(57)【要約】【課題】スポット溶接の良否を溶接中に予測し、安定したスポット溶接を保証する。【解決手段】本発明の溶接品質保証装置は、溶接部１の表面を撮像するための熱センサアレイとしての高速度赤外線カメラ２を備えている。  また、溶接品質保証装置は、高速度赤外線カメラ２で溶接中の溶接チップ１１ａの先端部の周囲の温度分布をリアルタイムで計測し、前記温度分布に基づいて温度変化データを作成する手段と、溶接中に、温度変化データと、予めデータベース３２に記憶した最良の温度変化データ（モデルデータ）とを比較して溶接の良否を予測する手段と、溶接が不良と予測された場合に、リアルタイムで溶接条件を制御する手段とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接部の表面を撮像するための熱センサアレイを備えた溶接品質保証装置であって、
前記熱センサアレイで溶接中の溶接チップ先端部の周囲の温度分布をリアルタイムで計測し、前記温度分布に基づいて温度変化データを作成する手段と、
前記溶接中に、前記温度変化データと、予めデータベースに記憶した最良の温度変化データとを比較して溶接の良否を予測する手段と、
前記溶接が不良と予測された場合に、リアルタイムで溶接条件を制御する手段とを備えることを特徴とする溶接品質保証装置。
【請求項２】
前記熱センサアレイは、高速度赤外線カメラであることを特徴とする請求項１記載の溶接品質保証装置。
【請求項３】
前記溶接中に作成された温度変化データは、トレーサビリティ情報として記録されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の溶接品質保証装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかの請求項に記載の溶接品質保証装置を用いてリアルタイムで溶接の品質を保証することを特徴とする溶接品質保証方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接品質保証装置および溶接品質保証方法に係り、特に、スポット溶接の良否を溶接中に予測し、溶接条件を制御することで安定したスポット溶接の品質を保証することができる溶接品質保証装置および溶接品質保証方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、この種のスポット溶接の良否をチェック方法として、（イ）溶接不良の発生を効率よく検出するとともに、溶接不良の発生を予測することができるスポット溶接ロボットの制御装置（例えば、特許文献１等）や（ロ）溶接中に発生する欠陥をリアルタイムで発見すること等で、溶接中にリアルタイムに溶接品質を判定するもの等が知られている（例えば、特許文献２等）。
【０００３】
前述の（イ）の制御装置は、スポット溶接時における溶接部の発熱温度のピーク温度と溶接部の固着力とが相関関係を有することを利用して、溶接品質をチェックするもので、すなわち、スポット溶接部１の発熱温度を監視し、当該発熱温度のピーク温度と所定の閾値とを比較することで、溶接品質の良否を判定するものである。
【０００４】
このような（イ）の制御装置によれば、発熱温度のピーク温度が閾値の範囲外にあるときに溶接不良を検出することができ、ワークの非破壊状態で全数の溶接品質が可能となるものの、溶接品質の良否を判定するのみで、溶接品質は保証することができないという難点があった。
【０００５】
一方、前述の（ロ）の溶接品質の判定技術は、各処理単位における溶接中の電流と電圧等の溶接箇所の溶接エネルギーに関係する物理量を測定し、測定した当該物理量をデジタル値とし、さらに当該溶接の品質の良否を適確に反映するように信号処理し、得られた結果を基準値と比較して当該単位処理における溶接の品質をリアルタイムで判定するものである。
【０００６】
このような（ロ）の溶接品質の判定技術によれば、溶接中に欠陥が発生すればリアルタイムで欠陥の発生を発見することで、溶接中にリアルタイムで溶接品質を判定することができるため、溶接品質の管理が大きく改善され、溶接の精度、作業効率、生産コスト等を大きく向上させることができる。
