JP5340814B2 - レーザ溶接部評価方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接部評価方法に関する。

従来のレーザ溶接部評価方法としては、レーザビームの照射で母材に形成された溶接部を評価するためのものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ溶接部評価方法では、溶接部の画像情報（画像データ）をＣＣＤカメラによって取り込み、この画像情報に基づいて熱影響変色部の幅を判定することで、溶接品質を判定する。

特開平１０−５８１７０号公報

ところで、一般的に、レーザ溶接では、溶接部が母材の外観に現れる場合、その溶接部に生じる焼け焦げ等の変色を溶接後処理（例えば、電解研磨等）で除去することがある。この場合、溶接部の色相が同色系で構成されていれば、溶接後処理によって変色を好適に除去できる。そのため、溶接部においては、色相むら（すなわち、同色系内で濃度がばらつくことではなく、様々な色相が存在すること）の少ないものが望まれる。よって、レーザ溶接部評価方法としては、溶接部の色相むらを精度よく判定することができるものが求められている。

ここで、上記のレーザ溶接部評価方法では、溶接部に存在する凹凸の影響が考慮されていないため、溶接部の色相むらを判定する場合、かかる判定に、例えば光源の位置等に起因する色の濃淡（凹凸による影）の影響が及んでしまう。つまり、溶接部における同色系の濃度ばらつき（明暗）をも、色相むらと判定してしまう。よって、上記レーザ溶接部評価方法においては、溶接部の色相むらを精度よく判定するのが困難になるおそれがある。

そこで、本発明は、溶接部の色相むらを精度よく判定することができるレーザ溶接部評価方法を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明に係るレーザ溶接部評価方法は、レーザビームの照射で母材に形成された溶接部を評価するためのレーザ溶接部評価方法であって、溶接部の色相むらを判定する色相判定工程を有し、色相判定工程では、溶接部の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を算出し、ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値をグレースケール値として算出し、ＲＧＢ値をグレースケール値で除算して得られる除算値に基づいて、色相むらを判定することを特徴とする。

本発明のレーザ溶接部評価方法では、ＲＧＢ値をグレースケール値で除算することで除算値が得られている。すなわち、色の明るさを表すグレースケール値でＲＧＢ値が正規化されるよう演算され、除算値が求められている。よって、除算値においては、画像情報における同色系の濃度のばらつきが除去されることとなる。従って、除算値に基づいて溶接部の色相むらを判定することで、かかる色相むらを精度よく判定することが可能となる。

また、色相判定工程では、除算値に基づいてマハラノビスの距離を算出し、該マハラノビスの距離が第１閾値よりも小さいとき、色相むらが正常であると判定することが好ましい。この場合、ＭＴ（Mahalanobis-Taguchi）システムを利用して溶接部の色相むらを定性的に判定することができ、溶接部の色相むらを一層精度よく判定することが可能となる。

ここで、色相判定工程の前に、該色相判定工程にてマハラノビスの距離を算出する際に用いる判定用単位空間を予め生成する判定用単位空間生成工程を有する場合がある。

このとき、判定用単位空間生成工程は、母材の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を母材ＲＧＢ値として算出し、母材ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値を母材グレースケール値として算出し、母材ＲＧＢ値を母材グレースケール値で除算して得られる母材除算値に基づいて基準用単位空間を生成する第１工程と、基準用溶接部の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を基準用ＲＧＢ値として算出し、基準用ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値を基準用グレースケール値として算出し、基準用ＲＧＢ値を基準用グレースケール値で除算して得られる基準用除算値に基づいて、マハラノビスの距離を第１工程にて生成した基準用単位空間を用いて算出し、該マハラノビスの距離が第２閾値よりも小さいとき、基準用除算値に基づいて判定用単位空間を生成する第２工程と、を含むことが好ましい。この場合、ＭＴシステムを利用し溶接部の色相むらを定性的に判定するという上記作用効果を好適に発揮することができる。

