JP5842851B2

JP5842851B2 - 溶接部の検査装置とその検査方法

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Publication number: JP5842851B2
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Description

本発明は溶接部の検査装置とその検査方法に関し、たとえばレーザ光で複数のワーク同士を溶接する際に形成される溶接部の溶接状態を検査する検査装置とその検査方法に関するものである。

従来から、たとえば二枚の鋼板を重ね合わせてレーザ溶接する際には、そのレーザ溶接によって形成される溶接部の品質評価が行われている。このようなレーザ溶接による溶接部の品質評価の一例として、たとえば特許文献１には、レーザ光の反射光を用いてレーザ溶接の品質評価を行う技術が開示されている。

特許文献１に開示されているレーザ溶接品質判定システムは、レーザトーチから例えばＹＡＧレーザを照射し、第１の受光出力手段によってレーザ反射光を溶接進行方向の前方斜め上方から受光し、第２の受光出力手段によって蒸気発光（プルーム）やレーザ反射光を含む溶接光をレーザ光の照射方向と同軸方向にて受光し、この所定の２方向から同時に受光されたレーザ反射光と溶接光をそれらの強度に応じた電気信号に変換し、この電気信号の信号強度またはその変化に基づいて溶接品質を判定するシステムである。

特開２００８−８７０５６号公報

特許文献１に開示されているレーザ溶接品質判定システムによれば、所定の異なる２方向からレーザ反射光と溶接光を同時に受光し、それぞれの受光信号強度と適宜に設定された閾値を比較することによって、たとえば鋼板間の隙間を埋めるために溶接ビードが窪んでしまう引け溶接（アンダーフィル）、鋼板間の隙間が過大であるために上下の鋼板同士が接合しない未接合溶接、やはり鋼板間の隙間が過大であるためにビードが陥没する落ち溶接、熱バランスの変動などに起因して突発的にビードが無くなる溶断溶接、穴あき溶接などといった多様な形態の溶接不良のいずれか一つが生じていることを判定することができる。

しかしながら、特許文献１に開示されているレーザ溶接品質判定システムにおいては、たとえばレーザトーチとワーク（鋼板）とが離間している場合に、受光されたレーザ反射光や溶接光から得られる電気信号が微弱となるため、溶接不良の判定精度が低下する可能性がある。特に、レーザ溶接時にビードが陥没する落ち溶接などにおいては、溶接不良に起因する電気信号の変化が小さくなるため、ワークの溶接不良を精緻に検出することができないといった問題が生じ得る。さらに、ワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光やワークの溶融池から放射される熱放射光はワーク温度に応じて変化し、受光されたレーザ反射光や溶接光から得られる電気信号およびレーザ溶接品質を判定するための閾値がワーク温度に応じて変化することが知られており、レーザ溶接時のワーク温度の変動が大きい場合には、ワークの溶接不良の判定精度が更に低下するといった問題が生じ得る。

本発明は上記する課題に鑑みてなされたものであり、たとえばレーザトーチとワークを離間して溶接するリモート溶接において、ワークの溶接部の溶接状態を精緻に検査することができる溶接部の検査装置とその検査方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明者等は、鋭意研究の結果、ワークに対して溶接用レーザ光や検査用レーザ光を照射した際に受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して検出される基本周波数における振幅および当該基本周波数の２倍の周波数における振幅が、ワークに形成される溶接部の溶接状態、具体的には溶接部の溶接欠陥の大きさと密接に関連することを見出した。

すなわち、本発明による溶接部の検査装置は、複数のワーク同士を溶接する際に形成される溶接部の溶接状態を検査する溶接部の検査装置であって、ワーク同士を溶接するために該ワークに設定された溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を照射する、もしくは、溶接用レーザ光によって溶融されたワークの溶融池に設定された走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射する照射部と、前記照射部によって照射された溶接用レーザ光もしくは検査用レーザ光によるワークの溶融池からの反射光、ワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光、およびワークの溶融池から放射される熱放射光の少なくとも一つを含む戻り光を受光する受光部と、前記受光部によって受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して検出される基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する検査部と、を備えているものである。

