(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接方法におけるレーザ溶接品質モニタリング方法において、光センサにより検出されたキーホール発光信号の３０Ｈｚ以下における低周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＬ（ｔ）が、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ１に対して関係式｜ＳＬ（ｔ）｜＞Ｔｈ１が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知することを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング方法。
【請求項２】
少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接方法におけるレーザ溶接品質モニタリング方法において、光センサにより検出されたキーホール発光信号の１００Ｈｚ以上における高周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＨ（ｔ）が、重ねギャップ過小時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ２に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＞Ｔｈ２が成立し、また、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ３に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ３が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知することを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング方法。
【請求項３】
少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接装置におけるレーザ溶接品質モニタリング装置において、溶接加工点で形成されるキーホールより放射される輻射光、プラズマ光を検出するセンサヘッド部、該センサヘッド部での検出値信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄボード、該デジタルデータを取り込み、周波数フィルタ処理により分離した３０Ｈｚ以下における低周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＬ（ｔ）が、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ１に対して関係式｜ＳＬ（ｔ）｜＞Ｔｈ１が成立すること、および１００Ｈｚ以上における高周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＨ（ｔ）が、重ねギャップ過小時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ２に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＞Ｔｈ２が成立し、また、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ３に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ３が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知するコンピュータを備えていることを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ溶接のモニタリング方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車体組み付け等においては、例えば亜鉛メッキ鋼板のように少なくとも一方の溶接面がその母材より低融点物質の被覆層を持つ鋼材同士の重ね溶接が行われる場合が多い。従来このような重ね溶接はスポット溶接等が用いられていたが、近年、高速溶接・高剛性化が可能かつ片側のみから溶接加工が可能なため部材形状の多彩化が図れるレーザ溶接を採用する例が増加している。しかしながら、亜鉛メッキ鋼板のレーザ重ね溶接において板の抑え機構に何らかの異常が発生し、亜鉛メッキ鋼板同士が過剰に密着し過ぎた場合は、亜鉛メッキ鋼板の母材よりも低融点である被覆層の亜鉛が急激に沸騰し、溶融金属をスパッタとして飛散させて重大な溶接異常を発生させる可能性があり、また同様に板の抑え機構異常によって重ねギャップが過剰に大き過ぎた場合は蒸発反跳力、表面張力等により板間に溶融金属が引き寄せられ、溶接部が凹型状となるアンダーフィルあるいは引き寄せられた溶融金属が溶接線方向に動的な変化を起こすことで溶接異常等を発生することがある。
【０００３】