本発明によれば、溶接部の色相むらを精度よく判定することが可能となる。

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レーザ溶接システムの構成を示す概略図である。 図１のレーザ溶接システムによる処理工程を示すフローチャートである。 図２の溶接前工程における判定用単位空間生成工程を示すフローチャートである。 図２の溶接後工程における色相判定工程を示すフローチャートである。 （ａ）は赤のサンプル色相を示す図であり、（ｂ）は図５（ａ）のサンプル色相のＲ値を示すグラフであり、（ｃ）は図５（ａ）のＲ値をグレースケール値で除算した値を示すグラフである。 （ａ）は緑のサンプル色相を示す図であり、（ｂ）は図６（ａ）のサンプル色相のＧ値を示すグラフであり、（ｃ）は図６（ａ）のＧ値をグレースケール値で除算した値を示すグラフである。 （ａ）は青のサンプル色相を示す図であり、（ｂ）は図７（ａ）のサンプル色相のＢ値を示すグラフであり、（ｃ）は図７（ａ）のＢ値をグレースケール値で除算した値を示すグラフである。 基準用溶接部のマハラノビスの距離を示すグラフである。 （ａ）は正常な色相むらの溶接部の判定用ＲＧＢ値を示すグラフであり、（ｂ）は正常な色相むらの溶接部の判定用除算値を示すグラフである。 （ａ）は異常な色相むらの溶接部の判定用ＲＧＢ値を示すグラフであり、（ｂ）は異常な色相むらの溶接部の判定用除算値を示すグラフである。

以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は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レーザ溶接システムの構成を示す概略図である。本実施形態のレーザ溶接部評価方法は、レーザビームを照射して形成された溶接部の色をデジタル化し、数値解析及びＭＴシステムを利用して評価するものである。つまり、溶接部の画像を取得してＲＧＢ値に分離した後、その画像の明暗の影響を除去した後、マハラノビスの距離（Mahalanobis' Distance：ＭＤ）によって評価する。

「ＲＧＢ値」とは、色の表色法であるＲＧＢによる値を意味し、光の三原色である「赤」に関するＲ（ＲＥＤ）値と、「緑」に関するＧ（ＧＲＥＥＮ）値と、「青」に関するＢ（ＢＬＵＥ）値との成分を含んでいる。これら各成分は、０から２５５までの２５６階調で表現されている。ここでのＲＧＢ値は、画像における位置に関連付けられている、すなわち、画像データのピクセルごとに設定されている。ちなみに、ＲＧＢは、ＲＧＢカラーモデルとも称される。

また、「ＭＴシステム」とは、マハラノビスの距離という基本概念を用いて状態の変化を判別する多変量解析手法であり、複数の測定量（多変数）をマハラノビスの距離（１つの変数）で表現して取り扱っている。なお、マハラノビスの距離の詳細については、特開２００６−１６０１５３号公報等を参照されたい。

図１に示すように、レーザ溶接システム１は、ワーク（母材）１０Ａ，１０Ｂの略中央部分に直線状の溶接部Ｗを形成し、ワーク１０Ａ，１０Ｂを重ね溶接する。ワーク１０Ａ，１０Ｂとしては、ステンレス等の金属で形成され鉄道車両構体に用いられる板状の外板パネル及び骨部材が用いられている。このレーザ溶接システム１は、レーザビームを照射して溶接部Ｗを形成するレーザ溶接装置２を備えている。

レーザ溶接装置２は、送り装置２１と、ワーク固定装置２２と、レーザ照射装置２３と、ガス供給装置２４とを備えている。これらの各装置２１〜２４は、上位の制御装置（不図示）に接続され、この制御装置から出力される動作指示情報に従って、各動作を自動で実行するようになっている。

送り装置２１は、ワーク１０Ａ，１０Ｂへのレーザビームの照射位置を走査する。具体的には、送り装置２１は、可動ステージ２５に載置されたワーク１０Ａ，１０Ｂを、レーザ照射装置２３によるレーザビームに対し溶接予定領域Ｒに沿って相対的に移動させる。

