JP4240220B2

JP4240220B2 - レーザ溶接品質検査方法及び装置

Info

Publication number: JP4240220B2
Application number: JP2003350702A
Authority: JP
Inventors: 清市松本; 和久三瓶; 芳朗粟野; 博行河木; 綱次北山; 宗久松井; 吾朗渡辺
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005111538A

Description

本発明は、被溶接金属物にレーザ光を照射して行うレーザ溶接において、溶接部からの光を検出して溶接の品質を検査するレーザ溶接品質検査方法及び装置に関するものである。

この種の溶接品質検査方法には、従来、溶接部（レーザ光照射部）からの光のうち、照射されたレーザ光の反射光の強度変化に基づいて溶接部の欠陥を検出するというものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−４２７６９号公報

上記従来技術では、溶接部のキーホールの挙動に基づいて欠陥を判別しているが、溶接現象は極めて複雑であり、キーホールの挙動だけでは溶接状態を正確に判別できないことも多く、溶接品質の検査精度の高度化に限界があった。
本発明の目的は、上記のような実情に鑑みなされたもので、レーザ光を用いた重ね合わせ溶接において、より精度の高い溶接品質の検査が可能なレーザ溶接品質検査方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明は、複数の被
溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査方法において、前記被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からの前記レーザ光の反射光を受光することにより取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度に基づいて溶接品質の良否を判定することを特徴とする。

また、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明は、複数の被溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査装置において、前記被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からの前記レーザ光の反射光を受光することにより、前記溶接部及びその近傍部分における溶融金属領域画像を取り込む撮像手段と、該撮像手段により取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度を数値で求め、この数値に基づいて溶接品質の良否を判定する処理手段とを具備することを特徴とする。

更に、特許請求の範囲の請求項３に記載の発明は、上記請求項２に記載の発明において、撮像手段は光電変換手段を有し、該光電変換手段に前記レーザ光の反射光のみを入射させるための光学フィルタを備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明では、レーザ溶接における品質検査において、被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からのレーザ光の反射光を受光することにより取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度に基づいて溶接品質の良否を判定するようにした。

また、請求項２に記載の発明では、レーザ溶接における品質検査において、被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からのレーザ光の反射光を受光することにより取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度を数値で求め、この数値に基づいて溶接品質の良否を判定するようにした。
レーザ光の反射光に基づく、溶接部及びその近傍部分における溶融金属領域画像、特に溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像が溶接品質の良否を高い確度で表すことは本発明者らによって見い出されている。しかも請求項１では、上記のように判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度に基づいて溶接品質の良否を判定するようにした。また請求項２では、上記輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度を数値で求め、この数値に基づいて溶接品質の良否を判定するようにした。
したがって本発明（請求項１、２）によれば、レーザ光を用いた重ね合わせ溶接において、判定結果にばらつきが生ずることがなく、安定した、また精度の高い良否判定が可能となる。特に、請求項２によれば、判定結果にばらつきが生じない点について、顕著な効果を有する装置を提供できる。
請求項３に記載の発明によれば、請求項２に記載の装置において、レーザ光の波長域を透過帯域とする光学フィルタを選択して、更に精度の高い良否判定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明者らは、レーザ溶接における品質検査において、上記のような目的を達成するため鋭意、実験・検討を重ねた結果、レーザ光の反射光に基づく、溶接部及びその近傍部分における溶融金属領域画像が、溶接の品質の良、不良（良否）を高い確度で表わすことを見い出し、本発明を完成するに至った。

図１は、本発明によるレーザ溶接品質検査方法が適用された装置（本発明装置）の一実施形態の説明図で、装置側方から示す。
図１において、１はレーザ溶接用のトーチで、このトーチ１からのビーム状のレーザ光１ａを矢印イに示すように被溶接金属物２に照射して溶接を行う。
被溶接金属物２は、複数の被溶接部材、ここでは２枚の薄鋼板２ａ，２ｂが上下に重ね合わされたものであり、重ね合わせ溶接は、このような被溶接金属物２（薄鋼板２ａ，２ｂ）にレーザ光１ａを照射して行う。
レーザ光１ａを出力するレーザ装置３には炭酸ガスレーザ装置やＹＡＧレーザ装置があり、ここではレーザ波長＝１０６４ｎｍのＹＡＧレーザ装置が用いられている。溶接は、トーチ１若しくは被溶接金属物２のいずれか一方、又はそれら双方を移動させ、ここではトーチ１を矢印ロ方向に移動させて行う。

