(57)【要約】【課題】種々の溶接欠陥につながる溶接状況を的確に把握できるようにする。【解決手段】被溶接物Ｗにレーザ光Ａを照射するレーザトーチ１に、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光Ｂを光学フィルタ７を介して受光するＣＣＤカメラ８を取付け、このＣＣＤカメラ８によりキーホール４を含む溶融部５およびその周辺を撮像する。そして、得られた画像を信号処理装置９内の画像解析手段１１に送って、該画像解析手段１１に画像から把握される溶融部５の長さ／幅比を演算させると共に、その演算結果を品質判定手段１２に送って、前記長さ／幅比が予め記憶したしきい値よりも大きい場合に、引け不良と判定させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融部およびその周辺を撮像し、この撮像した画像から把握される溶融部の形状的な特徴に基いて溶接品質を評価することを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
【請求項２】
画像についての輝度積算プロファイルから溶融部の形状的な特徴を把握することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【請求項３】
溶接方向についての輝度積算プロファイと溶接方向に直交する方向についての輝度積算プロファイルから溶融部の長さ／巾比を求め、該長さ／巾比が、所定値よりも大きい場合に引け不良と判断することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【請求項４】
溶接方向についての輝度積算プロファイルから溶融部の長さを求め、該長さが、異常拡大した後、急減したときに、溶接途中で溶け落ちが発生したと判断することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【請求項５】
溶接方向についての輝度積算プロファイルに、キーホールを中心とする３つのピークが現われたときに、溶接開始直後から溶け落ちが発生していると判断することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【請求項６】
溶接方向についての輝度積算プロファイルの谷部の前・後のエネルギー比を求め、該エネルギー比が所定値よりも小さいときに、非貫通溶接と判断することを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【請求項７】
レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融部およびその周辺を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像した画像から溶融部の形状的な特徴を求めると共に、該形状的な特徴に基いて溶接品質を判定する信号処理手段とを備えていることを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。
【請求項８】
撮像手段が、ＣＣＤカメラであることを特徴とする請求項７に記載のレーザ溶接品質評価装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握し、評価する技術に係り、特にレーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価方法、装置としては、特許文献１に記載されたものがある。このものは、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光を集光レンズで集光してＣＣＤカメラ（撮像装置）へ送り、ＣＣＤカメラからの各画素の輝度レベルに基いて溶接欠陥の有無を判定するようにしている。
【特許文献１】特開２０００−４２７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、たとえば、二枚の板材（鋼板等）を重ね合せてレーザ溶接する、いわゆるレーザ重ね溶接においては、板材間に存在する隙間の大きさによって溶接状況が大きく変化し、該隙間が大きくなると引け、溶け落ち等の溶接欠陥が発生する。しかしながら、上記特許文献１に記載されるようにレーザの反射光の輝度レベルから溶接欠陥の有無を判断する方式では、これら引け、溶け落ち等が発生している溶接状況を正確に把握することが困難である、という問題があった。
【０００４】
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、種々の溶接欠陥につながる溶接状況を的確に把握できるようにし、もって信頼性の向上に大きく寄与するレーザ溶接品質評価方法および装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上記した課題を解決するためになされたもので、本発明に係るレーザ溶接品質評価方法は、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融部およびその周辺を撮像し、この撮像した画像から把握される溶融部の形状的な特徴に基いて溶接品質を評価することを特徴とする。この場合、前記溶融部の形状的な特徴は、画像についての輝度積算プロファイルから把握するようにしてもよい。