上記する溶接部の検査装置によれば、溶接用レーザ光を溶接軌跡に沿って照射した際もしくは検査用レーザ光を走査軌跡に沿って照射した際に受光部で受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して検出される基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて、ワークの溶接部の溶接状態を検査することによって、たとえば照射部とワークを離間して溶接するリモート溶接において、受光部で受光される戻り光から得られる電気信号が微弱となる場合や、受光部で受光される戻り光の強度がワーク温度の変化に応じて変化する場合であっても、ワークの溶接部の溶接状態を精緻に検査することができる。

また、前記検査部は、前記基本周波数における振幅と該基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接欠陥の大きさを検査することが好ましい。

本発明者等は、基本周波数における振幅と該基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率がワークの溶接部の溶接欠陥の大きさと相関することを、ワークの溶接部に溶接欠陥が存在する場合に想定される様々な戻り光の強度にフーリエ変換を施して得られる結果から見出した。上記する溶接部の検査装置によれば、検査部が、基本周波数における振幅と該基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいてワークの溶接部の溶接欠陥の大きさを検査することによって、ワークの溶接部の溶接状態をより精緻に検査することができる。

また、前記照射部は、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射する、もしくは、同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射することが好ましい。

上記する溶接部の検査装置によれば、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射した際もしくは同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射した際に受光部で受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して検出される基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて、ワークの溶接部の溶接状態を検査することによって、たとえば溶接用レーザ光を所定の溶接軌跡に沿って一回だけ照射した際もしくは検査用レーザ光を所定の走査軌跡に沿って一回だけ照射した際の戻り光から得られる電気信号が微弱であったり、戻り光から得られる電気信号がノイズを含む場合であっても、当該戻り光に含まれるノイズ等による検査精度の低下を抑制することができ、溶接部の溶接状態の検査精度を高めることができる。

また、本発明による溶接部の検査方法は、複数のワーク同士を溶接する際に形成される溶接部の溶接状態を検査する溶接部の検査方法であって、ワーク同士を溶接するために該ワークに設定された溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を照射し、もしくは、溶接用レーザ光によって溶融されたワークの溶融池に設定された走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射し、前記溶接用レーザ光もしくは検査用レーザ光によるワークの溶融池からの反射光、ワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光、およびワークの溶融池から放射される熱放射光の少なくとも一つを含む戻り光を受光する第１のステップと、戻り光の強度にフーリエ変換を施して基本周波数を検出するとともに、該基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する第２のステップと、からなる方法である。

上記する溶接部の検査方法によれば、受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して基本周波数を検出するとともに、基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいてワークの溶接部の溶接状態を検査することによって、たとえばレーザ照射部とワークを離間して溶接するリモート溶接において、受光された戻り光から得られる電気信号が微弱となる場合や、受光される戻り光の強度がワーク温度の変化に応じて変化する場合であっても、ワークの溶接部の溶接状態を精緻に検査することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の溶接部の検査装置やその検査方法によれば、複数のワーク同士を溶接する際に、溶接用レーザ光を溶接軌跡に沿って照射した際もしくは検査用レーザ光を走査軌跡に沿って照射した際の戻り光の強度にフーリエ変換を施して基本周波数を検出するとともに、基本周波数における振幅および当該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいてワークの溶接部の溶接状態を検査することにより、たとえば戻り光から得られる電気信号が微弱となる場合や戻り光の強度がワーク温度の変化に応じて変化する場合であっても、ワークの溶接部の溶接状態を精緻に検査することができる。

本発明の溶接部の検査装置の実施の形態１の全体構成を模式的に示した全体構成図である。図１で示す検査装置の溶接用照射部による溶接用レーザ光の照射の形態を説明した上面図である。図１で示す検査装置の検査用照射部による検査用レーザ光の照射の形態を説明した上面図である。戻り光の強度の一例を時系列で示した図である。溶接部の溶接状態が正常である場合の溶融池と検査用レーザ光の走査軌跡の関係を説明した上面図である。図５ＡのＡ５−Ａ５矢視図である。溶接部の溶接状態が不良である場合の溶融池と検査用レーザ光の走査軌跡の関係を説明した上面図である。図６ＡのＡ６−Ａ６矢視図である。実際に測定される戻り光の強度を時系列で示した図である。本発明の溶接部の検査装置の実施の形態２の全体構成を模式的に示した全体構成図である。解析用モデルによる実施例１の溶接部を拡大して示した上面図である。解析用モデルから想定される実施例１の戻り光の強度を時系列で示した図である。解析用モデルによる実施例２の溶接部を拡大して示した上面図である。解析用モデルから想定される実施例２の戻り光の強度を時系列で示した図である。解析用モデルによる実施例３の溶接部を拡大して示した上面図である。解析用モデルから想定される実施例３の戻り光の強度を時系列で示した図である。解析用モデルによる実施例４の溶接部を拡大して示した上面図である。解析用モデルから想定される実施例４の戻り光の強度を時系列で示した図である。解析用モデルから想定される実施例１〜４の戻り光の周波数と振幅の関係を示した図である。解析用モデルによる実施例１〜４の基本周波数における振幅に対する基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率と溶接部の健全部の大きさに対する溶接欠陥の大きさの比率の関係を示した図である。

