JP5461070B2 - レーザ溶接システムの異常検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接システムの異常検出方法に関し、特に、レーザ溶接システムにおいて溶接部を形成する際に作動する要素に関する異常を検出するための異常検出方法に関する。

従来のレーザ溶接システムの異常検出方法としては、被加工物にレーザビームを照射し溶接部を形成する際、その溶接部の光強度情報を取得し、取得した光強度情報に基づいて溶接の異常を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２５３２２０号公報

ところで、一般的に、レーザ溶接システムでは、溶接部を形成する際（つまり、溶接中）に異常が特に生じ易い。そのため、上述したようなレーザ溶接システムの異常検出方法では、溶接中の異常を精度よく検出できることが特に要求される。さらに、近年のレーザ溶接システムの異常検出方法では、レーザ溶接システムの異常を容易に検出できることが望まれる。

そこで、本発明は、溶接部を形成する際のレーザ溶接システムの異常を、容易に且つ精度よく検出することができるレーザ溶接システムの異常検出方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明者らは鋭意検討を重ねた結果、レーザ溶接システムの溶接条件を最適化した場合、溶接中に検出される異常は、通常、溶接中に作動する要素に関する異常（例えば、ガス吹込み角異常、ガス流量異常、又はガス成分異常等）に限られるという知見を得た。そして、このように異常を限定できる場合、溶接部の光強度データに基づきレーザ溶接システムの異常と正常とを比較的容易に区別できることを見出した。そこで、本発明者らは鋭意検討をさらに重ね、光強度データに標本線を適宜設定すると、溶接部を形成する際のレーザ溶接システムの異常を容易に且つ精度よく検出できるという知見を得、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係るレーザ溶接システムの異常検出方法は、レーザビームの照射で被加工物に溶接部を形成する前に溶接条件が予め最適化されたレーザ溶接システムにおいて溶接部を形成する際に作動する要素に関する異常を検出するための異常検出工程を備え、異常検出工程は、溶接部を形成する前に、異常を検出するための基準値を求める第１工程と、溶接部を形成する際に該溶接部の光強度に関する光強度データを取得し、光強度データにおいて基準値に標本線を設定して解析した結果に基づいて、異常を検出する第２工程と、を含み、第１工程では、基準用被加工物にレーザビームを照射し正常な溶接部としての基準用溶接部を形成する際、基準用溶接部の光強度に関する基準用光強度データを取得し、基準用光強度データに移動平均処理を施して移動平均値を算出し、移動平均値の平均値を基準値として算出することを特徴とする。

このレーザ溶接システムの異常検出方法では、溶接条件が予め最適化されたレーザ溶接システムの異常を検出することから、溶接中に検出される異常は、溶接部を形成する際に作動する要素に関する異常（以下、「溶接中要素異常」ともいう）に限定される。よって、正常なデータである基準用光強度データの移動平均値をさらに平均化して基準値を求め、光強度データにおいて基準値に標本線を設定し解析することで、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとを容易に且つ精度よく区別することができる。従って、かかる解析結果に基づくことで、溶接部を形成する際のレーザ溶接システムの異常を容易に且つ精度よく検出することが可能となる。

また、第２工程では、光強度データと標本線との交差数が、予め設定された閾値よりも小さい場合に、異常を検出することが好ましい。この場合、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとを好適に区別することができる。よって、溶接部を形成する際のレーザ溶接システムの異常を容易に且つ精度よく検出するという上記作用効果を、好適に発揮させることが可能となる。

このとき、閾値は、基準用光強度データと標本線との交差数の８０％の値であることが好ましい。これにより、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとを、光強度データのばらつき（誤差）を考慮して区別することができる。

また、第２工程では、標本線を超えた光強度データのデータ数が、予め設定された下限閾値よりも小さい又は予め設定された上限閾値よりも大きい場合に、異常を検出することが好ましい。この場合においても、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとを好適に区別することができ、よって、上記作用効果を好適に発揮させることが可能となる。

このとき、下限閾値は、標本線を超えた基準用光強度データのデータ数の８０％の値であり、上限閾値は、標本線を超えた基準用光強度データのデータ数の１２０％の値であることが好ましい。これにより、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとを、光強度データのばらつきを考慮して区別することができる。

