JP2008055442A - レーザ溶接評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができるレーザ溶接評価方法を提供する。
【解決手段】このレーザ溶接評価方法では、基準用の出力信号の波形パターンから第１の正規化値を予め算出すると共に、測定用の出力信号の波形パターンから第２の正規化値を別途に算出する。このとき、第１の正規化値と第２の正規化値との差分は、基準用の出力信号の各出力値の分布と、測定用の出力信号の各出力値の分布とのずれ量に比例する。したがって、基準用の出力信号と測定用の出力信号の差分が一見して小さい場合であっても、溶接部Ｗの溶接品質に異常がある場合には、各出力信号の出力値の分布のずれ量の違いから第１の比較データと第２の比較データとの間に明確な差分が生じるので、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接評価方法に関する。

レーザ溶接によって被加工物に形成される溶接部の歪み量や強度といった溶接品質を評価する技術として、例えば特許文献１に記載のレーザ溶接の品質検査方法がある。この従来のレーザ溶接の品質検査方法では、レーザ溶接時に被加工物の表面に発生するプラズマ・プルームの発光を検出し、検出信号のうちの所定の周波数帯の振幅値に基づいて溶接品質の可否を判断している。また、例えば特許文献２に記載のレーザ加工検査方法では、レーザ溶接部分から発生する音を検出し、検出信号の振幅値に基づいて被加工物の溶接品質の可否を判断している。
特開２００３−１０３３８７号公報 特開昭５８−９７８３号公報

上述したような従来の検査方法では、溶接部の溶接品質が良品であると判断された場合（或いは不良品と判断された場合）のレーザ溶接時の検出信号の出力パターンをモデルパターンとし、実際に評価の対象とする被加工物のレーザ溶接時の検出信号の出力パターンとモデルパターンとの単純な比較に基づいて、溶接部の溶接品質の可否を判断している。そのため、例えば評価時の検出信号の出力パターンとモデルパターンとが重なり合う場合のように、両パターン自体の差分が小さいときには、溶接品質の可否の判断が困難となる。しかしながら、一見して両パターンの差分が小さい場合であっても、溶接部の溶接品質に異常が認められる場合があるため、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる技術が望まれている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができるレーザ溶接評価方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係るレーザ溶接評価方法は、レーザビームの照射によって被加工物に形成する溶接部の溶接品質を評価するレーザ溶接評価方法であって、評価の基準とする被加工物へのレーザビームの照射時における環境状態の物理量の変化を溶接環境検出手段によって検出し、当該溶接環境検出手段から出力される基準用の出力信号の各出力値を正規化して第１の正規化値を算出するステップと、評価の対象とする被加工物へのレーザビームの照射時における環境状態の物理量の変化を溶接環境検出手段によって検出し、当該溶接環境検出手段から出力される測定用の出力信号の各出力値を正規化して第２の正規化値を算出するステップと、第１の正規化値と基準用の出力信号の各出力値とを比較した第１の比較データと、第２の正規化値と測定用の出力信号の各出力値とを比較した第２の比較データとの差分に基づいて、評価の対象とする被加工物に形成された溶接部の溶接品質の可否を判断するステップとを備えたことを特徴としている。

このレーザ溶接評価方法では、基準用の出力信号の各出力値から第１の正規化値を予め算出すると共に、測定用の出力信号の各出力値を正規化して第２の正規化値を別途に算出する。そして、第１の正規化値と基準用の出力信号の各出力値とを比較した第１の比較データと、第２の正規化値と測定用の出力信号の各出力値とを比較した第２の比較データとの差分に基づいて、溶接部の溶接品質の可否を判断する。ここで、第１の正規化値と第２の正規化値との差分は、基準用の出力信号の各出力値の分布と、測定用の出力信号の各出力値の分布とのずれ量に比例する。したがって、基準用の出力信号と測定用の出力信号の差分が一見して小さい場合であっても、溶接部の溶接品質に異常がある場合には、各出力信号の出力値の分布のずれ量の違いから第１の比較データと第２の比較データとの間に明確な差分が生じるので、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