以下、図面を参照して本発明の溶接部の検査装置とその検査方法の実施の形態を説明する。

［溶接部の検査装置の実施の形態１］
まず、図１〜図３を参照して、本発明の溶接部の検査装置の実施の形態１を説明する。

図１は、本発明の溶接部の検査装置の実施の形態１の全体構成を模式的に示した全体構成図である。また、図２は、図１で示す検査装置の溶接用照射部による溶接用レーザ光の照射の形態を説明した上面図であり、図３は、検査用照射部による検査用レーザ光の照射の形態を説明した上面図である。

図１に示す検査装置１００は、主に、溶接用照射部１、検査用照射部５、受光部２、変換部３、アンプ４、検査部６、およびＣＲＴ（Cathode Ray Tube）７から構成されている。

溶接用照射部１は、重ね合わされた若しくは僅かに離間して配置された二枚のワーク（たとえば鋼板など）Ｗ１、Ｗ２同士を溶接するために、二枚のワークＷ１、Ｗ２に対して溶接用レーザ光（たとえば所定のレーザ波長を有するＹＡＧレーザ）Ｌ１を照射する。具体的には、溶接用照射部１は、図２で示すように、ワークＷ１に設定された半径Ｒ１１を有する略円形状の溶接軌跡Ｃ１１に沿って溶接用レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１を複数回回転させ、その溶接軌跡Ｃ１１上で溶接用レーザ光Ｌ１を複数回照射する。次いで、溶接用レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１を溶接軌跡Ｃ１１の内側へ移動させ、半径Ｒ１１よりも小さい半径Ｒ１２を有し且つ溶接軌跡Ｃ１１と同心である略円形状の溶接軌跡Ｃ１２に沿って溶接用レーザ光Ｌ１の焦点Ｆ１を複数回回転させ、その溶接軌跡Ｃ１２上で溶接用レーザ光Ｌ１を複数回照射する。このような溶接用レーザ光Ｌ１の照射工程を繰り返すことによって、ワークＷ１、Ｗ２に略円形状の溶接部を形成してワークＷ１、Ｗ２同士を溶接接合する（Laser Screw Weldingともいう）。なお、溶接軌跡Ｃ１１や溶接軌跡Ｃ１２の中心Ｃ０が、ワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部の溶接中心となる。

ここで、溶接用照射部１による溶接用レーザ光Ｌ１の照射によって、溶接用レーザ光Ｌ１の進行方向に対して当該溶接用レーザ光Ｌ１の左右や後方には、ワークＷ１、Ｗ２が溶融された溶融池Ｙ１が形成される。本実施の形態１では、上記するように略円形状の溶接軌跡Ｃ１、Ｃ２に沿って溶接用レーザ光Ｌ１が照射されるため、ワークＷ１、Ｗ２に略円形状の溶融池Ｙ１が形成されることとなる。

