JPH0712753A - 溶接状態のモニタ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接状態の高速モニタリングおよび溶接不良
部位の定量的な品質評価を実現しうる溶接状態のモニタ
装置を提供すること。 【構成】 溶接時に被溶接点を中心に発生するプラズマ
３からの光４を検出する検出手段２０と、この検出手段
２０の検出信号のレベルの大小および変動幅を設定値と
比較して溶接状態の良否を推定する推定手段２１と、こ
の推定手段２１により溶接状態が不良であると推定され
た時に溶接ビード１０を撮像する撮像手段２２と、この
撮像手段２２からの画像信号を画像処理して推定手段２
１により溶接不良ありと推定された溶接部位の品質を定
量的に分析・評価する評価手段２３とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接状態の良否を定量
的に評価しうる溶接状態のモニタ装置に関し、特にレー
ザ溶接による薄板の突合せ溶接に使用した場合に効果の
あるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来から車両の組立工程においては溶接
が多用されているが、最近では特に薄板を重なり代なし
で接合する技術、つまり突合せ溶接を採用することによ
り、材料の歩留り向上（資源の有効活用）や車両の重量
軽減、重なり部分の段差消滅による外観の質感向上など
が実現されるようになっている。そして、このような薄
板の突合せ溶接には、小さな集中熱源を形成しうるレー
ザ溶接が最も適した溶接方法として適用されている。と
ころが、このようなレーザによる薄板の突合せ溶接にお
いては、たとえば、突き合わせる２枚の薄板の位置がレ
ーザ光の焦点位置と全長にわたり０．１mm以内で合って
いること、突き合わせる２枚の薄板の隙間が全長にわた
り０．１mm以内であること、レーザ光の焦点位置やアシ
ストガスの流れが安定していること等の諸条件がすべて
満たされていないと、良好な品質の溶接を行うことがで
きないばかりか、不良品が後工程に流出して大きな損失
をもたらすおそれがある。

【０００３】そこで、従来から様々な方法でその溶接状
態をモニタして、適切な溶接状態が実現されるようにし
ている。その方法の一例としてそれぞれ図１２と図１３
に示すようなものがある。

【０００４】図１２に示す方法は、溶接時に発生する光
をモニタリングするものである。すなわち、レーザ溶接
ヘッド１により被溶接点に高エネルギーのレーザスポッ
ト光を照射して薄板２の溶接を行うと、その際に溶接点
から非常に高輝度のプラズマ３が発生する。このプラズ
マ３から生じる光４をフィルタ５を介してフォトダイオ
ード６に入力する。上記の溶接条件が満たされていない
場合には、フォトダイオード６に入力される光量が変化
することから、フォトダイオード６からの信号をアンプ
７で増幅した後、比較回路８で所定の設定値と比較し
て、溶接状態が正常かどうか、つまり溶接不足や溶接過
大、溶接バンピングがないかどうかを判定している。な
お、光の検出に代えて音の検出で溶接状態の良否を判定
するようにしているものもある。

【０００５】また、図１３に示す方法は、画像処理によ
り溶接ビードを検査するものであって、光切断法により
光源９からのスリット光を溶接ビード１０に照射し、そ
の反射光をビデオカメラ１１に取り込んで溶接ビード１
０の断面形状を撮像する。そして、その画像信号を画像
処理装置１２に入力して所定の画像処理を施して溶接ビ
ード１０の形状や欠陥を定量的に測定し、溶接状態の良
否を判定している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１２
に示すような方法にあっては、溶接時に発生する光４
（または音）をモニタリングして設定値と比較するだけ
であるため、処理速度が速く高速モニタリングが可能で
あるものの、定量的な品質データを得ることが困難であ
るため溶接品質の定量評価はできなかった。

【０００７】一方、図１３に示す方法にあっては、溶接
ビード１０の断面形状を撮像して画像処理を行うため、
定量的な品質データを得ることができ、したがって溶接
品質の定量評価は可能であるものの、一般に画像処理は
非常に多くのデータ量を取り扱うので処理速度が遅く、
短時間での検出が困難で、小さな溶接欠陥を検出できな
いおそれがあった。

【０００８】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、溶接状態の良否を高速でか
つ定量的に評価することができる溶接状態のモニタ装置
を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、溶接時に発生する被溶接点からの音または
光を検出する検出手段と、当該検出手段の検出信号のレ
ベルの大小および変動幅を設定値と比較して溶接状態の
良否を推定する推定手段と、当該推定手段により溶接状
態が不良であると推定された場合に溶接ビードを撮像す
る撮像手段と、当該撮像手段からの画像信号を画像処理
して溶接不良部位の品質を定量的に評価する評価手段と
を有することを特徴とする。

