【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接部の検査方法に係り、特に、溶接工程内において、一対の被溶接部材を重ね溶接、もしくは突合せ溶接した際の、溶接ビードの測定を行うための検査方法とこの溶接支援システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザ光による溶接が盛んになってきているが、特にテーラードブランク材や薄鋼板の突き合せ溶接や重ね合わせ溶接は、自動車業界において車両の軽量化や剛性アップにつながる技術であり早期の実用化が求められていた。しかしながら薄鋼板同志の溶接は、素材自体の反れや、処理された端面の形状精度の問題があるため、これに気づかずに、溶接の接合部分の位置が変動したままの状態で溶接を行うと均一な溶接ビードを得ることができない。
また、レーザ溶接は、その設備投資の高額さから生産性を求められる傾向にあり、作業者は長時間の無人運転をしいられることとなる。そして無人運転により大量生産する場合、溶接不良の発生をできる限り迅速に検知する術をもたないと、不良発見時には既に大量の不良製品をかかえることとなってしまうため、生産者からは迅速かつ信頼性の高い検査システムを望む声が多くあった。
【０００３】
薄板鋼のレーザ溶接する際、その欠陥の多くは溶接ビードの形状を調べることにより検出可能であり、この検出を高速に行うにはレーザを用いた非接触の計測が適している。従来は溶接ビード部分の形状測定に関しては図１５に示すような光切断法によるレーザ測定が一般に行われていた。光切断法では、レーザ装置Ｌから被溶接物Ｗに照射したレーザ光の散乱成分をＣＣＤカメラ等の画像入力装置Ｖでスキャンすることにより形状を認識する手法をとるが、しかしながら、光切断法では１ライン毎に画像データをリアルタイム処理をしなければならず、その処理に対応するための高速な処理装置が必須となる。したがって、測定部から処理装置に至るまでのトータルの金額は高価にならざるを得ず、業界に普及するに至っていないとともに、高額故にユーザーがなかなか増えず、利用技術そのものの発展もなかなか捗っていない状況である。
【０００４】
また、光切断法は一般的に作動距離が短いため、測定時はワークに近づかざるを得ないが、接近する際には測定装置とワークの干渉に注意を払わなければならず、また、溶接中に測定を行う場合、溶接部への近接による、スパッタや熱の測定装置へのダメージは無視できないものとなる。測定用のレーザ光についても、レンズによりスリット状に成形しなければならないため、スリット部を通過する過程で光の照度は大きく低下してしまい、往々にして照射位置の検出に困難を伴うだけでなく、スキャン幅に関しても限界があるため、運用上の制限が多かった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来のレーザ測定装置を用いて実施される溶接検査方法において、現状起こりうる様々な問題点や高額な導入コスト等に鑑みてなされたものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の溶接部の検査方法は、２次元もしくは３次元の計測を行う計測用レーザ光の微小なスポットを、被溶接材の溶接部及びこの周辺に照射し、上記レーザ光のスポットを溶接線の進行方向と垂直の方向にて揺動運動させながら、溶接線に追従しつつ、上記レーザ光の反射光をスキャナ装置にて受光する三角測量にて測定対象に投影されたレーザ光の微小スポット光の３次元座標を、コンピュータにて演算処理するとともに、反射光量の変動も考慮することにより、溶接ビード部の解析を高精度に行うことを特徴とする。
【０００７】
本発明の請求項２の検査方法は、鋼板の重ね溶接、又は突き合せ溶接の直前において、溶接部及びその周辺を測定することにより、鋼板の傾きや合わせ部分に関して、許容外のずれや隙間を、予め検知し、溶接欠陥の発生を未然に防止することを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項３の支援システムは、請求項１の溶接部の検査方法により、溶接中もしくは溶接後の過程にて、溶接ビードの形状をリアルタイムで計測し、この計測結果をコンピュータにて演算処理し、溶接状況を数値評価した後、この評価を元に最適なレーザ強度、送り速度を求め、これを新たな加工指令として溶接機にリアルタイムでフィードバックさせることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
上記請求項１の検査方法について、以下図面に示す実施形態を説明する。使用するレーザスキャナ装置Ｕには、図１に示すような筐体５が施され、その内部にはレーザ装置Ｌと、レーザ光を高精度に反射するためのガルバノミラー（鏡）Ｇ１、Ｇ２が直交軸の位置関係で配置され、レーザの反射光４’を捕捉するためのスキャナ装置Ｃが組み込まれる。
レーザ装置Ｌから発生したレーザ光４は、それぞれの回転軸６、６’において精密に位置制御可能なガルバノミラーＧ１、Ｇ２でそれぞれで反射し、レーザ測定ユニットＵから被測定物に照射される。測定用レーザ光の揺動等の走査は、基本的にこのガルバノミラーの回転制御によるものである。
そして図２に示すように、レーザ装置Ｌより照射されたレーザビームは被加工物Ｗに対し微小径のレーザスポットＳを投影した後、被加工物上で反射しスキャナ装置Ｃにより受光される。その際のレーザ装置Ｌ、レーザスポットＳ、スキャナ装置Ｃの位置関係をレーザ光の軌跡によりとらえ、別途用意したコンピュータにて三角測量をベースに演算処理することにより、レーザスポットＳの３次元座標が詳細に捕捉される。
【００１０】
そして図３に示すように、レーザ装置Ｌから生成したレーザ光を２枚のガルバノミラーで制御することにより、レーザスポットＳも設定された幅の中で自由に位置制御可能となるが、ここで直線的な走査をすれば、１ライン分のレーザスポットＳの３次元座標の取り込みが可能となる。レーザ光の走査に関しては、図３（ａ）に示すように三角測定面と同一面上でレーザ光を走査させる場合と、図３（ｂ）に示すように三角法測定面と直交する面でレーザ光を走査させる方法を適宜選択する。
【００１１】
上記に示したレーザ光の揺動走査を、溶接ビードを中心に行うことにより、溶接ビード部分及びその周辺の形状をプロファイルとして取り込むことができ、かつ被加工物Ｗ、又はレーザスキャナ装置Ｃを溶接ビードに方向に移動させることにより、溶接ビードの形状を連続的に取り込むことができる。突き合せ溶接の溶接ビードの評価をするにあたっては、図４に示すようにそれぞれの面の傾きや段差、溶接ビードの高低差の情報が重要な要素となる。
【００１２】
ここで実際の溶接ビードの外観を図５（ａ）に示す。被溶接材Ｗ上に溶接ビードＢが生成しているが、これを上記で述べたレーザスキャナ装置Ｕにて、溶接ビードに沿って、１ラインずつ計測を繰り返すと被溶接材表面の多数の３次元座標を取り込むことができ、これをコンピュータ処理にかけると図５（ｂ）に示すように、溶接ビード及び周辺部の状態を３次元のメッシュ情報として確認することができる。通常は溶接時の熱による変色や、微小形状ゆえに肉眼にて識別困難な溶接ビード部であるが、上記の処理により明確かつ高精度に識別可能な状態となる。