ワーク固定装置２２は、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。このワーク固定装置２２では、長尺の押さえ板２６ａによって、溶接予定領域Ｒを挟んだワーク１０Ａ，１０Ｂの両端部分が可動ステージ２５に押し付けられる。

レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに向けてレーザビームを照射する。具体的には、レーザ照射装置２３は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの上方のレーザヘッド２７における先端から、例えばＹＡＧレーザやＣＯ_２レーザ等のレーザビームを所定時間出射する。なお、レーザ照射装置２３は、内部に出力切替機構（不図示）を備えており、レーザビームを連続的に照射する場合と、レーザビームをパルス状に照射する場合とで切り替え可能とされている。

ガス供給装置２４は、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに対してアシストガス（アルゴンガス等）を供給する。ここでのガス供給装置２４では、供給ノズル２８がワーク１０Ａ，１０Ｂの厚さ方向に対し約３０度傾斜するように配置されている。このガス供給装置２４は、所定の供給量でワーク１０Ａ，１０Ｂのレーザビーム照射位置にアシストガスを供給する。

また、レーザ溶接システム１は、溶接部Ｗの色相むらが正常か否かを判定する判定装置３を備えている。判定装置３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等を備えたコンピュータシステムである。この判定装置３には、画像取得センサ４が接続されている。

画像取得センサ４は、溶接部Ｗを観察するためのものであり、溶接部Ｗの画像データ（画像情報）を取得する。画像取得センサ４としては、デジタルカメラやイメージスキャナ等が用いられている。この画像取得センサ４は、取得した画像データを判定装置３へ出力する。

判定装置３は、機能的な構成要素として、演算部３１、比較判定部３２及びデータベース３３を有している。演算部３１は、画像データをＲＢＧ値に分離する演算、及び画像データの明暗を除去するための演算を実行する。比較判定部３２は、溶接部Ｗの色相むらをＭＴシステムのマハラノビスの距離によって判定する。データベース３３は、正常な溶接部Ｗのデータで生成されたＭＴシステムの単位空間であって比較判定部３２で溶接部Ｗを判定する際に用いる判定用単位空間を格納する。なお、演算部３１、比較判定部３２及びデータベース３３に関する処理の詳細については、後述する。

次に、上述したレーザ溶接システム１の処理工程について、図２〜４に示すフローチャートを参照しつつ説明する。

レーザ溶接システム１では、まず、溶接前工程として、ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に載置し、上方から加圧治具２６を下降させて基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂを可動ステージ２５に固定する。そして、レーザ溶接システム１の動作確認を行う（Ｓ１）。

続いて、溶接中工程として、レーザヘッド２７からレーザビームを照射すると共に、可動ステージ２５を移動させてワーク１０Ａ，１０Ｂを矢印Ａ方向（図１参照）に走査する。これに併せて、ガス供給装置２４によってアシストガスを供給する。これにより、ワーク１０Ａ，１０Ｂの溶接予定領域Ｒに沿って、溶接部Ｗを形成する（Ｓ２）。最後に、溶接後工程として、溶接部Ｗの良否を判定し、ワーク固定装置２２を解除し、互いに溶接されたワーク１０Ａ，１０Ｂを搬出する（Ｓ３）。

ところで、本実施形態では、上記溶接前工程において判定用単位空間を予め生成する（判定用単位空間生成工程）と共に、上記溶接後工程において溶接部Ｗの色相むらを判定する（色相判定工程）。そこで、まず、判定用単位空間生成工程について詳細に説明する。

［判定用単位空間生成工程］
判定用単位空間は、正常な溶接部Ｗのデータに基づいて色相判定工程の前に予め生成されるものである。そこで、まず、正常な溶接部Ｗをマハラノビスの距離によって識別すべく、かかる識別の際に用いられるＭＴシステムの基準用単位空間を、母材であるワーク１０Ａ（或いは、ワーク１０Ｂ）の画像データから生成する。

