JP2005095942A - Laser welding quality inspection method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被溶接物にレーザ光を照射して行うレーザ溶接において、溶接部周辺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。 The present invention relates to a laser welding quality inspection method and apparatus for detecting the quality of welding by detecting light from the vicinity of a welded part in laser welding performed by irradiating a workpiece with laser light.
この種の溶接品質検査方法には、従来、溶融池後方の凝固開始から凝固終了部分までの一部分又は複数位置に、加工用レーザ光を分光したプローブ光を照射し、これと同一波長の反射光を検出し、この反射光の強度変動に基づいて溶接欠陥を検出するというものがある（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら上記従来技術は、ポロシティ発生による溶融池のビード幅方向の振れを検知する方法であるため、比較的広範囲から反射光を検出しなければならず、反射光の強度変動検出の際のＳＮ比が低下する。このため、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、高い検査精度を得ることが難しかった。また、プローブ光を、加工用レーザ光を分光させて取り出す構成であるため装置が複雑になった。
本発明の目的は、上記のような実情に鑑みなされたもので、レーザ光を用いた重ね合わせ溶接において、より精度の高い溶接品質の検査が可能で、かつその構成も簡単な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。
However, since the above prior art is a method for detecting the fluctuation in the bead width direction of the molten pool due to the occurrence of porosity, the reflected light must be detected from a relatively wide range, and the SN ratio when detecting the intensity fluctuation of the reflected light. Decreases. For this reason, the detection is actually performed from a site where a significant difference due to the welding quality hardly occurs, and it is difficult to obtain high inspection accuracy. In addition, since the probe light is configured to be extracted by separating the processing laser light, the apparatus becomes complicated.
The object of the present invention has been made in view of the above circumstances, and laser welding quality inspection is possible in which welding quality with higher accuracy can be inspected in lap welding using laser light, and the configuration thereof is simple. It is to provide a method and apparatus.
上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、複数の被溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査方法において、前記被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面からの前記レーザ光の反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、該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。 In order to achieve the above object, the invention according to claim 1 of the present invention is directed to a metal object to be welded and / or a laser beam irradiated to a metal object to be welded on which a plurality of metal members to be welded are superimposed. Alternatively, in a quality inspection method in laser welding in which laser light is moved in a desired direction to perform overlap welding of the metal objects to be welded, a keyhole generated at a laser light irradiation position of the metal objects to be welded and the key The reflected light of the laser beam from the boundary wall surface with the weld pool generated on the rear side of the welding progress direction of the hole is received from the diagonally upper front of the welding progress direction, and the welding quality inspection is performed based on the intensity of the reflected light It is characterized by doing.
また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、複数の被溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査装置において、前記被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面からの前記レーザ光の反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、該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、不良を判定する処理手段とを具備することを特徴とする。 Further, in the invention according to claim 2 of the claims, the metal object to be welded and / or the laser light is desired while irradiating the laser beam to the metal object to be welded on which a plurality of metal members to be welded are superimposed. In a quality inspection apparatus for laser welding in which the welded metal object is superimposed and welded, the keyhole generated at the laser beam irradiation position of the welded metal object, and the welding progress direction of the keyhole A light receiving means for receiving the reflected light of the laser beam from the boundary wall surface with the molten pool generated on the side from an obliquely upper front in the welding direction, and outputting an electric signal corresponding to the intensity of the reflected light; and And processing means for performing a predetermined calculation based on the intensity of the electric signal from the light receiving means to determine whether the welding quality is good or bad.