また、第１の比較データは、第１の正規化値を超える基準用の出力信号の各出力値の数であり、第２の比較データは、第２の正規化値を超える測定用の出力信号の各出力値の数であることが好ましい。この場合、例えば基準用の出力信号の振幅と測定用の出力信号の振幅とがほぼ同一であるような場合でも、第１の比較データと第２の比較データとの差分を明確化できるので、簡単な処理で溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

また、基準用の出力信号及び測定用の出力信号は波形パターンであり、第１の比較データは、基準用の出力信号が第１の正規化値と交差した回数であり、第２の比較データは、測定用の出力信号が第２の正規化値と交差した回数であることが好ましい。基準用の出力信号及び測定用の出力信号を波形パターン化することにより、溶接時の環境状態を視覚的に把握することが可能となる。また、例えば基準用の出力信号の振幅と測定用の出力信号の振幅とがほぼ同一であるような場合でも、第１の比較データと第２の比較データとの差分を明確化できるので、簡単な処理で溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

また、出力信号は波形パターンであることが好ましい。出力信号を波形パターン化することにより、溶接時の環境状態を視覚的に把握することが可能となる。

本発明に係るレーザ溶接評価方法によれば、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザ溶接評価方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係るレーザ溶接評価方法を実現するレーザ溶接システムの一実施形態を示す構成図である。図１に示すレーザ溶接システム１は、例えば鉄道車両構体に用いる外板パネルと骨部材（以下、これらを「ワーク」と称す）とを重ね溶接するためのシステムであり、ワークの溶接予定領域にレーザビームを照射して溶接部を形成するレーザ溶接装置２と、形成した溶接部の溶接品質の可否を評価する評価装置３とを備えて構成されている。なお、以下の説明では、ワーク（被加工物）１０Ａ，１０Ｂの略中央部分に直線状の溶接部Ｗを形成する場合について例示する。

図１に示すように、レーザ溶接装置２は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１，２２，２３，２４は、上位の制御装置（図示しない）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。

送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査させる装置である。送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを載置する可動ステージ２５を有している。そして、送り装置２１は、制御装置から走査開始を指示する旨の動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５を矢印Ａ方向に一定の速度で走査させる。これにより、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂは、溶接予定領域Ｒに沿って、レーザ照射装置２３によるレーザビームの照射位置に対して相対的に移動する。

ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する装置である。ワーク固定装置２２は、長尺の押さえ板２６ａを有する加圧治具２６を複数（本実施形態では２つ）備えている。ワーク固定装置２２は、制御装置から動作開始を指示する動作指示情報を受け取ると、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から長尺の加圧治具２６を下降させる。そして、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分を可動ステージ２５に押し付けることにより、溶接予定領域Ｒ近傍のワーク１０Ａ，１０Ｂの密着性を向上させる。

レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームを照射する装置である。レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方に配置されたレーザヘッド２７を有している。レーザ照射装置２３は、制御装置から照射開始を指示する動作指示情報を受け取ると、レーザヘッド２７の先端から例えば波長１．０６μｍ、出力約４．０ｋＷのＹＡＧレーザを所定時間出射させる。

ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガスを供給する装置である。ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂに対して約４５度傾斜するように配置された供給ノズル２８を有している。ガス供給装置２４は、レーザ照射装置２３の動作中に制御装置から供給開始を指示する動作指示情報を受け取ると、所定の供給量でレーザビームの照射位置にアシストガスを供給する。アシストガスとしては、ワーク１０Ａ，１０Ｂの酸化防止及びスパッタ防止等を目的として、ヘリウムガス又はアルゴンガス等が用いられる。

一方、評価装置３は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスクといった格納部、ディスプレイといった表示部等を備えたコンピュータシステムである。この評価装置３には、レーザ溶接中にワーク１０Ａ，１０Ｂにおける溶接予定領域Ｒの近傍で発生する光を検出する光強度検出センサ（溶接環境検出センサ）４が接続されている。光強度検出センサ４は、より具体的には、例えば波長１１００ｎｍ以下の光強度を選択的に検出し、レーザビームの照射中にワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒで発生するプラズマ及びプルームの光強度を検出する。そして、光強度検出センサ４は、検出した光強度に応じた出力信号を評価装置３に出力する。