【００１０】

【作用】このように構成した本発明にあっては、検出手
段によって溶接時に発生する被溶接点からの音または光
が検出されると、推定手段はその検出信号のレベルの大
小および変動幅を設定値と比較して溶接状態の良否を推
定する。これにより、溶接状態の高速モニタリングが実
現される。そして、撮像手段は推定手段によって溶接状
態が不良であると推定された場合に溶接ビードを撮像
し、評価手段はその撮像手段からの画像信号を画像処理
して推定手段により溶接不良と推定された溶接部位の品
質を定量的に評価する。これにより、溶接不良部位に対
する定量的な品質評価が行われる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説
明する。図１は本発明の一実施例による溶接状態のモニ
タ装置の概略構成図、図２は同実施例の推定手段の動作
フローチャート、図３は同実施例の評価手段の動作フロ
ーチャート、図４は図３のサブルーチンの内容を示すフ
ローチャート、図５〜図７は図２のフローチャートの説
明に供する図、図８〜図１１は図４のフローチャートの
説明に供する図である。なお、本実施例では、図１に示
すように本装置を薄板の突合せ溶接に適用した場合を例
示している。また、図１２または図１３と共通する部分
には同一の符号を付してある。

【００１２】前述したように、薄板２の突合せ溶接にあ
っては、レーザ溶接ヘッド１から出力されるレーザ光
は、集光されて、被溶接点において最大エネルギーとな
るようにスポット状とされ、このレーザスポット光によ
って薄板２が溶解され、この溶解によって薄板２の溶接
が行われる。その際、溶解が開始されると被溶接点を中
心として非常に高輝度のプラズマ３（溶融池から噴出し
た金属蒸気が電離して発光している）が発生し、また、
薄板２の溶接部位の表面に溶接ビード１０が形成され
る。

【００１３】そこで、図１に示す溶接状態のモニタ装置
は、溶接時に被溶接点に生じるプラズマ３からの光４を
検出する検出手段２０と、この検出手段２０の検出信号
のレベルの大小および変動幅を設定値と比較して溶接状
態の良否を推定する推定手段２１と、薄板２上の溶接ビ
ード１０を撮像する撮像手段２２と、この撮像手段２２
からの画像信号を画像処理して溶接不良部位の品質を定
量的に評価する評価手段２３とから構成されている。

【００１４】検出手段２０は、入射した光量に比例した
電圧を出力するフォトダイオード６と、このフォトダイ
オード６の検出領域を確保するためプラズマ３から発せ
られる光４の輝度を低減させるフィルタ５とで構成さ
れ、フィルタ５はフォトダイオード６の前面に配置され
ている。フォトダイオード６の検出信号は推定手段２１
に入力される。推定手段２１は、フォトダイオード６の
検出信号を増幅するアンプ２４と、増幅された前記検出
信号のレベルの大小および変動幅を設定値と比較する比
較回路２５とで構成されている。溶接条件によってプラ
ズマ３の輝度の大小や変動幅が変化し、これに応じてフ
ォトダイオード６の検出信号のレベルの大小および変動
幅が変化するので、検出信号の波形の状態を設定値と比
較することによって溶接状態の良否を推定することがで
きる。本実施例では、設定値として、溶接条件が満たさ
れていると推定できる範囲を画する下限値Ｌと上限値
Ｕ、ならびに溶接バンピングの発生の有無を判断する基
準となる上限値があらかじめ実験に基づいて設定されて
おり、これら設定値は比較回路２５内のメモリに記憶さ
れている。たとえば、溶接条件が不足している場合に
は、図５に示すように検出信号のレベルは下限値Ｌより
小さく（検出信号レベル＜下限値）、溶接条件が過大で
ある場合には、図６に示すように検出信号のレベルは上
限値Ｕより大きく（検出信号レベル＞上限値）、また、
溶接バンピングが生じている場合には、検出信号の変動
幅であるバンピング幅Ｐは上限値より大きくなる（検出
信号変動幅＞上限値）。推定手段２１は、上記比較の結
果として溶接状態が不良であると推定される場合にの
み、不良内容（溶接不足、溶接過大、溶接バンピング）
に応じた異常信号を評価手段２３に出力する。なお、図
５〜図７中、「Ｑ」は背景光のレベルを示している。

