JP2008087056A - レーザ溶接品質判定システムおよび品質判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ反射光や溶接光に基づいて、高精度かつリアルタイムに溶接品質を判定することのできるレーザ溶接品質判定システムおよび方法を提供する。
【解決手段】レーザトーチ１と、レーザトーチ１に対して所定方向Ｙに相対移動する被溶接部材Ｗ１，Ｗ２から反射する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、受光された光の強度に応じて電気信号を出力するレーザ反射光受光装置３と、レーザ光の照射方向と同軸方向から被溶接部材Ｗ１，Ｗ２の溶融蒸発によって生じる蒸気発光やレーザ反射光を含む溶接光を受光し、受光された光の強度に応じて電気信号を出力する溶接光受光装置２と、双方の装置２，３からの電気信号の双方の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定する品質判定装置６と、を少なくとも具備した溶接品質判定システム１０である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザによる重ね合わせ溶接の際の溶接品質を判定するためのシステムと方法に係り、特に、レーザ反射光や溶接光に基づいて、高精度かつリアルタイムに溶接品質を判定することのできるレーザ溶接品質判定システムおよび方法に関する。

レーザ光の反射光（以下、レーザ反射光という。）を用いてレーザ溶接の品質評価をおこなう従来の技術が特許文献１に開示されている。この技術は、レーザ照射領域から反射されるレーザ反射光を集光レンズを介してＣＣＤカメラへ送り、ＣＣＤカメラからの画素ごとの輝度レベルに応じて溶接欠陥の有無を判定するものである。レーザ照射位置から発生する光は、溶接用レーザ光と光軸が同軸となるようにしてレーザ反射光と金属の蒸気発光とに波長分離され、複数本の光ファイバを面状に並べて各ファイバからの光がフォトダイオードで電気信号に変換され、かかる信号強度から溶接欠陥の有無が判定される。

上記する溶接欠陥評価方法では、例えば２枚の鋼板を重ね合わせてレーザ溶接する溶接方法（レーザによる重ね合わせ溶接）の場合に、鋼板間の隙間が大きな場合の引けや溶け落ちなどの溶接欠陥を正確に把握することが困難であるという問題がある。そこで、本発明者等は、レーザ反射光の輝度レベルに基づく代わりに、反射光によって溶融部やその周辺を撮像し、撮像画像から把握される溶融部の形状的な特徴に基づいて溶接品質を評価する方法の発案に至り、かかる技術を特許文献２に開示している。

さらに、本発明者等は、同様の溶接欠陥評価方法に関し、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反射光の強度が、溶接品質の良否判定にとって極めて重要な判断要素であることを見出し、かかる反射光を精度よく受光するために、溶接進行方向の前方斜め上方から反射光を受光する受光手段を具備する品質検査装置と検査方法の発案に至っている（特許文献３参照）。

特開２０００−４２７６９号公報 特開２００６−４３７４１号公報 特開２００５−９５９４２号公報

上記する特許文献２，３のレーザ溶接品質評価方法と装置によれば、レーザ重ね合わせ溶接において、引け不良や溶け落ち、非貫通溶接といった溶接不良を精度よく特定することが可能となる。しかし、特許文献２の技術では、撮像用ＣＣＤカメラのサンプリング数に限界があり、さらには、画像データの容量が大きくなって画像処理のための時間がかかることにより、高速溶接への適用が困難となる。かかる高速溶接に対応するためには、高速度カメラを適用することで画像のリアルタイム処理が可能となる一方で、システム全体の製作コストが極めて高価となる。また、特許文献３の技術は、溶接進行方向前方のみからレーザ反射光を受光し、その周波数解析結果に基づいて溶接品質の良否を判定するものである。この溶接進行方向前方から反射光を受光するのみでは、未接合や溶け込み不足といった、引けや溶け落ち以外の溶接不良態様を精度よく評価できないということが発明者等の検証の結果判明している。また、レーザ光の反射光の周波数成分に着目して解析をおこなう場合、この反射光の周波数成分はレーザ出力以外の溶接条件、例えば溶接速度や溶接姿勢などによってその結果が相違するため、かかる要件が多分に計測結果に反映されて判定精度に影響を及ぼすことは必然である。さらに、特許文献１〜３の技術はともに、一方向から反射光を計測することによって溶接品質を評価するものであるが、この場合には品質評価の精度を向上させるために複雑な信号処理が必然となり、この面からもシステム製作のコスト増が齎される。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、レーザ重ね合わせ溶接の溶接品質を判定するに際し、判定システムの製作コストを高騰させることなく、多様な形態の溶接不良に対して精度よく品質判定を実行することのできるレーザ溶接品質判定システムとレーザ溶接品質判定方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるレーザ溶接品質判定システムは、レーザにて複数の被溶接部材同士の重ね合わせ溶接をおこなう際の溶接品質を判定するシステムであって、レーザ光を照射するレーザトーチと、前記レーザトーチに対して所定方向に相対移動する前記被溶接部材から反射するレーザ反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、受光された光の強度に応じて電気信号を出力する第１の受光出力手段と、レーザ光の照射方向と同軸方向であって、かつ、前記前方斜め上方とは異なる方向にて、被溶接部材の溶融蒸発によって生じる蒸気発光やレーザ反射光を含む溶接光を受光し、受光された光の強度に応じて電気信号を出力する第２の受光出力手段と、２つの前記受光出力手段からの電気信号の双方の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定する判定手段と、を少なくとも具備しており、前記第１の受光出力手段と前記第２の受光出力手段によって、前記レーザ反射光および前記溶接光が同時計測されることを特徴とするものである。

