(57)【要約】【課題】溶接不良やその前兆現象を簡単、確実に判定でき、溶接の品質検査をより正確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、溶接中、被溶接部材２ａ，２ｂ相互間の、レーザビーム１ａの照射位置対応箇所とその近傍部分の画像を側方から高速で取り込む。取り込まれた画像中の、レーザビーム照射位置に対応する第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離を画像処理装置７により求め、この求められた値を判定回路８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。両発光像は、周囲部分に比べて高輝度であり、両発光像間の距離は容易に求め得る。【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、
溶接中、前記被溶接部材相互間の、前記レーザビームの照射位置対応箇所及びその近傍部分の画像を溶接方向に交差する側から高速で取り込み、取り込まれた画像中の、前記レーザビームの照射位置対応箇所の第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じる、前記被溶接部材相互が溶融結合してなるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離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】
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、
溶接中、前記被溶接部材相互間の、前記レーザビームの照射位置対応箇所及びその近傍部分の画像を溶接方向に交差する側から高速で取り込む高速度カメラと、
この高速度カメラからの画像が入力され、この入力画像に適宜処理を施して、前記レーザビームの照射位置対応箇所の第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じる、前記被溶接部材相互が溶融結合してなるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離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距離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、従来、このような溶接において、レーザ照射中の溶融池及びその近傍を上方、主に真上からＣＣＤカメラで撮影し、得られた画像を観察することにより溶接品質を判定する装置があった（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２２５６６６号公報（［請求項１］、［００２４］）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来技術では、次のような問題点があった。
すなわち、複数の画像を比較観察し、相互間の差異について何らかの判定を行うには、通常、それらの画像中の明暗パターンによることが簡単、確実である。しかし、上記溶融池及びその近傍の上面視像では、正常時と欠陥発生時との間で明暗パターンに差異が少なく、溶接不良を判定することが困難であった。特に、溶接不良の前兆現象については、溶接中における溶融池及びその周辺の挙動が高速であることからも、その判定が極めて困難であった。
そこで従来から、より簡単、確実に溶接不良やその前兆現象を判定でき、溶接品質の検査を正確に行うことの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。
【０００５】
【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、溶接中、前記被溶接部材相互間の、前記レーザビームの照射位置対応箇所及びその近傍部分の画像を溶接方向に交差する側から高速で取り込み、取り込まれた画像中の、前記レーザビームの照射位置対応箇所の第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じる、前記被溶接部材相互が溶融結合してなるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離に基づいて溶接の品質検査をすることを特徴とする。
【０００６】
請求項２に記載のレーザ溶接品質検査装置は、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、溶接中、前記被溶接部材相互間の、前記レーザビームの照射位置対応箇所及びその近傍部分の画像を溶接方向に交差する側から高速で取り込む高速度カメラと、この高速度カメラからの画像が入力され、この入力画像に適宜処理を施して、前記レーザビームの照射位置対応箇所の第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じる、前記被溶接部材相互が溶融結合してなるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離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距離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、次のような知見を得、本発明を完成するに至った。