検査用照射部５は、図１で示すように、光学系８と受光部２を介してその溶融状態の溶融池Ｙ１に対して検査用レーザ光Ｌ５を照射する。具体的には、検査用照射部５は、図３で示すように、溶融池Ｙ１の外縁の内側に設定された半径Ｒ５１を有する略円形状の走査軌跡Ｃ５１に沿って検査用レーザ光Ｌ５の焦点Ｆ５を略一定速度で複数回回転させ、その走査軌跡Ｃ５１上で検査用レーザ光Ｌ５を複数回照射する。次いで、検査用レーザ光Ｌ５の焦点Ｆ５を走査軌跡Ｃ５１の内側へ移動させ、半径Ｒ５１よりも小さい半径Ｒ５２を有し且つ走査軌跡Ｃ５１と同心である略円形状の走査軌跡Ｃ５２に沿って検査用レーザ光Ｌ５の焦点Ｆ５を複数回回転させ、その走査軌跡Ｃ５２上で検査用レーザ光Ｌ５を複数回照射する。このような検査用レーザ光Ｌ５の照射工程を繰り返すことによって、検査用照射部５は、ワークＷ１、Ｗ２に形成された略円形状の溶融池Ｙ１全体に検査用レーザ光Ｌ５を照射する。なお、走査軌跡Ｃ５１、Ｃ５２の中心は、たとえば上記する溶接軌跡Ｃ１１、Ｃ１２の中心Ｃ０に設定されている。

受光部２は、図１で示すように、検査用照射部５から溶融池Ｙ１に対して検査用レーザ光Ｌ５を照射しながら、検査用レーザ光Ｌ５によるワークＷ１、Ｗ２の溶融池Ｙ１からの反射光やワークＷ１、Ｗ２の溶融蒸発によって生じる蒸気発光（プラズマ光）、ワークＷ１、Ｗ２の溶融池Ｙ１から放射される熱放射光（赤外光）などを含む戻り光Ｌ２を受光する。

変換部３は、受光部２で受光され、光学系８と集光レンズ９を介して集光された戻り光Ｌ２を電気信号へ変換し、その電気信号をアンプ４へ出力する。アンプ４は、変換部３から出力された電気信号の信号強度を増幅して検査部６へ送信する。

検査部６は、アンプ４から送信された電気信号を信号処理してワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部の溶接状態を検査する。具体的には、検査部６は、検査用照射部５から溶融池Ｙ１に対して検査用レーザ光Ｌ５を各走査軌跡Ｃ５１、Ｃ５２に沿って複数回照射する際に受光部２によって受光される戻り光Ｌ２の強度にフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の周波数と振幅の関係から最初に振幅ピークが検出される基本周波数を検出し、その基本周波数における振幅と基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいてワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部の溶接欠陥の大きさを検査する。また、検査部６は、アンプ４から送信された電気信号の信号処理結果をＣＲＴ７へ送信し、ＣＲＴ７は検査部６から送信された信号処理結果を表示する。

［溶接部の検査方法の実施の形態１］
次に、図４〜図７を参照して、図１で示す溶接部の検査装置１００を用いた本発明の溶接部の検査方法の実施の形態１を説明する。

図４は、図１で示す検査装置１００の検査部６へ送信される戻り光の強度の一例を時系列で示した図である。また、図５Ａは、溶接部の溶接状態が正常である場合の溶融池と検査用レーザ光の走査軌跡の関係を説明した上面図であり、図５Ｂは、図５ＡのＡ５−Ａ５矢視図である。また、図６Ａは、溶接部の溶接状態が不良である場合の溶融池と検査用レーザ光の走査軌跡の関係を説明した上面図であり、図６Ｂは、図６ＡのＡ６−Ａ６矢視図である。また、図７は、実際に測定される戻り光、特に戻り光のうちワークＷ１、Ｗ２の溶融蒸発によって生じる蒸気発光（プラズマ光）の強度を時系列で示した図である。

図５Ａおよび図５Ｂで示すように、溶接部の溶接状態が正常である場合（ワークＷ１、Ｗ２同士が正常に溶接される場合）には、たとえば溶融池Ｙ１に設定された略円形状の走査軌跡Ｃ５１に沿って検査用レーザ光Ｌ５の焦点Ｆ５を複数回回転させ、その走査軌跡Ｃ５１上で検査用レーザ光Ｌ５を複数回照射した際、検査用レーザ光Ｌ５によるワークＷ１、Ｗ２からの反射光や蒸気発光、熱放射光などの強度変化は相対的に小さいと考えられる。そのため、図４の破線で示すように、受光部２で受光され、変換部３やアンプ４を介して検査部６へ送信される戻り光Ｌ２の強度変化は相対的に小さい。

