WO2021049610A1 - 溶接観察装置、溶接観察システム、および溶接観察方法 - Google Patents

Abstract

溶接観察装置は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置であって、少なくともアークの直下を含む溶融部位画像における、アークの直下の溶融池の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する溶接欠陥検知部を備える。

Description

溶接観察装置、溶接観察システム、および溶接観察方法

　本発明は、溶接観察装置、溶接観察システム、および溶接観察方法に関する。

　従来、溶接方法として、アーク溶接が多く利用されている。このようなアーク溶接では、溶接欠陥（例えば、母材の溶け残りによる融合不良、空気やガスを巻き込むことによるブローホール等）が生じると、溶接部位の破壊や強度低下の要因となるため、溶接部位の溶融状態を観察して、このような溶接欠陥の発生を抑制することが望ましい。

　例えば、下記特許文献１には、高画素ＣＣＤカメラで撮像された溶融部の画像から、溶接部のビード幅を検出し、該ビード幅が所定のビード幅を超えた場合、ビード幅の異常として検出する技術が開示されている。

特開２００８－２４６５３６号公報

　しかしながら、従来の技術では、溶融部位の画像から溶接欠陥の発生時に特有の事象を捉えることができず、よって、アーク溶接の溶融部位における溶接欠陥を高精度に検知することができなかった。

　一実施形態の溶接観察装置は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置であって、少なくともアークの直下を含む溶融部位画像における、アークの直下の溶融池の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する溶接欠陥検知部を備える。

　一実施形態によれば、溶融部位の画像からアーク溶接の溶融部位における溶接欠陥を高精度に検知することができる。

本発明の一実施形態に係る溶接システムの構成を示す図 本発明の一実施形態に係る溶接トーチが備えるノズルの概略構成図 本発明の一実施形態に係る溶接観察装置の機能構成を示すブロック図 本発明の一実施形態に係る溶接観察装置による処理手順を示すフローチャート 本発明の一実施形態に係る母材の溶接部位に設定される判定基準の一例を模式的に示す図 本発明の一実施形態に係る母材の溶接部位に設定される判定基準の他の一例を模式的に示す図 本発明の一実施形態に係る母材の溶接部位に形成されるアーク押下領域の一例を模式的に示す図 本発明の一実施形態に係る母材の溶接部位に形成されるアーク押下領域の一例を模式的に示す図 本発明の第１実施例に係る母材における溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図 本発明の第１実施例に係る母材における溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図 本発明の第１実施例に係る撮像装置によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図 本発明の第１実施例に係る撮像装置によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図 本発明の第２実施例に係る母材における溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図 本発明の第２実施例に係る母材における溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図 本発明の第２実施例に係る撮像装置によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図 本発明の第２実施例に係る撮像装置によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図

　以下、図面を参照して、一実施形態について説明する。なお、以降の説明では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向とし、Ｘ軸正方向を、溶接トーチ１１の進行方向とする。

　〔溶接システム１の構成〕
　図１は、本発明の一実施形態に係る溶接システム１の構成を示す図である。図１に示すように、溶接システム１は、溶接装置１０および溶接観察システム２０を備える。

　（溶接装置１０の構成）
　溶接装置１０は、２つの母材３０Ａ，３０Ｂをガスシールドメタルアーク溶接によって繋ぎ合わせる装置である。溶接装置１０は、溶接トーチ１１、溶接ワイヤ１２、電源装置１３、シールドガス供給装置１４、およびワイヤ送給装置１５を備える。

　シールドガス供給装置１４は、シールドガスを、溶接トーチ１１に供給する装置である。シールドガスは、溶接トーチ１１が備えるノズル１１Ａの先端から溶融部位に噴射されることにより、溶融部位を覆い、大気が溶融部位に侵入することを防ぐ。シールドガスには、ＣＯ２ガス、または、アルゴンガスとＣＯ２ガスとの混合ガスが用いられる。

　ワイヤ送給装置１５は、溶接ワイヤ１２を、溶接トーチ１１に自動的に送給する装置である。溶接ワイヤ１２としては、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ等を用いることができる。

　電源装置１３は、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアークを発生させるための溶接電流を、溶接ワイヤ１２に供給する装置である。電源装置１３は、一方の電極が２つの母材３０Ａ，３０Ｂの一方または双方と接続され、他方の電極が溶接トーチ１１に備えられたコンタクトチップ１１Ｂ（図２参照）に接続される。