【０００７】
しかしながら、このような（ロ）の溶接品質の判定技術においては、溶接エネルギーに関する物理量を測定してデジタル化しているところ、測定している要因が従来の溶接条件でありシュミレーションのみで実際の発熱量を測定していないため、ナゲットの生成に関する直接的な画像は捉えられていないという難点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２６８５９０号公報
【特許文献２】特開２０１０−２１４３８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような従来の難点を解消するためになされたもので、特にスポット溶接の良否を溶接中に予測し、溶接条件を制御することで、安定したスポット溶接の品質を保証することができる溶接品質保証装置および溶接品質保証方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成する本発明の溶接品質保証装置は、溶接部の表面を撮像するための熱センサアレイを備えた溶接品質保証装置であって、熱センサアレイで溶接中の溶接チップ先端部の周囲の温度分布をリアルタイムで計測し、温度分布に基づいて温度変化データを作成する手段と、溶接中に、温度変化データと、予めデータベースに記憶した最良の温度変化データとを比較して溶接の良否を予測する手段と、溶接が不良と予測された場合に、リアルタイムで溶接条件を制御する手段とを備えるものである。
【００１１】
本発明の第２の態様は、第１の態様である溶接品質保証装置において、熱センサアレイとして、高速度赤外線カメラが用いられているものである。
【００１２】
本発明の第３の態様は、第１の態様または第２の態様である溶接品質保証装置において、溶接中に作成された温度変化データは、トレーサビリティ情報として記録されるものである。
【００１３】
本発明の溶接品質保証方法は、第1の態様乃至第３の態様の何れかの態様である溶接品質保証装置を用いてリアルタイムで溶接の品質を保証するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の溶接品質保証装置および溶接品質保証方法によれば、次のような作用効果を奏する。
【００１５】
第１に、スポット溶接の良否を溶接中に予測し、溶接条件を適切な条件に制御することで、高品質の溶接を保証（溶接品質を保証）することができる。また、溶接条件の制御範囲から調整項目（電流や通電時間等）が外れそうな場合は、溶接品質が不良と予測されることから、詳細な設備メンテナンスの情報（チップ研磨、チップ交換,２次線交換、水流量調整等）が得られることで迅速なメンテナンスを実施することができる。さらに、きめ細かなメンテナンス指示により、溶接資材や無駄な予防保全期間を減らすことができる。また、溶接中にスパッタが発生しそうになった場合は、通電停止の制御を行うことで、スパッタの発生を確実に防止でき、ひいてはスパッタの発生による作業者への危険性や溶接機周辺の汚れなどを防止することができる。
【００１６】
第２に、熱センサアレイとして、高速度赤外線カメラを用いた場合には、スポット溶接部の温度変化（発熱）を１ｍｓ以下の高速で（リアルタイムで）計測することができ、ひいてはナゲット生成と関連付けすることができる。
【００１７】
第３に、例えば、情報処理装置に、溶接中に作成された温度変化データ等のトレーサビリティ情報（履歴データ）を集計し記憶することで、溶接チップの劣化や消耗度合いなどを把握することができる。また、当該トレーサビリティ情報は、溶接品質管理の有用なデータやメンテナンス時期の工程管理、若しくは不良解析のデータ等として活用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施例における溶接品質保証装置のシステム構成図で、分図（ａ）、スポット溶接部の平面図、分図（ｂ）はスポット溶接部の正面図である。ある。
