WO2016181695A1

WO2016181695A1 - 溶接装置および溶接品質検査方法

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Publication number: WO2016181695A1
Application number: PCT/JP2016/057424
Authority: WO
Inventors: 雅徳宮城
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2016-11-17
Also published as: EP3296052A4; US10821550B2; US20180099356A1; EP3296052B1; EP3296052A1; JPWO2016181695A1; JP6541778B2

Abstract

溶接装置（１００）は、レーザ光を出射するレーザ光照射部と、レーザ光照射により形成される溶融池（２１）からのプラズマ発光を受光して、分光スペクトル情報を取得する分光装置と、分光スペクトル情報に基づいて溶接部（１８）の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて溶接部の特性を推定する推定部と、を備えることで、溶接部の特性を適切に管理する。

Description

溶接装置および溶接品質検査方法

　本発明は、溶接装置、および溶接品質検査方法に関する。

　溶け込みの深い溶接が可能なレーザ溶接は、従来のアーク溶接と比較して精密にかつ高速に溶接が可能であるため、近年、利用が拡大している。一般的に、レーザ溶接は、材料の表面状態や成分、ワークのセッティング精度などの影響によって、溶け込み深さや溶融量が変化したり、割れやブローホールといった欠陥が生じたりする。

　レーザ溶接部における割れ、未溶着、溶け込み深さ不足などの溶接不良は、製品にとって致命的な欠陥となるので、不良の流出は避けなければならない。そのため、溶接品質を評価する方法として、溶融池において発生するプラズマ発光を検出し、溶け込み深さを監視する方法が提案されている。例えば、特許文献１に記載の装置では、レーザ光と波長の異なる物体光を溶接部に照射し、キーホールの底部で反射された物体光を光干渉計で受光することで、溶け込み深さを測定するようにしている。

日本国特開２０１２－２３６１９６号公報

　ところで、特許文献１では溶接品質として溶け込み深さを評価しているが、溶接する部材や用途によっては、溶け込み深さとは別の溶接品質の評価が必要とされる。例えば、溶接対象の材料がオーステナイト系ステンレス鋼の場合、高温割れを抑制する上でフェライト相の含有量が重要となる。

　本発明の第１の態様によると、溶接装置は、レーザ光を出射するレーザ光照射部と、レーザ光照射により形成される溶融池からのプラズマ発光を受光して、分光スペクトル情報を取得する分光装置と、分光スペクトル情報に基づいて溶接部の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて溶接部の特性を推定する推定部と、を備える。
　本発明の第２の態様によると、レーザ光により溶接する際の溶接品質検査方法は、溶融池に発生するプラズマ発光の分光スペクトル情報を取得し、その分光スペクトル情報に基づいて溶融池の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて溶接部の特性を推定する。

　本発明によれば、溶接部の特性を適切に管理することが可能となる。

図１は、第１の実施の形態における溶接装置の一例を示す模式図である。図２は、相関データを表に示したものである。図３は、溶融池の一例を示す模式図である。図４は、フェライト量および溶融池寸法を最適に維持するための制御フローを示す図である。図５は、希釈率と継ぎ手強度との関係の一例を示す図である。図６は、希釈率および溶融池寸法を最適に維持するためのフィードバック制御フローを示す図である。図７は、希釈率と硬さとの関係の一例を示す図である。図８は、溶接金属中のＮｉ量と飽和磁化との関係の一例を示す図である。図９は、Ｎｉ量および溶融池寸法を最適に維持するためのフィードバック制御フローを示す図である。

　以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
－第１の実施の形態－
　図１は、第１の実施の形態における溶接装置の一例を示す模式図である。溶接装置１００は、レーザ発振器１、集光光学系であるレーザヘッド３、分光装置５、溶接機制御部８、溶加材供給機１１、溶融池観察カメラ１９、加工テーブル１３、溶加材供給ノズル１０、シールドガスノズル１６等を備えている。

