JP3209035B2 - レーザ溶接の品質検査方法およびその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ溶接時の溶接状
態を検査するレーザ溶接の品質検査方法および装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ溶接は、ワークに炭酸ガスレーザ
などを照射することによりその部分を溶解して溶接を行
うものである。このレーザ溶接時にプラズマ光が発生す
るが、このプラズマ光は、ワークがレーザ光の吸収する
ことによって溶融し、ワーク物質が蒸発、電離したもの
である。したがって、このプラズマ光を観察すること
で、ワークの溶融状態を知ることができる。

【０００３】従来のレーザ溶接の品質検査方法は、図５
に示すように、ワーク１にレーザ２が照射されて発生す
るプラズマ光３の発光強度をフォトダイオードなどのセ
ンサ４によって測定することにより行われており、測定
されたプラズマ光の発光強度によってワークの溶融状態
を検査している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来法によって測
定されるプラズマ光の発光強度は、ワークが溶融してで
きるキーホール５０内部での発光５１と、キーホール５
０の上部に噴出した電離物による発光５２との和であ
る。しかしながら、ワーク表面に吹き出しているプラズ
マ光５２は、ワーク１が溶融されてできるキーホール５
０内が深くなるにつれて、そこから噴出する電離物の量
が変化するため、プラズマ光５２も変化する。このた
め、キーホール５０内の溶融の状態を正確に測定するこ
とができない。また、レーザ溶接を行う際には、通常、
不要な電離物を吹き飛ばすために、ＨｅやＡｒなどの不
活性ガスをワーク表面に流しているため、ワーク上部に
噴出しているプラズマ光５２は、ワークの溶融状態とは
関係なく、不活性ガスの流量によっても左右される。

【０００５】したがって、正確にワークの溶融状態を知
るためには、キーホール５０内部のみのプラズマ光５１
の発光強度を測定することが望ましい。

【０００６】そこで、キーホール５０内のプラズマ光５
１のみを観察しようとすれば、例えば不活性ガスの流量
を多くすることにより、噴出している電離物を吹き飛ば
して噴出しているプラズマ光５２をなくすることも可能
であるが、不活性ガス流量を多くすると、ガスがキーホ
ール５０内部や溶融池に入り込むためビードの状態が不
安定になり、溶接が良好にできないという問題が発生
し、不活性ガス流量を多くすることができない。このた
め、従来法においては、キーホール５０内部での発光５
１と、ワーク１の上部に噴出したプラズマ光５２との和
を観察せざるを得ないので、正確なワークの溶融状態を
知ることができないといった問題があった。

【０００７】そこで、本発明は、レーザ溶接の際に、正
確にキーホール内の溶融状態を測定することができるレ
ーザ溶接の品質検査方法およびその装置を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１記載の発明によれば、レーザ溶接の際にできる
プラズマ光の信号強度を測定することによるレーザ溶接
の品質検査方法であって、前記プラズマ光をワークから
の仰角が異なる少なくとも２点により測定し、該測定に
よって得られた信号強度を、予め求めた前記仰角と信号
強度との関係からキーホール内部のプラズマ光による信
号強度と、キーホール上部のプラズマ光による信号強度
とに分離することを特徴とするレーザ溶接の品質検査方
法である。

【０００９】請求項２記載の発明のレーザ溶接の品質検
査方法において、前記予め求めた前記仰角と信号強度と
の関係は、レーザ溶接を行うワークと同一材料による基
準ワークに対しレーザ溶接を行い、その時のプラズマ光
の信号強度を該基準ワークからの異なる複数の測定点に
よって測定し、該仰角と信号強度の関係を求めたもので
あることを特徴とする。

【００１０】請求項３記載の発明のレーザ溶接の品質検
査方法において、前記予め求めた前記仰角と信号強度と
の関係は、下記（１）式によって表されることを特徴と
している。 信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｓｉｎθ …（１） （ただし（１）式中、Ｐａはキーホール上部のプラズマ
光の信号強度、Ｐｋはキーホール内部のプラズマ光の信
号強度、θはワークからの仰角である。） また、上記目的を達成するため請求項４記載の発明は、
レーザ溶接の際にできるプラズマ光の信号強度を測定す
ることによるレーザ溶接の品質検査方法であって、前記
プラズマ光の測定をワークからの仰角が１０度以下の点
と、７５度以上の点から測定し、該測定によって得られ
た２点の信号強度を、７５度以上の点での測定による信
号強度から１０度以下の点での測定による信号強度を引
くことにより得られる値をキーホール内部のプラズマ光
による信号強度とすることを特徴とするレーザ溶接の品
質検査方法である。

