JP4300433B2 - レーザ溶接品質評価方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接品の品質を評価する技術に係り、特に溶接部からのレーザ反射光で得られる溶接時反射光画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法及びその装置に関する。

従来のレーザ溶接品質評価方法の例として、特許文献１及び特許文献２に示されるものがある。
特許文献１に示されるレーザ溶接品質評価方法は、レーザ照射位置から発生する光を溶接用レーザ光と光軸が同軸になるようにしてレーザ反射光と蒸気発光に波長分離して計測を行い、これにより溶接品質を評価するようにしている。
特許文献２に示されるレーザ溶接品質評価方法は、レーザ反射光を画像として把握して溶接品質の評価を行うようにしている。
また、レーザ溶接を行うレーザ加工装置では、レーザ溶接によって生じるスパッタ（溶融金属の飛散）やヒューム（煙状のガス）からレーザの光学系を保護するために一般に保護ガラスを設けているが、その保護ガラスの状態を監視する方法が、特許文献３、４に示されている。
特開２０００−４２７６９号公報 特開２００６−０４３７４１号公報 特開平４−１１８１９３号公報 特開２００２−３６１４５２号公報

ところで、レーザ溶接を行う場合、上述したようにレーザの光学系を保護するために保護ガラスを設けることが一般に行われているが、溶接を繰返して行うと、スパッタ等が保護ガラスに付着する場合がある。この場合、レーザと同軸に設置され、レーザ照射の対象となる溶接部からのレーザ反射光を入射してその光に基づいた画像（レーザ反射光画像）を取得するＣＣＤカメラなどの撮像手段には、それら（異物）の反射光（異物反射光）も入射される。そして、撮像手段が入射するレーザ反射光には、異物反射光も含まれ、これに伴い、撮像手段が取得するレーザ反射光画像には、溶接部のみの情報に限らず、異物情報も加わることになる。
このため、品質評価のために画像解析する反射光の特定が不安定になる。また、その反射光を溶融金属あるいはキーホールの変動成分として誤認してしまい判定結果も不安定なものになる虞がある。この問題は、保護ガラスに付着する異物が大きい程、より顕著なものになる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、保護ガラスに付着する異物の影響を抑制して溶接品質の評価を良好に行うことができるレーザ溶接品質評価方法及びその装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、保護ガラスの状態を適性に把握することができるレーザ溶接品質評価方法及びその装置を提供することにある。

（発明の形態）
本願の発明は、レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して溶接部へのレーザ光の照射及び前記溶接部からのレーザ反射光の受光を行い、この受光されたレーザ反射光により前記溶接部を撮像し、この撮像により得られる溶接時画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法において、非溶接時であるパワーモニタ時に、前記溶接部に代えて配置された溶接されていない照射板からのレーザ反射光により前記照射板を撮像してパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得工程と、前記溶接時画像から前記パワーモニタ時画像を差分して前記溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得る差分処理工程と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、溶接時画像からパワーモニタ時画像を差分して溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得ており、差分処理におり保護ガラスに付着したものの反射光が除去されるので、保護ガラスに付着する異物の影響を受けずに溶接品質の評価を良好に行うことができる。
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。

本発明は、次の（１）〜（６）項の態様で構成される。（１）〜（６）項の態様が夫々請求項１〜６に相当している。
（１） レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して溶接部へのレーザ光の照射及び前記溶接部からのレーザ反射光の受光を行い、この受光されたレーザ反射光により前記溶接部を撮像し、この撮像により得られる溶接時画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法において、非溶接時であるパワーモニタ時に、前記溶接部に代えて配置された溶接されていない照射板からのレーザ反射光により前記照射板を撮像してパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得工程と、前記溶接時画像から前記パワーモニタ時画像を差分して前記溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得る差分処理工程と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
（２） 前記パワーモニタ時画像取得工程におけるパワーモニタ時画像の取得は、レーザの照射開始から時系列で行われ、得られた時系列パワーモニタ時画像が記憶され、前記差分処理工程では、前記溶接時画像をレーザの照射開始から時系列で取得すると共に、その時系列の溶接時画像から前記時系列パワーモニタ時画像を、時系列を一致させて差分することを特徴とする（１）項に記載のレーザ溶接品質評価方法。