　レーザ発振器１で生成されたレーザ光は、光ファイバ２を通じてレーザヘッド３に伝送される。レーザヘッド３で集光されたレーザ光４は、加工テーブル１３の上に載置された溶接対象物１７に照射される。加工テーブル１３はｘ方向およびｙ方向に移動可能であり、加工テーブル１３を移動させることで、溶接対象物１７上においてレーザ光４を走査することができる。なお、加工テーブル１３に対してレーザヘッド３を移動させることで、レーザ光４を走査するようにしても良い。

　溶接対象物１７上には、レーザ光４の照射によって溶融池２１が形成される。溶融池２１には、溶加材供給機１１から送給された溶加材９が、溶加材供給ノズル１０を通じて供給される。また、シールドガスノズル１６からは、溶融池２１に向かってシールドガス１５が吹き付けられる。レーザ発振器１、溶加材供給機１１、加工テーブル１３は、それぞれ信号ケーブル７，１２，１４により溶接機制御部８に接続されており、溶接機制御部８からの信号により動作する。

　分光装置５および溶融池観察カメラ１９は、レーザヘッド３に設けられている。レーザヘッド３には、レーザ発振器１からのレーザ光を透過し、それ以外の波長の光を分光装置５へ反射する光学系が設けられている。そのため、溶融池２１で生成されたプラズマ光は、レーザヘッド３を通じてレーザ光４と同軸で分光装置５に導光される。分光装置５で得られたプラズマ光に関する分光情報（スペクトル強度）は、光センサ用信号ケーブル６を通じて溶接機制御部８に送られる。また、溶融池観察カメラ１９は、レーザ光４と同軸で溶融池２１を観察する。溶融池画像情報は、溶融池観察カメラ用ケーブル２０を通じて溶接機制御部８に送られる。

　本実施の形態では、溶接対象物１７はＶ字に開先を取った３０４オーステナイト系ステンレス鋼とする。溶加材９には母材よりもＣｒ量が多い３０４オーステナイト系ステンレス鋼が用いられ、その形状はワイヤとした。また、レーザ光４は、波長が約1030nmのディスクレーザとした。シールドガス１５は窒素ガスとした。一般に、３０４ステンレス鋼を溶接する場合には、ポロシティ抑制の観点からシールドガス１５に窒素ガスを用いることが多い。これは、窒素ガスは溶接金属に吸収されるため、ポロシティになりにくいためである。しかしながら、窒素はオーステナイト安定化元素であるため、窒素を多量に固溶した場合、溶接部１８の組織はオーステナイト相が安定化され、フェライト相がほとんど生成されなくなる。フェライト相はリンや硫黄などの高温割れを誘発する不純物を多く固溶するため、高温割れを抑制する観点から、フェライト相を５～１０％程度含むようにすることが重要となる。

　そこで、本実施形態では、分光装置５で得られた分光情報に基づいて、溶接部１８の特性を推定するような構成とした。溶接機制御部８では、分光装置５からの分光情報と事前に取得した参照用分光情報とを比較することで、溶接部１８の特性（溶接金属の組成）を算出することができる。本実施形態では溶融池２１に溶加材９を加えているので、溶接部１８の成分は溶接対象物１７の成分とは異なり、溶接部１８の特性や状態を知るためには有用な情報となる。

　溶接部１８のフェライト量（フェライト相の％）、すなわち溶接金属中のフェライト量は、冷却速度、温度勾配などの凝固条件と成分によって決まる。溶接条件が一定であれば凝固条件はおおむね一定になると仮定すると、成分がわかればフェライト量を推定することが可能である。溶接金属中のフェライト量を推定する方法としては、一般的に、組織図（例えば、シェフラーの組織図）より推定する方法が知られている。組織図を用いる方法では、分光測定により得られた溶接金属の組成から、オーステナイト生成元素（C，Mn，Ni，N）の指数をNi当量、フェライト生成元素（Cr，Mo，Si，Nb）の指数をCr当量として数値計算し、組織図にあてはめてフェライト量を推定する。