　溶接トーチ１１は、ノズル１１Ａを有しており、ワイヤ送給装置１５から供給された溶接ワイヤ１２を、ノズル１１Ａの先端から溶融部位へ送給する。また、溶接トーチ１１は、シールドガス供給装置１４から供給されたシールドガスを、ノズル１１Ａの先端から溶融部位に向けて噴射する。また、溶接トーチ１１は、電源装置１３から供給された溶接電流を、ノズル１１Ａの先端から溶融部位へ送給される溶接ワイヤ１２に供給することにより、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアーク３２（図２参照）を発生させる。また、溶接トーチ１１は、ロボットアーム等の移動手段（図示省略）によって、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃ上を移動することにより、接合部３０Ｃを直線状に溶接可能となっている。接合部３０Ｃは、母材３０Ａの端面と母材３０Ｂの端面とが突き合わされた部分である。なお、ノズル１１Ａの具体的な構成については図２を用いて後述する。

　（ノズル１１Ａの構成）
　図２は、本発明の一実施形態に係る溶接トーチ１１が備えるノズル１１Ａの概略構成図である。図２に示すようにノズル１１Ａの筒内部には、コンタクトチップ１１Ｂおよびガス供給路１１Ｃが設けられている。

　コンタクトチップ１１Ｂは、金属製且つ筒状の部材である。コンタクトチップ１１Ｂには、例えば、銅素材が用いられる。ワイヤ送給装置１５から送給された溶接ワイヤ１２は、コンタクトチップ１１Ｂの筒内部を貫通して、コンタクトチップ１１Ｂの先端から、溶融部位へ送給される。コンタクトチップ１１Ｂは、電源装置１３の他方の電極と接続されており、これにより、電源装置１３から供給された溶接電流を、溶接ワイヤ１２に供給することができる。

　ガス供給路１１Ｃは、コンタクトチップ１１Ｂの周囲に設けられている。シールドガス供給装置１４から供給されたシールドガスは、ガス供給路１１Ｃを通って、ノズル１１Ａの先端から、溶融部位へ噴射される。

　このように構成された溶接装置１０では、溶接トーチ１１が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃ上を、当該接合部３０Ｃに沿って、当該接合部３０Ｃの延在する方向（図中矢印Ａ方向，Ｘ軸正方向）に移動する。この際、電源装置１３からコンタクトチップ１１Ｂを介して溶接ワイヤ１２に溶接電流が供給されることにより、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアーク３２が発生する。そして、アーク３２の発する高熱により、溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂが溶融し、溶融した溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂからなる溶融金属によって、アーク３２の直下を中心とする溶融池３４が形成される。そして、接合部３０Ｃに沿って、溶融金属が冷却されて凝固することにより、ビード３６が形成される。これにより、２つの母材３０Ａ，３０Ｂが溶接される。

　（溶接観察システム２０の構成）
　図１に示すように、溶接観察システム２０は、撮像装置２１、通信ケーブル２３、および溶接観察装置２４を備える。

　撮像装置２１は、「撮像手段」の一例であり、少なくともアーク３２の直下を含む溶融部位の画像（以下、「溶融部位画像」と示す）を撮像する。図１に示すように、撮像装置２１は、光学フィルタ２１Ａおよび撮像部２１Ｂを有する。なお、本実施形態では、アーク３２の発光領域（すなわち、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの接合部３０Ｃと間に発生したアーク３２が点弧される範囲）の直下の領域を、「アークの直下」と定義している。

　光学フィルタ２１Ａは、撮像部２１Ｂのレンズ面を覆うように設けられる。光学フィルタ２１Ａは、特定の波長帯域の光を透過させる。特定の波長帯域の光とは、アーク３２の直下の状態を容易に判別することが可能な溶融部位画像を撮像するために好適な波長帯域の光である。

　撮像部２１Ｂは、アーク３２の直下を撮像方向として設置され、光学フィルタ２１Ａを透過した特定の波長帯域の光を受光することにより、アーク３２の直下の状態（例えば、アーク光の状態、溶融池３４の状態等）を容易に判別することが可能な溶融部位画像を撮像する。例えば、撮像部２１Ｂは、レンズ、センサ（例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等）、画像処理プロセッサ等を備えて構成される。本実施形態では、撮像部２１Ｂは、溶融部位画像として、動画を撮像する。但し、これに限らず、撮像部２１Ｂは、溶融部位画像として、静止画を連続的に撮像してもよい。

