(57)【要約】【課題】重ね継手のレーザ溶接において、キーホールの貫通有無だけでなく、溶接部裏面の溶融有無など溶接状態を高精度に判定可能とする溶接モニタリング装置に関するものである。【解決手段】レーザ溶接のプロセス中に溶接部１０５の裏面を融点付近で放射光の変化の大きい波長を透過し、レーザ光１０４の波長をブロックする波長フィルタ１１１を通して二次元センサ１０９で撮像し、撮像した画像を信号処理部１１２で処理し、裏面の温度と相関のある放射輝度値を算出、輝度閾値１１５と比較することで裏波ビードの形成有無を判定する。また、スパッタの噴出の有無によりキーホール１０７の貫通有無を判定することで、キーホール１０７の貫通のみならず、裏面の溶融有無を判定できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ溶接プロセス中の溶接状態を監視する溶接モニタリング装置において、
溶接部材にレーザ光を照射するレーザ光照射手段と、
前記溶接部材の溶接部裏面に配置され、前記溶接部裏面の放射光分布をレーザ溶接プロセス中の各時刻において検出するセンサと、
前記センサに入射する光の波長を制限する波長フィルタと、を備え、
前記センサで検出した放射光分布から各時刻の溶接状態を判定する溶接状態判定部と、
を更に有すること、
を特徴とする溶接モニタリング装置。
【請求項２】
前記溶接状態判定部は、前記溶接部裏面の溶融有無を判定する、請求項１記載の溶接モニタリング装置。
【請求項３】
前記波長フィルタは、中心波長７００〜１３００ｎｍのバンドパスフィルタである、請求項１又は２に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項４】
前記波長フィルタは、前記レーザ光照射手段の出力する波長の透過を阻止する波長フィルタである、請求項１〜３の何れか一項に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項５】
前記溶接状態判定部は、前記センサで検出した放射光分布のうち、溶接部裏面を囲う範囲内での最大の輝度値と閾値を比較して溶接状態を判定する、請求項２〜４の何れか一項に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項６】
前記溶接状態判定部は、前記溶接部裏面に形成し得るキーホールの貫通有無も判定する、請求項２〜５の何れか一項に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項７】
前記溶接状態判定部は、前記センサで検出した放射光分布を用いて、スパッタまたはヒュームの有無を検出することでキーホールの貫通有無を判定する、請求項２〜６の何れか一項に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項８】
前記溶接状態判定部の溶接状態判定結果を元に前記レーザ光照射手段の溶接条件へのフィードバック信号を生成する、請求項１〜７の何れか一項に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項９】
前記フィードバック信号が、レーザ平均パワー、レーザピークパワー、フォーカス位置、レーザデューティー比、及び、アシストガス流量の少なくとも一つの情報を含む、
請求項８記載の溶接モニタリング装置。
【請求項１０】
前記フィードバック信号がキーホールは貫通しないが、裏面が溶融する状態を狙いの溶接状態とする、請求項８又は９に記載の溶接モニタリング装置。
【請求項１１】
レーザ溶接プロセス中の溶接状態を監視する溶接モニタリング方法において、
溶接部材の一方側から前記溶接部材の溶接部にレーザ光を照射しながら、前記溶接部の他方側の放射光の特定の波長を抽出し、
前記特定の波長の放射光の放射光分布を溶接中の各時刻において検出し、
前記放射光分布から各時刻の前記溶接部材の溶接状態を判定すること、
を特徴とする溶接モニタリング方法。
【請求項１２】
前記溶接部材の溶接状態の判定は、前記溶接部の裏面の溶融有無を判定することである、請求項１１記載の溶接モニタリング方法。
【請求項１３】