（３） レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して、照射板からのレーザ反射光を、非溶接時であるパワーモニタ時に受光し、この受光したレーザ反射光により撮像を行ってパワーモニタ時画像を得、前記パワーモニタ時画像に基づいて、前記保護ガラスの状態を判断することを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
（４） レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して溶接部へのレーザ光の照射及び前記溶接部からのレーザ反射光の受光を行い、この受光されたレーザ反射光により前記溶接部を撮像し、この撮像により得られる溶接時画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価装置において、非溶接時であるパワーモニタ時に、前記溶接部に代えて配置された溶接されていない照射板からのレーザ反射光により前記照射板を撮像してパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得手段と、前記溶接時画像から前記パワーモニタ時画像を差分して前記溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得る差分処理手段と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。

（５） 前記パワーモニタ時画像取得手段におけるパワーモニタ時画像の取得は、レーザの照射開始から時系列で行われ、得られた時系列パワーモニタ時画像が記憶され、前記差分処理手段では、前記溶接時画像をレーザの照射開始から時系列で取得すると共に、その時系列の溶接時画像から前記時系列パワーモニタ時画像を、時系列を一致させて差分することを特徴とする（４）項に記載のレーザ溶接品質評価装置。
（６） レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して、照射板からのレーザ反射光を、非溶接時であるパワーモニタ時に受光する照射板レーザ反射光受光手段と、該照射板レーザ反射光受光手段が受光したレーザ反射光により撮像を行ってパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得手段と、該パワーモニタ時画像取得手段が取得したパワーモニタ時画像に基づいて、前記保護ガラスの状態を判断する保護ガラス状態判断手段と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。

（１）、（４）項の態様によれば、溶接時画像からパワーモニタ時画像を差分して溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得ているので、差分処理におり保護ガラスに付着したものの反射光が除去され、保護ガラスに付着する異物の影響を受けずに溶接品質の評価を良好に行える。
（２）、（５）項の態様によれば、保護ガラスの熱歪の影響を受けない本来の溶接だけに基づく反射光画像〔差分処理後の画像〕を得ることができ、その分、溶接品質の評価精度を向上できる。
（３）、（６）項の態様によれば、パワーモニタ時画像に基づいて保護ガラスの状態を判断しており、パワーモニタ時に保護ガラスの汚れや劣化を認識できる。このため、サイクルタイムの伸びなしにレーザ加工出力低下などの生産品質低下を図ることができる。

本発明によれば、溶接時画像からパワーモニタ時画像を差分して溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得ており、差分処理におり保護ガラスに付着したものの反射光が除去されるので、保護ガラスに付着する異物の影響を受けずに溶接品質の評価を良好に行うことができる。

以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一実施形態を示したものである。同図において、１は溶接用トーチであり、溶接用トーチ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。溶接用トーチ１の先端側には、前記光学系を保護するように保護ガラス１５が設けられている。
被溶接物Ｗは、ここでは相互に重ね合された２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、レーザ溶接に際しては、溶接用トーチ１から出射されるレーザ光Ａが上側の鋼板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、溶接用トーチ１が被溶接物Ｗに対して溶接方向Ｆへ移動される。なお、溶接用トーチ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。

溶接用トーチ１の後端部には、溶融部５及びその周辺（以下、適宜、両者を合わせて溶接部という。）から反射されるレーザ光の反射光を、保護ガラス１５及び光学フィルタ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により溶融部５及びその周辺の画像を得る。
一般に、レーザ溶接を繰返し行うと、保護ガラス１５には上述したようにスパッタ等（以下、便宜上、異物という。）が付着する。そして、保護ガラス１５に異物が付着していた場合、溶接時画像には異物の反射光による画像（以下、便宜上、異物画像という。）が含まれている。

また、別途、信号処理装置９及び品質判定装置１７が設けられており、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。
また、このレーザ溶接品質評価装置には、溶接対象とは別個に、照射板２０が用意されている。そして、非溶接時であるパワーモニタ時に、実際のレーザ溶接の場合と同様に照射板２０の表面へのレーザ照射を行い、ＣＣＤカメラ８が、照射板２０からのレーザ光の反射光（レーザ反射光）を受けて可視化画像（パワーモニタ時画像）を得、このパワーモニタ時画像は、後述するメモリに記憶されている。
そして、保護ガラス１５に異物が付着していた場合、パワーモニタ時画像には、前記溶接時画像の場合と同様に、異物画像が含まれている。