　このようなフェライト量の推定を、溶接機制御部８にて行う。フェライト量と高温割れとの間には相関がある。図２は、上述した条件の溶接における相関データを示したものである。このようなフェライト量と高温割れとの相関データを溶接機制御部８に予め保持しておくことで、フェライト量の推定による高温割れの推定が可能となる。図２によれば、フェライト量が3.8%以上では高温割れが抑制されており、本実施形態におけるレーザ溶接では、フェライト量を3.8%以上にすればよいことがわかる。

　また、高温割れはＳ（硫黄）、Ｐ（リン）などの微量不純物元素に大きく影響を受ける。そのため、溶接前に本手法により溶接対象物１７の成分検出を行うことで、微量元素とフェライト量の関係から高温割れの推定が可能となる。すなわち、Ｓ，Ｐ量とフェライト量に対する高温割れ感受性を評価することでより高精度に高温割れをインプロセスで推定することができる。また、溶接後に溶接部１８にレーザ光を照射して、溶接部１８が設定どおりの組成となっているかを確認するようにしても良い。

　また、成分情報だけでは、実際にどの程度溶融したのか知ることは難しい場合がある。溶接部１８の体積が極端に低くても成分が所定の範囲内に収まっていれば、高温割れに関してはＯＫと判定されることになる。しかし、所望寸法の溶接部１８は得られていないことになる。そこで、本実施の形態では溶融池観察カメラ１９を設けて、溶融池２１の寸法を測定するようにした。なお、本実施の形態では、溶融池観察カメラ１９にＣＣＤカメラを用いたが、これに限定されない。

　図３は溶融池２１の一例を示す模式図である。溶融池２１のレーザ光４が照射される位置にはキーホール２２が形成される。レーザ光４は集光系によって集光され、微少な領域（加工点）にエネルギーが集中する。そのため、加工点の溶融金属は激しく蒸発し、その反力で溶融池２１に凹み（穴）ができる。この凹みをキーホールと呼ぶ。図３に示す例では、溶接方向は矢印で示す方向（図示上方向）である。符号Ｌ１は溶融池２１の幅寸法を示しており、符号Ｌ２は溶融池２１の長さ寸法を示している。

　溶接機制御部８は、溶融池観察カメラ１９による溶融池画像情報から溶融池２１の幅寸法Ｌ１および長さ寸法Ｌ２を算出する。溶接部１８の寸法は、溶融池２１の幅寸法Ｌ１および長さ寸法Ｌ２から推定することができる。溶接機制御部８の記憶部（不図示）には、健全な溶接における溶融池２１に幅寸法と長さ寸法の範囲が予め記憶されている。溶接機制御部８は、溶融池観察カメラ１９の溶融池画像情報から溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を算出し、それらを健全な溶接の場合の寸法範囲と比較することで、溶接部１８の良否（健全性）を評価することができる。

　なお、溶接部１８の健全性は溶融池２１の範囲の大きさで評価されるが、ここでは溶融池２１の範囲の大きさの指標として幅寸法Ｌ１および長さ寸法Ｌ２を採用したが、例えば、溶融池画像情報から溶融池２１の面積を推定し、その面積の大きさから溶接部１８の健全性を評価しても良い。

　また、得られたフェライト量の情報および溶融池寸法に基づいて、レーザ出力、溶接速度（レーザ光の走査速度）、溶加材供給量を逐次制御することで、フェライト量および溶融池寸法を適正化することができる。

　図４は、フェライト量および溶融池寸法を最適に維持するための制御フローを示す図である。この制御処理は溶接機制御部８において実行され、溶接開始により処理が開始される。ステップＳ１０では、プラズマ光の分光情報と溶融池２１の溶融池画像情報とに基づいて、フェライト量および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。ステップＳ２０では、ステップＳ１０で推定されたフェライト量および寸法Ｌ１，Ｌ２が、それぞれ基準範囲内にあるか否かを判定する。

　ステップＳ２０において、フェライト量および寸法Ｌ１，Ｌ２が基準範囲内である場合にはステップＳ３０へ進み、フェライト量および寸法Ｌ１，Ｌ２少なくとも一方が基準範囲内でない場合にはステップＳ２２へ進む。ステップＳ３０では、溶接終了信号を受信したか否かを判定し、受信しない場合にはステップＳ１０へ戻る。一方、溶接終了信号を受信すると、一連の処理を終了する。