前記特定の波長の抽出は、中心波長７００〜１３００ｎｍの波長である、請求項１１又は１２記載の溶接モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重ねた二つの部材をレーザ光により溶接するレーザ溶接において、溶融部の品質を監視する溶接モニタリング装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接において、薄板の重ね継手溶接の品質保証は、一般に溶接部の貫通有無により良否判定を行う場合が多い。これは溶接部の深さを非破壊で確実に検査する手段がなく、貫通させることで貫通の有無を人が目視検査することで良否判定が可能となるためである。一方、この目視検査は、人手がかかること、人による見逃しがあることから、自動での品質判定装置が求められている。この自動化の方法として、溶接プロセス中に貫通有無を監視する溶接モニタリング装置がある。
【０００３】
従来の溶接部の品質を監視する溶接モニタリング装置としては、溶接部の一方からレーザ光を照射し、他方に配置された受光手段でレーザ光の貫通有無を監視するものがある（例えば、特許文献１参照）。図８は、特許文献１に記載された従来の溶接モニタリング装置を示す図である。
【０００４】
図８において、溶接部材１０１は２枚の薄板を重ねたものであり、この２枚の薄板を溶接する。溶接部材１０１の一方にはレーザ光を照射するレーザ光照射手段１０２が配置され、他方にレーザ光を検出するフォトダイオード１０３が配置されている。レーザ光照射手段１０２から出射したレーザ光１０４は溶接部材１０１の溶接部１０５を加熱し、金属が溶融することで溶融池１０６が生じる。さらに加熱された溶接部材１０１が蒸発することで空洞であるキーホール１０７が生じる。レーザ光のエネルギーが十分強く、キーホール１０７が裏面まで貫通した場合、レーザ光１０４は溶接部１０５を透過し、フォトダイオード１０３で検出されるため、フォトダイオード１０３の信号によりキーホール１０７の貫通の有無を監視している。
【０００５】
また、従来の突合せ溶接の裏波ビード形成を監視するモニタリング装置として、レーザ光照射手段１０２の他方からプラズマ光と赤外光をセンサにより検出するものもある（例えば、特許文献２参照）。図９は、特許文献２に記載された従来の溶接モニタリング装置を示す図である。
【０００６】
図９において、溶接時に発生するプラズマ光、または、赤外光を検出する複数のセンサ１０８ａ、１０８ｂを異なる角度で配置する。これら異なる角度で検出されたプラズマ光、または、赤外光の比により裏波ビードが健全に形成されていることを監視する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−１９９３１２号公報
【特許文献２】特開平１０−７６３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、前記従来の構成では、特許文献１に記載の溶接モニタリング装置においては、レーザ光１０４の透過の有無を検出しているため、判定できるのはキーホール１０７の貫通の有無のみである。これを図１０の溶接状態の模式図を用いて説明する。溶接状態としては、次の３種類の状態がある。状態（ａ）はキーホール１０７が貫通しておらず、溶融池１０６も裏面に到達していないため、裏波ビードを形成しない状態である。状態（ｂ）はキーホール１０７が貫通していないが、溶融池１０６は裏面に達しており、裏波ビードを形成する状態。状態（ｃ）はキーホール１０７が貫通しており、溶融池１０６も裏面に達しており、裏波ビードを形成する状態である。特許文献１記載の溶接モニタリング装置では、この状態（ａ）、（ｂ）に対し、状態（ｃ）を判定することしかできず、状態（ｂ）の状態を検出できないという課題を有している。
【０００９】
また、特許文献２に記載の溶接モニタリング装置において、突合せた溶接部材１０１の隙間を通して検出されるプラズマ光、または、赤外光を用いるため、重ね継手溶接には適用できないという課題を有している。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、重ね継手溶接の品質を高精度に判定可能とする溶接モニタリング装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の溶接モニタリング装置は、レーザ溶接プロセス中の溶接状態を監視する溶接モニタリング装置であって、以下の構成を有する。
（１）溶接部材にレーザ光を照射するレーザ光照射手段。
（２）溶接部材の溶接部裏面に配置され、溶接部裏面の放射光分布をレーザ溶接プロセス中の各時刻において検出するセンサ。
（３）センサに入射する光の波長を制限する波長フィルタ。