信号処理装置９は、メモリ２１及び差分処理回路２２（差分処理手段）を含んでいる。
メモリ２１は、上述したようにしてＣＣＤカメラ８が得たパワーモニタ時画像を記憶する。
差分処理回路２２は、ＣＣＤカメラ８が得る溶接時画像をリアルタイムで入力を受け、当該溶接時画像からメモリ２１に記憶されているパワーモニタ時画像を差分し、差分処理反射光画像（適宜、差分処理後の画像ともいう。）を得る。差分処理回路２２の差分処理により、溶接時画像及びパワーモニタ時画像に含まれていた異物画像は相殺され、差分処理により得られる差分処理反射光画像は異物画像を含まないものになっている。
品質判定装置１７は、差分処理回路２２が得た差分処理反射光画像を用いて溶接品質の判定を行う。上述したように差分処理反射光画像が異物画像を含まないものになっていることから、品質判定装置１７は、保護ガラス１５に付着する異物の影響を受けずに溶接品質の評価を良好に行うことができる。
換言すれば、本実施形態によれば、品質評価のために画像解析する反射光の特定、その分布パターンの抽出が安定し、溶接品質の判定結果の信頼性が極めて高くなる。

本願発明者等は、第１実施形態を、実際に行ったレーザ溶接を通して、２度（以下、便宜上、事例１、２という。）実行した。そして、事例１、２の夫々において、溶接時画像、パワーモニタ時画像及び差分処理反射光画像（差分処理後の画像）ひいては各画像に基づく夫々のカラー画像を得た。各カラー画像を白黒でコピーしたものを事例１、２に対応して図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。事例１（ａ）、（ｃ）の中央部分の白色表示部分、事例２（ａ）、（ｃ）の中央の白色の三日月形状およびその後方部分が溶融部である。図２に示すように、溶接時画像〔図２（ａ）〕からパワーモニタ時画像〔図２（ｂ）〕を差分することにより、本来の溶接による反射光に基づく差分処理反射光画像（差分処理後の画像）〔図２（ｃ）〕が得られた。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
前記第１実施形態では、例えば図２において、溶接時画像〔例えば事例２（ａ）〕からパワーモニタ時画像〔事例２（ｂ）〕を差分することにより、背景の雑音が除去された画質が良い画像（差分処理後の画像）〔事例２（ｃ）〕が得られた。ところで、詳細な画像解析を要する場合に特に注意が必要となることであるが、溶接時画像が背景と同レベルの明るさを含む場合、溶接時画像のうち背景と同レベルの明るさの部分の画像までもが相殺される可能性がある。第２実施形態は、上記問題点の改善を図るために、スパッタ等の付着に起因する外乱となる反射光成分だけを除去するようにした。以下、その手法について説明する。

第２実施形態では、大略、パワーモニタ時画像〔図３（ａ）参照〕から背景成分を除去し、パワーモニタ時画像に代えて「背景成分を除去したパワーモニタ時画像」〔図３（ｃ）参照〕を採用し、溶接時画像から「背景成分を除去したパワーモニタ時画像」を差分して差分処理後の画像を得るようにしている。
パワーモニタ時画像〔当該画像（カラー）の一例を白黒でコピーしたものを図３（ａ）に示す。〕について輝度ヒストグラムをとると、その輝度ヒストグラムは、図３（ｂ）に示すように明るい反射光以外の背景成分の輝度値の頻度が最大となる。つまり、頻度が最大となる輝度値よりも高輝度側に除去すべき反射光成分が存在する。そこで、パワーモニタ時の反射光画像からこの輝度値を一律して差分すると、背景成分の影響が緩和され、スパッタ等の付着に起因した反射光成分に基づく画像〔「背景成分を除去したパワーモニタ時画像」、図３（ｃ）参照〕となる。この画像〔「背景成分を除去したパワーモニタ時画像」〕を溶接時の反射光画像（溶接時画像）から差分することで、品質が高い画像（差分処理後の画像）が得られる。