【００１３】
図６（ａ）は上記の構想により、ソフトウエアを作成しデータ処理することにより得られた溶接部のプロファイル形状である。突き合わせたそれぞれの薄板鋼の高さは、溶接ビード周辺の位置情報を近似することにより安定化した状態で求めることが可能であり、それぞれの高さの差が被溶接材のずれとして識別でき、溶接ビード部分に関しても、ビード高さの最大値、最小値を正確に捕捉される。
【００１４】
ここで、座標情報以外にも測定用レーザの反射光の光量についての測定結果を図６（ｂ）に示すが、溶接個所はレーザ光の反射は少ないことを前提にし、その反射光量の減衰に関して、図６（ａ）と対比して見比べると、両者の間には強い相関関係があることが伺える。
【００１５】
そして、図６（ｃ）にプロファイル処理の様子を示すが、測定時の微小なふらつきは処理上問題にはならないレベルであり、これらのサンプリングデータを適宜直線近似することにより、面の傾きや段差、溶接ビードの高さがプロファイル情報として得られる。
【００１６】
そして上記処理を行うソフトウエアは、レーザスキャナ装置のレーザ光を制御すると同時に、計測した溶接ビードの形状から、段差や高さ等の評価項目を自動的に計算するが、それは以下の機能に分類される。
第１は、レーザスキャナの動作設定であり、同じ位置を直線状に走査する測定モードや２次元範囲を走査する測定モードの選択、投光するレーザ出力及び受光するセンサーの感度等を設定する。
第２は、計測データに対する表示であり、レーザスキャナが測定した、測定対象までの距離及び反射光量データに対して、拡大、縮小等のスケーリングやデジタルノイズフィルターによるノイズ成分除去の機能を設定する。
第３は、計測データの処理に関する設定であり、計測した距離データに対して、リアルタイムで溶接ビードの位置、高さ、被溶接材の段差の検出の設定を行うものである。計測終了後は、溶接個所の段差や溶接ビードの高さの計測位置に対する変化をグラフにて表示する。
第４は、溶接システムと連携して溶接ビードの評価を行うものであり、溶接システム全体の中で動作するための機能を設定するものである。
【００１７】
溶接ビードを評価するためのコンピュータには、入出力インターフェイスとしてデジタルＩＯボードが装備されており、複数接点の入出力が可能となっている。溶接ビードの評価システム側は、溶接システムからの検査開始と終了の指示を受け取ることにより、溶接ビードの計測を行い、予め設定された溶接ビードの評価基準に合わせて、良品、不良品の判定を行い、その結果は溶接システムへ通知される。
【００１８】
これより５個の溶接ビードのサンプルに対し、上記ソフトウエアによる計測システムの処理を述べる。図７（ａ）は、重ね貫通溶接における溶接ビードの状態をしてしており、図７（ｂ）は溶接ビード部分の測定結果であり、被溶接材の段差、溶接ビードの高さの最大値、最小値の演算結果を示している。重ね溶接のため、段差は溶接部全体を通してほぼゼロを示しており、溶接位置▲１▼に示す溶接の開始点において大きなアンダーフィルが見られるが、このビード形状は図７（ｃ）に示す。溶接開始点以降は、溶接ビードの高さの最大値より最小値の絶対値が大きく、溶接位置▲２▼に示すようなビード形状を示し、アンダーフィルを形成していることが、図７（ｄ）にて作業者に明確に伝えられる。
【００１９】
図８（ａ）も上記同様重ね貫通溶接を行っているため、同じようなビードを形成しているが、図８（ｂ）で明らかなように、中央部に大きなアンダーフィルをもつ溶接欠陥が見られる。溶接欠陥上の溶接位置▲１▼の断面形状は図８（ｃ）に示す通りであるが、同じ溶接欠陥部の溶接位置▲２▼のビード形状は図８（ｄ）に示すように、正確な断面形状が得られない。これは溶接部の表面深い穴があったり、急激な形状変化があるとレーザスキャナ装置による測定ができず、溶接部の測定データが得られないためである。
しかし、このような場合であっても、レーザスキャナの計測エラーの数をモニターしておくことにより、溶接欠陥を発見することが可能であり、図７（ｂ）にも示されているように、容易にエラー情報が明示化される。
【００２０】
図９（ａ）は突き合せ溶接のサンプルであり、２枚の薄板鋼の突き合せ部分の位置ずれによる段差が計測されている。このサンプルでは、図９（ｂ）に示されるように、段差と溶接ビードの高さの最大値、最小値の絶対値が同程度であり、溶接位置▲２▼のビード形状は図９（ｄ）に示すように、なだらかなビードであることが推測される。溶接の開始点近傍では、溶接ビード高さの最大値の方が最小値の絶対値よりも小さいため、溶接位置▲１▼のビード形状は図９（ｃ）に示すように、溶接ビードが盛り上がっていることを知ることができる。
【００２１】
図１０（ａ）のサンプルでは、図１０（ｂ）で示すように、全体的に溶接ビードの高さの最小値の絶対値が、段差やビード高さの絶対値よりも大きく、溶接位置▲１▼のビード形状が図１０（ｃ）に示すようなアンダーフィル状態である。溶接部の後半でビード高さの絶対値が上昇するが、段差の絶対値も上昇しているため、溶接位置▲２▼のビード形状は図１０（ｄ）に示すように、ビードのアンダーフィルや盛り上がりの具合が小さいことを知ることができる。
【００２２】
図１１（ａ）は、矢印で示した７ヶ所に溶接欠陥による孔が開けられているサンプルである。孔が空いている部分以外のビード形状は、▲１▼の溶接ビード形状が図１１（ｃ）に示すように、アンダーフィル状態である。ここで図１１（ｂ）に示す計測結果と図１１（ａ）に示す写真の欠陥部を比較すると上記、溶接サンプル２で述べたように、孔のあいた位置ではレーザスキャナ装置の検出エラーが多く発生し、溶接ビードの高さのグラフのみでは、溶接欠陥の検出ができないことがわかる。しかしながら、孔が空いている位置では検出エラーが多く現れていることや、段差のデータはデータが変化していないことを合わせて考慮すると、溶接ビード中に大きな欠陥が発生していることを推測できる。
【００２３】
請求項２の溶接前検査方法によると、請求項１に示すレーザスキャナ装置及び検査手法は、溶接後の検証のみにととまらず、溶接前の被溶接材の傾きや段差、そして被溶接材間の隙間等を予め測定しておくことにより、素材段階での不具合をいち早く検知することが可能となり、不良品の発生は未然に防止される。
【００２４】
請求項３の支援システムによると、溶接加工中、もしくは溶接後の溶接ビードを計測し、計測結果の評価、最適条件選定、リアルタイムで溶接加工機にフィードバックさせることにより均一な溶接ビードが生成される。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明に係る計測装置を実施例を示す。図１２は本発明の最も基本的な構成であり、レーザスキャナ装置Ｕの情報は、ケーブルＫにて入出力インターフェイスＩＦを介し、コンピュータＰＣに伝えられる。レーザスキャナ装置内の計測用レーザ装置には、実機では半導体レーザを使用しており、スキャナ装置にはＣＣＤカメラを使用しているが、その中でも１次元のＣＣＤラインセンサーを使用している。当然、２次元のエリアセンサーも使用可能であるが、２次元のエリアセンサーに比べ、１次元のラインセンサーは１ラインの画素数を多くできるため、緻密かつ正確なデータの取り込みには有利である。現状では、２次元のエリアセンサーは１次元のラインセンサーに比べ画素数（解像度）で劣るが、今後、画素数が改善されれば受光部の広さで有利になり、レーザ光のスポットのあらゆる動きに対し、容易に追従可能となる。