すなわち、溶接中、被溶接部材相互間の、レーザビームの照射位置対応箇所とその近傍部分を側方から取り込んだ画像（側面視像）中の、レーザビームの照射位置対応箇所の発光像の位置から、溶接方向後方側に生じるブリッジ状の発光像の位置までの距離が、溶接品質の良、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。
これら２つの発光像は、いずれもその周囲部分に比べて高輝度になっていることから、上記側面視像（明暗パターン）中から容易に弁別でき、また、画像の取り込みを高速で行うことで時間分解能が高められ、溶接不良は勿論のこと、その前兆現象の判定も簡単、確実に可能となり、正確な溶接品質の検査が可能となる。
なお、重ね合わせ溶接においては、溶接時、被溶接部材相互が隙間なく密着していれば正常な溶接が行われ、隙間が生じていると、その寸法が大きくなるにつれ、不良度合いの高い溶接となる。発明者らの実験によれば、薄鋼板の重ね合わせ溶接において、それら相互の隙間が、０〜０．３ｍｍ以下のときに正常な溶接が行われ、０．３ｍｍを超え０．５ｍｍ以下では「引け」が生じ、０．５ｍｍを超えると「溶け落ち」が生じるという結果が得られた。なお、薄鋼板の厚さ、溶接速度、レーザ出力等の条件によって上記数値は異なる。本実施例では上記の隙間量での例で述べる。
【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。
レーザビーム１ａを発生する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、ここでは出力４ｋＷ程度の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、減光用の光学フィルタである。
高速度カメラ４は、溶接中、薄鋼板２ａ，２ｂ相互間の、レーザビーム１ａの照射位置対応箇所及びその近傍部分の画像を、溶接方向に交差する側からフィルタ３を通して毎秒３０コマを超える高速で取り込む（撮像する）カメラ、ここではＣＣＤカメラである。なお、溶接方向に交差する側（溶接方向の側方）から取り込まれる上記画像を側面視像という。
この高速度カメラ４は、ここでは溶接方向に直交する側からの側面視像を、溶接中の溶融部分やその周辺の挙動を観察可能な速度、例えば毎秒５００コマ程度の速度で取り込む。またこの高速度カメラ４は、レンズ面がフィルタ３により覆われた状態で伸縮アーム５を介してトーチ１に取り付けられており、レーザ溶接時、溶接部６の移動に追従して上記側面視像を取り込む。
伸縮アーム５は、ここでは横アーム部５ａ及び縦アーム部５ｂで構成され、両アーム部５ａ，５ｂが伸縮制御されて側面視像が撮像できる位置に高速度カメラ４を移動させ、その受光軸が矢印ハに示すように薄鋼板２ａ，２ｂ相互間位置に合うように位置制御する。
【００１０】
画像処理装置７は、高速度カメラ４からの側面視像（信号）が入力され、その側面視像中の、レーザビーム１ａの照射位置対応箇所の発光像（第１発光像）の位置から、薄鋼板２ａ，２ｂ相互が溶融結合してなるブリッジ状の発光像（第２発光像）の位置までの距離を求める装置である。上記第２発光像は、第１発光像の位置から溶接方向後方側に生じる。
具体的には、画像処理装置７は高速度カメラ４からの側面視像を２値化し、ノイズ除去した後、細線化処理等によって上記第１及び第２発光像をよりシャープな像にし、その後、第１発光像の位置（第１発光像位置）から第２発光像の位置（第２発光像位置）までの距離を演算する。第１発光像位置から第２発光像位置までの距離を演算できれば、画像処理装置７は、どのような構成であってもよい。
【００１１】
判定回路８は、画像処理装置７によって求められた、第１発光像位置から第２発光像位置までの距離（演算値）に基づいて、実行中の溶接の品質の良、不良を判定する回路である。溶接品質の良、不良判定の基準となる第１発光像位置から第２発光像位置までの距離（基準値）は、実験等によって予め求めておいた値を用いる。
画像表示装置９は、判定回路８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、すなわち側面視像も表示可能である。
なお、上記画像処理装置７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８を画像処理装置７内に組込み構成してもよい。
【００１２】
図２〜図４は、各々高速度カメラ４により取り込まれた側面視像（拡大像）を模式的に示す図で、図２は正常溶接時、図３は「引け」発生時、図４は「溶け落ち」発生時を示す。
これらの図から分かるように、正常溶接か否かに拘わらず、側面視像中の薄鋼板２ａ，２ｂ相互間には、いずれもその周囲部分に比べて高輝度の２つの発光像（第１及び第２発光像）２１，２２が観察される。第１発光像２１は、レーザビーム１ａの照射位置（矢印ニで示す位置）の対応箇所に観察され、第２発光像２２は、第１発光像２１の図中、右側、すなわち溶接方向後方側の、薄鋼板２ａ，２ｂ相互がブリッジ状に溶融結合している部分に観察される。各図中の２３はプラズマを示す。
