(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＹＡＧ溶接に際して、溶接部からの可視光の発光強度と共に、ＹＡＧレーザの反射光の強度をそれぞれ検出し、これら検出信号の周波数成分として、５０〜２００Ｈｚの間の任意の周波数以下の低周波成分と、前記任意の周波数を超える高周波成分の両者の強度に基づいて溶接部の品質を判定することを特徴とするＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法。
【請求項２】
被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる位置において前記可視光および反射光の強度を検出することを特徴とする請求項１記載のＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法。
【請求項３】
被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる第１の位置と、前記仰角が１５°以下となる第２の位置において前記可視光および反射光の強度をそれぞれ検出し、それぞれの検出信号に基づいて溶接部の品質を判定することを特徴とする請求項１記載のＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＹＡＧレーザ溶接における品質保証技術に係わり、さらに詳しくは、単に溶接結果の良否を予測判定するだけでなく、溶接品質に大きな影響を及ぼすパラメータの変動を検知して不良の原因を特定することができ、適応制御に利用することも可能なＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＹＡＧレーザ溶接の溶接品質に直接関連する重要なパラメータとしては、例えば、加工点のレーザ出力、レーザの焦点位置（ビーム径）、ワーク（被溶接材）の精度（合わせ隙間）、ガス流量、溶接速度などが挙げられる。
【０００３】
ＹＡＧレーザ溶接に際して、これらの溶接パラメータが所定の許容値内に管理（源流管理）されることは当然であるにしても、例えば、車体組立工程のように大型のワークを対象とする溶接においては、上記のような管理を行ったとしても、ワークごとのばらつきや、搬送装置によるワークの停止位置精度などに基づく溶接パラメータのばらつきを完全に避けることは不可能であり、突発的な溶接不良部が発生することがないとは言えない。
【０００４】
このような突発的な溶接不良を検出するために、レーザ溶接品質のモニタリング技術として、レーザ溶接時に発生する光や音などの物理量を測定し、溶接品質を推定する方法が提案されており、例えば特開平１０−６０５１号公報には、炭酸ガスレーザ溶接時に発生するプラズマ光を検出してその周波数分布を測定する方法が記載されている。一方、ＹＡＧレーザ溶接については、同様にプラズマ光（ＹＡＧレーザ溶接においては電離比率が低いので、本来プルームが正しいが、通常プラズマと呼ばれている）の発光強度を検出して良好な品質が得られた時の波形と比較するモニタリング装置がドイツのＬＺＨ（レザーセンターハノーバ）により商品化されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のモニタリング方法あるいは装置においては、溶接部から発生するプラズマ光の強度のみに着目しており、検出されたプラズマ波形が参照波形として記憶された品質良好時の波形に対して一定の比率で設けた範囲内にあるかどうかによって良否を判定するシステムとなっていることから、溶接品質の良否を予測できたとしても不良原因を把握することはできず、したがって不良を解消するべく溶接パラメータを自動制御することはもとより、不良対策を講じることもできないという問題点があり、このような問題点を解消し、溶接品質の良否と共に、不良の原因を特定することのできるモニタリング技術を開発することがＹＡＧレーザ溶接技術における課題となっていた。
【０００６】
【発明の目的】
本発明は、従来のＹＡＧレーザ溶接制御技術における上記課題に着目してなされたものであって、インラインにおいて溶接部品質の良否を予測判定することができると共に、不良の場合にはその原因をも特定することができるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、蒸気課題を解決するために、ＹＡＧレーザ溶接に際して溶接部から得られる情報信号について鋭意検討を重ねた結果、溶接部に発生する高温の金属蒸気（前述のように本来プルームが正しいが、以下「プラズマ」と称する）から発生するプラズマ光（可視光領域）の強度に加えて、溶接部に照射されてワークに吸収されることなく反射したＹＡＧレーザの反射光の強度を個々に計測すると共に、これら検出信号に含まれる周波数成分として、１００Ｈｚ程度以下の低周波成分（ＤＣ成分）と、このＤＣ成分強度をベースとして１０ｋＨｚ程度までの大きな時間的変動を伴う高周波成分（ＡＣ成分）の両方の強度をそれぞれ検出すると、これら都合４種類の信号情報、すなわちプラズマ発光強度のＤＣ成分およびＡＣ成分、ＹＡＧ反射光のＤＣ成分およびＡＣ成分の信号情報が溶接パラメータ、例えばレーザ出力や焦点位置、ワークの合わせ隙間などの変動に対してそれぞれ特徴的な挙動を示すことに着目し、ＹＡＧレーザ溶接に際して、これら４種類の信号情報の変化を監視することによって、溶接部品質が予測できると共に、品質の不良原因がどのパラメータの変動によるものであるかをほぼ確実に推定して、不良原因を解消することが可能になることを見出だすに至った。