本発明のレーザ溶接品質判定システムは、レーザトーチから例えばＹＡＧレーザを照射し、第１の受光出力手段によって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、かつ、第２の受光出力手段によって蒸気発光（プルーム）やレーザ反射光を含む溶接光をレーザ光の照射方向と同軸方向にて受光するものであり、この所定の２方向から同時に受光された反射光、溶接光をそれらの強度に応じた電気信号に変換し、この電気信号の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定するものである。

ここで、溶接不良としては、鋼板間に隙間が存在することにより、隙間を埋めるために溶接ビードが窪んでしまう引け溶接（アンダーフィル）、鋼板間の隙間が過大な場合に上下の板同士が接合しない未接合溶接、やはり鋼板間の隙間が過大なためにビードが陥没する落ち溶接、板間の隙間が正常範囲にあるにも関わらず熱バランスの変動などに起因して突発的にビードが無くなる溶断溶接、さらには穴あき溶接など、多くの溶接不良形態が存在する。

上記する溶接不良のうち、落ち溶接、穴あき溶接、溶断溶接に際しては、その受光強度が正常溶接に比して低下することが分かっている。そこで、溶接進行方向の前方斜め上方からレーザ反射光を第１の受光出力手段によって受光し、その受光強度と設定された閾値とを比較することにより、落ち溶接、穴あき溶接、溶断溶接等の存否を判断することができる。

上記する前方斜め上方とは、例えば鋼板進行方向に対して４５〜６０度程度斜め上方に設定できる。このように前方斜め上方から溶接部のレーザ反射光を受光する理由は、発明者等によって検証された以下の理由に基づくものである。すなわち、溶接品質の変化により、溶融池が溶接進行方向の前後方向に脈動することとなる。より具体的には、溶接品質が低下するに従って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後退し、正常に戻ると元の前方位置に戻るという現象である。この溶融池の後退は、溶融池先端位置の後退によって検知でき、溶融池先端位置の後退は、被溶接部材（鋼板等）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）からのレーザ反射光の強度低下から検知できる。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が発明者等によって見出されている。ここで、溶融池先端位置は溶接品質の変化によって前後動するため、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、受光出力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、このような制御は極めて困難であるため、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ようにしたものである。かかる前後動範囲を含むレーザ反射光を受光するに際し、鋼板移動方向の前方斜め上方からその反射光を受光することが最も好ましいという結論に至ったものである。

一方、引け溶接においては、溶融池の後退位置、すなわち引けの程度によって正常溶接か否かを判断しなければならない。この場合、溶接進行方向の前方斜め上方から反射光を受光しても、引けの程度を精度よく特定することが困難であり、したがって正常溶接か否かの高精度な特定ができない。そこで、この引け現象の特定に際しては、レーザ光の照射方向と同軸方向、すなわち、鋼板進行方向に直交する方向から、溶融蒸発によって生じる蒸気発光またはレーザ反射光などからなる溶接光を第２の受光出力手段によって受光する。ここで、引けの程度、すなわち、信号強度の高い領域と、それから離れた位置に生じる相対的に信号強度の低い領域とを特定し、双方の領域間の離間に閾値を設けておくことで、閾値よりも離れた位置に信号強度の低い領域が生じた場合には、溶融池が大きく後退してなる引け溶接であると判定することができる。