具体的には、レーザ溶接前のワーク１０Ａ（或いは、ワーク１０Ｂ）の表面を画像取得センサ４で撮像し（デジタル化し）、ワーク１０Ａの画像データを取得する（Ｓ１１）。続いて、演算部３１において、画像データをＲＧＢ分離し、母材ＲＧＢ値を算出する（Ｓ１２）。

続いて、母材ＲＢＧ値をグレースケール変換する（Ｓ１３）。ここでは、下式（１）に従ってグレースケール変換を行っている。これにより、色の明るさ（輝度）を表すグレースケール値Ｙを算出する。なお、このグレースケール値Ｙは、グレースケール変換後にて互いに等しい値となったＲ値、Ｂ値又はＧ値である。
Ｙ＝０．２１２６×Ｒ＋０．７１５２×Ｇ＋０．０７２２×Ｂ …（１）
但し、Ｒ：Ｒ値、Ｇ：Ｇ値、Ｂ：Ｂ値。

続いて、上記Ｓ１３で算出したグレースケール値Ｙで母材ＲＧＢ値を除算し、母材除算値を導出する（Ｓ１４）。これにより、母材ＲＧＢ値から、画像の明暗が除去されることとなる。そして、母材除算値に基づいて、ＭＴシステムの単位空間を基準用単位空間として生成する（Ｓ１５）。ここで、かかる画像の明暗の除去について、原理を以下に説明する。

図５（ａ）は赤のサンプル色相を示し、図６（ａ）緑のサンプル色相を示し、図７（ａ）は青のサンプル色相を示している。これら各図のサンプル色相４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂにおいては、その一端（図示左端）が０ピクセルとされ、一端から他端（図示右端）に向かってピクセルの座標軸が設定されている。

各図に示すように、サンプル色相４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの色相では、両端が最も暗くて中央が最も明るくされ、その間が徐々に変化するようになっている。よって、これらのサンプル色相４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの画像データをＲＧＢ値に分離したときのＲ値、Ｇ値及びＢ値のそれぞれは、図５（ｂ），図６（ｂ），図７（ｂ）に示すように、横軸をピクセルとするグラフ上では、山型のデータグラフとなっている。

図５（ｃ），図６（ｃ），図７（ｃ）に示すように、このＲ値、Ｇ値及びＢ値のそれぞれをグレースケール値Ｙで除算すると、これらが色の明るさで正規化されるよう演算が施されることなり、色の明暗にかかわらず一定値となる。よって、ＲＧＢ値から画像の明暗に関する影響が排除されるのである。

次に、既にレーザ溶接が施された基準用溶接部Ｗについて画像データを取得し（Ｓ１６）、この画像データをＲＧＢ分離して基準用ＲＧＢ値を算出する（Ｓ１７）。そして、基準用ＲＢＧ値をグレースケール変換してグレースケール値Ｙを算出した後（Ｓ１８）、このグレースケール値Ｙで基準用ＲＧＢ値を除算し、基準用除算値を導出する（Ｓ１９）。

続いて、基準用除算値に基づいて、上記Ｓ１５にて形成した母材単位空間を用いてマハラノビスの距離を算出する（Ｓ２０）。このマハラノビスの距離が所定値（第２閾値）よりも小さい場合、基準用溶接部Ｗを正常（健全）であると判断し、上記Ｓ１９にて導出した基準用除算値に基づいて判定用単位空間を生成する（Ｓ２１→Ｓ２２）。その後、生成された判定用単位空間を、データベース３３に格納する。一方、このマハラノビスの距離が所定値以上の場合、基準用溶接部Ｗを異常であると判断し、別の他の基準用溶接部Ｗについて上記Ｓ１６の処理を再び実行する。

