JP6412761B2 - 溶接ビードの検査装置、溶接ビードの検査方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、溶接箇所に形成される溶接ビードを検査するための溶接ビードの検査装置、溶接ビードの検査方法に関する。

従来、高い内圧に耐えうる構造を有するとともに、その表面に波状に形成された放熱フィン（以下、リブと称する）を設けた電気機器用タンクが知られている。このような電気機器用タンクは、例えば特許文献１のように、予めリブを形成した波形放熱板を枠部材に溶接し、その枠部材を例えばコ字状に加工したものを組み合わせて形成されている。このとき、溶接品質が低いと電気機器用タンクの損傷や内容物の漏れ等を引き起こすおそれがある。そのため、例えば特許文献２では、光学式距離センサを用いて溶接箇所に形成される溶接ビードの幅や高さを測定し、所定の基準値を満たしているか否か等に基づいて溶接品質を評価している。

特開平９−３３０８２５号公報 特開２００８−１６４４８２号公報

しかしながら、波形放熱板のようにリブが形成されている場合、光学式距離センサから照射した光や対象部位で反射した反射光がリブによって遮られてしまい、溶接ビードの幅や高さを自動で測定することができず、従来では目視による検査が行われていた。
本発明が解決しようとする課題は、リブが存在する場合であっても自動で溶接ビードを検査することができる溶接ビードの検査装置、溶接ビードの検査方法を提供することである。

実施形態の溶接ビードの検査装置は、表面に複数のリブが形成された波形放熱板を枠部材に溶接した場合に形成される溶接ビードを検査するための溶接ビードの検査装置であって、対象部位に直線状の検出領域を形成するように光を照射する照射部と、前記照射部が光を照射する際の照射方向からずれた位置に設けられ前記対象部位で反射した光を受光する受光部とを有し、前記検出領域に含まれる各点までの距離を測定する光学式距離センサと、前記溶接ビードの全長を走査するために、前記光学式距離センサを前記溶接ビードに沿って走査させる走査機構と、前記溶接ビードの全長に渡る走査結果に基づいて溶接箇所の品質を評価する評価装置と、を備え、前記光学式距離センサは、前記波形放熱板の端部よりも外側であって、その照射方向が前記リブの高さ方向に対して傾斜した状態となるように配置されている。

第１実施形態の検査対象となる波形放熱板を模式的に示す図 センサの測定態様を模式的に示す図 溶接ビードの近傍を模式的に示す図 検査装置の設置状態を模式的に示す図 検査装置の構成を模式的に示す図 検査装置の処理の流れを示す図 リブにより光が遮られる状態を模式的に示す図 往路走査および復路走査におけるセンサの向きを示す図 往路走査時および復路走査時の測定結果の一例を示す図 合成画像および溶接品質の評価結果の表示例を示す図 外乱光の影響を検証した検証結果の一例を示す図

以下、一実施形態について図１から図１１を参照しながら説明する。
図１（Ａ）に示すように、本実施形態では、波形放熱板１と、その波形放熱板１に溶接された枠部材２との溶接箇所に形成された溶接ビード３を検査の対象としている。波形放熱板１の表面には、複数のリブ１ａが設けられている。このリブ１ａは、図１（Ｃ）に示すように、波形放熱板１の表面から概ね垂直に立ち上がった状態で、所定の間隔で設けられている。なお、図１（Ｃ）では溶接ビード３の図示を省略している。

溶接ビード３は、図１（Ａ）に示すように、光学式距離センサ（以下、単にセンサ４と称する）によってその幅が測定される。このセンサ４は、溶接ビード３のビード幅（ＷＡ１、ＷＡ２）と、リブ１ａへのビード掛り量（ＷＢ１、ＷＢ２）とが測定される。ここで、ビード幅は、リブ１ａの溶接部位においてリブ１ａの前後（図３（Ｂ）に示す領域Ｒ１側と領域Ｒ２側）での溶接ビード３の長さ（図３（Ｂ）の「ＷＡ」参照）であり、ビード掛り量は、リブ１ａのリブ１ａの前後でのリブ１ａの外側の端部と、その端部から内側に侵入している溶接ビード３の端部との間の長さ（図３（Ｂ）の「ＷＢ」参照）である。