なお、この第２の受光出力手段としては、フォトダイオードまたは溶接進行方向に配設されたフォトダイオードアレイを用いることができる。例えば単一のフォトダイオードと、それから所定の離隔を置いた後方（閾値より後方）にフォトダイオードアレイを配設しておくことにより、フォトダイオードとフォトダイオードアレイにて信号強度の高い領域と信号強度の低い領域の双方の溶接光が受光された場合には、引け溶接であることが瞬時に特定されることとなる。

さらに、第２の受光出力手段によって受光された溶接光の強度により、未接合溶接を特定することができる。この未接合溶接では、レーザ光が鋼板を貫通しないために極めて強い反射光を生じる結果、その信号強度も正常溶接に比して大きくなる。そこで、正常範囲の上限閾値を予め決めておくことで、溶接光（反射光）の信号強度がこの閾値よりも大きな場合に未接合現象を特定することが可能となる。なお、この未接合の特定は反射光の強度差だけでは特定することは困難であり、蒸気発光（溶接光）に基づいて特定するのがよい。これは、蒸気発光は溶融蒸発する金属量に物理的に相間することからレーザ出力が低下し、溶融量が減少する未接合時において発生する蒸気発光量も減少するためである。したがって、未接合の特定においてはレーザ光の照射方向と同軸の上方から第２の受光出力手段にて受光した溶接光の信号強度に基づいて溶接の良否を判定するものである。

本発明のシステムでは、上記するように所定の異なる２方向からレーザ反射光と溶接光を同時に受光し、それぞれの受光信号強度と適宜に設定された閾値とを比較し、いずれかの受光信号強度が閾値を満足しない場合には、多様な形態の溶接不良のいずれか一つの溶接不良が生じているものと判定することができる。

また、本発明の判定システムにおいては、撮像用ＣＣＤカメラを一切必要とせず、溶接品質を判定するに際しては、レーザ反射光の周波数成分を取り出す操作も必要としない。あくまでも、上記する同時計測された２方向からのレーザ反射光および溶接光の受光信号強度やその変化に注目するものである。高精度な撮像用ＣＣＤカメラを装備する必要がないため、システム製作に要するコストの高騰を解消することができる。また、レーザ反射光の受光後に高速フーリエ変換（ＦＦＴ）等の周波数分解処理を経て溶接の良否を判定する必要がないことから、可及的速やかに溶接品質判定を実行することができる。

この速やかな溶接品質判定の実行は、高速溶接と生産歩留まりの向上に寄与するものである。すなわち、本発明の溶接品質判定システムによれば、レーザ重ね合わせ溶接と同時にその溶接品質を評価することができるため、評価の結果、溶接不良と判断された被溶接部材は溶接工程の直後に製造ラインから抜き出すことが可能となる。

また、本発明によるレーザ溶接品質判定システムの好ましい実施の形態は、前記受光出力手段より出力された電気信号からＤＣ成分を抽出する第１のＤＣ成分抽出手段および第２のＤＣ成分抽出手段をさらに具備しており、それぞれのＤＣ成分にかかる電気信号が前記判定手段に送信されることを特徴とするものである。

本発明では、電気信号からＤＣ成分、すなわち電気信号の直流成分のみを抽出することにより、ＡＣ成分の局所的なピーク値が閾値を越えることで誤判定が齎されるという問題を解消することができる。尤も、ＤＣ成分を抽出することなく、閾値を越えるピーク値の割合に対して閾値を設けておき、該ピーク値の割合が閾値未満の場合には溶接不良ではないとするアルゴリズムを適用してもよい。

また、本発明によるレーザ溶接品質判定システムの他の実施の形態は、溶接進行方向の変化に同期して前記受光出力手段の相対位置や角度を制御する姿勢制御手段をさらに具備していることを特徴とするものである。

本発明のシステムは、被溶接部材の形状に応じて、あるいは被溶接部材の進行方向の変化に応じて適宜の角度からレーザ反射光や溶接光を受光できるように、第１、第２の受光出力手段が回動制御されたシステムである。

