(57)【要約】【課題】レーザ溶接の品質検査をより正確かつ高速に行えるレーザ溶接品質検査方法及び装置を提供する。【解決手段】レーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、被溶接物２のキーホール部からの光を、プラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタ３を通して高速度カメラ４により受光し、キーホール部のプラズマ光像を取り込む。溶接品質の良否を高い確度で表すプラズマ光像の傾き角、面積を画像処理装置６により求め、この求められた傾き角、面積を判定回路７によって基準値と比較し、その結果を溶接品質の検査結果とする。基準値は、予め実験等によって「良」という検査結果が得られた値を選定する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、
溶接時、前記被溶接物のキーホール部からの光を、そのキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタを通して高速度カメラで受光することにより、前記キーホール部のプラズマ光像を取り込み、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積に基づいて溶接の品質検査をすることを特徴とするレーザ溶接品質検査方法。
【請求項２】
透過帯域が５００±５０ｎｍのフィルタを用いることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質検査方法。
【請求項３】
複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、
溶接時、前記被溶接物のキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタと、
このフィルタを通して前記被溶接物のキーホール部からの光を受光し前記キーホール部のプラズマ光像を取り込む高速度カメラと、
この高速度カメラからのプラズマ光像が入力され、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積を求める画像処理手段と、
この画像処理手段により求められた前記プラズマ光像の傾き角及び／又は面積に基づいて溶接の品質の良、不良を判定する判定手段とを具備することを特徴とするレーザ溶接品質検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射して行うレーザ重ね合わせ溶接において、溶接の品質を検査するレーザ溶接品質検査方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接は、レーザビームを被溶接物に照射し、その照射部分を溶融して溶接を行うものであるが、このような溶接において、被溶接物のキーホール部からはプラズマ光が発生する。このプラズマ光は、被溶接物がレーザビームを吸収して溶融し、その成分が蒸発、電離した状態において発生する光である。したがって、このプラズマ光から被溶接物の溶融状態を観察することにより、溶接の品質を検査することが可能である。
従来のこの種のレーザ溶接品質検査方法には、特開平８−２８１４５７号公報に記載の方法がある。これは、発生するプラズマ光の信号強度を、キーホール内部のプラズマ光による信号強度と、キーホール上部のプラズマ光による信号強度とに分離し、両者の値から溶接品質を検査するというものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述従来技術では、プラズマ光の信号強度が溶接品質を正確に表わすとの前提に立てば正確な溶接品質の検査が可能といえる。しかし、プラズマ光の信号強度は、被溶接物のキーホール部の溶融状態と密接な関係があるとしても、溶接品質を正確に表わすものではない。そこで従来から、より正確に溶接品質を検査できるレーザ溶接の品質検査方法が望まれていた。
本発明の目的は、上記のような要望に鑑みなされたもので、より正確に溶接品質の検査が可能なレーザ溶接品質検査方法及び装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載のレーザ溶接品質検査方法に係る発明は、複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、前記被溶接物のキーホール部からの光を、そのキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタを通して高速度カメラで受光することにより、前記キーホール部のプラズマ光像を取り込み、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積に基づいて溶接の品質検査をすることを特徴とする。
【０００５】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、透過帯域が５００±５０ｎｍのフィルタを用いることを特徴とする。
