JPH11114683A - レーザ溶接の品質検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性の高いレーザ溶接の品質検査装置を提
供する。 【解決手段】 レーザ光発生手段によって発生した溶接
部のプラズマ光をプラズマ光検出手段によって検出し、
ビデオカメラ１６によるこのプラズマ光の撮像をモニタ
３０に表示することによってプラズマ光の受光状態の良
否を判別するとともに、同時に同じプラズマ光を光セン
サ１５で検出して信号処理することによって溶接状態の
良否を判断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワークの穴あき欠
陥や欠肉、余盛不足などに起因する溶接状態の良否を正
確に判別することができるレーザ溶接の品質検査装置に
関する。

【０００２】

【関連する背景技術】従来のレーザ溶接の品質検査装置
として、特開平７−１８５８５５号公報に記載のものが
知られている。この従来装置は、同公報の第１図に記載
されているように、レーザ溶接時に溶接部で発生するプ
ラズマ光の強度をフォトトランジスタ等の光センサで検
出し、溶接状態の適否を予備的に判定し、この予備判定
の結果溶接不良と判定された場合にその位置の溶接ビー
ドを、レーザ光の照射部位から離れた位置に配設された
ビデオカメラでとらえ、ビデオ信号を画像処理装置で処
理して溶接ビードの表面欠陥の有無を検査するものが知
られている。

【０００３】即ち、被溶接物を一定方向に移動させなが
ら、レーザ発振器によって発生させたレーザ光を溶接部
に照射するとともに、このレーザ光が溶接部に照射され
たときに生じるプラズマ光を光センサによって検出し
て、そのプラズマ光の強度に基づいて溶接状態の適否を
予備判定している。そして、予備判定の結果、溶接不良
と判定された場合には、その溶接不良部位がビデオカメ
ラの有効視野に入るタイミングとビデオ同期信号のタイ
ミングが一致するようにビデオ同期信号のタイミングを
調整し、画像処理対象となるビデオ信号の枠内に溶接不
良部位が必ず含まれるようにしている。かかる構成のビ
デオカメラはプラズマ光を直接撮像するのではなく、溶
接時に光センサによって溶接不良と予備判定された溶接
ビード自体を撮像しているものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の品質検査装置の
光センサは、フォトダイオードが使用されており、発生
したプラズマ光を常時適切に受光するような方向及び位
置にフォトダイオードを設置することは非常に難しい。
その為、プラズマ光が一定の状態であってもフォトダイ
オードの設置状態によりフォトダイオードの出力値にば
らつきが生じることがあった。また、フォトダイオード
がプラズマ光を適切な位置及び方向で受光していても、
その後、受光装置の環境の変化などによりその位置や方
向が経時的にずれることがあり、その結果、フォトダイ
オードが不適切な受光状態となり、正常な溶接状態のプ
ラズマ光であっても正常でない溶接状態のプラズマ光と
してフォトダイオードが誤って検出してしまうことがあ
った。従って、このような従来装置では、フォトダイオ
ードの受光状態が最適であるか否かを検出することが難
しく、光センサによる溶接不良か否かの予備判定を誤っ
て行うことがあった。光センサによる予備判定が正確で
ないと、ビデオカメラは本来撮像すべき溶接不良のビー
ドだけでなく良好な溶接の結果生じたビードも撮像して
しまうことがあり、レーザ溶接の品質検査装置の信頼性
を損ねていた。

【０００５】本発明の目的は、レーザ溶接時に溶接部で
発生するプラズマ光を最適に受光するとともに、受光し
たプラズマ光によって溶接状態の良否を確実に判断する
ことができるレーザ溶接の品質検査装置を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ溶接
の品質検査装置は、プラズマ光検出手段によって溶接位
置からのプラズマ光を受光し、受光したプラズマ光を分
光しその一部によって、モニタ手段がプラズマ光の受光
状態の良否を判定し、同時に受光した同じプラズマ光に
よって溶接状態判別手段が溶接状態の良否を判断するこ
とを特徴としている。

【０００７】プラズマ光検出手段が受光した同じプラズ
マ光によりモニタ手段によってプラズマ光の受光状態を
判断すると共に、溶接状態判断手段により溶接状態の良
否を判断することによって正確で信頼性の高い品質検査
を可能にしている。請求項２に記載の発明装置は、プラ
ズマ光検出手段が光の光軸を溶接位置に対して調整可能
な調整手段を有しており、この調整手段により、プラズ
マ光検出手段の向きがプラズマ光を最適に受光できる位
置及び方向に修正される。

