JP2014024068A - Bead inspection method in laser welding and laser welding method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接におけるビード検査方法および該方法に係る検査工程を含むレーザ溶接方法に関する。 The present invention relates to a bead inspection method in laser welding and a laser welding method including an inspection step according to the method.
レーザ溶接は高速処理が可能である反面、メッキ鋼板を対象とした重ね溶接などでは、気化した金属ガスなどによる穴欠陥や溶融金属の流動により溶接終端にヒケなどの溶接欠陥を生じる場合がある。そこで、従来、溶接条件を厳密に管理する一方で、溶接箇所を撮像手段で監視し画像解析などを通じて溶接欠陥の有無、溶接ビードの良否をリアルタイムで判定することが行われている(特許文献1参照)。 Laser welding is capable of high-speed processing, but in lap welding for plated steel sheets, hole defects due to vaporized metal gas or the like, and weld defects such as sink marks may occur at the end of welding due to the flow of molten metal. Therefore, conventionally, while strictly managing the welding conditions, it has been performed to monitor the welding location with an imaging means and determine in real time whether or not there is a welding defect and the quality of the weld bead through image analysis or the like (Patent Document 1). reference).
この場合、レーザ照射地点の近傍では高輝度のプルームやスパッタの影響で溶接ビードの良否を直接的に判定することが困難であるので、光学条件や画像処理によりプルーム等の影響を低減することが検討されてきた。しかし、三枚重ね溶接など、プルームの噴出量が多い場合には、プルームの影響を完全に排除することはできないばかりか、画像処理プロセスが複雑化する問題もある。 In this case, it is difficult to determine the quality of the weld bead directly in the vicinity of the laser irradiation point due to the high-luminance plume or spatter, so the effect of the plume or the like can be reduced by optical conditions or image processing. Has been studied. However, when the amount of plume ejection is large, such as three-ply welding, the influence of the plume cannot be completely eliminated, and there is a problem that the image processing process becomes complicated.
そこで、プルームの影響を回避するために、レーザ溶接中ではなく、レーザ溶接終了直後に金属からの熱発光が残っている状態で溶接ビードの画像を取得し、良否判定する方法が提案されている(特許文献2参照)。しかし、この方法では、熱発光が残っている溶接ビード終端部の良否判定に限られ、それ以外の部分に関しては温度低下とともに発光が終息しており、もしくは、終端部と始端側で大きな輝度差があり、溶接ビード全体を含めた判定は不可能である。 Therefore, in order to avoid the influence of the plume, a method has been proposed in which an image of the weld bead is acquired in a state in which heat emission from the metal remains immediately after the end of laser welding, not during laser welding, and the quality is determined. (See Patent Document 2). However, this method is limited to the quality determination of the weld bead end portion where thermoluminescence remains, and for other portions, the light emission ends with a decrease in temperature, or there is a large luminance difference between the end portion and the start end side. Therefore, it is impossible to make a judgment including the entire weld bead.
本発明は、従来技術のこのような実状に鑑みてなされたものであって、その目的は、プルームの影響を回避しつつ溶接ビードの全体または広範囲の良否判定を安定的に実施可能なビード検査方法およびレーザ溶接方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation of the prior art, and the object thereof is a bead inspection capable of stably performing pass / fail judgment of the entire weld bead or a wide range while avoiding the influence of the plume. It is to provide a method and a laser welding method.
上記課題を解決するために、本発明に係る溶接ビード検査方法は、所定区間のレーザ溶接終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させながら撮像し、得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, a welding bead inspection method according to the present invention is a laser having a low energy density on a weld bead in a state where residual heat is present in the weld bead over the predetermined section after the laser welding of the predetermined section is completed. , The weld bead is imaged while thermally emitting light, and the quality of the weld bead is determined from the obtained image.