【０００６】
請求項３に記載のレーザ溶接品質検査装置に係る発明は、複数の被溶接部材が重ね合わされた被溶接物にレーザビームを照射しつつその被溶接物及び／又はレーザビームを所望の溶接方向に移動させ、前記被溶接物の重ね合わせ溶接を行うレーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、前記被溶接物のキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタと、このフィルタを通して前記被溶接物のキーホール部からの光を受光し前記キーホール部のプラズマ光像を取り込む高速度カメラと、この高速度カメラからのプラズマ光像が入力され、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積を求める画像処理手段と、この画像処理手段により求められた前記プラズマ光像の傾き角及び／又は面積に基づいて溶接の品質の良、不良を判定する判定手段とを具備することを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本発明者らは、レーザ重ね合わせ溶接において、上記のような目的を達成するため鋭意、実験・検討を重ねた結果、被溶接物のキーホール部に発生するプラズマ光の像（プラズマ光像）の傾き角や面積が、溶接の品質の良、不良を高い確度で表わすことを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
図１は、本発明によるレーザ溶接品質検査方法が適用された装置（本発明装置）の一実施形態の説明図である。
図１において、１はレーザ溶接用のトーチで、このトーチ１からのレーザビーム（光）１ａを矢印イに示すように被溶接物２に照射して溶接を行う。
被溶接物２は、複数の被溶接部材、ここでは２枚の薄鋼板２ａ，２ｂが上下に重ね合わされたものであり、重ね合わせ溶接は、このような被溶接物２（薄鋼板２ａ，２ｂ）にレーザビーム１ａを照射して行う。
レーザ装置には炭酸ガスレーザ装置やＹＡＧレーザ装置があり、ここではＹＡＧレーザ装置が用いられている。溶接は、トーチ１若しくは被溶接物２のいずれか一方、又はそれらの双方を移動させ、ここではトーチ１を矢印ロ方向に移動させて行う。
【０００９】
フィルタ３は、レーザ溶接時に、被溶接物２のキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とする光学フィルタで、透過光量も適宜選定される。ここでは、透過帯域が５００±５０ｎｍのフィルタが用いられている。この５００±５０ｎｍは、被溶接物２の材質として一般的な鋼板成分のプラズマ光の波長帯域内にあると共に、最近多用されているＹＡＧレーザの波長帯域から大きく外れた波長帯域であり、また、後述高速度カメラの受光感度の大きな波長帯域内にあることがその理由である。このフィルタ３によれば、キーホール部に発生するプラズマ光が鮮明に可視化できる。
高速度カメラ４は、フィルタ３を通して被溶接物２のキーホール部からの光を受光し、可視化されたキーホール部のプラズマ光像を取り込む（撮像する）カメラである。ここでは、毎秒４５００コマの撮影が可能なＣＣＤカメラが用いられており、時間分解能が高い。この高速度カメラ４は、レンズ面が上記フィルタ３により覆われた状態でトーチ１に取り付けられており、レーザ溶接時、溶接部５の移動に追従して上記プラズマ光像を取り込む。
【００１０】
画像処理装置６は、高速度カメラ４からのプラズマ光像（信号）が入力され、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積、この例では傾き角を求める。ここで、プラズマ光像の傾き角とは、溶接方向（矢印ロ方向）に対するプラズマ光像の長手方向の角度を指す。画像処理装置６は、基本的には高速度カメラ４からのプラズマ光像を取り込んでニ値化し、ノイズ除去を行った後にプラズマ光像の傾き角を求めるが、取り込んだプラズマ光像からその傾き角を演算できれば、どのような構成であってもよい。
判定回路７は、画像処理装置６によって求められたプラズマ光像の傾き角に基づいて、実行中の溶接の品質の良、不良を判定する。ここでは、プラズマ光像の傾き角が１４°を超えれていれば溶接品質が良、１４°以下であれば不良と判定する。本発明者らの実験によれば、プラズマ光像の傾き角が１４°以下になると、「溶け落ち」と並んで品質不良の主態様である「引け」が生じ始めるという結果が得られ、したがって、溶接品質の良、不良の判定の閾値を１４°とした。なお、プラズマ光像の傾き角と溶接品質の良、不良との関係は、被溶接物２の材質や厚さに依存せず、種々の材質、厚さに共通するものであった。
画像表示装置８は、判定回路７による判定結果を表示する装置であり、ここでは、高速度カメラ４からの生画像、すなわちプラズマ光像を含む溶接部５の画像も表示可能である。