【０００８】請求項３に記載の発明装置は、プラズマ光
検出手段に長焦点距離を有するレンズが備えられ、溶接
時に発生するヒューム、スパッタ等が飛散し得ない位置
でプラズマ光の受光が可能となり、スパッタ等に起因す
る受光量の減光が防止される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
るレーザ溶接の品質検査装置の一実施形態について説明
する。本発明に係るレーザ溶接の品質検査装置は、図１
に示すように、ワーク２、２'を溶接する溶接装置１、
溶接装置１に一体に取り付けられたプラズマ光受光装置
１０、プラズマ光受光装置１０と電気的に接続されたモ
ニタ３０、同じくプラズマ光受光装置１０と電気的に接
続された検出結果処理装置４０から構成される。

【００１０】溶接装置１は、レーザ光を発生するレーザ
溶接トーチ３、トーチ３に接続された図示しないレーザ
光発振装置、フレーム５によってトーチ３と一体に設け
られたアシストガスノズル４からなる。レーザ光は、所
要の出力、例えば３kWの出力を有しており、炭酸ガス
（CO₂）レーザであるが、YAGレーザ等であっても良い。
レーザ溶接トーチ３は、図示しない移動架台に取り付け
られ、ワーク２、２'の上方の水平平面内を、ワーク
２、２'と一定距離離間して溶接すべき溶接ライン（溶
接部）に沿って２次元的に移動することができる。トー
チ３によってレーザ光が溶接部６（ワーク２とワーク
２'との突き合わせ部）に向けて照射され、溶接部６を
溶融させる。このときの溶接速度は、例えば、厚み１．
８mmのワーク２に対して３m／minである。アシストガス
ノズル４は、ノズル先端をトーチ３の進行方向前方の斜
め上方から溶接部６に向け、ノズルの軸線をトーチ３の
軸線に対して略４５°の角度をもってフレーム５に固定
されており、レーザ溶接トーチ３の移動中、レーザ溶接
部に常にアルゴンガス等の不活性ガス（シールドガス）
を所要量（例えば、３０リットル／min）吹き付けて溶
接部の酸化を防止している。尚、図１において、アシス
トガスノズル４及び後述するプラズマ光受光装置１０
は、トーチ３に対して図中左右に配設されるように示さ
れているが、実際は紙面に対し面直方向、即ち、ノズル
４はトーチ３の進行方向前方に、受光装置１０は後方に
それぞれ配設されている。

【００１１】プラズマ光受光装置１０は、溶接部からの
プラズマ光を受光する長焦点レンズ１１（プラズマ光検
出手段）を備えている。使用するレンズ１１としては、
溶接時に発生するスパッタやフュームがレンズ面に到達
し得ない位置で、適度の範囲の溶接部６が後述するモニ
タ３０の画面に適度な大きさで表示し得るに適した焦点
距離（画角）を有する、望遠レンズ（ロングワーキング
ディスタンスレンズ）が用いられる。長焦点レンズ１１
の前端面には減光フィルタ（NDフィルタ）１２が取り付
けられ、過度のプラズマ光量を受光しないようにしてい
る。レンズ１１の後端面にはフォトトランジスタなどの
光センサ１５が取り付けられている。

【００１２】長焦点レンズ１１と光センサ１５との間の
光路上にはハーフミラー１３が配設され、プラズマ光の
一部を反射し残りを透過させる。ミラー１３による反射
光の光路上にはミラー１４が配設される。ミラー１４の
反射光の光路上にはCCDカメラなどのビデオカメラ１６
が前記光センサ１５と光軸を平行にして配設されてい
る。

【００１３】レンズ１１、即ちプラズマ光受光装置１０
は、レンズ１１の光軸の向きを調整するレンズ調整装置
２０（調整手段）を備えており、この調整装置２０を介
してフレーム５に取り付けられる。このようにフレーム
５に取り付けられることによってプラズマ光受光装置１
０はトーチ３と一体に移動する。レンズ調整装置２０
は、レンズ１１の角度を調整する角度調整機構２３と、
機構２３に取り付けられ、レンズ１１の回動角度を調整
する回転台２２、角度調整機構２３とレンズ１１とを固
定するマウンター２４、回転台２２とフレーム５とを固
定する支持アーム２１、角度調整機構２３及び回転台２
２を固定するロック機構（図示せず）等から構成され、
ロック機構のロックを解除することによりレンズ１１の
光軸を手動で自在に調整することができる。