以下、図１（Ｂ）における図示上下方向における溶接ビード３の長さを便宜的に溶接ビード３の全長と称し、後述する図４に示すように波形放熱板１の図示左方側の端部を便宜的に左端と称し、図示右方側の端部を便宜的に右端と称し、図示下方側の端部を便宜的に前端と称し、図示上方側の端部を便宜的に後端と称する。

センサ４は、図２（Ａ）に示すように、距離を測定する対象部位５（本実施形態では溶接ビード３）に光を照射する照射部４ａと、照射部４ａが光を照射する際の照射方向からずれた位置に設けられ、対象部位５で反射した光を受光する受光部４ｂとを有している。以下、照射部４ａから照射される光を便宜的に照射光と称し、対象部位５で反射した光を便宜的に反射光と称する。また、本実施形態では、照射光には特定の波長帯のレーザ光を用いている。

このセンサ４は、図２（Ｂ）に示すように、照射部４ａから離れるにつれてその幅が広がる平面状の照射光を照射する。このため、対象部位５の表面には、光が直線状に照射されることになる。すなわち、対象部位５には、直線状の検出領域が設定される。このとき、受光部４ｂは、直線状の検出領域に含まれる各点からの反射光をそれぞれ受光する。つまり、センサ４は、いわゆるラインセンサのように、直線上の検出領域に含まれる各点までの距離をそれぞれ測定する。本実施形態では、照射光と反射光とのなす角は、概ね２４°である。

また、センサ４は、図１（Ａ）に示すように、波形放熱板１の外側に位置して配置されており、その照射方向が、リブ１ａの高さ方向（図示上下方向）に対して、概ね１０°〜１５°傾斜するように配置されている。この角度は、リブ１ａの影が溶接ビード３になるべく掛からず、且つ、センサ４が可能な限り溶接ビード３を真上から測定可能なようにセンサ４を配置するための角度である。なお、センサ４は、分解能が概ね０．１ｍｍのものを使用しており、溶接ビード３までの距離が概ね２００ｍｍとなる位置に配置されている。また、リブ１ａ高さは、製品によって差はあるものの、２５０ｍｍ程度、リブ１ａの間隔は３０ｍｍ程度のものがある。

本実施形態の場合、検出領域は、図３（Ａ）に示すように溶接ビード３を幅方向に横切るように設定されている。溶接ビード３は、図１（Ａ）に示したように枠部材２の表面から盛り上がって形成されるため、図３に示すような検出領域を設定することで、溶接ビード３の表面までの距離、つまり、枠部材２の表面から盛り上がった溶接ビード３の高さを測定することができる。そして、溶接ビード３の高さを測定することができれば、図３（Ｂ）に示すようなビード幅（ＷＡ）やビード掛り量（ＷＢ）を求めることができる。本実施形態では、ビード幅やビード掛り量は、所定の基準値を超える部位の幅や掛り量として求めている。

さて、溶接ビード３は、図１に示したように波形放熱板１の前端から後端まで形成されている。そのため、本実施形態では、センサ４を溶接ビード３に沿って移動可能な走査機構３１を設けることで、溶接ビード３の全長に渡って溶接ビード３の幅を測定可能としている。
具体的には、図４に示すように、波形放熱板１は、製造工程において、溶接装置で枠部材２と溶接された後、ベルトコンベア１０等によって溶接装置の外部に移送される。このとき、波形放熱板１の両側、より具体的には溶接ビード３が形成された左端および右端に沿って、それぞれ移動レール１１が設けられている。

移動レール１１には、センサ４が取り付けられている可動支持部１２が、波形放熱板１の前端から後端との間で往復移動可能に載置されている。このとき、センサ４は、波形放熱板１よりも外側に位置しているとともに、照射方向が溶接ビード３側に向かうように、且つ、検出領域が溶接ビード３を幅方向に横切るように、斜めに傾斜した状態で取り付けられている。このため、波形放熱板１の前端から後端までセンサ４を移動させつつ図３に示したような距離の測定を繰り返すことにより、溶接ビード３の全長に渡って幅の測定を行うことができる。すなわち、溶接ビード３の全長を走査することができる。

