JP5133651B2

JP5133651B2 - レーザ溶接評価方法

Info

Publication number: JP5133651B2
Application number: JP2007277909A
Authority: JP
Inventors: 直樹河田; 一夫玄地; 英充盛田; 陽介大塚; 昌志及川; 俊一岩木
Original assignee: Japan Transport Engineering Co
Current assignee: Japan Transport Engineering Co
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: JP2009103662A

Description

本発明は、レーザ溶接において溶接部の溶接品質を評価するレーザ溶接評価方法に関する。

ＹＡＧレーザなどの高エネルギー密度のレーザビームを金属材などの被加工物に照射して、この被加工物に溶接部を形成するレーザ溶接が知られている。レーザ溶接において、溶接部の溶融状態を安定させて溶接部に十分な強度を確保すべく、溶融部断面の形状が均一になることが望ましい。例えば、特許文献１には、被加工物の材質特性や所望の断面形状に関するデータを用いて、最適なレーザビームの制御パラメータ（レーザ出力、走査速度）を算出する技術が記載されている。このように算出された制御パラメータを用いて溶接を行えば、溶接部の断面形状を所望の形状に形成することができる。

一方、同一の制御パラメータで溶接を実施しても、溶接装置の故障などにより、溶融部の断面形状が所望の形状に形成されない場合がある。このような状況を把握するために、例えば特許文献２に記載されるように、被加工物にレーザ溶接を施した後に、溶接部の断面を試片として切り出して、この断面を観察することにより、接合材ののど厚や脚長など溶接状態の品質を評価する検査手法がある。
特開２００７−２６０７４３号公報特開２００７−５７４８５号公報

しかしながら、従来の溶接断面を観察して溶接品質を評価する手法では、検査する試片の数が増えるほど作業工程が煩雑になるという問題があった。従来手法では、一般的に、溶接部から試片を切り出して、撮像用ステージに上面が溶接部の断面となるように試片を固定し、この上面を測定面としてマイクロスコープなどの撮像手段で上方から測定面を撮像していた。マイクロスコープで一度に撮像できる範囲は小さく、１度に１個の試片しか観察することができない。また、測定面上の任意の位置における焦点距離がすべて同一になるように、測定面を水平に保持すべく、新たな試片を観察する度に試片を撮像用ステージ上に固定する必要があった。このように、検査する試片の数が増加するに従って、作業工程が煩雑となっていた。

また、従来手法では、作業効率が検査者の技量に依存するという問題点があった。例えば、溶接部から試片を切り出す際に、試片の加工精度によって検査の工程数に影響が出る。試片の加工精度が高いと、撮像用ステージ上に固定した試片の厚みが一定となるので、撮像用ステージの試片を置き換える度にマイクロスコープと測定面との焦点距離を調整する工程が不要となる。これに対して、試片の加工精度が低いと、試片毎に測定面とマイクロスコープとの距離がばらばらになるので、試片毎にマイクロスコープの焦点距離を調整する必要が生じる。このように、検査者の加工技術などの技量によって検査の作業工程数が影響を受けるので、作業効率が検査者の技量に依存していた。

また、従来手法では、１試片毎に測定面を撮像して溶接部の断面を観察するので、試片の大きさや厚みによってマイクロスコープと測定面との距離やマイクロスコープの焦点距離が試片毎に異なってしまう場合がある。従来、実寸法の基準となるスケールが試片と共に撮像され、このスケールに基づいて、測定面の撮像画像から断面形状の各種実寸法を算出し、溶接状態の品質を評価している。しかし、マイクロスコープと測定面との距離が試片毎に変わると、撮像画像中のスケールの大きさも試片毎に異なってしまうので、溶接部の品質を判定する精度が均一にならないという問題があった。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、溶接部の溶接品質を判定するのに要する手順を簡単化するとともに、検査者の技量に依存することなく一定の判定精度を確保することができるレーザ溶接評価方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ溶接評価方法は、レーザ溶接において金属材の溶接部の溶接品質を評価するレーザ溶接評価方法であって、溶接部の断面が測定面となるように、金属材から試片を切り出す切出しステップと、撮像面上にスケールが配置された撮像用ステージを用意し、測定面が撮像用ステージの撮像面に対面して接するように、撮像面上に複数の試片を配置する配置ステップと、撮像面上に配置された試片を、スケールと共に撮像手段を用いて撮像する撮像ステップと、スケールを共通の基準とし、各試片の測定面の画像から溶接部の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出する算出ステップと、物理量を予め定めた評価基準と比較して、溶接部の溶接品質を評価する評価ステップと、を備えることを特徴としている。