【００１４】プラズマ光を撮像するためのモニタ３０
は、ビデオカメラ１６に電気的に接続されている。尚、
ハーフミラー１３、ミラー１４、ビデオカメラ１６、モ
ニタ３０等でモニタ手段を構成している。モニタ３０
は、長焦点レンズ１１が受光し、一部分光されビデオカ
メラ１６によって撮像されたプラズマ光を画面に表示す
ることができ、これによってレンズ１１の受光状態、即
ち、溶接部６におけるプラズマ光の発光状態を監視する
ことができる。

【００１５】検出結果処理装置４０は、アンプ４１、 A
/D変換器４２、及び溶接位置毎のプラズマ光強度から溶
接良否を判断する溶接良否判別装置４３等から構成さ
れ、この順に電気的に接続されている。アンプ４１は光
センサ１５からの電気信号を増幅し、 A/D変換器４２は
アンプ４１からのアナログ信号をデジタル信号に変換す
るもので、サンプリング周期は、シャッタースピード換
算で１／１００００である。溶接良否判別装置４３は、
A/D変換器４２からのデジタル信号を電圧値Vとして時系
列順（溶接位置に対応）に表示するもので、表示画面に
は良否判定の基準値（閾値）も表示されている。尚、上
述した光センサ１５、アンプ４１、 A/D変換器４２、溶
接良否判別装置４３等で溶接状態判断手段を構成してい
る。

【００１６】次にかかる構成による作用について説明す
る。先ず、プラズマ光受光装置１０それ自身の光軸調整
について説明すると、レンズ１１の光軸は、光センサ１
５のそれと一致するように予め調整されている。又、ハ
ーフミラー１３、ミラー１４により分光されるプラズマ
光の光軸はビデオカメラ１６のそれとも一致するように
予め調整されている。従って、レンズ１１の光軸は光セ
ンサ１５及びビデオカメラ１６の光軸と一致しており、
溶接部６に対するレンズ１１の光軸をレンズ調整装置２
０によって調整すると、溶接部６に対する光センサ１５
及びビデオカメラ１６の光軸も同時に一対一に対応して
調整されることになる。

【００１７】尚、光センサ１５とビデオカメラ１６の上
記光軸調整も、モニタ３０を備えているので容易に行う
ことができる。即ち、先ず、プラズマ光受光装置１０が
受光するプラズマ光量の平均値が最大となるようにレン
ズ１１と光センサ１５の光軸を合致させる。次に、光セ
ンサ１５とレンズ１１の光軸を合わせた状態で、今度は
モニタ３０の画面を見ながらハーフミラー１３、ミラー
１４の取付角度等を調整すると、容易にレンズ１１とビ
デオカメラ１６、従って、光センサ１５の光軸を合致さ
せることができる。

【００１８】又、フレーム５に対するトーチ３、アシス
トガスノズル４及びプラズマ光受光装置１０の取付調整
も略完了しており、トーチ３からのレーザ光によって溶
融する溶接部６に向け、適宜の角度、距離を存してノズ
ル４及びプラズマ光受光装置１０がフレーム５に取り付
けられている。このような状態で溶接装置１がワーク
２、２'を溶接することによって溶接部に発生するプラ
ズマ光は、減光フィルター１２によって減光されてレン
ズ１１に受光される。このプラズマ光は一部がハーフミ
ラー１３によって反射され、その後ミラー１４によって
反射され、ビデオカメラ１６によって撮像され、モニタ
ー３０に表示される。撮像されたプラズマ光がモニター
３０上の中心に位置しているか否かにより、プラズマ光
受光装置１０が適切な受光状態でプラズマ光を受光して
いるか否かが分かる。

