(57)【要約】【課題】溶接品質の判定精度を向上する。【解決手段】被溶接材にレーザ光を照射することにより形成された溶融池を撮影する工程を備えたレーザ溶接良否判定方法において、撮影された溶融池の画像から、溶接方向に直交する方向の溶融池の幅を計測する工程と、計測された溶融池の幅から溶込み深さを推測する工程と、推測された溶込み深さと計測された溶融池の幅から溶接品質の良否を判定する工程とを備える。また、被溶接材にレーザ光を照射することにより溶融池を形成するレーザヘッドと、溶融池を撮影する撮影装置とを備えたレーザ溶接良否判定装置において、撮影された溶融池の画像が入力されるデータ処理装置を備え、データ処理装置は、溶融池の画像の輝度を測定する輝度測定装置と、溶接方向に直交する方向の溶融池の幅に対応する溶込み深さを記録した第一データベースと、溶融池の幅と溶込み深さとに基づく溶接品質の要否判断を記録した第二データベースとを備える。【選択図】  図１
2015188938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接材にレーザ光を照射することにより形成された溶融池を撮影する工程を備えたレーザ溶接良否判定方法において、
撮影された前記溶融池の画像から、溶接方向に直交する方向の前記溶融池の幅を計測する工程と、
計測された前記溶融池の幅から溶込み深さを推測する工程と、
推測された前記溶込み深さと計測された前記溶融池の幅から溶接品質の良否を判定する工程とを備えることを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項２】
請求項１において、前記溶融池の幅を計測する工程は、前記被溶接材の溶融時の放射光の輝度を輝度域値とした場合に、前記溶融池の画像中で前記輝度域値以上の輝度を示す部分を溶融池として検出し、前記溶接方向に直交する方向において前記輝度域値を示す２点間の距離のうち最大のものを前記溶融池の幅として計測することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記溶込み深さを推測する工程は、あらかじめ定めたデータベースに前記溶融池の幅を照合して前記溶込み深さを推測することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項４】
請求項１又は２において、撮影された前記溶融池の画像から、溶接方向の前記溶融池の長さを計測する工程を更に備え、前記溶込み深さを推測する工程は、計測された前記溶融池の幅と長さから前記溶込み深さを推測することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項５】
請求項４において、前記溶込み深さを推測する工程は、あらかじめ定めたデータベースに前記溶融池の幅と長さを照合して前記溶込み深さを推測することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項６】
請求項４又は５において、前記溶接品質の良否を判定する工程は、推測された前記溶込み深さと計測された前記溶融池の幅と長さから前記溶接品質の良否を判定することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項７】
被溶接材にレーザ光を照射することにより形成された溶融池を撮影する工程を備えたレーザ溶接良否判定方法において、
撮影された前記溶融池の画像から、溶接方向に直交する方向の前記溶融池の幅を計測する工程と、
あらかじめ定めたデータベースの溶込み深さと計測された前記溶融池の幅から溶接品質の良否を判定する工程とを備えることを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項８】
請求項７において、前記溶融池の幅を計測する工程は、前記被溶接材の溶融時の放射光の輝度を輝度域値とした場合に、前記溶融池の画像中で前記輝度域値以上の輝度を示す部分を溶融池として検出し、前記溶接方向に直交する方向において前記輝度域値を示す２点間の距離のうち最大のものを前記溶融池の幅として計測することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項９】