例えば、被溶接部材の進行方向が１８０度変化した場合には、第１の受光出力手段の位置が回転機構等を介して第２の受光出力手段よりも進行方向前方に移動（回転移動）することにより、同様に溶融池からのレーザ反射光を第１の受光出力手段にて受光することが可能となる。また、被溶接部材の形状によって溶接部位が３次元的に変化する場合には、トーチの回動に付随して第１、第２の受光出力手段も適宜回動することにより、常に第１の受光出力手段が進行方向前方４５〜６０度上方からレーザ反射光を受光することができ、第２の受光出力手段が進行方向に直交する上向から溶接光を受光することができるため、被溶接部材の形状や進行方向の変化に対応しながら高精度な溶接不良の特定が可能となる。

また、本発明による溶接品質を判定する方法は、レーザにて複数の被溶接部材同士の重ね合わせ溶接をおこなう際の溶接品質を判定する方法であって、レーザ光を照射するレーザトーチに対して所定方向に相対移動する前記被溶接部材に対してレーザ光を照射し、レーザ反射光を溶接進行方向の前方斜め上方から受光するとともに、被溶接部材の溶融蒸発によって生じる蒸気発光を含む溶接光をレーザ光の照射方向と同軸方向にて受光する受光ステップと、それぞれの受光ステップによって受光された光の強度に応じて電気信号を出力する出力ステップと、前記出力ステップからの電気信号の双方の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定する判定ステップと、を少なくとも具備していることを特徴とするものである。

本発明の判定方法によれば、上記する品質判定システムと同様に、多様な種類の溶接不良形態を包括した、高精度な溶接不良の存否の特定が可能となる。

なお、上記する判定方法において、前記出力ステップによって出力された電気信号からＤＣ成分を抽出する抽出ステップをさらに具備し、この電気信号のＤＣ成分と閾値とを比較する判定方法とすることにより、ＡＣ成分の局所的なピーク値が閾値を越えることで誤判定が齎されるといった問題を解消することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のレーザ溶接品質判定システムおよび品質判定方法によれば、レーザ反射光と溶接光を所定の２方向からそれぞれ同時に受光し、その信号強度に基づいて溶接不良の存否を判定することにより、多様な種類の溶接不良形態を包括した、高精度の溶接品質判定を実現することができる。また、本発明のレーザ溶接品質判定システムによれば、該システムの製作コストの高騰を解消することができ、溶接工程とその品質判定工程とをほぼ同時に実行することで高速溶接の実現、製造歩留まりの向上に繋がる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のレーザ溶接品質判定システムの一実施の形態の説明図である。図２は、溶接部位の観察画像の模式図であって、図２ａは正常溶接時を、図２ｂは引けがあるものの正常溶接と判断される場合を、図２ｃは落ち溶接、ないしは穴あき溶接、ないしは溶断溶接時をそれぞれ示した図である。図３は単一フォトダイオードとフォトダイオードアレイの組み合わせ形態を説明した模式図であり、図４はフォトダイオードにて反射光を受光した場合の信号強度の算出アルゴリズムを説明した図である。図５は正常溶接時と溶接不良時の反射光強度に関する時系列波形であり、図５ａは溶接不良が落ちの場合を、図５ｂは溶接不良が溶断の場合を示した図である。図６ａは図５ａのグラフにおける閾値を変更した場合の時系列波形であり、図６ｂは図５ａの波形に対応するＤＣ成分のみを抽出した場合の時系列波形である。図７ａはレーザ反射光受光装置（第１の受光出力手段）にて受光されたレーザ反射光に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度に関する時系列波形であり、図７ｂは溶接光信号処理装置（第２の受光出力手段）にて受光された蒸気発光に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度の時系列波形である。図８はレーザ反射光または蒸気発光の信号強度（ＤＣ成分）と上限閾値および下限閾値等を示した模式的なグラフであり、図８ａは正常溶接時を、図８ｂは引けがあるものの正常と判断される場合を、図８ｃは引け溶接の場合を、図８ｄは落ち溶接の場合を、図８ｅは未接合溶接の場合を示した図である。

