JP2017531192A - レーザ溶接ビードの品質を診断する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、２つのプラスチック部品間にできたレーザ溶接ビードの品質の診断方法であって、ａ）前記レーザ溶接ビードに沿って超音波センサを移動させることによって前記レーザ溶接ビードを特性評価する、一式の超音波減衰を測定するステップと、ｂ）前記一式の超音波減衰から、前記レーザ溶接ビードの重みづけされた幅Ｌｐを計算するステップと、ｃ）前記重みづけされた幅Ｌｐと所定の重みづけされた幅の閾値Ｌｓとを比較するステップであって、ＬｐがＬｓ以上であれば前記レーザ溶接ビードは条件に適合すると考えられる、比較するステップとを含む方法に関する。本発明はまた、この方法を実装する装置にも関する。【選択図】図１

Description

本発明は、プラスチック間の溶接の非破壊検査の分野に関する。本発明は、こうした溶接の品質の診断を可能にする方法、及びこうした方法を実装する装置に関する。

車両の重量を削減する目的と、ＣＯ_２排出の削減に貢献する目的とに合致するため、自動車業界は特に、従来は薄鋼板製であった部品を代替するための充填プラスチック製の車体部品の設計に向けてシフトしてきた。

こうしたプラスチック部品を接合するのには、一般的にレーザ溶接が用いられている。この溶接は、溶接点から出る熱放射を捕捉するパイロメータを用いてモニタリングされる。この信号が処理されると、製造された溶接ビードの品質に関する情報が提供される。しかし、このパイロメータによるモニタリング手段には誤差が生じ得るか、または時間に伴うずれが生じ得る。このように、これらの溶接の品質のチェックを可能にし、パイロメータによるモニタリングシステムのあらゆる誤差または、ずれの識別を可能にする、他のモニタリング手段を持つことが必要である。

最も広く用いられている手段のうちの１つは、溶接部品のサンプルに例えば張力またはせん断力を受けさせることによって、それらの破壊検査を実施することである。このタイプの検査の重要な欠点は、この検査で使用される部品がその後、使用不能になることである。このタイプの検査への依存を制限するため、非破壊的な方法を開発する必要がある。

この必要を満たすため、破壊的方法への依存を制限するために非破壊的である、２つのプラスチック部品間のレーザ溶接の品質の診断方法を提供することが、本発明の目的である。本発明の別の目的は、非破壊的な方法であって、いかなる誤差または、ずれをも検出するように、またそれによってパイロメータシステムによる較正を改善し得るように、その方法の結果がパイロメータシステムによるモニタリング結果と相関関係を持ち得る、非破壊的な方法を提供することである。

これらの目的は、２つのプラスチック部品間に作り出されたレーザ溶接ビードの品質の診断方法であって、
ａ） 前記レーザ溶接ビードに沿って超音波センサを移動させることによって前記レーザ溶接ビードを特性評価する、一式の超音波減衰を測定するステップと、
ｂ） 前記一式の超音波減衰から、前記レーザ溶接ビードの重みづけされた幅Ｌｐを計算するステップと、
ｃ） 前記重みづけされた幅Ｌｐと所定の重みづけされた幅の閾値Ｌｓとを比較するステップであって、ＬｐがＬｓ以上であればレーザ溶接ビードは条件に適合すると考えられる、比較するステップと
を含む方法のおかげで達成される。

このように、本発明による方法は、一式の超音波減衰の測定に基づく。こうした測定は非破壊的であり、したがって、溶接された部品を、測定後にその特性が変わらないまま使用することが可能である。加えて、こうした検査方法は、独立して用いられ得、単独でレーザ溶接ビードの品質を判定し得る。したがって、この方法によって破壊的方法への依存を顕著に制限することが可能になる。

この方法の別の利点は、使用が簡便なことと、適応性を有することである。具体的には、検査を実施するためには、超音波センサを溶接された部品のうちの１つの、一面上に置いて、これら２つの部品を接合している溶接ビードに沿ってセンサを動かしさえすれば十分である。溶接された部品を、動かす必要も特定の場所に置く必要もなく、溶接された部品に何らの機械的応力を加える必要もない。加えて、こうしたテストは溶接後の任意の時点で実行され得る。この測定はまた、例えば溶接の品質に関して疑問がある場合には、無限回やり直すことができる。