更に、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明は、上記請求項２に記載の発明において、受光手段の受光部が、溶接進行方向の前方斜め上方から、キーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界部分を含む一定領域からの前記レーザ光の反射光を受光可能に溶接用トーチに一体に取り付けられ、処理手段は、前記受光手段からの電気信号に対して正規化処理及び閾値処理を行って溶接の品質の良、不良を判定するように構成されたことを特徴とする。
Furthermore, the invention according to
本発明（請求項１及び２）では、レーザ溶接における品質検査において、被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、このキーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面からのレーザ光の反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、該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。
上記境界壁面からのレーザ光の反射光の強度が溶接品質の良否を高い確度で表すことは本発明者らによって見出されており、したがって本発明によれば、レーザ光を用いた重ね合わせ溶接において、精度の高い溶接品質の検査が可能となる。特に、鋼板のレーザ重ね溶接において、鋼板間の隙間の変動によって生じる溶接欠陥を精度よく検知できる。
また、加工用レーザ光を分光したプローブ光を照射するための構成や、画像を取り込む受像装置を必要とせず、レーザ光の反射光の受光手段を備えればよいので、構成も簡単である。
請求項３の発明によれば、溶接条件、例えばレーザ光出力条件が異なる溶接においても、溶接品質の良否判定時における閾値を変化させることがなく、安定した、また精度の高い溶接品質の良否判定が可能となる。
In the present invention (Claims 1 and 2), in quality inspection in laser welding, a keyhole generated at a laser beam irradiation position of a metal object to be welded, and a molten pool generated on the rear side in the welding progress direction of the keyhole The reflected light of the laser beam from the boundary wall surface with the laser beam is received from the obliquely upper front in the welding direction, and the welding quality inspection is performed based on the intensity of the reflected light.
It has been found by the present inventors that the intensity of the reflected light of the laser beam from the boundary wall surface represents the quality of the welding quality with high accuracy. Therefore, according to the present invention, the overlap welding using the laser beam is performed. Therefore, it is possible to inspect the welding quality with high accuracy. In particular, in laser lap welding of steel plates, it is possible to accurately detect welding defects caused by fluctuations in gaps between the steel plates.
In addition, a configuration for irradiating the probe light obtained by splitting the processing laser light and an image receiving device for capturing an image are not required, and a light receiving means for reflected light of the laser light may be provided, so that the configuration is simple.
According to the invention of
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明者らは、レーザ溶接における品質検査において、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、次のような知見を得、本発明を完成するに至った。
すなわち本発明者らは、溶接品質の変化によって溶融池が溶接進行方向の前後方向に脈動する、具体的には、溶接品質が低下する程、溶融池がレーザ光照射位置を基準として溶接進行方向後方にずれ移動（後退）し、正常に戻ると元の前方位置に戻る、との知見を得た。
上記溶融池の後退は、溶融池先端位置の後退により検知でき、溶融池先端位置の後退は、被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、このキーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面（溶融池先端壁面）からのレーザ光の反射光（レーザ反射光）の強度低下から検知できる。つまり、溶接品質の良、不良（良否）は、上記溶融池先端壁面からのレーザ反射光の強度の高低から検知できる。しかも、この溶融池先端壁面からのレーザ反射光の強度は、溶接品質の良否を高い確度で表わすことを見出し、本発明を完成するに至った。
上記のように、溶融池先端位置は、溶接品質の変化によって前後動するので、溶融池先端位置からのレーザ反射光を常に直接に受光するためには、受光手段のレーザ反射光受光軸を溶融池先端位置の前後動に伴って移動させなければならない。しかし、これは現実的ではないので、実際には、溶融池先端位置の前後動範囲を含む、溶接進行方向の前後方向の一定領域（固定領域）からのレーザ反射光を受光し、その強度の高低から溶接品質の良否を判定する。
溶融池先端位置の検知のために受光するレーザ反射光は、溶融池先端壁面からのものが強力で、ＳＮ比を大きくとることができる。また、溶融池先端壁面からのレーザ反射光を受光するためには、溶接進行方向の前方斜め上方から溶融池先端部分に、受光手段の受光面を向けることが出力信号のＳＮ比を大きくとれる。そこで、本発明においては、上記溶融池先端壁面（境界壁面）からのレーザ反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、そのレーザ反射光の強度に基づいて溶接品質の良否を判定することとした。この場合においても、実際には、溶融池先端位置の前後動範囲を含む、溶接進行方向前後方向の一定領域からのレーザ反射光を受光して溶接品質の良否を判定する。
Embodiments of the present invention will be described below.
In the quality inspection in laser welding, the present inventors diligently experimented and studied in order to achieve the above object, and as a result, obtained the following knowledge and completed the present invention.
That is, the inventors pulsate the weld pool in the front-rear direction of the welding progress direction due to a change in the weld quality. Specifically, the weld pool direction of the weld pool with respect to the laser beam irradiation position as the weld quality decreases. It was found that it moved backward (backward) and returned to its original position when it returned to normal.
