(57)【要約】【課題】溶接部の微細組織を考慮した上で溶接中の良否判定を可能にする溶接良否判定方法および該良否判定方法を実施する機構を備える溶接装置を提供する。【解決手段】本発明に係る溶接良否判定方法は、溶接開始前に各種溶接条件を入力する工程と、入力した前記各種溶接条件のそれぞれに対応するデータベースを選定する工程と、溶融池・熱影響部の画像データを取得する工程と、前記画像データから前記溶融池・熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する工程と、前記表面温度分布の特徴値と前記各種データベースとから前記溶融池を形成する入熱量を推定する工程と、前記入熱量と前記表面温度分布の特徴値と前記各種データベースとから前記溶融池・熱影響部の温度変化を推定する工程と、前記温度変化と前記各種データベースとから溶接領域の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する工程と、前記微細組織に基づく材料物性と前記負荷応力データベースとから溶接品質の良否を判定する工程と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接継手の溶接品質の良否を判定する方法であって、
溶接開始前に、溶接熱源となる溶接方法、前記溶接継手の母材材質、前記溶接継手の形状、および前記溶接継手を使用する際の負荷応力を溶接条件として入力する工程と、
入力した前記溶接方法、前記母材材質、前記溶接継手形状、および前記負荷応力のそれぞれに対応するデータベースを選定する工程と、
溶接中に形成される溶融池および該溶融池に起因する熱影響部の画像データを取得する工程と、
取得した前記画像データから前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する工程と、
抽出した前記表面温度分布の特徴値と前記溶接方法データベースと前記母材材質データベースと前記溶接継手形状データベースとから、前記溶融池を形成する入熱量を推定する工程と、
推定した前記入熱量と前記表面温度分布の特徴値と前記母材材質データベースとから、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化を推定する工程と、
推定した前記温度変化と前記母材材質データベースとから、前記溶融池の凝固により形成される溶接ビードおよび前記熱影響部（溶接領域と称す）の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する工程と、
推定した前記微細組織に基づく材料物性と前記負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する工程と、
を有することを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項２】
請求項１に記載の溶接良否判定方法において、
前記溶接領域の微細組織は、前記母材材質の平均結晶粒径、構成相および該構成相の分率であることを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の溶接良否判定方法において、
前記母材材質データベースは、前記溶接領域の微細組織と関連づけられた材料物性データベースを含み、
前記負荷応力データベースは、前記材料物性データベースおよび前記溶接継手形状データベースと関連づけられた溶接品質限界データベースを含むことを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の溶接良否判定方法において、
前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値は、該溶融池の幅、該溶融池の長さ、予め設定した第１の温度を示す領域の幅、予め設定した第２の温度を示す領域の幅、および前記第１の温度を示す領域の幅を決めた位置から溶接方向後方で前記第２の温度となる位置までの距離であることを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の溶接良否判定方法において、
前記第１の温度は700℃以上1000℃以下の範囲から選択する一温度であり、
前記第２の温度は200℃以上500℃以下の範囲から選択する一温度であることを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の溶接良否判定方法において、
前記溶接品質の良否を判定する工程の結果に基づいて、警告信号および／または制御信号を発するフィードバック工程を更に有することを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の溶接良否判定方法において、
前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化、前記溶接領域の微細組織、および前記溶接良否判定の結果のうちの一つ以上を時系列で記録する品質管理工程を更に有することを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の溶接良否判定方法において、
前記各種データベースの取得が通信によってなされることを特徴とする溶接良否判定方法。
【請求項９】
溶接継手の溶接品質の良否を判定する機構を備える溶接装置であって、
前記溶接継手の溶接箇所に溶融池を形成する溶接熱源装置と、溶接条件の入力および溶接品質の制御を行う溶接品質制御装置とを具備し、
前記溶接品質制御装置は、前記溶融池および該溶融池に起因する熱影響部を撮影して前記溶融池および前記熱影響部の画像データを取得する撮影装置と、当該溶接のデータ処理を行う溶接データ処理装置とを有し、
前記溶接データ処理装置は、
溶接開始前に、溶接熱源となる溶接方法、前記溶接継手の母材材質、前記溶接継手の形状、および前記溶接継手を使用する際の負荷応力を入力する溶接条件入力機構と、
入力した前記溶接方法、前記母材材質、前記溶接継手形状、および前記負荷応力のそれぞれに対応するデータベースを選定するデータベース選定機構と、
前記撮影装置で取得した前記画像データを解析処理して前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する溶融池・熱影響部表面温度分布計測機構と、
抽出した前記表面温度分布の特徴値と前記溶接方法データベースと前記母材材質データベースと前記溶接継手形状データベースとから、前記溶融池を形成する入熱量を推定する溶融池入熱量推定機構と、