　一方、ステップＳ２０からステップＳ２２に進んだ場合には、基準外（エラー）となっている要素が、フェライト量のみか、寸法のみか、フェライト量および寸法の両方なのかを判定する。すなわち、フェライト量のエラー、寸法エラー、フェライト量および寸法エラーのいずれかに分類し、それぞれのエラーに応じて、溶接条件を調整する。

　フェライト量エラーのみの場合にはステップＳ２４に進み、溶加材９のワイヤ供給量を所定量だけ調整する。上述したように溶加材９には母材よりもＣｒ量が多い３０４オーステナイト系ステンレス鋼が用いられており、ワイヤ供給量を増加させるとフェライト量は増加し、ワイヤ供給量を減少させるとフェライト量は減少する。

　一方、寸法エラーのみの場合には、レーザ出力または溶接速度（レーザ光４の走査速度）を所定量だけ調整することで、溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を調整する。レーザ出力を低下させるか溶接速度を増加させることにより寸法Ｌ１，Ｌ２は小さくなり、逆に、レーザ出力を増加させるか溶接速度を低下させることで寸法Ｌ１，Ｌ２は大きくなる。

　また、フェライト量および寸法の両方とも基準外であった場合には、最初に、レーザ出力または溶接速度を所定量だけ調整して、溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を調整する。その後、フェライト量を調整するために、ワイヤ供給量を所定量だけ調整する。

　ステップＳ２４，Ｓ２６，Ｓ２８の処理が終了したら、ステップＳ１０へ戻って、調整後におけるフェライト量および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。そして、再びステップＳ２０において、フェライト量および寸法Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ基準範囲内にあるか否かを判定する。フェライト量および寸法Ｌ１，Ｌ２のいずれかにエラーがある場合には再びステップＳ２２に進んで、調整処理を行う。一方、調整によりエラーが解消された場合には、ステップＳ３０へ進む。

　このように、ステップＳ２４，Ｓ２６，Ｓ２８のいずれに進んだ場合においても、調整後もエラーが存在する場合には、エラーの分類から溶接条件のフィードバック制御を繰り返す仕組みとなっている。本実施の形態ではフィードバック制御にはＰＩＤ制御を用い、事前に所望の溶接となるフェライト量および溶融池寸法の範囲を設定し、その範囲内に収まるようにフィードバック制御を行うようにした。なお、フィードバック制御にＰＩＤ制御を用いたが、制御方法はこれに限らない。また、レーザ光４としてディスクレーザを用いたが、これに限らない。

　以上説明したように、溶接装置１００は、レーザ光４を出射するレーザヘッド３と、レーザ光照射により形成される溶融池２１からのプラズマ発光を受光して、分光スペクトル情報を取得する分光装置５と、分光スペクトル情報に基づいて溶接部１８の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて溶接部１８の特性を推定する溶接機制御部８と、を備えている。例えば、溶接対象物１７であるオーステナイト系ステンレス鋼を、溶加材を供給しつつ溶接する場合、分光スペクトル情報に基づいて溶接金属中のフェライト量を推定し、そのフェライト量に基づいて溶接部１８の高温割れ特性（図２参照）を推定する。このように、分光スペクトル情報に基づいて溶接部１８の特性を推定しているので、その結果を用いて、溶接部１８の特性の良否判定や、溶接部１８の特性をインプロセスで適切に管理することが可能となる。

　一方、特許文献１に記載の従来の溶接装置では、干渉計を用いて溶け込み深さ（キーホールの深さ）を計測しているが、本実施形態のように分光情報に基づく溶接部の特性（高温割れ特性）を推定していない。なお、特許文献１にも、分光器によりプラズマ光を計測して溶接部の材料を推定することが記載されている。しかし、この推定情報は溶け込み深さを適切に制御するために利用しているだけであって、本実施の形態のように溶接された部分の特性を推定するものではない。そのため、本実施の形態のように、溶接部の品質を多面的に評価することができない。