具体的な位置実施形態によると、超音波減衰の一式は、フェーズドアレイ超音波技法によって取得される。この技法では、直線配列を形成するＮ個の要素からなるセンサが用いられる。電子スキャンを成し遂げるためにパルス化されているこれらの要素は、１回の測定でレーザ溶接ビードの幅全体をカバーする。こうして、測定が迅速であると同時に、ビードの幅が正確に測定され得る。

一実施形態によると、前記重みづけされた幅の閾値Ｌｓは、（各ペアがレーザ溶接ビードによって接合されている）一式のプラスチック部品のペアから得られた一式の重みづけされた幅Ｌｐと、前記プラスチック部品のペアから破壊的検査方法によって得られた結果とを比較することによってあらかじめ規定される。

破壊的方法は、レーザ溶接の品質を検査するために用いられる参照用ツールとして残る。上記のように進行することによって、幅の閾値は正確に決定される。加えて、本発明に関連して提示されるものといった非破壊的方法のおかげで、破壊的方法の使用がサンプルに対してのみに限定され、例えば自動車の構成要素などに最終的に使われる予定の部品には、直接用いられないであろう。

有利には、前記破壊的検査方法は、引張強度またはせん断強度を検査する方法を含み得る。

具体的な一用途によると、前記重みづけされた幅Ｌｐは、以下の式を用いて計算される。
Ｌｐ＝Σ（Ｐｉ×Ｌｉ）／Ｌｏ
ここでは、Ｐｉはセンサが測定する長さであり、Ｌｉはセンサの各段階ごとの位置による溶接ビードの平均の幅であり、Ｌｏはビードの長さの合計である。

このように進行することによって、超音波センサの段階的な動きの間にビードの幅が変動し得るという事実が考慮に入れられる。このように、この式によって判定される溶接の品質は、ビードの全体的な品質である。

一変形形態によると、方法は、２つの部品をレーザ溶接するのと同時に溶接ビードの品質の情報の取得を可能にする、当業者に知られたパイロメータによる測定もまた含む。こうした技法の利点は、それによって溶接ビードをリアルタイムでモニタリングすることができるという事実にある。にもかかわらず、劣悪な較正及び／または、ずれのせいで、こうしたモニタリング技法は誤差を生じ得る。

有利には、溶接の品質に関してステップａ）からｃ）を受けて得られた結果は、前記レーザ溶接ビードのパイロメータによる測定結果と比較される。この比較によって、パイロメータシステムを再較正する必要があるかを判定することが可能である。これによって、モニタリングシステム内のあらゆる誤差及びずれが検出され、補正される。

さらに有利には、特許請求の範囲による方法には、パイロメータによる測定システムの較正を改善するため、ステップａ）からｃ）の結果と、パイロメータの測定結果との前記比較の結果を活用する、学習サイクルが含まれる。こうして、パイロメータ式測定システムのデータベースは、超音波の方法によって検査が実施される都度、自動的に更新される。

本発明はまた、プラスチックのレーザ溶接の品質を診断する装置であって、パイロメータ式測定システム、超音波センサ、超音波測定ユニット、及び計算ユニットを備え、本発明による方法、即ち上記の方法を実装することを特徴とする、装置にも関する。

本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と共に、非限定的な例として示されている後述の一実施形態の説明を読むことによって、より明確に明らかとなるであろう。