推定した前記入熱量と前記表面温度分布の特徴値と前記母材材質データベースとから、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化を推定する溶融池・熱影響部温度変化推定機構と、
推定した前記温度変化と前記母材材質データベースとから、前記溶融池の凝固により形成される溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する溶接領域微細組織推定機構と、
推定した前記微細組織に基づく材料物性と前記負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する溶接品質良否判定機構と、を有する
ことを特徴とする溶接装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の溶接装置において、
前記溶接データ処理装置は、前記溶接品質良否判定機構の判定結果に基づいて、警告信号および／または制御信号を発するフィードバック機構を更に有することを特徴とする溶接装置。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０に記載の溶接装置において、
前記溶接熱源装置の出力および／または溶接速度を制御する溶接施工制御装置を更に具備することを特徴とする溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接技術に関し、特に、溶接中にその良否を判定する方法および該良否判定方法を実施する機構を備える溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
鉄鋼材料（例えば、炭素鋼、ステンレス鋼）からなる部材を主構成部材とする大型重量製品を製造する場合、該構成部材同士の溶接はしばしば必要不可欠で重要な工程となる。一方、溶接は、本質的に、溶接部への投入熱量と溶接部からの放熱量との微妙なバランスの上に成り立っているため、溶接の施工条件の変動や周囲環境の変動の影響を受け易く、溶接部の品質（溶接品質）がばらつき易いという技術的難しさがある。そのため、溶接品質（例えば、機械的強度、残留応力、溶接変形）を安定させるための様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開2004-4034）には、母材同士が一または複数の溶接パスによって溶接金属部を介して溶接された溶接構造物の、前記溶接金属部および熱影響部を含む溶接部内の被予測部の材質を予測する方法であって、前記溶接部を区画して複数のメッシュ領域を想定し、各メッシュ領域に対して、下記（１）、（２）、および（３）の各計算を行い、（１）最終溶接パス終了まで単位時間経過毎に、母材成分、ワイヤ成分あるいは当該単位時間経過前の溶接金属組成と溶接条件とに基づいて当該単位時間経過後におけるメッシュ領域温度を順次求めて第１ 溶接パスから最終溶接パスに至る温度履歴を算出するメッシュ領域温度履歴計算、（２）最終溶接パス終了まで単位時間経過毎に、母材成分、ワイヤ成分、シールドガス成分あるいは当該単位時間経過前の溶接金属組成と当該単位時間経過後におけるメッシュ領域温度とに基づいて当該単位時間経過後の溶接金属組成を求める溶接金属組成計算、（３）前記溶接金属組成と温度履歴とに基づいてメッシュ領域内における変態組織の分率を含む変態組織情報を求める変態組織計算、その後、前記被予測部内の各メッシュ領域における最終溶接パス終了後の変態組織情報に基づいて、予め実測により求められた組織と材質との関係から前記被予測部の材質を予測する材質予測計算を行う、溶接部の材質予測方法が開示されている。特許文献１によると、溶接部の被予測部の材質をその組織に基づいて高精度に予測することができる、とされている。
【０００４】
また、特許文献２（特開2010-131629）には、溶接構造物の溶接変形を監視する溶接構造物の変形監視装置であって、前記溶接構造物の表面の変位を計測する変位計と、この変位計からのデータと変位計測点に関する位置情報から前記溶接構造物の変形量を計算する変形量計算装置と、前記溶接構造物の表面温度を計測する温度計と、この温度計からのデータと温度計測点に関する位置情報から前記溶接構造物の温度分布を推定する温度分布計算装置と、前記溶接構造物の溶接変形に関する判定を溶接施工中に行う判定装置とを備え、前記判定装置は、前記温度分布計算装置にて求めた前記溶接構造物の温度分布から、この溶接構造物の線膨張による熱変形量を推定する第１演算部と、前記変形量計算装置により求められた前記溶接構造物の変形量から、前記第１演算部にて得られた熱変形量の推定値を差し引いて真の溶接変形量を演算する第２演算部と、溶接プロセス毎の溶接変形量の許容値を予め格納するデータベースと、前記第２演算部にて求めた真の溶接変形量と前記溶接変形量の許容値とを比較して、溶接変形の合否を判定する判定部と、を有することを特徴とする溶接構造物の変形監視装置が開示されている。特許文献２によると、溶接施工中または熱処理施工中の溶接構造物の表面変位と表面温度とを段階的にモニタリングすることで、溶接変形または熱処理変形の合否をこれらの施工中の最適な段階で判定するなど、溶接施工や熱処理施工を好適に管理することができる、とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−４０３４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１３１６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、前述したように溶接部を複数のメッシュ領域に区画し、各メッシュ領域に対して種々の解析計算を行って、溶接部の組織状態、残留応力、溶接変形を予測している。この技術は現実に即した高精度の予測ができると期待されるが、これらの解析計算は長い計算時間を要するため、溶接中に良否判定をすること（溶接作業中のその場判定）が困難という問題がある。言い換えると、特許文献１の技術では、溶接中のフィードバック制御はほぼ不可能と考えられる。
【０００７】
一方、特許文献２では、溶接構造物（溶接対象物）の表面変位と表面温度とを計測し、それぞれの計測データから変形量計算と温度分布計算とを行い、得られた計算結果と予め定めたデータベースとを比較することにより溶接の良否判定を行っている。特許文献２の技術は、計算する種類と量とが少ないことから短い計算時間で済むと考えられ、溶接中であっても良否判定を可能にすることが期待される。しかしながら、表面変位計測に基づく変形量計算および表面温度計測に基づく温度分布計算の二項目のみから溶接部の微細組織を推定することは困難である。