撮像装置４は、被溶接金属物２の溶接部５及びその近傍部分からのレーザ光１ａの反射光１ｂを、前記被溶接金属物２のレーザ光照射側（上方）から受光し、上記溶接部５及びその近傍部分における溶融金属を平面視した溶融金属領域画像（溶融金属パターン画像）を取り込む撮像手段を構成する。
この撮像装置４は、図示例では受光用光学系４ａと光学フィルタ４ｂと光電変換手段４ｃとからなる。
受光用光学系４ａは、被溶接金属物２の溶接部５及びその近傍部分からの光（レーザ光の反射光、溶接により発生するプラズマ光、溶融金属の熱輻射光、その他の光を含む。以下、溶接光と称する。）を光学フィルタ４ｂに入射させるものである。受光用光学系４ａは、この例では、トーチ１内において、被溶接金属物２に照射されるレーザ光１ａの光軸と同軸になるようにして上記溶接光をトーチ１外部に取り出すビームスプリッタや、取り出された溶接光を光学フィルタ４ｂの光入射面に集光する集光レンズ等（図では集光レンズのみを示す）を備えてなる。
光学フィルタ４ｂは、受光用光学系４ａからの光（入射溶接光）からレーザ光１ａの反射光１ｂのみを透過させるフィルタ、具体的にはレーザ光１ａの波長域を透過帯域とする干渉フィルタからなる。ここでは、波長＝１０６４ｎｍのレーザ光１ａの反射光（レーザ光反射光）１ｂのみを透過させる干渉フィルタを用いてなる。
光電変換手段４ｃは、光学フィルタ４ｂからのレーザ光反射光１ｂを、その強度に応じた電気信号に変換する手段であり、例えばＣＣＤカメラやラインセンサを用いてなる。
なお、光学フィルタ４ｂは、種々の光を含んだ溶接光ではなく、溶接光中のレーザ光反射光１ｂのみを光電変換手段４ｃに入射させるために設けられたフィルタであるので、その位置は受光用光学系４ａと光電変換手段４ｃとの間のみに限定されることはない。例えば、受光用光学系４ａの光入射面側、あるいは受光用光学系４ａ中に組込み、配置してもよい。

撮像装置４は、トーチ１に一体に取り付けられており、溶接時、溶接部５の移動に追従して溶接部５及びその近傍部分からのレーザ光反射光１ｂを受光する。つまり、上記溶接部５及びその近傍部分における溶融金属領域画像を含むレーザ光反射領域画像を一定時間間隔、例えば数ミリ秒間隔で取り込む。
この撮像装置４によって取り込まれたレーザ光反射領域画像中の溶融金属領域画像は、溶接の品質の良否を高い確度で表わす。

処理装置６は、撮像装置４から送られてきたレーザ光反射領域画像中の溶融金属領域画像に対して後述する演算を行い、溶接品質の良否を判定する処理手段を構成する。
なお図１において、１１（被溶接金属物２の左右方向におけるほぼロート状の領域）はキーホール部分を示し、１２は被溶接金属物２の図中左右方向におけるキーホール中心位置を示す。また１３（上記ロート状の領域の図中右側を仕切る円弧で示す位置）は、被溶接金属物２の断面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１３より、図中右側（溶接進行方向に対して後側）に溶融池が広がる。溶接品質の良否の判定対象となる溶融金属領域画像は、上記キーホール部分１１及びこのキーホール部分１１から溶接進行方向に対して後側に展開される溶融金属の画像である。