また、評価装置３は、機能的な構成要素として、異常判断部３１と、判断結果格納部３２とを有している。異常判断部３１は、光強度検出センサ４からの出力信号を波形パターン化すると共に、この波形パターンに基づいて、ワーク１０Ａ，１０Ｂに形成した溶接部Ｗの溶接品質の可否を判断する部分である。異常判断部３１は、溶接品質の可否の判断結果を示す判断結果情報を、例えばワーク１０Ａ，１０Ｂの製品番号と関連付けて判断結果格納部３２に出力する。判断結果格納部３２は、異常判断部３１から出力される判断結果情報を受け取って格納する。なお、異常判断部３１における溶接部Ｗの異常判断の方法については後述する。

続いて、上述した構成を有するレーザ溶接システム１の動作について、図２を参照しながら説明する。図２は、レーザ溶接システム１の動作を示すフローチャートである。

まず、溶接品質が正常であると判断される場合のワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）のレーザ溶接を行う。基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂが可動ステージ２５に載置された状態で、ユーザによる所定の操作がなされると、上位の制御装置からワーク固定装置２２に動作指示情報が出力される。動作指示情報を受け取ったワーク固定装置２２は、可動ステージ２５に載置された基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂの上方から加圧治具２６を下降させ、基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。次に、制御装置からレーザ照射装置２３、送り装置２１、及びガス供給装置２４の各装置に動作指示情報が出力され、レーザ照射、ワーク送り、及びアシストガスの供給が開始される。これにより、基準用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに溶接部Ｗが順次形成される（ステップＳ０１）。

また、溶接を行っている間、光強度検出センサ４によるプラズマ及びプルームの光強度の検出を行う。評価装置３の異常判断部３１は、光強度検出センサ４から出力される基準用の出力信号を取得し、この信号の時間軸に対する波形パターン（図５参照）を取得する（ステップＳ０２）。異常判断部３１は、基準用の出力信号の波形パターンを取得した後、当該波形パターンに含まれる各出力値を標準偏差σに基づいて正規化し、標準偏差σの３倍（＋３σ）を第１の正規化値（図３参照）として算出する（ステップＳ０３）。

第１の正規化値を算出した後、評価の対象とするワーク１０Ａ，１０Ｂ（以下、「測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂ」と称す）のレーザ溶接を行う。この手順は、上記のステップＳ０１〜ステップＳ０３と同様であり、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに溶接部Ｗを順次形成すると共に（ステップＳ０４）、溶接中に光強度検出センサ４から出力される測定用の出力信号の時間軸に対する波形パターン（図５参照）を取得する（ステップＳ０５）。そして、異常判断部３１は、基準用の出力信号の波形パターンに含まれる各出力値を標準偏差σに基づいて正規化し、標準偏差σの３倍（＋３σ）を第２の正規化値（図３参照）として算出する（ステップＳ０６）。

次に、異常判断部３１は、基準用の出力信号の波形パターン、測定用の出力信号の波形パターンのうち、所定のサンプリング時間における波形パターンを抽出する。図３に、サンプリング時間における基準用の出力信号の波形パターン及び測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す。図３に示す例では、縦軸は出力信号の電圧Ｖ、横軸はサンプリング時間ｔ_１となっており、基準用の出力信号の波形パターン、測定用の出力信号の波形パターン、第１の正規化値、及び第２の正規化値がそれぞれプロットされている。

波形パターンの抽出の後、異常判断部３１は、第１の正規化値と基準用の出力信号の各出力値とを比較した第１の比較データと、第２の正規化値と測定用の出力信号の各出力値とを比較した第２の比較データとを作成し、溶接品質の可否の判断に用いる判断テーブルを作成する。図４に、判断テーブルの一例を示す。図４に示す例では、図３に示した各波形パターンに基づき、サンプリング時間「ｔ_１」、第１の正規化値を超えた基準用の出力信号の各出力値の数「７」、及び第２の正規化値を超えた測定用の出力信号の各出力値の数「３」が関連付けられている。そして、異常判断部３１は、他のサンプリング時間ｔ_２、ｔ_３、…ｔ_ｎについても同様の手法で第１の比較データ及び第２の比較データを算出し、各データを判断テーブルに順次追加する。