このように重ねギャップ量が万が一異常値となった場合、溶接異常が発生する可能性があるため、何らかの溶接品質検査を行うことが必要である。従来の生産ラインでは溶接終了後に検査員が目視等により品質検査を行っていたが、生産能率向上のための検査工程短縮や検査精度の向上を図り、オンラインで溶接品質検査を行う事例が増加している。
【０００４】
オンラインで溶接品質検査を行う事例としては特開平１１−１１４６８３等、プラズマ発光強度を計測し、あらかじめ計測した正常溶接時のプラズマ発光強度データより許容最大値および許容最小値を設定し、実際の溶接時におけるプラズマ発光強度が前記許容値の範囲内にあるかどうかを監視し、この範囲を逸脱した場合を溶接異常とする方法がある。この方式ではプラズマ発光強度と溶接正常・異常との間に相関関係があることを前提としており、相関の無い場合は他のセンサ信号強度との組み合わせで補うことで信頼性を上げようとしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
亜鉛メッキ鋼板のように少なくとも一方の溶接面が亜鉛メッキ鋼板の母材より低融点物質の被覆層を持つ鋼材同士の重ね溶接の場合、その重ねギャップ量に起因する異常が発生する溶接現象は重ねギャップが過大・過小によって大きく異なる。このため、キーホール部からの発光強度のみで一義的に溶接が正常か異常かを決定するのは困難である。前述のように重ねギャップが過小の場合は亜鉛メッキ鋼板の母材よりも低融点である被覆層の亜鉛が急激に沸騰し、溶接金属をスパッタとして飛散させるような現象である。また重ねギャップが過大の場合は蒸発反跳力、表面張力等により板間に溶融金属が引き寄せられ溶接部が凹型状に形成されたり、あるいは引き寄せられた溶融金属が溶接線方向に動的な変化を起こすような現象であり、通常は発光強度が低下する場合が多いが、動的な変化が起きたときは発光強度が大きくなり、正常時と変わらない状況になる可能性もある。このため発光強度以外の何らかの判別要素を見出すことで溶接異常要因となる溶接現象を捉え、溶接品質判定を行うことが必要である。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、発明者らは重ねギャップが過小の際に亜鉛メッキ鋼板の母材よりも低融点である被覆層の亜鉛が急激に沸騰し、溶接金属をスパッタとして飛散させるような現象と重ねギャップが過大の際に蒸発反跳力、表面張力等により板間に溶融金属が引き寄せられ溶接部が凹型状に形成されたり、あるいは引き寄せられた溶融金属が溶接線方向に動的な変化を起こすような現象ではキーホール発光強度の変化周波数に違いがあることに着目し、これを基に本発明を完成させたものである。
【０００７】
本発明の要旨は、以下の通りである。
【０００８】
（１）  少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接方法におけるレーザ溶接品質モニタリング方法において、光センサにより検出されたキーホール発光信号の３０Ｈｚ以下における低周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＬ（ｔ）が、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ１に対して関係式｜ＳＬ（ｔ）｜＞Ｔｈ１が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知することを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング方法。
【０００９】
（２）  少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接方法におけるレーザ溶接品質モニタリング方法において、光センサにより検出されたキーホール発光信号の１００Ｈｚ以上における高周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＨ（ｔ）が、重ねギャップ過小時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ２に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＞Ｔｈ２が成立し、また、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ３に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ３が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知することを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング方法。
【００１０】