本発明による、測定原理の概略図である。 レーザ溶接ビード及び、重みづけされた幅Ｌｐの計算原理の概略図である。

図１は、レーザ溶接ビード３によって接合された２つのプラスチック部品１、２を示す。この溶接ビードの品質を診断するため、フェーズドアレイ超音波センサ４が、２つの部品１、２のうちの１つの、溶接ビードと平行な区域にある外面６と接触させられる。このセンサは、超音波測定ユニット（図１に図示せず）に接続されている。前記ユニットは、それ自体が既知のタイプのものであるため、本書では記載しない。超音波センサと超音波測定ユニットは、組み合わせられて、データの収集が可能な自律的測定アセンブリを形成し得る。次に、これらのデータは、データの収集後に前記自律的測定アセンブリが接続される、計算ユニットによって処理される。代替方法では、超音波センサ及び超音波測定ユニットは、計算ユニットに恒久的に接続されている。フェーズドアレイ超音波センサと、超音波測定ユニットと、計算ユニットとを備えるこの新しいアセンブリは、超音波測定システムを形成する。

この超音波測定システムは、本実施形態では、当業者に知られたパイロメータ式測定システム（図１に図示せず）に接続されている。このパイロメータ式システムは、少なくとも１つのパイロメータ式センサと、パイロメータ式測定ユニットと、計算ユニットとを備える。前記パイロメータ式測定システムは、スポット溶接が作り出される度に放射率比を測定することによって、作り出されたレーザ溶接の品質をリアルタイムでモニタリングする。前記パイロメータ式センサは、スイッチを入れるたびに較正される。

本発明による方法の実装時、フェーズドアレイセンサは、接触する区域をスキャンし、レーザ溶接ビードの各点で、接合の品質を特性評価する一式の超音波減衰を収集する。これを行うため、フェーズドアレイ超音波センサは、インターフェースからのエコー、即ち、２つの部品を接合するレーザ溶接ビードが位置するインターフェース７と同じ位置で示された超音波振動５を測定するか、または、部品の外面８と同じ位置、即ち超音波センサと接触しない面の後部エコーを測定する。後部エコーは、レーザ溶接ビードを通る往復の行程を経た後の超音波の減衰を特性評価するものであるため、後部エコーを測定することが好適である。

ここで、超音波信号の振幅が入手され、カラースケールによる二次元マップで表される。これらの信号の振幅は、％で表すと、測定された超音波の減衰の逆数に相当する。

超音波信号の振幅が閾値の１９％よりも高い場合、溶接点は正しく溶接されたと考えられる。信号が１９％よりも高いこれらの溶接点全てによって、溶接ビードの長さと幅が表される。

図２は、例示のため、及び概略的に、得られた溶接ビード３の画像の例を示す。この図では、Ｌｏはレーザ溶接ビードの全長を表し、Ｐｉはセンサによる長さの測定値を表し、Ｌｉは、超音波センサの所与の段階ごとの位置における溶接ビードの幅の平均を表す。センサが測定し得る最大幅は、そのセンサの特性に依存する。例えば、１０．９ｍｍの有効長で高さ５ｍｍを有する２２個のセンサ要素の直線配列を備えるタイプのセンサの場合は、９ｍｍである。

参照番号３１は、理論上の溶接部の幅に相当する。この理論上の溶接部の幅は、最適な溶接強度を保証する幅であるとして規定される。参照番号３２は、信号が１９％よりも高い溶接点の一式によって実際に得られた、レーザ溶接ビードを表す。このビードの幅は、ビードの長さにわたって変動してよく、幅の平均Ｌｉは、各段階ごとの位置で決定される。

このレーザ溶接ビードの固体性を決定するため、計算ユニットは、以下の式を用いて重みづけされた幅Ｌｐを決定する。
Ｌｐ＝Σ（Ｐｉ×Ｌｉ）／Ｌｏ
ここでは、Ｐｉはセンサが測定する長さであり、Ｌｉはセンサの各段階ごとの位置による溶接ビードの平均の幅であり、Ｌｏはビードの長さの合計である。