図８は、基準用溶接部のマハラノビスの距離を示すグラフである。図８に示す例では、複数の基準用溶接部ＷＡ〜ＷＧについて、基準用除算値に基づき母材単位空間を用いて算出したマハラノビスの距離が示されている。また、ここでは、経験上及び統計学の観点から、所定値が４００に設定されている。図８に示すように、基準用溶接部ＷＡは、そのマハラノビスの距離が所定値よりも大きく、異常であると判断される一方、基準用溶接部ＷＢ〜ＷＧは、そのマハラノビスの距離が所定値以下であり、正常であると判断されることとなる。

［色相判定工程］
次に、色相判定工程について説明する。まず、上記Ｓ２にて形成した溶接部Ｗを画像取得センサ４で撮像し、溶接部Ｗの画像データを取得する（Ｓ３１）。続いて、演算部３１において、この画像データをＲＧＢ分離し、判定用ＲＧＢ値を算出する（Ｓ３２）。

続いて、判定用ＲＢＧ値をグレースケール変換し、色の明るさを表すグレースケール値Ｙを算出する（Ｓ３３）。続いて、当該Ｓ３３にて算出したグレースケール値Ｙで判定用ＲＧＢ値を除算し、判定用除算値を導出する（Ｓ３４）。その後、判定用除算値に基づいて、上記Ｓ２２にて生成した判定用単位空間を用いてマハラノビスの距離を算出する（Ｓ３５）。

そして、比較判定部３２において、上記Ｓ３５にて算出したマハラノビスの距離に基づいて、溶接部Ｗの色相むらを判定する。具体的には、マハラノビスの距離が所定値（第１閾値）よりも小さい場合、溶接部Ｗの色相むらを正常（健全）であると判定する（Ｓ３６→Ｓ３７）。すなわち、溶接部Ｗの色相むらの度合いが、許容値内であると比較判定される。なお、ここでの所定値は、経験上及び統計学の観点から、４〜１０程度に設定されている。また、マハラノビスの距離が１であれば、判定用単位空間の生成に用いられた基準用溶接部Ｗと同等の色相品質を有することになる。

一方、上記Ｓ３５にて算出したマハラノビスの距離が所定値以上の場合、溶接部Ｗの色相むらを異常であると判定する（Ｓ３６→Ｓ３８）。ちなみに、ここでの「色相むら」とは、赤、緑、青の色相内のそれぞれにおいて明暗（濃度）がばらつくことではなく、様々な色相が存在することを意味する。

以上、本実施形態によれば、判定用ＲＧＢ値をグレースケール値Ｙで除算することで判定用除算値が得られている（上記Ｓ３４）。つまり、ＲＧＢ値のＲ値とＧ値とＢ値との各成分に対し、輝度としてのグレースケール値Ｙで正規化されるよう演算が施され、判定用除算値が求められている。よって、判定用除算値において、溶接部Ｗの画像における同色系の濃度のばらつき（明暗）を除去することができる。従って、判定用除算値に基づいて溶接部Ｗの色相むらを判定する（上記Ｓ３６）ことで、かかる色相むらを精度よく判定することが可能となる。

その結果、溶接後工程（上記Ｓ３）において、例えば溶接部Ｗに形成された輪状の焼け焦げ等を電解研磨で精度よく脱色することができ、製品外観を一層高めることが可能となる。また、複雑なアルゴリズムのフィルタリング処理を不要にでき、色相むらの判定を簡易化することも可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、色相むらを判定するに際し（上記Ｓ３６）、判定用除算値に基づいてマハラノビスの距離を算出し、該マハラノビスの距離が所定値よりも小さいとき、色相むらが正常であると判定している。よって、ＭＴシステムを利用して溶接部Ｗの色相むらを定性的に判定することができ、溶接部Ｗの色相むらを一層精度よく判定することが可能となる。

