JP5947741B2 - 溶接部の検査装置とその検査方法 - Google Patents

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、前記ワークの溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度および前記任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度に基づいて、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、ワークに形成される溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で受光される戻り光の強度および任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で受光される戻り光の強度に基づいて、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。

ここで、前記検査部は、前記第１の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度と前記第２の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度の比率に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査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、第１の領域で受光される戻り光の強度と第２の領域で受光される戻り光の強度の比率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、略一定の判定基準に基づいてワークに形成される溶接部の溶接状態を判定することができ、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、前記検査部は、前記第１の領域で前記受光部によって受光される戻り光の平均強度および前記第２の領域で前記受光部によって受光される戻り光の平均強度に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査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、第１の領域で受光される戻り光の平均強度および第２の領域で受光される戻り光の平均強度に基づいて、ワークの溶接部の溶接状態を検査することによって、たとえば受光部で受光される戻り光の強度がワーク温度の変化や溶融池の液面の周期的な振動に応じて変化する場合であっても、略一定の判定基準に基づいてワークに形成される溶接部の溶接状態を判定することができ、ワークの溶接部の溶接状態をより一層精緻に検査することができる。

なお、第１の領域で受光部によって受光される戻り光の平均強度とは、第１の領域で受光部によって受光される戻り光の強度の総和を、たとえば第１の領域でレーザ光が走査する長さや第１の領域の面積、第１の領域でレーザ光が走査する時間などで除して得られた単位長さ当たりや単位面積当たり、単位時間当たりの戻り光の強度である。また、第２の領域で受光部によって受光される戻り光の平均強度とは、同様に、第２の領域で受光部によって受光される戻り光の強度の総和を、たとえば第２の領域でレーザ光が走査する長さや第２の領域の面積、第２の領域でレーザ光が走査する時間などで除して得られた単位長さ当たりや単位面積当たり、単位時間当たりの戻り光の強度である。

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、前記ワークの溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で受光された戻り光の強度および前記任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で受光された戻り光の強度に基づいて、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、ワークに形成される溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で受光された戻り光の強度および任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で受光された戻り光の強度に基づいて、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、ワークの溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で受光された戻り光の強度および任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で受光された戻り光の強度に基づいて、ワークの溶接部の溶接状態を検査するという簡便な構成により、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焦点および走査軌跡の関係の一例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正常である場合の溶融池と検査用レーザ光の焦点および走査軌跡の関係の他例を説明した上面図である。 図６ＡのＡ６−Ａ６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焦点および走査軌跡の関係の一例を説明した上面図である。 図７ＡのＡ７−Ａ７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焦点および走査軌跡の関係の他例を説明した上面図である。 図８ＡのＡ８−Ａ８矢視図である。 溶接部の溶接状態が正常である場合と溶接部の溶接状態が不良である場合の戻り光の平均強度の比率の一例を示した図である。 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。 検査用試料による実施例１の溶接部を拡大して示した上面図である。 図１１ＡのＡ１１−Ａ１１矢視図である。 検査用試料による実施例１の戻り光の強度を時系列で示した図である。 検査用試料による実施例２の溶接部を拡大して示した上面図である。 図１２ＡのＡ１２−Ａ１２矢視図である。 検査用試料による実施例２の戻り光の強度を時系列で示した図である。 検査用試料による実施例１、２の戻り光の平均強度の比率を示した図である。

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の溶接中心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、溶融池Ｙ１の外縁の内側の溶接中心Ｃ０に対して相対的に近接した領域（たとえば走査軌跡Ｃ５２上であって、溶接中心Ｃ０に対して相対的に内側の軌跡）で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の平均強度と溶接中心Ｃ０に対して相対的に離間した領域（たとえば走査軌跡Ｃ５１上であって、溶接中心Ｃ０に対して相対的に外側の軌跡）で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の平均強度を算出し、双方の戻り光Ｌ２の平均強度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状態を検査する。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９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焦点および走査軌跡の関係の一例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正常である場合の溶融池と検査用レーザ光の焦点および走査軌跡の関係の他例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７Ａ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焦点および走査軌跡の関係の一例を説明した上面図であり、図７Ｂは、図７ＡのＡ７−Ａ７矢視図である。また、図８Ａ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焦点および走査軌跡の関係の他例を説明した上面図であり、図８Ｂは、図８ＡのＡ８−Ａ８矢視図である。また、図９は、溶接部の溶接状態が正常である場合と溶接部の溶接状態が不良である場合の戻り光の平均強度の比率の一例を示した図である。

