JP2005230913A - レーザ溶接継目を検査するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接継目を検査するための方法を提供すること。
【解決手段】レーザビーム溶接によって１つ以上の加工品に導入される継目を検査する方法において、特性信号が、この継目の領域からセンサを用いて検出され、指標値または設定値と比較され、レーザビーム溶接に続く特定の時間間隔で検出される信号のみが、考慮され、この特定の時間間隔が、継目の凝固の直後に始まる方法によって解決される。
【選択図】なし

Description

本発明は、特許請求項１の前文によるレーザ溶接継目を検査するための方法に関する。

レーザビームが１つ以上の加工品を溶接するとき、容認できない品質の損失の原因となる不良が生じることがある。品質を保証するために、継目の主観的な肉眼検査と、自動検査の両方が、通常、行なわれている。

自動化方法では、従来、作業側が、点検出器又は面検出器（カメラ）を用いて、溶接中に監視されている。この種の方法は、レーザビームと加工品との実際の相互作用、特に、凝固現象の後まで生じることのない欠陥を検出することができない。この他、品質に関連するある量のバラツキが、認識されない。何故なら、関連する加工信号が、情報価値のない加工光の強い信号によって無効にされるからである。

この問題は、特許文献１による方法によって、部分的に補正される。ここでは、継目の溶融池又は溶融流の側が、追従するＩＲ−検出器によって監視され、その結果、加工光の干渉信号によって品質に関する信号が無効になるのが、排除はされないが、低減される。

独国特許発明第４３ ２１ ４６３ Ｃ２号明細書

本発明の課題は、継目の不良を確実に認識する検査方法を提供することにある。

特許請求項１の前文の特性を有する方法において、この課題は、特記された特徴によって解決される。好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によれば、レーザビーム溶接によって、１つ以上の加工品に導入される継目を検査するために、特性信号が、この継目の領域からセンサを用いて検出され、指標値又は設定値と比較される。ここで、レーザビーム溶接に続く特定の時間間隔で検出される信号のみが、考慮され、この時間間隔は、継目の凝固の直後から始まる。

レーザビーム溶接中に加工の発光を調べる技術の現状による方法と比較して、本発明による検査は、レーザビーム溶接の後に受信又は検出される信号に基づいてのみ、なされる。独国特許発明第４３ ２１ ４６３ Ｃ２号明細書による方法と対照的に、本発明の検査は、継目の凝固の直後に受信又は検出される信号に基づいてのみ、なされる。

これによって、継目の不良又は欠陥は、実質的により確実に検出される。何故なら、加工光が消える間、及びその直後のごく短い間において、加工品材料の一部は、まだ溶融液相の状態にあるからである。
種々の物理現象、特に境界表面エネルギーの最小化、それに対流と拡散は、溶融液相にその外面の形状と内部構造と共に、凝固中の継目に品質の変化を引き起こす。

この種の継目の欠陥は、加工光又は溶融液状の継目を解析する方法では、検出できないが、本発明の方法によって、極めて良好に検出することができる。何故なら、この検査は、これらの物理的現象が終了した後になって、初めて始まるからである。

本発明の信号を所望の値と比較するのは、例えば、独国特許発明第４３ ２１ ４６３ Ｃ２号明細書による公知の方法によって、行なうことができる。

従って、好ましい実施形態によれば、特定の時間間隔は、加工品の材料特性と、レーザ加工の加工パラメータとに依存して、規定される。ここで、測定時間を開始及び終了するための種々の時点が、それぞれ、選択され得る。測定時間を開始するための、絶対の最も早い、かつ有用な時点は、少なくとも溶接継目の薄皮が凝固した時点、好ましくは、溶融されていた材料の全体が凝固した時点である。しかし、この期間の後、短い時間を待つことも考えられる。時間間隔の終了に対する最も早い時点は、十分な量の信号データを受信するために必要な最小時間によって、決定される。しかし、測定の品質を増すために、時間間隔をより長く選択することも可能である。