図１は、本発明のレーザ溶接品質判定システムの一実施の形態を示している。この溶接品質判定システム１０は、重ね合わされた２枚の鋼板Ｗ１，Ｗ２が搬送される進行方向（溶接進行方向Ｙ）に対し、その上方から例えばレーザ波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザＢを照射するレーザトーチ１と、この照射方向と同軸上に位置し、鋼板Ｗ１，Ｗ２からの蒸気発光（プルーム）やレーザ反射光を含む溶接光を受光する（Ｚ２方向）溶接光受光装置２、溶接進行方向前方の斜め上方（角度θは４５〜６０度）からレーザ反射光を受光する（Ｚ１方向）レーザ反射光受光装置３、さらには、溶接光受光装置２とレーザ反射光受光装置３で受光された光を電気信号に変換し、その信号強度を出力する溶接光信号処理装置５、反射光信号処理装置４と、出力信号と設定された閾値とを比較する品質判定装置６とから大略構成されている。なお、図示を省略するが、品質判定装置６による判定結果を画像表示する表示装置をさらに設けてもよい。

レーザ反射光受光装置３は、鋼板Ｗ１，Ｗ２のレーザ光照射位置（溶接部）に生成されるキーホールＷａと、このキーホールＷａの溶接進行方向Ｙの後側に生成される溶融池との境界壁面（溶融池先端壁面Ｗｂ）からのレーザ反射光を受光し（Ｚ１方向）、このレーザ反射光の強度に応じた電気信号を出力する。なおキーホールＷａは、図示例では鋼板Ｗ１，Ｗ２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は鋼板Ｗ１，Ｗ２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より、図中右側（溶接進行方向Ｙに対して後側）に溶融池が広がる。

ここで、図２に基づいて溶融池先端で確認される溶接画像を説明する。図２ａは正常溶接時の模式図であり、高輝度領域ｂとその周りの中輝度領域ａから構成される。また、図２ｂは引けがあるものの正常溶接と判断される場合の模式図であり、横に伸びた中輝度領域ｃから構成される。さらに図２ｃは落ち、ないしは穴あき、ないしは溶断時の模式図であり、完全に離れた低輝度領域ｄ１、ｄ２から構成される。

図１に戻り、レーザ反射光受光装置３は、不図示の受光用光学系、光ファイバ、光学フィルタ、光電変換手段（例えば、波長が１０６４ｎｍを中心とした感度帯域のあるシリコンフォトダイオードなど）から構成されている。このうち受光用光学系は、反射光計測領域からのレーザ反射光を光ファイバを介して光学フィルタに入射させる光学部を構成する。受光用光学系は、入射光を光ファイバの光入射面に集光する集光レンズ等を備えている。

受光用光学系の受光軸の傾斜角（仰角）θは、正常な溶接時において溶融池先端壁面からのレーザ反射光強度が大きく取れる角度がレーザ反射光受光装置３の出力信号のＳＮ比を高める上で好ましく、４５°〜６０°の範囲に設定されるのがよい。

光学フィルタは、受光用光学系からの入射光の中からレーザ反射光のみを透過させるフィルタであり、具体的にはレーザ反射光の周波数成分域を透過帯域とする干渉フィルタから構成される。

シリコンフォトダイオードにより、光学フィルタからのレーザ反射光がその強度に応じて電気信号に変換される。

レーザ反射光の電気信号は、反射光信号処理装置４に送信され、ここでＤＣ成分の抽出がおこなわれ、必要に応じて電気信号強度の増幅がおこなわれる。なお、ＤＣ成分の抽出をおこなわなくても設定された閾値と電気信号の強度波形との間に大きな離間があり、判定が容易におこなわれると判断される場合にはＤＣ成分の抽出操作がおこなわれなくてもよい。なお、この場合、閾値データが格納された装置内から該閾値データが反射光信号処理装置４にて読み込まれることでＤＣ成分抽出操作の要否が判断される。
抽出された電気信号のＤＣ成分は品質判定装置６に送られる。

一方、溶接光受光装置２も原則的にはレーザ反射光受光装置３と同様の構成からなるが、その光学フィルタは溶接光（蒸気発光（プルーム）およびレーザ反射光）を透過させるフィルタから構成される。