【００１１】さらに、上記目的を達成するため請求項５
記載の本発明は、レーザ溶接の際にできるプラズマ光の
信号強度を測定することによりレーザ溶接の品質を検査
するための装置であって、ワークからの仰角が異なる２
点に設けられた前記プラズマ光の信号強度を測定する測
定手段と、該測定手段の測定によって得られた２点の信
号強度を予め求めた前記仰角と信号強度との関係からキ
ーホール内部のプラズマ光による信号強度と、キーホー
ル上部のプラズマ光による信号強度とを求める演算手段
と、を具備することを特徴とするレーザ溶接の品質検査
装置である。

【００１２】

【作用】レーザ溶接の際のプラズマ光を測定した際の信
号強度は、測定角度（ワークからの仰角）によってその
信号強度が異なる。これは、角度が大きいほど、キーホ
ール内の奥の方まで測定することとなり、角度が小さけ
ればキーホール内部の測定ができないためである。

【００１３】プラズマ光を測定した際の信号強度を、キ
ーホール内部のプラズマ光による信号強度Ｐｋと、キー
ホール上部のプラズマ光による信号強度Ｐａに分離して
考えると、キーホール上部にできるプラズマ光はほぼ球
状であるので、測定角度に依存しておらず、逆に、キー
ホール内は、上記のように測定角度が変わると、その測
定量が変化するため測定角度θに依存して変化すること
となる。

【００１４】すなわち、測定される信号強度は下記
（２）式のごとく表すことができる。 測定される信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｆ（θ） …（２） ここで、ｆ（θ）は、測定角度と信号強度の関係を表す
関数である。

【００１５】そこで、請求項１記載の本発明では、レー
ザ溶接の際のプラズマ光を角度の異なる２点で測定する
ことで、各測定点ごとにＰａとＰｋの比率の異なる測定
結果が得られる。そして、得られた２つの信号強度か
ら、予め求めた測定角度と信号強度の関係（上記（２）
の式におけるｆ（θ））を基に、キーホール内部のプラ
ズマ光による信号強度Ｐｋと、キーホール上部のプラズ
マ光による信号強度Ｐａに分離して、正確なキーホール
内部のプラズマ光による信号強度Ｐｋを知るものであ
る。

【００１６】また、請求項２記載の本発明においては、
上記ワークからの仰角と信号強度の関係（上記（２）の
式におけるｆ（θ））は、レーザ溶接を行うワークと同
一材料による基準ワークに対しレーザ溶接を行い、その
時のプラズマ光の信号強度を該基準ワークからの仰角を
変えて測定することで、各角度ごとの信号強度が得られ
る。したがって、得られた測定角度ごとの信号強度から
測定角度との関係、すなわち、上記（２）の式における
ｆ（θ）が求められるものである。

【００１７】また、請求項３記載の本発明においては、
上記ワークからの仰角と信号強度の関係が三角関数に依
存していると見なし、上記（２）の式におけるｆ（θ）
をｓｉｎθとすることで、ほぼ信号強度の角度依存性を
表すことができる。この場合、基準ワークによる測定角
度と信号強度との関係を予め測定することがなく、簡易
に品質検査を行うことができる。

【００１８】さらに請求項４記載の本発明の品質検査方
法にあっては、測定点のワークからの仰角を、一方は１
０度以下、他方は７５度以上とすることで、１０度以下
の測定点では、殆どキーホール内部を測定することはで
きないので、この値をキーホール上部のプラズマ光Ｐａ
であると見なすことで、７５度以上の測定点での結果か
ら、この１０度以下の測定点での結果を引いた値がキー
ホール内部のみの信号強度を考えることができ、これを
キーホール内部のプラズマ光による信号強度とするもの
である。