　なお、本実施形態では、光学フィルタ２１Ａとして、中心透過波長を含む半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）が１０ｎｍ以下であるものを用いることができる。特に、本実施形態では、光学フィルタ２１Ａとして、中心透過波長が、６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍのいずれかであるものを用いることができる。これらの中心透過波長は、本発明の発明者らによって見出された好適なものである。

　このように、特定の中心透過波長を有する光学フィルタ２１Ａを用いることにより、撮像装置２１は、単に溶融部位画像を撮像するだけで（すなわち、外部光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりすることなく）、溶融部位におけるアーク３２の直下の溶融状態を容易に判別可能な、溶融部位画像を撮像できる。

　また、本実施形態では、撮像装置２１の好適な配置位置として、撮像装置２１を溶接トーチ１１の移動方向における前方（図中Ｘ軸正方向）または後方（図中Ｘ軸負方向）に配置することを定めている。図１は、撮像装置２１を溶接トーチ１１の移動方向における前方（図中Ｘ軸正方向）に配置する例を表している。また、本実施形態では、撮像装置２１による溶融部位に対する上方からの好適な撮像角度θとして、４０°～５０°の範囲内とすることを定めている。撮像角度θは、溶接トーチ１１が平面上を移動すると仮定した場合において、当該平面に対する上方からの俯角である。この撮像角度θも、本発明の発明者らによって見出された好適なものである。例えば、撮像角度θが５０°を超える場合、アーク３２の直下部分が溶接トーチ１１によって遮られてしまう虞がある。また、例えば、撮像角度θが４０°未満の場合、アーク３２の直下部分が母材３０Ａ，３０Ｂ等によって遮られてしまい、アーク３２の直下部分を観察できなくなる虞がある。

　なお、撮像装置２１は、溶接トーチ１１とともに移動するように構成されてもよい。この場合、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合であっても、撮像方向が変更されることなく、溶融部位に対する撮像角度θを４０°～５０°の範囲内に維持することができる。

　または、撮像装置２１は、溶接トーチ１１とともに移動しないように構成されてもよい。この場合、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合であっても、溶融部位に対する撮像角度θを４０°～５０°の範囲内に維持することができる場合、撮像方向が固定された状態のままであってもよい。

　一方、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合に、溶融部に対する撮像角度θを４０°～５０°の範囲内に維持することができなくなる場合、任意の撮像方向変更手段によって撮像方向が自動的に変更されることにより、溶融部に対する撮像角度θを４０°～５０°の範囲内に維持することが可能であってもよい。この場合、撮像方向変更手段は、例えば、撮像装置２１の位置と溶接トーチ１１の位置とに基づいて、所定の算出式や所定の変換テーブル等を用いて、撮像角度θを算出するようにしてもよい。

　通信ケーブル２３は、撮像部２１Ｂと溶接観察装置２４とを接続する。撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像の画像データは、通信ケーブル２３を介して、溶接観察装置２４へ送信される。なお、撮像部２１Ｂは、無線通信により、画像データを溶接観察装置２４へ送信するようにしてもよい。

　溶接観察装置２４は、撮像部２１Ｂから取得した溶融部位画像に対する各種処理を行う。例えば、溶接観察装置２４は、撮像部２１Ｂから取得した溶融部位画像を記憶したり、撮像部２１Ｂから取得した溶融部位画像を表示したりすることができる。また、溶接観察装置２４は、撮像部２１Ｂから取得した溶融部位画像に基づいて、溶接欠陥の発生を検知することができる。溶接観察装置２４としては、例えば、ＰＣ（Personal Computer）、サーバ装置等が用いられる。

　（溶接観察装置２４の機能構成）
　図３は、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４の機能構成を示すブロック図である。図３に示すように、溶接観察装置２４は、画像取得部３０１、判定基準設定部３０２、領域判定部３０３、気泡検出部３０４、溶接欠陥検知部３０５、および検知結果出力部３０６を備える。

　画像取得部３０１は、撮像部２１Ｂによって撮像された画像を取得する。例えば、画像取得部３０１は、溶接が行われる前に撮像部２１Ｂによって撮像された、母材３０Ａ，３０Ｂとの接合部Ｃが写し出されている画像を取得する。また、例えば、画像取得部３０１は、溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された、少なくともアーク３２の直下が写し出されている、複数のフレーム画像からなる動画を、溶融部位画像として取得する。

