JP4179558B2 - レーザ溶接品質評価方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握し、評価する技術に係り、特にレーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価方法および装置に関する。

従来、レーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価方法、装置としては、特許文献１に記載されたものがある。このものは、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光を集光レンズで集光してＣＣＤカメラ（撮像装置）へ送り、このＣＣＤカメラで撮像された画像の輝度レベルに基いて溶接欠陥の有無を判定するようにしている。
特開２０００−４２７６９号公報

ところで、二枚のめっき鋼板を重ね合せてレーザ溶接する、いわゆるレーザ重ね溶接においては、レーザビームの熱で亜鉛蒸気（ガス）が発生する。この亜鉛蒸気は、通常、鋼板間に存在する隙間を通して外部へ逃げるが、隙間が極めて小さいか全くないと、溶融金属が滞留する溶融池内でガスが噴出する、いわゆるブローアウトの現象が起こり、肌荒れやブローホール等の溶接欠陥が発生する。しかしながら、上記特許文献１に記載されるように、レーザの反射光を用いて撮像した画像の輝度レベルから溶接欠陥の有無を判断する方式では、ブローアウトの発生に伴う溶融池の変動が輝度レベルに正しく反映されないため、ブローアウトの発生状況を的確に把握することができない、という問題があった。

本発明は、上記した従来の問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、ブローアウトの発生状況を撮像画像から的確に把握できるようにし、もって信頼性の向上に大きく寄与するレーザ溶接品質評価方法および装置を提供することにある。

本発明者等は、レーザ光の反射光により撮像した画像について鋭意検討した結果、ブローアウトが発生すると、撮像画像における、溶接方向後側に位置する後側高輝度部の位置が激しく変動することを見出した。本発明は、このような知見に基いてなされたもので、本発明に係るレーザ溶接品質評価方法は、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融池およびその周辺を撮像し、この撮像した画像における、溶接方向後側に位置する後側高輝度部の位置変動に基いてブローアウト発生の有無を判断することを特徴とする。この場合、撮像した画像を２値化し、この２値化した画像上で後側高輝度部の位置を特定するようにしてもよく、この場合は、後側高輝度部がより明瞭になるので、後側高輝度部の位置変動をより正確に把握することができる。

本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融池およびその周辺を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像した画像における、溶接方向後側に位置する後側高輝度部の位置変動に基いてブローアウト発生の有無を判断する信号処理手段とを備えていることを特徴とする。この場合、前記撮像手段としては、ＣＣＤカメラを用いることができる。

本発明に係るレーザ溶接品質評価方法および装置によれば、レーザ光の反射光により撮像した画像からブローアウトの発生状況を的確に把握できるので、溶接品質の評価に対する信頼性が著しく向上する。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示したものである。同図において、１はレーザトーチであり、レーザトーチ１内には、レーザ発振器２から光ファイバ３を通して送られたレーザ光Ａを被溶接物Ｗへ向けて照射する光学系が内蔵されている。被溶接物Ｗは、ここでは相互に重ね合された２枚の亜鉛めっき鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、レーザ溶接に際しては、レーザトーチ１から出射されるレーザ光Ａが上側の亜鉛めっき鋼板Ｗ１上に所定の大きさのパターンとなるように照射され、この状態で、レーザトーチ１が被溶接物Ｗに対して溶接方向Ｆへ移動される。なお、レーザトーチ１の位置を固定して被溶接物Ｗを溶接方向Ｆへ移動させてもよいことはもちろんである。

レーザ溶接においては、同じく図１に示されるように、被溶接物Ｗに対するレーザ光Ａの照射域にキーホール４が形成されると共に、このキーホール４の周りに溶融金属の溶融池５が形成される。溶融池５は溶接方向Ｆの後側へ延びるように形成され、溶融金属は、レーザトーチ１の移動（被溶接物Ｗとの相対移動）に応じて溶融池５の後端側から順次凝固する。図１中、６は、溶融金属の凝固跡である溶接ビードを示しており、被溶接物Ｗとしての２枚の亜鉛めっき鋼板Ｗ１、Ｗ２は、この溶接ビード６を介して相互に重ね溶接される。なお、溶接用レーザ光Ａとしては、ＹＡＧレーザ光、炭酸ガスレーザ光等の高出力レーザ光が用いられる。