一方で、図６Ａおよび図６Ｂで示すように、溶接部の溶接状態が不良である場合（たとえば一方のワークの溶接ビードが陥没する片落ち溶接の場合）には、たとえば溶融池Ｙ１に設定された略円形状の走査軌跡Ｃ５１に沿って検査用レーザ光Ｌ５の焦点Ｆ５を複数回回転させ、その走査軌跡Ｃ５１上で検査用レーザ光Ｌ５を複数回照射した際、かつ検査用レーザ光Ｌ５の走査軌跡Ｃ５１上に溶接欠陥（溶融金属が欠落した部分）Ｘ１が存在する際には、走査軌跡Ｃ５１の溶接欠陥Ｘ１が存在する部分で検査用レーザ光Ｌ５によるワークＷ１、Ｗ２からの反射光の強度が減少する。そのため、図４の実線で示すように、受光部２で受光され、変換部３やアンプ４を介して検査部６へ送信される戻り光Ｌ２の強度は、検査用レーザ光Ｌ５の一走査周期（たとえば検査用レーザ光Ｌ５が走査軌跡Ｃ５１を一周回する周期）内の溶接欠陥Ｘ１が存在する部分で周期的に減少する。

すなわち、走査軌跡のうちの溶接欠陥Ｘ１を通る長さと溶接欠陥Ｘ１以外の健全部を通る長さの比率は、略一定速度で走査される検査用レーザ光Ｌ５が走査軌跡内の溶接欠陥Ｘ１を通る時間と溶接欠陥Ｘ１以外の健全部を通る時間の比率に対応する。よって、実施の形態１の検査方法によれば、このような戻り光Ｌ２の強度変化の周期性を検査部６で解析する、具体的には、検査用レーザ光Ｌ５を各走査軌跡Ｃ５１、Ｃ５２に沿って複数回照射する際に受光部２によって受光される戻り光Ｌ２の強度にフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の周波数と振幅の関係から最初に振幅ピークが検出される基本周波数を検出し、その基本周波数における振幅と基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率を算出することによって、たとえば戻り光Ｌ２から得られる電気信号が微弱となる場合や戻り光Ｌ２の強度がワーク温度の変化に応じて変化する場合であっても、溶融池Ｙ１の外縁の内側に存在し得る溶接欠陥Ｘ１の大きさを検査することができる。特に、本実施の形態１では、溶融池Ｙ１に対して略円形状の走査軌跡に沿って検査用レーザ光Ｌ５が照射されるため、溶融池Ｙ１の外縁の内側に溶接中心Ｃ０から偏在して存在し得る溶接欠陥Ｘ１の大きさ、あるいは、たとえば楕円形状や略多角形状などの非円形状の溶接欠陥Ｘ１の大きさを検査することができる。

また、本実施の形態１によれば、溶接用レーザ光Ｌ１の照射によって形成される溶融池Ｙ１に設定された走査軌跡Ｃ５１、Ｃ５２に沿って検査用レーザ光Ｌ５を照射し、検査用レーザ光Ｌ５を走査軌跡Ｃ５１、Ｃ５２に沿って照射した際に受光部２によって受光される戻り光Ｌ２の強度変化の周期性に基づいて溶接部の溶接状態を検査することにより、たとえば溶接用レーザ光Ｌ１の照射条件が変化した場合や溶接用レーザ光の焦点位置と溶接不良部Ｘ１の発生位置が離間する場合であっても、検査用レーザ光Ｌ５の走査条件（走査軌跡や走査速度など）を適宜調整することができるため、ワークに形成される溶接部の溶接状態を精緻に検査することができる。

なお、図４の実線で示す例では、受光部２によって受光される戻り光Ｌ２の強度のうち、検査用レーザ光Ｌ５が走査軌跡内の溶接欠陥Ｘ１を通る時間と溶接欠陥Ｘ１以外の健全部を通る時間から、走査軌跡のうちの溶接欠陥Ｘ１を通る長さと溶接欠陥Ｘ１以外の健全部を通る長さを予測して創設欠陥Ｘ１の大きさを予測し得るものの、受光部２によって実際に受光される戻り光Ｌ２の強度は、図７で示すように、様々な周波数の強度信号を含んでいるため、受光部２によって受光される戻り光Ｌ２の強度にフーリエ変換を施して得られる周波数と振幅の関係から溶接欠陥Ｘ１の大きさを検査する必要がある。