（３）  少なくとも一方の重ね合わせ面が亜鉛メッキ鋼板の被覆層になるレ−ザ重ね溶接装置におけるレーザ溶接品質モニタリング装置において、溶接加工点で形成されるキーホールより放射される輻射光、プラズマ光を検出するセンサヘッド部、該センサヘッド部での検出値信号をデジタルデータに変換するＡ／Ｄボード、該デジタルデータを取り込み、周波数フィルタ処理により分離した３０Ｈｚ以下における低周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＬ（ｔ）が、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ１に対して関係式｜ＳＬ（ｔ）｜＞Ｔｈ１が成立すること、および１００Ｈｚ以上における高周波数成分強度ピーク−ピーク値ＳＨ（ｔ）が、重ねギャップ過小時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ２に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＞Ｔｈ２が成立し、また、重ねギャップ過大時の溶接異常発生時にあらかじめ設定したしきい値Ｔｈ３に対して関係式｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ３が成立することを利用し、前記重ねギャップ変動量に起因する異常を精度良く検知するコンピュータを備えていることを特徴とする、レーザ溶接品質モニタリング装置。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１２】
図１は亜鉛メッキ鋼板同士の重ね溶接における重ねギャップを連続的に変化させてレーザ溶接を行った際のキーホール発光をフォトダイオードで受光して得た信号をＡＣカップリングして直流分を除外した信号成分である。図２は前述の図１のレーザ溶接の際に使用した試料５を示しており、溶接開始点近傍２および溶接終了点近傍４において亜鉛メッキ鋼板６間の重ねギャップ１が過小となっており、また中央付近３では重ねギャップ１が過大となっている。図１に示す例ではフォトダイオードが受光したキーホールからの発光信号強度変化が溶接開始点近傍２および溶接終了点近傍４で大きく、中央付近３で小さくなっている。これは重ねギャップ１が過小である溶接開始点２および溶接終了点近傍４においては溶融金属が亜鉛蒸気に押し上げられて吹き飛ばされる直前に発光強度が高まり、吹き飛ばされた後、溶融金属が消滅するため、信号の強度差は増大することが原因である。重ねギャップ１が過大である溶接中央付近３においては蒸発反跳力、表面張力等により板間に溶融金属が引き寄せられた結果、母材表面から落ち込んでしまい、表面から見た溶融金属の発光面積が減少するため、信号の強度差も小さくなるのである。重ねギャップが適正である範囲においては発光信号の強度差が両者の中間の値であることから、前記発光信号の強度差を監視することで溶接品質のモニタリングが可能である。
【００１３】
しかしながら、図３に示す例では重ねギャップが過大である溶接中央付近においても信号の強度差が大きい箇所が存在しており、前述の信号強度差の大きさで溶接品質をモニタリングする方法は適用できない。これは一旦ギャップ内に引き寄せられた溶融金属が表面張力等により引き戻されることで母材表面近くに現れ、この瞬間発光強度も増大するのである。この現象が起こると溶融金属が引き戻されることで溶着量が不足する箇所が点在する等の異常が発生することがある。
【００１４】
図４、５、６、７は各々図３の信号波形の一部を拡大して表示したもので、図４は正常ビードすなわち適正重ねギャップ範囲における信号波形、図５は重ねギャップ過小のため溶融金属が飛散し、ピットやポロシティが多数発生している箇所の信号波形、図６は重ねギャップ過大のため溶融金属が落ち込み、アンダーフィルとなっている箇所における信号波形、図７は重ねギャップ過大のため、前述のように溶融金属が表面張力によって引き戻されて母材表面に現れた箇所における信号波形である。図５と図７の波形を比較すると信号変動の周波数は大きく異なっており、図５の信号変動周波数は主に１００Ｈｚから２００Ｈｚ、図７の信号は１０Ｈｚから３０Ｈｚの周波数から成る。
【００１５】
そこで発明者らは前記キーホールからの発光信号強度信号に周波数処理を施し、１００Ｈｚ以上における信号強度成分および３０Ｈｚ以下における信号強度成分の２つに分けて判別処理を行うことで、重ねギャップ量に起因する溶接異常を精度良く検知し、溶接品質をオンラインでモニタリングする方法を発明した。図３はキーホール発光をフォトダイオードで捉え、ＡＣカップリングにより直流分を除外した信号であり、図８はこの信号の周波数が３０Ｈｚ以下の成分を抽出した信号波形、図９は１００Ｈｚ以上の成分を抽出した信号波形である。図８においては溶接中央付近で信号強度ピ−ク−ピーク値（以降Ｐ−Ｐ値とする。）が増大しているのに対し、図９の波形においては溶接開始点および終了点近傍における信号強度Ｐ−Ｐ値と中央付近における信号強度Ｐ−Ｐ値との比率が図３の波形に比べ、相対的に増大している。適正重ねギャップ時におけるキーホール発光信号の３０Ｈｚ以下成分の信号強度Ｐ−Ｐ値ＳＬ（ｔ）の平均値ＳＬ＿ＡＶおよび１００Ｈｚ以上成分の信号強度Ｐ−Ｐ値ＳＨ（ｔ）の平均値ＳＨ＿ＡＶを算出し、これより判定しきい値Ｔｈ１、Ｔｈ２、Ｔｈ３が決定し、各々Ｔｈ１＝ＳＬ＿ＡＶ＋α（αは定数）、Ｔｈ２＝ＳＨ＿ＡＶ＋β（βは定数）、Ｔｈ３＝ＳＨ＿ＡＶ＋γ（γは定数）とする。３０Ｈｚ以下の成分から成る信号強度Ｐ−Ｐ値の時間変動量ＳＬ（ｔ）に対して、｜ＳＬ（ｔ）｜＞Ｔｈ１となる領域を重ねギャップ過大による溶接異常と判定することが可能である。また同様に図９においても１００Ｈｚ以上の成分から成る信号強度ＰＰ値ＳＨ（ｔ）に対して、｜ＳＨ（ｔ）｜＞Ｔｈ２となる領域を重ねギャップ過小による溶接異常、｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ３となる領域を重ねギャップ過大による溶接異常、Ｔｈ３＜｜ＳＨ（ｔ）｜＜Ｔｈ２となる領域を正常と判定するものである。