【図２】本発明の一実施例における最良の温度変化データを作成するためのデータベースの構築方法を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施例における最良の温度変化データ（モデルデータ）の一例を示す説明図である。
【図４】被溶接材料と溶接条件により温度上昇が異なることを示す説明図である。
【図５】本発明の一実施例における溶接品質保証フローの一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の溶接品質保証装置を実施するための最良の形態例について、図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は、本発明の溶接品質保証装置を実施するためのシステム構成図である。
【００２１】
同図において、本発明における溶接品質保証装置は、スポット溶接部１の周辺に配置され、溶接チップ１１ａ、１１ｂ（後述）の先端部周囲を高速度で撮像するための熱センサアレイとしての高速度赤外線カメラ２と、当該高速度赤外線カメラ２で撮像した画像を処理するための画像処理部３１（後述）やデータベース３２（後述）等を有する情報処理装置３と、スポット溶接部１の溶接条件をコントロールするためのタイマコンタク４とを備えている。
【００２２】
なお、情報処理装置３は、第１のラインＬ１を介して高速度赤外線カメラ２に、第２のラインＬ２を介してタイマコンタクタ４にそれぞれ接続されており、相互間でデータの送受信が可能となるように構成されている。
【００２３】
スポット溶接部１は、スポット溶接ガン（不図示）に装着され相対向する位置に配置された一対の溶接チップ（電極）１１ａ、１１ｂを備えている。当該スポット溶接ガンは、自動車の生産ラインに設置された加圧装置６ａ、６ｂの図示しないアームに装着されている。
【００２４】
なお、当該加圧装置６ａ、６ｂは、タイマコンタクタ４からの指示により制御され動作するように構成されている。
【００２５】
熱センサアレイとしての高速度赤外線カメラ２は、溶接チップ１１ａが装着されたスポット溶接ガンの近傍に、具体的には、溶接チップ１１ａの先端部周囲を撮像できる位置に設置されている。
【００２６】
熱センサアレイとしては、高速赤外線カメラ２を使用することが好ましい。本実施例では、株式会社チノー社製のハイエンド赤外線サーモグラフィ（ＣＰＡ−ＳＣ２５００）を使用している。このような、高速赤外線カメラによれば、フレームタイム、シャッタスピードが速いことからスポット溶接部１の温度変化を１ｍｓ以下の高速で、すなわちリアルタイムで計測することができ、ひいてはナゲット生成と関連付けすることができる。
【００２７】
情報処理装置３は、コンピュータにより構成されており、高速度赤外線カメラ２で撮像した画像（例えば、画像処理速度が１ｍｓ、画像の測定範囲が２ｍｍ２）を処理するための画像処理部３１と、事前に各被溶接物を各種条件で溶接し、溶接プロセスを計測し、溶接結果も併せて保存するデータベース３２と、情報処理装置３の構成各部を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）３３と、画像処理部３１及び第１のラインＬ１間の信号伝送路を形成するカメラ側Ｉ／Ｆ（インターフェース）３４と、ＣＰＵ３３及び第２のラインＬ２間の信号伝送路を形成するタイマコンタクタ側Ｉ／Ｆ３５とを備えている。
【００２８】
ＣＰＵ３３は、統計処理で溶接品質の良否を判断するための比較部３３ａと、溶接チップ１１ａの周囲を複数ポイントで撮像した温度分布を記録（トレーサービリティ）するためのデータ格納部３３ｂとを備えている。
【００２９】
高速度赤外線カメラ２は、画像処理部３１からの指示（撮像指示信号）によって、溶接チップ１１ａの先端部周囲を撮像する。また、高速度赤外線カメラ２は、画像処理部３１に、前述の撮像した溶接チップ１１ａの先端部周囲の画像を伝送する。