（４）センサで検出した放射光分布から各時刻の溶接状態を判定する溶接状態判定部。
【００１２】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記溶接状態判定部が前記溶接部裏面の溶融有無を判定することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記波長フィルタが中心波長７００〜１３００ｎｍのバンドパスフィルタであることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記波長フィルタが前記レーザ光照射手段の出力する波長の透過を阻止する波長フィルタであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記裏面の溶接状態判定部が前記二次元センサで検出した放射光分布のうち、溶接部裏面を囲う範囲内での最大の輝度値と閾値を比較して溶接状態を判定することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記溶接状態判定部が前記溶接部裏面の溶融有無だけでなく、キーホールの貫通有無を判定することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記溶接状態判定部が前記二次元センサで検出した放射光分布を用いて、スパッタまたはヒュームの有無を検出することでキーホールの貫通有無を判定することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記溶接状態判定部の溶接状態判定結果を元に前記レーザ光照射手段の溶接条件へのフィードバック信号を生成することを特徴とする。
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記フィードバック信号が、レーザ平均パワー、レーザピークパワー、フォーカス位置、レーザデューティー比、及び、アシストガス流量の少なくとも一つの情報を含む。
【００１９】
また、本発明の溶接モニタリング装置は、前記フィードバック信号がキーホールが貫通しないが、裏面が溶融する状態を狙いの溶接状態とすることを特徴とする。
【００２０】
本構成によって、レーザ溶接の溶接状態を高精度に判定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上のように、本発明の溶接モニタリング装置によれば、裏波ビードの形成を検出し、高精度な溶接部の品質保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施の形態１における溶接モニタリング装置の概略図
【図２】１４５０℃付近における単位温度変化に対する分光放射輝度の変化率を示す図
【図３】本発明の実施の形態１における溶接モニタリング方法の判定フローを示す図
【図４】二次元センサ１０９で撮像した画像の一例を示す図
【図５】放射輝度値を時間ごとにプロットを示す図
【図６】レーザ光照射手段１０２の出力設定を段階的に変えて溶接したときの溶接部１０５の裏面ビード画像と放射輝度値を示す図
【図７】本発明の実施の形態２における溶接モニタリング方法の判定フローを示す図
【図８】特許文献１に記載された従来の溶接モニタリング装置の概略図
【図９】特許文献２に記載された従来の溶接モニタリング装置の概略図
【図１０】溶接状態の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における溶接モニタリング装置の概略図である。図１において、図８、および、図９と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００２５】
図１において、二次元センサ１０９は溶接部材１０１に対して、レーザ光照射手段１０２の他方に配置されている。二次元センサ１０９はレンズ１１０、波長フィルタ１１１を通して、溶接部１０５を結像するように構成されている。二次元センサ１０９で撮像された画像は信号処理部１１２で処理され溶接部の状態を判定する。信号処理部１１２で処理した判定結果は表示部１１３に表示される。
【００２６】