また、溶接部を形成する際に作動する要素は、ガス吹込み角異常、ガス流量異常、及びガス成分異常の少なくとも１つを含む場合がある。

本発明によれば、溶接部を形成する際のレーザ溶接システムの異常を、容易に且つ精度よく検出することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る異常検出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の溶接前工程において溶接中要素異常を検出するための基準値及び閾値を求める工程を示すフローチャートである。 図２の溶接中工程において溶接中要素異常を検出する工程を示すフローチャートである。 基準用光強度データの一例を示すグラフである。 光強度データの一例を示すグラフである。 微分特性値の一例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異常検出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に示すように、レーザ溶接システム１は、ワーク（被加工物）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、レーザ溶接装置２と、異常検出装置３とを備えている。

レーザ溶接装置２は、レーザビームを照射して溶接部Ｗを形成するものであり、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（以下、「加工点」という）にアシストガスを供給する。

異常検出装置３は、レーザ溶接システム１において溶接部Ｗを形成する際に作動する要素に関する異常（以下、「溶接中要素異常」ともいう）を検出するためのものである。この異常検出装置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。

この異常検出装置３には、フィルタ５を介して光強度検出センサ４が接続されている。光強度検出センサ４は、加工点の光強度に関する光強度データを取得するためのフォトセンサであり、レーザビームの照射位置の近傍に配置されている。フィルタ５は、所定波長を選択的に通過させる光学フィルタが用いられている。これにより、異常検出装置３には、光強度データが光強度検出センサ４からフィルタ５を介して入力される。

また、異常検出装置３は、機能的な構成要素として、異常検出部３１と、格納部３２とを有している。異常検出部３１は、入力された光強度データに基づいて、溶接中要素異常を検出する（詳しくは、後述）。格納部３２は、異常検出部３１から出力される検出結果を受け取り格納する。また、この格納部３２は、溶接中要素異常を検出するために光強度データに設定される標本線の値となる基準値を格納する。なお、ここでの「標本線」とは、データ波形上に適当に設定された横線をいう。

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において溶接条件を最適化すると共に、動作確認を行う（Ｓ１）。ここでの溶接条件の最適化では、送り装置２１、ワーク固定装置２２、レーザ照射装置２３、ガス供給装置２４、及びこれら各装置２１〜２４に電力を供給する電源等についてプロセス管理を行うことで検出した異常を、正常化して最適化している。

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、１５Ｌ／ｍｉｎの流量で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）。

ここで、本実施形態にあっては、溶接中要素異常を検出するための異常検出工程を備えている。ここでは、溶接中要素異常として、ガス供給装置２４によって供給されるアシストガスに関する異常、すなわち、ガス吹込み角異常（ガスノズルの設置姿勢異常）又はガス流量異常を検出している。以下、詳細に説明する。

まず、溶接前工程においては、溶接中要素異常を検出するための基準値及び閾値を求める。具体的には、基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂに対し、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を走査する。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、基準用ワーク１０Ａ，１０Ｂに、正常な溶接部としての基準用溶接部Ｗを形成する。

この基準用溶接部Ｗの形成の際、光強度検出センサ４によって、加工点の光強度に関する基準用光強度データを取得する（Ｓ１１）。図５に示すように、ここでの基準用光強度データＤ０は、横軸を時間、縦軸を光強度とする時系列波形で表すことができる。なお、横軸の時間は、光強度検出センサ４の時間分解能に基づくと、データ番号として表すことも勿論可能である。

続いて、異常検出部３１において、基準用光強度データＤ０に対し、例えば２００データ数の時間間隔で移動平均処理を施し、移動平均値ＭＡを算出する（Ｓ１２）。そして、移動平均値ＭＡを平均化し、この平均値を基準値Ｓとして算出する（Ｓ１３）。

続いて、基準用光強度データＤ０の基準値Ｓに標本線Ｌを設定する。所定時間（所定データ数間）における光強度データＤと標本線Ｌとの交差数である時系列波形としての微分特性値(変化量)を算出する（Ｓ１４）。この微分特性値の最小値の８０％の値を閾値α（図７参照）として算出する（Ｓ１５）。最後に、これら基準値Ｓ及び閾値αを、格納部３２に格納する。