それぞれの時間間隔は、実験によって、又は公知の方法によるシミュレーションによって、決定され得る。

本発明の好ましい一実施形態によれば、継目の領域から放出又は反射される光学的及び／又は熱的形態の信号が受信される。この設計又は構造の利点は、この種のデータから継目の欠陥を検出することが、公知の方法による特に簡単な手法によって、可能になるからである。

信号を受信するのに、ＣＣＤカメラを用いると、特に有利である。この種のカメラは、光学及び熱（ＩＲ）の分野において有用であり、光学的又は熱的点センサと比較して、操作の複雑さをできる限り少なくして、極めて豊富なデータをもたらす。しかし、他の電子カメラ、たとえば、ＣＭＯＳカメラも好適である。要件が厳格ではない場合、ダイオードのような点センサでも十分であり得る。

本発明のさらに好ましい実施形態において、光学的及び／又は熱的形態の測定用ビームが、上記の規定された時間間隔中に、継目の領域の方向に向かって放出され、次いで、その継目から反射された信号が検出される。この測定用ビームは、測定時間の全期間にわたって放出させることもできるし、又は連続的に放出させることもできる。しかし、測定時間内でそれが起きる限り、短い測定インパルスで十分である。これによって、この先のレーザインパルスによって入力されたエネルギーから得られる信号、すなわち、すでに硬化されているがまだ光を放ち、次いで、まだ高温にあって、最終的に温間になる継目の光学的及び／又は熱的放出から得られる信号の受信を、制限するものはない。

測定用ビームは、溶接レーザ又は他の放射体によって、放出させることができる。重要なことは、継目内に入力されるエネルギーが、材料を再溶融させないほど、小さいことである。

溶接される加工品の表面上で、レーザビームを操縦するために、スキャナー装置を用いると、特に有利であることが見出されている。スキャナー装置は、特に迅速かつ柔軟にビームを偏向させる装置、例えば、（少なくとも１つの単一軸又は多軸を制御可能な旋回ミラーからなる）ミラーシステム、又は音響光学モジュレータ（ＡＯＭ）である。

本発明の方法のこの実施形態の大きな利点は、高速という点にある。すなわち、この実施形態は、スキャナー装置によって、加工品の表面の上方において、レーザビームを高精度に誘導又は操縦することができる。これによって、（出力と合焦は同じであるが、前進する速度が異なる）同一のレーザビームが、所定の継目を溶接するため、及び測定用ビームとして用いるための両方に対して、正確に同一の継目の上方を、極めて短い期間、誘導され得る。

センサの設計は、継目の領域から特性信号のみを受信することができる限り、基本的にどのようなものであってもよい。スキャナー装置のすでに存在するビーム誘導装置を用いることが特に有利であることが見出されている。このため、本質的に、１つのビーム・スプリッタと、随意的な１つのシャッターとが、レーザビームのビーム経路に挿入される。このビーム・スプリッタは、センサに向かって、測定用ビームを加工品の表面から反射経路に導く。上記のシャッターは、このビーム・スプリッタとセンサとの間に設けられ、溶接中、センサを余りにも強い信号から防ぐために、経路を閉鎖する。

この物理的な設計によって、同一のレーザを、加工と測定の両方として用いることができる。スキャナー装置は、加工及び測定中、加工品及び／又は加工レンズを他の加工箇所に向かう方向に移動し、加工時間をできるだけ少なくすることができる。