また、スキャナ部分関してはＣＭＯＳカメラも使用可能であり、消費電力やダイナミックレンジ等、状況に応じて選択可能である。図１３（ａ）はレーザスキャナ装置Ｕの外観を示しており、図１３（ｂ）はこのレーザスキャナ装置Ｕが実機に搭載されている状態を示している。そして、図１４は加工用レーザ装置１の近傍にレーザスキャナ装置Ｕを配した構成であり、加工直後の溶接ビードＢの情報を迅速に解析し、加工用レーザ装置の制御部にフィードバックする。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように、請求項１の検査方法によると、溶接ビードの形状を計測するための、レーザスポットを走査する３次元計測装置であるが、本装置は半導体レーザの光スポットを２枚のミラーで走査しながら、三角測量の原理により測定対象の３次元位置情報を得る。本装置はスポット走査のため、同じ位置を直線状に繰り返し走査する１次元の測定モードと、２次元エリアを走査する測定モードを持つことができ、適宜切り替えて使用することが可能であるが、実際の測定では２次元エリアを走査するモードにて計測を行い、３次元表示ソフトウエアにより形状をモニタに表示することができる。
【００２７】
また、本装置は計測点毎に最適なレーザ強度を自動的に調整することにより、測定対象物の色の変化による測定誤差の発生を最小限に抑制することができる。
【００２８】
測定速度に関しては、測定幅を２９ｍｍにした場合、１ライン当たり３１ミリ秒で処理が進行するが、これは１秒間に３２ラインの計測処理能力があることを示しており、ライン間隔が１ｍｍならば、毎秒３２ｍｍの送り速度であることを示している。更に速度を上げたい場合は、測定幅を１０ｍｍとすれば計測時間を１ライン当たり１２ミリ秒に短縮することが可能であり上記の約２．６倍の計測速度を得ることができるが、これに関してはスキャンする幅等、非常に自由度の高い条件で作業者は計測を行うことができるとともに、作業者は各自の置かれている作業条件により測定効率を追求できる可能性を持つことができることを示している。
【００２９】
また、現状のレーザスキャナ装置の高さ方向の分解能は２１μｍであり、１００μｍ以下のビード高さはノイズに埋もれ判別が難しいが、それ以上であれば容易にビード高さを検出することが可能である。本発明による、溶接ビードの検査方法で使用するレーザスキャナ装置の被溶接材に対する計測精度を確認するため、接触式の表面粗さ測定装置との比較を行ったところ、レーザスキャナ装置で計測した方は、多少高い数値となる傾向があるが、概ね分解能並みの、２０μｍ程度の誤差内に収まることから、高精度で信頼性の高い計測結果が得られる。
【００３０】
従来の測定方法では、測定用レーザを照射し、２次元的な画像処理を行うか、スポットの座標を取り込む方法を作業者が設備導入の際に適宜選択していたわけであるが、どちらの方法であっても溶接の欠陥を発見するには十分とは言えないが、本発明に示す検査方法は、測定結果と測定エラーを合わせて評価する事により１個のセンサーで、高い信頼性と精度を実現することが可能である。
もし複数のセンサーで計測を行った場合、コストアップにつながるだけでなく、処理の負荷が増大したり、各センサー同志の同期や測定個所の位置ずれなど、数々の問題がでるため容易に運用できないと思われるが、本発明による検査方法はこれを克服している。
【００３１】
そしてスポット走査による計測においては、走査する範囲や測定点数を適宜変更することによりある程度の高速化が可能であり、条件設定により計測と評価を１回当たり１２ミリ秒で完結することができ、高いサンプリングレートを実現でき、検査結果を直ちに溶接加工機にフィードバックすることが可能であり、加工システムと直結した運用が可能である。
この際にも、本システムは測定個所とセンサー部の間隔を従来より広くとることが可能であり、溶接時の熱やスパッタ、ヒューム等の影響からセンサーを遠ざけることが可能であり、結果的に計測システムとしての信頼性を高めることができる。
【００３２】
またスポット走査による計測では、スキャナがレーザスポットのみの方向を見ているため、溶接光やその他の反射光に対して優れた耐性を持っている。またレーザ光の測定幅も自由に調整が可能である。そして非溶接材である薄板鋼は、溶接ビード周辺の素材部と、溶接ビード部では表面の状態が大きく異なり、従来の光学的な測定手法では対応が困難であったが、スポット走査では、測定対象物の色等の表面状態が変化しても、照射するレーザ光の強度を各測定個所で適宜調整することにより、安定した計測が可能である。
【００３３】
更に３次元測定による位置情報のみに留まらず、反射光量データを収集することも重要であり、図６に示したように距離データと反射光量データには強い相関性があり、レーザ溶接の際に溶接用のレーザを照射された部分は、測定用のレーザ光の反射が少ないことがわかるが、これら双方の測定結果を合わせて評価することにより、より高精度に溶接状態の可否を判定することが可能となる。
【００３４】
溶接ビード部の検査に関しては、従来、テレビカメラを用いた２次元検査システムが多く見られるが、このような計測システムでは被溶接材の固定状態（段差、傾き）や溶接ビードの形状を計測することができない。本発明による計測システムでは、ワークの固定状態や溶接ビードの形状を容易かつ高速に計測可能であり、溶接欠陥の検出のみならず、溶接欠陥の防止にも役立てることができる。
【００３５】
請求項２の検査方法によると、鋼板の重ね溶接、及び突き合せによる溶接の前に、溶接部及び溶接個所周辺に、計測用レーザのスポット光を被溶接材の溶接個所周辺に照射し、この反射光をスキャナー装置により測定することにより、鋼板の合わせ部分の許容外のズレや隙間を溶接前に予め検知し、溶接欠陥の発生を未然に防止することができる。
【００３６】
請求項３の支援システムによると、上記請求項１による検査方法を使用して、溶接中、または溶接後の溶接ビードの形状を調査し、この結果を別途用意したコンピュータにて演算処理し、溶接状況を数値評価した後、この評価を元に最適なレーザ強度、送り速度を求め、新たな加工指令を溶接加工機に直ちにフィードバックさせられる支援システムとして構築できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザスキャナ装置の外観と、内部の構成を示す外観図である。
【図２】三画測量の原理を示す概要図である。
【図３】三角測量法のレーザスポットの、各構成による自由度を示す説明図である。
【図４】溶接ビードの測定ポイントを示す断面図である。
【図５】溶接ビードの外観と、測定処理したメッシュ図を示す写真である。