【００３０】
データベース３２には、後述するようにして、良品データ、不良データおよび溶接打点Ｎｏ等の各種データが保存されている。
【００３１】
タイマコンタクタ４は、溶接用ロボットに設置されたスポット溶接ガンに対して溶接電流の供給制御、加圧通電時間の制御等を行う。当該タイマコンタクタ４には溶接トランス５が接続されている。スポット溶接ガンは、タイマコンタクタ４からの「スポット溶接の実行を指示する信号」を受信した場合、スポット溶接ガンの溶接チップ１１ａ、１１ｂによってワーク１２ａ、１２ｂの溶接箇所を押圧挟持し通電してスポット溶接を行う。
【００３２】
なお、符号１３はナゲット、１４は電流パスを示している。
【００３３】
ここで、表面温度計測の期待原理について説明する。
【００３４】
すなわち、スポット溶接においては、図１に示す溶接チップ１１ａ、１１ｂの接触部から被溶接部としてのワーク１２ａ、１２ｂに大電流を通電することにより、溶接チップ１１ａ、１１ｂとワーク１２ａ、１２ｂ間の接触抵抗により発熱し、当該部が温度上昇することで当該部の抵抗増大によりさらに発熱量が増大する。これにより、スポット溶接部１のナゲット１３の中心部の温度は、１３００℃程度になり、当該温度はワーク１２ａ、１２ｂと溶接チップ１１ａ、１１ｂへの放熱バランスで決まると考えられる。
【００３５】
このように、スポット溶接は、発熱とワーク１２ａ、１２ｂの材料・表面及び溶接チップ１１ａ、１１ｂからの放熱を利用して、必要部分のみ溶融に必要な高温領域にすることにより良好な溶接品質が得られる。
【００３６】
また、高速度赤外線カメラ２は、溶接の鍵であるスポット溶接の溶接チップ１１ａ先端部周辺の温度変化をリアルタイムで計測することで、ナゲット生成と関連付けることができる。
【００３７】
ここで、熱センサアレイとしての高速度赤外線カメラ２、情報処理装置３の画像処理部３１およびデータベース３２は、本発明における「熱センサアレイで溶接中の溶接チップ先端部の周囲の温度分布をリアルタイムで計測し、温度分布に基づいて温度変化データを作成する手段」としての機能を有している。また、情報処理装置３の画像処理部３１、データベース３２およびＣＰＵ３２の比較部３３ａは、本発明における「溶接中に、温度変化データと、予めデータベースに記憶した最良の温度変化データとを比較して溶接の良否を予測する手段」としての機能を有している。さらに、情報処理装置３のＣＰＵ３３は、本発明における「溶接が不良と予測された場合に、リアルタイムで溶接条件を制御する手段」としての機能を有している。
【００３８】
図２は、最良の温度変化データを作成するためのデータベースの構築方法を説明するフローチャートである。
【００３９】
先ず、各種の被溶接部材としてのワーク１２ａ、１２ｂの材質、板厚、ワーク１２ａ、１２ｂに対する加圧力、電流、通電時間、溶接チップ１１ａ、１１ｂの先端径、冷却等の各種データをデータベースに取り込む（Ｓ１）。
【００４０】
次いで、溶接部の板組みを行い、良品、不良となる溶接条件で加圧通電し、溶接チップ１１ａの周辺温度と溶接条件のデータを連続的に取得して記録する（Ｓ２）。
【００４１】
ここで、溶接チップ１１ａの周辺温度を複数ポイントで連続測定することで、高精度予測ができる（Ｓ３）。すなわち、温度分布、総発生熱量、最高温度、温度上昇率、電極温度等から多面的に溶接品質が予測できる。
【００４２】
一方、ワーク１２ａ、１２ｂへの総発熱量が不足すると、ハガレやナゲットが小さくなる等の溶接結果が得られ（Ｓ４）、他方、ワーク１２ａ、１２ｂへの総発熱量が多くなると、チリの発生、ブローホール、つぶれ、ワレ等の溶接結果が得られる（Ｓ５）。また、ワーク１２ａ、１２ｂへの総発熱量が適正な場合は、ナゲット径が適正で、内部欠陥のない良質の溶接品質の結果が得られる（Ｓ６）。
【００４３】
次に、Ｓ７において、基本の溶接条件で加圧通電した溶接部の板組みとこれらの溶接結果と照合することで、図３に示すような高速処理のための最適温度変化データ（モデルデータ）が得られ、かかる最適温度変化データ（モデルデータ）がデータベースに保存される。これにより、温度変化データベースが構築される。