【０００８】
鉄鋼材料において、その微細組織（具体的には、結晶粒径、構成相の種類（例えば、フェライト相、パーライト相、マルテンサイト相）および該構成相の分率）は、機械的強度に大きな影響を及ぼす。そのため、微細組織の推定が困難な特許文献２の技術では、微細組織の影響を強く受ける溶接品質（特に、溶接部の機械的強度）を判定することはほぼ不可能と考えられる。
【０００９】
また、要求される溶接品質は、溶接継手（溶接された製品、溶接される部材）の種類や溶接箇所によって異なるため、溶接良否判定の基準も通常一様ではない。しかしながら、従来技術の溶接良否判定方法は、要求される溶接品質（すなわち、溶接良否判定の基準）の違いを考慮する工程が用意されていないため、多品種の溶接継手にそのまま適用すると溶接継手の種類や溶接箇所の変化に対応できず、製品歩留りの低下や補修のための製造工数の増加、スループットの低下など（結果として、それらに起因するコスト増加）を招くという問題があった。
【００１０】
したがって、本発明の目的は、第一義的には溶接部の微細組織を考慮した上で溶接中の良否判定（溶接作業中のその場判定）を可能にする溶接良否判定方法を提供することにある。また、溶接継手の種類や溶接箇所の変更に基づく溶接良否の判定基準の変動に対応できる溶接良否判定方法を提供することにある。さらに、該良否判定方法を実施する機構を備える溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（I）本発明の一態様は、溶接継手の溶接品質の良否を判定する方法であって、
溶接開始前に、溶接熱源となる溶接方法、前記溶接継手の母材材質、前記溶接継手の形状、および前記溶接継手を使用する際の負荷応力を溶接条件として入力する工程と、
入力した前記溶接方法、前記母材材質、前記溶接継手形状、および前記負荷応力のそれぞれに対応するデータベースを選定する工程と、
溶接中に形成される溶融池および該溶融池に起因する熱影響部の画像データを取得する工程と、
取得した前記画像データから前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する工程と、
抽出した前記表面温度分布の特徴値と前記溶接方法データベースと前記母材材質データベースと前記溶接継手形状データベースとから、前記溶融池を形成する入熱量を推定する工程と、
推定した前記入熱量と前記表面温度分布の特徴値と前記母材材質データベースとから、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化を推定する工程と、
推定した前記温度変化と前記母材材質データベースとから、前記溶融池の凝固により形成される溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する工程と、
推定した前記微細組織に基づく材料物性と前記負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する工程と、
を有することを特徴とする溶接良否判定方法を提供する。
【００１２】
（II）本発明の他の一態様は、溶接継手の溶接品質の良否を判定する機構を備える溶接装置であって、
前記溶接継手の溶接箇所に溶融池を形成する溶接熱源装置と、溶接条件の入力および溶接品質の制御を行う溶接品質制御装置とを具備し、
前記溶接品質制御装置は、前記溶融池および該溶融池に起因する熱影響部を撮影して前記溶融池および前記熱影響部の画像データを取得する撮影装置と、当該溶接のデータ処理を行う溶接データ処理装置とを有し、
前記溶接データ処理装置は、
溶接開始前に、溶接熱源となる溶接方法、前記溶接継手の母材材質、前記溶接継手の形状、および前記溶接継手を使用する際の負荷応力を入力する溶接条件入力機構と、
入力した前記溶接方法、前記母材材質、前記溶接継手形状、および前記負荷応力のそれぞれに対応するデータベースを選定するデータベース選定機構と、
前記撮影装置で取得した前記画像データを解析処理して前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する溶融池・熱影響部表面温度分布計測機構と、
抽出した前記表面温度分布の特徴値と前記溶接方法データベースと前記母材材質データベースと前記溶接継手形状データベースとから、前記溶融池を形成する入熱量を推定する溶融池入熱量推定機構と、
推定した前記入熱量と前記表面温度分布の特徴値と前記母材材質データベースとから、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化を推定する溶融池・熱影響部温度変化推定機構と、
推定した前記温度変化と前記母材材質データベースとから、前記溶融池の凝固により形成される溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する溶接ビード・熱影響部微細組織推定機構と、
推定した前記微細組織に基づく材料物性と前記負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する溶接品質良否判定機構と、を有する
ことを特徴とする溶接装置を提供する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、溶接部の微細組織を考慮した上で溶接中の良否判定（溶接作業中のその場判定）を可能にする溶接良否判定方法を提供することができる。また、溶接継手の種類や溶接箇所の変更に基づく溶接良否の判定基準の変動に対応可能な溶接良否判定方法を提供することができる。さらに、該良否判定方法を実施する機構を備える溶接装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。
【図２】第１実施形態のレーザ溶接装置の利用方法を示すフローチャートである。
【図３】溶接条件入力機構のグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を介した溶接条件の入力例を示す模式図である。
【図４】撮影装置で取得した溶融池・熱影響部の画像データの一例を示す模式図である。
【図５】溶接品質の良否判定プロセスを示すフローチャートである。
【図６】温度変化データを推定するための座標系の一例を示す斜視模式図である。