【０００６】
また、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、レーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光により溶融部およびその周辺を撮像する撮像手段と、該撮像手段により撮像した画像から溶融部の形状的な特徴を求めると共に、該形状的な特徴に基いて溶接品質を判定する信号処理手段とを備えていることを特徴とする。この場合、前記撮像手段としては、ＣＣＤカメラを用いることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係るレーザ溶接品質評価方法および装置によれば、撮像した画像から把握される溶融部の形状的な特徴に基いて溶接品質を評価するので、引け、溶け落ち、非貫通溶接等を含めた種々の溶接欠陥を正確に把握することができ、溶接品質の評価に対する信頼性が著しく向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示したものである。同図において、１はレーザトーチであり、レーザトーチ１内には、レーザ発振器２から光ファイバ３を通して送られたレーザ光Ａを被溶接物Ｗへ向けて照射する光学系が内蔵されている。被溶接物Ｗは、ここでは相互に重ね合された２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、レーザ溶接に際しては、レーザトーチ１から出射されるレーザ光Ａが上側の鋼板Ｗ１上に所定の大きさのパターンとなるように照射され、この状態で、レーザトーチ１が被溶接物Ｗに対して溶接方向Ｆへ移動される。なお、レーザトーチ１の位置を固定して被溶接物Ｗを溶接方向Ｆへ移動させてもよいことはもちろんである。
【０００９】
レーザ溶接においては、同じく図１に示されるように、被溶接物Ｗに対するレーザ光Ａの照射域にキーホール４が形成されると共に、このキーホール４の周りに金属の溶融部（溶融池）５が形成される。溶融部５は溶接方向Ｆの後側へ延びるように形成され、溶融金属は、レーザトーチ１の移動（被溶接物Ｗとの相対移動）に応じて溶融部５の後端側から順次凝固する。図１中、６は、前記溶融金属の凝固跡である溶接ビードを示しており、被溶接物Ｗとしての２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２は、この溶接ビード６を介して相互に重ね溶接される。なお、溶接用レーザ光Ａとしては、ＹＡＧレーザ光、炭酸ガスレーザ光等の高出力レーザ光が用いられる。
【００１０】
本実施形態において、上記レーザトーチ１の後端部には、溶融部５およびその周辺から反射されるレーザ光の反射光Ｂを光学フィルタ７を通して、溶接用レーザ光Ａと同軸で受光するＣＣＤカメラ（撮像手段）８が取付けられている。光学フィルタ７は、レーザ光の波長成分を透過帯域とする干渉フィルタであり、ＣＣＤカメラ８は、この光学フィルタ７を透過したレーザ光の反射光Ｂにより溶融部５およびその周辺を撮像し、該溶融部５およびその周辺の画像（可視化画像）を得る。また、別途、信号処理装置（信号処理手段）９が設けられており、この信号処理装置９には、前記ＣＣＤカメラ８によって撮像した画像が信号線１０を介して送出されるようになっている。信号処理装置９は、ＣＣＤカメラ８で撮像された画像を後述の手法で解析し、溶融部の形状的な特徴を特定する画像解析手段１１とこの画像解析手段１１での解析結果に基いて溶接品質の良否を判定する良否判定手段１２とを備えている。
【００１１】
ここで、レーザ光の反射光Ｂから得られる溶融部５の画像は、正常な溶接時には、図２（ａ）に示されるように、上記したキーホール４を暗視野２０として高輝度領域２１がドーナツ状に現われる。そして、この高輝度領域２１の形状は、溶接状況に応じて変化し、たとえば、同図（ｂ）、（ｃ）に示されるように溶接方向Ｆの前・後に分裂する。この場合、溶接方向の前側に位置する弓形の前側高輝度部２１ａは前記キーホール４の前壁部分に、溶接方向の後側に位置する後側高輝度部２１ｂは前記キーホール４の後壁部分（通常、ここを溶融池先端部と呼んでいる）にそれぞれ相当しており、その分裂は、前側高輝度部２１ａに対して後側高輝度部２１ｂが溶接方向Ｆの後側へ後退する現象として、すなわち溶融池先端部が後退する現象として現われる。なお、図２には、明瞭化を図るため、画像を模式図として表わしている。以下、画像については全て模式図として表わすこととする。
【００１２】
本発明者等は、上記した高輝度領域２１の分裂状況と実際の溶接品質との関係について種々調査した結果、引け量が大きくなる程、図２（ｂ）に示されるように前側高輝度部２１ａに対して後側高輝度部２１ｂが溶接方向Ｆの後ろ側へ後退し、溶け落ちに近い状況では、図２（ｃ）に示されるように前側高輝度部２１ａに対して後側高輝度部２１ｂが溶接方向Ｆの後側へ大きく後退することを見出した。
【００１３】
