JP4912806B2 - レーザスポット溶接部の評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザスポット溶接部の評価方法に関する。

重ね合わされた複数の被加工物を接合する方法として、被加工物の溶接予定領域にレーザビームをスポット照射するレーザスポット溶接が知られている。レーザスポット溶接を用いて製作される車両、船舶、航空機、及び建造物等の外壁では、溶接痕が目立つことがないように、各レーザスポット溶接部が外面側に露出しない非貫通のものとなっている。

上述したレーザスポット溶接部の平面形状は、強度的な観点から真円に近いことが望ましいが、実際には真円に対して歪んでしまうことが多い。そこで、形成したレーザスポット溶接部の溶接品質を担保するため、例えば特許文献１に記載のスポット溶接の検査方法のように、超音波探触子によるレーザスポット溶接部の外観形状の非破壊検査を行うことが考えられる。
特開２０００−１４６９２８号公報

しかしながら、上述した従来のスポット溶接の検査方法では、定量的な検査が可能であるものの、溶接品質の可否を判断するまでには、超音波の反射パターンなどを複雑に解析する必要がある。したがって、上記特許文献１のように、被加工物の接合部分に多数のレーザスポット溶接部を形成している場合、溶接品質の評価に要する手順の膨大化が看過できないものとなる。そこで、溶接品質の可否の判断に要する手順を簡単化しつつ、一定の判断精度を確保することができる技術が望まれている。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接品質の可否の判断に要する手順を簡単化しつつ、一定の判断精度を確保することができるレーザスポット溶接部の評価方法を提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明者らは、鋭意研究を重ねていく過程で、レーザスポット溶接部の平面形状が真円よりも歪む現象が、レーザビームの形状の歪みや、レーザヘッドの移動と照射のタイミングのずれ等に起因していることを見出した。この場合、レーザスポット溶接部の平面形状は、真円に対して複雑な形状に歪むのではなく、楕円状に僅かに歪むものと考えられる。そこで、本発明者らは、レーザスポット溶接部の平面形状の真円度に直結するパラメータに着目することで、溶接品質の可否の判断に要する手順を簡単化しつつ、一定の判断精度を確保することができるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。

本発明に係るレーザスポット溶接部の評価方法は、重ね合わされた複数の被加工物にレーザビームをスポット照射することによって被加工物に形成した非貫通なレーザスポット溶接部の溶接品質を評価するレーザスポット溶接部の評価方法であって、レーザスポット溶接部が露出していない被加工物の表面で、レーザスポット溶接部の対向部位を横断するように超音波探触子を走査させ、被加工物の接触面におけるレーザスポット溶接部の平面形状を検出する工程と、平面形状の略中央を通る第１の軸に沿う方向における平面形状の第１の径と、略中央で第１の軸に交差する第２の軸に沿う方向における平面形状の第２の径とを算出する工程と、第１の径と第２の径との比に基づいて、レーザスポット溶接部の溶接品質の可否を判断する工程と、を備えたことを特徴としている。

このレーザスポット溶接部の評価方法では、被加工物の接触面におけるレーザスポット溶接部の平面形状の略中央を通る第１の軸に沿う方向における平面形状の第１の径と、第１の軸に交差する第２の軸に沿う方向における平面形状の第２の径との比を算出することにより、レーザスポット溶接部の溶接品質の可否を判断する。第１の径及び第２の径は、超音波探触子によって検出されたレーザスポット溶接部の平面形状から簡単に求めることができるので、複雑な解析を伴わずに、簡単な手順で溶接品質の可否を判断できる。また、レーザスポット溶接部は、殆どの場合、真円に対して僅かに楕円状となっているに過ぎないので、真円度に直結する第１の径及び第２の径の比を算出し、被加工物の接触面におけるレーザスポット溶接部の平面形状を大まかに把握することで、一定の判断精度も確保できる。

また、第１の軸と第２の軸とが直交していることが好ましい。こうすると、被加工物の接触面におけるレーザスポット溶接部の平面形状をより全体的に把握できるので、溶接品質の判断精度をより向上させることができる。