ここで、波長フィルタ１１１は溶接部材１０１の融点付近の温度において、温度に対する分光放射輝度の変化率が大きい波長が望ましい。溶接部材１０１に多く用いられる鋼の融点は一般的に１４００℃〜１５００℃である。この中心温度である１４５０℃において単位温度変化に対する分光放射輝度の変化率を示したグラフが図２である。図２のグラフから波長７００ｎｍ〜１３００ｎｍで変化率が大きく、中心波長がこの範囲内の波長を透過するバンドパスフィルタが望ましい。また、レーザ光１０４が貫通した際はレーザ光１０４が二次元センサ１０９に入射する可能性があるため、波長フィルタ１１１はレーザ光１０４の波長を遮光することが望ましい。
【００２７】
二次元センサ１０９は波長フィルタ１１１と同様に７００ｎｍ〜１３００ｎｍに感度があることが望ましく、ＣＭＯＳセンサやＣＣＤセンサを用いるのが望ましい。また、二次元センサ１０９の配置はレーザ光１０４が貫通時にスパッタが裏面側に噴出する場合があるため、４５〜８５°の角度に配置することが望ましい。
【００２８】
続いて、図３を用いて図１の溶接モニタリング装置による溶接状態の判定フローについて説明する。
【００２９】
ステップＳ１では、レーザ溶接のプロセス中の各時刻において、二次元センサ１０９で溶接部１０５の裏面の画像を撮像する。
【００３０】
ステップＳ２では、ステップＳ１で撮像した画像を信号処理部１１２で信号処理し、溶接部１０５の裏面の溶融有無を判定する。図４はステップＳ１で撮像した画像の一例である。表面からレーザ光１０４が照射され、温度が高くなった部分が放射光により明るく撮像される。また、その中でキーホール１０７の直下が最も温度が高くなるため、画像としても明るく撮像される。図４の上部の明るい部分は表面側のヒュームである。ここで、信号処理部１１２はあらかじめ設定された溶接部１０５の裏面範囲１１４内で最大の輝度となる画素の輝度値を検出し、この値を放射輝度値とする。この放射輝度値を時間ごとにプロットしたグラフを図５に示す。通常、キーホール１０７の直下が最も温度が高くなるため、放射輝度値はこの温度に比例した値となる。また、放射輝度値が一定以上の場合、溶接部１０５の裏面が溶融していると判定できるため、融点付近の温度で検出される輝度を輝度閾値と設定しておき、輝度閾値１１５と放射輝度値を比較し、放射輝度値の方が大きい場合に溶接部１０５の裏面が溶融し、裏波ビードを形成していると判定を行う。
【００３１】
図６にレーザ光照射手段１０２の出力設定を段階的に変えて溶接したときの溶接部１０５の裏面ビード画像と放射輝度値のグラフを示す。溶接は白の矢印の方向で行っている。レーザ光照射手段１０２の出力が大きいほど、放射輝度値が大きく、裏面ビード画像での溶融部分も大きいことが確認できる。また、輝度閾値１１５以下の部分では裏面は溶融しておらず、輝度閾値１１５以上の部分で溶融しており、放射輝度値のグラフと裏面の溶融有無とが一致していることが確認できる。これにより、ステップＳ２の判定方法により、裏面の溶融有無を高精度に判定できることが分かる。
【００３２】
ステップＳ３では、ステップＳ１で撮像した画像を信号処理部１１２で信号処理し、キーホール１０７の貫通の有無を検出する。キーホール１０７が貫通した場合、図１０の状態（ｃ）のようにスパッタが裏面に噴出する。信号処理部１１２では、このスパッタの噴出の有無を検出することで、キーホール１０７の貫通有無を判定する。具体的には、図４に示すあらかじめ設定したスパッタ検出範囲１１６内で、一定の閾値で二値化を行い、二値化画像により粒子を検出することでスパッタを検出できる。この粒子の数が所定以上の場合にキーホール１０７が貫通していると判定を行う。
【００３３】
ステップＳ４では、ステップＳ２とＳ３の判定結果から信号処理部１１２で溶接部１０５の溶接状態を分類する。ステップＳ２で裏面溶融をしていない場合は図１０の状態（ａ）、ステップＳ２で裏面が溶融し、ステップＳ３でキーホール１０７が貫通していない場合は状態（ｂ）、キーホール１０７が貫通している場合には状態（ｃ）と判定する。
【００３４】
かかる構成によれば、レーザ溶接のプロセス中に溶接部１０５の裏面を融点付近で放射光の変化の大きい波長を透過し、レーザ光１０４の波長をブロックする波長フィルタ１１１を通して二次元センサ１０９で撮像し、撮像した画像を信号処理部１１２で処理し、裏面の温度と相関のある放射輝度値を算出、輝度閾値１１５と比較することで裏波ビードの形成有無を判定する。
【００３５】