　判定基準設定部３０２は、溶接が行われる前に、画像取得部３０１によって取得される溶融部位画像に対する、所定の判定基準の画像範囲（位置および幅）をメモリに設定する。なお、本書において「画像範囲」とは、画像の二次元座標系における範囲を意味する。

　例えば、溶接が行われる前に、母材３０Ａと母材３０Ｂとの接合部３０Ｃに、判定基準となる幅４ｍｍの開先（図５参照）が形成されている場合、判定基準設定部３０２は、溶接が行われる前に、撮像部２１Ｂによって撮像された画像を取得し、その画像の二次元座標系における開先の位置および幅「４ｍｍ」を、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定する。

　この場合、例えば、判定基準設定部３０２は、公知の画像認識処理を用いて、画像の二次元座標系における開先の位置および幅を自動的に認識し、当該位置および幅を、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定してもよい。または、判定基準設定部３０２は、画像をディスプレイに表示させて、画像の二次元座標系における開先の範囲をユーザに手動で指定させて、指定された範囲の位置および幅を、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定してもよい。

　一方、溶接が行われる前に、母材３０Ａと母材３０Ｂとの接合部３０Ｃに、開先等の判定基準が形成されていない場合（例えば、図６に例示するように、垂直な母材３０Ａの端部と、水平な母材３０Ｂの端部とを突きあわせてＬ字状に接合する場合）、例えば、判定基準設定部３０２は、溶接が行われる前に、撮像部２１Ｂによって撮像された画像をディスプレイに表示させて、その画像の二次元座標系における判定基準とすべき範囲（例えば、図６に例示する隅肉部３０Ｅが形成されるべき範囲）をユーザに手動で指定させて、指定された範囲の位置および幅を、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定してもよい。

　なお、メモリに設定される所定の判定基準の画像範囲は、少なくとも、画像における所定の判定基準の位置および幅を特定可能であればよい。例えば、画像の２次元座標系における、所定の判定基準の中心の座標位置と、所定の判定基準の幅とを、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定してもよい。また、例えば、画像の２次元座標系における、所定の判定基準の左端部の座標位置と右端部の座標位置とを、所定の判定基準の画像範囲としてメモリに設定してもよい。

　領域判定部３０３は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像（溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された画像）において、アーク３２の直下の溶融池３４がアークによって押し下げられた領域（以下、「アーク押下領域」と示す）の画像範囲を判定する。例えば、領域判定部３０３は、公知の画像認識処理を用いて、溶融部位画像において所定の形状、色、輝度等を有する領域を、アーク３２の直下のアーク押下領域の画像範囲として判定する。アーク押下領域は、上方から見て、アーク３２が点弧される範囲と同じ範囲であり、概ね、溶接ワイヤ１２の直下を中心として、外側に広がる形状を有する、比較的高輝度な領域である。アーク押下領域は、アーク３２の熱によって母材３０Ａ，３０Ｂが溶融した直後の部分であり、母材３０Ａ，３０Ｂが溶融することによって、溶融池３４を形成する溶融金属が発生する部分であるとともに、アーク３２によって溶融金属が押し下げられる、溶融池３４の一部でもある。領域判定部３０３は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像から、このアーク押下領域が写し出されている画像範囲（二次元座標系における画像範囲）を判定する。

　気泡検出部３０４は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像において、アーク３２の直下の溶融池３４内の気泡を検出する。例えば、気泡検出部３０４は、溶融部位画像におけるアーク３２の直下の溶融池３４の画像範囲内に写し出されている白点画像を、気泡として検出する。白点画像とは、比較的高輝度であるために、白黒画像においてより白く写し出される点状の画像である。

　溶接欠陥検知部３０５は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像における、アークの直下の溶融池３４の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する。

　例えば、溶接欠陥検知部３０５は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像における、判定基準設定部３０２によって設定された所定の判定基準（例えば、開先等）の画像範囲と、領域判定部３０３によって判定されたアーク押下領域の画像範囲との位置関係に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する。例えば、溶接欠陥検知部３０５は、画像取得部３０１によって取得された溶融部位画像において、領域判定部３０３によって判定されたアーク押下領域の画像範囲の一方または双方の縁部が、判定基準設定部３０２によって設定された所定の判定基準の画像範囲内にある場合、溶接欠陥（融合不良）が発生したことを検知する。