［溶接部の検査装置の実施の形態２］
次に、図８を参照して、本発明の溶接部の検査装置の実施の形態２を説明する。

図８は、本発明の溶接部の検査装置の実施の形態２の全体構成を模式的に示した全体構成図である。図８で示す実施の形態２の検査装置１００Ａは、図１で示す実施の形態１の検査装置１００に対して、溶接用照射部から照射される溶接用レーザ光による反射光を用いて溶接部の溶接状態を検査する点が相違しており、その他の構成は実施の形態１の検査装置１００とほぼ同様である。したがって、実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を付してその詳細な説明は省略する。

図示する検査装置１００Ａは、主に、溶接用照射部１Ａ、受光部２Ａ、変換部３Ａ、アンプ４Ａ、検査部６Ａ、およびＣＲＴ７Ａから構成されている。

溶接用照射部１Ａは、重ね合わされた若しくは僅かに離間して配置された二枚のワークＷ１、Ｗ２同士を溶接するために、光学系８Ａと受光部２Ａを介して二枚のワークＷ１、Ｗ２に対して溶接用レーザ光Ｌ１Ａを照射する。溶接用照射部１Ａによる溶接用レーザ光Ｌ１Ａの照射によって、溶接用レーザ光Ｌ１Ａの進行方向に対して当該溶接用レーザ光Ｌ１Ａの左右や後方には、ワークＷ１、Ｗ２が溶融された溶融池Ｙ１が形成される。

受光部２Ａは、溶接用照射部１Ａから照射される溶接用レーザ光Ｌ１ＡによるワークＷ１、Ｗ２の溶融池Ｙ１からの反射光やワークＷ１、Ｗ２の溶融蒸発によって生じる蒸気発光（プラズマ光）、ワークＷ１、Ｗ２の溶融池Ｙ１から放射される熱放射光（赤外光）などを含む戻り光Ｌ２Ａを受光する。

変換部３Ａは、受光部２Ａで受光され、光学系８Ａと集光レンズ９Ａを介して集光された戻り光Ｌ２Ａを電気信号へ変換し、その電気信号をアンプ４Ａへ出力する。アンプ４Ａは、変換部３Ａから出力された電気信号の信号強度を増幅して検査部６Ａへ送信する。

検査部６Ａは、アンプ４Ａから送信された電気信号を信号処理してワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部の溶接状態を検査する。具体的には、検査部６Ａは、溶接用照射部１Ａから溶接用レーザ光Ｌ１Ａを溶接軌跡に沿って照射する際に受光部２Ａによって受光される戻り光Ｌ２Ａの強度にフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の周波数と振幅の関係から最初に振幅ピークが検出される基本周波数を検出するとともに、その基本周波数における振幅と基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいてワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部の溶接欠陥の大きさを検査する。また、検査部６Ａは、アンプ４Ａから送信された電気信号の信号処理結果をＣＲＴ７Ａへ送信し、ＣＲＴ７Ａは検査部６Ａから送信されたその信号処理結果を表示する。

溶接用レーザ光Ｌ１Ａを溶接軌跡に沿って照射する際に受光部２Ａによって受光される戻り光Ｌ２Ａの強度変化は、上記する実施の形態１と同様、溶接部の溶接状態が正常である場合には相対的に小さい。一方で、溶接部の溶接状態が不良である場合、且つ溶接用レーザ光Ｌ１Ａの溶接軌跡上に溶接欠陥（溶融金属が欠落した部分）が形成される場合には、溶接用レーザ光Ｌ１Ａを溶接軌跡に沿って照射する際に受光部２Ａによって受光される戻り光Ｌ２Ａの強度は、溶接欠陥が形成される部分で周期的に減少する。

本実施の形態２によれば、このような戻り光Ｌ２Ａの強度変化の周期性を検査部６Ａで解析する、具体的には、溶接用レーザ光Ｌ１Ａを溶接軌跡に沿って照射する際に受光部２Ａによって受光される戻り光Ｌ２Ａの強度にフーリエ変換を施し、フーリエ変換後の周波数と振幅の関係から最初に振幅ピークが検出される基本周波数を検出し、その基本周波数における振幅と基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率を算出することによって、たとえば戻り光Ｌ２Ａから得られる電気信号が微弱となる場合や戻り光Ｌ２Ａの強度がワーク温度の変化に応じて変化する場合であっても、溶融池Ｙ１の外縁の内側に存在し得る溶接欠陥の大きさを検査することができる。