　さらに、溶接部１８における溶融池２１の大きさ（例えば、図３の寸法Ｌ１およびＬ２）を計測する計測部として、溶融池観察カメラ１９を備えても良い。そして、分光スペクトル情報に基づく溶接部１８の特性の推定に加えて、溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２が、健全な溶接状態と判定できる寸法範囲に入っているか否かで、溶接部１８の健全性を推定する。さらに、分光スペクトル情報に対して溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を参考にすることで、溶接部の高温割れ特性をより高精度に予測できる。例えば、溶融池２１の寸法が大きい場合には凝固時より多くの熱応力が発生するため、高温割れが発生しやすい。溶融池２１の寸法と組み合わせることで、より高精度に溶接部１８の特性を推定することが可能となる。

　また、溶融池２１の大きさおよびフェライト量がそれぞれ所定設定範囲となるように、レーザ溶接時の溶加材供給量と、レーザ出力またはレーザ光の走査速度とを制御するようにしても良い。溶接機制御部８においてこのような制御を行うことで、溶接部の品質の確保を自動的に行うことができる。

－第２の実施の形態－
　上述した第１の実施形態では、３０４オーステナイト系ステンレス鋼を溶接する際のフェライト量の推定を行う場合を例に説明した。第２の実施の形態では、異材溶接における適用例を説明する。以下では、純Ｃｕと純Ａｌとを溶接する場合を例に説明するが、これに限らず、溶接対象物が、例えば銅または銅合金、アルミまたはアルミ合金、鉄鋼材料、ニッケルまたはニッケル合金、コバルトまたはコバルト合金、クロムまたはクロム合金のいずれかの組み合わせであっても適用できる。

　溶接装置の構成は図１に示したものと同様であり、ここでは説明を省略する。ただし、本実施形態では、溶加材は使用せず、Ａｌ材を上側に配置した重ね溶接を実施した。Ｃｕ材とＡｌ材との異材溶接では、溶融部に非常に脆い金属間化合物が生成され、それが継ぎ手強度を低下させる。そのため、金属間化合物の量を制御する必要がある。そこで、本実施の形態では、溶接条件を変化させて溶接試験を行って、予め溶接部の希釈率と継ぎ手強度との関係を取得し、それを溶接機制御部８の記憶部に記憶させておくようにした。

　図５は、希釈率と継ぎ手強度との関係を示したものである。横軸は溶融池２１におけるＣｕの割合を示す希釈率（％）を表す。この希釈率は、分光装置５で得られた分光情報に基づいて推定される。溶接機制御部８には、Ｃｕに相当する分光スペクトルの強度と希釈率との関係（すなわち、図５に示す関係）が予め参照分光情報として記憶されている。そして、溶接機制御部８は、計測されたＣｕに相当する分光スペクトルの強度と参照分光情報とを比較し、希釈率を推定する。

　図５に示すように、溶接金属へのＣｕの混入量が増加すると継ぎ手強度が低下し、希釈率が５％程度以上になると大きく低下することがわかる。上述したように、分光情報から希釈率が推定されると、その推定値と図５の関係とから溶接部１８の強度（すなわち、溶接部１８の特性）を推定することができる。また、第１の実施の形態の場合と同様に、溶融池観察カメラ１９の画像情報から溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を求め、それらの寸法と基準寸法（健全な溶接の場合の寸法範囲）とを比較して溶接部１８の健全性を推定することができる。

　また、第１の実施の形態の場合と同様に、推定結果を利用して、溶接品質へのフィードバック制御を行うことができる。図６は、希釈率および溶融池寸法を最適に維持するためのフィードバック制御フローを示す図である。溶接機制御部８には、希釈率の管理基準値および溶融池寸法範囲が予め記憶されている。例えば、図５のデータから、希釈率５％が管理基準値として記憶されている。基本的な制御思想は第１の実施形態と同様であるが、本実施形態では溶加材を使用していないため、希釈率の調整はレーザ出力の調整により実施するようにした。