【０００８】
本発明は、このような知見に基づくものであって、本発明の請求項１に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法は、ＹＡＧ溶接に際して、溶接部からの可視光の発光強度と共に、ＹＡＧレーザの反射光の強度をそれぞれ検出し、これら検出信号の周波数成分として、５０〜２００Ｈｚの間の任意の周波数以下の低周波成分と、前記任意の周波数を超える高周波成分の両者の強度に基づいて溶接部の品質を判定する構成とし、ＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法におけるこのような構成を前述した従来の課題を解決するための手段としたことを特徴としている。
【０００９】
本発明によるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法の実施態様として請求項２に係わるモニタリング方法においては、被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる位置において前記可視光および反射光の強度を検出する構成とし、同じく実施態様として請求項３に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法においては、被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる第１の位置と、前記仰角が１５°以下となる第２の位置において前記可視光および反射光の強度をそれぞれ検出し、それぞれの検出信号に基づいて溶接部の品質を判定する構成としたことを特徴としている。
【００１０】
【発明の作用】
本発明に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法においては、上記したような少なくとも４種類の信号情報、すなわちプラズマ発光強度のＤＣ成分およびＡＣ成分、ＹＡＧ反射光のＤＣ成分およびＡＣ成分の信号情報に基づいて複合的な判定を行うことによって溶接部品質を推定するようにしている。
【００１１】
すなわち、図６（ａ）および図７（ａ）は、ＹＡＧレーザ溶接時に溶接部から発生するプラズマ発光強度、およびワークに吸収されることなく反射したＹＡＧ反射光強度の信号例を示すものであって、低周波成分の大きさを評価する値として、図中に示すように、例えば１０００ｍｓ程度の時間的平均値であるＩｄｐ、およびＩｄｒがＤＣ成分として定義される。
【００１２】
また、図６（ｂ）および図７（ｂ）は、図６（ａ）および図７（ａ）に示したプラズマ発光強度およびＹＡＧ反射光強度の信号の高周波成分をそれぞれ示しており、高周波成分の大きさとしては、図中に示す変動幅Ｉａｐ、およびＩａｒに相当し、例えば、各ピーク値から平均値（ＤＣ成分）を引いた値の二乗平均がＡＣ成分として定義される。
【００１３】
本発明の請求項１に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法においては、上記４種類の信号情報、すなわちプラズマ発光強度のＤＣ成分Ｉｄｐ、ＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分Ｉｄｒ、プラズマ発光強度のＡＣ成分Ｉａｐ、およびＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分Ｉａｒに基づいて溶接部品質を判定するようにしており、これらの信号情報が、各溶接パラメータの変動に対してそれぞれ特有の変化挙動を示すことから、溶接部品質の判定と同時に、品質不良原因となるパラメータが推定されることになる。
【００１４】
このとき、低周波成分（ＤＣ成分）と高周波成分（ＡＣ成分）とを区分する周波数として、５０から２００Ｈｚまでの間の周波数を任意に選択することができるが、図８（ａ）および（ｂ）に示したプラズマ発光強度およびＹＡＧ反射光強度の周波数分布から判るように、１０ｋＨｚを超える周波数が極めて少なくなっていることから検出してもほとんど意味がなく、高周波成分としての周波数の上限を１０ｋＨｚに設定してもよい。
【００１５】
