JP4813505B2 - 溶接状態の検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接やアーク溶接により板状の材料を突合せ溶接したときの溶接部の状態を検査する方法に関する。より詳しくは、ビードの断面形状から溶接位置のズレの有無を判定し、必要に応じて溶接位置を補正する方法を提供するものである。

一対のワークをレーザ溶接法やアーク溶接法で突合せ溶接したときに形成されるビードの形状から溶接状態の良否を判定するための項目には様々なものがあるが、最も良く知られているものはビード裏側の状態を観察するものである。これは板状の材料の突合せ溶接においては、溶接状態の良否を決める特性の最重要なものの一つにビードの溶け込み深さがあり、板厚方向への貫通状況を裏面のビードの幅を目視あるいは何らかの方法で観察をして判定しようとするものである。しかし、突合せ溶接においては通常は板状のワークを裏面側からクランプして溶接することから、ビードの裏面を観察することは同一の工程においては困難な場合が多い。

ビードの溶接方向に直交する断面の形状は、ビードにスリット光を照射してその反射光を観察する光切断法（特開昭４９−３９４４５号等）や、スポット光をビードに直角方向に走査させて距離センサで計測する方法等によって測定することが可能である。

ところで、突合せ溶接においては突合せ位置を正確に溶接することが要求されるため、位置決めピン等を用いて連続生産における突合せ位置の再現を図っている。ところが、実際には位置決めピンの摩耗や変形、位置決めピンやワークに付着した汚れ等の要因によって突合せ位置が物理的に設定位置からずれることも考えられる。その場合に突合せ位置のズレの程度によっては溶接不良が発生することがある。

従来、アーク溶接においてビード形状を観察してビードの良否を判定する方法（例えば、特許文献１参照）や、レーザ溶接時の形状を観測して不良発生の場合に再度溶接を行う方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、これらの方法はあくまでも溶接された材料の良否を判定することや矯正することだけを主目的としている。

特開昭４９−３９４４５号公報 特公平６−１０２２７５号公報

そこで、本発明の目的は、板厚差のあるワークの突合せ溶接において、溶接位置が狙い位置からずれているかいないかの判定ができる検査方法を提供することにある。

本発明は、ビードの断面プロファイルを観測し、その変化の傾向を分析することによって、溶接位置のズレの有無を判定するものであり、さらに、ずれていた場合には溶接位置を補正することができるようにしたものである。板厚に差のある平板状ワークを突合せ溶接した場合には、突合せ位置と加熱位置（溶接位置）の相対位置関係により、ビードの断面プロファイルに差異が生ずる。すなわち、溶接位置が適正と考えられる狙い位置より厚板ワーク側にずれている場合と、逆に薄板ワーク側にずれている場合とでは、ビードの断面形状に傾向的な変化が現れる。その傾向を予め計測し分析したデータを記録しておき、溶接中あるいは溶接直後に測定した断面プロファイルと照合することで、溶接位置が狙い位置からずれているか否か、もしずれているならば厚板ワーク側か薄板ワーク側か（ズレの向き）、さらに、どの程度ずれているか（ズレの量）を判定して、溶接位置の移動（熱源あるいはワークの移動）を制御している装置にフィードバックする。補正後もさらに観察を続けてゆけば、補正を繰り返すことによってさらに正確な位置に補正されることとなる。

ここで、ビードの断面プロファイルの測定は、ビードにスリット光を照射する光切断法や、ビードに幅方向にスポット光を走査させるスキャン測距法等で行うことができる。そして、プロファイルの照合の一手段としては、ビードの断面プロファイルを表す座標データを求め、この座標データに基づいて断面プロファイルの所定の領域における傾きを求め、この傾きを基準プロファイルにおける傾きと比較することが挙げられる。

また、溶接方向に連続した複数箇所で測定されたビードの断面プロファイルの傾向的変化の有無に基づいて溶接位置のずれの有無を判断するようにすれば、ゴミ等が原因で突発的にビードが変形したとき、溶接位置がずれていないにも拘わらず位置補正をかけるといった不具合を防止することができる。

最初にティーチングにより適正な狙い位置をインプットしておく場合でも、例えば熱膨張などの外的要因によって溶接位置が狙い位置からずれることがあり得るため、次回以降の溶接に際し、本発明により溶接位置の狙い位置からのズレの有無を確認し、必要とあれば補正を行うようにすれば、一層正確な溶接品質が保証される。