　ステップＳ１１０では、プラズマ光の分光情報と溶融池２１の溶融池画像情報とに基づいて、希釈率および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。ステップＳ１２０では、ステップＳ１１０で推定された希釈率が管理基準値以下か否か、および、寸法Ｌ１，Ｌ２が基準範囲内にあるか否かを判定する。

　ステップＳ１２０において、希釈率および寸法Ｌ１，Ｌ２が管理基準値以下および基準範囲内である場合にはステップＳ１３０へ進み、希釈率および寸法Ｌ１，Ｌ２少なくとも一方が管理基準値以下または基準範囲内でない場合にはステップＳ１２２へ進む。ステップＳ１３０では、溶接終了信号を受信したか否かを判定し、受信しない場合にはステップＳ１１０へ戻る。一方、溶接終了信号を受信すると、一連の処理を終了する。

　一方、ステップＳ１２０からステップＳ１２２に進んだ場合には、基準外（エラー）となっている要素が、希釈率のみか、寸法のみか、希釈率および寸法の両方なのかを判定する。すなわち、希釈率のエラー、寸法エラー、希釈率および寸法エラーのいずれかに分類し、それぞれのエラーに応じて、溶接条件を調整する。

　希釈率エラーのみの場合にはステップＳ１２４に進み、レーザ出力を所定量だけ調整する。レーザ出力を増加させると、下側の溶接対象物であるＣｕ材の溶融量が増加して希釈率が増加する。逆に、レーザ出力を低下させると希釈率が低下する。一方、寸法エラーのみの場合、希釈率および寸法の両方とも基準外であった場合のいずれの場合においても、レーザ出力または溶接速度（レーザ光４の走査速度）を所定量だけ調整することで、希釈率の調整や、溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２の調整を行う。

　ステップＳ１２４，Ｓ１２６，Ｓ１２８の処理が終了したら、ステップＳ１１０へ戻って、調整後における希釈率および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。そして、再びステップＳ１２０において、希釈率および寸法Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ基準範囲内にあるか否かを判定する。希釈率および寸法Ｌ１，Ｌ２のいずれかにエラーがある場合には再びステップＳ１２２に進んで、調整処理を行う。一方、調整によりエラーが解消された場合には、ステップＳ１３０へ進む。

　このように、ステップＳ１２４，Ｓ１２６，Ｓ１２８のいずれに進んだ場合においても、調整後もエラーが存在する場合には、エラーの分類から溶接条件のフィードバック制御を繰り返す仕組みとなっている。本実施の形態においてもフィードバック制御にはＰＩＤ制御を用い、所望の溶接となる希釈率および溶融池寸法の範囲を設定し、その範囲内に収まるようにフィードバック制御を行うようにした。

　なお、上述した説明では、異材（Ａｌ材とＣｕ材）の重ね溶接における希釈率を推定して溶接部の強度を管理する場合を例に説明したが、異材溶接の形態はこれに限らない。例えば、硬さ１２０Ｈｖ程度のＳＳ４００材の上にステライト６を肉盛溶接した場合には、図７に示すように、ステライト６の割合により溶接部の硬さが変化する。このような場合にも、希釈率を推定して溶接部の硬さを管理することが可能である。

　以上のように、第２の実施形態では、材質の異なる溶接対象物１７を溶接する際に、溶接機制御部８は、分光スペクトル情報に基づいて溶接部１８における希釈率を推定し、その推定結果から溶接部１８の特性（高温割れ特性）を推定する。その結果、第１の実施の形態と同様に、溶融池２１の大きさから推定される溶接部１８の健全性に加えて、溶接部１８の高温割れ特性を管理することが可能となる。

－第３の実施の形態－
　第３の実施の形態では、局所的な磁性の制御を目的した肉盛溶接における適用例を説明する。そのような肉盛溶接の例としては、溶接対象物がマルテンサイト系ステンレス鋼またはフェライト系ステンレス鋼であって、磁性の制御を目的とする溶加材として、ニッケル・ニッケル合金のいずれかを用いる場合があげられる。以下では、溶接対象物１７として磁性を有するフェライト系ステンレス鋼を使用し、溶加材には純Ｎｉワイヤを用いた。