【図６】距離データ及び反射光データの測定サンプルを示す特性図である。
【図７】溶接ビードの測定サンプルと、測定結果を示す特性図である。
【図８】溶接ビードの測定サンプルと、測定結果を示す特性図である。
【図９】溶接ビードの測定サンプルと、測定結果を示す特性図である。
【図１０】溶接ビードの測定サンプルと、測定結果を示す特性図である。
【図１１】溶接ビードの測定サンプルと、測定結果を示す特性図である。
【図１２】本発明の計測システムの基本構成を示す外観図である。
【図１３】本発明の計測システムを実装した実機を示す拡大図である。
【図１４】計測システムから溶接加工機へのフィードバックのフローを示す系統図である。
【図１５】従来の光切断法の基本構成を示す外観図である。
【符号の説明】
１ 加工用レーザ装置
２ レーザ加工機制御装置
３ レーザ加工機出力
Ｂ 溶接ビード
Ｃ スキャナ装置
Ｄ 被溶接材の隙間
Ｅ 計測エラー数
ＨＯ 溶接欠陥
ＨＭＡＸ ビード高さの最大値
ＨＭＩＮ ビード高さの最小値
ＩＦ インターフェイス
Ｋ ケーブル
Ｌ レーザ装置
Ｍ 薄板鋼の段差
ＰＣ コンピュータ
Ｒ レンズ
ＲＯ 回転軸
Ｓ 測定用レーザ光スポット
Ｕ レーザスキャナ装置
Ｖ 画像入力装置
Ｗ 被溶接材（ワーク）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an inspection method for a welded portion, and more particularly, an inspection method for measuring a weld bead when a pair of members to be welded are lap welded or butt welded in a welding process, and the welding support system. About.
[0002]
[Prior art]
In recent years, laser beam welding has become popular. But butt welding and lap welding of tailored blanks and thin steel sheets are technologies that lead to weight reduction and increased rigidity of vehicles in the automotive industry, and are already in practical use. There was a need to make it. However, welding between thin steel plates has problems with the warpage of the material itself and the shape accuracy of the processed end face, so if you do not notice this and perform the welding with the position of the welded joint part changed, A uniform weld bead cannot be obtained.
Further, laser welding tends to require productivity due to the high capital investment, and the operator can perform unmanned operation for a long time. And when mass production is done by unmanned operation, if there is no way to detect the occurrence of welding defects as quickly as possible, a large number of defective products will already be handled at the time of defect detection. Many people wanted a reliable inspection system.
[0003]
When laser welding thin steel, many of the defects can be detected by examining the shape of the weld bead, and non-contact measurement using a laser is suitable for performing this detection at high speed. Conventionally, with respect to the measurement of the shape of the weld bead portion, laser measurement by an optical cutting method as shown in FIG. 15 is generally performed. In the light cutting method, a method of recognizing the shape by scanning the scattered component of the laser light irradiated to the workpiece W from the laser device L with an image input device V such as a CCD camera is used. However, in the light cutting method, The image data must be processed in real time for each line, and a high-speed processing device is required to cope with the processing. Therefore, the total amount of money from the measurement unit to the processing equipment has to be expensive, has not spread to the industry, and because of the high price, the number of users does not increase easily, and the use technology itself has progressed quite rapidly. There is no situation.
[0004]