The retreat of the molten pool can be detected by the retreat of the molten pool front end position. The retreat of the molten pool front end position is a keyhole generated at the laser beam irradiation position of the metal object to be welded, and after the welding progress direction of the keyhole. It can be detected from the intensity drop of the reflected light (laser reflected light) of the laser beam from the boundary wall surface (melt pool front wall surface) with the molten pool generated on the side. That is, whether the welding quality is good or bad (good or bad) can be detected from the intensity of the laser reflected light from the molten pool tip wall surface. Moreover, it has been found that the intensity of the laser reflected light from the front wall surface of the molten pool represents the quality of the welding quality with high accuracy, and the present invention has been completed.
As described above, the molten pool tip position moves back and forth due to changes in welding quality. Therefore, in order to always directly receive the laser reflected light from the molten pool tip position, the laser reflected light receiving axis of the light receiving means is melted. It must be moved as the pond tip moves back and forth. However, since this is not realistic, in practice, laser reflected light from a certain region (fixed region) in the front-rear direction of the welding progress direction including the front-rear movement range of the weld pool tip position is received and Judge the quality of welding quality from high and low.
The laser reflected light received for detecting the position of the molten pool tip is strong from the wall surface of the molten pool tip and can have a large SN ratio. Further, in order to receive the laser reflected light from the molten pool front end wall, the S / N ratio of the output signal can be increased by directing the light receiving surface of the light receiving means toward the molten pool front end portion from the obliquely upper front in the welding progress direction. Therefore, in the present invention, the laser reflected light from the weld pool tip wall surface (boundary wall surface) is received from the front obliquely upward in the welding progress direction, and the quality of the welding quality is determined based on the intensity of the laser reflected light. It was decided. Even in this case, the quality of the welding quality is actually judged by receiving laser reflected light from a certain region in the front-rear direction of the welding progress direction including the front-rear movement range of the weld pool tip position.
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、装置側方から示す。
図１において、１はレーザ溶接用トーチで、このトーチ１からのビーム状のレーザ光１ａを矢印イに示すように被溶接金属物２に照射して溶接を行う。
被溶接金属物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、このような被溶接金属物２（薄鋼板２ａ，２ｂ）にレーザ光１ａを照射して行う。