【００１５】一方、撮像手段２２は、光切断法により溶
接ビード１０の断面形状を測定する装置であって、スリ
ット状のレーザ光を発射するスリット状レーザ光源９
と、その反射光を取り込んで画像信号を出力する超小型
のビデオカメラ１１とで構成されている。この撮像手段
２２と前記検出手段２０とは一体化されて、レーザ溶接
ヘッド１に取り付けられている。評価手段２３は、ビデ
オカメラ１１からの画像信号に後述する所定の画像処理
を施して溶接ビード１０の形状や欠陥を定量的に測定
し、溶接状態の不良の内容・程度を分析し、その結果を
出力する。また、評価手段２３は、推定手段２１から異
常信号を入力したときにのみ撮像手段２２を動作させ、
得られた画像信号を処理するように構成されている。

【００１６】このように構成された本装置は図２〜図４
のフローチャートに従って動作するが、その説明にあた
っては、適宜、図５〜図１１を参照する。

【００１７】図２は推定手段２１の動作を示すフローチ
ャートである。推定手段２１は、まず、溶接時に発生す
るプラズマ３からの光４を検出したフォトダイオード６
の検出信号を入力し（Ｓ１）、比較回路２５において、
順次、検出信号のレベルが下限値Ｌ（設定値）より小さ
いかどうか（Ｓ２）、検出信号のレベルが上限値Ｕ（設
定値）より大きいかどうか（Ｓ３）、検出信号の変動幅
Ｐが上限値（設定値）より大きいかどうか（Ｓ４）を判
断する。ステップ２の判断の結果として検出信号のレベ
ルが下限値Ｌより小さければ、溶接条件が不足している
ものと判断して（図５参照）、その旨の異常信号を評価
手段２３に出力する（Ｓ５）。また、ステップ３の判断
の結果として検出信号のレベルが上限値Ｕより大きけれ
ば、溶接条件が過大であるものと判断して（図６参
照）、その旨の異常信号を評価手段２３に出力する（Ｓ
６）。さらに、ステップ４の判断の結果として検出信号
の変動幅Ｐが上限値より大きければ、溶接バンピングが
生じているものと判断して（図７参照）、その旨の異常
信号を評価手段２３に出力する（Ｓ７）。これに対し、
ステップ２〜ステップ４の判断の結果として検出信号の
レベルが下限値Ｌと上限値Ｕの間にありかつ検出信号の
変動幅Ｐが上限値を超えない場合には、溶接状態は一応
良好であるものと判断して、異常信号は出力しない。こ
のように、この段階では、溶接時のプラズマ３の光４を
モニタリングするので、溶接状態の定性的な良否の判定
処理が高速で実行されることになる。

【００１８】一方、図３および図４は評価手段２３の動
作を示すフローチャートである。評価手段２３は、ま
ず、推定手段２１からの異常信号を入力し（Ｓ８）、異
常推定がなされているかどうか、つまり推定手段２１に
より溶接不良と推定されたかどうかを判断し（Ｓ９）、
この判断の結果として異常推定がなされてなければ、溶
接状態は良好であるものと判断して、溶接が正常である
旨の信号を出力する（Ｓ１０）。

【００１９】これに対し、ステップ９の判断の結果とし
て異常推定がなされていれば、評価手段２３は、撮像手
段２２を駆動して、溶接不良が存在すると推定される溶
接部位の断面形状を撮像し、その画像信号を取り込ん
で、その画像データを内蔵するメモリに格納する（Ｓ１
１）。メモリへの格納にあたっては、１画面で溶接異常
をとらえられない可能性があるので、複数画面分の画像
をメモリに蓄積する。それから、評価手段２３は、画像
信号に対して所定の画像処理を施して、推定手段により
溶接不良ありと推定された溶接部位の品質を定量的に測
定し分析する（Ｓ１２）。この画像処理の内容は図４に
示すとおりであって、まず、撮像された溶接ビード１０
の断面画像（図８（Ａ）参照）に対してその光重心を計
算することによって細線化処理（図８（Ｂ）参照）を実
行し（Ｓ１７）、その細線化された溶接ビード１０の断
面形状に対して、それぞれ、ビード幅の検出処理（図９
（Ａ）参照）、ビードの中心位置の算出によるビード位
置の検出処理（図９（Ｂ）参照）、ビード高さの検出処
理（図９（Ｃ）参照）、ビード深さの検出処理（図９
（Ｄ）参照）を実行する（Ｓ１８〜Ｓ２１）。この一連
の処理終了後、さらに、溶接ビード１０の穴あき欠陥Ｒ
（図１０（Ｂ）参照）の検出処理（図１０（Ａ）参
照）、ならびに、溶接ビード１０のヒゲ状欠陥Ｓや玉状
欠陥Ｔ（図１１（Ｂ）参照）の検出処理（図１１（Ａ）
参照）を実行する（Ｓ２２、Ｓ２３）。なお、図１０
（Ｂ）と図１１（Ｂ）中の「Ｅ」はスリット光である。