In addition, the optical cutting method generally has a short working distance, so it must be close to the workpiece during measurement, but attention must be paid to the interference between the measuring device and the workpiece when approaching, and welding is also required. When measuring during, damage to the measuring device of spatter and heat due to proximity to the welded part cannot be ignored. Since the laser beam for measurement must also be shaped into a slit shape by a lens, the illuminance of the light is greatly reduced in the process of passing through the slit part, often only with difficulty in detecting the irradiation position. In addition, the scan width is limited, so there are many operational restrictions.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of various problems that may occur at present and high introduction costs in a welding inspection method implemented using a conventional laser measuring apparatus.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for inspecting a welded portion, in which a minute spot of a laser beam for measurement that performs two-dimensional or three-dimensional measurement is irradiated on a welded portion of a material to be welded and the periphery thereof. A laser projected on a measuring object by triangulation that receives reflected light of the laser beam with a scanner device while following the welding line while swinging the spot in a direction perpendicular to the traveling direction of the welding line. It is characterized in that the weld bead portion is analyzed with high accuracy by calculating and processing the three-dimensional coordinates of the minute spot light of the light by a computer and taking into account the fluctuation of the amount of reflected light.
[0007]
According to the inspection method of claim 2 of the present invention, immediately before the lap welding or butt welding of the steel plates, by measuring the welded portion and its periphery, an unacceptable deviation or gap with respect to the tilted or mated portions of the steel plates. Detecting in advance and preventing the occurrence of welding defects.
[0008]
The support system according to claim 3 of the present invention measures the shape of the weld bead in real time in the process of welding or after welding by the method for inspecting a welded portion of claim 1, and calculates the measurement result by a computer. After processing and numerically evaluating the welding situation, optimum laser intensity and feed speed are obtained based on this evaluation, and this is fed back to the welding machine in real time as a new processing command.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The inspection method of claim 1 will be described below with reference to the embodiments shown in the drawings. The laser scanner device U to be used is provided with a housing 5 as shown in FIG. 1, in which a laser device L and galvanometer mirrors (mirrors) G1 and G2 for reflecting laser light with high accuracy are provided. A scanner device C for capturing the reflected light 4 ′ of the laser, which is arranged in a positional relationship of orthogonal axes, is incorporated.