本願発明者等は、第２実施形態を、実際に行ったレーザ溶接を通して、２度（以下、便宜上、事例３、４という。）実行した。そして、事例３、４の夫々において、溶接時画像、「背景成分を除去したパワーモニタ時画像」〔パワーモニタ時画像（背景成分除去）〕、及び差分処理反射光画像（差分処理後の画像）ひいては各画像に基づく夫々のカラー画像を得た。各カラー画像を白黒でコピーしたものを事例３、４に対応して図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す。事例３（ａ）、（ｃ）の中央部分の白色表示部分、事例４（ａ）、（ｃ）の中央の白色の三日月形状およびその後方部分が溶融部である。図４に示すように、溶接時画像〔図４（ａ）〕からパワーモニタ時画像（背景成分除去）〔図４（ｂ）〕を差分することにより、本来の溶接による反射光に基づく差分処理反射光画像（差分処理後の画像）〔図４（ｃ）〕が得られた。

次に、本発明の第３実施形態を説明する。
第３実施形態は、時系列での差分処理を行うことでより安定な反射光画像を得るようにしている。一般に、パワーモニタ時及び溶接時に関係なくレーザ照射中は、保護ガラス１５の熱歪などが影響して、スパッタ等の付着に起因した反射光が流動する〔反射光の方向（位置を含む）が熱歪の発生有無や発生程度により異なる〕場合がある。このような場合、単純にパワーモニタ時の代表画像あるいは平均画像を差分しても、反射光の位置変化分を除去することができない。
そこで、同一出力でレーザが照射されるパワーモニタ時及び溶接時共に保護ガラス１５に与える熱歪が同様に生じることに着目し、パワーモニタ時の反射光画像を時系列情報として保持・更新し、溶接時には、レーザの照射開始から時系列にパワーモニタ時の反射光画像を前記第１、第２実施形態に沿った方法で差分する。
この第３実施形態によれば、保護ガラス１５の熱歪の影響を受けない本来の溶接だけに基づく反射光画像〔差分処理後の画像〕を得ることができる。

次に、本発明の第４実施形態を説明する。
この第４実施形態は、保護ガラス１５の状態をパワーモニタ時の反射光画像から判断する物である。
保護ガラス１５の劣化が進むと、場合によっては損傷に至り、溶接用レーザの光学系に影響する可能性が生じる。ところで、パワーモニタ時には、溶接に基づく反射光以外の反射光情報が得られることに着目し、その反射光の強度、面積などの情報を抽出して保護ガラス１５の状態を判断する。
この実現のために、本第４実施形態では、パワーモニタ時の反射光画像に対して、当該画像に含まれる微小な明暗雑音を除去するための平滑化フィルタ処理を行い、この処理により得られた画像を、スパッタの付着等による過剰な反射成分として認識すべき輝度値よりも低い輝度値で画像を２値化して保護ガラス１５判定用画像を得る。ここで、２値化レベルは、例えば、画像の輝度ヒストグラムから得られる背景成分によるピーク値に相当する輝度値の所定倍の輝度値とする。後述する図５の例では、「所定倍の輝度値」の所定倍として３倍を設定している。
本実施形態によれば、パワーモニタ時に保護ガラス１５の汚れや劣化を認識できる。このため、サイクルタイムの伸びなしにレーザ加工出力低下などの生産品質低下を図ることができる。

本願発明者等は、実際に行ったレーザ溶接を通して、パワーモニタ時の反射光画像〔図５（ａ）に当該画像（カラー）を白黒でコピーしたものを示す。〕について上述したように平滑化処理し、さらに、上記２値化レベル（背景成分によるピーク値に相当する輝度値の３倍の輝度値）で２値化処理し、これにより保護ガラス１５判定用画像〔図５（ｂ）に当該画像（カラー）を白黒でコピーしたものを示す。〕を得た。図５（ｂ）の画像では反射光が強い２つの領域〔光強度大領域。図５（ｂ）右側部分、右下側部分〕が残存する。
これらの各光強度大領域の左右端、上下端から当該領域の面積を概略算出する。算出された概略面積が予め定めたしきい値以上の場合、パワーモニタ時の反射光画像には過剰な反射成分が含まれている、すなわち、溶接に基づく反射光以外の反射光情報が含まれている、ひいては保護ガラス１５にはスパッタ等の付着又は劣化が生じていると判断する。
この判断結果に基づいて、オペレータに前記判断結果を報知する。この報知により、レーザ溶接装置の点検時期を適切に設定し、装置の稼働の適正化を図ることができる。