このレーザ溶接評価方法では、各試片の測定面が撮像用ステージの撮像面に対面して接するように、複数の試片が撮像用ステージの撮像面上に配置され、同じく撮像用ステージの撮像面上に配置されているスケールと共に、撮像手段を用いて撮像される。このような構成により、試片を撮像用ステージに固定させる必要がなくなり、また、複数の試片の測定面を同時に撮像することができるので、検査すべき試片の数が増えても作業工程が煩雑にはならず、溶接部の溶接品質を判定するのに要する手順を簡単化することができる。また、撮像用ステージの撮像面に対面して接するように配置された試片の測定面を、撮像手段により撮像するため、撮像手段と試片の測定面との距離は、試片の加工精度に関係なく常に一定になるので、検査者の技量に依存せずに一定の精度で測定面を撮像することができる。更に、スケールを共通の基準として、複数の試片の測定面を同時に撮像した画像から溶接部の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出するので、溶接部の溶接品質を判定する精度を、複数の試片の間で均一にすることができる。

また、本発明のレーザ溶接評価方法は、切出しステップと配置ステップとの間に、試片の測定面に金属エッチングを施すエッチングステップをさらに備えるのが好適である。これにより、試片の測定面において、溶接部とその他の部分の表面粗さが異なるようになり、両者の色のコントラストがより一層大きくなるので、溶接部がより明確に識別できるようになり、算出ステップにおいて溶接部の溶接品質に関する各測定項目を精度よく算出することができる。

本発明のレーザ溶接評価方法によると、試片を撮像用ステージに固定させる必要がなくなり、また、複数の試片の測定面を同時に撮像することができるので、検査すべき試片の数が増えても作業工程が煩雑にはならず、溶接部の溶接品質を判定するのに要する手順を簡単化することができる。また、撮像手段と試片の測定面との距離は、試片の加工精度に関係なく常に一定になるので、検査者の技量に依存せずに一定の精度で測定面を撮像することができる。更に、スケールを共通の基準として、複数の試片の測定面を同時に撮像した画像から溶接部の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出するので、溶接部の溶接品質を判定する精度を、複数の試片の間で均一にすることができる。

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接部評価方法の好適な実施形態について説明する。

図１に、本実施形態に係るレーザ溶接部評価方法を実施するためのレーザ溶接部評価システム１０の構成を示す。図１に示すように、レーザ溶接部評価システム１０は、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃおよびスケール１６を撮像面１１ａ上に配置する撮像用ステージ１１と、撮像用ステージ１１の下側から撮像面１１ａを撮像する撮像ユニット（撮像手段）１２と、撮像ユニット１２により撮像された試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃの測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの画像から、溶接部の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出する測定項目算出部１３と、測定項目算出部１３で算出された測定項目の物理量を予め定めた評価基準と比較して、溶接部の溶接品質を評価する品質評価部１４と、を有する。

撮像用ステージ１１は、ガラスや透明プラスチックのような透過性の材料から成る板状部材である。撮像用ステージ１１は、その上面に撮像面１１ａが設けられており、撮像面１１ａには、長さの目盛りが付けられたスケール１６が配置されている。

試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、レーザ出力、発振方式、溶接速度等の制御パラメータや、溶接を施す金属材の厚みなどの条件を変えて金属材にレーザ溶接を施した後に、金属材の溶接部の断面が測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃとなるように、金属材から切り出されたものである。図２に、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃの切り出し方の一例を示す。

図２に示すように、本実施形態では、金属材の上板２１ａと下板２１ｂとの間で重ね溶接を行ったときの溶接部２１を例示している。金属材の上板２１ａと下板２１ｂは、例えば、ステンレス鋼におけるオーステナイト系、フェライト系等、また、アルミニウム合金における５０００系、６０００系、７０００系等の各系でくくられる材料で形成される。

試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、その一面が溶接部の断面である測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃとなるように、金属材の溶接部２１から切り出される。試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、例えば２０ｍｍ四方の大きさで切り出される。その後に、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃに金属エッチングが施される。測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃにエッチングが施されると、測定面の表面がエッチング液の働きにより溶解除去される。このとき、測定面のうち溶接部分はレーザ溶接によって材質が変化しており、他の部分とエッチング速度が異なるので、エッチングを施した後の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの表面は、溶接部分とその他の部分で表面粗さが異なるようになる。金属エッチングにおいて、エッチング液には例えばエタノール９０％及び硝酸１０％の混合液を用いることができる。また、エッチング時間は、例えば５秒程度である。