請求項７又は８において、撮影された前記溶融池の画像から、溶接方向の前記溶融池の長さを計測する工程を更に備え、前記溶接品質の良否を判定する工程は、あらかじめ定めたデータベースの溶込み深さと計測された前記溶融池の幅と長さから溶接品質の良否を判定することを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
【請求項１０】
被溶接材にレーザ光を照射することにより溶融池を形成するレーザヘッドと、前記溶融池を撮影する撮影装置とを備えたレーザ溶接良否判定装置において、
撮影された前記溶融池の画像が入力されるデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は、
前記溶融池の画像の輝度を測定する輝度測定装置と、
溶接方向に直交する方向の前記溶融池の幅に対応する溶込み深さを記録した第一データベースと、
前記溶融池の幅と前記溶込み深さとに基づく溶接品質の要否判断を記録した第二データベースとを備えることを特徴とするレーザ溶接良否判定装置。
【請求項１１】
被溶接材にレーザ光を照射することにより溶融池を形成するレーザヘッドと、前記溶融池を撮影する撮影装置とを備えたレーザ溶接良否判定装置において、
撮影された前記溶融池の画像が入力されるデータ処理装置を備え、
前記データ処理装置は、
前記溶融池の画像の輝度を測定する輝度測定装置と、
溶接方向に直交する方向の前記溶融池の幅に対応する溶込み深さと、前記溶融池の幅と前記溶込み深さとに基づく溶接品質の要否判断を記録したデータベースとを備えることを特徴とするレーザ溶接良否判定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接良否判定方法及びレーザ溶接良否判定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、熱源のレーザ光のエネルギー密度が高く、低歪み、高速度、高精度の溶接継手が得られることから各方面で使用されている。自動車分野において、ステンレス鋼や炭素鋼などの鉄鋼材料や、アルミ合金や、ニッケル合金などの金属材料に対し、複数の被溶接材を重ね又は突合せて溶接した製品が多い。例えば、車体や、燃料ポンプ、インジェクタ（燃料噴射弁）の製造において、パルス波または連続波のレーザ光を用いた溶接プロセスが使われている。
【０００３】
また、樹脂などの非金属材料を使用したエアーフローセンサや、応力・ひずみセンサーなどの製品において、レーザ光を用いて樹脂部材を接合させるプロセスや接合装置にも開発、適用されている。
【０００４】
レーザ溶接された製品の品質を表わす指標は製品によって異なるが、継手の強度と密閉性が重要な指標になる。継手強度と密閉性を確保するために、溶込み深さが十分であり、また溶接割れやブローホール等の欠陥が発生しないことが必須条件である。
【０００５】
ところが、レーザ溶接においては、不十分な溶込み深さやブローホールの発生に及ぼす因子が多いため、溶接中に施工条件のパラメータや周囲環境等の変動により溶接品質のばらつきが生じる。そのため、生産過程での溶接品質の良否を正確且つ迅速に判定する方法が求められている。
【０００６】
例えば特許文献１には、レーザ光と同軸に設置したカメラを用いて、溶接中にレーザ照射位置付近の溶接現象を撮影し、撮影された画像から溶接中に発生したスパッタ数の検出頻度を解析して溶接の良否を判定するレーザ溶接良否判定方法及び良否判定装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】WO2011/024904
【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、上記特許文献の判定方法では、スパッタの発生頻度からピットやブローホール等の溶接ビードの表面欠陥の発生率を推定することはできるが、表面欠陥の発生率を推定するだけでは、溶接部分の強度や密閉性といった溶接品質の判定が困難だという課題がある。
【０００９】