【００１９】図２及び図３は、モニタ３０に表示された
プラズマ光の受光状態例を示す。まず、プラズマ光受光
装置１０がプラズマ光を適切に受光しているときのプラ
ズマ光の受光状態をモニタ３０で表示させた例を図２に
示す。図２に示すとおり、溶接部からのプラズマ光は、
モニタ３０の中央部にオーバレイされた基準フレーム３
０aに略重なってほぼ円形で写っている。このような基
準フレーム３０aとの位置関係でプラズマ光が受光され
ることにより、プラズマ光受光装置１０の光軸は適切に
プラズマ光発光部、即ち、溶接部に正しく向いており、
受光装置１０がプラズマ光を適切に受光していることを
示す。この場合は、プラズマ光受光装置１０の光軸をレ
ンズ調整装置２０で修正する必要はない。

【００２０】次に、プラズマ光受光装置１０がプラズマ
光を適切に受光していないときには、図３に示すとお
り、受光したプラズマ光は、モニタ３０の中央部の基準
フレーム３０aからかなりずれて写っている。このよう
な位置関係は、プラズマ光受光装置１０の光軸がプラズ
マ光発光部（溶接部）に適切に向いておらず、受光装置
１０がプラズマ光を適切に受光していないことを示す。
この場合は、後述するようにプラズマ光受光装置１０の
光軸をレンズ調整装置２０で修正して、プラズマ光の中
心がモニタ３０の基準フレーム３０aの中心と重なるよ
うに表示されるようにする。

【００２１】ここで、プラズマ光受光装置１０の光軸を
レンズ調整装置２０によって調整する方法について説明
する。図示しないロック機構を解除してレンズ調整装置
２０の角度調整機構２３を軸２５を中心として回動さ
せ、及び／又は機構２３に固定された回転台２２を支持
アーム２１の中心軸周りに回動させることにより、プラ
ズマ光受光装置１０の光軸の向きを３次元的に変えるこ
とができる。レンズ調整装置２０によってプラズマ光受
光装置１０の光軸調整を行い、プラズマ光の撮像の中心
がモニタ３０の中央部（基準フレーム３０aの中心）に
移動したら調整作業を終了する。このようなプラズマ光
受光装置１０の光軸調整は、頻繁に行う必要はないが、
モニタ３０の表示を監視して受光状態が悪化すれば、そ
の都度行えば良い。

【００２２】尚、長焦点距離レンズ１１を使用している
ので、モニタ３０にプラズマ光を大きく表示させること
ができ、かつプラズマ光受光装置１０の光軸がわずかに
ずれてもモニタ３０上のプラズマ光の表示位置が大きく
ずれるので、プラズマ光受光装置１０の光軸確認、修正
をより正確に行うことができる。かかるプラズマ光受光
装置１０の光軸調整が終了したならば、検出結果処理装
置４０によって、溶接良否の判断を行う。具体的には、
前述した通り、光センサ１５によって検出されたアナロ
グ検出値はアンプ４１によって増幅され、更にA/D変換
器４２によりデジタル検出値に変換される。このデジタ
ル検出値は、溶接位置ごとの（即ち、一定時間毎の）プ
ラズマ光量をサンプリングしたものであり、溶接良否判
断装置は、この値を画面に表示すると共に、基準閾値と
比較し、閾値以下の場合、その位置の溶接部を溶接不良
と判断する。

【００２３】ここで、溶接良否判別装置４３の処理内容
を図４に示す。図４は、横軸が溶接位置、縦軸がこの溶
接位置毎のプラズマ光強度のデジタル値を表す。図４に
おいて、プラズマ光強度が基準閾値を下回っている部分
（図４のa部分）に対応する溶接位置に異常があること
を示している。図５はこの検出結果に対応した溶接ビー
ドの形状を模式的に示した図であり、図５の溶接不良部
分（a部）と図４のプラズマ光強度の低い部分（図４のa
部分）とが対応していることが分かる。

【００２４】尚、上述の実施の形態とは異なり、レーザ
溶接トーチ３、アシストガスノズル４、及びプラズマ光
受光装置１０は、必ずしも同じフレームに取り付ける必
要はなく、トーチ３によって溶融される溶接部を自動的
にトレースすることが出来れば、別々の溶接部追従装置
に取り付けても良い。又、レーザ溶接トーチ３、アシス
トガスノズル４、プラズマ光受光装置１０を固定してワ
ーク２、２'を移動させても良い。