なお、上記する実施の形態１では、検査用レーザ光の走査軌跡の中心が溶接用レーザ光の溶接軌跡の中心に設定される形態について説明したが、検査用レーザ光の走査軌跡の中心は溶接用レーザ光の照射によって形成される溶融池内の適宜の位置に設定することができる。

また、上記する実施の形態では、溶接用レーザ光の溶接軌跡や検査用レーザ光の走査軌跡が略円形状である形態について説明したが、溶接用レーザ光の溶接軌跡や検査用レーザ光の走査軌跡は、たとえば楕円形状や多角形状の閉ループ形状、所定の長さの曲線状や直線状などであってもよい。また、溶接部の溶接欠陥が発生し易い箇所を予測し得る場合には、溶接用レーザ光の溶接軌跡や検査用レーザ光の走査軌跡は、その箇所を通過するように設定することが好ましい。なお、溶接用レーザ光の溶接軌跡が楕円形状や多角形状の閉ループ形状である場合には、溶接中心は例えば溶接軌跡の重心などとすることができる。

また、上記する実施の形態では、所定位置に固定したワークに溶接用レーザ光や検査用レーザ光を照射する形態について説明したが、たとえば溶接用レーザ光や検査用レーザ光の焦点位置を固定してワークを適宜移動させながらワーク同士をレーザ溶接してもよいし、ワークと溶接用レーザ光や検査用レーザ光の焦点位置との双方を相対的に移動させながらワーク同士をレーザ溶接してもよい。

［解析用モデルによる戻り光の強度と溶接部の溶接欠陥の大きさの関係を評価した解析とその結果］
本発明者等は、異なる大きさの溶接欠陥を有する４種類の解析用モデル（実施例１〜４）を作製し、それぞれの解析用モデルの戻り光の強度と溶接部の溶接欠陥の大きさの関係を評価した。

＜解析用モデルの形態とその戻り光の強度＞
まず、図９Ａ、図１０Ａ、図１１Ａ、図１２Ａを参照して解析用モデルの形態を概説すると、検査用レーザ光の略円形状の走査軌跡のうちの健全部を通る長さに対する溶接欠陥を通る長さの比率は、図９Ａで示す実施例１では1.00、図１０Ａで示す実施例２では0.67、図１１Ａで示す実施例３では0.33、図１２Ａで示す実施例４では0.11とした。すなわち、検査用レーザ光の走査軌跡全体に対する溶接欠陥を通る長さの比率は、図９Ａで示す実施例１では1/2(50%)、図１０Ａで示す実施例２では2/5(40%)、図１１Ａで示す実施例３では1/4(25%)、図１２Ａで示す実施例４では1/10(10%)であった。

そのため、図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ｂで示すように、略一定の走査速度で照射される検査用レーザ光が走査軌跡内の健全部を通る時間に対する溶接欠陥を通る時間の比率は、図９Ｂで示す実施例１では1.00、図１０Ｂで示す実施例２では0.67、図１１Ｂで示す実施例３では0.33、図１２Ｂで示す実施例４では0.11と推定された。

＜解析用モデルによる戻り光の強度と溶接部の溶接欠陥の大きさの関係を評価した結果＞
図１３は、解析用モデルから想定される実施例１〜４の戻り光の周波数と振幅の関係を示した図である。

図９Ｂ、図１０Ｂ、図１１Ｂ、図１２Ｂで示す実施例１〜４の戻り光の強度に高速フーリエ変換を施した結果、図１３で示すように、それぞれの実施例１〜４の解析用モデルにおいて、約5Hzや約10Hz、約15Hzの周波数で振幅ピークが確認された。なお、実施例１の解析用モデルにおいて、約10Hzの周波数では大きな振幅ピークは確認されなかった。

図１４は、解析用モデルによる実施例１〜４の基本周波数における振幅に対する基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率と溶接部の健全部の大きさ（走査軌跡のうちの健全部を通る長さ）に対する溶接欠陥の大きさ（走査軌跡のうちの溶接欠陥を通る長さ）の比率の関係を示した図である。