【００４４】
このようにして、温度変化データベースには、予め各被溶接物を種々の条件で溶接し、溶接プロセスを計測し、溶接結果も併せて記録され、更に、ワーク１２ａ、１２ｂの材質や板厚に合った最適温度で変化するように条件制御することで得られた最良の温度分布データ（モデルデータ）が保存されている。
【００４５】
図４は、被溶接部材としてのワーク１２ａ、１２ｂを構成する冷間圧延鋼板と防錆鋼板について、溶接条件を変えて温度上昇（ＰＩＸ温度変化）を測定した結果（予備試験）を示す説明図である。
【００４６】
同図において、縦軸は温度（℃）、横軸はカメラフレームのＮｏ.（時間（ｍｓ））を示しており、測定温度の上限は７７度℃に設定されている。
【００４７】
ここで、温度上昇カーブａ（細い実線）は、板厚が１.０mmの冷間圧延鋼板（ＳＣＰ２７０）で、溶接条件としては、加圧力が１８０ｋｇｆ、電流が７ｋＡ、通電時間が７サイクルとされ、温度上昇カーブ（太い実線）ｂは、板厚が１.０mmの防錆鋼板（ＳＧＣＡ）で、溶接条件としては、加圧力が１８０ｋｇｆ、電流が７ｋＡ、通電時間が７サイクルとされ、温度上昇カーブ（破線）ｃは、板厚が０.７mmの防錆鋼板（ＳＧＣＡ）で、溶接条件としては、加圧力が１８０ｋｇｆ、電流が８ｋＡ、通電時間が１０サイクルとされ、温度上昇カーブ（一点鎖線）ｄは、板厚が０.７mmの防錆鋼板（ＳＧＣＡ）で、溶接条件としては、加圧力が１８０ｋｇｆ、電流が１０ｋＡ、通電時間が１０サイクルとされている。
【００４８】
この予備試験の結果から、温度上昇カーブａでは、２サイクルでスパッタが発生しているが分かり、温度上昇カーブｂではスパッタが発生していないことが分かる。また、温度上昇カーブａでは、１０ｍｓ単位で温度の上昇・下降が繰り返されているが、これは通電の位相制御が影響しているものと考えられる。
【００４９】
このように、ワーク１２ａ、１２ｂを構成する鋼板の材質や溶接条件により、温度上昇カーブ（温度勾配）が変わることから、ナゲット１３をモニタすることで高品質の溶接保証ができるものと考えられる。
【００５０】
図５は、本発明の一実施例におけるスポット溶接の品質保証のフローチャートを示している。
【００５１】
同図において、先ず、作業者等によってスポット溶接を行うためのロボットプログラムが実行されることでスタートし（Ｓ１）、スポット溶接部１に所定の板組を行うと（Ｓ２）、これを契機として、データベース（温度変化データベース）から当該溶接部の板組みに対応する最良の温度変化データ（図３に示すモデルデータ）が読みだされ、読みだされた最良の温度変化データ（モデルデータ）は、温度分布データと読出データの比較部３３ａへ送られる（Ｓ３）。
【００５２】
一方、前記の溶接部の板組みを契機として当該溶接部の板組みの基本溶接条件で加圧通電が開始され（Ｓ４）、高速度赤外線カメラ２で溶接チップ１１ａの先端部周囲の撮像が開始され、当該溶接チップ１１ａの先端部周囲の温度分布が計測され、計測された溶接チップ１１ａの先端部周囲の温度変化データは温度分布データと読出データの比較部３３ａへ送られる（Ｓ５）。
【００５３】
そして、当該温度分布データと読出データの比較部３３ａにおいて、予めデータベース３２に記憶した最良の温度変化データ（モデルデ−タ）と、実際に溶接部の板組みをした溶接中の当該溶接部の温度変化データ（温度上昇カーブ）とが比較される（Ｓ６）。
【００５４】
ここで、図３に示すように、当該溶接部の板組みにおける温度分布データ（温度上昇カーブ）の温度勾配が最良の温度変化データ（モデルデ−タ）の温度勾配よりも大きい場合は、溶接部に対する総発熱量が大きいと判断されて、当該溶接部の板組みにおける被溶接部材としてのワーク１２ａ、１２ｂの材質、板厚に見合った最適温度に変化するように、すなわち総発熱量が少なくなるように溶接条件がＤＯＷＮ制御される（Ｓ７）。
【００５５】