図９は、プラズマ発光強度およびＹＡＧ反射光強度の検出強度に及ぼす検出角度、すなわちプラズマ発光およびＹＡＧ反射光を受光するセンサーユニットに対する被溶接材表面からの仰角の影響を図示したものであって、検出角度（仰角）が大きくなるにしたがって、溶接部のキーホール内部からのプラズマ発光およびＹＡＧ反射光が加わることから検出強度が高くなり、とくに１５°を超えると検出強度の増加傾向が顕著となり、５０°あたりから検出強度の上昇が飽和し始める傾向が認められる。
【００１６】
本発明によるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法の実施態様として、請求項２に係わるモニタリング方法においては、可視光（プラズマ発光）強度およびＹＡＧ反射光強度の検出を検出角度、すなわち被溶接材の表面からの仰角が５０°以上となる位置から行うようにしているので、図９から明らかなように、得られる信号強度が高いものとなって、ＳＮ比の高い信号が得られることになる。
【００１７】
さらに実施態様として、請求項３に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法においては、プラズマ発光強度およびＹＡＧ反射光強度の検出を被溶接材の表面からの仰角が５０°以上となる第１の位置と、１５°以下となる第２の位置の両方から行うようにしているので、第１の位置からはキーホール内部をも含めた溶接部全体の信号情報が得られ、第２の位置からはキーホール内部を除く溶接表面部の信号情報が得られることになり（両信号を減算すればキーホール内部からの情報信号となる）、情報量が２倍の８種類となることから溶接部品質の判定や品質不良原因パラメータの特定精度がさらに高いものとなる。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法は、ＹＡＧ溶接に際して、溶接部からの可視光（プラズマ光）の発光強度に加えて、ＹＡＧレーザの反射光の強度を検出すると共に、これら検出信号の低周波成分と高周波成分の両者の強度、すなわち都合４種類の信号情報に基づいて溶接部の品質を複合的に判定するようにしているので、溶接部品質の判定精度が向上すると共に、各信号情報の特異的な変化に基づいて溶接部品質の不良原因をも高精度に推定することができるという極めて優れた効果をもたらすものである。
【００１９】
また、本発明によるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法の実施態様として請求項２に係わるモニタリング方法においては、前記可視光および反射光の強度を被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる位置において検出するようにしているので、得られる検出信号の強度およびＳＮ比を高めることができ、精度の高いモニタリングが可能になり、同じく実施態様として請求項３に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法においては、前記可視光および反射光の強度を被溶接材表面からの仰角が５０°以上となる第１の位置と、仰角が１５°以下となる第２の位置からそれぞれ検出し、それぞれの検出信号に基づいて溶接部の品質を判定するようにしているので、溶接部品質の判定や品質不良原因パラメータの特定を８種類の信号情報に基づいて行うことができ、溶接部のモニタリング精度をさらに向上させることができるというさらに優れた効果がもたらされる。
【００２０】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００２１】
図１（ａ）は、本発明に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法を実施するための溶接装置の構成例を示すものであって、図に示すＹＡＧレーザ溶接装置は、ＹＡＧレーザ発振器１を備え、当該発振器１で発生したレーザ光は光ファイバー２によって集光光学系に導かれ、コリメーションレンズ３によって平行光とされたのち、集光レンズ４によりワーク（被溶接材）５の表面に集光され、溶接が行われる。
【００２２】
一方、ワーク５の表面からの仰角θ１  が６０°となる第１の位置には第１のセンサ６ａが配設されると共に、ワーク５の表面からの仰角θ２  が１０°となる第２の位置には第２のセンサ６ｂが配設されており、これらセンサ６ａ，６ｂによって、溶接に際して溶接部から発生するプラズマ光（可視光）と、溶接部に照射されたのちワーク５に吸収されることなく反射したＹＡＧレーザの反射光の強度がそれぞれ電気信号に変換され、プリアンプ，フィルタ，ＡＤ変換器，パソコンなどから構成される計測装置７に入力されるようになっている。
【００２３】
前記第１および第２のセンサ６ａ，６ｂは、図１（ｂ）に示すように、２つのフォトダイオード８，９と、ダイクロイックミラー１０、および１０６４ｎｍ±１０ｎｍの波長のみを透過する干渉フィルター１１から構成されている。
【００２４】