図５に、本実施形態の検査装置３０の電気的構成を示す。検査装置３０は、センサ４、センサ４を制御するためのコントローラ１４、可動支持部１２、可動支持部１２を駆動する駆動機構１３を、右端側および左端側のそれぞれに備えている。可動支持部１２および駆動機構１３は、走査機構３１を構成している。また、検査装置３０は、評価装置２０を備えている。この評価装置２０は、いわゆるパソコンで構成されており、センサ４および走査機構３１の制御、ならびに、後述する測定結果（走査画像）を合成するための合成部と溶接品質を評価する評価部とを備えている。

次に上記した構成の作用について説明する。
評価装置２０は、図６に示す処理を実行することで溶接品質を評価する。具体的には、評価装置２０は、上記した図４に示したように溶接が完了して波形放熱板１が移送されると、右端および左端の往路走査を行う（Ｓ１）。この往路走査は、波形放熱板１の前端から後端に向かってセンサ４を移動させつつ、溶接ビード３の幅を測定するものである。このとき、測定結果は、後述するように往路走査画像として取り込まれる（図９（Ａ）参照）。このステップＳ１および後述するステップＳ４において一箇所の距離を測定する工程が測定工程に相当し、溶接ビード３の全長に渡って測定を繰り返す工程が走査工程に相当する。なお、走査速度は、本実施形態では概ね１００ｍｍ／ｓｅｃとしている。

続いて、評価装置２０は、往路走査が完了すると（Ｓ２）、センサ４の向きを変更する（Ｓ３）。ここで、センサ４の向きを変更する理由について説明する。上記したように、センサ４は、照射部４ａと受光部４ｂとがずれた位置に設けられ、溶接ビード３に沿って移動する。このとき、図７（Ａ）に示すように、溶接ビード３に照射光を照射でき、受光部４ｂで反射光を受光できる位置関係になる場合と、図７（Ｂ）に示すように、リブ１ａによって反射光を受光できない位置関係になる場合とが存在することがある。

つまり、溶接ビード３の全長を走査したとき、距離の測定ができない隙間が生じるおそれがある。また、図示は省略するが、照射光がリブ１ａによって遮られて正確な距離を測定できなくなるような位置関係も存在する。また、ビード幅（ＷＡ）およびビード掛り量（ＷＢ）は、溶接機械で溶接する向き等によっては、リブ１ａの前後（図３（Ｂ）における領域Ｒ１と領域Ｒ２）とでビード幅やビード掛り量が異なるおそれがある。

そのため、リブ１ａの前後においても溶接ビード３を検査できることが望ましく、この場合、リブ１ａは一定間隔で形成されていることから、反射光を測定できない位置関係は、照射光と反射光との位置を入れ替えれば測定できると考えられる。
そこで、評価装置２０は、往路走査時には図８（Ａ）に示すように進行方向つまり後端側に位置していた照射部４ａが、復路走査時には図８（Ｂ）に示すように進行方向、つまり、前端側に位置するように、センサ４の向きを１８０°変更する。その状態で、評価装置２０は、往路走査を行う（Ｓ４）。このとき、測定結果は、後述するように復路走査画像として取り込まれる（図９（Ｂ）参照）

続いて、評価装置２０は，各走査時の画像を合成する（Ｓ７）。具体的には、往路走査時には、図９（Ａ）に示すように、溶接ビード３の全長に渡って測定結果を並べた画像が取り込まれている。同様に、復路走査時には、図９（Ｂ）に示すように、溶接ビード３の全長に渡って測定結果を並べた画像が取り込まれている。この、図９（Ａ）、（Ｂ）では、距離の違いをハッチングの違いにより模式的に示しており、ハッチングの間隔が狭いほどセンサ４からの距離が短い状態（すなわち、波形放熱板１の表面からの高さが高い状態）を示している。なお、図９（Ａ）、（Ｂ）では、説明の簡略化のために、溶接ビード３の全長のうち一部のみを示しているとともに、ユーザが直感的に把握しやすいように、図９（Ｂ）の往路走査画像はリブ１ａが図示左側に来るように画像処理されている。