上記方法によれば、レーザ溶接終了後、残熱を有する状態で低エネルギー密度のレーザを再照射することにより、溶接ビードの残熱に再照射の入熱が加わって適度な熱発光が得られ、複雑な画像処理等に依らずに溶接ビードの良否判定検査を実施可能となる。しかも、再照射しながら(再照射と同時または直後に)撮像するので、再照射するレーザは必要最小限のエネルギー密度でよく、スパッタやプルームは生じず、良好な画像が安定的に得られることに加えて、可及的高速かつ短時間でレーザ走査でき、再照射工程の追加による全体的な処理時間への影響も殆どない。 According to the above method, after laser welding is completed, reirradiation with a laser having a low energy density in a state of having residual heat, the heat input of reirradiation is added to the residual heat of the weld bead, and appropriate thermoluminescence is obtained. In addition, it is possible to carry out a pass / fail judgment inspection of the weld bead without depending on complicated image processing or the like. Moreover, since imaging is performed while re-irradiating (simultaneously or immediately after re-irradiation), the laser to be re-irradiated may have the minimum energy density, and spatter and plume do not occur, and a good image can be stably obtained. In addition, laser scanning can be performed at as high a speed as possible in a short time, and there is almost no influence on the overall processing time due to the addition of the reirradiation step.
本発明において、前記レーザ再照射を、前記レーザ溶接時の光軸走査よりも高速で行うことが好適である。レーザ照射によるワークへの入熱はエネルギー密度と速度(時間)の関数であり、概ね、レーザ出力に比例し、スポット径および速度に反比例する。したがって、処理時間の短縮という点では、出力制御よりは速度制御により、所望するエネルギー密度を得ることが有利である。 In the present invention, it is preferable that the laser re-irradiation is performed at a higher speed than the optical axis scanning during the laser welding. The heat input to the workpiece by laser irradiation is a function of energy density and speed (time) and is generally proportional to the laser output and inversely proportional to the spot diameter and speed. Therefore, in terms of shortening the processing time, it is advantageous to obtain a desired energy density by speed control rather than output control.
また、本発明において、前記レーザ再照射を、前記溶接ビードの幅以内で前記レーザ溶接時の光軸走査とずらして行っても良い。レーザ溶接終了後における溶接ビードの温度低下は周辺部から進行し、幅方向中央部は相対的に高温に保たれているので、再照射を同じ走査線上に行うよりもずらした方が温度低下を補償する入熱を行う上で有利である。 In the present invention, the laser re-irradiation may be performed within the width of the welding bead and shifted from the optical axis scanning during the laser welding. Since the temperature drop of the weld bead after the laser welding has progressed from the peripheral part and the central part in the width direction is kept at a relatively high temperature, shifting the re-irradiation on the same scanning line will cause a temperature drop. This is advantageous in performing heat input for compensation.
上述した各場合と同様の理由で、前記レーザ再照射を、前記レーザ溶接時よりも大きなデフォーカス量で行うこともできる。 For the same reason as described above, the laser re-irradiation can be performed with a larger defocus amount than during the laser welding.
本発明は、上記のようなビード検査方法を含むレーザ溶接方法にも向けられている。
すなわち、本発明は、所定区間に亘ってレーザ走査を行い、溶接ビードを形成するステップと、前記溶接ビード形成ステップの終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させながら撮像するステップと、前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、を含む、レーザ溶接方法にもある。
The present invention is also directed to a laser welding method including the bead inspection method as described above.
That is, the present invention performs a laser scan over a predetermined section to form a weld bead, and the welding bead over the predetermined section after the welding bead forming step has residual heat. A laser welding method, comprising: re-irradiating a laser beam at a low energy density and imaging while causing the weld bead to thermally emit light; and determining whether the weld bead is good or bad from the image obtained by the imaging There is also.
また、本発明は、所定区間に亘ってレーザ走査を行い、溶接ビードを形成するステップと、前記溶接ビード形成ステップの終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させると同時にその照射位置を記憶するステップと、前記照射位置を記憶した時点から所定時間経過後に前記照射位置の溶接ビードを撮像するステップと、前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、を含む、レーザ溶接方法にもある。 The present invention also provides a step of performing laser scanning over a predetermined section to form a weld bead and the welding bead over the predetermined section after the welding bead formation step, with the residual heat in the weld bead over the predetermined section. Re-irradiating the bead with a laser at a low energy density, causing the welding bead to thermally emit light, and simultaneously storing the irradiation position, and imaging the welding bead at the irradiation position after a predetermined time has elapsed since the irradiation position was stored There is also a laser welding method including a step of performing and a quality determination of the weld bead from the image obtained by the imaging.