なお、上記画像処理装置６を高速度カメラ４の筐体内に収納し、高速度カメラ４と一体に構成してもよい。また、判定回路７を画像処理装置６内に組込み構成してもよい。
【００１１】
図２〜図４は、上記高速度カメラ４に取り込まれたプラズマ光像及びその周辺部分の画像を模式的に表わす図で、これらの図から分かるようにプラズマ光像２１，３１，４１は溶融池像２２，３２，４２内の溶接方向ロの先頭部分、すなわちキーホール部に位置（プラズマ光はキーホール部に発生）する。
図中、θ１，θ２，θ３はプラズマ光像２１，３１，４１の傾き角である。この例では溶接品質の良、不良の判定の閾値を１４°としているので、図２に示すように１４°を超えている傾き角θ１を示すプラズマ光像２１は、品質良の溶接（正常溶接）が行われていることを表わす。
図３，図４に示すように１４°以下の傾き角θ２（＝０°），θ３（＝０°）を示すプラズマ光像３１，４１は、品質不良の溶接（引けや溶け落ち等が発生した溶接）が行われていることを表わす。
【００１２】
次に、動作について説明する。
図５において、ステップ５０１で溶接が開始されると、高速度カメラ４は、フィルタ３を通した被溶接物２のキーホール部からの光を受光し、キーホール部のプラズマ光像を取り込む。高速度カメラ４は、実際にはプラズマ光像のみならず、その周辺部分を含んだ画像を取り込む。
ステップ５０２では、高速度カメラ４からのプラズマ光像（信号）を受けた画像処理装置６が、このプラズマ光像の傾き角θを求める。傾き角θは、図２の例ではθ＞１４°であり、図３，図４の例では共にθ＝０°である。
ステップ５０３では、画像処理装置６により求められたプラズマ光像の傾き角θが与えられた判定回路７が、その時点の溶接品質の良、不良を判定する。判定は、上記傾き角θが基準値（閾値）１４°を超える（θ＞１４°）か、それ以下（θ≦１４°）かの比較によって行う。
判定結果、つまり溶接品質の良、不良は、画像表示装置８にリアルタイム表示される（ステップ５０４参照）。
以上の動作（ステップ５０１〜５０４）は、溶接終了まで繰り返される。繰り返し周期は、通常、高速度カメラ４の画像更新レート（毎秒４５００コマ）を上限とする適宜値に設定される。
高速動作させると、挙動の激しいプラズマ光像及びその周辺の画像について高速検査が可能、換言すれば高速溶接が可能となるが、画像表示装置８による溶接品質の良、不良の表示の目視が不能あるいは困難になるため、溶接品質の良、不良の表示のみを目視可能な時間間隔で行うようにしてもよい。
また所望時に、画像表示装置８の表示画面（溶接品質の良、不良の表示）を一時停止可能にしてもよい。
溶接品質の良、不良の表示に加え、高速度カメラ４からの生画像（プラズマ光像を含む溶接部５の画像）も画像表示装置８に同時表示するようにしてもよく、更に、画像表示装置８の表示画像を録画し、溶接後において、溶接結果の解析や確認に利用できるようにしてもよい。
【００１３】
なお上述実施形態においては、プラズマ光像の傾き角によって、溶接品質の良、不良を判定したが、これのみに限られない。図２に示す正常溶接時のプラズマ光像２１に対しては、傾き角θのみが異なる図３に示すようなプラズマ光像３１の他、傾き角θが異なると共にその面積も異なる（縮小する）図４に示すようなプラズマ光像４１も、溶接品質の不良を表わすことが多く、プラズマ光像４１の面積によっても溶接品質の良、不良の判定が可能である。
【００１４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明では、レーザ重ね合わせ溶接において、溶接時、被溶接物のキーホール部からの光を、そのキーホール部に発生するプラズマ光の周波数成分域を透過帯域とするフィルタを通して高速度カメラで受光することにより、キーホール部のプラズマ光像を取り込み、このプラズマ光像の傾き角及び／又は面積に基づいて溶接の品質検査をするようにした。
プラズマ光像の傾き角及び／又は面積が、溶接品質の良否を高い確度で表わすことは本発明者らによって見い出されており、したがって、本発明によれば、従来技術に比べて正確な溶接品質の検査が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザ溶接品質検査方法が適用された装置の一実施形態の説明図である。
【図２】図１中の高速度カメラの取込み画像（溶接品質：良時）を模式的に表わす図である。
【図３】溶接品質の不良時（その１）における同上取込み画像を模式的に表わす図である。
【図４】溶接品質の不良時（その２）における同上取込み画像を模式的に表わす図である。
【図５】溶接品質の検査動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１ａ　レーザビーム
２　被溶接物
２ａ，２ｂ　薄鋼板
３　フィルタ
４　高速度カメラ
６　画像処理装置（画像処理手段）
７　判定回路（判定手段）
【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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