溶接光受光装置２においては、使用されるシリコンフォトダイオードの形態が、図３に示すように、単一のフォトダイオード２Ａと、該フォトダイオード２Ａと所定の離間Ｌ２離れた位置にある複数のフォトダイオード２ｂ、２ｂ、…からなるフォトダイオードアレイ２Ｂ、および複数のフォトダイオード２ｃ、２ｃ、…からなるフォトダイオードアレイ２Ｃから構成される。ここで、図３の上方はフォトダイオードの形態を模式的に示した図であり、下図は、鋼板Ｗ１の上面に形成される引け溶接の態様を模式的に示した図である。この離間Ｌ２は、後述するように、引け溶接を判定する際の閾値に設定される長さであり、双方のフォトダイオード２Ａ，２Ｂ（または２Ａ，２Ｃ）にそれぞれ溶接部ｄ１，ｄ２に対応する溶接光が受光された場合には引け溶接であると判定されることとなる。

なお、図中、溶接進行方向がＹ１の場合には、単一のフォトダイオード２Ａとフォトダイオードアレイ２Ｂが使用され、溶接進行方向がＹ２の場合には、単一のフォトダイオード２Ａとフォトダイオードアレイ２Ｃが使用されるようになっている。

また、このフォトダイオードを構成する各素子の受光強度に関しては、図４に示すように、受光強度が相対的に大きな領域Ａにおいては、各素子の強度の総和となるようにアナログ変換もしくはデジタル変換後の信号強度を加算処理するようになっている。一方、受光強度が相対的に小さな領域Ｂにおいては、前後の受光強度の積和を算出し、そのアナログ変換もしくはデジタル変換後の信号を出力するようになっている。

溶接光の電気信号は溶接光信号処理装置５に送信され、ここでＤＣ成分の抽出がおこなわれ、必要に応じて電気信号強度の増幅がおこなわれる。抽出された電気信号のＤＣ成分は品質判定装置６に送られる。

ここで、図５に基づいて、正常溶接時と溶接不良時のレーザ反射光強度の電気信号波形を説明する。図５ａは溶接不良が落ち溶接の場合と正常溶接の場合を比較した時系列波形であり、データはＤＣ成分抽出をおこなっていない。図中、Ｘ１は正常時のグラフ、Ｘ２は落ち溶接時のグラフ、Ｔは閾値ラインである。この場合、Ｘ１とＴの間、ＴとＸ２の間の双方に明らかな離間が存在することから、ＤＣ成分の抽出を必ずしもおこなう必要はない。

一方、図５ｂは溶接不良が溶断溶接の場合を示した図であり、具体的には、正常溶接領域のＸ３から突如溶接不良領域Ｘ３’に移行している。この場合も、Ｘ３とＴ（閾値ライン）の間、Ｘ３’とＴの間の双方に明らかな離間が存在している。

上記する図５ａにおいて、仮に設定される閾値がＴからＴ’に変更された場合の波形を図６ａに示す。閾値の設定は被溶接部材や所望の管理値によって変動するものであることから、その変更は往々にして生じるものである。図６ａの場合には、波形の局所的なピーク値Ｐが閾値を満足しないこととなり、この局所値のみをもって溶接不良と判定してしまう危険性がある。局所的なピーク値は機器的な誤差等によって齎されるものであり、一般には溶接不良を反映するものではない。

そこで、上記するように電気信号のＤＣ成分の抽出をおこなって再度ＤＣ成分に基づく波形（一般に直線もしくは直線に近似した緩やかな波形で局所ピークが取り除かれた波形）を作成し、このＤＣ成分と閾値とを示した波形が図６ｂである。図中、図６ａのＸ１に対応するＤＣ成分波形がＸ１’であり、Ｘ２に対応するＤＣ成分波形がＸ２’である。図からも明らかなように、ＤＣ成分を抽出して再度波形処理をおこなうことにより、本来は閾値との差が微妙であってそのために局所的ピークを拾うことで溶接不良と誤判定してしまう危険性を完全に解消することができる。

なお、上記する落ち溶接や溶断溶接の溶接不良形態は、溶接進行方向斜め前方から受光するレーザ反射光受光装置３における受光信号に基づいて判定することができる。

一方、図７ａには、レーザ反射光受光装置３にて受光されたレーザ反射光に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度に関する時系列波形を示している。図中、実線で示したＸ４は正常溶接の場合を、破線で示したＸ５は未接合溶接の場合を示している。図からも明らかなように、両者の受光強度レベルはほぼ同等であり、仮にＤＣ成分を抽出したとしても閾値との間で明りょうな峻別をおこなうことは難しい。