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）、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を複数回照射した場合（図５Ａおよび図５Ｂ参照）と走査軌跡Ｃ５１よりも小さい半径を有す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を複数回照射した場合（図６Ａおよび図６Ｂ参照）を比較すると、ワーク温度の上昇などに起因して、走査軌跡Ｃ５２上で検査用レーザ光Ｌ５を照射した場合の方が戻り光Ｌ２の強度が大きくなる。そのため、図４の点線で示すように、走査軌跡Ｃ５１上で検査用レーザ光Ｌ５を照射した場合（図４中、丸１区間）よりも、走査軌跡Ｃ５１に引き続いて走査軌跡Ｃ５２上で検査用レーザ光Ｌ５を照射した場合（図４中、丸２区間）の方が、受光部２によって受光され、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の強度が大きくなる。

一方で、溶接部の溶接状態が不良である場合（たとえば双方のワークが溶け落ちた穴あき溶接の場合）には、溶融池Ｙ１に設定された走査軌跡と溶接不良部Ｘ１の位置関係によって、検査用照射部５から照射される検査用レーザ光Ｌ５の一部もしくは全部がワークＷ１やワークＷ２を通過し（図８Ｂ参照）、ワーク温度の上昇が抑制される。そのため、図４の実線で示すように、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を複数回照射した場合（図７Ａおよび図７Ｂ参照）（図４中、丸１区間）には、検査部６へ送信される戻り光Ｌ２の強度が溶接部の溶接状態が正常である場合の戻り光Ｌ２の強度と同等であるにも関わらず、たとえば走査軌跡Ｃ５１よりも小さい半径を有す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を複数回照射した場合（図８Ａおよび図８Ｂ参照）（図４中、丸２区間）には、検査部６へ送信される戻り光Ｌ２の強度が溶接部の溶接状態が正常である場合の戻り光の強度よりも低下する。

実施の形態１の検査方法によれば、図４で示す丸１区間（溶融池Ｙ１内の溶接中心Ｃ０に対して相対的に離間した領域）で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の強度やその平均強度と丸２区間（溶融池Ｙ１内の溶接中心Ｃ０に対して相対的に近接した領域）で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の強度やその平均強度とを検査部６で比較することによって、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の外縁の内側に溶接不良部Ｘ１が存在するか否か、すなわちワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部に溶接不良が発生するか否かを検査することができる。より具体的には、図４で示す丸１区間で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の平均強度と丸２区間で受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の平均強度を算出し、図９で示すように、算出された双方の平均強度の比率（たとえば丸２区間/丸１区間）を所定の閾値と比較することによって、溶融池Ｙ１の外縁の内側に溶接不良部Ｘ１が存在するか否か、すなわちワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部に溶接不良が発生するか否か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Ｃ５１、Ｃ５２に沿って検査用レーザ光Ｌ５が照射されるため、溶融池Ｙ１内の溶接中心Ｃ０近傍に略円形状の溶接不良部Ｘ１が存在するか否かを精緻に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、受光部２によって受光された戻り光Ｌ２の強度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中の実線の丸１区間や点線の丸２区間における戻り光Ｌ２の強度の周期的な変動は、たとえば溶接用レーザ光Ｌ１の照射によってワークＷ１、Ｗ２に形成される溶融池Ｙ１の液面の周期的な振動に起因すると考えられる。また、図４中の実線の丸２区間では、検査用照射部５から照射される検査用レーザ光Ｌ５の一部もしくは全部がワークＷ１、Ｗ２を通過したため、戻り光Ｌ２の強度に周期的な変動が発生しなかったと考えられる。

［溶接部の検査装置の実施の形態２］
次に、図１０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１０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１０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、溶融池Ｙ１の外縁の内側の溶接中心Ｃ０に対して相対的に近接した領域で受光部２Ａによって受光された戻り光Ｌ２Ａの平均強度と溶接中心Ｃ０に対して相対的に離間した領域で受光部２Ａによって受光された戻り光Ｌ２Ａの平均強度を算出し、双方の戻り光Ｌ２Ａの平均強度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状態を検査する。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。