本発明の目的は、溶接品質の判定精度を向上することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、請求項に記載の発明により達成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接品質の判定精度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１におけるレーザ溶接装置構成を示す図
【図２】本発明の実施例１により撮影された溶融池形状を示す図
【図３】本発明の実施例１における溶融池形状の測定方法を示す図
【図４】本発明の実施例１により得られた溶接ビード形状を示す図
【図５】本発明の実施例１における溶融池幅と溶込み深さの関係と溶接品質良否判定方法を示す図
【図６】本発明の実施例１における溶接品質良否判定方法のフローチャートを示す図
【図７】本発明の実施例１における溶接品質良否判定方法のフローチャートを示す図
【図８】本発明の実施例２におけるレーザ溶接装置の構成を示す図
【図９】本発明の実施例３におけるレーザ溶接装置の構成を示す図
【図１０】本発明の実施例３により得られた溶接ビード形状を示す図
【図１１】本発明の実施例３により得られた溶接ビード形状を示す図
【図１２】本発明の実施例３により得られた溶接ビード形状を示す図
【図１３】本発明の実施例４におけるレーザ溶接装置の構成を示す図
【図１４】本発明の実施例４により得られた溶接ビード形状を示す図
【図１５】本発明の実施例４により得られた溶接ビード形状を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、詳細を説明する。なお、本発明はここで取り上げた実施例に限定されることはなく、要旨を変更しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。
【実施例１】
【００１４】
図１に本発明の実施例１に用いたレーザ溶接装置の構成を示す。溶接方法は下記の通りである。本実施例の被溶接材は、例えば、板厚２．０ｍｍのステンレス鋼の突合せ継手等である。
【００１５】
本実施例のレーザ溶接では、例えば、波長が１０７０〜１０８０ｎｍのファイバーレーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。
【００１６】
レーザ発振器（図示なし）から発生したレーザ光２は、伝送ファイバー１を経由し、コリメーションレンズ３及びレーザ光の集光レンズ５により集光し、ステンレス鋼が突合せられた被溶接材６に照射される。図ではレーザ光はハーフミラー４を通過している。被溶接材６が固定されている場合はレーザヘッド１３を図の溶接方向に移動させ、レーザヘッド１３が固定されている場合は被溶接材６を溶接方向と逆方向に移動させて溶接する。
【００１７】
レーザ光２の照射により被溶接材６の表面に溶融池が形成される。溶融池からの放射光が集光レンズ５を経由し、ハーフミラー４によってコリメーションレンズ３と異なる方向に放射光が反射され、カメラ８の前に取り付けられているカメラ用の集光レンズ７により集光して、カメラ８に入射する。カメラ８で撮影された画像をデータ処理システム１０により分析し、モニタ９に分析結果である画像を表示する。
【００１８】
上記のカメラ８はレーザ光２と同軸に設置されているため、カメラ８が撮影した溶融池の形状は実際の溶融池と同じ形状を有する。従って、レーザ光の集光レンズ５とカメラ用の集光レンズ７の焦点距離と、画像の溶融池の大きさから実際の溶融池の大きさを計算できる。
【００１９】
図２に上記のレーザ溶接装置に取付けたカメラで撮影された溶融池の画像を示す。図中の白色の領域は溶融池の範囲を示している。またレーザ光の移動方向を溶接方向とする。
【００２０】
上記の溶融池の画像に対し、画像処理方法を用いて溶融池の幅と長さを測定することができる。本実施例では、溶接方向の直交方向における溶融池の最大の幅と、溶接方向における溶融池の最大の長さを測定する。
【００２１】
図３は溶融池の幅と長さを測定する方法の一例である。幅を測定する場合は、溶接方向と直交する方向に対して輝度分布を計測する。輝度はデータ処理システム１０内の輝度計測装置（図示なし）で計測される。この図の場合、溶接方向から見た溶融池の中央は、レーザが集中的に照射される部分なので溶融池の温度が高く、放射光の輝度も高くなる。溶接方向から見た溶融池の両端は、レーザの照射部分から離れているため溶融池が冷却されやすく、放射光の輝度も低くなる。溶融池の幅としては１ｍｍ〜２０ｍｍの例がある。