　また、例えば、溶接欠陥検知部３０５は、気泡検出部３０４によって、溶融部位画像におけるアーク３２の直下の溶融池３４の画像範囲内から気泡が検出された場合、溶接欠陥（ブローホール）が発生したことを検知する。

　検知結果出力部３０６は、溶接欠陥検知部３０５によって溶接欠陥の発生が検知された場合、溶接欠陥の発生の検知結果を出力する。検知結果出力部３０６による出力方法は、如何なる出力方法によるものであってもよい。例えば、検知結果出力部３０６による出力方法としては、外部装置への送信、ディスプレイ表示、警告音出力、記憶装置への書き込み等が挙げられる。

　（溶接観察装置２４の処理手順）
　図４は、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４による処理手順を示すフローチャートである。

　まず、画像取得部３０１が、溶接が行われる前に、撮像部２１Ｂによって撮像された画像を取得する（ステップＳ４０１）。次に、判定基準設定部３０２が、ステップＳ４０１で取得された画像に基づいて、所定の判定基準の画像範囲を設定する（ステップＳ４０２）。

　そして、溶接が開始されると（ステップＳ４０３）、画像取得部３０１が、撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像を取得する（ステップＳ４０４）。次に、領域判定部３０３が、ステップＳ４０４で取得された溶融部位画像における、アーク３２の直下のアーク押下領域の画像範囲を判定する（ステップＳ４０５）。そして、気泡検出部３０４が、ステップＳ４０１で取得された溶融部位画像における、アーク３２の直下の溶融池３４の画像範囲内から、気泡を検出する（ステップＳ４０６）。

　そして、溶接欠陥検知部３０５が、ステップＳ４０５で判定されたアーク押下領域の画像範囲の一方または双方の縁部が、ステップＳ４０２で設定された所定の判定基準の画像範囲内にあるか否かを判断する（ステップＳ４０７）。

　ステップＳ４０７において、アーク押下領域の画像範囲の一方または双方の縁部が所定の判定基準の画像範囲内にあると判断された場合（ステップＳ４０７：Ｙｅｓ）、溶接欠陥検知部３０５が、溶接欠陥（融合不良）の発生を検知する（ステップＳ４０９）。そして、検知結果出力部３０６が、溶接欠陥の発生の検知結果を出力する（ステップＳ４１０）。その後、溶接観察装置２４は、図４に示す一連の処理を終了する。

　一方、ステップＳ４０７において、アーク押下領域の画像範囲の双方の縁部が所定の判定基準の画像範囲外にあると判断された場合（ステップＳ４０７：Ｎｏ）、溶接欠陥検知部３０５が、ステップＳ４０６で気泡が検出されたか否かを判断する（ステップＳ４０８）。

　ステップＳ４０８において、気泡が検出されたと判断された場合（ステップＳ４０８：Ｙｅｓ）、溶接欠陥検知部３０５が、溶接欠陥（ブローホール）の発生を検知する（ステップＳ４０９）。そして、検知結果出力部３０６が、溶接欠陥の発生の検知結果を出力する（ステップＳ４１０）。その後、溶接観察装置２４は、図４に示す一連の処理を終了する。

　一方、ステップＳ４０８において、気泡が検出されていないと判断された場合（ステップＳ４０８：Ｎｏ）、溶接観察装置２４は、ステップＳ４０４へ処理を戻す。

　（判定基準の一例）
　図５は、本発明の一実施形態に係る母材３０Ａ，３０Ｂの溶接部位に設定される判定基準の一例を模式的に示す図である。図５に示すように、いずれも水平な２つの母材３０Ａ，３０Ｂの端部同士を突きあわせて接合する場合、判定基準として、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃ（溶接ワイヤ１２の先端部分の直下）に形成される開先３０Ｄを用いることができる。この場合、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５は、溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像において、アーク押下領域の画像範囲の一方または双方の縁部が、開先３０Ｄの画像範囲の幅Ｗ１の範囲内にある場合、「溶接欠陥（融合不良）が生じている」と判定することができる。