本発明によれば、板厚差のある一対のワークを突合せ溶接したときのビードの断面プロファイルを観測して、その傾向的変化の分析に基づいて溶接位置の狙い位置からのズレの有無を判断することが可能となり、ズレが確認されたときは、その量および向きをフィードバックすることにより、自動的に溶接位置の補正を行うことができる。

図１ないし図５に示す実施の形態は、ビードの断面プロファイル（形状曲線）の傾きを求め、溶接位置のずれの有無を判定し、必要に応じてその補正をする。

図１および図２は、板厚の異なる一対のワーク１，２の端面を突き合わせ、突合せ位置に真上からレーザ光４を照射することによって突合せ溶接をした場合の溶接部を示している。図１に一点鎖線で概括的に示した測定装置６は、例えば光切断法でビード３表面の断面形状を測定するためのもので、溶接部にスリット光５を照射するための光学系と、照射されたスリット光５の反射像から画像データを得るためのＣＣＤカメラ等の撮像部と、得られた画像データを数値演算処理するためのコンピュータを備えている。そして、溶接方向と直交するスリット光５を一定の俯角にてビード３に照射し、その反射像を撮像部により撮像して二次元の光の帯として取り込む。撮像部より、画像データをコンピュータに送って数値演算処理をし、ビード３の断面プロファイルの幅方向Ｙと深さ方向Ｚにおける二次元位置座標を求める。これにより、ビード３の断面プロファイルの座標データが得られる。

図３ないし図５に示す形状曲線Ｄ，Ｅ，Ｆは、三通りに溶接位置を変えて突合せ溶接した場合のビード３の断面プロファイルを表している。具体的には、図３の形状曲線Ｄは溶接位置が狙い位置に一致したときのビード３の断面プロファイルを表し、図４および図５は溶接位置が狙い位置から外れたとき、つまり、図４の形状曲線Ｅは溶接位置が厚板ワーク１側に寄り過ぎたとき、図５の形状曲線Ｆは溶接位置が薄板ワーク２側に寄り過ぎたときのビード３の断面プロファイルを表している。

図３の形状曲線Ｄは板厚差Ｔの全領域にわたりなだらかな直線状でほぼ一定の傾きを有しており、厚板ワーク１側（上部）および薄板ワーク２側（下部）の傾きが同等である。これに対して図４の形状曲線Ｅは、薄板ワーク２側（下部）における傾きが厚板ワーク１側（上部）における傾きに比べて大きくなっている。また、図５の形状曲線Ｆは、厚板ワーク１側（上部）における傾きが薄板ワーク２側（下部）に比べて大きくなっている。

例えば、図３ないし図５の形状曲線Ｄ，Ｅ，Ｆのうち図３の形状曲線Ｄを基準として選択する。この形状曲線Ｄは、板厚差Ｔの全領域において直線的で傾きがほぼ一定であるという特徴があり、この板厚差Ｔの領域の平均的な傾き値を基準値としてコンピュータに記録する。ちなみに、形状曲線Ｄで表されるようなビード３は、通常、一対のワーク１，２の突合せ位置（厚板ワーク１の溶接前の状態を部分的に二点鎖線で示す。）から僅かに厚板ワーク１側に寄った位置にレーザ光４が照射されたときに得られることが経験的に知られている。もっとも、レーザ光４を照射する位置すなわち溶接位置と、それによって形成されるビード３の断面プロファイルとの関係は、各ワークの寸法や材料、レーザ光による入熱量等々の条件によって変化するものである。ここでは一つの例示として、図３の形状曲線Ｄを溶接状態が良好である場合の基準プロファイルと想定するが、板厚差のあるワークをレーザ溶接により突合せ溶接したときのビードの最適な断面形状は、様々な溶接条件によって異なり、例えば図４の形状曲線Ｅの如き形状が最適となる場合もあり得、その場合は図４の形状曲線Ｅが基準プロファイルとして設定されるべきことは言うまでもない。

そして、ビード３の断面プロファイルを溶接方向の複数点において観測し、その経時的な変化の傾向を分析することによって、溶接位置の狙い位置からのずれの有無を判定する。すなわち、実際のビード３につき測定した形状曲線の上部と下部の傾きをコンピュータで数値データとして求め、この求めた傾き値を予め設定された基準値（基準プロファイルの傾き）と照合することで、ビード３の断面プロファイルの変化の傾向を分析する。