それぞれの実施例１〜４の解析用モデルにおいて高速フーリエ変換後の周波数と振幅の関係から最初に振幅ピークが検出された約5Hz（基本周波数）における振幅に対する約10Hz（基本周波数の２倍の周波数）における振幅の比率（図１３参照）と、検査用レーザ光の走査軌跡のうちの健全部を通る長さに対する溶接欠陥を通る長さの比率を比較した結果、図１４で示すように、双方が密接な相関を有することが確認された。具体的には、基本周波数における振幅に対する基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率が増加するに従って、検査用レーザ光の走査軌跡のうちの健全部を通る長さに対する溶接欠陥を通る長さの比率が減少することが確認された。

この解析結果より、溶接用レーザ光を溶接軌跡に沿って照射した際もしくは検査用レーザ光を走査軌跡に沿って照射した際に受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して基本周波数を検出するとともに、基本周波数における振幅に対する基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率を算出することによって、二枚のワークの双方が溶け落ちた穴あき溶接や二枚のワークの一方が溶け落ちた片落ち溶接などの溶接部に形成され得る溶接欠陥の大きさを精緻に検査できることが見出された。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…溶接用照射部、２…受光部、３…変換部、４…アンプ、５…検査用照射部、６…検査部、７…ＣＲＴ、８…光学系、９…集光レンズ、１００…溶接部の検査装置、Ｃ０…溶接中心、Ｃ１１、Ｃ１２…溶接軌跡、Ｃ５１、Ｃ５２…走査軌跡、Ｆ１…溶接用レーザ光の焦点、Ｆ５…検査用レーザ光の焦点、Ｌ１…溶接用レーザ光、Ｌ２…戻り光、Ｌ５…検査用レーザ光、Ｗ１、Ｗ２…ワーク、Ｙ１…溶融池

Claims

複数のワーク同士を溶接する際に形成される溶接部の溶接状態を検査する溶接部の検査装置であって、
ワーク同士を溶接するために該ワークに設定された溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を照射する、もしくは、溶接用レーザ光によって溶融されたワークの溶融池に設定された走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射する照射部と、
前記照射部によって照射された溶接用レーザ光もしくは検査用レーザ光によるワークの溶融池からの反射光、ワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光、およびワークの溶融池から放射される熱放射光の少なくとも一つを含む戻り光を受光する受光部と、
前記受光部によって受光される戻り光の強度にフーリエ変換を施して検出される基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する検査部と、を備え、
前記照射部は、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射する、もしくは、同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射するようになっており、
前記検査部は、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射する、もしくは、同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射することにより得られる戻り光の周期的な強度変化を解析して、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査するようになっている溶接部の検査装置。
前記検査部は、前記基本周波数における振幅と該基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接欠陥の大きさを検査するようになっている、請求項１に記載の溶接部の検査装置。
前記溶接用レーザ光の溶接軌跡もしくは前記検査用レーザ光の走査軌跡が、閉ループ形状である、請求項１または２に記載の溶接部の検査装置。
複数のワーク同士を溶接する際に形成される溶接部の溶接状態を検査する溶接部の検査方法であって、
ワーク同士を溶接するために該ワークに設定された溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を照射し、もしくは、溶接用レーザ光によって溶融されたワークの溶融池に設定された走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射し、前記溶接用レーザ光もしくは検査用レーザ光によるワークの溶融池からの反射光、ワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光、およびワークの溶融池から放射される熱放射光の少なくとも一つを含む戻り光を受光する第１のステップと、
戻り光の強度にフーリエ変換を施して基本周波数を検出するとともに、該基本周波数における振幅および該基本周波数の２倍の周波数における振幅に基づいて前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する第２のステップと、からなり、
前記第１のステップにおいて、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射し、もしくは、同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射し、
前記第２のステップにおいて、同一の溶接軌跡に沿って溶接用レーザ光を複数回照射する、もしくは、同一の走査軌跡に沿って検査用レーザ光を複数回照射することにより得られる戻り光の周期的な強度変化を解析して、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する溶接部の検査方法。
前記第２のステップにおいて、前記基本周波数における振幅と該基本周波数の２倍の周波数における振幅の比率に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接欠陥の大きさを検査する、請求項４に記載の溶接部の検査方法。
前記溶接用レーザ光の溶接軌跡もしくは前記検査用レーザ光の走査軌跡が、閉ループ形状である、請求項４または５に記載の溶接部の検査方法。