図１に戻り、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、本実施形態に係るレーザ溶接評価方法を実施する際には、それぞれの測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃが撮像用ステージ１１の撮像面１１ａに対面して接するように、撮像用ステージ１１の撮像面１１ａ上に配置される。つまり、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを下向きにして撮像用ステージ１１の撮像面１１ａ上に置かれる。なお、図１には、撮像用ステージ１１上に３個の試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃが配置されている様子が図示されているが、撮像用ステージ１１の上に置く試片の数は、撮像用ステージ１１および試片の大きさに応じて、３個より多くても良いし、少なくても良い。

撮像ユニット１２は、撮像用ステージ１１より下側に配置され、上方の撮像用ステージ１１の撮像面１１ａを撮像できるように設置されている。撮像ユニット１２は、撮像用ステージ１１の撮像面１１ａに焦点距離が合うように予め位置決めされている。撮像ユニット１２は、図示しない発光部、受光部および走査部を備えており、走査部により一軸方向に移動しながら、発光部により撮像面１１ａに光を照射し、撮像面１１ａからの反射光を受光部により検出して、撮像面の画像データを取得する。撮像ユニット１２は、具体的には、イメージスキャナのキャリッジであり、発光部は白色蛍光ランプや発光ダイオードなどの光源であり、受光部はＣＣＤやＣＭＯＳなどのリニアイメージセンサであり、走査部はリニアイメージセンサのセンサ列と直角方向にキャリッジを移動させるモータなどの駆動手段である。撮像ユニット１２の発光部から撮像面１１ａに照射される照射光は、通常のイメージスキャナと同様に白色光でも良いし、波長が４００ｎｍ程度の短波長側の可視光線など任意の波長の可視光線を適宜選択して良い。

なお、撮像ユニット１２は、具体的には、デジタルカメラであっても良い。この場合、撮像ユニット１２は、一箇所に固定され、撮像用ステージの撮像面１１ａの全面を一度に撮影するように構成される。また、本実施形態とは反対に、撮像ユニット１２が一箇所に固定され、撮像用ステージ１１が移動して、撮像面全体の画像データを取得するよう構成しても良い。

測定項目算出部１３は、撮像ユニット１２で撮像された画像データを受け取ると、この画像データの中から溶接部断面を特定し、同一画像データにあるスケールの目盛りを共通の基準として利用して、所定の測定項目の物理量を算出する。品質評価部１４は、測定項目算出部１３から測定項目のデータを受け取ると、各試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃの溶接部の溶接品質を評価する。測定項目算出部１３および品質評価部１４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、通信インタフェース、ハードディスクなどの格納部、ディスプレイなどの表示部等を備えたコンピュータシステムで実現される。測定項目算出部１３および品質評価部１４における具体的な処理については後述する。

次に、本実施形態に係るレーザ溶接部評価方法について説明する。図４に、レーザ溶接部評価方法のフローチャートを示す。

まず、溶接部の断面が試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃとなるように、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃが金属材の溶接部２１から切り出される（Ｓ１０１：切出しステップ）。試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃを切り出す工程は、切削機械などを用いて検査者が手作業で行っても良いし、コンピュータなどの制御手段により自動で行っても良い。その後に、試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃに金属エッチングが実施される（Ｓ１０２：エッチングステップ）。

次に、切り出された試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃが撮像用ステージ１１の撮像面１１ａに対面して接するように、撮像用ステージ１１の撮像面上に配置される（Ｓ１０３：配置ステップ）。具体的には、例えば図１に示すように、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃは、測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを下向きにして撮像面１１ａに配置される。そして、撮像面１１ａ上に配置された試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃが、同じく撮像面１１ａ上に配置されているスケール１６と共に、撮像ユニット１２によって撮像される（Ｓ１０４：撮像ステップ）。

次に、測定項目算出部１３によって、撮像ユニット１２により撮像されたスケール１６を共通の基準として、各試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの画像から、溶接部２１の溶接品質に関する各測定項目の物理量が算出される（Ｓ１０５：算出ステップ）。具体的には、測定項目算出部１３は、まず、画像データを撮像ユニット１２から受け取ると、画像データの中から試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃの測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを抽出する。測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを抽出するためには、例えば、画像中の色の違いから画像処理ソフトウェアを利用して自動的に検出する手法や、画像データをディプレイ表示してポインティングデバイスなどで検査者が測定ポイントを入力する手法などを適宜選択して良い。次に、画像データのスケールの一目盛りが何ピクセル分あるかを計測して、１ピクセル辺りの実際の長さを算出する。そして、測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃの測定項目をピクセル数で測定し、実際の長さに換算して、測定項目を算出する。図３に測定項目の一例を示す。図３に示すように、本実施形態では、測定項目は、溶接部断面の面積Ｓ、溶接部断面の輪郭線長Ｌ、上板２１ａおよび下板２１ｂの境界での溶接部断面の幅Ｂ、および溶接部断面の深さＤである。