　溶接装置の構成は図１に示したものと同様であり、ここでは説明を省略する。溶接対象物１７は丸棒であり、丸棒に純Ｎｉを肉盛溶接する。純Ｎｉを肉盛溶接することで局所的に成分を変化させ、フェライト量を制御することで磁性を制御することができる。ここでは、局所的に低磁性化することを目的とした。

　図８は、溶接金属中のＮｉ量と飽和磁化（母材比）との関係の一例を示す図である。Ｎｉ量の増加に伴い飽和磁化が低下していることが、図８からわかる。この関係を用いることで、溶接金属中のＮｉ量をモニタリングすることで、溶接金属の磁性をインプロセスで管理することができる。本実施の形態では、溶接機制御部８の記憶部にＮｉ量と飽和磁化との関係を予め記憶させておき、分光情報に基づいてＮｉ量を推定することで溶接部の磁性（飽和磁化）を管理するようにした。Ｎｉ量と飽和磁化との関係は、溶接試験を行うことによって予め取得しておく。

　図９は、Ｎｉ量および溶融池寸法を最適に維持するためのフィードバック制御フローを示す図である。溶接機制御部８には、飽和磁化の管理基準値および溶融池寸法範囲が予め記憶されている。Ｎｉ量の調整は、ワイヤ供給量の調整により実施した。

　ステップＳ２１０では、プラズマ光の分光情報と溶融池２１の溶融池画像情報とに基づいて、Ｎｉ量および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。ステップＳ２２０では、ステップＳ２１０で推定されたＮｉ量が管理基準値以下か否か、および、寸法Ｌ１，Ｌ２が基準範囲内にあるか否かを判定する。

　ステップＳ２２０において、Ｎｉ量および寸法Ｌ１，Ｌ２が管理基準値以下および基準範囲内である場合にはステップＳ２３０へ進み、Ｎｉ量および寸法Ｌ１，Ｌ２少なくとも一方が管理基準値以下または基準範囲内でない場合にはステップＳ２２２へ進む。ステップＳ２３０では、溶接終了信号を受信したか否かを判定し、受信しない場合にはステップＳ２１０へ戻る。一方、溶接終了信号を受信すると、一連の処理を終了する。

　一方、ステップＳ２２０からステップＳ２２２に進んだ場合には、基準外（エラー）となっている要素が、Ｎｉ量のみか、寸法のみか、Ｎｉ量および寸法の両方なのかを判定する。すなわち、Ｎｉ量のエラー、寸法エラー、Ｎｉ量および寸法エラーのいずれかに分類し、それぞれのエラーに応じて、溶接条件を調整する。

　Ｎｉ量エラーのみの場合にはステップＳ２２４に進み、Ｎｉワイヤの供給量を所定量だけ調整する。ワイヤ供給量を増加させると溶接金属中のＮｉ量が増加し、ワイヤ供給量を低下させると溶接金属中のＮｉ量が低下する。一方、寸法エラーのみの場合、Ｎｉ量および寸法の両方とも基準外であった場合のいずれの場合においても、レーザ出力または溶接速度を所定量だけ調整することで、溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を調整する。

　ステップＳ２２４，Ｓ２２６，Ｓ２２８の処理が終了したら、ステップＳ２１０へ戻って、調整後におけるＮｉ量および溶融池２１の寸法Ｌ１，Ｌ２を推定する。そして、再びステップＳ２２０において、Ｎｉ量および寸法Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ管理基準値以下または基準範囲内にあるか否かを判定する。Ｎｉ量および寸法Ｌ１，Ｌ２のいずれかにエラーがある場合には再びステップＳ２２２に進んで、調整処理を行う。一方、調整によりエラーが解消された場合には、ステップＳ２３０へ進む。