The laser beam 4 generated from the laser device L is reflected by the galvanometer mirrors G1 and G2 whose positions can be precisely controlled on the respective rotation shafts 6 and 6 ′, and is irradiated from the laser measurement unit U to the object to be measured. Scanning such as oscillation of the measurement laser beam is basically based on rotation control of the galvanometer mirror.
As shown in FIG. 2, the laser beam irradiated from the laser device L projects a laser spot S with a small diameter onto the workpiece W, and then reflects on the workpiece and is received by the scanner device C. The positional relationship among the laser device L, the laser spot S, and the scanner device C at that time is grasped by the locus of the laser beam, and the three-dimensional coordinates of the laser spot S are obtained by performing arithmetic processing based on triangulation with a separately prepared computer. Captured in detail.
[0010]
As shown in FIG. 3, by controlling the laser beam generated from the laser device L with two galvanometer mirrors, the position of the laser spot S can be freely controlled within the set width. If linear scanning is performed, the three-dimensional coordinates of the laser spot S for one line can be captured. Regarding the scanning of the laser beam, the laser beam is scanned on the same plane as the triangular measurement surface as shown in FIG. 3A, and the plane orthogonal to the trigonometric measurement surface as shown in FIG. 3B. A method of scanning with laser light is appropriately selected.
[0011]
By performing the oscillation scanning of the laser beam as described above centering on the weld bead, the shape of the weld bead portion and its periphery can be taken in as a profile, and the workpiece W or the laser scanner device C can be welded. By moving the bead in the direction, the shape of the weld bead can be taken in continuously. When evaluating the butt weld bead, as shown in FIG. 4, information on the inclination and level difference of each surface and the height difference of the weld bead is an important factor.
[0012]
Here, the external appearance of the actual weld bead is shown in FIG. A weld bead B is generated on the workpiece W. When the measurement is repeated line by line along the weld bead with the laser scanner device U described above, a large number of 3 on the surface of the workpiece is welded. Dimensional coordinates can be captured, and when this is subjected to computer processing, the state of the weld bead and the peripheral portion can be confirmed as three-dimensional mesh information as shown in FIG. Usually, it is a discoloration due to heat during welding or a weld bead portion that is difficult to identify with the naked eye due to its minute shape, but by the above processing, it can be clearly and accurately identified.
[0013]
FIG. 6A shows a profile shape of a welded part obtained by creating software and processing data based on the above concept. The height of each butt steel sheet can be determined in a stable state by approximating the position information around the weld bead, and the difference in height can be identified as the displacement of the workpiece. With respect to the weld bead portion, the maximum value and the minimum value of the bead height are accurately captured.
[0014]
Here, in addition to the coordinate information, the measurement result of the reflected light amount of the laser for measurement is shown in FIG. 6B, and it is assumed that the welded portion has little reflection of the laser beam, and the attenuation of the reflected light amount is ascertained. Compared with FIG. 6A, it can be seen that there is a strong correlation between the two.
[0015]
FIG. 6C shows the state of profile processing. The slight fluctuation at the time of measurement is at a level that does not cause a problem in processing. By appropriately approximating these sampling data to a straight line, the inclination of the surface and the step difference are obtained. The height of the weld bead is obtained as profile information.
[0016]
The software that performs the above processing controls the laser beam of the laser scanner device, and at the same time, automatically calculates evaluation items such as steps and height from the measured shape of the weld bead. Is done.
The first is the operation setting of the laser scanner, which selects the measurement mode for scanning the same position in a straight line and the measurement mode for scanning a two-dimensional range, sets the laser output to project and the sensitivity of the sensor to receive light.
The second is a display for the measurement data, which sets the scaling function such as enlargement and reduction and the noise component removal function by the digital noise filter for the distance to the measurement object and the reflected light amount data measured by the laser scanner.
The third setting is related to the processing of measurement data, and is for setting the detection of the position and height of the weld bead and the level difference of the welded material in real time with respect to the measured distance data. After the measurement is completed, the change in the welding position step and the height of the weld bead relative to the measurement position is displayed in a graph.
Fourthly, the weld bead is evaluated in cooperation with the welding system, and a function for operating in the entire welding system is set.
[0017]
A computer for evaluating a weld bead is equipped with a digital IO board as an input / output interface, and can input / output a plurality of contacts. The weld bead evaluation system receives the instruction to start and end the inspection from the welding system, measures the weld bead, and determines whether the product is good or defective according to the preset weld bead evaluation criteria. The result is notified to the welding system.
[0018]
The processing of the measurement system using the above software will be described for five weld bead samples. FIG. 7A shows the state of the weld bead in the lap through welding, and FIG. 7B shows the measurement result of the weld bead portion. The step of the material to be welded and the maximum height of the weld bead are shown. The calculation result of the value and the minimum value is shown. Because of the lap welding, the level difference is almost zero throughout the welded portion, and a large underfill is seen at the welding start point indicated by the welding position (1). This bead shape is shown in FIG. After the welding start point, the absolute value of the minimum value is larger than the maximum value of the height of the weld bead, the bead shape as shown in the welding position (2) is shown, and an underfill is formed as shown in FIG. It is clearly communicated to the worker at d).