本発明の第１実施の形態に係るレーザ溶接品質評価装置を模式的に示す図である。 実際に行ったレーザ溶接を通して行われた第１実施形態の実行例である事例１、２における溶接時画像、パワーモニタ時画像及び差分処理反射光画像（カラー）の夫々を白黒でコピーしたものを含む図である。 本発明の第２実施形態を示す図であり、（ａ）はパワーモニタ時画像、（ｂ）は輝度ヒストグラム、（ｃ）は背景成分を除去したパワーモニタ時画像である。 実際に行ったレーザ溶接を通して行われた第２実施形態の実行例である事例３、４における溶接時画像、背景成分を除去したパワーモニタ時画像、及び差分処理反射光画像（カラー）の夫々を白黒でコピーしたものを含む図である。、第２実施形態を 実際に行ったレーザ溶接を通して行われた第４実施形態の実行例を示す図であり、（ａ）部に、パワーモニタ時の反射光画像を白黒でコピーしたものを示し、（ｂ）部に、保護ガラス１５判定用画像を白黒でコピーしたものを示した図である。

符号の説明

８…ＣＣＤカメラ、９…信号処理装置、１５…保護ガラス、１７…品質判定装置、２０…照射板、２１…メモリ、２２…差分処理回路。

Claims (6)

1. レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して溶接部へのレーザ光の照射及び前記溶接部からのレーザ反射光の受光を行い、この受光されたレーザ反射光により前記溶接部を撮像し、この撮像により得られる溶接時画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価方法において、
   非溶接時であるパワーモニタ時に、前記溶接部に代えて配置された溶接されていない照射板からのレーザ反射光により前記照射板を撮像してパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得工程と、
   前記溶接時画像から前記パワーモニタ時画像を差分して前記溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得る差分処理工程と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
2. 前記パワーモニタ時画像取得工程におけるパワーモニタ時画像の取得は、レーザの照射開始から時系列で行われ、得られた時系列パワーモニタ時画像が記憶され、
   前記差分処理工程では、前記溶接時画像をレーザの照射開始から時系列で取得すると共に、その時系列の溶接時画像から前記時系列パワーモニタ時画像を、時系列を一致させて差分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. レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して、照射板からのレーザ反射光を、非溶接時であるパワーモニタ時に受光し、
   この受光したレーザ反射光により撮像を行ってパワーモニタ時画像を得、
   前記パワーモニタ時画像に基づいて、前記保護ガラスの状態を判断することを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
4. レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して溶接部へのレーザ光の照射及び前記溶接部からのレーザ反射光の受光を行い、この受光されたレーザ反射光により前記溶接部を撮像し、この撮像により得られる溶接時画像を用いて溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価装置において、
   非溶接時であるパワーモニタ時に、前記溶接部に代えて配置された溶接されていない照射板からのレーザ反射光により前記照射板を撮像してパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得手段と、
   前記溶接時画像から前記パワーモニタ時画像を差分して前記溶接品質評価のための差分処理反射光画像を得る差分処理手段と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。
5. 前記パワーモニタ時画像取得手段におけるパワーモニタ時画像の取得は、レーザの照射開始から時系列で行われ、得られた時系列パワーモニタ時画像が記憶され、
   前記差分処理手段では、前記溶接時画像をレーザの照射開始から時系列で取得すると共に、その時系列の溶接時画像から前記時系列パワーモニタ時画像を、時系列を一致させて差分することを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接品質評価装置。
6. レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して、照射板からのレーザ反射光を、非溶接時であるパワーモニタ時に受光する照射板レーザ反射光受光手段と、
   該照射板レーザ反射光受光手段が受光したレーザ反射光により撮像を行ってパワーモニタ時画像を得るパワーモニタ時画像取得手段と、
   該パワーモニタ時画像取得手段が取得したパワーモニタ時画像に基づいて、前記保護ガラスの状態を判断する保護ガラス状態判断手段と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。