　（判定基準の他の一例）
　図６は、本発明の一実施形態に係る母材３０Ａ，３０Ｂの溶接部位に設定される判定基準の他の一例を模式的に示す図である。図６に示すように、垂直な母材３０Ａの端部と、水平な母材３０Ｂの端部とを突きあわせてＬ字状に接合する場合、判定基準として、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃに形成される隅肉部３０Ｅを用いることができる。この場合、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５は、溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像において、アーク押下領域の画像範囲の一方または双方の縁部が、隅肉部３０Ｅの脚長の画像範囲の幅Ｗ１の範囲内にある場合、「溶接欠陥（融合不良）が生じている」と判定することができる。

　（アーク押下領域の一例）
　図７は、本発明の一実施形態に係る母材３０Ａ，３０Ｂの溶接部位に形成されるアーク押下領域の一例を模式的に示す図である。図７Ａは、母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃにおける溶融部位の周辺の状態を、溶接の進行方向（Ｘ軸正方向）に対する側方（Ｙ軸負方向）から表している。図７Ｂは、母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃにおける溶融部位の状態を、溶接の進行方向（Ｘ軸正方向）から表している。

　図７Ａに示すように、本実施形態では、アーク３２の発光領域の直下の領域（すなわち、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの接合部３０Ｃと間に発生したアーク３２が点弧される範囲）を、「アークの直下」と定義している。したがって、本実施形態では、溶接欠陥の検出に用いられる「溶融部位画像」として、少なくとも、この「アークの直下の領域」を含む画像を用いている。

　図７Ｂに示すように、アーク３２の発光領域の直下においては、アーク３２の熱で母材３０Ａ，３０Ｂが溶融することにより発生する溶融金属によって溶融池３４が形成されつつ、溶融池３４の一部（アーク３２が点弧されている部分）がアーク３２によって押し下げられることにより、溶融池３４のアーク押下領域３４Ａが形成される。したがって、アーク押下領域３４Ａは、上方から見て、アーク３２点弧される範囲と同じ範囲である。

　溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５は、溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像において、このアーク押下領域３４Ａの画像範囲の幅Ｗ２の一方または双方の縁部が、所定の判定基準（例えば、図５に示す開先３０Ｄ、図６に示す隅肉部３０Ｅ等）の画像範囲の幅Ｗ１の範囲内にある場合、「溶接欠陥（融合不良）が生じている」と判定する。アーク押下領域３４Ａの画像範囲の幅Ｗ２の一方または双方の縁部が、所定の判定基準の画像範囲の幅Ｗ１の範囲内にある場合、アーク３２の幅方向における発生位置が適切でなかったり、アーク３２の幅方向における大きさが適切でなかったりする可能性が高く、このような場合に、溶接欠陥（融合不良）が生じ易いことが、発明者らによって見出されているためである。

　また、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５は、溶接が行われているときに撮像部２１Ｂによって撮像された溶融部位画像において、アーク３２の直下の溶融池３４の画像範囲内から気泡が検出された場合「溶接欠陥（ブローホール）が生じている」と判定する。アーク３２の直下の溶融池３４内に気泡が発生している場合、溶接欠陥（ブローホール）が生じている可能性が高いことが、発明者らによって見出されているためである。

　〔第１実施例〕
　以下、図８および図９を参照して、一実施形態に係る溶接システム１の第１実施例を説明する。この第１実施例では、実施形態で説明した溶接システム１を用いて、溶接装置１０が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの溶接を行い、その際、撮像装置２１が、溶融部位画像（動画）を撮像することにより、溶接部位を観察した。そして、溶接観察装置２４によって、溶融部位画像に基づいて溶接欠陥（融合不良）が正しく検知されるかを検証した。

　（溶接条件）
　本実施例に用いた溶接条件は以下のとおりである。

　　材質　　　　：ＳＭ４９０Ａ
　　継手形状　　：突きあわせ（開先あり。図５参照）
　　開先幅　　　：４ｍｍ
　　電源モード　：ＤＣ　パルス無しモード
　　溶接ワイヤ　：ＹＧＷ１１（φ１．２ｍｍ）
　　突出し長　　：２０ｍｍ
　　シールドガス：Ａｒ＋２０％ＣＯ２（２０Ｌ／ｍｉｎ）
　　電流　　　　：３００Ａ
　　電圧　　　　：３０Ｖ
　　溶接速度　　：３０ｃｍ／ｍｉｎ