そこで、この溶接不良形態においては、図７ｂに示す、溶接光信号処理装置２にて受光されたプルーム強度（蒸気発光強度）に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度の時系列波形で比較するのがよい。図中、Ｘ６は正常溶接の場合を、Ｘ７は未接合溶接の場合を示しており、閾値Ｔと両者との間に明りょうな離間が存在する。ＤＣ成分を抽出することでその峻別が一層容易なものとなることは言うまでもない。

図７ａ，ｂに基づいてさらに説明を加えると、レーザ反射光受光装置３からの受光強度に関するデータと、溶接光信号処理装置２からの受光強度に関するデータの双方のデータが同時に得られ、両者のデータが品質判定装置６に送られる。この品質判定装置６では、両者のデータそれぞれに対応した閾値が予め設定されており（別途装置に格納された閾値が読み込まれる形態等であってもよい）、いずれか一方のデータが対応する閾値を満足しない場合には溶接不良と判定することにより、多様な形態の溶接不良をすべて検討した結果として溶接の良否が判定されることとなる。

図８は、溶接不良形態ごとにそのＤＣ成分波形と上限閾値、下限閾値との関係を示した図である。より具体的には、図８ａは正常溶接時を、図８ｂは引けがあるものの正常と判断される場合を、図８ｃは引け溶接の場合を、図８ｄは落ち溶接の場合を、図８ｅは未接合溶接の場合を示した図である。なお、各波形の上図は、鋼板の溶接部における観察画像を模式的に示した図である。

正常溶接時には、上限閾値Ｔ１と下限閾値Ｔ２の双方を満足することにより、品質判定装置６から正常溶接である旨の信号が例えば表示装置に送信され、何らの警報情報も発せられない。

一方、引け溶接の場合には、それが正常範囲か溶接不良かの峻別が引けの程度で判断され、図８ｂのＬ１は閾値を満足するものであり、図８ｃのＬ２は閾値を超過するものである。図８ｃの場合には、溶接不良と判定され、例えば警報装置が作動する等の措置により、作業員は当該不良品を製造ラインから瞬時に取り除くことが可能となる。

また、落ち溶接の場合は、図８ｄに示すようにその強度が下限閾値Ｔ２を下回るものであり、逆に、未接合溶接の場合には図８ｅに示すようにその強度が上限閾値Ｔ１を超過することにより、いずれの場合も溶接不良と判定され、図８ｃの場合と同様に該当製品が取り除かれることとなる。

上記する溶接品質判定システム１０によれば、所定の２方向から同時に受光される受光信号強度のそれぞれが対応する閾値との間で瞬時に比較判定され、双方の判定結果を総合判断することで、多様な形態の溶接不良を包括したかたちで高精度の溶接品質判定を実行することができる。さらには、溶接工程と同時に、もしくは溶接工程後瞬時に溶接品質の良否が判定されるため、高速溶接に対応することができる。特に、受光信号に関するＤＣ成分の大きさや時系列的な変化を見ることで溶接部位のどの位置が溶接不良であるかを特定することができるため、溶接不良に影響を与えている要因（レーザトーチ等のシステム側の要因であったり、鋼板の厚みの不均一、鋼板表面の不陸といった鋼板側の要因等）を短時間に特定することが可能となる。そのため、特定された結果を短時間で製造ラインにフィードバックすることが可能となる。従来の周波数解析結果に基づく溶接品質判定方法ではこのような欠陥要因の迅速な特定は不可能である。

また、図示を省略するが、溶接光受光装置２とレーザ反射光受光装置３との相対位置や各装置を構成する受光用光学系の角度等を、被溶接部材の形状やその進行方向の変化に応じて適宜調整変更する姿勢制御装置を具備する溶接品質判定システムを構築することもできる。このシステムでは、例えば溶接光受光装置２とレーザ反射光受光装置３とが同一の回転テーブルに搭載され、この回転テーブルが回転することにより、溶接進行方向の変化に追随しながら溶接光受光装置２とレーザ反射光受光装置３の相対位置関係を一定に保つことが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