当該センサ６ａおよび６ｂにおいては、まず、図中の左側から入射した溶接部からの光がダイクロイックミラー１０によって波長に応じて選択される。すなわち波長５００ｎｍ以下の可視光はダイクロイックミラー１０に反射されてフォトダイオード８に導かれ、プラズマ光として電気信号に変換されて、その強度が検出される。一方、溶接部からの入射光のうちの赤外光は、ダイクロイックミラー１０を透過したのち、１．０６μｍの波長を有するＹＡＧレーザ光のみが干渉フィルター１１を透過してフォトダイオード９に導かれ、ＹＡＧ反射光として電気信号に変換され、前記計測装置７にそれぞれ入力される。
【００２５】
第１センサ６ａおよび第２センサ６ｂによって検出されたプラズマ発光強度信号と、ＹＡＧ反射光強度信号は、図６および図７に示したように１００Ｈｚ以下の低周波成分（ＤＣ成分）と、１００Ｈｚを超え１０ｋＨｚまでの高周波の変動成分（ＡＣ成分）とに分けてその強度がそれぞれ検出される。
【００２６】
図２ないし図４は、その検出結果の一例を示すものであって、２枚の鋼板を密着させる（重ね隙間：０）と共に、焦点距離２００の集光レンズ４によりワーク５の表面にＹＡＧレーザの焦点を合わせ（焦点位置：０）、加工点のレーザ出力が３ｋＷ、溶接速度が４ｍ／ｍｉｎの条件を標準として、板厚０．８ｍｍの鋼板２枚を重ね溶接するに際して、溶接時に変動する可能性の高いパラメータとして、加工点出力、焦点位置およびワークの重ね隙間をそれぞれ変化させた場合の各信号成分の変化を示すものである。
【００２７】
すなわち、図２（ａ）ないし（ｄ）は、加工点のレーザ出力と、プラズマ発光強度のＤＣ成分、プラズマ発光強度のＡＣ成分、ＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分、およびＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分の変化を示している。なお、これらの図において、ワーク表面からの仰角が６０°となる第１センサ６ａからの検出信号を□印により、仰角が１０°となる第２センサ６ｂからの検出信号を○印によってそれぞれ示すと共に、鋼板の裏面までの貫通溶接となる範囲を良好な溶接範囲として網がけすることによって示してある。
【００２８】
これらの図に示すように、加工点出力の変動に伴って、これら８種類の検出信号がそれぞれな特徴的に変化することが確認され、ここでは、標準条件からの信号変化が大きい図２（ｄ）の信号、すなわちＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分を用いると加工点出力の変動を精度よく捉えることができることが解る。
【００２９】
図３（ａ）ないし（ｄ）は、焦点位置の変動に伴う各検出信号の変化を同様に示している。ここでは、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、プラズマ発光強度のＤＣ成分、プラズマ発光強度のＡＣ成分およびＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分の検出信号が焦点位置０を極小とする変化特性を示しているのに対し、図３（ｄ）に示すＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分の検出信号が焦点位置０を極大とする特性を示している。したがってこの２つの特性を合わせて検出することにより、焦点位置の変動を検出することが可能になる。なお、焦点位置のプラスの数値はレーザの焦点位置が図１（ａ）に示したワークの上方側にあることを表し、マイナスの数値は焦点がワークの表面より下側に位置することを意味する。
【００３０】
また、図４（ａ）ないし（ｄ）は、ワーク５の重ね隙間の変動に伴う各検出信号の変化を同様に示しており、ここでは、図４（ｂ）に示したプラズマ発光強度のＡＣ成分の信号が最も大きく変化しており、この信号変化を把握することにより、重ね隙間の変動を精度よく検出することができる。
【００３１】
図５は、上記各図のうちから図２（ｃ），図３（ｃ）および図４（ｃ）のデータを取り出し、横軸にＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分の第１センサ６ａ（仰角６０°）からの信号を採り、縦軸に同じくＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分であって、第２センサ６ｂ（仰角１０°）からの信号を採ることによって、それぞれの加工点出力、焦点位置、重ね隙間ごとに２次元的にプロットすると共に、数値順に連結したものである。なお、図中には、加工点出力を○印、焦点位置を□、ワークの重ね隙間を△で示すと共に、良好な溶接範囲に相当するものを塗り潰して示してある。
【００３２】
すなわち、図５に示すように、各パラメータによる良好な溶接範囲は、図の中心側に位置し、各パラメータが溶接品質が不良になる方向に変動したときにはプロット点が中心側から外周方向に移動し、しかも各パラメータによってその移動方向が異なっている。したがって、その移動方向を把握することによってどのパラメータが溶接不良の原因であるかを推定することが可能になる。例えば、図５中に示す矢印Ａ方向に移動すれば加工点出力の変動による溶接不良であり、矢印Ｂ方向にずれた場合には焦点位置の変動によるものであり、矢印Ｃ方向に移動した場合には重ね隙間の異常によるものであることが判ることになる。