そして、品質評価部１４によって、測定項目算出部１３により算出された測定項目が予め定めた評価基準と比較され、溶接部の溶接品質が評価される（Ｓ１０５：評価ステップ）。具体的には、品質評価部１４は、例えば、以下のような評価基準を設けている。なお、以下の例は、金属材の上板２１ａおよび下板２１ｂの板厚がそれぞれ０．８ｍｍおよび１．５mmの重ね溶接の場合の評価基準である。
・面積Ｓ：正常品との差が１０％以下
・輪郭線長Ｌ：正常品との差が１０％以下
・幅Ｂ：０．８mm以上
・深さD：１．２ｍｍ以上。
なお、上記の評価基準で用いた「正常品」とは、この試片の作成時に設定されているレーザ溶接の制御パラメータ（レーザ出力、発振方式、溶接速度等）でレーザ溶接を実施した場合に、本来実現されるべき断面形状のことをいう。

品質評価部１４は、測定項目の各項目について評価基準を満たしているか否かを判定し、全ての評価基準を満たしている場合に、試片の溶接品質が「正常」であると判定する。それ以外の場合には、その試片の溶接品質が「異常」であると判定する。

本実施形態のレーザ溶接評価方法では、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃのそれぞれの測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃが撮像用ステージ１１の撮像面１１ａに対面して接するように、撮像用ステージ１１の撮像面１１ａ上に配置され、同じく撮像用ステージ１１の撮像面１１ａ上に配置されているスケール１６と共に、撮像ユニット１２を用いて撮像される。このような構成により、試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃを撮像用ステージ１１に固定させる必要がなくなり、また、複数の試片１５ａ、１５ｂ、１５ｃの測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを同時に撮像することができるので、検査すべき試片の数が増えても作業工程が煩雑にはならず、溶接部の溶接品質を判定するのに要する手順を簡単化することができる。

また、撮像用ステージ１１の撮像面１１ａに対面して接するように配置された試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを撮像ユニット１２により撮像するため、撮像ユニット１２と試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃとの距離は、試片の加工精度に関係なく常に一定になるので、検査者の技量に依存せずに一定の精度で測定面を撮像することができる。更に、スケール１６を共通の基準として、複数の試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃを同時に撮像した画像から溶接部２１の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出するので、溶接部の溶接品質を判定する精度を、複数の試片の間で均一にすることができる。

また、エッチングステップＳ１０２において、試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃに金属エッチングを施すことによって、試片の測定面２２ａ、２２ｂ、２２ｃにおいて、溶接部２１とその他の部分の表面粗さが異なるようになり、両者の色のコントラストがより一層大きくなるので、溶接部２１がより明確に識別できるようになり、算出ステップＳ１０５において溶接部の溶接品質に関する各測定項目を精度よく算出することができる。

以上、本発明に係るレーザ溶接評価方法について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではない。

本発明の一実施形態に係るレーザ溶接部評価方法を実施するためのレーザ溶接部評価システムの構成を示す図である。溶接部から試片を切り出す工程の一例を示す図である。算出ステップにおいて算出される溶接部の断面に係る測定項目を示す図である。本発明の一実施形態に係るレーザ溶接部評価方法のフローチャートである。

符号の説明

１１…撮像用ステージ、１２…撮像ユニット（撮像手段）、１３…測定項目算出部、１４…品質評価部、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ…試片、１６…スケール、２２…測定面、Ｓ１０１…切出しステップ、Ｓ１０２…配置ステップ、Ｓ１０３…撮像ステップ、Ｓ１０４…算出ステップ、Ｓ１０５…評価ステップ。

Claims

レーザ溶接において金属材の溶接部の溶接品質を評価するレーザ溶接評価方法であって、
前記溶接部の断面が測定面となるように、前記金属材から試片を切り出す切出しステップと、
撮像面上にスケールが配置された撮像用ステージを用意し、前記測定面が前記撮像用ステージの撮像面に対面して接するように、前記撮像面上に複数の前記試片を配置する配置ステップと、
前記撮像面上に配置された試片を、前記スケールと共に撮像手段を用いて撮像して前記試片と前記スケールとを含む画像データを取得する撮像ステップと、
同一の前記画像データにある前記スケールの目盛りを共通の基準とし、前記各試片の測定面の画像から前記溶接部の溶接品質に関する各測定項目の物理量を算出する算出ステップと、
前記物理量を予め定めた評価基準と比較して、前記溶接部の溶接品質を評価する評価ステップと、を備えるレーザ溶接評価方法。
前記切出しステップと前記配置ステップとの間に、前記試片の測定面に金属エッチングを施すエッチングステップをさらに備えた請求項１に記載のレーザ溶接評価方法。