【００１９】請求項５記載の本発明の品質検査装置は、
プラズマ光の信号強度を測定するために２つの測定手段
をワークからの仰角を変えて設けることで、各測定点ご
とにキーホール内部のプラズマ光による信号強度Ｐｋと
キーホール上部のプラズマ光による信号強度Ｐａとの比
率の異なる測定結果が得られる。そして、演算手段が予
め求めたワークからの仰角と信号強度の関係を基に、２
つの測定手段によって得られた結果からキーホール内部
のプラズマ光による信号強度Ｐｋと、キーホール上部の
プラズマ光による信号強度Ｐａに分離する。

【００２０】

【実施例】以下、添付した図面を参照して、本発明の一
実施例を説明する。

【００２１】図１は、本発明を適用したレーザ溶接の品
質検査装置と、この装置に用いられている測定手段の配
置を示すブロック図である。

【００２２】まず、本実施例におけるレーザ溶接の品質
検査装置は、プラズマ光の信号強度を測定するための測
定手段でフォトダイオードよりなるセンサ１０ａおよび
１０ｂからの信号が、ケーブルを通りアンプ１２により
増幅されて、Ａ／Ｄ変換器１３を介して、演算手段であ
るパソコン１１に入力される。そして、このパソコン１
１が、後述するように、センサ１０ａおよび１０ｂから
の入力と、予め求められているセンサ１０ａおよび１０
ｂの設置角度（ワークからの仰角）と信号強度の関係か
ら、キーホール上部のプラズマ光による信号強度とキー
ホール内部のプラズマ光による信号強度とに分離する。
また、センサ１０ａおよび１０ｂによって得られた信号
およびパソコンにより分離された結果は、デジタルオシ
ロスコープ１４によって表示される。

【００２３】レーザ溶接の際の検査時において、センサ
１０ａおよび１０ｂは、ワーク１の表面から仰角θの異
なるように、それぞれレーザ光２のワーク１上の焦点か
ら１２０ｍｍ離して設置されている。また、アルゴンガ
スをガス供給用ノズル２０から流してあり、このガス供
給用ノズル２０は前記焦点から１５ｍｍ離して設置され
ている。また、本実施例においてワーク１は、軟鉄によ
る薄板である。

【００２４】以下、この検査装置を用いた品質検査方法
について説明する。

【００２５】まず、本実施例では、品質検査に先立ち、
レーザ溶接を行うワークと同じ材質の基準ワークを用い
て、プラズマ光の測定角度とその信号強度との関係を求
めた。これには、基準ワーク１上に８個のセンサを設置
し、これまでの経験から溶接に最適なガス流量の条件に
よって炭酸ガスレーザにより溶接を行い、このときの各
センサの信号強度と、各センサの設置角度との関係をプ
ロットする。図２は、測定結果をプロットし、各測定点
の外挿線を引いた図面である。この図における外挿線が
前述の（２）式における測定角度と信号強度との関係を
表す関数ｆ（θ）となる。

【００２６】そしてこの図２から、キーホール内部をま
ったく測定しない測定角度０度のときの信号強度Ｐａ
と、キーホール内部を全て測定できる測定角度９０度の
ときの信号強度Ｐａ＋Ｐｋとが、その外挿線から求まる
（Ｐｋはキーホール内部のみの信号強度である）。

【００２７】なお、本実施例の場合、この外挿線は、ほ
ぼｓｉｎカーブを描いているので、前記（２）式は、 信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｓｉｎθ …（１） と変形されるうる。そこで、本実施例では、測定角度と
信号強度との関係としてこの（１）式を用いた。

【００２８】もちろん、前記図２に示した外挿線が、ｓ
ｉｎカーブのような簡単な関数で置き換えられないよう
な場合には、その外挿線から関数ｆ（θ）を求めて、ま
たは前記図２のごとき図を、測定角度と信号強度の関係
として用いる。

【００２９】次に、実際のレーザ溶接時の品質検査につ
いて説明する。ここでは、ワークの溶融状態をガス流量
を変えることにより強制的に変化させて、上記装置によ
って測定した場合について説明する。

【００３０】測定にあたっては、センサ１０ａおよび１
０ｂの設置角度を５度および７５度とし、ガス流量を１
０〜７０リットル／ｍｉｎで変化させて測定した。

【００３１】図３は、各センサ１０ａおよび１０ｂから
得られた信号強度をそのままグラフ化したものである。

【００３２】ガス流量が１０リットル／ｍｉｎ以下の部
分は、ワーク表面に出る電離物が除去できていない領域
である。この領域では、ワーク表面に強いレーザ誘起プ
ラズマが発生し、レーザ光がブロックされてワーク内へ
のレーザ光の照射量が少ない状態となり、測定される信
号強度が高いにもかかわらず、ワークの溶融が余り進ま
ず良好なビードが形成されない領域である。