また、レーザスポット溶接部は、被加工物の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って所定の間隔で複数形成されており、第１の軸と溶接予定線とが一致していることが好ましい。レーザヘッドの移動と照射のタイミングのずれによって生じるレーザスポット溶接部の歪み方向は、溶接予定線とほぼ一致すると考えられる。したがって、第１の軸と溶接予定線とを一致させることにより、レーザスポット溶接部の歪み具合をより適切に把握することが可能となり、溶接品質の判断精度を一層向上させることができる。

また、超音波探触子は、フェイズドアレイ探触子であることが好ましい。この場合、探触子の指向角が広くなるので、一度の走査で被加工物の接触面におけるレーザスポット溶接部の平面形状の検出が可能となる。また、走査の際、レーザスポット溶接部に対する探触子の角度ずれの影響を小さくできる。

本発明に係るレーザスポット溶接部の評価方法によれば、溶接品質の可否の判断に要する手順を簡単化しつつ、一定の判断精度を確保することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明に係るレーザスポット溶接部の評価方法の好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るレーザスポット溶接部の評価方法が適用される接合体を示す斜視図である。また、図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。図１に示すように、接合体１は、ワーク（被加工物）２Ａ，２Ｂの端部同士を重ね合わせ接合することによって形成されている。ワーク２Ａ，２Ｂは、例えば鉄道車両構体に用いる外板パネルであり、ワーク２Ａ，２Ｂの重ね合わせ部分３の板厚は、０．８ｍｍ〜２．５ｍｍ程度となっている。

ワーク２Ａ，２Ｂの重ね合わせ部分３の略中央部分には、ワーク２Ａ，２Ｂの端部に沿って溶接予定線Ｒが設定されており、この溶接予定線Ｒに沿って所定の間隔で複数（本実施形態では１０箇所）のレーザスポット溶接部４が形成されている。各レーザスポット溶接部４は、レーザ照射装置及びワーク送り装置（図示しない）の協働により、例えば波長１．０６μｍ、照射エネルギー約２０ＪのＹＡＧレーザをワーク２Ｂの外側面側から順次スポット照射することによって断面略円形状に形成される。

また、各レーザスポット溶接部４は、ワーク２Ａの底面側に対して非貫通となっている。すなわち、図２に示すように、各レーザスポット溶接部４の先端部４ａはワーク２Ａの内部に位置しており、各レーザスポット溶接部４は、ワーク２Ｂの外側面には露出しているが、ワーク２Ａの外側面には露出していない状態となっている。これにより、鉄道車両構体の外壁部分となるワーク２Ａの外側面において、熱歪みなどによる溶接痕が目立ちにくいようになっている。

次に、上述したレーザスポット溶接部の評価方法について説明する。

図３は、本実施形態に係るレーザスポット溶接部の評価方法を実現する評価装置の構成を示す図である。図３に示すように、評価装置１０は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェイス、ハードディスクといった格納部、ディスプレイといった表示部、マウス、キーボードといった入力部等を備えたコンピュータシステムである。

評価装置１０には、レーザスポット溶接部４の平面形状を検出するフェイズドアレイ探触子（超音波探触子）２０が接続されている。フェイズドアレイ探触子２０の先端側には、複数（例えば１２８端子）に分割された振動子が一列に設けられており、各振動子は、位相が少しずつ異なる超音波を発振可能となっている。このフェイズドアレイ探触子２０は、レーザスポット溶接部４が露出していないワーク２Ａの外側面側に密接し、例えばワーク２Ａ，２Ｂの溶接予定線Ｒ（図１参照）に沿って、レーザスポット溶接部４の対向部位４ｂを横断するように走査される。そして、フェイズドアレイ探触子２０は、各振動子から発振された超音波がレーザスポット溶接部４の表面及びワーク２Ａ，２Ｂの接触面で反射したときのエコー高さを検出し、その検出信号を評価装置１０に出力する。