【図７】微細組織の推定プロセスを示すフローチャートである。
【図８】本発明の第２実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。
【図９】第２実施形態のレーザ溶接装置の利用方法を示すフローチャートである。
【図１０】フィードバック制御プロセスを示すフローチャートである。
【図１１】フィードバック信号の決定・発信プロセスを示すフローチャートである。
【図１２】本発明の第３実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。
【図１３】アーク溶接法におけるフィードバック信号の決定・発信プロセスを示すフローチャートである。
【図１４】本発明の第４実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、前記の溶接良否判定方法（I）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（i）前記溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織は、前記母材材質の平均結晶粒径、構成相および該構成相の分率である。
（ii）前記母材材質データベースは、前記溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織と関連づけられた材料物性データベースを含み、
前記負荷応力データベースは、前記材料物性データベースおよび前記溶接継手形状データベースと関連づけられた溶接品質限界データベースを含む。
（iii）前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値は、該溶融池の幅、該溶融池の長さ、予め設定した第１の温度を示す領域の幅、予め設定した第２の温度を示す領域の幅、および前記第１の温度を示す領域の幅を決めた位置から溶接方向後方で前記第２の温度となる位置までの距離である。
（iv）前記第１の温度は700℃以上1000℃以下の範囲から選択する一温度であり、前記第２の温度は200℃以上500℃以下の範囲から選択する一温度である。
（v）前記溶接品質の良否を判定する工程の結果に基づいて、警告信号および／または制御信号を発するフィードバック工程を更に有する。
（vi）前記溶融池および前記熱影響部の表面温度分布の特徴値、前記溶融池および前記熱影響部の温度変化、前記溶接ビードおよび前記熱影響部の微細組織、および前記溶接良否判定の結果のうちの一つ以上を時系列で記録する品質管理工程を更に有する。
（vii）前記各種データベースの取得が通信によってなされる。
【００１６】
また、本発明は、前記の溶接装置（II）において、以下のような改良や変更を加えることができる。
（viii）前記溶接データ処理装置は、前記溶接品質良否判定機構の判定結果に基づいて、警告信号および／または制御信号を発するフィードバック機構を更に有する。
（ix）前記溶接熱源装置の出力および／または溶接速度を制御する溶接施工制御装置を更に具備する。
【００１７】
（本発明の基本思想）
前述したように、鉄鋼材料では、微細組織（具体的には、結晶粒径、構成相の種類（例えば、フェライト相、パーライト相、マルテンサイト相）および該構成相の分率）が、機械的強度に大きな影響を及ぼすことが知られている。その微細組織に影響を与える因子は、多岐にわたるが、代表的には、母材組成と溶接部の経験最高温度と溶融池から溶接ビードへの凝固速度（放熱速度）とが挙げられる。母材組成と溶接部の経験最高温度とは、主に構成相の種類とその分率に影響を与える。溶融池から溶接ビードへの凝固速度（放熱速度）は、溶融池を形成する際の投入熱量および溶接継手の形状（放熱経路）の影響を受け、主に結晶粒径に影響を与える。
【００１８】
特許文献１のような従来技術は、このような多岐にわたる因子を逐次解析計算することから、どうしても長い計算時間を要するという弱点があった。一方、溶接中の良否判定（溶接作業中のその場判定）を可能にするためには、基本的に、データ処理に要する計算時間を如何に短くするかがポイントとなる。
【００１９】
そこで、本発明者等は、データ処理に要する計算時間を短くするため鋭意検討した結果、微細組織に影響を与える各種因子のうち一義的な因子と二義的な因子とを分けてそれぞれをデータベース化し、溶接条件に応じてそれらデータベースを適宜組み合わせながら解析計算することにより、重複する解析計算を大幅に低減できることを見出した。言い換えると、従来技術では、一義的な因子と二義的な因子との切り分けが不十分であったために、溶接条件、母材材質、継手形状、および負荷応力の一つ以上が変化したときに、類似計算の重複が数多く生じてしまい、全体としての計算時間が長くなっていたと考えられた。本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものである。
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。なお、本発明は、ここで取り上げた実施形態に限定されることはなく、発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜組み合わせや改良が可能である。また、同義の部位・機構には同じ符号を付して重複する説明を省略することがある。
【００２１】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。ここでは、第１実施形態として、本発明の溶接良否判定方法を実施する機構を備えるレーザ溶接装置について説明する。
【００２２】
図１に示したように、第１実施形態に係るレーザ溶接装置100は、大きく分けて、溶接熱源装置10と溶接品質制御装置20と溶接施工制御装置30とを具備する。溶接熱源装置10は、溶接継手の溶接箇所に溶融池1を形成する装置（溶接するための熱源を供給する装置）であり、レーザ発振器11とレーザヘッド12とそれらをつなぐ光ファイバ13とを有する。溶接品質制御装置20は、溶接条件の入力および溶接品質の制御を行う装置であり、溶融池1の画像データを取得する撮影装置21（例えば、光学式温度計）と、当該溶接のデータ処理を行う溶接データ処理装置22とを有する。溶接施工制御装置30は、溶接データ処理装置22と溶接熱源装置10と溶接ロボット31とに接続され、溶接データ処理装置22からの信号を受けて、溶接熱源装置10の出力制御とレーザヘッド12を駆動する溶接ロボット31の制御（すなわち、レーザヘッド12の駆動制御）とを行う装置である。