各図において、第１発光像２１の位置から第２発光像２２の位置までの距離Ｌ（Ｌ１〜Ｌ３）を比較すると、図２、図３及び図４の順で大きくなる（第２発光像２２の位置が後退して行く）。すなわち、図２の正常溶接時における距離Ｌ１を基準として、図３の「引け」発生時、図４の「溶け落ち」発生時の順で距離Ｌが大きくなり（Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３）、溶接不良の程度が大きくなることが分かる。
したがって、この距離Ｌの変化を観察することにより、具体的には距離ＬがＬ１か、あるいはＬ２，Ｌ３かによって溶接品質の良、不良が判定でき、また距離ＬがＬ１からＬ２に移行する兆候が見られれば、その時をもって、溶接不良の前兆と判定することができる。この場合、側面視像は高速度カメラ４により取り込まれているので、上記距離Ｌの変化は高い時間分解能で観察され、溶接不良の前兆を見逃すことなく、判定できる。
【００１３】
なお図２〜図４においては、便宜上、薄鋼板２ａ，２ｂ相互の隙間をほぼ同一に描いているが、この隙間は、実際には次の値を示す。すなわち、図２の正常溶接時は０〜０．３ｍｍ以下、図３の「引け」発生時は０．３ｍｍを超え０．５ｍｍ以下、図４の「溶け落ち」発生時は０．５ｍｍを超える隙間となっている。したがって、距離ＬがＬ１以下のときには、隙間は０〜０．３ｍｍ以下となっていて、溶接品質は「良」と判定され、また距離ＬがＬ１を超えたときには、隙間は０．３ｍｍを超えていて、溶接品質は「不良」と判定される。
【００１４】
以下、判定動作の詳細を図５を併用して説明する。
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により減光された薄鋼板２ａ，２ｂ相互間の側面視像を高速で取り込む。なお、レーザビーム１ａの照射位置に対する高速度カメラ４の撮像位置は溶接中、一定であり、高速度カメラ４は、常時、側面視像を取り込む。
ステップ５０２では、高速度カメラ４からの側面視像（信号）を受けた画像処理装置７が、図２〜図４に示す側面視像中の第１発光像２１の位置から第２発光像２２の位置までの距離Ｌを演算する。
ステップ５０３では、画像処理装置７により演算された距離Ｌが与えられた判定回路８が、その時点の溶接品質の良、不良を判定する。判定は、上記演算値Ｌが基準値（閾値）Ｌ１を超えたか否かの比較によって行う。基準値Ｌ１としては、ここでは薄鋼板２ａ，２ｂ相互の隙間が０．３ｍｍであったときの演算値Ｌが設定されている。
判定結果、つまり溶接品質の良、不良は、画像表示装置９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。
なお、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（側面視像）も画像表示装置９に同時表示するようにしてもよく、更に、画像表示装置９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。
【００１５】
【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、溶接中、被溶接部材相互間の側面視像を高速で取り込み、取り込まれた画像中の、レーザビームの照射位置対応箇所の第１発光像の位置から、溶接方向後方側に生じるブリッジ状の第２発光像の位置までの距離に基づいて溶接の品質検査をするようにした。
側面視像中の第１発光像の位置から第２発光像の位置までの距離が、溶接品質の良、不良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いる。そして、第１及び第２発光像は、いずれもその周囲部分に比べて高輝度になっており、側面視像中から容易に弁別できる。加えて、画像の取り込みを高速で行えば時間分解能が高められ、したがって本発明によれば、従来技術に比べて溶接不良は勿論のこと、その前兆現象の判定も簡単、確実に可能となり、正確な溶接品質の検査が可能となる。
【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中の高速度カメラにより取り込まれた側面視像（正常溶接時）を模式的に示す図である。
【図３】溶接品質不良（引け発生）時における側面視像を模式的に示す図である。
【図４】溶接品質不良（溶け落ち発生）時における側面視像を模式的に示す図である。
【図５】溶接品質の判定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（被溶接部材）
４  高速度カメラ
７  画像処理装置（画像処理手段）
８  判定回路（判定手段）
２１  第１発光像
２２  第２発光像
【図１】
2004148353.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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