評価装置２０は、各画像から、リブ１ａの端部を特定する。具体的には、評価装置２０は、測定結果の画像においてリブ１ａにより遮られて距離が測定できていないエッジ点Ｐを抽出し、エッジ点Ｐ間を繋いだ直線Ｌをリブ１ａの端部として特定する。これは、上記したように照射部４ａと受光部４ｂとの位置が異なることから、リブ１ａの端部は、図９（Ａ）、（Ｂ）に破線にて示すように測定されない領域（ハッチング部に食い込んで欠けている領域）として測定されるためである。

評価装置２０は、往路走査画像および復路走査画像についてリブ１ａの端部を特定すると、各画像の直線Ｌ同士が重なるように画像を合成し、図１０に示すように、欠けている領域が補完された画像を生成する。なお、図１０では、溶接ビード３の形状を示す部分を抽出した合成画像の例を指名している。

合成画像を生成すると、評価装置２０は、ビード幅（この場合、ＷＡ２）と、ビード掛り量（この場合、ＷＢ２）とを測定する（Ｓ８）。そして、評価装置２０は、溶接ビード３の全長について、ビード幅およびビード掛り量が所定の品質基準を満たしているか否かに基づいて溶接品質を評価し、その結果を例えば図１０に示すような態様で表示する（Ｓ９）。このステップＳ９が、評価工程に相当する。

このとき、例えば右端側において品質基準を満たさない部位が存在する場合には、領域Ｘのように丸記号で囲ったり、何番目のリブ１ａ間に溶接品質が満たさない部位があるかを文字等により表示したりすることで、評価結果をユーザに報知する。
さて、これらの測定や評価は、上記した図４に示したように工場内で行われる。そのため、照明や太陽光等の外乱光が存在する場合がある。そこで、擬似的に外乱光を状態で正確に測定できるかを検証している。

図１１は、検証結果を示すものであり、外乱光の条件を３回変更し、各条件においてビード幅を繰り返し測定した結果を示す箱ひげ図である。上記したように、センサ４は、特定の波長帯の光を用いて距離を測定する。そのため、外乱光が存在している場合でも、また、外乱光の種類が変化した場合であっても測定結果が概ね０．０５ｍｍ以下程度に収まっているとともに、各条件における測定のばらつきも概ね０．２ｍｍ以下程度に収まっており、十分に溶接品質の評価に利用できることが確認できた。また、目視による測定結果（参考例）との乖離も少なく、十分な測定精度を有していることも確認できた。

以上説明した本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
検査装置３０は、照射部４ａと照射部４ａからの照射軸からずれた位置に設けられている受光部４ｂとを有するセンサ４を、波形放熱板１の端部から外側であって、照射方向がリブ１ａの高さ方向に対して傾斜した状態となるように配置し、その状態で溶接ビード３の幅方向における距離を測定する。この場合、溶接ビード３に照射する照射光および溶接ビード３で反射した反射光は、波形放熱板１に対して斜め方向に照射あるいは反射される。そのため、波形放熱板１の真上にセンサ４を設ける場合に比べて、波形放熱板１から立ち上がったリブ１ａによって照射光または反射光が遮られる部位を少なくすることができ、溶接ビード３までの距離を測定することができる。つまり、リブ１ａが存在している場合であっても、溶接ビード３を検査することができる。

光学式のセンサ４の場合、対象物までの距離が近いほど高い精度で測定できることから、なるべく溶接ビード３に近い位置で測定することが望ましい。その一方で、リブ１ａの高さが製品によって異なることもあり、センサ４をリブ１ａの真上に設置する構成とすると、リブ１ａの高さによって設置位置を変更する必要があり、製品毎に測定精度が変化する等、品質管理上好ましくない状態になるおそれがある。そこで、センサ４を波形放熱板１の端部より外側に配置することで、リブ１ａの高さによらず溶接ビード３に対するセンサ４の検出位置を一定にすることができ、測定精度がばらつくことを防止できる。

センサ４を波形放熱板１の端部より外側に配置しているので、センサ４から溶接ビード３までの距離を、リブ１ａの高さよりも短い距離にすることが可能となる。したがって、検出精度を向上させることができる。
センサ４を走査機構３１により溶接ビード３に沿って移動させるので、自動で溶接ビード３の検査を行うことができる。したがって、検査工程の省力化や高速化を促進することができるとともに、作業者の熟練度等にかかわらず一様に検査を行うことができ、定量的に品質管理を行うことができる。