異常判断部３１は、判断テーブルを参照し、それぞれのサンプリング時間における第１の比較データと第２の比較データとの差分を算出する（ステップＳ０７）。そして、異常判断部３１は、例えば全てのサンプリング時間において、第１の比較データと第２の比較データとの差分が所定の閾値（例えば１）に満たない場合には、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成された溶接部Ｗの溶接品質が正常であると判断し、いずれかのサンプリング時間において、第１の比較データと第２の比較データとの差分が上記閾値を超えている場合には、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成された溶接部Ｗの溶接品質が異常であると判断する（ステップＳ０８）。

溶接部Ｗの溶接品質の可否を判断した後、異常判断部３１は、判断テーブルと、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂにおける溶接部Ｗの溶接品質の判断結果とを関連付けた判断結果情報を判断結果格納部３２に出力する（ステップＳ０９）。この後、全ての測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接が完了したか否かが判断され（ステップＳ１０）、未完了である場合には、次の測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂについて、ステップＳ０４〜ステップＳ０９までの各処理が繰り返し行われる。全ての測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂについての溶接及び溶接品質の評価が完了すると、レーザ溶接システム１の動作が終了する。

ところで、ステップＳ０２及びステップＳ０５において、基準用の出力信号の波形パターンと、測定用の出力信号の波形パターンとを取得した際、例えば図５に示すように、両パターンが重なり合うほどに近似する場合がある。このような場合、従来のように、基準用の出力信号の波形パターンと、測定用の出力信号の波形パターンとをパターン形状等から単純に比較すると、両パターン自体の差分が小さいために、溶接品質の可否の判断は困難となる。しかしながら、例えば出力信号の波形パターンと、溶接部に形成される溶接ビードの形状との間には、一定の相関関係があると考えられ、一見して両パターンの差分が小さい場合であっても、溶接部の溶接品質に異常が認められる場合がある。

例えば、基準用の出力信号の波形パターンと同等の波形パターンが得られた場合に溶接部Ｗを観察すると、図６（ａ）に示すように、溶接部Ｗを形成する溶接ビード５０の形状はほぼ均一となっており、図６（ｂ）に示すように、溶接ビード５０の断面形状も、ワーク１０Ａ，１０Ｂの厚み方向に対してほぼ直角となっている。一方、基準用の出力信号の波形パターンに対して、測定用の出力信号の波形パターンの位相のみが僅かにずれているような場合に溶接部Ｗを観察すると、図７（ａ）に示すように、溶接部Ｗを形成する各溶接ビード５０の溶接方向の長さが位相のずれ量に対応して不均一となっており、図７（ｂ）に示すように、溶接ビード５０の断面形状も、ワーク１０Ａ，１０Ｂの厚み方向に対して歪みが生じている。また、ワーク１０Ａの表面における溶接ビード５０の突出量も、図６（ｂ）の場合に比べて２倍程度となっている。

これに対し、本実施形態におけるレーザ溶接評価方法では、基準用の出力信号の波形パターンから第１の正規化値を予め算出すると共に、測定用の出力信号の波形パターンから第２の正規化値を別途に算出する。そして、所定のサンプリング時間内において、第１の正規化値を超える基準用の出力信号の各出力値の数（第１の比較データ）と、第２の正規化値を超える測定用の出力信号の各出力値の数（第２の比較データ）との差分が所定の閾値を超えたか否かによって、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂに形成された溶接部Ｗの溶接品質の可否を判断する。

このレーザ溶接評価方法では、第１の正規化値と第２の正規化値との差分は、基準用の出力信号の各出力値の分布と、測定用の出力信号の各出力値の分布とのずれ量に比例する。したがって、基準用の出力信号と測定用の出力信号の差分が一見して小さい場合であっても、溶接部Ｗの溶接品質に異常がある場合には、各出力信号の出力値の分布のずれ量の違いから第１の比較データと第２の比較データとの間に明確な差分が生じるので、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

図３の波形パターンを例にとれば、仮に第１の正規化値のみを基準とすると、第１の正規化値を超える基準用の出力信号の各出力値の数と測定用の出力信号の各出力値の数とはいずれも「７」であり、両者に差分は生じない。しかし、第１の正規化値及び第２の正規化値の双方を基準とすることで、第１の正規化値を超える基準用の出力信号の各出力値の数は「７」であるのに対し、第２の正規化値を超える測定用の出力信号の各出力値の数は「３」となるので、両者に明確な差異が生じる。これにより、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接部Ｗの溶接品質に異常があることを確実に判断できる。

