(57)【要約】【課題】レーザ光の反射光に基づいて溶接品質を速やかにかつ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よりも溶接方向Ｆの前側にＣＣＤカメラ１０を配置し、このＣＣＤカメラ１０に溶融部５からのレーザ光の反射光を入射させて、溶接品質と密接に相関するキーホール４の後壁部分を中心とする画像データを取得する。そして、この画像データを品質判定手段１３内の情報算出装置１４において画像処理して、画像データの、溶接前後方向の光強度分布を求め、パターン認識装置１５において前記光強度分を所定のパターンと比較して、溶接品質を判定する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データを得る撮像手段と、該撮像手段で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定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２】
撮像手段が、キーホールの後壁部分を中心に撮像できるように、レーザトーチよりも溶接方向前側に位置して傾斜して配置され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装置。
【請求項３】
撮像手段が、エリアセンサカメラであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接品質評価装置。
【請求項４】
撮像手段が、ラインセンサカメラであることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接品質評価装置。
【請求項５】
レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光の反射光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データを得る撮像工程と、該撮像工程で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定工程とを含むことを特徴とするレーザ溶接品質評価方法。
【請求項６】
撮像工程において、キーホールの後壁部分を中心とする画像データを得ることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接品質評価方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、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、特に溶接部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装置および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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装置、方法としては、特許文献１に記載されたものがある。このものは、レーザトーチ内に、溶接用レーザ光の光軸と同軸となるようにして集光レンズを設け、溶接部から反射されるレーザ光の反射光を前記集光レンズで集光してＣＣＤカメラへ送り、ＣＣＤカメラからの各画素の輝度レベル（光強度）について、それぞれがあらかじめ定められた範囲内にあるかどうかを判別して２値化し、さらに重み付け等を行って溶接欠陥の有無を判定するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２０００−４２７６９号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載されるレーザ溶接品質評価装置、方法によれば、レーザ光の反射光を照射レーザ光の光軸と同軸で集光しているため、撮像範囲が限定され、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とする溶接前後方向の状況、特にキーホールの後壁部分および該後壁部分に隣接する部分の状況を的確に把握することはできず、溶接品質を正確に判断することが困難になる。
また、ＣＣＤカメラからの全画素について２値化し、重み付け等をする処理が必要なため、判定結果（評価）が出るまでに時間がかかり、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握することが困難になる。
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、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の状況を的確にかつ速やかに把握できるようにすることにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光の反射光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データを得る撮像手段と、該撮像手段で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定手段とを備えていることを特徴とする。
このように構成したレーザ溶接品質評価装置においては、撮像手段が、レーザ光の反射光を照射レーザ光と非同軸で受光して画像データを得るので、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の情報を広範に把握することができる。また、品質判定手段は、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定するので、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とする溶接前後方向の溶接状況を的確に把握できる。しかも、レーザ光の反射光をパターン化して溶接品質を把握するので、２値化や重み付けなどの面倒な処理が不要になり、溶接状況をリアルタイムに把握できる。
本装置において、上記撮像手段は、キーホールの後壁部分を中心に撮像できるように、レーザトーチよりも溶接方向前側に位置して傾斜して配置される構成とすることができる。この場合は、溶接品質と密接に相関するキーホールの後壁部分を中心に溶接状況を的確に把握できる。