また、評価装置１０は、機能的な構成要素として画像情報生成部１０１と、判断部１０２と、判断結果情報格納部１０３とを有している。画像情報生成部１０１は、フェイズドアレイ探触子２０から受け取った検出信号に基づいて、ワーク２Ａ，２Ｂの接触面におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓを示す画像情報を生成する部分である。図４に、画像情報の一例を示す。図４に示す例では、Ｘ軸がフェイズドアレイ探触子２０の走査方向、Ｙ軸が走査方向に直交する方向となっており、フェイズドアレイ探触子２０によって検出されたエコー高さの分布を色分けすることによって、ワーク２Ａ，２Ｂの接触面におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの画像化がなされている。画像情報生成部１０１は、生成した画像情報を判断部１０２に出力する。

判断部１０２は、画像情報生成部１０１から受け取った画像情報を解析し、レーザスポット溶接部４の溶接品質の可否を判断する部分である。より具体的には、判断部１０２は、まず、画像情報が示すレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓから、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向（第１の軸に沿う方向：図４のＸ軸に対応）におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φａを算出する。また、判断部１０２は、φａの中点において、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向に直交する方向（第２の軸に沿う方向：図４のＹ軸に対応）におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φｂを算出する。

次に、判断部１０２は、φａとφｂとの比φｂ／φａを算出する。判断部１０２は、φｂ／φａが例えば０．９５〜１．０５である場合には、レーザスポット溶接部４の溶接品質が正常であると判断する。また、判断部１０２は、φｂ／φａが０．９５未満である場合、又はφｂ／φａが１．０５を超えている場合には、レーザスポット溶接部４の溶接品質が異常であると判断する。判断部１０２は、レーザスポット溶接部４の溶接品質の判断結果を示す判断結果情報を生成し、判断結果情報格納部１０３に出力する。

判断結果情報格納部１０３は、レーザスポット溶接部４ごとの判断結果情報を格納する部分である。図５に判断結果情報格納部１０３に格納される情報の一例を示す。図５に示す例では、レーザスポット溶接部４を識別する溶接部Ｎｏ「Ｗ００１」に対し、φａ「１．０２ｍｍ」、φｂ「０．９８」、φｂ／φａ「０．９６」、判断結果「ＯＫ」が関連付けられて格納されている。また、溶接部Ｎｏ「Ｗ００２」に対し、φａ「１．１５ｍｍ」、φｂ「０．９０」、φｂ／φａ「０．７８」、判断結果「ＮＧ」が関連付けられて格納されている。

続いて、上述した構成を有する評価装置１０の動作について、図６に示すフローチャートを参照しながら説明する。

レーザスポット溶接部４の溶接品質の評価を行う場合、まず、レーザスポット溶接部４が露出するワーク２Ｂの外側面を下向きにして接合体１を載置する（図３参照）。次に、レーザスポット溶接部４が露出していないワーク２Ａの外側面側において、ワーク２Ａ，２Ｂの溶接予定線Ｒ（図１参照）に沿って、レーザスポット溶接部４の対向部位４ｂを横断するようにフェイズドアレイ探触子２０を走査する（ステップＳ０１）。

このとき、フェイズドアレイ探触子２０の各振動子からは、位相が少しずつ異なるようにしながら、例えば周波数が約１７ＭＨｚの超音波を発振させる。そして、レーザスポット溶接部４の表面及びワーク２Ａ，２Ｂの接触面で反射したときの超音波のエコー高さがフェイズドアレイ探触子２０によって検出される。フェイズドアレイ探触子２０からの検出信号は、評価装置１０に順次出力され、ワーク２Ａ，２Ｂの接触面におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの画像化がなされる（ステップＳ０２）。

レーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの画像化が完了した後、評価装置１０では、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φａと、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向に直交する方向におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φｂとがそれぞれ算出される（ステップＳ０３）。そして、φａとφｂとの比φｂ／φａの値が一定の範囲内であるか否かに基づいて、レーザスポット溶接部４の溶接品質が正常であるか異常であるかが判断される（ステップＳ０４）。