【００３３】
したがって、例えば、図の中心側に良好な溶接品質が得られる管理範囲を設定し、この範囲から外れた場合に溶接不良の警告を発すると共に、どの領域に外れたかによってチェックする溶接パラメータを表示させるようにすることができる。また、管理範囲から外れた場合に、該当するパラメータを自動的に修正する完全自動システムとすることも可能である。
【００３４】
上記実施例においては、代表的な溶接パラメータとして、加工点のレーザ出力、焦点位置およびワーク５の重ね隙間の３つのパラメータについて説明したが、この他のパラメータ、例えば溶接速度やガス流量についても同様のデータを求めて、同様の管理を行うことができる。
【００３５】
また、図５に示したようなチャート図についても、その縦軸および横軸を上記の組合わせだけでなく、８種類の検出信号から任意の２組を選択することによって、種々の組合わせのものを作成することができ、これらのうちから監視や制御に最も適したものを選択して使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）    本発明に係わるＹＡＧレーザ溶接部の品質モニタリング方法を実施するための溶接装置の構成例を示すブロック図である。
（ｂ）    図１（ａ）に示したセンサの構造例を示す概略説明図である。
【図２】（ａ）    加工点のレーザ出力とプラズマ発光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    加工点のレーザ出力とプラズマ発光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｃ）    加工点のレーザ出力とＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    加工点のレーザ出力とＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
【図３】（ａ）    焦点位置とプラズマ発光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    焦点位置とプラズマ発光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｃ）    焦点位置とＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    焦点位置とＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
【図４】（ａ）    ワークの重ね隙間とプラズマ発光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    ワークの重ね隙間とプラズマ発光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｃ）    ワークの重ね隙間とＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分との関係を示すグラフである。
（ｂ）    ワークの重ね隙間とＹＡＧ反射光強度のＡＣ成分との関係を示すグラフである。
【図５】各溶接パラメータの変動に基づく第１センサおよび第２センサにより検出されたＹＡＧ反射光強度のＤＣ成分信号の変化を２次元的に示したグラフである。
【図６】（ａ）    プラズマ発光強度の低周波成分の信号例を示すグラフである。
（ｂ）    プラズマ発光強度の高周波成分の信号例を示すグラフである。
【図７】（ａ）    ＹＡＧ反射光強度の低周波成分の信号例を示すグラフである。
（ｂ）    ＹＡＧ反射光強度の高周波成分の信号例を示すグラフである。
【図８】（ａ）    プラズマ発光強度の周波数分布を示すグラフである。
（ｂ）    ＹＡＧ反射光強度の周波数分布を示すグラフである。
【図９】プラズマ発光強度およびＹＡＧ反射光強度の検出角度による影響を示すグラフである。
【符号の説明】
５    ワーク（被溶接材）
Ｉｄｐ，Ｉｄｒ    ＤＣ成分（低周波成分）
Ｉａｐ，Ｉａｒ    ＡＣ成分（高周波成分）
【図１】
0003560135.tif 000002
【図２】
0003560135.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003560135.tif 000006
【図６】
0003560135.tif 000007
【図７】
0003560135.tif 000008
【図８】
0003560135.tif 000009
【図９】
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