【００２３】
本発明の溶接装置は、溶接データ処理装置22の構成と機能とに特徴がある。具体的に説明すると、溶接データ処理装置22は、溶接条件入力機構22aと、データベース選定機構22bと、溶融池・熱影響部表面温度分布計測機構22cと、溶融池入熱量推定機構22dと、溶融池・熱影響部温度変化推定機構22eと、溶接領域微細組織推定機構22fと、溶接品質良否判定機構22gとを有する。
【００２４】
溶接条件入力機構22aは、溶接開始前に、溶接熱源となる溶接方法、溶接継手の母材材質、溶接継手の形状、および溶接継手を使用する際の負荷応力を入力する機構である。データベース選定機構22bは、入力した溶接方法、母材材質、溶接継手形状、および前記負荷応力のそれぞれに対応するデータベースを選定する機構である。溶融池・熱影響部表面温度分布計測機構22cは、撮影装置21で取得した画像データを解析処理して溶融池1および溶融池1に起因する熱影響部の表面温度分布の特徴値を抽出する機構である。溶融池入熱量推定機構22dは、抽出した表面温度分布の特徴値と溶接方法データベースと母材材質データベースと溶接継手形状データベースとから、計測した溶融池1を形成する入熱量を推定する機構である。溶融池・熱影響部温度変化推定機構22eは、推定した溶融池1の入熱量と先の表面温度分布の特徴値と母材材質データベースとから、溶融池および熱影響部の温度変化を推定する機構である。溶接領域微細組織推定機構22fは、推定した温度変化と母材材質データベースとから、溶融池1の凝固により形成される溶接ビードおよび熱影響部（以下、総称して溶接領域2と称す）の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する機構である。そして、溶接品質良否判定機構22gは、推定した微細組織に基づく材料物性と負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する機構である。
【００２５】
溶接データ処理装置22は、溶接品質良否判定機構22gの判定結果に基づいて、警告信号および／または制御信号を発するフィードバック機構22hを更に有することが好ましい。また、溶接データ処理装置22は、溶融池・熱影響部表面温度分布の特徴値、溶融池内部温度分布データ、溶接領域微細組織データ、および溶接良否判定の結果のうちの一つ以上を時系列で記録する記録機構（例えば、メモリやハードディスク、図示せず）を有することが好ましく、それらの記録の出力や各種データベースの取得をネットワーク通信によって行うネットワーク通信機構（図示せず）を有することも好ましい。
【００２６】
さらに、本発明に係る溶接装置は、溶接データ処理装置22が他の装置（溶接施工制御装置30、撮影装置21、溶接熱源装置10）と有線接続されている必要はなく、無線接続であってもよいし、複数台の溶接装置で１台の溶接データ処理装置22を共有してもよい。
【００２７】
次に、本実施形態のレーザ溶接装置100の利用方法について説明する。図２は、第１実施形態のレーザ溶接装置の利用方法を示すフローチャートである。
【００２８】
溶接領域2の微細組織（溶接された材料の溶融凝固組織およびその周囲の熱影響部の微細組織）は、溶接熱源（投入熱量）、母材材質、および溶接継手形状（放熱経路）に大きく依存する。また、要求される溶接品質（特に、機械的強度）は、溶接継手を使用する際の負荷応力に依存する。そこで、図１〜２に示すように、溶接施工前に、利用者（ユーザー）は、溶接条件入力機構22aを介して、これから行う溶接の基本情報を入力する（図２のS1）。
【００２９】
図３は、溶接条件入力機構のグラフィカルユーザーインターフェース（GUI）を介した溶接条件の入力例を示す模式図である。図３に示した例では、溶接熱源となる溶接方法として「レーザ」を選択し、溶接継手の母材材質として「低炭素鋼」を選択し、溶接継手の形状として「平板／板厚12 mm／開先角45°」を選択し、溶接継手を使用する際の負荷応力として「50 MPa」を選択している。
【００３０】
溶接方法の選択肢としては、レーザ溶接の他に、例えば、タングステン不活性ガス（TIG）溶接、メタル活性ガス（MAG）溶接、メタル不活性ガス（MIG）溶接などが挙げられる。母材材質の選択肢としては、低炭素鋼の他に、例えば、高炭素鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼などが挙げられる。なお、当然のことながら、入力する溶接条件の選択肢は、図３の例示に限定されるものではない。
【００３１】
上記のように溶接方法、母材材質、溶接継手形状、および負荷応力を選択すると、データベース選定機構22bにより、それぞれの選択に対応するデータベース（溶接方法データベース、母材材質データベース、溶接継手形状データベース、負荷応力データベース）が選定される（図２のS2）。
【００３２】
なお、母材材質（例えば、添加成分組成や不可避不純物量）は、母材の生産ロットや原料の原産地によって変動することがある。また、溶融池の形状や温度分布と強く相関する投入熱量と放熱とのバランスは、季節によって変動することがある。そのため、各データベースは、必要に応じてユーザーが適宜修正できるようになっていることが好ましい。
【００３３】
各種データベースが選定されると、溶接データ処理装置22から溶接施工制御装置30に溶接開始信号が発信される（図２のS3）。溶接開始信号を受信した溶接施工制御装置30は、レーザ発振器11と溶接ロボット31とに制御信号を発信すると共に、溶接データ処理装置22へ溶接開始確認信号を戻す（図２のS4）。溶接施工制御信号により、溶接ロボット31は溶接継手の溶接すべき箇所（溶接部）にレーザヘッド12を駆動し、レーザ発振器11は光ファイバ13とレーザヘッド12とを介してレーザ光を溶接部に照射して溶融池1が形成される（すなわち、溶接が開始される）。
【００３４】
溶接が開始されると、撮影装置21は、形成された溶融池1およびその周囲の熱影響部の画像データを取得し、該画像データを溶接データ処理装置22に送信する（図２のS5）。次に、溶接データ処理装置22は、受信した溶融池・熱影響部の画像データとS2で選定した各種データベースとから、溶接品質の良否判定を行う（図２のS6）。S6の詳細については後述する。S6の途中で異常値が検出された場合、フィードバック機構22hを介して警告信号が発信される（図１参照）。
【００３５】