以下、本発明の方法を、例示的実施形態に基づいて、さらに詳細に説明する。

例示的実施形態によれば、まず、所定の加工品と所定のレーザパラメータとに対する適切な時間間隔を、実験によって決定する。このため、まず、相転移に対する特性ＩＲ信号を決定するために、少量の加工品の材料を溶解し、次いで、溶融液から固相への転移中に、ＩＲ−ＣＣＤカメラを用いて、この材料を観察する。その後、このＩＲ−ＣＣＤカメラを用いて、レーザ継目の連続的な観察を行なう。相対的な平衡が、溶接レーザビームによるエネルギーの入力と、継目壁を通り熱導体を介するエネルギーと空中へのエネルギーの消散との間に、すでに成立した時点において、溶接加工の終了の直後に続く継目の冷却を時系列で観察し始める。この観察を複数回繰り返し、毎回、継目の重要な箇所において、相転移の特性信号が到達する時点を決定する。これらの時点を平均化する。この平均値は、レーザ加工の全時間に対する時間間隔の最も早い開始に対して、長期間の試験によって有効性が実証されている値を、与える。何故なら、継目の始端における冷却は、より急速に、すなわち、まだ冷えている継目の環境に基づいて、相対的な平衡に到達する前に生じる、と推測されるからである。時間間隔の長さとして、最小限度必要な測定期間の２倍が、選択される。最小限度必要な測定期間は、重要な信号を検出するのに、十分であればよい。

適切な時間間隔を規定したあと、実際の加工（製作又は製造）を行なうことができる。この例示的実施形態に従って、（２つの板状加工品を短い継目の断続溶接により、互いに溶接する。加工時間を短くするために、初めの継目が完了した後、時間間隔の上記のように規定された最も早い開始まで待たず、つまり、初めの継目を測定せずに、２つ目の継目をまず溶接する。２つ目の溶接部が完了した時、初めの継目の時間間隔の開始時期がすでに到来、又は過ぎていて、継目が凝固する。ここで、スキャナー装置は、同一のレーザビームを、前進する速度を速めて、先行する継目の上方に、測定用ビームとして誘導する。前進する速度が早くなっているので、継目は再溶融せず、ある程度暖められるだけである。この継目から放出されるＩＲ放射線が、レーザビームのビーム経路内のビーム・スプリッタからＩＲ−ＣＣＤカメラに誘導され、ここで、検出される。その後、２つ目の継目を検査する前に、その凝固を待つために、まず、次の継目を溶接する。

レーザ加工に続く時間間隔中に検出されたＩＲ−ＣＣＤカメラのＩＲ信号を、それぞれ、予め決められた予測値と比較する。この比較は、技術の現状による公知の方法、例えば、独国特許発明第４３ ２１ ４６３ Ｃ２号明細書による方法によって行なう。

前述の例示による実施形態において、本発明の方法は、自動車工業において用いられる車体パネル又は板金のレーザ溶接継目を迅速かつ簡単に検査するのに、特に適していることがわかる。何故なら、ここには、特に高品質の要件があり、これらの要件は、既存の技術の現状による方法では、十分満足に達成され得ないからである。

本発明は、前述の実施形態にのみ制限されるものではなく、むしろ、広い用途に適用され得る。

最後に、品質の要件がいくらか厳しくない一連の用途に対しては、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラに代えて、光学的及び／又は熱的点センサを用いて、測定を行なっても十分である。

Claims (6)

1. レーザ溶接継目を検査する方法であって、特性信号が、該継目の領域からセンサを用いて検出され、所望値と比較される方法において、
   特定の時間間隔で検出される信号のみが、考慮され、該特定の時間間隔は、前記継目の凝固の直後に始まることを特徴とする方法。
2. 前記特定の時間間隔は、加工品の材料特性と、レーザビームの加工パラメータとに依存して、規定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 光学的及び／又は熱的形態の前記検出された信号は、前記継目の領域から外に放出又は反射されることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の方法。
4. 前記信号は、ＣＣＤカメラ又はＣＭＯＳカメラを用いて、検出されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 少なくとも前記特定の時間間隔中に、光学的及び／又は熱的形態の測定用ビームが、前記継目の領域への方向に向かって放出されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記測定用ビームは、前記溶接レーザによって生成され、適切なビーム偏向機構、好ましくは、スキャナー装置を介して、前記継目への方向に導かれることを特徴とする請求項５に記載の方法。