溶接部の溶接状態が不良である場合、すなわち溶融池Ｙ１内に溶接不良部Ｘ１が形成される場合（たとえば穴あき溶接の場合）には、たとえばワークＷ１、Ｗ２に対して溶接用照射部１Ａから溶接用レーザ光Ｌ１Ａを照射する際に当該溶接用レーザ光Ｌ１Ａの一部がワークＷ１やワークＷ２を通過したり、ワークＷ１、Ｗ２の一部が欠落し、ワーク温度の上昇が抑制されるため、上記する実施の形態１と同様、検査部６Ａへ送信される戻り光Ｌ２Ａの強度が溶接部の溶接状態が正常である場合の戻り光の強度よりも低下する。そのため、本実施の形態２によれば、溶融池Ｙ１内の溶接中心Ｃ０に対して相対的に近接した領域で受光された戻り光Ｌ２Ａの平均強度と溶接中心Ｃ０に対して相対的に離間した領域で受光された戻り光Ｌ２Ａの平均強度を検査部６Ａで比較することによって、上記する実施の形態１と同様、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の外縁の内側に溶接不良部Ｘ１が形成されるか否か、すなわちワークＷ１、Ｗ２に形成される溶接部に溶接不良が発生するか否か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溶接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（溶融池の外縁の内側）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、渦巻き形状などであってもよい。また、溶接部の溶接不良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略円形状である場合には、溶接中心はその溶接軌跡の中心であり、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、溶接用レーザ光の溶接軌跡が渦巻き形状である場合には、溶接中心は溶接軌跡の渦巻きの中心とすることができる。

また、上記する実施の形態では、溶融池内の溶接中心に対して相対的に近接した領域で受光された戻り光の強度と溶接中心に対して相対的に離間した領域で受光された戻り光の強度を比較する形態について説明したが、戻り光の強度を比較するための基準点は、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、主に溶融池内の溶接中心に対して相対的に近接した領域で受光された戻り光の平均強度と溶接中心に対して相対的に離間した領域で受光された戻り光の平均強度を比較する形態について説明したが、たとえば溶融池内の溶接中心に対して相対的に近接した領域で受光された戻り光の強度の一部と溶接中心に対して相対的に離間した領域で受光された戻り光の強度の一部同士を比較してもよい。

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。

［検査用試料による戻り光の平均強度の比率と溶接部の溶接状態の関係を評価した実験とその結果］
本発明者等は、溶接状態が異なる２種類の検査用試料（実施例１、２）を作製し、それぞれの検査用試料からの戻り光の強度測定を実施し、戻り光の平均強度の比率と溶接部の溶接状態の関係を評価した。

＜検査用試料の作製方法と検査用試料による戻り光の強度の測定方法＞
まず、検査用試料の作製方法と検査用試料による戻り光の強度の測定方法を概説すると、厚さが0.7mmのSCGA440からなる二枚のワークを重ね合わせ、半径が約2.5mmの略円形状の溶接部が形成されるように、ワークに対して溶接用レーザ光を略円形状の溶接軌跡に沿って照射した。次いで、ワークに形成された溶融池を通過するように、検査用レーザ光（出力が1000Wで走査速度が90m/min）を半径が約1.7mmの略円形状（溶接中心を中心とする）の走査軌跡に沿って10周回照射した。次に、その検査用レーザ光の焦点を約1.4mmだけ移動させ、その検査用レーザ光を半径が約0.3mmの略円形状（溶接中心を中心とする）の走査軌跡に沿って10周回照射した。そして、検査用レーザ光によるワークの溶融池からの反射光やワークの溶融蒸発によって生じる蒸気発光、ワークの溶融池から放射される熱放射光などを含む戻り光を受光し、受光された戻り光を電気信号へ変換してその信号強度を測定した。なお、本実験では、戻り光のうち特にワークの溶融池から放射される熱放射光（赤外光）の信号強度を測定した。

＜検査用試料による戻り光の平均強度の比率と溶接部の溶接状態の関係を評価した結果＞
図１１Ａは、検査用試料による実施例１の溶接部を拡大して示した上面図であり、図１１Ｂは、図１１ＡのＡ１１−Ａ１１矢視図であり、図１１Ｃは、検査用試料による実施例１の戻り光の強度を時系列で示した図である。また、図１２Ａは、検査用試料による実施例２の溶接部を拡大して示した上面図であり、図１２Ｂは、図１２ＡのＡ１２−Ａ１２矢視図であり、図１２Ｃは、検査用試料による実施例２の戻り光の強度を時系列で示した図である。

図１１Ａ〜図１１Ｃで示すように、実施例１（溶接状態が正常）の検査用試料では、半径が約1.7mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.44〜約0.46sec）Ｒ１で測定された戻り光の強度よりも、半径が約0.3mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.58〜約0.60sec）Ｒ２で測定された戻り光の強度が相対的に大きいことが確認された。また、実施例１の検査用試料では、区間Ｒ２で測定された戻り光の強度が周期的な変動を含んでいることが確認された。