本実施形態において、上記レーザトーチ１の後端部には、溶融池５およびその周辺から反射されるレーザ光の反射光Ｂを光学フィルタ７を通して、溶接用レーザ光Ａと同軸で受光するＣＣＤカメラ（撮像手段）８が取付けられている。光学フィルタ７は、レーザ光の波長成分を透過帯域とする干渉フィルタであり、ＣＣＤカメラ８は、この光学フィルタ７を透過したレーザ光の反射光Ｂにより溶融池５およびその周辺を撮像し、該溶融池５およびその周辺の画像（可視化画像）を得る。また、別途、信号処理装置（信号処理手段）９が設けられており、この信号処理装置９には、前記ＣＣＤカメラ８によって撮像した画像が信号線１０を介して送出されるようになっている。信号処理装置９は、ＣＣＤカメラ８で撮像された画像を後述の手法で解析し、溶融池の変動（脈動）を定量的に把握する画像解析手段１１とこの画像解析手段１１での解析結果に基いてブローアウト発生の有無を判定する良否判定手段１２とを備えている。

ここで、レーザ光の反射光Ｂから得られる溶融池５の画像（実画像）は、正常な溶接時には、図２に示されるように、上記したキーホール４を暗視野として高輝度領域がドーナツ状に現われる。より詳しくは、前記高輝度領域は、溶接方向Ｆの前側に位置する弓形の高輝度部Ｐと溶接方向Ｆの後側に位置する三日月状の光輝度部Ｑとから構成されている。これら高輝度部のうち、溶接方向Ｆの前側に位置する弓形の高輝度部（以下、これを前側高輝度部という）Ｐは前記キーホール４の前壁部分を、溶接方向Ｆの後側に位置する三日月状の高輝度部（以下、これを後側高輝度部という）Ｑは前記キーホール４の後壁部分（通常、ここを溶融池先端部と呼んでいる）をそれぞれ反映している。

上記した溶融池５の画像（高輝度領域）は、溶接状況に応じて変化し、特にブローアウトが発生している状況では、図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように形状崩れを起こす。この形状崩れは、前側高輝度部Ｐに対して後側高輝度部Ｑが溶接方向Ｆの前・後方向へ激しく往復動する現象として現われる。図３中、（ａ）は後側高輝度部Ｑが前側高輝度部Ｐから離間する方向へ移動した状態を、（ｂ）は後側高輝度部Ｑが前側高輝度部Ｐに接近する方向へ移動した状態を、（ｃ）は、前二者の中間の状態をそれぞれ示している。

本発明者等は、上記した後側高輝度部Ｑの変動に着目し、該後側高輝度部Ｑの位置の変動を計測することで、ブローアウトの発生状況を把握できることを確認した。そこで、ＣＣＤカメラ８により撮像された実画像（可視画像）から所定の色成分（例えば、赤成分）を抽出してモノクロ画像を得、さらに、前記モノクロ画像を所定のしきい値で２値化して２値化画像を得、この２値化画像について画像解析した。

図４は、上記のようにして得たモノクロ画像および２値化画像の一例を、正常溶接時とブローアウト発生時とで対比して示したものである。これより、モノクロ画像を２値化することによって後側高輝度部Ｑが明瞭になり、その位置を正確に特定することが可能になる。後側高輝度部Ｑの位置は、例えば、正常溶接時に得られるドーナツ状画像の円中心（キーホール４の中心に相当）から後側高輝度部Ｑの後端（溶接方向Ｆの後側）までの距離を求めることで確定できる。この距離は、ＣＣＤカメラ８により撮像した画像においてはビスクセル数をカウントすることで簡単に求めることができる。なお、この距離は、他の部位、例えば、前側高輝度部Ｐの最前端や溶接用レーザ光Ａ（図１）の照射中心を基準に求めるようにしてもよい。