　（撮像条件）
　本実施例に用いた撮像条件は以下のとおりである。

　　カメラ　　　　：高速度カメラ
　　フレームレート：１０００ｆｐｓ
　　フィルタ　　　：バンドパスフィルタ
　　観察方向　　　：前方
　　撮像角度θ　　：４５°

　（検証結果）
　図８は、本発明の第１実施例に係る母材３０Ａ，３０Ｂにおける溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図である。図８Ａは、上方から見た溶接部位の全体（開始位置から終了位置まで）を表しており、図８Ｂは、図８Ａに示す溶接部位の一部を拡大して表している。

　図８に示すように、溶接部位における開始位置近傍において、母材３０Ａ，３０Ｂの溶け残りによる線状の融合不良が確認された。溶接の開始時および終了時には、溶融池３４が滞留し易く、母材３０Ａ，３０Ｂを十分に溶かすことが困難であるため、このような融合不良が生じ易い。

　図９は、本発明の第１実施例に係る撮像装置２１によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図である。図９Ａに示す画像９０１は、実際に溶融部位に溶接欠陥（母材の溶け残りによる融合不良）が生じているときに撮像された溶融部位画像である。一方、図９Ｂに示す画像９０２は、溶融部位に溶接欠陥が生じていないときに撮像された溶融部位画像である。

　図９Ｂに示すように、溶融部位に溶接欠陥が生じていないときには、画像９０１において、アーク押下領域３４Ａの画像範囲の幅Ｗ２の両縁部は、所定の判定基準の画像範囲の幅Ｗ１の外側にある。この場合、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５により、「溶接欠陥が生じていない」と正しく判定できることが確認された。

　一方、図９Ａに示すように、溶融部位に溶接欠陥（融合不良）が生じているときには、画像９０２において、アーク押下領域３４Ａの画像範囲の幅Ｗ２の一方または双方の縁部が、所定の判定基準の画像範囲の幅Ｗ１の内側にある。この場合、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５により、「溶接欠陥（融合不良）が生じている」と正しく判定できることが確認された。

　〔第２実施例〕
　以下、図１０および図１１を参照して、一実施形態に係る溶接システム１の第２実施例を説明する。この第２実施例では、実施形態で説明した溶接システム１を用いて、溶接装置１０が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの溶接を行い、その際、撮像装置２１が、溶融部位画像（動画）を撮像することにより、溶接部位を観察した。そして、溶接観察装置２４によって、溶融部位画像に基づいて溶接欠陥（ブローホール）が正しく検知されるかを検証した。なお、本実施例に用いた溶接条件および撮像条件は、第１実施例と同じである。

　（検証結果）
　図１０は、本発明の第２実施例に係る母材３０Ａ，３０Ｂにおける溶接後の溶接部位の状態の一例を示す図である。図１０Ａは、上方から見た溶接部位の全体（開始位置から終了位置まで）を表しており、図１０Ｂは、図１０Ａに示す溶接部位の一部を拡大して表している。

　図１０に示すように、溶接部位における開始位置と終了位置との中間位置において、空気やガスを巻き込むことによる点状のブローホールが確認された。

　図１１は、本発明の第２実施例に係る撮像装置２１によって撮像された溶融部位画像の一例を示す図である。図１１Ａおよび図１１Ｂに示す画像７０３ａ～７０３ｈは、実際に溶融部位に溶接欠陥（ブローホール）が生じているときに、撮像装置２１によって連続的に撮像された溶融部位画像である。

　図１１に示すように、溶融部位に溶接欠陥（ブローホール）が生じているときには、画像７０３ａ～７０３ｈにおける溶融池３４の画像範囲内に、点状且つ高輝度の気泡３４Ｂが写し出されている。この場合、溶接観察装置２４の溶接欠陥検知部３０５によって、「溶接欠陥（ブローホール）が生じている」と正しく判定できることが確認された。

　以上説明したように、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置２４であって、少なくともアーク３２の直下を含む溶融部位画像における、アーク３２の直下の溶融池３４の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する溶接欠陥検知部３０５を備える。

　これにより、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４は、溶融部位画像から、実際に溶接欠陥が発生した場合に特有の事象を捉えることができる。したがって、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４によれば、溶融部位画像からアーク溶接の溶融部位における溶接欠陥を高精度に検知することができる。

　また、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４において、溶接欠陥検知部３０５は、溶融部位画像において、所定の判定基準の画像範囲と、アーク押下領域３４Ａの画像範囲との位置関係に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する。