【００２２】
長さを測定する場合は、溶接方向に沿って輝度分布を計測する。この図の場合、溶融池の左側（溶接方向前方）ほどレーザ照射後からの経過時間が短いので溶融池の温度が高く、放射光の輝度も高くなる。溶融池の右側（溶接方向後方）ほど冷却が進み、溶融池の温度が下がり、放射光の輝度も低くなる。溶融池の長さとしては３ｍｍ〜２０ｍｍの例がある。
【００２３】
被溶接材の溶融時の放射光の輝度を測定等することにより、溶融池か否かを判断する輝度域値をあらかじめ定めておき、撮影画像中でその輝度域値以上の輝度を示すひとまとまりの部分を溶融池、輝度域値未満の輝度の部分を溶融池以外の部分として溶融池の形状を検出する。次に、検出された溶融池の幅方向（溶接方向の直交方向）において、輝度域値を示す２点間の距離を求める。この２点間の距離が最大となる位置が溶融池の最大の幅である。溶融池の溶接方向の長さも同様に求めることができる。
【００２４】
上記の溶融池の長さと幅の測定方法は４ヶ所の輝度変化から推定されるが、例えば、画像全体を２値化して溶融池の任意２点間距離を測定できる。
【００２５】
図４に本実施例により得られた溶接ビード形状の一例を示す。図は溶接方向から見た溶接部分の断面図である。溶接ビード１２は溶融池が冷却後に固化したものであり、溶接作業中は溶融池であった部分である。つまり、溶接ビード幅は溶融池の幅と同じである。レーザを直進させて溶接した際の溶融池の幅と溶込み深さには相関があり、溶込み深さが深くなるほど溶融池の幅は広くなりやすい。これは、被溶接材６の深くにまで溶け込む間に、被溶接材の表面にも熱が伝わり溶融池が広がり、結果として溶融池が幅広くなるためである。
【００２６】
本実施例に使用した板厚２ｍｍのステンレス鋼に対し、レーザ出力：５００Ｗ〜３０００Ｗ、ビームスポット径：０．１ｍｍ〜１．２ｍｍ、溶接速度：１０ｍｍ／ｓ〜１００ｍｍ／ｓの溶接条件としたところ、溶込み深さが溶融池の幅の増加に伴い増加した。この知見に基づき、種々の溶融池の幅に対応する溶接ビードの深さ（＝溶込み深さ）の記録をデータベースとしてあらかじめ作成し、データ処理システム１０に保存しておく。このデータベースと撮影画像から求めた溶融池の幅とを照合し、溶接中に溶込み深さを推測することができる。溶込み深さが溶接部分の強度や密閉性といった溶接品質に特に影響するので、この溶込み深さの値を用いることが溶接品質の判定精度の向上に寄与する。
【００２７】
次に、得られた溶融池の幅と溶込み深さを用いて溶接品質の要否を判断するためのデータベースを作成し、データ処理システム１０に保存しておく。溶接パラメータの変動や周囲環境の影響によりばらつきはあるものの、一定以上の溶込み深さを確保できれば、溶接強度を担保できる。しかし、溶融池幅が広くなりすぎると、溶接変形や残留応力が増加しやすいため、溶融池の幅を所定値以下にすることが好ましい。また、施工時のばらつきによって、溶融池の幅が同じでも溶込み深さがばらつくことがあるので、ばらつきを考慮するとより好ましい。
【００２８】
上記のデータベースに基づき溶接品質の要否を判断する模式図を図５に示す。得られた溶融池の幅と溶込み深さが、図の斜線領域（ＯＫ）に入るか否かで、溶接品質の良否を判定する。溶融池の画像（被溶接材の表面情報）から溶込み深さ（被溶接材の内部情報）を得ることができ、その溶込み深さを溶接品質の判定に用いることにより、溶接部分の強度や密閉性を含めた溶接品質を判定することができるので、溶接品質の判定精度を向上することができる。
【００２９】
また、溶融池の幅と長さの両方のデータに基づいた溶込み深さのデータベースを作成すれば、適切な溶接速度の情報も含んだデータベースとなる。画像から溶融池の幅と長さの両方を測定し、これらをデータベースと照合して溶込み深さを推定することにより、より高精度に溶接品質の良否を判定することもできる。
【００３０】