【００３３】ガス流量が１０〜５０リットル／ｍｉｎの
部分は、安定したビードが形成される領域であり、溶け
込み深さも安定している。

【００３４】ガス流量が５０リットル／ｍｉｎを越える
部分では、不安定なビードが形成される。これは、ガス
流量が多いため、電離物を吹き飛ばして、さらにキーホ
ール内部や溶融池にまでガスが侵入して、ビードの状態
が乱されるためである。

【００３５】次に、図４は、演算手段（パソコン１１）
によって、センサ１０ａおよび１０ｂによって得られた
信号強度を前述の（１）式を用いてキーホール内部のプ
ラズマ光による信号強度Ｐｋとキーホール上部のプラズ
マ光による信号強度Ｐａとに分離したグラフである。

【００３６】この分離のための計算は、下記（３）およ
び（４）式から、未知数ＰａおよびＰｋを求めることに
より行われる。 測定角度５度での信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｓｉｎ５゜ …（３） 測定角度７５度での信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｓｉｎ７５゜ …（４） 図４においては、前記図３に示したものと比較し、より
明確に３つの領域の溶接現象の違いを表していることが
分かる。すなわち、ガス流量が１０リットル／ｍｉｎ以
下の領域では、キーホール上部のプラズマ光の信号強度
Ｐａのみが急激に立ち上がっているがキーホール内部の
プラズマ光の信号強度Ｐｋは、１０〜５０リットル／ｍ
ｉｎの領域と変わらない、この点、前記図４において
は、ＰｋもＰａ同様に急激な立ち上がりとなっていた。

【００３７】そして、ビードの安定領域である１０〜５
０リットル／ｍｉｎの部分では、ガス流量の上昇にとも
なってキーホール上部のプラズマ光の信号強度Ｐａが減
少し、キーホール内部のプラズマ光の信号強度Ｐｋが微
増しているのが良く分かる。

【００３８】さらに、５０リットル／ｍｉｎを越えるガ
ス流量の部分では、キーホール上部のプラズマ光の信号
強度Ｐａが０となり過大なガスが流れてキーホール上の
プラズマ光が消失していることが分かる。すなわち、キ
ーホール上部のプラズマ光の信号強度Ｐａの値が０とな
った時点がガス流量が過大となり、ビードが不安定とな
る領域であることが判別できる。

【００３９】以上のように、本実施例では、キーホール
上部のプラズマ光の信号強度Ｐａとキーホール内部のプ
ラズマ光の信号強度Ｐｋとを分離することで、より明確
に、ワークの溶融状態を知ることができる。

【００４０】以上本実施例においては、測定角度と信号
強度の関係からキーホール上部のプラズマ光の信号強度
Ｐａとキーホール内部のプラズマ光の信号強度Ｐｋと分
離したが、図２を見ると、測定角度が１０度以下の場合
には、信号強度がほぼキーホール上部のプラズマ光の信
号強度Ｐａと等しい。また、７５度以上であればキーホ
ール内部のプラズマ光による信号強度Ｐｋと等しいこと
が分かる。したがって、１０度以下による測定角度の信
号強度をそのままＰａの値として、これを測定角度７５
度のときの信号強度から引くことで、その結果をキーホ
ール内部のプラズマ光による信号強度Ｐｋとして簡易的
に溶接状態の品質検査に用いることもできる。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１記載の本
発明によるレーザ溶接の品質検査方法によれば、ワーク
からの仰角の異なる２つの測定点によって、プラズマ光
の信号強度を測定し、その結果からキーホール上部のプ
ラズマ光の信号強度とキーホール内部のプラズマ光の信
号強度とを分離することとしたので、正確に溶接部分の
溶融状態を知ることができる。

【００４２】また、請求項２記載の本発明によるレーザ
溶接の品質検査方法は、プラズマ光を測定する測定点の
角度と信号強度の関係を予め基準ワークに溶接を行っ
て、求めることとしたので、より正確なキーホール上部
のプラズマ光の信号強度とキーホール内部のプラズマ光
の信号強度との分離ができる。