図９（ａ）は正常な色相むらの溶接部の判定用ＲＧＢ値を示すグラフ、図９（ｂ）はその判定用除算値を示すグラフ、図１０（ａ）は異常な色相むらの溶接部の判定用ＲＧＢ値を示すグラフ、図１０（ｂ）はその判定用除算値を示すグラフである。図９，１０においては、レーザ溶接の対象となるワーク１０Ａ，１０Ｂとして、ＳＵＳ３０１Ｌ材を用い、表面状態はいわゆる２Ｂ仕上げ（ＪＩＳ規格に準拠）としている。また、ワーク１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、その厚さが２ｍｍ、幅が１００ｍｍ、長さが１００ｍｍとしている。図９の例では、レーザビームの出力を３．４ｋＷとし、可動ステージ２５の移動速度を約３．５ｍ／ｍｉｎとしている。他方、図１０の例では、レーザビームの出力を３．４ｋＷとし、可動ステージ２５の移動速度を約５ｍ／ｍｉｎとしている。

図９，１０に示すように、正常な色相むらの溶接部Ｗと異常な色相むらの溶接部Ｗとを対比すると、判定用ＲＧＢ値では、共に大きく振幅し、互いの相違を判定するのが困難である。一方で、判定用除算値においては、正常な色相むらの溶接部は、異常な色相むらの溶接部に対し一見して識別できる程度に、その波形の振幅が抑制されている。これにより、除算値においては、溶接部Ｗの画像における明暗の悪影響が除去され、色相むらに関する成分が顕著化されるということを確認することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記実施形態では、除算値から算出したマハラノビスの距離によって溶接部Ｗの色相むらの判定を行ったが、除算値に対し標本線（例えば、μ±ｎσ：但し、μは除算値の平均値、ｎは整数、σは除算値の標準偏差）を設定し、この標本線内に除算値が存在するときに溶接部Ｗの色相むらを正常と判定する場合もある。また、場合によっては、除算値のグラフを目視で判定してもよい。

また、レーザ溶接の態様は、上記実施形態のような重ね溶接に限定されず、突合せ溶接等の種々の態様であってもよい。なお、上記「ＲＧＢ値（ＲＧＢ）」には、ｓＲＧＢやＲＧＢＡ等の同様の表色法による値を含んでいる。

１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（母材）、Ｗ…溶接部。

Claims (4)

1. レーザビームの照射で母材に形成された溶接部を評価するためのレーザ溶接部評価方法であって、
   前記溶接部の色相むらを判定する色相判定工程を有し、
   前記色相判定工程では、
   前記溶接部の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を算出し、
   前記ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値をグレースケール値として算出し、
   前記ＲＧＢ値を前記グレースケール値で除算して得られる除算値に基づいて、前記色相むらを判定することを特徴とするレーザ溶接部評価方法。
2. 前記色相判定工程では、
   前記除算値に基づいてマハラノビスの距離を算出し、該マハラノビスの距離が第１閾値よりも小さいとき、前記色相むらが正常であると判定することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接部評価方法。
3. 前記色相判定工程の前に、該色相判定工程にてマハラノビスの距離を算出する際に用いる判定用単位空間を予め生成する判定用単位空間生成工程を有することを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接部評価方法。
4. 前記判定用単位空間生成工程は、
   前記母材の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を母材ＲＧＢ値として算出し、前記母材ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値を母材グレースケール値として算出し、前記母材ＲＧＢ値を前記母材グレースケール値で除算して得られる母材除算値に基づいて基準用単位空間を生成する第１工程と、
   基準用溶接部の画像情報を取得し、該画像情報のＲＧＢ値を基準用ＲＧＢ値として算出し、前記基準用ＲＧＢ値をグレースケール変換して得られる値を基準用グレースケール値として算出し、前記基準用ＲＧＢ値を前記基準用グレースケール値で除算して得られる基準用除算値に基づいて、マハラノビスの距離を前記第１工程にて生成した前記基準用単位空間を用いて算出し、該マハラノビスの距離が第２閾値よりも小さいとき、前記基準用除算値に基づいて前記判定用単位空間を生成する第２工程と、を含むことを特徴とする請求項３記載のレーザ溶接部評価方法。