レーザ光１ａを出力するレーザ装置３には炭酸ガスレーザ装置やＹＡＧレーザ装置があり、ここではレーザ波長＝１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ装置が用いられている。溶接は、トーチ１若しくは被溶接金属物２のいずれか一方、又はそれら双方を移動させ、ここではトーチ１を矢印ロ方向に移動させて行う。
FIG. 1 is an explanatory view of an embodiment of a device (device of the present invention) to which a laser welding quality inspection method according to the present invention is applied, and is shown from the side of the device.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a laser welding torch, which performs welding by irradiating a metal object 2 to be welded with a beam-
The welded metal object 2 is composed of a plurality of members to be welded, in this case, two
The
受光装置４は、被溶接金属物２のレーザ光照射位置（溶接部）５に生成されるキーホール６と、このキーホール６の溶接進行方向ロの後側に生成される溶融池との境界壁面（以下、溶融池先端壁面と称する。）７からのレーザ光１ａの反射光（レーザ反射光）１ｂを受光し、このレーザ反射光１ｂの強度に応じた電気信号を出力する受光手段を構成する。
なお上記キーホール６は、図示例では被溶接金属物２の左右方向におけるほぼロート状の領域を指すが、このロート状の領域の図中右側を仕切る円弧で示す位置８は被溶接金属物２の断面左右方向における溶融池先端位置を示す。この溶融池先端位置８より、図中右側（溶接進行方向ロに対して後側）に溶融池が広がる。
溶融池先端位置８（溶融池先端壁面７の位置）は、上述したように溶接品質の変化によって前後動する。したがって、溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂを常に直接に受光するためには、受光装置４のレーザ反射光受光軸を溶融池先端壁面７の位置の前後動に伴って移動させなければならない。しかし、これでは構成が複雑でコストが上昇するため現実的ではない。そこで受光装置４は、実際には溶融池先端壁面７位置の前後動範囲を含む、溶接進行方向の前後方向の予め定められた反射光計測領域（一定領域）９からのレーザ反射光１ｂを受光するように構成されている。
図示例では、正常な溶接時（溶接品質が良の時）の溶融池先端壁面７位置を反射光計測領域９の前後方向中心に位置するように位置決め構成されている。反射光計測領域９の前後方向の範囲は、ここからのレーザ反射光１ｂの受光による溶接品質の良否の判定に足りる最小限の範囲とすることが、受光装置４の出力信号のＳＮ比を高める点から好ましい。
The
In the illustrated example, the
The weld pool tip position 8 (position of the weld pool tip wall surface 7) moves back and forth due to the change in welding quality as described above. Therefore, in order to always directly receive the laser reflected light 1b from the molten pool
In the illustrated example, the position of the molten pool front
この受光装置４は、図示例では受光用光学系４ａ、光ファイバ４ｂ、光学フィルタ４ｃ及び光電変換手段４ｄにより構成されている。
このうち受光用光学系４ａは、上記反射光計測領域９からの光（レーザ反射光１ｂ、溶接により発生するプラズマ光、溶融金属の熱輻射光、その他の光を含む。以下、溶接光と称する。）を光ファイバ４ｂを介して光学フィルタ４ｃに入射させる光学部を構成する。受光用光学系４ａは、上記溶接光を光ファイバ４ｂの光入射面に集光する集光レンズ等を備えてなる。
この受光用光学系４ａは、溶接進行方向の前方の斜め上方から、上記溶融池先端壁面７部分を含む反射光計測領域９からのレーザ反射光１ｂを受光可能に、トーチ１に一体に取り付けられており、溶接時、レーザ光照射位置５の移動に追従して移動し、反射光計測領域９（溶融池先端壁面７）からのレーザ反射光１ｂを受光する。図中１０は、受光用光学系４ａをトーチ１に一体に取り付ける支持板である。
レーザ光照射面５に対する受光用光学系４ａの受光軸の傾斜角（仰角）θは、図示例では４５°となっているが、正常な溶接時において溶融池先端壁面７からのレーザ反射光強度が大きく採れる角度が受光装置４の出力信号のＳＮ比を高める上で好ましく、４５°以外の角度、例えば６０°であってもよい。
溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂを受光することにより溶融池先端位置８を検知するのは、この溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂが強力で、受光装置４の出力信号のＳＮ比を大きくとることができるからである。
In the illustrated example, the
Among these, the light receiving
The light receiving
The inclination angle (elevation angle) θ of the light receiving axis of the light receiving
The reason for detecting the molten
上記光学フィルタ４ｃは、受光用光学系４ａからの光（入射溶接光）の中からレーザ反射光１ｂのみを透過させるフィルタ、具体的にはレーザ光１ａの周波数成分域を透過帯域とする干渉フィルタからなる。ここでは、波長＝１０６４ｎｍのレーザ光１ａの反射光（レーザ反射光）１ｂのみを透過させる干渉フィルタを用いてなる。
この光学フィルタ４ｃは、溶接光中のレーザ反射光１ｂのみを光電変換手段４ｄに入射させるために設けられるフィルタであるので、その位置は光ファイバ４ｂと光電変換手段４ｄとの間のみに限定されることはない。例えば、受光用光学系４ａと光ファイバ４ｂとの間、あるいは受光用光学系４ａの受光面側に配置してもよい。