そこで、本発明者等は、図３に示すように高輝度領域（画像）２１から把握される溶融部の全長Ｌを該溶融部の幅（ビード幅）Ｗで正規化し、この正規化した数値（Ｌ／Ｗ）と溶接品質との関係について種々調査した。図４は、板厚０.７ｍｍの２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２をレーザ重ね溶接した際の結果を示したもので、これより前記Ｌ／Ｗ比が大きくなる程、実際の引け量（実測引け量）が直線的に増大することが分かった。
【００１４】
ところで、上記図２（ａ）〜（ｃ）に示される溶融部の画像について、垂直軸方向に輝度値を積算して、この輝度積算値の水平軸方向（溶接方向）の分布をみると、図５（ａ）〜（ｃ）に示すようになる。この図５（ａ），（ｂ），（ｃ）は前記図２の（ａ），（ｂ），（ｃ）にそれぞれ対応しており、各輝度積算値の分布（以下、これを輝度積算プロファイルという）には、上記前側高輝度部２１ａ、後側高輝度部２１ｂに対応したピークＰ１、Ｐ２が現われる。本実施形態においては、前側高輝度部２１ａに対応したピークＰ１の立上り点と後側高輝度部２１ｂに対応したピークＰ２の位置との距離ｌを上記溶融部５の全長Ｌ（図３）とし、この長さＬを上記信号処理装置９内の画像解析手段１１に演算させるようにしている。また、図２（ａ）〜（ｃ）に示される溶融部の画像について、水平軸方向に輝度値を積算して、この輝度積算値の垂直軸方向（溶接方向と直交する方向）の分布をみると、台形状の輝度積算プロファイル（図示略）となる。本実施形態においては、前記台形状の輝度積算プロファイルの上下に生じる立上り点を結ぶ距離を上記溶融部５の全幅Ｗ（図３）として、この幅Ｗを同じく画像解析手段１１に演算させるようにしている。
【００１５】
また、画像解析手段１１による画像解析の精度向上と迅速化とを図るため、ＣＣＤカメラ８で得られた画像に対して解析エリアを設定している。この解析エリアの設定は、図３に示されるように、上記水平軸方向の輝度積算プロファイル（図５）に示されたピークＰ１（前側高輝度部２１ａに対応）の立上り点の左側に所定の画素数をオフセットさせた位置を水平軸方向の解析開始位置Ｓ１、この解析開始位置Ｓ１から溶接方向の後側へ所定の画素数をオフセットさせた位置を解析終了位置Ｓ２、上記垂直軸方向の台形状の輝度積算プロファイルの上側立上り点から上方向へ所定の画素数をオフセットさせた位置を上解析位置Ｓ３、同じ台形状の輝度積算プロファイルの下側立上り点から下方向へ所定の画素数をオフセットさせた位置を下解析位置Ｓ４として、これら位置Ｓ１〜Ｓ４で囲まれた領域とした。この場合、解析終了位置Ｓ２は、溶融池先端部が大きく後退した場合（図２（ｃ））にも該先端部が入るように十分大きくとる。
【００１６】
信号処理装置９内の画像解析手段１１は、ＣＣＤカメラ８により撮像した画像に上記解析エリアＳを設定する機能と、この解析エリアＳ内の画像から把握される溶融部の長さＬおよび幅Ｗを演算する機能と、これらＬおよびＷに基づいてＬ／Ｗ比を演算する機能とを有している。一方、良否判定手段１２には、図４に示される相関図に設定した、Ｌ／Ｗ比のしきい値Ｒａが予め記憶されている。図４は、前記したように板厚０.７ｍｍの２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２をレーザ重ね溶接した場合の結果であり、たとえば、引け量が板厚の５０％に達した場合に引け不良とするには、前記しきい値Ｒａを１.７５程度にすればよい。良否判定手段１２は、前記画像解析手段１１で得られたＬ／Ｗ比と予め記憶したしきい値Ｒａとを比較し、Ｌ／Ｗ比がしきい値Ｒａを超えたときに溶接不良（引け不良）と判断する機能を有している。
【００１７】
上記のように構成したレーザ溶接品質評価装置においては、溶接開始と同時に、ＣＣＤカメラ８による高速（例えば、毎秒３０コマ）での撮影が開始され、これにより、信号処理装置９内の画像解析手段１１にはＣＣＤカメラ８により撮像された１コマごとの画像が高速で送出される。画像解析手段１１は、ＣＣＤカメラ８から送出された画像に前記解析エリアＳを設定し、この解析エリアＳ内の画像を解析して、前記した高輝度領域２１の全長Ｌと全幅Ｗとの比（Ｌ／Ｗ比）、すなわち画像から把握される溶接部の長さ／幅比を求め、このデータを良否判定手段１２へ送出する。すると、良否判定手段１２は、このＬ／Ｗ比と予め記憶したしきい値Ｒａ（図４）とを比較し、Ｌ／Ｗ比がしきい値Ｒａを超えるときに引け不良と判断する。なお、必要により、この判定結果を、前記ＣＣＤカメラ８により撮像した画像と合せて表示装置に表示させるようにしてもよい。
【００１８】
ところで、レーザ重ね溶接においては、被溶接物Ｗである２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２の間に存在する隙間が大きくなると、溶け落ちの現象が発生するが、この溶け落ちの現象は、溶接途中で発生する場合と溶接開始直後から発生する場合とで異なっている。溶接途中で溶け落ちが発生する場合は、溶融池先端部が異常後退した後に溶け落ちて、その点から新たに溶接が開始されるため、溶け落ち直後の画像は、正常な溶接に近い状態（図２（ａ））となる。この場合、画像から把握される溶融部５の全長Ｌは、一旦拡大した後、急激に正常溶接の値まで復帰することになり、したがって、この全長Ｌの動きを、画像解析手段１１による画像解析によって捉えることで、溶接途中の溶け落ちを把握できる。