本発明のレーザ溶接品質判定システムの一実施の形態の説明図である。 溶接部位の観察画像の模式図であって、（ａ）は正常溶接時を、（ｂ）は引けがあるものの正常溶接と判断される場合を、（ｃ）は落ち、ないしは穴あき、ないしは溶断時をそれぞれ示した図である。 単一フォトダイオードとフォトダイオードアレイの組み合わせ形態を説明した模式図である。 フォトダイオードにて反射光を受光した場合の信号強度の算出アルゴリズムを説明した図である。 正常溶接時と溶接不良時の反射光強度に関する時系列波形であり、（ａ）は溶接不良が落ちの場合を、（ｂ）は溶接不良が溶断の場合を示した図である。 （ａ）は図５ａのグラフにおける閾値を変更した場合の時系列波形であり、（ｂ）は図５ａの波形に対応するＤＣ成分のみを抽出した場合の時系列波形である。 （ａ）はレーザ反射光受光装置（第１の受光出力手段）にて受光されたレーザ反射光に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度に関する時系列波形であり、（ｂ）は溶接光信号処理装置（第２の受光出力手段）にて受光された蒸気発光に基づく未接合溶接の場合と正常溶接の場合の反射光強度の時系列波形である。 レーザ反射光または蒸気発光の信号強度（ＤＣ成分）に関する波形と上限閾値および下限閾値等を示した模式図であり、（ａ）は正常溶接時を、（ｂ）は引けがあるものの正常と判断される場合を、（ｃ）は引け溶接の場合を、（ｄ）は落ち溶接の場合を、（ｅ）は未接合溶接の場合を示した図である。

符号の説明

１…レーザトーチ、２…溶接光受光装置、３…レーザ反射光受光装置、４…反射光信号処理装置、５…溶接光信号処理装置、６…品質判定装置、１０…溶接品質判定システム、Ｗ１，Ｗ２…被溶接部材、Ｗａ…キーホール、Ｗｂ…溶融池先端位置

Claims (6)

1. レーザにて複数の被溶接部材同士の重ね合わせ溶接をおこなう際の溶接品質を判定するシステムであって、
   レーザ光を照射するレーザトーチと、
   前記レーザトーチに対して所定方向に相対移動する前記被溶接部材から反射するレーザ反射光を、溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、受光された光の強度に応じて電気信号を出力する第１の受光出力手段と、
   レーザ光の照射方向と同軸方向であって、かつ、前記前方斜め上方とは異なる方向にて、被溶接部材の溶融蒸発によって生じる蒸気発光やレーザ反射光を含む溶接光を受光し、受光された光の強度に応じて電気信号を出力する第２の受光出力手段と、
   ２つの前記受光出力手段からの電気信号の双方の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定する判定手段と、を少なくとも具備しており、
   前記第１の受光出力手段と前記第２の受光出力手段によって、前記レーザ反射光および前記溶接光が同時計測されることを特徴とするレーザ溶接品質判定システム。
2. 各受光出力手段より出力されたそれぞれの電気信号からＤＣ成分を抽出する第１のＤＣ成分抽出手段および第２のＤＣ成分抽出手段をさらに具備しており、
   それぞれのＤＣ成分にかかる信号強度が前記判定手段に送信されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質判定システム。
3. 前記第２の受光出力手段は、フォトダイオードまたは溶接進行方向に配設されたフォトダイオードアレイからなることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接品質判定システム。
4. 溶接進行方向の変化に同期して前記受光出力手段の相対位置や角度を制御する姿勢制御手段をさらに具備していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ溶接品質判定システム。
5. レーザにて複数の被溶接部材同士の重ね合わせ溶接をおこなう際の溶接品質を判定する方法であって、
   レーザ光を照射するレーザトーチに対して所定方向に相対移動する前記被溶接部材に対してレーザ光を照射し、レーザ反射光を溶接進行方向の前方斜め上方から受光するとともに、被溶接部材の溶融蒸発によって生じる蒸気発光やレーザ反射光を含む溶接光をレーザ光の照射方向と同軸方向にて受光する受光ステップと、
   それぞれの受光ステップによって受光された光の強度に応じて電気信号を出力する出力ステップと、
   前記出力ステップからの電気信号の双方の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定する判定ステップと、
   を少なくとも具備していることを特徴とするレーザ溶接品質判定方法。
6. 前記出力ステップによって出力された電気信号からＤＣ成分を抽出する抽出ステップをさらに具備しており、
   それぞれのＤＣ成分にかかる電気信号に基づいて前記判定ステップが実行されることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接品質判定方法。

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