また、当該溶接部の板組みにおける温度分布データ（温度上昇カーブ）の温度勾配が最良の温度変化データ（モデルデ−タ）の温度勾配よりも小さい場合には、総発熱量が小さいと判断されて、当該溶接部の板組みにおける被溶接部材（ワーク）の材質、板厚に見合った最適温度に変化するように、すなわち総発熱量が多くなるように溶接条件がＵＰ制御される（Ｓ８）。
【００５６】
次に、ステップＳ９において、当該溶接部の板組みにおける全体の入熱量（溶接の際に外部から溶接部に与えられる熱量）が不足している場合は、溶接条件がそのまま保持され、Ｓ５のステップに戻る（Ｓ１０）。また、当該溶接部の板組みにおける全体の入熱量が十分な場合は溶接状況が良好と判断され溶接が終了する（Ｓ１３）。
【００５７】
ここで、当該溶接部の板組みにおける全体の入熱量が十分な場合で、溶接状況が不良と判断された場合は、溶接不良のデータがデータ格納部に記録され（Ｓ１２）、Ｓ１０のステップへ戻る。
【００５８】
以上述べたように、本発明の一実施例によれば、第１に、スポット溶接の良否を溶接中に予測し、溶接条件を適切な条件に制御することで、溶接品質を保証することができる。また、溶接条件の制御範囲から調整項目が外れそうな場合は、溶接品質が不良と予測されることから、設備メンテナンスの情報が得られることで迅速なメンテナンスを実施することができる。さらに、きめ細かなメンテナンス指示により、溶接資材や無駄な予防保全期間を減らすことができ、また、溶接中にスパッタが発生しそうになった場合は、通電停止の制御を行うことで、スパッタの発生を確実に防止でき、ひいてはスパッタの発生による作業者への危険性や溶接機周辺の汚れなどを防止することができる。
【００５９】
第２に、熱センサアレイとして、高速度赤外線カメラ２を用いた場合には、スポット溶接部１の温度変化（発熱）を１ｍｓ以下のリアルタイムで計測することができ、ひいてはナゲット生成と関連付けすることができる。
【００６０】
第３に、情報処理装置３に、溶接中に作成された温度変化データ等のトレーサビリティ情報（履歴データ）を集計および記憶することで、溶接チップ１１ａ、１１ｂの劣化や消耗度合いなどを把握することができる。また、当該トレーサビリティ情報は、溶接品質管理の有用なデータやメンテナンス時期の工程管理、若しくは不良解析のデータ等として活用することもできる。
【００６１】
なお、これまで本発明について図面に示した特定の実施の形態をもって説明しているが、本発明は図面に示した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する限り、これまで知られたいかなる構成であっても採用することができることはいうまでもないことである。
【００６２】
例えば、前述の実施例においては、スポット溶接の溶接品質保証装置・方法について述べているが、プロジェクション、シ−ム等の抵抗溶接、レーザー溶接、Ｃｏ２、アーク溶接、半田付け等の他の溶接方法にも適用することができる。
【００６３】
また、前述の実施例においては、タイマコンタクタ４を別体で構成した場合について述べているが、当該タイマコンタクタは情報処置装置３に搭載してもよい。
【符号の説明】
【００６４】
１・・・スポット溶接部
１１ａ、１１ｂ・・・溶接チップ
２・・・熱センサアレイ（高速度赤外線カメラ）
３・・・情報処理装置
４・・・タイマコンタクタ
５・・・溶接トランス
【図２】
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【図５】
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【図１】
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【図３】
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【図４】
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