溶接ロボット31への制御信号（レーザヘッド12の駆動制御）から、予定された溶接部全ての溶接が完了したと判定されると、溶接施工制御装置30から溶接データ処理装置22に溶接終了信号が発信され（図２のS7）、溶接が終了する。
【００３６】
次に、S6をより詳細に説明する。図４は、撮影装置で取得した溶融池・熱影響部の画像データの一例を示す模式図である。図５は、溶接品質の良否判定プロセスを示すフローチャートである。
【００３７】
図４に示したように、撮影装置21（例えば、二色温度計）で取得した溶融池・熱影響部の画像データから、溶融池・熱影響部の表面温度分布を計測することができる。ただし、二次元（溶融池・熱影響部表面）の温度分布データ全てをデータ処理に用いようとすると、計算量が膨大になり計算時間が長大化してしまうことから好ましくない。そこで、本発明では、データ処理に要する計算時間を短くする目的から、計測した溶融池・熱影響部の表面温度分布を表わす数点の特徴値を抽出する（図５のS61）。例えば、溶融池・熱影響部の表面温度分布の特徴値として、溶融池1の幅WF、溶融池1の長さLF、800℃を示す領域の幅W800、400℃を示す領域の幅W400、および800℃を示す領域の幅を決めた位置から溶接方向後方で400℃となる位置までの距離LCを抽出する。
【００３８】
次に、抽出した表面温度分布の特徴値とS2で選定した各種データベース（溶接方法データベース、母材材質データベース、溶接継手形状データベース）とから、当該溶融池1を形成するのに要する入熱量データを推定する（図５のS62）。本工程の入熱量データを推定する過程の一部を具体的に例示する。
【００３９】
データベース検索を容易にするため、各種データベースは、形成される溶融池の寸法（幅、長さ、深さ等）を索引として用い、所定の溶接条件に対する標準値と該標準値を挟む下限値および上限値とをセットにしたかたちで（下限値／標準値／上限値）、その溶融池を形成するのに必要な入熱量および溶接速度が記憶されている。
【００４０】
例えば、図３に示した溶接条件においては、形成される溶融池の寸法として次のような索引が記憶されている。
・溶融池の幅WF（下限値／標準値／上限値）＝12 mm／16 mm／20 mm。
・溶融池の長さLF（下限値／標準値／上限値）＝19 mm／23 mm／27 mm。
・800℃の領域の幅W800（下限値／標準値／上限値）＝18 mm／22 mm／26 mm。
・400℃の領域の幅W400（下限値／標準値／上限値）＝28 mm／34 mm／40 mm。
・800℃から400℃の距離LC（下限値／標準値／上限値）＝20 mm／40 mm／60 mm。
参照するデータ数はこれらの組み合わせになるので、合計35＝243個のレコードとなる。
【００４１】
ここで、S61で抽出した溶融池・熱影響部の表面温度分布の特徴値が、次のようであったとする。
・溶融池の幅WF＝18 mm。
・溶融池の長さLF＝25 mm。
・800℃の領域の幅W800＝24 mm。
・400℃の領域の幅W400＝36 mm。
・800℃から400℃の距離LC＝45 mm。
【００４２】
抽出した特徴値を挟むようにデータベースのレコードを選択すると、次のようになる。
・溶融池の幅WFレコード：16 mmと20 mm。
・溶融池の長さLFレコード：23 mmと27 mm。
・800℃の領域の幅W800レコード：22 mmと26 mm。
・400℃の領域の幅W400レコード：34 mmと40 mm。
・800℃から400℃の距離LCレコード：40 mmと60 mm。
選択したレコード数は、わずか25＝64個であるため、これら選択したレコード内の入熱量と溶接速度とを参照して補間計算することにより、極めて短時間で溶融池1を形成するのに要する入熱量データを推定することができる。
【００４３】
次に、S62で推定した溶融池1の入熱量データと先の表面温度分布の特徴値と母材材質データベースとから、溶融池・熱影響部の温度変化データを推定する（図５のS63）。温度変化データは、溶接部の各座標における時系列の温度データである。本工程の温度変化データを推定する過程の一部を具体的に例示する。
【００４４】
まず、温度変化データを推定するための座標系と時刻とを次のように定義する。図６は、温度変化データを推定するための座標系の一例を示す斜視模式図である。図６に示した座標系は、レーザ照射位置を原点とし、溶接方向をZ軸の正方向とし、溶接継手の表面をXZ平面とし、溶接継手の厚さ方向をY軸の負方向としている。また、時刻としては、Z座標がゼロの時を時刻ゼロとしてカウントする。
【００４５】
記録する座標としては、例えば、X座標において対称性を考慮して0 mmから＋20 mmまで間の0.1 mm毎の201ケース、Y座標において−20 mmから0 mmまでの間の0.1 mm毎の201ケース、Z座標において0 mmの1ケースを選定する。また、記録する時刻としては、例えば、0.1秒、0.2秒、0.5秒、1.0秒、2.0秒、5.0秒、10秒、20秒、50秒、100秒、200秒、500秒、1000秒の13ケースを選定する。これらの座標と時刻とで全て記録した場合、一つのレコード内に、201×201×1×13＝525,213ケースの温度データが記録される。
【００４６】
なお、Z座標に関しては、溶接速度を介することによって時刻と同義になる。例えば、溶接速度が5 mm/sの場合、時刻1秒でZ座標0 mmの温度は、時刻0秒でZ座標−5 mmの温度と同じである。
【００４７】
また、溶接品質（例えば、機械的強度）を管理する上で重要となる座標は、通常、溶接領域2の表面と中央面（図６におけるXZ平面とYZ平面）である。言い換えると、温度変化データを推定するための座標をXZ平面とYZ平面とに限定することにより、処理すべきデータ量を大幅に低減することができ、データ処理に要する計算時間を短くすることができる。
【００４８】
次に、S63で推定した溶融池・熱影響部の温度変化と母材材質データベースとから、溶接領域2の微細組織と該微細組織に基づく材料物性とを推定する（図５のS64）。微細組織としては、母材結晶の平均粒径、構成相（例えば、フェライト相、パーライト相、マルテンサイト相）および該構成相の分率を推定する。ここで、溶接領域2の微細組織に強く影響する因子は、先の各座標の温度変化における最高到達温度と放熱速度となる。微細組織の推定プロセスの詳細は後述する。
【００４９】
溶接領域2の微細組織が推定できれば、該微細組織に基づく各種材料物性を推定することができる。各種材料物性としては、例えば、所定温度における熱膨張率や機械的特性（例えば、降伏強さ、引張強さ）や疲労限度などが挙げられる。所定温度としては、相・組織変態の開始／終了温度や室温（例えば、25℃、500℃、800℃、1460℃、1520℃）を選択することが好ましい。