　これにより、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４は、溶融部位画像における、所定の判定基準の画像範囲とアーク押下領域３４Ａの画像範囲との位置関係から、実際に溶接欠陥が発生した場合に特有の事象を捉えることができる。したがって、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４によれば、溶融部位画像からアーク溶接の溶融部位における溶接欠陥を高精度に検知することができる。

　また、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４において、溶接欠陥検知部３０５は、溶融部位画像において、アーク押下領域３４Ａの画像範囲の少なくとも一方の縁部が、所定の判定基準の画像範囲内にある場合、溶接欠陥（融合不良）が発生したことを検知する。

　これにより、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４は、溶融部位画像における、所定の判定基準の画像範囲とアーク押下領域３４Ａの画像範囲との位置関係から、実際に融合不良が発生した場合に特有の事象を捉えることができる。したがって、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４によれば、溶融部位画像からアーク溶接の溶融部位における融合不良を高精度に検知することができる。

　また、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４において、溶接欠陥検知部３０５は、溶融部位画像において、溶融池３４の画像範囲内から気泡３４Ｂが検出された場合、溶接欠陥（ブローホール）が発生したことを検知する。

　これにより、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４は、溶融部位画像から、実際にブローホールが発生した場合に特有の事象を捉えることができる。したがって、本発明の一実施形態に係る溶接観察装置２４によれば、溶融部位画像からアーク溶接の溶融部位におけるブローホールを高精度に検知することができる。

　以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。

　本国際出願は、２０１９年９月１３日に出願した日本国特許出願第２０１９－１６６９４５号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

　１　溶接システム
　１０　溶接装置
　１１　溶接トーチ
　１１Ａ　ノズル
　１１Ｂ　コンタクトチップ
　１１Ｃ　ガス供給路
　１２　溶接ワイヤ
　１３　電源装置
　１４　シールドガス供給装置
　１５　ワイヤ送給装置
　２０　溶接観察システム
　２１　撮像装置（撮像手段）
　２１Ａ　光学フィルタ
　２１Ｂ　撮像部
　２３　通信ケーブル
　２４　溶接観察装置
　３０Ａ　母材
　３０Ｂ　母材
　３０Ｃ　接合部
　３０Ｄ　開先（判定基準）
　３０Ｅ　隅肉部
　３２　アーク
　３４　溶融池
　３４Ａ　アーク押下領域
　３４Ｂ　気泡
　３６　ビード
　３０１　画像取得部
　３０２　判定基準設定部
　３０３　領域判定部
　３０４　気泡検出部
　３０５　溶接欠陥検知部
　３０６　検知結果出力部

Claims (8)

1. 　アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置であって、
   　少なくともアークの直下を含む溶融部位画像における、前記アークの直下の溶融池の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する溶接欠陥検知部
   　を備えることを特徴とする溶接観察装置。
2. 　前記溶接欠陥検知部は、
   　前記溶融部位画像において、所定の判定基準の画像範囲と、前記溶融池における前記アークによって押し下げられた領域の画像範囲との位置関係に基づいて、前記溶接欠陥の発生を検知する
   　ことを特徴とする請求項１に記載の溶接観察装置。
3. 　前記溶接欠陥検知部は、
   　前記溶融部位画像において、前記アークによって押し下げられた領域の画像範囲の少なくとも一方の縁部が、前記所定の判定基準の画像範囲内にある場合、前記溶接欠陥が発生したことを検知する
   　ことを特徴とする請求項２に記載の溶接観察装置。
4. 　前記判定基準は、母材の接合部に形成された開先である
   　ことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
5. 　前記判定基準は、母材の接合部に設定された脚長である
   　ことを特徴とする請求項２または３に記載の溶接観察装置。
6. 　前記溶接欠陥検知部は、
   　前記溶融部位画像において、前記溶融池内の気泡が検出された場合、前記溶接欠陥が発生したことを検知する
   　ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接観察装置。
7. 　前記溶融部位画像を撮像する撮像手段と、
   　請求項１から６のいずれか一項に記載の溶接観察装置と
   　を備えることを特徴とする溶接観察システム。
8. 　アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察方法であって、
   　少なくともアークの直下を含む溶融部位画像における、前記アークの直下の溶融池の状態に基づいて、溶接欠陥の発生を検知する溶接欠陥検知工程
   　を含むことを特徴とする溶接観察方法。

Images