また、このレーザ溶接評価方法では、溶接部Ｗの溶接品質の可否を判断した後、判断テーブルと、測定用のワーク１０Ａ，１０Ｂにおける溶接部Ｗの溶接品質の判断結果とを関連付けた判断結果情報を判断結果格納部３２に格納して保存している。これにより、レーザ溶接されたワーク４１，４２を用いた製品のトレーサビリティ（追跡可能性）を確立することが可能となる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上述した実施形態では、光強度検出センサ４によるプラズマ及びプルームの光強度を検出し、その出力信号の波形パターンを解析しているが、例えば加工点温度を検出し、その出力信号の波形パターンを解析してもよい。また、第１の正規化値及び第２の正規化値は、±３σ、±１．５σ等を適宜設定してもよい。

さらに、上述した実施形態では、第１の正規化値を超える基準用の出力信号の各出力値の数を第１の比較データとし、第２の正規化値を超える測定用の出力信号の各出力値の数を第２の比較データとしているが、これに代えて、基準用の出力信号が第１の正規化値と交差した回数を第１の比較データとし、測定用の出力信号が第２の正規化値と交差した回数を第２の比較データとしてもよい。

図８に基準用の出力信号の波形パターン及び測定用の出力信号の波形パターンの別の例を示す。図８に示す波形パターンが得られた場合、異常判断部３１は、図９に示すように、サンプリング時間「ｔ_１」、基準用の出力信号が第１の正規化値と交差した回数「０回」、及び測定用の出力信号が第２の正規化値と交差した回数「４回」を判断テーブルに格納する。このような方法であっても、上述した実施形態と同様に、各出力信号の出力値の分布のずれ量の違いから第１の比較データと第２の比較データとの間に明確な差分が生じるので、溶接品質の可否の判断を精度良く行うことができる。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接評価方法を実現するレーザ溶接システムの構成を示す図である。 図１に示したレーザ溶接システムの動作を示すフローチャートである。 所定のサンプリング時間における基準用の出力信号の波形パターン及び測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 判断テーブルの一例を示す図である。 基準用の出力信号の波形パターン及び測定用の出力信号の波形パターンの一例を示す図である。 溶接品質が正常であると判断される場合の溶接部の形状を示す図である。 溶接品質が異常であると判断される場合の溶接部の形状を示す図である。 所定のサンプリング時間における基準用の出力信号の波形パターン及び測定用の出力信号の波形パターンの他の例を示す図である。 判断テーブルの他の例を示す図である。

符号の説明

１…レーザ溶接システム、４…光強度検出センサ（溶接環境検出手段）、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、Ｗ…溶接部。

Claims (3)

1. レーザビームの照射によって被加工物に形成する溶接部の溶接品質を評価するレーザ溶接評価方法であって、
   評価の基準とする被加工物への前記レーザビームの照射時における環境状態の物理量の変化を溶接環境検出手段によって検出し、当該溶接環境検出手段から出力される基準用の出力信号の各出力値を正規化して第１の正規化値を算出するステップと、
   評価の対象とする被加工物への前記レーザビームの照射時における環境状態の物理量の変化を溶接環境検出手段によって検出し、当該溶接環境検出手段から出力される測定用の出力信号の各出力値を正規化して第２の正規化値を算出するステップと、
   前記第１の正規化値と前記基準用の出力信号の各出力値とを比較した第１の比較データと、前記第２の正規化値と前記測定用の出力信号の各出力値とを比較した第２の比較データとの差分に基づいて、前記評価の対象とする被加工物に形成された前記溶接部の溶接品質の可否を判断するステップとを備えたことを特徴とするレーザ溶接評価方法。
2. 前記第１の比較データは、前記第１の正規化値を超える前記基準用の出力信号の各出力値の数であり、前記第２の比較データは、前記第２の正規化値を超える前記測定用の出力信号の各出力値の数であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接評価方法。
3. 前記基準用の出力信号及び前記測定用の出力信号は波形パターンであり、
   前記第１の比較データは、前記基準用の出力信号が前記第１の正規化値と交差した回数であり、前記第２の比較データは、前記測定用の出力信号が前記第２の正規化値と交差した回数であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接評価方法。
   

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