[0019]
FIG. 8 (a) also performs the same lap-through welding as described above, and thus forms a similar bead. However, as clearly shown in FIG. 8 (b), there is a welding defect having a large underfill at the center. It can be seen. The cross-sectional shape of the weld position (1) on the weld defect is as shown in FIG. 8 (c), but the bead shape at the weld position (2) of the same weld defect portion is accurate as shown in FIG. 8 (d). A cross-sectional shape cannot be obtained. This is because if there is a deep hole in the surface of the weld or if there is a sudden change in shape, measurement by the laser scanner device cannot be performed and measurement data of the weld cannot be obtained.
However, even in such a case, it is possible to find a welding defect by monitoring the number of measurement errors of the laser scanner, as shown in FIG. 7B. Easily make error information explicit.
[0020]
FIG. 9A shows a sample of butt welding, in which a step due to a positional shift between the butt portions of two thin steel plates is measured. In this sample, as shown in FIG. 9 (b), the absolute value of the maximum value and the minimum value of the step and the height of the weld bead are approximately the same, and the bead shape at the welding position (2) is as shown in FIG. 9 (d). ), It is presumed to be a gentle bead. In the vicinity of the welding start point, since the maximum value of the weld bead height is smaller than the absolute value of the minimum value, the bead shape at the welding position (1) is raised as shown in FIG. 9 (c). I can know that.
[0021]
In the sample of FIG. 10 (a), as shown in FIG. 10 (b), the absolute value of the minimum value of the height of the weld bead as a whole is larger than the absolute value of the step or bead height, and the welding position ▲ The bead shape 1 is an underfill state as shown in FIG. Although the absolute value of the bead height increases in the latter half of the welded portion, the absolute value of the step also increases. Therefore, the bead shape at the welding position {circle around (2)} is as shown in FIG. You can see that the degree of excitement is small.
[0022]
FIG. 11A shows a sample in which holes due to welding defects are formed at seven points indicated by arrows. The bead shape other than the holed portion is an underfill state as shown in FIG. 11 (c). Here, when the measurement result shown in FIG. 11B is compared with the defective portion of the photograph shown in FIG. 11A, there are many detection errors of the laser scanner device at the position where the hole is formed as described in the weld sample 2 above. It can be seen that the welding defect cannot be detected only by the graph of the height of the weld bead. However, taking into account the fact that many detection errors appear at the positions where the holes are open and that the data of the level difference has not changed, it is assumed that a large defect has occurred in the weld bead. it can.
[0023]
According to the pre-weld inspection method of claim 2, the laser scanner device and the inspection method of claim 1 are not limited to the verification after welding, but the inclination and level difference of the welded material before welding, and between the welded materials. By measuring the gap or the like in advance, it becomes possible to quickly detect defects at the material stage, and the occurrence of defective products can be prevented.
[0024]
According to the support system of claim 3, a uniform weld bead is generated by measuring a weld bead during or after welding, evaluating the measurement result, selecting optimum conditions, and feeding back to the welding machine in real time. .
[0025]
【Example】
Examples of the measuring device according to the present invention will be described below. FIG. 12 shows the most basic configuration of the present invention. Information of the laser scanner device U is transmitted to the computer PC via the input / output interface IF by the cable K. As the measurement laser device in the laser scanner device, a semiconductor laser is used in the actual device, and a CCD camera is used in the scanner device. Among them, a one-dimensional CCD line sensor is used. Of course, a two-dimensional area sensor can also be used, but compared to a two-dimensional area sensor, a one-dimensional line sensor can increase the number of pixels in one line, which is advantageous for capturing precise and accurate data. . At present, the two-dimensional area sensor is inferior in the number of pixels (resolution) compared to the one-dimensional line sensor. However, if the number of pixels is improved in the future, it will be advantageous in the area of the light receiving unit, It becomes possible to follow the movement easily.
In addition, a CMOS camera can be used for the scanner portion and can be selected according to the situation such as power consumption and dynamic range. FIG. 13A shows the external appearance of the laser scanner device U, and FIG. 13B shows a state in which the laser scanner device U is mounted on an actual machine. FIG. 14 shows a configuration in which a laser scanner device U is disposed in the vicinity of the processing laser device 1. Information on the weld bead B immediately after processing is quickly analyzed and fed back to the control unit of the processing laser device.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the inspection method of the first aspect, the laser spot scanning three-dimensional measuring device for measuring the shape of the weld bead is used. The three-dimensional position information of the measurement object is obtained by the principle of triangulation while scanning. Since this apparatus is a spot scan, it can have a one-dimensional measurement mode in which the same position is repeatedly scanned in a straight line and a measurement mode in which a two-dimensional area is scanned. In actual measurement, measurement can be performed in a mode in which a two-dimensional area is scanned, and the shape can be displayed on a monitor by three-dimensional display software.
[0027]
Moreover, this apparatus can suppress the generation | occurrence | production of the measurement error by the change of the color of a measurement object to the minimum by automatically adjusting the optimal laser intensity for every measurement point.
[0028]
Regarding the measurement speed, when the measurement width is 29 mm, the process proceeds in 31 milliseconds per line, which indicates that the measurement processing capacity of 32 lines per second is present, and if the line interval is 1 mm. For example, the feed rate is 32 mm per second. To further increase the speed, if the measurement width is 10 mm, the measurement time can be shortened to 12 milliseconds per line, and the measurement speed about 2.6 times the above can be obtained. As for the operator, the operator can perform measurement under conditions with a very high degree of freedom, such as the scanning width, and the operator can have the possibility of pursuing measurement efficiency according to the working conditions of each person. Is shown.