【００２５】更に、調整装置２０を手動で調整する代わ
りに自動調整装置を用いてプラズマ光受光装置１０の光
軸の向きをモニタ３０の基準フレーム３０aとの位置関
係に対応させて最適な向きに自動的に調整できるように
しても良い。この場合の自動調整装置のゲインは、A/D
変換器４２のサンプリング周期と比し、充分に小さい値
に設定する必要がある。

【００２６】更に又、ミラー１４を省略し、図中光セン
サ１５と垂直な方向であってハーフミラー１３による反
射光の光路上にビデオカメラ１６を設けても良い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように請求項１の発明装置
によれば、プラズマ光検出手段によって受光したプラズ
マ光の一部をモニタ手段で監視するとともにプラズマ光
検出手段によるプラズマ光の受光状態の良否を同時にモ
ニタできるので、溶接良否判定の信頼性を向上させるこ
とができる。

【００２８】又、請求項２の発明装置によれば、調整手
段によってプラズマ光検出手段の光軸を溶接位置に対し
て調整することができるため、モニタ手段によってプラ
ズマ光検出手段によるプラズマ光の受光状態が適当でな
いと判断した場合に、この受光状態を最適に修正するこ
とができ、レーザ溶接の品質検査装置の信頼性を更に向
上させることができる。

【００２９】更に、請求項３の発明装置によれば、プラ
ズマ光検出手段が長焦点距離を有するレンズを備えて構
成することにより、プラズマ光発光部、即ち、溶接部か
らレンズまでの距離を通常レンズ使用時の距離よりかな
り離すことができ、この構成により、溶接ヒューム、ス
パッタ等の汚れや熱に影響されない十分離れた距離にプ
ラズマ光検出手段を設置できるので、レーザ溶接の品質
検査装置の信頼性をより向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ溶接の品質検
査装置の概略構造を示す図である。

【図２】プラズマ光受光装置１０が適切な受光状態にあ
るとき、受光したプラズマ光を表示させたモニタ３０の
表示画面図である。

【図３】プラズマ光受光装置１０が不適切な受光状態に
あるとき、受光したプラズマ光を表示させたモニタ３０
の表示画面図である。

【図４】光センサ１５によるレーザ溶接不良の検出結果
例を示し、光センサ１５の出力電圧の時間変化を示すグ
ラフである。

【図５】レーザ溶接不良の部分を一部に含む図４に示す
結果に対応する溶接ビードのスケッチ図である。

【符号の説明】

２、２' ワーク ３ レーザ溶接トーチ ４ アシストガスノズル １０ プラズマ光受光装置 １１ 長焦点レンズ １５ 光センサ １６ ビデオカメラ ２０ レンズ調整装置 ３０ モニタ ４０ 検出結果処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｎ 21/71 Ｇ０１Ｎ 21/71 33/20 33/20 Ｐ Ｇ０７Ｃ 3/14 Ｇ０７Ｃ 3/14 (72)発明者 大森 正一 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 伊達 亮 東京都港区芝五丁目33番８号 三菱自動車 工業株式会社内 (72)発明者 石原 弘一 愛知県西春日井郡西春町大字沖村字岡１番 地 三洋機工株式会社内 (72)発明者 小播 利雄 愛知県西春日井郡西春町大字沖村字岡１番 地 三洋機工株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を被溶接物に照射して溶接を行
   うプラズマレーザ溶接の品質検査装置において、レーザ
   光が照射された溶接位置からのプラズマ光を受光するプ
   ラズマ光検出手段と、前記プラズマ光検出手段によって
   受光されたプラズマ光を分光しその一部によって該プラ
   ズマ光の受光状態の良否を判別するモニタ手段と、前記
   プラズマ光検出手段によって受光されたプラズマ光によ
   って溶接状態の良否を判断する溶接状態判断手段とを備
   えたレーザ溶接の品質検査装置。
2. 【請求項２】 プラズマ光検出手段は、その光軸を溶接
   位置に対して調整可能な調整手段を有することを特徴と
   する、請求項１に記載のレーザ溶接の品質検査装置。
3. 【請求項３】 前記プラズマ光検出手段は、溶接時に発
   生するスパッタが飛散し得ない位置で前記プラズマ光の
   受光が可能な長焦点距離を有するレンズを備えることを
   特徴とする、請求項１に記載のレーザ溶接の品質検査装
   置。