図５は、上記のようにして求めた後側高輝度部Ｐの位置の変動（経時変化）の一例を示したものである。これより、後側高輝度部Ｑの位置は、正常溶接時にはほとんど変動が無く安定しているが、ブローアウトが発生すると、激しく変動する。したがって、この後側高輝度部Ｑの位置の変動を捉えることでブローアウト発生の有無を把握できることになる。この場合、後側高輝度部Ｑの位置変動の特定は、変動周波数によって行なっても、あるいは変動幅によって行なってもよく、これらの値を予め設定したしきい値と比較することで、ブローアウト発生の有無を把握できる。

本実施形態において、上記信号処理装置９内の画像解析手段１１は、ＣＣＤカメラ８により撮像した画像をモノクロ化および２値化する機能と、この２値化した画像から上記後側高輝度部Ｑの位置を特定し、その位置変動（図５）を演算する機能とを有している。一方、良否判定手段１２には、前記画像解析手段１１で得られた後側高輝度部Ｑの位置変動の演算結果を予め設定したしきい値と比較してブローアウト発生の有無を判断する機能を有している。

上記のように構成したレーザ溶接品質評価装置においては、溶接開始と同時に、ＣＣＤカメラ８による高速（例えば、毎秒３０コマ）での撮影が開始され、これにより、信号処理装置９内の画像解析手段１１にはＣＣＤカメラ８により撮像された１コマごとの画像が高速で送出される。画像解析手段１１は、ＣＣＤカメラ８から送出された画像を解析して、前記した要領で後側高輝度部Ｑの位置変動（図５）を演算し、その演算結果（変動周波数、変動幅等）を良否判定手段１２へ送出する。すると、良否判定手段１２は、前記演算結果と予め記憶したしきい値とを比較し、演算結果がしきい値を超えるときにブローアウト発生と判断する。なお、必要により、この判断結果を、前記ＣＣＤカメラ８により撮像した画像あるいは２値化画像と合せて表示装置に表示させるようにしてもよい。

上記実施形態においては、溶接用レーザ光Ａの反射光Ｂを、レーザ光Ａと同軸でＣＣＤカメラ８に取込むようにしたが、本発明は、ＣＣＤカメラ８をレーザトーチ１の側方に配置して、溶接用レーザ光Ａと非同軸で反射光ＢをＣＣＤカメラ８に取込むようにしてもよいものである。ただし、この場合は、得られる画像が前記同軸で反射光を取込む場合と異なるので、ＣＣＤカメラによって得られた画像とブローアウトとの関係について、事前に把握しておく必要がある。

本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示す模式図である。 本レーザ溶接品質評価装置で得られる、正常溶接時の画像を示す写真である。 本レーザ溶接品質評価装置で得られる、ブローアウト発生時の画像を示す写真である。 ＣＣＤカメラで撮像した画像をモノクロ化した画像および前記モノクロ化した画像を２値化した画像を、正常溶接時とブローアウト発生時とで対比して示す写真である。 図４に示した２値化画像を解析して得られた後側高輝度部の位置変動を、正常溶接時とブローアウト発生時とで対比して示すグラフである。

符号の説明

１ レーザトーチ
４ キーホール
５ 溶融池（溶融部）
７ 光学フィルタ
８ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
９ 信号処理装置（信号処理手段）
１１ 画像解析手段
１２ 良否判定手段
Ａ 溶接用レーザ光
Ｂ レーザ光の反射光
Ｐ 前側高輝度部
Ｑ 後側高輝度部
Ｗ 被溶接物

Claims (4)

1. レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融池およびその周辺を撮像し、この撮像した画像における、溶接方向後側に位置する後側高輝度部の位置変動に基いてブローアウト発生の有無を判断することを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
2. 撮像した画像を２値化し、この２値化した画像上で後側高輝度部の位置を特定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質評価方法。
3. レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融池およびその周辺を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像した画像における、溶接方向後側に位置する後側高輝度部の位置変動に基いてブローアウト発生の有無を判断する信号処理手段とを備えていることを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。
4. 撮像手段が、ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接品質評価装置。
   
   

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