[0029]
Further, the resolution in the height direction of the current laser scanner device is 21 μm, and the bead height of 100 μm or less is buried in noise and difficult to discriminate, but if it is more than that, the bead height can be easily detected. is there. In order to confirm the measurement accuracy of the laser scanner device used in the welding bead inspection method according to the present invention with respect to the material to be welded, a comparison was made with a contact-type surface roughness measuring device. Tends to be somewhat high, but is within an error of about 20 μm, which is roughly the same as the resolution, so that a highly accurate and reliable measurement result can be obtained.
[0030]
In the conventional measurement method, the operator has appropriately selected a method of irradiating a measurement laser and performing two-dimensional image processing or taking in the coordinates of the spot when the equipment is introduced. However, it is not sufficient to find defects in welding, but the inspection method shown in the present invention is highly reliable and accurate with a single sensor by evaluating the measurement results and measurement errors together. Can be realized.
If measurement is performed with multiple sensors, not only will the cost increase, but the processing load will increase, and there will be a number of problems such as synchronization between the sensors and misalignment of the measurement location. It seems that the inspection method according to the present invention overcomes this.
[0031]
In measurement by spot scanning, it is possible to speed up to some extent by appropriately changing the scanning range and the number of measurement points, and measurement and evaluation can be completed in 12 milliseconds per time by setting conditions, which is high. Sampling rate can be realized, inspection results can be immediately fed back to the welding machine, and operation directly connected to the machining system is possible.
In this case as well, this system can make the distance between the measurement location and the sensor part wider than before, and it is possible to keep the sensor away from the influence of heat, spatter, fume, etc. during welding. Reliability as a measurement system can be improved.
[0032]
In measurement by spot scanning, since the scanner looks at the direction of only the laser spot, it has excellent resistance to welding light and other reflected light. Further, the measurement width of the laser beam can be freely adjusted. The sheet steel, which is a non-weld material, differs greatly in the surface state between the material part around the weld bead and the weld bead part, and it was difficult to cope with conventional optical measurement methods. Even if the surface state such as the color of the object changes, stable measurement is possible by appropriately adjusting the intensity of the laser beam to be irradiated at each measurement point.
[0033]
It is also important to collect reflected light amount data as well as position information by three-dimensional measurement. As shown in FIG. 6, there is a strong correlation between distance data and reflected light amount data. It can be seen that the portion irradiated with the laser for welding has little reflection of the laser beam for measurement. By evaluating both measurement results together, it is possible to determine whether or not the welding state is possible with higher accuracy. Is possible.
[0034]
Conventionally, there are many two-dimensional inspection systems using a television camera for the inspection of the weld bead part. In such a measurement system, the fixed state (step, inclination) of the workpiece and the shape of the weld bead are measured. I can't. In the measurement system according to the present invention, the fixed state of the workpiece and the shape of the weld bead can be measured easily and at high speed, which can be used not only for detection of weld defects but also for prevention of weld defects.
[0035]
According to the inspection method of claim 2, before the lap welding of the steel plates and the welding by butt, the spot light of the laser for measurement is irradiated around the welded portion of the welded material around the welded portion and the welded portion. By measuring the reflected light with a scanner device, an unacceptable deviation or gap in the mating portion of the steel plates can be detected in advance before welding, and the occurrence of welding defects can be prevented in advance.
[0036]
According to the support system of claim 3, using the inspection method according to claim 1, the shape of the weld bead during or after welding is investigated, and the result is calculated by a separately prepared computer, and welding is performed. After evaluating the situation numerically, it is possible to construct an assist system that can obtain the optimum laser intensity and feed speed based on this evaluation and immediately feed back a new machining command to the welding machine.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an external view showing an external appearance and an internal configuration of a laser scanner device.
FIG. 2 is a schematic diagram showing the principle of three-stroke surveying.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the degree of freedom according to each configuration of the laser spot of the triangulation method.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing measurement points of a weld bead.
FIG. 5 is a photograph showing an appearance of a weld bead and a mesh diagram subjected to measurement processing.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing measurement samples of distance data and reflected light data.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a measurement sample of a weld bead and a measurement result.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing a measurement sample of a weld bead and a measurement result.
FIG. 9 is a characteristic diagram showing a measurement sample of a weld bead and a measurement result.
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a measurement sample of a weld bead and a measurement result.
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a measurement sample of a weld bead and a measurement result.
FIG. 12 is an external view showing a basic configuration of a measurement system of the present invention.
FIG. 13 is an enlarged view showing a real machine in which the measurement system of the present invention is mounted.
FIG. 14 is a system diagram showing a flow of feedback from the measurement system to the welding machine.
FIG. 15 is an external view showing a basic configuration of a conventional light cutting method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Processing laser apparatus 2 Laser processing machine control apparatus 3 Laser processing machine output B Welding bead C Scanner apparatus D The gap E of a to-be-welded material Measurement error number HO Welding defect HMAX Maximum value of bead height HMIN Minimum value of bead height IF Interface K Cable L Laser device M Steel plate step PC Computer R Lens RO Rotating axis S Laser beam spot for measurement U Laser scanner device V Image input device W Material to be welded (workpiece)