図２から図５までのデータ処理を纏めた本実施例の溶接品質判定方法を図６に示す。カメラで撮影された画像をデータ処理システムに入力し、画像処理により溶融池の形状（幅、長さ）を計測する。溶融池の幅のみのデータから溶接品質の良否を判定する場合は、あらかじめ作成した溶融池幅と溶込み深さの関係のデータベースから溶込み深さを推測する。溶込み深さのデータを取得した後、溶融池幅と溶込み深さが溶接品質の良否の何れの領域に入るかを、あらかじめデータベースとして作成しておき、溶接品質の良否を判定する。
【００３１】
溶融池の幅と長さの両方のデータを用いて溶接品質の良否を判定する場合は、あらかじめ作成した溶融池幅と溶融池長さと溶込み深さの関係のデータベースから溶込み深さを推測する。溶込み深さのデータを取得した後、溶融池幅と溶融池長さと溶込み深さが溶接品質の良否の何れの領域に入るかを、あらかじめデータベースとして作成しておき、溶接品質の良否を判定する。
【００３２】
図７に本実施例の他の溶接品質判定方法を示す。図６では画像から計測された溶融池幅（又は溶融池幅と溶融池長さ）から溶込み深さを推測し、溶融池幅（又は溶融池幅と溶融池長さ）と溶込み深さとが適切な値の範囲に入っているか否かで溶接品質の良否を判定したが、図７では画像から計測された溶融池幅（又は溶融池幅と溶融池長さ）から溶込み深さを推測しない。溶融池幅（又は溶融池幅と溶融池長さ）に対応した溶込み深さのデータと、これらの適正範囲のデータとをまとめたデータベースを作成しておき、溶融池幅（又は溶融池幅と溶融池長さ）の値から、直接溶接品質の良否を判定するものである。これによれば、図６で示す判定方法よりも判定フローが簡略化し、高速に良否判定することができる。
【実施例２】
【００３３】
図８に本発明の実施例２に用いたレーザ溶接装置の構成を示す。溶接方法は下記の通りである。本実施例の溶接継手は、例えば、図示しない板厚１．２ｍｍのステンレス鋼の突合せ継手である。
【００３４】
本実施例のレーザ溶接では、例えば、波長が５００ｎｍ〜８８０ｎｍの可視光と近赤外線レーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、図示しないレーザ発振器からレーザ光２を発生させ、伝送ファイバー１を経由し、コリメーションレンズ３、ハーフミラー４及び集光レンズ５により集光し、上記のステンレス鋼の突合せ表面にレーザ光を照射する。レンズやミラーは図示したものに限られない。
【００３５】
本実施例は、カメラ８がレーザ光２と同軸ではない点で実施例１と異なる。本実施例のカメラ８は溶接方向に対しレーザ光２の後方に、レーザ光軸との角度１１が約３０°の位置で設置されている。角度１１はレーザ光２の後方から溶融池を撮影できれば、３０°でなくてもよい。レーザヘッド１３とカメラとの相対位置は変えずに、カメラに入る放射光の軸（図の一点鎖線）とレーザ光軸との角度を一定にして溶接する。溶融池から発せられカメラに入る放射光の軸とレーザ光とが同軸ではないため、カメラが撮影した溶融池の幅と長さの比率は実際の溶融池の幅と長さの比率と一致しない。しかし、カメラに入る放射光の軸とレーザ光軸との角度と、レーザ光の集光レンズ５とカメラ用の集光レンズ７の焦点距離と、画像の溶融池の大きさから、実際の溶融池の大きさを計算できる。
【実施例３】
【００３６】
図９に本発明の実施例３に用いたレーザ溶接装置の構成を示す。被溶接材は外径が異なる二つの円筒状被溶接材１４と円筒状被溶接材１５を用いた。円筒状被溶接材１５の内側空間に円筒状被溶接材１４を嵌めこみ、両被溶接材をレーザ光軸に対し約６０°で回転させながら二つの円筒状被溶接材の接触部分にレーザ光を照射して溶接を行った。
【００３７】
本実施例のレーザ溶接では、例えば、波長が５００ｎｍ〜８８０ｎｍの可視光と近赤外線レーザを用いることができるが、他の波長のレーザ光を使用してもよい。また、本実施例に使われているカメラセンサーはレーザ光軸と同軸に設置されている。
【００３８】
図１０に本実施例の装置により形成された溶接ビードの断面図を示す。本実施例では平面に照射する場合とは溶接ビード１２の幅が異なる。その幅は円筒状被溶接材１４，１５の回転軸とレーザ光軸との角度に依存するので、この角度を用いて、画像の溶融池幅を補正する。また被溶接材の周方向に一周して被溶接材を溶接するので、溶接ビードは周方向に曲面となり溶接ビードの長さ方向の断面は円弧の形状となる。被溶接材の径が大きい場合は、溶接ビードの長さは直線に近似でき、径が小さい場合は、溶接ビード中央から被溶接材の回転軸までの距離を用いて、画像の溶融池長さを補正する。