光電変換手段４ｄは、光学フィルタ４ｃからのレーザ反射光１ｂを、その強度に応じた電気信号に変換する手段であり、１個又は複数個の光センサ、ここでは波長＝１０６４ｎｍを中心とした感度域のあるシリコンフォトダイオードを用いてなる。
このような受光装置４によって受光される溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂの強度は、溶接品質の良否を高い確度で表わす。
なお、受光装置４から出力される電気信号（出力信号）は、詳しくは反射光計測領域９からのレーザ反射光１ｂの強度に応じた信号であるが、この出力信号の強度変化に係わるレーザ反射光１ｂは殆どが上記溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂである。したがって以下においては、受光装置４の出力信号は溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂの強度に応じてその強度が変化する信号であるものとして説明する。
The
Since the
The photoelectric conversion means 4d is means for converting the laser reflected light 1b from the
The intensity of the laser reflected light 1b from the molten pool
The electric signal (output signal) output from the
処理装置１１は、受光装置４の出力信号の強度、すなわち溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂの強度に基づいて後述する解析等の処理を行い、溶接品質の良否を判定する処理手段を構成する。
判定結果表示装置１２は、処理装置１１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）と区別して表示す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。
なお、処理装置１１への入力信号である受光装置４の出力信号（レーザ反射光信号）の強度変化や、処理装置１１で行われる上記レーザ反射光信号の周波数解析結果を判定結果表示装置１２にリアルタイム表示可能にしてもよい。
The
The determination
It should be noted that the determination
次に動作について説明するが、それに先立ち、溶接品質の変化に伴う溶融池の挙動とレーザ反射光１ｂの強度変化について、図１及び図２を参照して述べる。
図２（ａ）〜（ｃ）は、図１に示す構成において受光装置４の受光用光学系４ａと同じ位置に、この受光用光学系４ａに代えて高速度カメラを設置し、波長＝１０６４ｎｍのレーザ反射光１ｂのみによる画像を取り込み、解析した画像である。各図において、同一符号は同一又は相当部分を示す。また、格子状の領域は高輝度部分、斜線で示す領域は中輝度部分、点を付して示す領域は低輝度部分を示す。
まず、正常な溶接時には、図２（ａ）に示すように、キーホール（図１中のキーホール６参照）の内壁等からのレーザ光多重反射によるほぼ円形の高輝度部２１を中心に含む発光部２２が観察される。
この正常溶接時においては、前側発光部（キーホール６の前端部分及び溶融していない被溶接金属物２の表面における散乱光発生部分）２３と、後側発光部（キーホール６の後端部分、つまり溶融池先端壁面７からの反射光部分）２４とは発光部２２中に一体となっている。
しかし、例えば、重ね合わされた板間（薄鋼板２ａ，２ｂ間）に隙間が残存している溶接箇所に、正常時と同様の入熱（レーザ光照射）が行われると、レーザ光１ａは、上側の薄鋼板２ａを貫通して下側の薄鋼板２ｂを溶融蒸発させ、板間には上下の薄鋼板２ａ，２ｂから高温の金属蒸気発光エネルギが与えられる。このように、板間に正常時よりも過剰なエネルギ（入熱）が与えられることになり、特に上側の薄鋼板２ａの溶融金属の温度を上昇させ、その表面張力を低下させる。一般にレーザ溶接では、形成されたキーホール６の内部圧力と溶融金属の表面張力とがバランスし、キーホール６が安定に維持される。しかし、上記のような過剰な入熱状態になると、溶融池（溶融金属）の表面張力が低下するために上記バランスが崩れ、圧力が低い溶融池が後方に後退し、穴が観察されるようになる。更に表面張力が低下すると、溶融池はより後方に後退する。
図２（ｂ），（ｃ）は、このような溶融池の後退現象発生中における上記高速度カメラの取込み画像を解析して示す画像である。
Next, the operation will be described. Prior to that, the behavior of the molten pool and the intensity change of the laser reflected light 1b accompanying the change in welding quality will be described with reference to FIGS.
2A to 2C, in the configuration shown in FIG. 1, a high-speed camera is installed at the same position as the light receiving
First, at the time of normal welding, as shown in FIG. 2 (a), a substantially circular high-
At the time of this normal welding, the front side light emitting part (the front end part of the
However, for example, when the same heat input (laser beam irradiation) as normal is performed on a welded portion where a gap remains between the stacked plates (between the
FIGS. 2B and 2C are images obtained by analyzing the captured image of the high-speed camera during the occurrence of the retreat phenomenon of the molten pool.