一方、図１２Ａ〜図１２Ｃで示すように、実施例２（二枚のワークの双方が溶け落ちた穴あき溶接）の検査用試料では、半径が約1.7mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.44〜約0.46sec）Ｒ１で測定された戻り光の強度と半径が約0.3mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.58〜約0.60sec）Ｒ２で測定された戻り光の強度が同等であることが確認された。すなわち、実施例２の検査用試料では、実施例１の検査用試料と比較して、区間Ｒ２で測定された戻り光の強度が相対的に小さいことが確認された。また、実施例２の検査用試料では、区間Ｒ１で測定された戻り光の強度が周期的な変動を含んでいるものの、区間Ｒ２で測定された戻り光の強度が周期的な変動をほぼ含んでいないことが確認された。

図１３は、検査用試料による実施例１、２の戻り光の平均強度の比率を示した図である。ここで、検査用試料による実施例１、２の戻り光の平均強度の比率は、半径が約0.3mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.58〜約0.60sec）Ｒ２で測定された戻り光の平均強度（単位時間当たりの戻り光の強度）を半径が約1.7mmの走査軌跡に沿って検査用レーザ光を照射した区間（約0.44〜約0.46sec）Ｒ１で測定された戻り光の平均強度（単位時間当たりの戻り光の強度）で除して算出した。なお、図１３では、実施例１、２のそれぞれに対して10個の検査用試料を作製し、それぞれの検査用試料について算出した戻り光の平均強度の比率を示している。

図１３で示すように、実施例１（溶接状態が正常）の10個の検査用試料と実施例２（穴あき溶接）の10個の検査用試料はそれぞれ、溶接部の溶接状態に応じた略同一の平均強度の比率を有していることが確認されるとともに、実施例１の検査用試料の戻り光の平均強度の比率は、実施例２の検査用試料の戻り光の平均強度の比率よりも相対的に大きいことが確認された。

この実験結果より、溶融池内の溶接中心に対して相対的に近接した領域（区間Ｒ２に対応）で受光された戻り光の平均強度と溶接中心に対して相対的に離間した領域（区間Ｒ１に対応）で受光された戻り光の平均強度を算出し、双方の平均強度の比率を所定の閾値と比較するという簡便な方法によって、たとえば受光部で受光される戻り光の強度がワーク温度の変化（たとえば溶接時のワーク温度の上昇や外気温の変化によるワーク温度の変化）に応じて変化する場合や受光部で受光される戻り光の強度が溶融池の液面の周期的な振動に応じて変化する場合であっても、溶接中心近傍の穴あき溶接や片落ち溶接などの溶接不良を含む溶接部の溶接状態を精緻に検査できることが実証された。

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 (10)

1. 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、
   前記ワークの溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度と前記任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で前記受光部によって受光される戻り光の強度の比率に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する検査部と、を備えている溶接部の検査装置。
2. 前記溶接用レーザ光の溶接軌跡または前記検査用レーザ光の走査軌跡は、閉ループ形状もしくは渦巻形状を呈している、請求項１に記載の溶接部の検査装置。
3. 前記溶接用レーザ光の溶接軌跡または前記検査用レーザ光の走査軌跡は、円形状もしくは楕円形状を呈している、請求項２に記載の溶接部の検査装置。
4. 前記任意の点は前記ワークの溶接中心である、請求項２または３に記載の溶接部の検査装置。
5. 前記検査部は、前記第１の領域で前記受光部によって受光される戻り光の平均強度および前記第２の領域で前記受光部によって受光される戻り光の平均強度に基づいて、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、請求項１から４のいずれか一項に記載の溶接部の検査装置。
6. 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、
   前記ワークの溶融池内の任意の点に対して相対的に近接した第１の領域で受光された戻り光の強度と前記任意の点に対して相対的に離間した第２の領域で受光された戻り光の強度の比率に基づいて、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、からなる溶接部の検査方法。
7. 前記溶接用レーザ光の溶接軌跡または前記検査用レーザ光の走査軌跡は、閉ループ形状もしくは渦巻形状を呈している、請求項６に記載の溶接部の検査方法。
8. 前記溶接用レーザ光の溶接軌跡または前記検査用レーザ光の走査軌跡は、円形状もしくは楕円形状を呈している、請求項７に記載の溶接部の検査方法。
9. 前記任意の点は前記ワークの溶接中心である、請求項７または８に記載の溶接部の検査方法。
10. 前記第２のステップにおいて、前記第１の領域で受光された戻り光の平均強度および前記第２の領域で受光された戻り光の平均強度に基づいて、前記ワークの溶接部の溶接状態を検査する、請求項６から９のいずれか一項に記載の溶接部の検査方法。

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