【００２０】それから、評価手段２３は、メインのフロ
ーに戻って、ステップ１８〜ステップ２３の各画像処理
の結果に異常があるかどうかを判断し（Ｓ１３）、この
判断の結果として画像処理の結果に異常がなければ、推
定手段２１により推定された溶接不良の内容（溶接不
足、溶接過大、溶接バンピング）を溶接異常信号として
外部へ出力する（Ｓ１４）。これに対し、ステップ１３
の判断の結果として画像処理の結果に異常があれば、同
じく推定手段２１により推定された溶接不良の内容（溶
接不足、溶接過大、溶接バンピング）を溶接異常信号と
して外部へ出力するとともに（Ｓ１５）、評価手段２３
自身により分析・評価された定量的な溶接品質（ビード
幅、ビードのずれ、溶接欠陥など）を溶接品質信号とし
て外部へ出力する（Ｓ１６）。

【００２１】したがって、本実施例によれば、まず、溶
接時に発生するプラズマ３からの光４を検出して溶接状
態の良否をモニタするようにしたので、非常に応答速度
の速い溶接モニタリングが実現される。しかも、推定手
段２１により溶接不良ありと推定された時にその溶接不
良ありと推定された溶接部位の溶接ビード１０を画像処
理により検査するようにしたので、その溶接不良部位の
溶接品質の定量的な分析・評価をも実現することができ
る。そして、その場合、画像処理がなされるのは推定手
段２１により溶接不良ありと推定された時のみ、つまり
画像処理による品質検査が必要と判断される時のみであ
るので、処理速度の高速性はあまり阻害されない。した
がって、従来不可能だった小さな溶接欠陥の定量評価が
可能となり、溶接状態のモニタの精度が向上する。

【００２２】なお、本実施例では、検出手段２０として
溶接時に発生するプラズマ３からの光４を検出するもの
について説明したが、光に代えて音を検出するものであ
っても良いことは前述したとおりである。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、溶接
状態の高速モニタリングとともに溶接不良部位の定量的
な品質評価が実現されるようになるので、小さな溶接欠
陥の定量評価が可能となり、溶接状態のモニタの精度が
向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例による溶接状態のモニタ装
置の概略構成図

【図２】 同実施例の推定手段の動作フローチャート

【図３】 同実施例の評価手段の動作フローチャート

【図４】 図３のサブルーチンの内容を示すフローチャ
ート

【図５】 溶接条件不足時の検出手段出力波形図

【図６】 溶接条件過大時の検出手段出力波形図

【図７】 溶接バンピング時の検出手段出力波形図

【図８】 細線化処理の説明図

【図９】 それぞれ（Ａ）はビード幅、（Ｂ）はビード
位置、（Ｃ）はビード高さ、（Ｄ）はビード深さの説明
図

【図１０】 穴あき欠陥の説明図

【図１１】 ヒゲ状・玉状欠陥の説明図

【図１２】 従来の溶接状態のモニタ装置の一例を示す
概略構成図

【図１３】 従来の溶接状態のモニタ装置の他の一例を
示す概略構成図

【符号の説明】

１…レーザ溶接ヘッド ２…薄板 ３…プラズマ ４…光 １０…溶接ビード ２０…検出手段 ２１…推定手段 ２２…撮像手段 ２３…評価手段

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接時に発生する被溶接点からの音また
   は光を検出する検出手段と、 当該検出手段の検出信号のレベルの大小および変動幅を
   設定値と比較して溶接状態の良否を推定する推定手段
   と、 当該推定手段により溶接状態が不良であると推定された
   場合に溶接ビードを撮像する撮像手段と、 当該撮像手段からの画像信号を画像処理して溶接不良部
   位の品質を定量的に評価する評価手段と、 を有することを特徴とする溶接状態のモニタ装置。