走査機構３１を設け、センサ４を溶接ビード３に沿って往復走査させ、センサ４の向きを往路走査時と復路走査時とで反転させる。つまり、往路走査時および復路走査時のいずれにおいても、照射部４ａが進行方向側となる状態で検査を行う。これにより、往路走査時にリブ１ａによって照射光や反射光が遮られて測定できなかった部位は、照射方向が逆になることで復路走査時に測定できるようになる。したがって、１方向への走査では照射光や反射光が遮られるリブ１の近傍の領域Ｒ１や領域Ｒ２も含めて、また、溶接ビード３の全長に渡って、溶接ビード３を隙間無く検査することができる。

このとき、評価装置２０は、往路走査時の測定結果と復路走査時の走査結果とを合成することで、一方向の走査では距離が測定できなかった部位を補完した上で、溶接品質の評価を行う。これにより、溶接ビード３の全体の溶接品質を隙間無く評価することができ、溶接品質を保証することができる。

また、波形放熱板１の外側に位置して設けた状態で溶接ビード３までの距離を測定する測定工程と、溶接ビード３に沿ってセンサ４を移動させ、溶接ビード３の全長を走査する走査工程と、溶接ビード３の全長に渡る走査結果に基づいて溶接箇所の品質を評価する評価工程と、を含む検査方法によれば、上記したような効果を得ることができる。

（その他の実施形態）
実施形態で示した各種の数値は一例であり、それらに限定されるものではない。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

図面中、１は波形放熱板、１ａはリブ、２は枠部材、３は溶接ビード（対象部位）、４はセンサ（光学式距離センサ）、４ａは照射部、４ｂは受光部、５は対象部位、１１は移動レール（走査機構）、１２は可動支持部（走査機構）、１３は駆動機構（走査機構）、２０は評価装置、３０は検査装置（溶接ビードの検査装置）、３１は走査機構を示す。

Claims (3)

1. 表面に複数のリブが形成された波形放熱板を枠部材に溶接した場合に形成される溶接ビードを検査するための溶接ビードの検査装置であって、
   対象部位に直線状の検出領域を形成するように光を照射する照射部と、前記照射部が光を照射する際の照射方向からずれた位置に設けられ前記対象部位で反射した光を受光する受光部とを有し、前記検出領域に含まれる各点までの距離を測定する光学式距離センサと、
   前記溶接ビードの全長を走査するために、前記光学式距離センサを前記溶接ビードに沿って移動させる走査機構と、
   前記溶接ビードの全長に渡る走査結果に基づいて溶接箇所の品質を評価する評価装置と、を備え、
   前記光学式距離センサは、前記波形放熱板の端部よりも外側であって、その照射方向が前記リブの高さ方向に対して傾斜した状態となるように配置され、
   前記走査機構は、前記光学式距離センサを前記溶接ビードに沿って往復走査させるものであり、往路走査時および復路走査時のいずれにおいても前記照射部が進行方向側となるように、前記光学式距離センサの向きを往路走査時と復路走査時とで反転させることを特徴とする溶接ビードの検査装置。
2. 前記評価装置は、往路走査時の測定結果と復路走査時の走査結果とを合成することで、一方向の走査では距離が測定できなかった部位を補完した上で、溶接品質の評価を行うことを特徴とする請求項１記載の溶接ビードの検査装置。
3. 表面に複数のリブが形成された波形放熱板を枠部材に溶接した場合に形成される溶接ビードを検査するための溶接ビードの検査方法であって、
   前記波形放熱板の外側に位置して設けられている光学式距離センサを用い、前記リブの高さ方向に対して傾斜した状態で光を照射して前記溶接ビードまでの距離を測定する測定工程と、
   前記溶接ビードに沿って前記光学式距離センサを往復移動させて当該溶接ビードの全長を往路と復路とで走査するとともに、往路走査時および復路走査時のいずれにおいても前記光学式距離センサの照射部が進行方向側となるように、前記光学式距離センサの向きを往路走査時と復路走査時とで反転させて走査する走査工程と、
   前記溶接ビードの全長に渡る走査結果に基づいて、溶接箇所の品質を評価する評価工程と、を含むことを特徴とする溶接ビードの検査方法。
   

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