【００１６】
本発明の実施形態について図１０を基に説明する。本発明によるレーザモニタリング装置は、電動絞り機構８、濃度可変型液晶フィルタ９、集光レンズ１０、フォトダイオード１１、フォトダイオード用増幅アンプ１２、Ａ／Ｄボード１３、Ｄ／Ａボード１４、電動絞りコントローラ１６、濃度可変型液晶フィルタコントローラ１５およびコンピュータ１７から成り、８〜１１から構成されるセンサヘッド部１８はレーザトーチ７の外部あるいは内部に設置される。センサヘッド部１８がレーザトーチ７の外部に設置される場合は、母材に対してなるべく高い角度となるようにし、また内部に設置される場合は光軸が照射レーザと同軸となるようにする。
【００１７】
加工点で形成されるキーホールより放射される輻射光、プラズマ光を電動絞り機構８、濃度可変型液晶フィルタ９によって光量調整し、集光レンズ１０によりフォトダイオード１１の受光面に結像させる。フォトダイオード１１の出力信号はフォトダイオード用増幅アンプ１２で増幅され、コンピュ−タ１７内Ａ／Ｄボード１３の入力ダイナミックレンジに対して適正となるような信号電圧となる。Ｄ／Ａボードの出力は電動絞りコントローラ１６、濃度可変型液晶フィルタコントローラ１５に接続され、各々電動絞り機構８、濃度可変型液晶フィルタ９を制御する。
【００１８】
前記フォトダイオード用増幅アンプ１２出力信号をＡ／Ｄコンバータ１３によりデジタルデータに変換し、コンピュータ１７に取り込み、ＦＩＲフィルタ処理によりフォトダイオード出力信号周波数が１００Ｈｚ以上となる成分および３０Ｈｚ以下となる成分の強度差を抽出しつつ、時間方向に移動可能な設定範囲において、ある着目点近傍におけるデータ１０〜１０００個の最大値および最小値の差分値を信号強度Ｐ−Ｐ値とし、１００Ｈｚ以上となる成分の信号強度Ｐ−Ｐ値をＳＨ（ｔ）および３０Ｈｚ以下となる成分の信号強度Ｐ−Ｐ値をＳＬ（ｔ）とする。前記高周波成分信号強度ＳＨ（ｔ）および低周波成分信号強度ＳＬ（ｔ）に対して適当なしきい値Ｔｈ１〜Ｔｈ３を設け、表１に示すような判定論理に基づいて溶接品質の判定を行うものである。本発明に従って判定すると、溶接異常が精度良く検知することができた。
【００１９】
【表１】
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【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、レーザ重ね溶接において重ねギャップ量に起因する溶接異常を精度良く検知し、オンラインで溶接品質を評価することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  亜鉛メッキ材同士の重ね溶接において重ねギャップを部分変化させてレーザ溶接を行った際のキーホール発光強度信号の典型的な波形例を示す図である。
【図２】  重ねギャップを部分変化させた亜鉛メッキ材同士の重ね溶接用試料を示す図である。
【図３】  亜鉛メッキ材同士の重ね溶接において重ねギャップを部分変化させてレーザ溶接を行った際、ギャップ過大時においてもキーホール発光強度信号が増大した波形例を示す図である。
【図４】  重ねギャップが適正領域におけるキーホール発光強度信号を時間方向に拡大した波形を示す図である。
【図５】  重ねギャップが過小な領域において異常が発生した際のキーホール発光強度信号を時間方向に拡大した波形を示す図である。
【図６】  重ねギャップが過大な領域においてアンダーフィルが発生した際のキーホール発光強度信号を時間方向に拡大した波形を示す図である。
【図７】  重ねギャップが過大な領域において溶接異常が発生した際のキーホール発光強度信号を時間方向に拡大した波形を示す図である。
【図８】  図３の信号周波数が３０Ｈｚ以下の成分を抽出した信号波形を示す図である。
【図９】  図３の信号周波数が１００Ｈｚ以上の成分を抽出した信号波形を示す図である。
【図１０】  本発明の実施例によるレーザ溶接モニタリング装置の全体構成図を示す図である。
【符号の説明】
１  部分変化している重ねギャップ
２  溶接開始点近傍
３  中央付近
４  溶接終了点近傍
５  重ねギャップを部分変化させた亜鉛メッキ鋼板の試料
６  亜鉛メッキ鋼板
７  レーザトーチ
８  電動絞り機構
９  濃度変換型液晶フィルタ
１０  集光レンズ
１１  フォトダイオード
１２  フォトダイオード用増幅アンプ
１３  Ａ／Ｄボード
１４  Ｄ／Ａボード
１５  濃度変換型液晶フィルタコントローラ
１６  電動絞りコントローラ
１７  コンピュータ
１８  センサヘッド部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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