本発明の装置において、上記撮像手段は、エリアを撮像可能なエリアセンサカメラであっても、１ラインの撮影が可能なラインセンサカメラであってもよい。
また、上記課題を解決するための、本発明に係るレーザ溶接品質評価方法は、レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光の反射光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データまたはキーホールの後壁部分を中心とする画像データを得る撮像工程と、該撮像工程で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定工程とを含むことを特徴とする。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
図１および図２は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施の形態を示したものである。これらの図において、１は、溶接用レーザ光Ａを被溶接物Ｗへ向けて出射する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を介して送られたレーザ光Ａを集光する光学系が内臓されている。本実施の形態において、被溶接物Ｗは、相互に重ね合された２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、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と被溶接物Ｗとが溶接方向Ｆへ相対的に駆動される。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を用いることができ、前記レーザ発振器２としては、これら使用するレーザ光の種類に応じて適宜のものが使用される。
【０００７】
レーザ溶接においては、被溶接物Ｗに対するレーザ光Ａの照射部位にキーホール４が形成されると共に、このキーホール４の周りに溶融金属の溶融池（溶融部）５が形成される。溶融池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（相対移動）に応じて溶融池５の後端側から順次凝固する。図中、６は、前記溶融金属の凝固跡である溶接ビード６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合せ溶接される。
【０００８】
１０は、上記溶融部５からのレーザ光Ａの反射光Ｂをフィルタ１１を通して受光し、溶融部５の画像データを得るエリアセンサカメラ（撮像手段）である。エリアセンサカメラ１０は、ここではエリアＣＣＤカメラからなっており、レーザトーチ１よりも溶接方向Ｆの前側に位置して配置されている。このエリアセンサカメラ１０はまた、前記キーホール４の後壁部分４ａを中心に撮像できるように、被溶接物Ｗの上面に対して傾斜して配置されている。この場合、エリアセンサカメラ１０の傾斜角度αは任意であるが、４０〜６０度望ましくは５０度程度に設定するのがよい。なお、フィルタ１１は、レーザ光Ａの反射光Ｂの波長成分を透過帯域とする光学フィルタである。また、エリアセンサカメラ１０は、レーザトーチ１に連結してもよいが、レーザトーチ１を駆動する駆動系（例えば、ロボット）に支持させてもよい。
【０００９】
レーザ溶接における溶接品質は、上記したキーホール４の大きさはもちろん、キーホール４の後壁部分４ａおよびこれに隣接する部分の溶接状況と密接に相関することが知られている。本実施の形態においては、上記したようにこのキーホール４の後壁部分４ａを中心に撮像できるようにエリアセンサカメラ１０を設置しているので、このエリアセンサカメラ１０で高速度撮影することにより得られる画像データは、溶接品質を正確に反映するものとなる。
本発明者等は、上記した点を確認するため、上記重ね合せ溶接を繰返えす中で、エリアセンサカメラ１０による高速撮影を行い、該エリアセンサカメラ１０による画像データと溶接品質との相関を種々調査した。図３〜図６中の上側は、エリアセンサカメラ１０で得られた種々の画像データを可視化して示したもので、溶接状況（溶接品質）に応じて、満月状（図３）、２分離三日月状（図４）、３分離三日月状（図５）、単独三日月状（図６）等を呈するようになる。このうち、図３に示す満月状の画像Ｐ１は溶接品質が良好な場合に、図４に示す２分離三日月状の画像Ｐ２は溶接品質がやや良好な場合に、図５に示す３分離三日月状の画像Ｐ３は表引け、裏引け等の引けが生じた場合に、図６に示す単独三日月状の画像Ｐ４は溶け落ちが生じた場合にそれぞれ現われ、したがって、これら画像のパターンを認識することにより溶接品質を正確に把握することが可能になる。
【００１０】
上記エリアセンサカメラ１０による画像データは、信号線１２を介して品質判定手段１３へ送出される。品質判定手段１３は、エリアセンサカメラ１０で得られた画像データについて、レーザの照射位置を中心とする溶接前後方向の光強度分布を得る機能を有する情報算出装置１４と前記情報算出手段１４で得られた光強度分布を予め設定したパターンと比較して、溶接品質の良否を判定する機能を有するパターン認識装置１５とを備えている。
【００１１】
上記情報算出装置１４においては、例えば、図３〜６に示した各画像（可視化画像）Ｐ１〜Ｐ４について、溶接方向Ｆと直交する方向（溶融部５の幅方向）の輝度値を加算することを溶接の前後方向で繰返して、光強度分布を得る。したがって、この情報算出装置１２により得られた光強度分布は、図３〜６の下側に示すように、各画像（画像データ）をパターン化したデータとなる。このようにして得られたパターンは、溶融部の幅方向の輝度値を加算しているので、撮像位置のずれや画像の粒子化精度による誤差が極めて小さくなり、溶融部５の状況を正確に反映するものとなる。
また、上記パターン認識装置１５においては、例えば、前記満月状の画像Ｐ１（図３）および２分離三日月状の画像Ｐ２（図４）に相当するパターンを合格パターンとして予め設定することにより、これらのパターンを外れる光強度分布（図５、６）が得られた場合には、溶接不良と判定する。この場合、パターンを比較判定する指標として、ピークの高さ、ピークの数、ピーク間距離、パターン内の面積などを用いることができる。
なお、必要により、この品質判定手段１３による判定結果を、上記可視化され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。