上記溶融池の後退現象は、表面張力が低下した溶融金属が板間に垂れ下がることが主要因であり、こうした現象によりいわゆる「溶け落ち」や「穴あき」等の品質不良が発生する。このような「溶け落ち」や「穴あき」等が発生した後も溶接を継続すると、正常な溶接状態に復帰した後、上記現象を繰り返すことがある。このような場合、溶接品質が変化する際の溶融池（先端位置８）は、溶接進行方向の前後方向に脈動することになる。
これを上記解析画像で示せば、図２（ａ）→図２（ｂ）→図２（ｃ）とサイクリックに推移することになり、キーホール６を表す前側発光部２３に対して溶融池先端壁面７を表す後側発光部２４が溶接進行方向ロの前後方向に行き来（脈動）する。
ここで、前側発光部２３と後側発光部２４の２つの領域に対して輝度値の変化を見ると、前側発光部２３においては、図２（ｂ）から図２（ｃ）に移行しても明るさ（輝度積算値）の変化は殆どない。つまり、キーホール６前端部分は安定な状態にあり、そこからのレーザ反射光１ｂも安定している。一方、後側発光部２４においては、図２（ｂ）から図２（ｃ）に移行するに従ってその明るさが全体として低下している。これに、前側発光部２３と後側発光部２４とが発光部２２中に一体となっている図２（ａ）の画像を含めても、ほぼ同様のことがいえる。
このことは、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示す現象の推移を、前側発光部２３の明るさは殆ど考慮に入れず、後側発光部２４の明るさ、つまり溶融池先端壁面７からのレーザ反射光１ｂの強度（変化）によることのみで、検知できることを意味し、更に、レーザ反射光１ｂの強度に基づいて溶接の品質検査が可能になることを意味する。
本発明では、高価で大型の高速度カメラ（撮像装置）を用いることなく、簡易な構成で精度の高い溶接品質の検査を可能とするもので、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すような現象の変化を受光装置４で捉え、解析する。
The main reason for the retraction phenomenon of the molten pool is that the molten metal having a reduced surface tension hangs down between the plates, and this phenomenon causes quality defects such as so-called “melting-down” and “hole formation”. If the welding is continued even after such “melting off” or “hole formation” occurs, the above phenomenon may be repeated after returning to a normal welding state. In such a case, the molten pool (tip position 8) when the welding quality changes pulsates in the front-rear direction of the welding progress direction.
If this is shown in the above analysis image, it will cyclically shift from FIG. 2 (a) → FIG. 2 (b) → FIG. 2 (c). The rear
Here, when the change of the luminance value is seen with respect to the two regions of the front
This means that the transition of the phenomenon shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c) does not take into account the brightness of the front light-emitting
In the present invention, it is possible to inspect the welding quality with high accuracy with a simple configuration without using an expensive and large high-speed camera (imaging device). FIGS. 2 (a) to 2 (c). The
ここでレーザ溶接は、通常、様々な溶接条件で、例えばレーザ光出力、溶接速度、溶接される上下の被溶接金属板（薄鋼板２ａ，２ｂ等）の板厚、溶接姿勢等を変えた様々な溶接条件で行われる。
また、同じ出力条件でレーザ光１ａを照射しても、レーザ光１ａの出力は、出射端では数％のオーダでばらつくことがある。このため、レーザ反射光１ｂの強度（受光装置４の出力信号強度）を基準に溶接品質の良否判定をしようとすると、溶接条件、特にレーザ光出力の相違によってレーザ反射光１ｂの強度が変動することになり、溶接品質の良否判定のための安定な閾値を設定することができない。
Here, the laser welding is usually performed under various welding conditions, for example, by changing the laser light output, the welding speed, the thickness of the upper and lower metal plates to be welded (
Even if the
そこで本実施形態においては、レーザ反射光信号（受光装置４の出力信号）の周波数成分に着目して解析を行い、溶接品質の良否を判定する。
図３は、正常溶接（良品質）時、及び溶接不良の一例である「溶け落ち」発生時におけるレーザ反射光信号強度（受光装置出力信号強度）の経時変化の一例を示すグラフである。図３中、実線ハは正常溶接時、破線ニは溶け落ち発生時のグラフを示す。図示するように、溶け落ち発生時には信号が大きく変動していることがわかる。ここで、溶け落ちを例にその信号の変動を考えると、表面張力が低下した溶融金属が徐々に垂れ下がることによって溶融池の先端位置８（図１参照）が後退するようになる。この後退速度は、溶接速度、溶融池の長さや重量が大きく関係し、溶融池の表面張力が重力に劣って落下するまではほぼ定速で進行する。この場合、溶融池の重力中心に垂れ下がりが生じると考えられ、こうした動きは、簡易には溶接速度と溶融池長さを基本とする低周波の挙動と捉えられる。
このことから、低周波数成分の変動に着眼し信号を解析することが溶接品質の良否判定に好適であることが分かる。しかしながら、低周波数成分の解析だけによる判定では、溶接条件の変更によって閾値を変化させる必要がある。また、特に溶接速度によっては着眼すべき周波数が異なる。
本実施形態では、溶接条件の変更によって閾値を変化させる必要が生じないように、また、着眼すべき周波数が異なっても何らの手間を要さず、更に、反射光強度の強弱によって判定結果が異ならないように、受光装置４からの信号（レーザ反射光信号）に対して以下に述べるように正規化処理を行う。
Therefore, in this embodiment, the analysis is performed by paying attention to the frequency component of the laser reflected light signal (the output signal of the light receiving device 4), and the quality of the welding quality is determined.