【００４３】さらに、請求項３記載の本発明によるレー
ザ溶接の品質検査方法は、プラズマ光を測定する測定点
の角度と信号強度の関係をｓｉｎθによる関数とするこ
とで、簡易的キーホール上部のプラズマ光の信号強度と
キーホール内部のプラズマ光の信号強度との分離ができ
る。

【００４４】さらにまた、請求項４記載の本発明による
レーザ溶接の品質検査方法は、プラズマ光を測定する測
定点の角度を、１０度以下と、７５度以上とすること
で、容易にキーホール内部のプラズマ光の信号強度を分
離することができ、溶接部分の溶融状態を知ることがで
きる。

【００４５】請求項５記載の本発明によるレーザ溶接の
品質検査装置によれば、ワークからの仰角の異なる２つ
の測定位置に測定手段を設け、この測定手段による測定
値と、測定角度と信号強度の関係からキーホール上部の
プラズマ光の信号強度とキーホール内部のプラズマ光の
信号強度とを分離することとしたので、正確に溶接部分
の溶融状態を知ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した一実施例の装置構成を示す
ブロック図である。

【図２】 上記実施例における測定角度と信号強度の関
係を示す図面である。

【図３】 上記実施例における測定結果を示す図面であ
る。

【図４】 上記実施例における測定結果を角度と信号強
度の関係から分離した結果を示す図面である。

【図５】 レーザ溶接の状態を示す図面である。

【符号の説明】

１…ワーク、２…レーザ光、３…プラズマ、１０ａ、１
０ｂ…センサ、１１…パソコン、１２…アンプ、１３…
Ａ／Ｄコンバータ、１４…デジタルオシロスコープ、２
０…ガス供給用ノズル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/00 B23K 26/02 G01N 21/63 G01N 33/20

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ溶接の際にできるプラズマ光の信
   号強度を測定することによるレーザ溶接の品質検査方法
   であって、 前記プラズマ光をワークからの仰角が異なる少なくとも
   ２点により測定し、 該測定によって得られた信号強度を、予め求めた前記仰
   角と信号強度との関係からキーホール内部のプラズマ光
   による信号強度と、キーホール上部のプラズマ光による
   信号強度とに分離することを特徴とするレーザ溶接の品
   質検査方法。
2. 【請求項２】 前記予め求めた前記仰角と信号強度との
   関係は、レーザ溶接を行うワークと同一材料による基準
   ワークに対しレーザ溶接を行い、その時のプラズマ光の
   信号強度を該基準ワークからの仰角の異なる複数の測定
   点によって測定し、該仰角と信号強度の関係を求めたも
   のであることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接の
   品質検査方法。
3. 【請求項３】 前記予め求めた前記仰角と信号強度との
   関係は、下記（１）式によって表されるものであること
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接の品質検査
   方法。 信号強度＝Ｐａ＋Ｐｋ・ｓｉｎθ …（１） （ただし（１）式中、Ｐａはキーホール上部のプラズマ
   光の信号強度、Ｐｋはキーホール内部のプラズマ光の信
   号強度、θはワークからの仰角である。）
4. 【請求項４】 レーザ溶接の際にできるプラズマ光の信
   号強度を測定することによるレーザ溶接の品質検査方法
   であって、 前記プラズマ光の測定をワークからの仰角が１０度以下
   の点と、７５度以上の点から測定し、 該測定によって得られた２点の信号強度を、７５度以上
   の点での測定による信号強度から１０度以下の点での測
   定による信号強度を引くことにより得られる値をキーホ
   ール内部のプラズマ光による信号強度とすることを特徴
   とするレーザ溶接の品質検査方法。
5. 【請求項５】 レーザ溶接の際にできるプラズマ光の信
   号強度を測定することによりレーザ溶接の品質を検査す
   るための装置であって、 ワークからの仰角が異なる２点に設けられた前記プラズ
   マ光の信号強度を測定する測定手段と、 該測定手段の測定によって得られた２点の信号強度を予
   め求めた前記仰角と信号強度との関係からキーホール内
   部のプラズマ光による信号強度と、キーホール上部のプ
   ラズマ光による信号強度とを求める演算手段と、を具備
   することを特徴とするレーザ溶接の品質検査装置。