次に、溶接中工程においては、溶接部Ｗを形成する際、光強度検出センサ４によって溶接部Ｗの光強度に関する光強度データを取得する（Ｓ２１）。ここでの光強度データＤ（図６参照）は、上記の基準用光強度データと同様に構成されており、横軸を時間、縦軸を光強度とする時系列波形で表すことができる。

続いて、異常検出部３１において、光強度データＤの基準値Ｓに標本線Ｌを設定し解析した結果に基づいて、溶接中要素異常の有無を検出する。すなわち、所定時間（所定データ数間）における光強度データＤと標本線Ｌとの交差数である時系列波形としての微分特性値を算出する（Ｓ２２）。この微分特性値が閾値αよりも小さい場合、溶接中要素異常を検出し、「溶接中要素異常あり」とする検出結果を格納部３２に格納する（Ｓ２３→Ｓ２４）。一方、この微分特性値が閾値α以上の場合、「溶接中要素異常なし」とする検出結果を格納部３２に格納する（Ｓ２３→Ｓ２５）

以上、本実施形態では、上述したように、溶接条件が予め最適化されたレーザ溶接システム１の異常を検出している。これは、レーザ溶接システム１の溶接条件を最適化した場合、溶接中に発生する異常が、ガス吹込み角異常又はガス流量異常等の溶接中要素異常に限定できるためである。そして、この場合、正常時の光強度データと、溶接中要素異常時の光強度データと、が比較的容易に区別されることが見出される。

そこで、本実施形態では、上述したように、正常なデータである基準用光強度データＤ０の移動平均値ＭＡをさらに平均化して基準値Ｓを求め、光強度データＤにおいて基準値Ｓに標本線Ｌを設定して解析し、溶接中要素異常の有無を検出している。すなわち、光強度データＤに標本線Ｌを好適に設定して、正常時の光強度データＤと溶接中要素異常時の光強度データＤとを識別しているのである。よって、本実施形態によれば、レーザ溶接システム１における溶接中の異常の有無を、容易に且つ精度よく検出することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、微分特性値が予め設定された閾値αよりも小さい場合に、溶接中要素異常を検出している。このように微分特性値を用いると、正常時の微分特性値が溶接中要素異常時の微分特性値よりも必ず大きくなるという特性を有することから、正常時の光強度データＤと溶接中要素異常時の光強度データＤとを１つの閾値αで容易に区別できる。よって、レーザ溶接システム１における溶接中の異常の有無を容易に且つ精度よく検出するという上記作用効果を好適に発揮させることが可能となる。

図６は、光強度データの一例を示すグラフである。図６において、実線波形は正常なときの光強度データＤ１を示し、波線波形はガス吹込み角異常のときの光強度データＤ２を示し、一点鎖線波形はガス流量異常のときの光強度データＤ３を示している。図６に示す例から、３つの波形を分離する可能性を確認でき、正常時の光強度データＤ１と溶接中要素異常時の光強度データＤ２，Ｄ３とを比較的容易に区別できることが確認できる。

図７は、微分特性値の一例を示すグラフである。図７において、実線波形は正常なときの微分特性値Ｂ１を示し、波線波形はガス吹込み角異常のときの微分特性値Ｂ２を示し、一点鎖線波形はガス流量異常のときの微分特性値Ｂ３を示している。図７に示すように、正常時の微分特性値Ｂ１と溶接中要素異常時の微分特性値Ｂ２，Ｂ３との相違は、顕著であることがわかる。また、正常時の微分特性値Ｂ１は、最も大きい値となることがわかる。よって、微分特性値Ｂ１〜Ｂ３及び閾値αに基づくと、溶接中要素異常の有無を容易に且つ精度よく検出できのがわかる。

ところで、正常な光強度データＤ１のばらつきは、システム全体の構成・特性や経験上から、大きくても±２０％であることがわかっている（図７参照）。従って、本実施形態の閾値αにあっては、上述したように、基準用光強度データＤ０と標本線Ｌとの交差数の８０％の値として設定されている。これにより、正常な光強度データＤ１と異常な光強度データＤ２，Ｄ３とを、光強度データＤのばらつき（誤差）を考慮して好適に区別することができ、溶接中要素異常を一層精度よく検出することが可能となる。