【００３９】
本実施例の溶接品質判定は実施例１と同じ方法で実施した。カメラセンサーから撮影された溶融池の画像を入力し、データ処理システムに搭載する画像処理プログラミングで溶融池の幅、又は幅と長さを計算する。その後、データ処理システムにあらかじめ作成した溶融池幅と溶込み深さの関係のデータベース、又は、溶融池幅と溶融池長さを統合したパラメータと溶込み深さの関係のデータベースから溶込み深さを推測する。溶込み深さのデータを取得した後、データ処理システムにあらかじめ作成した溶融池幅と溶込み深さの域値、又は、溶融池幅と溶融池長さを統合したパラメータと溶込み深さの域値と比較し、溶接品質の良否を判定する。本実施例の溶接品質判定は実施例１と同じ方法で実施したが、実施例２の方法で実施しても構わない。
【００４０】
図１１と図１２は、円筒状被溶接材１４，１５が突合せ継手の構造の場合を示す。１２は溶接ビードである。これらのように、円筒状被溶接材１４，１５を突合わせた部分を溶接するものであってもよい。
【実施例４】
【００４１】
図１３に本発明の実施例４に用いたレーザ溶接装置の構成を示す。被溶接材は外径が異なる二つの円筒状被溶接材１６と円筒状被溶接材１７の突合せ継手又は重ね継手を用いた。円筒状被溶接材１６の内側空間に円筒状被溶接材１７を嵌めこみ、外側の円筒状被溶接材１６の上方からレーザ光を垂直に照射し、円筒状被溶接材１６をレーザ光で貫通させて、両被溶接材の溶接を行った。本実施例のレーザ溶接では、波長が１０７０〜１０８０ｎｍのファイバーレーザを用いた。また、本実施例に使われているカメラセンサーはレーザ光軸と同軸に設置されている。
【００４２】
図１４に本実施例の装置により形成された溶接ビードの断面図を示す。本実施例では平面に照射する場合と溶接ビード１２の幅は同じであるため、実施例１，２と同様に溶込み深さを推測し、溶接品質の良否を判定することができる。溶接ビードの長さを計測する場合は、実施例３と同様に、円筒状被溶接材１６の外径に応じて画像の溶融池長さを補正した上で、溶接品質の良否判定に用いる。本実施例の溶接品質判定は実施例３と同じ方法で実施した。
【００４３】
図１５は、円筒状被溶接材に替えて、二つの円柱状被溶接材１８，１９を突合わせた構造の場合を示す。１２は溶接ビードである。このように、円柱状被溶接材１８，１９を突合わせた部分を溶接するものであってもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  伝送ファイバー
２  レーザ光
３  コリメーションレンズ
４  ハーフミラー
５  集光レンズ
６  被溶接材
７  集光レンズ
８  カメラ（撮影装置）
９  モニタ（表示装置）
１０  データ処理システム（データ処理装置）
１１  角度（レーザ光軸とカメラとの角度）
１２  溶接ビード
１３  レーザヘッド
１４  円筒状被溶接材
１５  円筒状被溶接材
１６  円筒状被溶接材
１７  円筒状被溶接材
１８  円柱状被溶接材
１９  円柱状被溶接材
【図１】
2015188938.tif 000003
【図２】
2015188938.tif 000004
【図３】
2015188938.tif 000005
【図４】
2015188938.tif 000006
【図５】
2015188938.tif 000007
【図６】
2015188938.tif 000008
【図７】
2015188938.tif 000009
【図８】
2015188938.tif 000010
【図９】
2015188938.tif 000011
【図１０】
2015188938.tif 000012
【図１１】
2015188938.tif 000013
【図１２】
2015188938.tif 000014
【図１３】
2015188938.tif 000015
【図１４】
2015188938.tif 000016
【図１５】
2015188938.tif 000017