上記処理装置６が行う演算例につき、図２を参照して説明する。
図２（ａ）は、撮像装置４から送られてきた溶融金属領域画像を含むレーザ光反射領域画像を模式的に示す図である。ここでは正常に溶接された（溶接品質が良と判定された）場合の画像を模式的に示す。なお、図中左側が溶接進行側、つまり前方向、右側が後方向である。
この図において、１１（円形部分）はレーザ光１ａの照射によって生じたキーホール部分、２１はレーザ光１ａの中心（図１中のキーホール中心１２）、２２（弓形部分）はキーホール部分１１の直ぐ前側の未溶部分である。キーホール１１部分は溶融金属部分であり、溶融金属領域画像として有効な部分である。キーホール部分１１の直ぐ前側の部分については未溶部分２２であるが、レーザ光反射光１ｂが強いので光学フィルタ４ｂを透過し、画像として現れる。しかしこの未溶部分２２は、溶接品質の良否の判定対象となる溶融金属領域画像として無効な部分である。
溶接品質の良否の判定対象となる溶融金属領域画像は、上述したように、キーホール部分１１及びこのキーホール部分１１から溶接進行方向に対して後側に展開される画像であり、例えば図中破線で示す解析・判定エリア２３内の画像である。解析・判定エリア２３は、溶接の結果（品質の良否）を顕著に表す溶融金属領域画像中のエリアであれば、図示するエリアに限定されない。

図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す画像において、横方向に並ぶ各画素位置毎の縦方向一列の各画素の輝度値の総和（輝度積算値）を求め、その輝度積算値を縦軸に、画像横方向位置を横軸にとって表したグラフである。
なお、この図２（ｂ）においても、左側が溶接進行側（前方向）、右側が後方向である。エリア２３’は、解析・判定エリア２３の横方向（溶接進行方向）の範囲に対応するもので、このエリア２３’内における曲線は、溶接部５の溶接結果の特徴を表す。以下、このエリア２３’内における曲線を輝度積算パターンと称する。

処理装置６は、この図２（ｂ）の縦軸に示す輝度積算値を演算するもので、演算結果（輝度積算パターンを表す各データ）は、例えば画像横方向の各画素位置に対応してその位置の輝度積算値を記したテーブルとして保存される。
図２（ａ）に示す画像中の各画素の輝度値は、例えば撮像装置４から送られてきた画像を二値化し、キーホール部分１１や未溶部分２２のようなレーザ光反射光１ｂの強い高輝度部分を「１」、それ以外の部分を「０」とした二値で表される。撮像装置４から送られてきたままの輝度値、例えば０〜２５５までの輝度値をそのまま図２（ａ）に示す画像中の各画素の輝度値として用い、輝度積算値を演算してもよい。
実際の品質良否判定に用いる画像（溶融金属領域画像）は解析・判定エリア２３内の画像であるので、輝度積算値の演算範囲を、最初から解析・判定エリア２３内に限ってもよい。

いずれにしても、溶融金属領域画像は、溶接の品質の良否を高い確度で表わす。特に、解析・判定エリア２３内の溶融金属領域画像は、溶接の品質の良否を顕著に表す。
図３（ａ）〜（ｅ）は、この様子を示す溶融金属領域画像の概略図で、各図において、図２（ａ）と同一符号は同一又は相当部分を示す。
図３中、（ａ）は溶接品質が良（正常）の場合を例示する。（ｂ）〜（ｅ）は、いずれも溶接品質が不良の場合を例示するもので、（ｂ）は「引け」、（ｃ）は「溶け落ち」、（ｄ）は「溶断」、（ｅ）は「分離」と称する品質不良が生じた場合を例示する。
正常な溶接時には、図３（ａ）に示すように、キーホール内壁等からのレーザ光１ａ（図１参照）の多重反射による弧状の高輝度部３１が、レーザ光中心２１近傍にあって同レーザ光中心２１を取り巻くように比較的広い範囲に観察される。

図３（ｂ）〜（ｅ）に示す解析・判定エリア２３内の溶融金属領域画像を、各々図３（ａ）に示す解析・判定エリア２３内の溶融金属領域画像と比較して分かるように、両者間の画像パターン（高輝度部パターン）に顕著な相違が生じている。
このことは、図３（ｂ）〜（ｅ）に示す画像における輝度積算パターンが、各々図３（ａ）に示す画像における輝度積算パターン（図２（ｂ）中のエリア２３内の曲線参照）とは顕著に相違することを意味する。したがって、後者の図３（ａ）に示す画像における輝度積算パターンが溶接品質が良とされる代表例であるとすると、この後者の輝度積算パターンを基準として溶接品質の良否を判定できる。
具体的には、基準とされる輝度積算パターンを基準輝度積算パターンと称すると、溶接中に、撮像装置４によってリアルタイムで取り込まれるレーザ光反射領域画像中の溶融金属領域画像、特に解析・判定エリア２３内の溶融金属領域画像について各々得られる輝度積算パターンを、処理装置６により上記基準輝度積算パターンと比較して、溶接品質の良否を判定できる。このようなパターン（データ）同士の比較による溶接品質の良否判定によれば、判定結果にばらつきが生ずることがなく、安定した、また精度の高い良否判定が可能となる。