FIG. 3 is a graph showing an example of a temporal change in laser reflected light signal intensity (light receiving device output signal intensity) at the time of normal welding (good quality) and at the occurrence of “burn-out” as an example of welding failure. In FIG. 3, a solid line C shows a graph at the time of normal welding, and a broken line D shows a graph at the time of occurrence of melting. As shown in the figure, it can be seen that the signal fluctuates greatly when the burn-out occurs. Here, when considering the fluctuation of the signal taking the case of burn-off as an example, the molten metal having a lowered surface tension gradually hangs down, so that the tip position 8 (see FIG. 1) of the molten pool is retracted. The retraction speed is largely related to the welding speed and the length and weight of the molten pool, and proceeds at a substantially constant speed until the surface tension of the molten pool falls inferior to gravity. In this case, it is considered that drooping occurs in the center of gravity of the molten pool, and such a movement can be simply regarded as a low-frequency behavior based on the welding speed and the molten pool length.
From this, it can be seen that it is preferable to determine the quality of the welding quality by focusing on the variation of the low frequency component and analyzing the signal. However, in the determination based only on the analysis of the low frequency component, it is necessary to change the threshold value by changing the welding conditions. In particular, the frequency to be noticed varies depending on the welding speed.
In the present embodiment, it is not necessary to change the threshold value by changing the welding conditions, and no trouble is required even if the frequency to be noticed is different. Furthermore, the determination result is based on the strength of the reflected light intensity. In order not to be different, normalization processing is performed on the signal (laser reflected light signal) from the
図４は、上掲図３に示した信号のＦＦＴ解析（高速フーリエ変換による周波数解析）結果を示すグラフである。図４中、実線ホは正常溶接時、破線ヘは溶け落ち発生時のグラフを示す。図示するように、溶け落ち発生時は５０Ｈｚ以下の低周波数成分が極めて大きいことがわかる。
このような結果に基づき、本実施形態では、低周波数成分として５〜５０Ｈｚ、高周波数成分として５１〜２５０Ｈｚの各周波数帯の強度を積算し、低周波数成分に対する高周波数成分の比として正規化処理を行い、信号強度自体が異なることによる影響をなくしている。
FIG. 4 is a graph showing the result of FFT analysis (frequency analysis by fast Fourier transform) of the signal shown in FIG. In FIG. 4, the solid line E shows a graph at the time of normal welding, and the broken line F shows a graph at the time of melting. As shown in the figure, it can be seen that the low frequency component of 50 Hz or less is extremely large when the burn-out occurs.
Based on such a result, in this embodiment, the intensity of each frequency band of 5 to 50 Hz as the low frequency component and 51 to 250 Hz as the high frequency component is integrated, and the normalization processing is performed as the ratio of the high frequency component to the low frequency component. To eliminate the influence of different signal intensities.
この結果の一例を図５に示す。図５中、グラフＧ１〜Ｇ７は正常溶接時、グラフＧ８は溶け落ち発生時を示す。この図に示すように、レーザ光出力が１．７５ＫＷ〜３．２５ＫＷと大きく異なる条件範囲においても正常溶接時はほぼ一定の正規化強度となり（グラフＧ１〜Ｇ７参照）、溶け落ち発生時には極めて大きい信号が得られる（グラフＧ８参照）。この正規化された信号（正規化強度）に対し、溶接品質の良否判定の閾値、例えば「０．６」を設定することで、安定かつ容易に溶接品質の良否判定が可能となる。 An example of the result is shown in FIG. In FIG. 5, graphs G <b> 1 to G <b> 7 show normal welding, and graph G <b> 8 shows when burnout occurs. As shown in this figure, even in a condition range where the laser light output is significantly different from 1.75 kW to 3.25 kW, the normalized strength is almost constant during normal welding (see graphs G1 to G7), and extremely large when burnout occurs. A signal is obtained (see graph G8). By setting a welding quality pass / fail judgment threshold value, for example, “0.6”, for this normalized signal (normalized strength), it becomes possible to make a weld quality pass / fail judgment stably and easily.