【００１２】
以下、上記のように構成した溶接品質評価装置による溶接品質評価方法を説明する。
レーザ溶接に際しては、溶接すべき二枚の鋼板Ｗ１とＷ２とを密着して重ね合せ、この二枚の鋼板Ｗ１とＷ２とを重ね合せた被溶接物Ｗの上方に、例えば、ロボットを用いて上記レーザトーチ１とエリアセンサカメラ１０とを位置決めする。そして、レーザ発振器２を起動させてレーザトーチ１からレーザ光Ａを被溶接物Ｗに向けて出射し、レーザトーチ１を溶接方向Ｆへ移動させると、二枚の鋼板Ｗ１とＷ２とは次第に重ね合せ溶接される。
【００１３】
上記した溶接中、エリアセンサカメラ１０は高速（例えば、毎秒３０コマ）で作動しており、その作動に応じて溶融部５特にキーホール４の周辺から反射されるレーザ光Ａの反射光Ｂがエリアセンサカメラ１０内の撮像素子に受光され、これにより、エリアセンサカメラ１０には、キーホール４の後壁部分４ａを中心とする１コマごとの画像データが取込まれる。この１コマごとの画像データは、エリアセンサカメラ１０から品質判定手段１３内の情報算出装置１４へ順次送出され、情報算出装置１４は前記画像データについて画像処理を行い、溶接前後方向の光強度分布を求める。すると、パターン認識装置１５は、前記情報算出装置１４で得られた溶接前後方向の光強度分布を予め設定された良好なパターンと比較し、溶接品質の良否を判定する。
【００１４】
このように本レーザ溶接評価方法によれば、エリアセンサカメラ１０で得られた画像データを、溶接前後方向におけるレーザ反射光の光強度分布としてパターン化するので、従来のように照射レーザと同軸でレーザ反射光を集光する場合に比べて、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の情報を広範に把握することができ、溶接品質を的確に把握できる。本実施の形態の形態においては特に、溶接トーチ１の周りにエリアセンサカメラ１０を配置し、溶接品質と密接に相関するキーホール４の後壁部分４ａを中心に撮像データを得るようにしているので、溶接品質の評価も極めて正確となる。しかも、２値化や重み付けなどが不要になるため、処理は簡単となり、リアルタイムに溶接状況を把握できる。
なお、上記実施の形態においては、各画像Ｐ１〜Ｐ４（図３〜６）について、溶融部５の幅方向の輝度値を加算することを溶接の前後方向で繰返して、光強度分布を得るようにしたが、これに代えて、各画像Ｐ１〜Ｐ４について１ラインまたは複数ラインの光輝度分布を得るようにしてもよい。ただし、この場合は、幅方向の輝度値を加算する場合よりも誤差が大きくなる。
【００１５】
ここで、上記実施の形態においては、溶融部５の撮像手段としてエリアセンサカメラ１０を用いたが、本発明は、前記エリアセンサカメラ１０に代えて、受光部に撮像素子を直線状に配列したラインセンサカメラを用いることができる。ただし、この場合は、キーホール４を溶接方向Ｆに横断するラインに沿う画像データが得られるようにラインセンサカメラの設置向きを調整する必要がある。撮像手段としてラインセンサカメラを用いた場合は、その画像データが、１ラインの光強度分布を表しているので、情報算出装置１４は、単にラインセンサカメラの出力を光度変換するだけの画像処理となり、エリアセンサカメラ１０によるエリア画像データを画像処理する場合に比べてその処理は簡単となる。また、ラインセンサカメラは、エリアセンサカメラ１０に比べてより高速での撮影（例えば、毎秒１２０コマ）が可能になるので、よりリアルタイムに溶接品質を評価することができる。
【００１６】
なお、上記実施の形態においては、キーホール４の後壁部分４ａを中心に画像データを得るようにしたが、この画像データを得る部位は任意であり、例えば、キーホール４中心の画像データを得るようにしてもよい。
また、撮像手段としてラインセンサカメラを用いる場合は、該ラインセンサカメラを溶融部５の幅方向また溶接方向Ｆへ走査させることによりエリア画像データの取込みも可能になるので、ラインセンサカメラをこのように用いることも本発明の範囲に含まれる。
さらに、上記実施の形態においては、二枚の鋼板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。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置、方法によれば、撮像手段で得られた画像データを、溶接前後方向におけるレーザ反射光の光強度分布としてパターン化して溶接品質を判定するので、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の状況を的確にかつ速やかに把握でき、溶接品質評価に対する信頼性が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の第１の実施の形態を示す模式図である。
【図２】図１の要部を拡大して示す断面図である。
【図３】本レーザ溶接品質評価装置で得られる画像データの可視化画像と、この可視化画像の、溶接前後方向の光強度分布を示したもので、良好な溶接品質に対応する結果を示す図である。
【図４】やや良好な溶接品質に対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図３と同様の図である。
【図５】引けに対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図３と同様の図である。
【図６】溶け落ちに対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図３と同様の図である。
【符号の説明】
１    レーザトーチ
４    キーホール
４ａ  キーホールの後壁部分
５    溶融池（溶融部）
１０  ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１１  フィルタ
１３  品質判定手段
Ａ    溶接用レーザ光
Ｂ    レーザ光の反射光
Ｗ    被溶接物
【図１】
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【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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