【００５０】
また、微細組織と各種材料物性との関連づけにおいて、検索を容易にするため、微細組織（平均粒径、構成相、該構成相の分率）の標準値と該標準値を挟む下限値および上限値とをセットにしたかたち（下限値／標準値／上限値）で記憶されていることが好ましい。推定した微細組織から各種材料物性を求める際には、該微細組織を挟むようにデータベースのレコードを選択し補間計算することで、各種材料物性を求めることができる。
【００５１】
次に、S64で推定した溶接領域2の微細組織に基づく材料物性と負荷応力データベースとから、溶接品質の良否を判定する（図５のS65）。ここで、負荷応力データベースには、S1で入力した母材材質と負荷応力との組み合わせに対応した合否の判定基準となる材料物性値の下限値／上限値が記憶されている。
【００５２】
溶接品質の良否判定の結果、判定基準を満たさなかった場合に警告が発信される（図５のS66）。
【００５３】
なお、上記のS61〜S64において、推定しようとする各種データが参照するデータベースの下限値／上限値を外れた場合、その旨の警告を発信した上で、補外計算により値を求めればよい。ここで警告を発信するのは、システム構築時に予期しなかった状況で溶接が行われていることを意味するものであり、この警告によりシステム構築時に予期しなかった溶接不良を検知することができる。
【００５４】
次に、S64をより詳細に説明する。図７は、微細組織の推定プロセスを示すフローチャートである。
【００５５】
図７に示したように、まず、先のS63で推定した各座標の温度変化データから、各座標における最高到達温度を求める（S641）。次に、最高到達温度が800℃以上の場合と800℃未満の場合とに分岐する（S642）。
【００５６】
最高到達温度が800℃未満の場合、当該座標点における微細組織や材料物性は、溶接前の母材と同じであると判断し、母材材質データベースにおける溶接前状態データベース（例えば、母材購入時状態データベース）の微細組織データおよび材料物性データを採用する（S647）。
【００５７】
一方、最高到達温度が800℃以上の場合、各座標点の温度変化データから、ある座標点において温度が800℃になる時刻を求め（S643）、次にその座標点で温度が400℃になる時刻を求め（S644）、次にその座標点で温度が800℃から400℃になるまでの時間（時刻差）を求めて、その座標点における放熱速度（冷却速度）を求める（S645）。次に、最高到達温度と放熱速度とを索引として、母材材質データベースにおける相・組織変態状態データベースの微細組織データおよび材料物性データを採用する（S646）。
【００５８】
上記の説明では、S642において最高到達温度による分岐処理を行い、S647とS646とで２種類のデータベース（溶接前状態データベース、相・組織変態状態データベース）を利用した。ただし、これら２つのデータベースの形式的な違いは、放熱速度フィールドの有無だけである。そこで、データ処理に要する計算時間を短くする目的から、溶接前状態データベースにダミーデータの放熱速度フィールドを加えることが好ましい。それにより、溶接前状態データベースと相・組織変態状態データベースとを一体化することができ、全体としての計算時間を短くすることができる。
【００５９】
また、上記の説明では、先のS63で推定した各座標の温度変化データから「温度が800℃になる時刻」、「温度が400℃になる時刻」および「温度が800℃から400℃になるまでの時間（時刻差）」を呼び出した後、「放熱速度」を算出した。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、S63において温度変化データを推定する際に、一緒に放熱速度を算出して温度変化データの一部として記録しておいてもよいし、S62において入熱量データを推定する際に、「800℃から400℃の距離LC」と「溶接速度」とから放熱速度を算出して入熱量データの一部として記録しておいてもよい。S62やS63で放熱速度データを求めた場合、上記のS643〜S645を省略する。
【００６０】
［第２実施形態］
図８は、本発明の第２実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。図８に示したように、第２実施形態に係るレーザ溶接装置200は、フィードバック機構22hが警告信号の代わりに制御信号を溶接施工制御装置30に発信する点において、第１実施形態のレーザ溶接装置100と異なり、他の構成を同じとしている。
【００６１】
以下、第１実施形態と異なる点についてのみ説明する。
【００６２】
図９は、第２実施形態のレーザ溶接装置の利用方法を示すフローチャートである。図１０は、フィードバック制御プロセスを示すフローチャートである。図９〜１０に示したように、第２実施形態のレーザ溶接装置200の利用方法は、フィードバック制御（S6F）を行う点において第１実施形態と異なり、他の工程は同じになっている。また、S6Fのフィードバック制御は、第１実施形態の溶接品質良否判定（S65）および警告発信（S66）の代わりに、フィードバック信号の決定と発信（S65F）を行う点において第１実施形態と異なり、他の工程は同じになっている。
【００６３】
フィードバック信号の決定と発信（S65F）について、より詳細に説明する。なお、本実施形態においては、S2で選定される各種データベースには、本溶接施工における理論的な解析から求められる理想的な入熱量と理想的な溶接速度とが予め記録されているものとする。
【００６４】
図１１は、フィードバック信号の決定・発信プロセスを示すフローチャートである。はじめに、S61〜S62において求めた実効入熱量（入熱量データ）が理想入熱量よりも大きいか否かを判定する（S65F1）。S65F1の判定の結果、実効入熱量が理想入熱量よりも大きければ、レーザ出力を減少させるための制御信号を発信する（S65F2）。
【００６５】
次に、実効入熱量が理想入熱量よりも小さいか否かを判定する（S65F3）。S65F3の判定の結果、実効入熱量が理想入熱量よりも小さければ、レーザ出力を増加させるための制御信号を発信する（S65F4）。
【００６６】
次に、S61〜S62において求めた実効溶接速度（溶接速度データ）が理想溶接速度よりも大きいか否かを判定する（S65F5）。S65F5の判定の結果、実効溶接速度が理想溶接速度よりも大きければ、溶接速度を減少させるための制御信号を発信する（S65F6）。