また、スパッタの噴出の有無によりキーホール１０７の貫通有無を判定することで、キーホール１０７の貫通のみならず、図１０の３つの状態を判別できるようになり、高精度な良否判定を実現できる。また、図１０の状態（ｂ）は十分な溶融深さを確保し、かつ、スパッタによる溶接部１０５の不足を起こさないため、最良の溶接状態である。そして、本実施の形態１の溶接モニタリング装置により、この状態（ｂ）を他の状態と区別して判定することができる。
【００３６】
なお、本実施の形態において、ステップＳ２で裏面範囲１１４の中で最も大きい輝度値を持つ画素の値を放射輝度値としたが、二次元センサ１０９で撮像した画像に対し、事前に移動平均等のフィルタをかけてもよい。
【００３７】
なお、本実施の形態において、ステップＳ２で裏面範囲１１４の中で最も大きい輝度値を持つ画素の値を放射輝度値としたが、各時刻でのキーホール１０７の直下の位置を事前に求めておき、その位置に対応する画素の値を放射輝度値としてもよい。この直下の位置を求める方法としては、複数回良品条件での溶接を行い、複数回の平均した画像で最も大きい輝度値の位置を検出する方法がある。
【００３８】
なお、本実施の形態において、ステップＳ２で裏波ビードの形成有無を判定したが、輝度閾値により、裏面が一定以上の温度になったことを判定してもよい。これにより、目視検査の基準とは一致しないが、溶融地が一定以上の深さに到達したことを判定できる。
【００３９】
なお、本実施の形態において、ステップＳ３でスパッタの検出によりキーホール１０７の貫通有無を判定したが、キーホール１０７の貫通時にはヒュームが裏面にも発生するため、画像上で明るい部分が増加する。このため、裏面範囲１１４内の一定の閾値以上の輝度値を持つ画素を合計した面積によりキーホール１０７の貫通有無を判定してもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
図７は本発明の実施の形態２の溶接モニタリング装置の判定フローである。図７において、図１、および、図２と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。
【００４１】
本発明の実施の形態において、信号処理部１１２では判定結果を元にフィードバック信号を生成し、レーザ光照射手段１０２の照射条件へフィードバックを行う。
【００４２】
図７において、ステップＳ５では、信号処理部１１２がステップＳ２、Ｓ３の判定結果を元に、溶接状態が図１０の状態（ｂ）となるように、レーザ光照射手段１０２へのフィードバック信号をリアルタイムに生成する。つまり、ステップＳ３でスパッタを検出した場合や、ステップＳ２で検出した放射輝度値が一定以上の場合、溶接部１０５に加わるレーザ光１０４のエネルギー密度が高くなるフィードバック信号を生成する。また、ステップＳ２で検出した放射輝度値が一定以下の場合、溶接部１０５に加わるレーザ光１０４のエネルギー密度を下げるようにフィードバック信号を生成する。ここで、レーザ光１０４のエネルギー密度を変える方法は、レーザ光１０４の出力の上下、レーザ光照射手段１０２のフォーカス位置や走査速度などを変更することで実現できる。
【００４３】
かかる構成によれば、溶接モニタリング装置の出力をレーザ光照射手段へフィードバックすることで、溶接品質の判定のみならず、溶接品質の安定化を実現することができる。
【００４４】
なお、本実施の形態において、フィードバック信号をリアルタイムに生成したが、複数回の検出のみを行い、その結果を統計的に処理したのちに、統計処理結果を用いてフィードバック信号を生成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の溶接モニタリング装置および方法は、溶接時の溶融有無を判定する機能を有し、アーク溶接等の裏面貫通判定の用途にも適用できる。
【符号の説明】
【００４６】
１０１    溶接部材
１０２    レーザ光照射手段
１０３    フォトダイオード
１０４    レーザ光
１０５    溶接部
１０６    溶融池
１０７    キーホール
１０８ａ，１０８ｂ    センサ
１０９    二次元センサ
１１０    レンズ
１１１    波長フィルタ
１１２    信号処理部
１１３    表示部
１１４    裏面範囲
１１５    輝度閾値
１１６    スパッタ検出範囲
【図１】
2020069518.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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