次に、Ｌｐがある所定の閾値Ｌｓと比較される。ＬｐがＬｓ以上である場合、ビードの品質は良好であり、反対の場合、ビードの品質は劣悪である。

Ｌｓを決定するため、せん断強度や引張強度を検査する技法といった、破壊的検査技法を実施する検査が、各ペアがレーザ溶接ビードによって接合され、各ペアに関するＬｐが既に決定されている、プラスチックの部品のペアに対して実施される。これらの破壊的検査では、レーザ溶接ビードが破壊されるまで、引張力やせん断力が加えられる。収集されたデータは次に、一軸上に重みづけされた幅Ｌｐを含み、別の軸上に破壊的検査中に耐えた最大力を含むグラフにプロットされる。レーザ溶接ビードが耐えなければならない最大力は、溶接された部品のタイプとその用途に応じて決定される。例として、自動車のトランクのドアは、ライニング及び補強部と呼ばれるポリプロピレン製の２つの部品を含み、これら２つの部品は、２４か所のレーザ溶接ビードによって接合されている。このタイプの用途では、各溶接ビードが耐えなければならない最大力は、１５０ｄａＮに設定されている。こうした力は、４ｍｍである閾値幅Ｌｓに相当する。最適な幅は７ｍｍであるが、これは２３０ｄａＮの力に相当する。このように、自動車のトランクのドアの部品という具体的なケースでは、Ｌｐが４ｍｍ以上の場合、計算装置にはＯＫと表示され、逆の場合、計算装置にはＮＯＫと表示される。

超音波測定システムによる検査の結果が得られた時点で、この結果は次に、レーザ溶接の時点でパイロメータ式システムによって得られた検査結果と比較され、相互に関連付けられる。この比較の結果は、パイロメータ式測定システムの較正を改善する目的で、学習システムによって利用される。

しかし、本発明の範囲から逸脱することなく本実施形態の変形形態を提供することも、もちろん可能である。例えば、重みづけされた幅の閾値は、シミュレーションによって決定されてよい。

Claims (9)

1. ２つのプラスチック部品間に作り出されたレーザ溶接ビードの品質の診断方法であって、
   ａ） 前記レーザ溶接ビードに沿って超音波センサを移動させることによって前記レーザ溶接ビードを特性評価する、一式の超音波減衰を測定するステップと、
   ｂ） 前記一式の超音波減衰から、前記レーザ溶接ビードの重みづけされた幅Ｌｐを計算するステップと、
   ｃ） 前記重みづけされた幅Ｌｐと所定の重みづけされた幅の閾値Ｌｓとを比較するステップであって、ＬｐがＬｓ以上であれば前記レーザ溶接ビードは条件に適合すると考えられる、比較するステップとを含む方法。
2. 前記一式の超音波減衰が超音波フェーズドアレイ技法によって得られることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記重みづけされた幅の閾値Ｌｓは、各ペアがレーザ溶接ビードによって接合されている一式のプラスチック部品のペアから得られた一式の重みづけされた幅Ｌｐと、前記プラスチック部品のペアから破壊的検査方法によって得られた結果とを比較することによってあらかじめ規定されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記破壊的検査方法は引張力またはせん断力の検査方法を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
5. 前記重みづけされた幅Ｌｐは、式Ｌｐ＝Σ（Ｐｉ×Ｌｉ）／Ｌｏを用いて計算されることを特徴とし、
   Ｐｉは前記センサが測定する長さであり、Ｌｉは前記センサの各段階ごとの位置による前記溶接ビードの平均の幅であり、Ｌｏは前記ビードの長さの合計である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記溶接ビードの前記品質に関する情報の取得を可能にするパイロメータ式測定もまた含むことを特徴とする方法であって、前記パイロメータ式測定は前記２つの部品の前記レーザ溶接と同時である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記溶接の前記品質に関してステップａ）からｃ）を受けて得られた結果は、前記レーザ溶接ビードの前記パイロメータ式測定の結果と比較され、前記比較によって、パイロメータシステムを再較正する必要があるかを判定することが可能であることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 前記パイロメータ式測定システムの前記較正を改善するため、前記比較の前記結果を利用する学習サイクルを含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. ２つのプラスチック部品間のレーザ溶接の品質を診断する装置であって、パイロメータ式測定システム、超音波センサ、超音波測定ユニット、及び計算ユニットを備え、本発明による方法を実装することを特徴とする、装置。

Images