　このように、ステップＳ２２４，Ｓ２２６，Ｓ２２８のいずれに進んだ場合においても、調整後もエラーが存在する場合には、エラーの分類から溶接条件のフィードバック制御を繰り返す仕組みとなっている。本実施の形態においてもフィードバック制御にはＰＩＤ制御を用い、所望の溶接となるＮｉ量および溶融池寸法の範囲を設定し、その範囲内に収まるようにフィードバック制御を行うようにした。

　以上のように、第３の実施形態では、磁性材料の溶接対象物１７を、非磁性材料の溶加材を供給しつつ溶接する際に、溶接機制御部８は、溶接部１８における非磁性材料の量を推定し、その推定結果から溶接部１８の特性を推定する。その結果、第１の実施の形態と同様に、溶融池２１の大きさから推定される溶接部１８の健全性に加えて、溶接部１８の特性（飽和磁化）を管理することが可能となる。

　上記では、種々の実施の形態を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

　次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
　日本国特許出願２０１５年第９６３１９号（２０１５年５月１１日出願）

　１…レーザ発振器、３…レーザヘッド、４…レーザ光、５…分光装置、８…溶接機制御部、９…溶加材、１１…溶加材供給機、１３…加工テーブル、１６…シールドガスノズル、１７…溶接対象物、１８…溶接部、１９…溶融池観察カメラ、２１…溶融池、１００…溶接装置

Claims

　レーザ光を出射するレーザ光照射部と、
　レーザ光照射により形成される溶融池からのプラズマ発光を受光して、分光スペクトル情報を取得する分光装置と、
　前記分光スペクトル情報に基づいて溶接部の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて前記溶接部の特性を推定する推定部と、を備える溶接装置。
　請求項１に記載の溶接装置において、
　前記溶融池の大きさを計測する計測部を備え、
　前記推定部は、前記推定した特性と前記計測部の計測結果とに基づいて前記溶接部の良否を推定する、溶接装置。
　請求項２に記載の溶接装置において、
　溶接対象のオーステナイト系ステンレス鋼を、溶加材を供給しつつ溶接する際に、
　前記推定部は、前記分光スペクトル情報に基づいてフェライト量を推定し、そのフェライト量に基づいて前記溶接部の高温割れ特性を推定する、溶接装置。
　請求項３に記載の溶接装置において、
　前記溶融池の大きさおよび前記フェライト量がそれぞれ所定設定範囲となるように、レーザ溶接時の溶加材供給量と、レーザ出力またはレーザ光の走査速度とを制御する制御部を備える、溶接装置。
　請求項２に記載の溶接装置において、
　材質の異なる溶接対象を溶接する際に、
　前記推定部は、前記分光スペクトル情報に基づいて前記溶融池における希釈率を推定し、その希釈率に基づいて前記溶接部の強度特性を推定する、溶接装置。
　請求項５に記載の溶接装置において、
　前記溶融池の大きさおよび前記希釈率がそれぞれ所定設定範囲となるように、レーザ出力またはレーザ光の走査速度を制御する制御部を備える、溶接装置。
　請求項２に記載の溶接装置において、
　磁性材料の溶接対象を、非磁性材料の溶加材を供給しつつ溶接する際に、
　前記推定部は、前記分光スペクトル情報に基づいて非磁性材料の量を推定し、その非磁性材料の量に基づいて前記溶接部の飽和磁化を推定する、溶接装置。
　請求項７に記載の溶接装置において、
　前記溶融池の大きさおよび前記非磁性材料の量がそれぞれ所定設定範囲となるように、レーザ溶接時の溶加材供給量と、レーザ出力またはレーザ光の走査速度とを制御する制御部を備える、溶接装置。
　レーザ光により溶接する際の溶接品質検査方法であって、
　溶融池に発生するプラズマ発光の分光スペクトル情報を取得し、その分光スペクトル情報に基づいて前記溶融池の材料成分を推定し、その材料成分に基づいて溶接部の特性を推定する、溶接品質検査方法。
　請求項９に記載の溶接品質検査方法において、
　前記溶融池の大きさを計測し、その計測結果と前記推定した溶接部の特性と基づいて前記溶接部の溶接品質を推定する、溶接品質検査方法。