【００６７】
次に、実効溶接速度が理想溶接速度よりも小さいか否かを判定する（S65F7）。S65F7の判定の結果、実効溶接速度が理想溶接速度よりも小さければ、溶接速度を増加させるための制御信号を発信する（S65F8）。
【００６８】
なお、本実施形態のフィードバック制御（特に、S65F1〜S65F8）を行う場合、S63〜S64（図１０参照）を省略してもよい。それにより、データ処理に要する計算時間を更に短くすることができる。一方、S63〜S64を行うことにより、溶接品質をより高い精度で確保することができる。
【００６９】
［第３実施形態］
図１２は、本発明の第３実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。図１２に示したように、第３実施形態に係る溶接装置300は、溶接熱源装置15がレーザ溶接法の代わりにアーク溶接法（例えば、TIG溶接、MIG溶接、MAG溶接）になっている点において、第２実施形態のレーザ溶接装置200と異なり、他の構成を同じとしている。
【００７０】
具体的には、第３実施形態に係る溶接装置300は、レーザ溶接装置200のレーザ発振器11とレーザヘッド12と光ファイバ13とが、それぞれ溶接電源16とトーチ17と電源ケーブル18とになっている。本実施形態は、第２実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００７１】
なお、アーク溶接法では、レーザ溶接法と異なる独自の制御を必要とする場合がある。例えば、アーク溶接法において、溶接電流と溶加材（溶接ワイヤ、溶接棒）送給速度との組み合わせが不適切な場合、溶加材の溶融量に過不足が生じてアーク長が変化するという問題が生じる。また、溶加材送給速度と溶接速度との組み合わせが不適切な場合、単位溶接長あたりの溶着量が変化してビード形状が変化するという問題が生じる。これらの理由から、アーク溶接法では、溶接電流と溶加材送給速度と溶接速度とを連動させることが望まれる。
【００７２】
第２実施形態では、フィードバック信号の決定プロセス（図１１参照）において、実効入熱量と実効溶接速度とを独立して制御することが可能であったが、本実施形態のアーク溶接法では、上記の理由により、溶接電流と溶接速度とを独立に制御・変更してはならない。このことから、本実施形態におけるフィードバック制御は、次のように行うことが好ましい。
【００７３】
まず、アーク溶接法におけるフィードバックにおいては、S2で選定される各種データベースに、本溶接施工における理論的な解析から求められる理想的な入熱量と理想的な溶接速度との組み合わせ、および使用する溶接熱源装置15において適切なアーク長と適切なビード形状とを維持できる溶接電流と溶接速度との組み合わせが予め記録されている必要がある。
【００７４】
図１３は、アーク溶接法におけるフィードバック信号の決定・発信プロセスを示すフローチャートである。はじめに、S61〜S62と同様にして、実効入熱量（入熱量データ）と実効溶接速度（溶接速度データ）とを求める（S301）。
【００７５】
次に、実効入熱量および実効溶接速度をそれぞれ理想入熱量および理想溶接速度と比較し、溶接電流および溶接速度の制御方針を決定する（S302）。例えば、実効入熱量が理想入熱量よりも小さく、かつ実効溶接速度が理想溶接速度よりも大きい場合、溶接電流を減少させ、かつ溶接速度を増加させることが制御の方針となる。
【００７６】
次に、S302で決定した制御方針に合致する溶接電流と溶接速度との組み合わせが、参照するデータベース内に存在するか否かを判定する（S303）。制御方針に合致する組み合わせがデータベース内に存在する場合、当該制御方針に基づく制御信号を溶接施工制御装置30に発信する（S304）。一方、制御方針に合致する組み合わせがデータベース内に存在しない場合、警告信号を発信した上、現状の溶接電流と溶接速度とを維持させる（S305）。
【００７７】
［第４実施形態］
図１４は、本発明の第４実施形態に係る溶接装置の構成例および利用例を示す模式図である。図１４に示したように、第４実施形態に係る溶接装置400は、溶接施工制御装置30と溶接ロボット31とを用いたフィードバック制御自動溶接装置の代わりに、警告機能を有する手動アーク溶接法（例えば、TIG溶接、MIG溶接、MAG溶接）になっている点において、第３実施形態の溶接装置300と異なり、他の構成を同じとしている。
【００７８】
本実施形態の溶接装置400においては、溶融池・熱影響部の画像データを適切に取得できれば、撮影装置21の取り付け場所に特段の限定はなく、例えば、トーチ17や溶接防護カバー（図示せず）に取り付けることができる。本実施形態は、警告機能を有する点に関して、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。
【００７９】
上述した実施形態は、本発明の理解を助けるために具体的に説明したものであり、本発明は、説明した全ての構成を備えることに限定されるものではない。例えば、鉄鋼材料からなる溶接継手を例として説明したが、本発明は、鉄鋼材料に限定されるものではなく、他の金属材料（例えば、アルミニウム合金材料、ニッケル合金材料）からなる溶接継手に対しても適用可能である。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。さらに、各実施形態の構成の一部について、削除・他の構成に置換・他の構成の追加をすることが可能である。
【符号の説明】
【００８０】
100，200…レーザ溶接装置、300，400…溶接装置、
1…溶融池、2…溶接領域、
10…溶接熱源装置、11…レーザ発振器、12…レーザヘッド、13…光ファイバ、
15…溶接熱源装置、16…溶接電源、17…トーチ、18…電源ケーブル、
20…溶接品質制御装置、21…撮影装置、22…溶接データ処理装置、
22a…溶接条件入力機構、22b…データベース選定機構、
22c…溶融池・熱影響部表面温度分布計測機構、22d…溶融池入熱量推定機構、
22e…溶融池・熱影響部温度変化推定機構、22f…溶接領域微細組織推定機構、
22g…溶接品質良否判定機構、22h…フィードバック機構、
30…溶接施工制御装置、31…溶接ロボット。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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