ワーク１，２のレーザ溶接を開始し、溶接直後あるいは所定時間経過後に、溶接方向に連続した複数点におけるビード３の断面形状を観測して、断面形状の板厚差領域での上部と下部における傾き値をコンピュータで求め、基準値と比較する。板厚差領域の上部と下部の夫々の傾き値が基準値と同等か許容範囲内にあればビード３が図３の形状曲線Ｄのような断面形状で、溶接位置の位置ズレはないと判断される。

形状曲線の上部の傾き値が基準値よりも大きいときは溶接位置が薄板ワーク２側に寄っていることを意味する。つまり、ビード３の断面形状の板厚差領域での下部における傾き値が基準値より大きい場合、ビード３が図４の形状曲線Ｅのような断面形状で、溶接位置が厚板ワーク１側にずれていると分析される。このような厚板ワーク１側への位置ずれがビード３の連続した複数箇所で継続して現れると、溶接位置が厚板ワーク１側にずれている傾向にあると判断され、位置ズレ量が許容範囲を超えると溶接位置の適正位置への補正が行われる。

逆に下部の傾き値が基準値より大きいときは厚板ワーク１側に寄っていることを意味する。つまり、ビード３の断面形状の板厚差領域での上部における傾き値が基準値より大きく変化している場合は、ビード３が図５の形状曲線Ｆのような断面形状で、溶接位置が薄板ワーク２側にずれていると分析される。このような薄板ワーク２側への位置ずれがビード３の連続した複数箇所で継続して現れると、溶接位置が薄板ワーク２側にずれている傾向にあると分析され、位置ずれ量が許容範囲を超えると溶接位置の適正位置への補正が行われる。

このようにして、溶接方向に連続した複数箇所で測定された傾き値をそれぞれ基準値と照合し、基準値の許容範囲を越える傾き値が所定回数あるいは所定時間継続した場合に、溶接位置がずれていると判定する。補正は、ズレの向きと量をフィードバック量としてワーク１，２の移動テーブルまたはトーチの駆動装置に送ることによって自動的に実行されるように構成する。ズレの向きは基準値に比べて形状曲線の上部または下部のどちらの傾き値が大きいかによって決まり、ズレの量したがってまた補正量に関しては、傾き値の基準値に対する変化の程度に基づき経験的に求められる量を予め設定しておくことができる。

なお、レーザ溶接においてはゴミやシールドガス等の影響でビードの断面形状が突発的に変化することがある。このような突発的変化の場合にも溶接位置が位置ずれを起こしたものと判断して補正をかけると却って溶接位置が適正位置から外れて溶接不良の原因となり得る。それゆえ、このような溶接不良の発生を防止するため、溶接位置の経時的な同一方向への位置ずれを補正対象とし、突発的に生じるビード形状の変化は補正対象とせず無視するのが望ましい。既述のように溶接方向に連続した複数箇所で測定されたビードの断面プロファイルの傾向的変化に基づいて溶接位置のずれの有無を判断するようにしているのはこのためである。

溶接部の斜視図である。 溶接部の横断面図である。 溶接部の断面プロファイルを示す線図である。 溶接部の断面プロファイルを示す線図である。 溶接部の断面プロファイルを示す線図である。

符号の説明

１ ワーク（厚板ワーク）
２ ワーク（薄板ワーク）
３ ビード
４ レーザ光
５ スリット光
６ 測定装置
Ｔ 板厚差

Claims (3)

1. 板厚差のある一対のワークを突合せ溶接するに際し、ビードの溶接方向に直交するビード表面のビード幅方向と深さ方向における二次元位置座標から前記ビードの所定の領域における断面プロファイルの座標データを求め、この座標データに基づいて前記断面プロファイルの所定の領域における傾きを求め、この傾き値を予め設定された基準値と照合することにより、前記一対のワークの突合せ位置と溶接位置の相対位置ずれの有無を判断することを特徴とする溶接状態の検査方法。
2. 前記ビードの断面プロファイルの所定の領域における傾き値を溶接方向の連続した複数箇所で測定し、前記複数箇所夫々の傾き値が前記予め設定された基準値と同等か許容範囲内にあれば前記一対のワークの突合せ位置と溶接位置の相対位置ずれはないと判断することを特徴とする請求項１の溶接状態の検査方法。
3. 前記溶接方向に連続した複数箇所で測定された傾き値をそれぞれ基準値と照合し、基準値の許容範囲を越える傾き値が所定回数あるいは所定時間継続した場合に、溶接位置がずれていると判定することを特徴とする請求項１の溶接状態の検査方法。
   

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