溶接品質の判断の後、判断結果が格納されると（ステップＳ０５）、評価装置１０の処理が完了する。以下、接合体１に形成された他のレーザスポット溶接部４についてもステップＳ０１〜ステップＳ０５の処理を行うことにより、レーザスポット溶接部４の溶接品質の評価が完了する。

以上説明したように、このレーザスポット溶接部の評価方法では、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φａと、フェイズドアレイ探触子２０の走査方向に直交する方向におけるレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの径φｂとの比φｂ／φａを算出し、φｂ／φａの値が一定の範囲内であるか否かに基づいて、レーザスポット溶接部４の溶接品質の可否を判断する。

ここで、φａ及びφｂは、フェイズドアレイ探触子２０によって検出されたレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの画像化によって簡単に求めることができる。そのため、複雑な解析を伴わずに、簡単な手順で溶接品質の可否を判断できる。また、レーザスポット溶接部４は、殆どの場合、レーザビームの形状の歪みや、レーザヘッドの移動と照射のタイミングのずれ等の原因により、真円に対して僅かに楕円状となっているに過ぎない。したがって、φａ及びφｂの比φｂ／φａを算出し、レーザスポット溶接部４の平面形状Ｓを大まかに把握することで、一定の判断精度も確保される。

また、本実施形態では、φａを算出する軸を、接合体１における溶接予定線Ｒと一致させている。これは、レーザヘッドの移動と照射のタイミングのずれによって生じるレーザスポット溶接部の歪み方向は、溶接予定線とほぼ一致すると考えられるためであり、φａを算出する軸を、接合体１における溶接予定線Ｒと一致させることにより、レーザスポット溶接部の歪み具合をより適切に把握することが可能となる。このことは、溶接品質の判断精度の更なる向上を実現する。

さらに、本実施形態では、超音波探触子としてフェイズドアレイ探触子２０を用いている。フェイズドアレイ探触子２０では、振動子が複数に分割されているため、探触子の指向角が広く、一度の走査でレーザスポット溶接部４の平面形状Ｓの検出が可能となる。また、走査の際、レーザスポット溶接部４に対する探触子の角度ずれの影響を小さくできる。

本発明の一実施形態に係るレーザスポット溶接部の評価方法が適用される接合体を示す斜視図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。 評価装置の構成を示す図である。 画像情報の一例を示す図である。 評価結果情報格納部に格納される情報の一例を示す図である。 図３に示した評価装置の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

２Ａ，２Ｂ…ワーク（被加工物）、３…重ね合わせ部分、４…レーザスポット溶接部、４ｂ…対向部位、２０…フェイズドアレイ探触子（超音波探触子）、Ｒ…溶接予定線、Ｓ…平面形状、φａ…第１の径、φｂ…第２の径。

Claims (4)

1. 重ね合わされた複数の被加工物にレーザビームをスポット照射することによって前記被加工物に形成した非貫通なレーザスポット溶接部の溶接品質を評価するレーザスポット溶接部の評価方法であって、
   前記レーザスポット溶接部が露出していない前記被加工物の表面で、前記レーザスポット溶接部の対向部位を横断するように超音波探触子を走査させ、前記被加工物の接触面における前記レーザスポット溶接部の平面形状を検出する工程と、
   前記平面形状の略中央を通る第１の軸に沿う方向における前記平面形状の第１の径と、前記略中央で前記第１の軸に交差する第２の軸に沿う方向における前記平面形状の第２の径とを算出する工程と、
   前記第１の径と前記第２の径との比に基づいて、前記レーザスポット溶接部の溶接品質の可否を判断する工程と、
   を備えたことを特徴とするレーザスポット溶接部の評価方法。
2. 前記第１の軸と前記第２の軸とが直交していることを特徴とする請求項１記載のレーザスポット溶接部の評価方法。
3. 前記レーザスポット溶接部は、前記被加工物の重ね合わせ部分に設定された溶接予定線に沿って所定の間隔で複数形成されており、
   前記第１の軸と前記溶接予定線とが一致していることを特徴とする請求項１又は２記載のレーザスポット溶接部の評価方法。
4. 前記超音波探触子は、フェイズドアレイ探触子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のレーザスポット溶接部の評価方法。