実際の検査装置においては、基準輝度積算パターンは溶接品質が良とされる複数の輝度積算パターンから平均的なパターンが設定される。
また、多種類の溶接に対応可能とするために、レーザ出力、溶接速度、溶接される上下の被溶接金属板（薄鋼板２ａ，２ｂ等）の板厚、溶接姿勢等の溶接条件別に多種類の基準輝度積算パターンが用意され、溶接条件が変更される度に、その溶接条件に合った基準輝度積算パターンが選択、設定される。
更に、比較される輝度積算パターンが基準輝度積算パターンと正確に合致する場合のみを溶接品質良とすることは現実的ではない。そこで実際には、ある程度の許容範囲をもたせるために、比較される輝度積算パターンが基準輝度積算パターンとどの程度相関するかの相関係数を求め、その値が予め設定された閾値を超えた場合に溶接品質良と判定するようになされている。

すなわち本実施形態においては、図４に示すように、溶接に当たって以下の準備（事前準備）をしておく。
まず、ステップ４１１において、同一の及び異なる溶接条件で各々多数回、テスト溶接を行い、多数の溶接例についてのレーザ光反射領域画像、より詳しくは溶融金属領域画像を取り込む。
ステップ４１２では、取り込んだ多数の溶融金属領域画像中の解析・判定エリア２３内の画像につき、各々輝度積算パターンを求める。
ステップ４１３では、得られた多数の輝度積算パターンのうち、溶接条件を同じくし、かつ予め目視等で溶接品質良と判定された場合の輝度積算パターンと同等の輝度積算パターン群から平均的なパターンを求める。この輝度積算パターンの平均化処理は異なる溶接条件毎に行う。
ステップ４１４では、ステップ４１３で得られた溶接条件毎の平均的な輝度積算パターンを各々その溶接条件についての基準輝度積算パターンとして保存する。
ステップ４１５では、実際の溶接に当たって所望の溶接条件を入力する。これにより、入力された溶接条件に対応する基準輝度積算パターンが装置内、具体的には処理装置６内に設定される。
通常、ステップ４１１〜４１４は実際の溶接に先立って纏めて行われ、ステップ４１５は実際に溶接を行う毎に行われる。
なお、ステップ４１１〜４１４を適時行って、基準輝度積算パターンを更新してもよい。基準輝度積算パターンの更新を、以下に述べる実際の溶接により得られた輝度積算パターンを併用して行うようにしてもよい。

ステップ４２１〜４２４は、実際の溶接時における処理フローを示す。
まず、ステップ４２１では、溶接開始後、予め設定された時間毎にレーザ光反射領域画像を取り込む。溶接品質の良否の判定対象となるのは溶融金属領域画像、特にその画像中の解析・判定エリア２３（図２参照）内の画像であるが、この解析・判定エリア２３内の画像もレーザ光反射領域画像の取り込みと共に取り込まれる。
ステップ４２２では、取り込んだ溶融金属領域画像中の解析・判定エリア２３内の画像につき、輝度積算パターンを求める。
ステップ４２３では、ステップ４２２で求められた輝度積算パターンと基準輝度積算パターンとの相関係数を演算する。ここで用いる基準輝度積算パターンは、ステップ４１４で保存された基準輝度積算パターンのうち、ステップ４１５で入力された溶接条件に対応する基準輝度積算パターンである。相関係数の演算は、公知の演算方法、例えばピアソンの積率相関係数の演算方法を用いて行われる。
ステップ４２４では、ステップ４２３で求められた相関係数の値が予め設定された閾値を超えた場合に溶接品質良と判定し、閾値以下の場合に溶接品質不良と判定する。
以下、撮像装置４から送出されるレーザ光反射領域画像、より詳しくは溶融金属領域画像中の解析・判定エリア２３内の画像につき、順次（１フレーム毎に）ステップ４２１〜４２４が繰り返される。

溶接条件を全く変えずに溶接する場合には、その溶接条件における単一の基準輝度積算パターンをステップ４１１〜４１３において求め、それをステップ４１４において処理装置６内に保存しておく。そして、実際の溶接時におけるステップ４２３の実行時、ステップ４２２で求められた輝度積算パターンとの相関係数を、ステップ４１４において保存された上記単一の基準輝度積算パターンとの間で求めればよい。したがってこの場合は、ステップ４１５における溶接条件の入力は省略される。

