（ステップ３０１〜３０５）は、溶接終了まで繰り返される。
なお、上掲図１及び図２において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように本発明では、レーザ溶接において、溶接時、被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分に照明用の光を照射し、その溶融池の後端部分からの反射光の強度に基づいて溶接の品質検査をするようにした。
溶融池の後端部分に照明用の光を照射したときに、その溶融池の後端部分から反射してくる光の強度が、溶接の品質の良、不良を高い確度で表わすことは本発明者らによって見い出されており、したがって、本発明によれば、従来技術に比べて正確な溶接品質の検査が可能になる。特に、薄板材の重ね合わせ高速溶接において、精度の高いレーザ溶接品質の検査が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ溶接品質検査方法が適用された装置の一実施形態の説明図である。
【図２】図１中の光出入射部の拡大断面図である。
【図３】溶接品質の検査動作を示すフローチャートである。
【図４】図１中の処理装置による一次微分処理結果の一例を示すグラフである。
【図５】同じく正規化処理結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１ａ　レーザビーム
２　被溶接物
２ａ，２ｂ　薄鋼板（被溶接部材）
３　光照射装置（光照射手段）
４　キーホール
５　溶融池
６　溶融池の後端部分
７　照明用レーザ光
１０　受光装置（受光手段）
１１　反射光
１３　処理装置（処理手段）

Claims (3)

1. 複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、
   溶接時、前記被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分に照明用の光を照射し、その溶融池の後端部分からの反射光の強度に基づいて溶接の品質検査をすることを特徴とするレーザ溶接品質検査方法。
2. 複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、
   溶接時、前記被溶接物のキーホール周辺に形成される溶融池の後端部分に照明用の光を照射する光照射手段と、
   この光照射手段により光が照射された前記溶融池の後端部分からの反射光を受光し、この反射光の強度に応じた電気信号を出力する受光手段と、
   この受光手段からの電気信号の強度に基づいて所定の演算を行い、溶接の品質の良、不良を判定して結果を出力する処理手段とを具備することを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。
3. 請求項２に記載のレーザ溶接品質検査装置において、
   処理手段は、受光手段からの電気信号に対して一次微分処理、正規化処理及びしきい値処理を行って溶接の品質の良、不良を判定し、正規化処理結果により溶接の品質不良時における品質不良の種類が判別可能であることを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。

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