図１中の処理装置１１は、受光装置４からの信号（レーザ反射光信号）によって上述した解析を行い、溶接品質の良否の判定を溶接中にリアルタイムで行って、その結果を判定結果表示装置１２に表示させる。
上述実施形態において、処理装置１１にパーソナルコンピュータ（以下、パソコンという。）を用い、これにより上記ＦＦＴ解析をするようにしてもよい。このパソコンとは別個に設けられたＦＦＴ演算回路により、ＦＦＴ解析をするようにしてもよい。また、受光装置４からの信号に対してフィルタ回路により低周波数成分と高周波数成分に分離し、分離された各信号を積分回路によりエネルギ信号に変換し、その後、除算回路で各エネルギ信号を除算して強度比を算出し、得られた強度比と閾値によって溶接品質の良否判定をするようにしてもよい。
The
In the above-described embodiment, a personal computer (hereinafter referred to as a personal computer) may be used as the
１ａ：レーザ光、１ｂ：レーザ反射光（レーザ光の反射光）、２：被溶接物、２ａ，２ｂ：薄鋼板（被溶接部材）、４：受光装置（受光手段）、４ａ：受光用光学系（受光部）、５：レーザ光照射位置（溶接部）、６：キーホール、７：溶融池先端壁面（境界壁面）、８：溶融池先端位置、９：反射光計測領域、１１：処理装置（処理手段）。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面からの前記レーザ光の反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、該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。 While irradiating a laser beam to a metal object to be welded on which a plurality of metal members to be welded are superimposed, the metal object to be welded and / or the laser beam is moved in a desired direction, and the metal objects to be welded are overlap-welded. In the quality inspection method in laser welding,
The reflected light of the laser beam from the boundary wall surface between the keyhole generated at the laser beam irradiation position of the metal object to be welded and the molten pool generated on the rear side in the welding progress direction of the keyhole, A laser welding quality inspection method, wherein light is received from obliquely above and forward and a welding quality inspection is performed based on the intensity of the reflected light.
前記被溶接金属物のレーザ光照射位置に生成されるキーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界壁面からの前記レーザ光の反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、該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。 While irradiating a laser beam to a metal object to be welded on which a plurality of metal members to be welded are superimposed, the metal object to be welded and / or the laser beam is moved in a desired direction, and the metal objects to be welded are overlap-welded. In quality inspection equipment in laser welding,
The reflected light of the laser beam from the boundary wall surface between the keyhole generated at the laser beam irradiation position of the metal object to be welded and the molten pool generated on the rear side in the welding progress direction of the keyhole, Light receiving means that receives light from diagonally above and forward and outputs an electrical signal according to the intensity of the reflected light;
A laser welding quality inspection apparatus comprising: processing means for performing a predetermined calculation based on the intensity of an electric signal from the light receiving means to determine whether the quality of welding is good or bad.
受光手段の受光部が、溶接進行方向の前方斜め上方から、キーホールと、該キーホールの溶接進行方向後側に生成される溶融池との境界部分を含む一定領域からの前記レーザ光の反射光を受光可能に溶接用トーチに一体に取り付けられ、
処理手段は、前記受光手段からの電気信号に対して正規化処理及び閾値処理を行って溶接の品質の良、不良を判定するように構成されたことを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。
In the laser welding quality inspection apparatus according to claim 2,
Reflection of the laser beam from a fixed region including a boundary portion between a keyhole and a molten pool generated on the rear side in the welding progress direction of the keyhole from a diagonally upper front side in the welding progress direction. It is attached to the welding torch so that it can receive light,
The laser welding quality inspection apparatus, wherein the processing means is configured to perform normalization processing and threshold processing on the electrical signal from the light receiving means to determine whether the welding quality is good or bad.
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