図５は、ある溶接例においてステップ４２３で演算された相関係数（値）の変化を、横軸に溶接位置（時間）をとって示したグラフ（相関係数曲線）である。各溶接位置における相関係数が予め設定された閾値、例えば０．７を超えた場合に溶接品質良と判定し、０．７以下の場合に溶接品質不良と判定するとした場合に、図示例は、全ての溶接位置について溶接品質不良と判定される。

画像表示装置７（図１参照）は、処理装置６による判定結果をリアルタイムで表示する装置で、例えば横方向に時間軸を採り、溶接の進行中、溶接不良が生じた場合に、その位置を他の位置（正常位置）と区別して表示するように構成される。具体的には、時間の経過に伴い、溶接が正常ならば右方向に直線状に線が描かれ、溶接不良が生じた時点でその箇所を不良の程度に応じた振幅をもつ振動波形を描くように表示する。これによれば、溶接不良が生じた時点（溶接不良箇所）と、その不良の程度とが表示画面から観察できる。溶接不良の程度（振幅の大きさ）と、「引け」や「溶け落ち」等、溶接不良の種類との間に対応付けが可能ならば、溶接不良の発生時に、「引け」、「溶け落ち」等の溶接不良の種類をも同時表示するようにしてもよい。
なお、処理装置６により得られる相関係数曲線を画像表示装置７にリアルタイム表示可能としてもよい。また、画像表示装置７の表示画像を録画し、溶接後において、溶接結果の画像による解析や確認に利用できるようにしてもよい。

上述実施形態では、レーザ光反射領域画像（溶融金属領域画像）を、溶接用のレーザ光１ａと同軸的に取り込むように構成したが、これのみに限定されることはなく、例えば、溶接進行方向前方側から取り込むように構成してもよい。図６はその一例を示す図で、この図６において、図１と同一又は相当部分に同一符号を付して図中、各部の説明を省略する。
上述実施形態の他、本発明の方法、装置は画像のパターンマッチングによる品質の特定方法、品質毎の積算信号をニューラルネット等で学習し、良否判定及び品質特定を行う方法等を採用実施することができる。

本発明方法が適用された装置（本発明装置）の一実施形態の説明図である。図１中の処理装置における演算例を説明するための図である。図１中の撮像装置から送られてくる画像例の概略を示す図である。本発明による溶接品質判定の手順を示すフローチャートである。図１中の処理装置で演算された相関係数の変化の一例を示すグラフである。本発明装置の他の実施形態の説明図である。

符号の説明

１ａ：レーザ光、１ｂ：レーザ光反射光（レーザ光の反射光）、２：被溶接物、２ａ，２ｂ：薄鋼板（被溶接部材）、４：撮像装置（撮像手段）、５：溶接部、６：処理装置（処理手段）。

Claims

複数の被溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査方法において、
前記被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からの前記レーザ光の反射光を受光することにより取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度に基づいて溶接品質の良否を判定することを特徴とするレーザ溶接品質検査方法。
複数の被溶接金属部材が重ね合わされた被溶接金属物にレーザ光を照射しつつその被溶接金属物及び／又はレーザ光を所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接金属物の重ね合わせ溶接を行うレーザ溶接における品質検査装置において、
前記被溶接金属物の溶接部及びその近傍部分からの前記レーザ光の反射光を受光することにより、前記溶接部及びその近傍部分における溶融金属領域画像を取り込む撮像手段と、
該撮像手段により取り込まれた溶融金属領域画像中のキーホール部分及びこのキーホール部分から溶接進行方向に対して後側に展開される判定対象溶融金属領域画像について、各画素の輝度値から求めた輝度積算値の溶接進行方向における変化を表す輝度積算パターンを得て、この輝度積算パターンと、正常な溶接時に得られる輝度積算パターンとの相関の程度を数値で求め、この数値に基づいて溶接品質の良否を判定する処理手段とを具備することを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。
請求項２に記載のレーザ溶接品質検査装置において、前記撮像手段は光電変換手段を有し、該光電変換手段に前記レーザ光の反射光のみを入射させるための光学フィルタを備えることを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。