【００１９】
一方、溶接開始直後から溶け落ちが発生している場合は、溶融池先端部（キーホールの後壁部分）からの反射光が得られないため、ＣＣＤカメラ８で得られた画像は、図６（ａ）に示されるように、一見、正常溶接時の画像（図２（ａ））と類似したものとなる。この場合、上記したように求めた水平軸方向の輝度積算プロファイルも、図６（ｂ）に示されるように正常溶接時の輝度積算プロファイル（図５（ａ））と明確に区別することが困難である。しかし、図６（ａ）に示される画像を詳細に観察すると、前側高輝度部２１ａの後方（キーホール４の部分）にリング状の高輝度部２１ｃが観察される。そこで、前記画像について最小値フィルタ処理を行い、この処理後の画像について水平軸方向の輝度積算プロファイルを求めると、図６（ｃ）に示されるように、３つのピークＰａ、Ｐｂ，Ｐｃが明瞭に現われる。このうち、左側のピークＰａはキーホール４の前壁部分からの反射光によるもので、前記した弓形をなす前側高輝度部２１ａに対応するピークＰ１（図５）に相当する。また、右側の２つのピークＰｂ，Ｐｃは前記リング状の高輝度部２１ｃの両側部分からの反射光によるものである。したがって、この輝度積算プロファイルの特徴を画像解析手段１１による画像解析によって捉えることで、溶接開始直後からの溶け落ちを把握できる。この場合、ピークの数で特徴付けしても、各ピークの相互間の距離で特徴付けしてもよい。
【００２０】
レーザ重ね溶接においてはまた、レーザ光Ａが被溶接物Ｗを貫通しない、いわゆる非貫通溶接の現象が発生する場合がある。このような非貫通溶接の場合、レーザ照射域中心からの反射光が極めて強くなるため、ＣＣＤカメラ８により得られた画像は、図７（ｂ）の上段に示されるように、前記した弓形をなす前側高輝度部２１ａの後方に円形状の高輝度部２１ｄが存在する形態となる。この場合、該画像についての水平軸方向の輝度積算プロファイルは、図７（ｂ）の下段に示されるように、谷部を中心としてその右側が左側に対して幅広く現われる。一方、正常溶接時（貫通溶接時）の場合は、図７（ａ）の上段に示されるように高輝度領域２１がドーナツ状に現われることから、その輝度積算プロファイルは、図７（ａ）の下段に示されるように、谷部を中心としてその左側が右側に対して幅広く現われる。この谷部を中心とした左右の幅Ｅ１，Ｅ２はエネルギーに相当し、図７中の（ａ）と（ｂ）との比較から、正常溶接時にはこの左右のエネルギー比Ｅ１／Ｅ２が比較的大きく現われ、非貫通溶接時にはこの左右のエネルギー比Ｅ１／Ｅ２が比較的小さく現われることが分かる。したがって、画像解析手段１１による画像解析によってこのエネルギー比Ｅ１／Ｅ２比を捉えることで、該Ｅ１／Ｅ２比が所定値以下のときに、非貫通溶接が発生しているとを判断することができる。
【００２１】
なお、上記実施形態においては、溶接用レーザ光Ａの反射光Ｂを、レーザ光Ａと同軸でＣＣＤカメラ８に取込むようにしたが、本発明は、ＣＣＤカメラ８をレーザトーチ１の側方に配置して、溶接用レーザ光Ａと非同軸で反射光ＢをＣＣＤカメラ８に取込むようにしてもよいものである。ただし、この場合は、得られる画像が前記同軸で反射光を取込む場合と異なるので、ＣＣＤカメラによって得られた画像と溶接品質との関係について、事前に把握しておく必要がある。
【００２２】
また、上記実施形態においては、２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２の重ね合せ溶接に適用した例を示したが、本発明は、これ以外にも２つの部材の突合せ溶接、隅肉溶接等に適用できることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示す模式図である。
【図２】本レーザ溶接品質評価装置で得られる画像を、溶接状況に応じて示す模式図である。
【図３】画像に対する全長および全幅の設定要領と解析領域の設定要領とを示す模式図である。
【図４】画像から把握される溶融部の長さ／幅比と実測引けとの相関を示すグラフである。
【図５】図２に示した各画像についての水平軸方向の輝度積算プロファイルを示すグラフである。
【図６】溶接開始直後から溶け落ちが発生している場合の画像と該画像についての輝度積算プロファイル並びに信号処理後の木戸積算プロファイルとを示す図である。
【図７】非貫通溶接時の画像および輝度積算プロファイルを正常溶接時の画像および輝度積算プロファイルと対比して示す図である。
【符号の説明】
【００２４】
１    レーザトーチ
４    キーホール
５    溶融池（溶融部）
７    光学フィルタ
８    ＣＣＤカメラ（撮像手段）
９    信号処理装置（信号処理手段）
１１  画像解析手段
１２  良否判定手段
２１  画像内の高輝度部分
Ａ    溶接用レーザ光
Ｂ    レーザ光の反射光
Ｗ    被溶接物
【図１】
2006043741.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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