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、光強度データＤと標本線Ｌとの交差数である微分特性値を用いて溶接中要素異常を検出したが、標本線Ｌを超えた光強度データＤのデータ数（換言すると、標本線Ｌよりも上に存在する光強度データＤのデータ数）である積分特性値（存在量）を用いて溶接中要素異常を検出してもよい。

具体的には、まず、溶接前工程にて、基準値Ｓを算出し基準用光強度データＤ０の基準値Ｓに標本線Ｌを設定した後（上記Ｓ１３）、所定時間（所定データ数間）において標本線Ｌを越えた基準用光強度データＤ０のデータ数である時系列波形としての積分特性値を算出する。そして、この積分特性値の最小値の８０％の値を下限閾値として算出すると共に、この積分特性値の最小値の１２０％を上限閾値として算出する。

次に、溶接中工程にて、光強度データＤを取得した後（上記Ｓ２１）、所定時間において標本線を越えた光強度データＤのデータ数である時系列波形としての積分特性値を算出する。そして、この積分特性値が下限閾値よりも小さい、又は上限閾値よりも大きい場合、溶接中要素異常を検出する。

このように積分特性値を用いた場合でも、正常時の光強度データと溶接中要素異常時の光強度データとが好適に区別され、レーザ溶接システム１における溶接中の異常の有無を容易に且つ精度よく検出するという上記作用効果が発揮される。さらに、この場合、下限閾値及び上限閾値には、光強度データのばらつきが考慮されることとなる。

また、上記実施形態では、ガス吹込み角異常又はガス流量異常を溶接中要素異常として検出したが、ガス成分異常等を溶接中要素異常として検出してもよく、要は、溶接中要素異常は、溶接部を形成する際に作動する要素に関する異常であればよい。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く、また、平ワイヤ等の溶加材を利用する態様であってもよい。

また、上記の閾値、上限閾値及び下限閾値は上述した値に限定されず、レーザ溶接の態様や環境に応じて適宜設定してもよい。なお、上記「８０％」及び「１２０％」は、略８０％及び略１２０％をそれぞれ含んでおり、計測上又は演算上の誤差等を含むものである。

また、本発明では、移動平均化されるようバンドパスフィルタを通した光強度データの値を平均化し、その平均値を基準値として算出してもよい。つまり、所定バンド幅のバンドパスフィルタで光強度データをフィルタリングした値が、上記移動平均値として取り扱われる場合もある。

１…レーザ溶接システム、１０Ａ，１０Ｂ…ワーク（被加工物）、Ｗ…溶接部。

Claims (3)

1. レーザビームの照射で被加工物に溶接部を形成する前に溶接条件が予め最適化されたレーザ溶接システムにおいて前記溶接部を形成する際に作動する要素に関する異常を検出するための異常検出工程を備え、
   前記異常検出工程は、
   前記溶接部を形成する前に、前記異常を検出するための基準値を求める第１工程と、
   前記溶接部を形成する際に該溶接部の光強度に関する光強度データを取得し、前記光強度データにおいて前記基準値に標本線を設定して解析した結果に基づいて、前記異常を検出する第２工程と、を含み、
   前記第１工程では、
   基準用被加工物に前記レーザビームを照射し正常な溶接部としての基準用溶接部を形成する際、前記基準用溶接部の光強度に関する基準用光強度データを取得し、
   前記基準用光強度データに移動平均処理を施して移動平均値を算出し、前記移動平均値の平均値を基準値として算出し、
   前記第２工程では、前記光強度データと前記標本線との交差数が、予め設定された閾値よりも小さい場合に、前記異常を検出することを特徴とするレーザ溶接システムの異常検出方法。
2. 前記閾値は、前記基準用光強度データと前記標本線との交差数の８０％の値であることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接システムの異常検出方法。
3. 前記溶接部を形成する際に作動する要素は、ガス吹込み角異常、ガス流量異常、及びガス成分異常の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ溶接システムの異常検出方法。

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