また、本発明は、所定区間のレーザ溶接終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させると同時にその照射位置を記憶するステップと、前記照射位置を記憶した時点から所定時間経過後に前記照射位置の溶接ビードを撮像するステップと、前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、を含む、溶接ビード検査方法として規定される。 According to the present invention, after the laser welding of the predetermined section is completed, the welding bead over the predetermined section has residual heat, and the welding bead is irradiated again with a laser at a low energy density to cause the welding bead to thermally emit light. At the same time, the step of storing the irradiation position, the step of imaging the weld bead at the irradiation position after a lapse of a predetermined time from the time of storing the irradiation position, and the quality determination of the weld bead from the image obtained by the imaging. Performing a welding bead inspection method.
以上述べたように、本発明に係るビード検査方法およびレーザ溶接方法によれば、プルームの影響を回避しつつ溶接ビードの全体または広範囲の良否判定を安定的に実施可能である。 As described above, according to the bead inspection method and the laser welding method according to the present invention, it is possible to stably perform pass / fail judgment of the entire weld bead or a wide range while avoiding the influence of the plume.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第1実施形態)
図1は、本発明第1実施形態に係るレーザ溶接装置1の概略図である。図1において、レーザ溶接装置1は、レーザ照射ヘッド11、レーザ照射制御部12、および、レーザ発振器13を含むレーザ照射部10と、溶接ビードBの撮像手段21および画像処理部22、を含む検査部20とから構成されている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic view of a
レーザ照射ヘッド11は、レーザ発振器13からファイバ光学系などを経由して伝送されるレーザをワークw1の表面の所定位置に所定のエネルギー密度で照射するために、前記表面上でレーザ光軸を2軸方向またはそれ以上の多軸方向に走査する手段(例えば、ガルバノスキャナまたはXYテーブル、あるいは多軸ヘッド)、および、レーザの焦点距離/デフォーカス量を制御する焦点制御手段(例えば、フォーカスレンズ)などで構成されている。
The
レーザ照射制御部12は、予め設定されたプログラムに基づいて、レーザ照射ヘッド11を制御し、かつ、レーザ照射のON/OFFやレーザ出力制御を行うものである。特に、本発明では、溶接用レーザ照射と、低エネルギー密度(低出力および/または高速)の検査用レーザ再照射の切り替え手段としての機能を有する。
The laser
撮像手段21は、少なくとも1つの単位溶接ビードBの好ましくは全体を包含する領域を撮像可能な公知の撮像手段(例えばCCDカメラなど)を好適に利用可能である。撮像手段21に取得された画像は、記憶部23に順次蓄積され、画像処理部22に送られ、溶接ビードBの不良検査、良否判定が行われる。
As the image pickup means 21, a well-known image pickup means (for example, a CCD camera or the like) capable of picking up an area including preferably the whole of at least one unit weld bead B can be suitably used. The images acquired by the imaging means 21 are sequentially accumulated in the
次に、上記実施形態に基づき溶接ビードの不良検査、良否判定プロセスについて、図面を参照しながら詳細に説明する。 Next, the weld bead defect inspection and pass / fail judgment process based on the above embodiment will be described in detail with reference to the drawings.
図1に示すように、2枚のワーク(鋼板)w1,w2を重ねた状態でその一方(w1)の表面側からレーザ照射を行い重ね溶接する。例えば、図2(a)に示すように、従来のスポット溶接の代替溶接として、始点Ssから終点Stまで、所定半径の円弧状(ループ状)にレーザ走査Saを行い、円弧状の溶接ビードBを形成する。 As shown in FIG. 1, in a state where two workpieces (steel plates) w1 and w2 are overlapped, laser irradiation is performed from one (w1) surface side and lap welding is performed. For example, as shown in FIG. 2A, as an alternative to conventional spot welding, laser scanning Sa is performed in an arc shape (loop shape) with a predetermined radius from a start point Ss to an end point St, and an arc-shaped weld bead B Form.
この時、レーザ照射中は照射部位からプルームやスパッタを生じているが、レーザ光軸が終点Stに達しレーザ照射を停止した段階で、プルームやスパッタは消え、終端部B1は残熱発光している。しかし、他の始端側部分B0は温度が低下し、赤外放射は残存するものの、撮像手段21に取得される画像における輝度は閾値以下に低下しており、図2(a)において始端側部分B0の溶接ビード形状は確認できない。 At this time, plume and spatter are generated from the irradiated part during the laser irradiation, but at the stage where the laser optical axis reaches the end point St and the laser irradiation is stopped, the plume and spatter disappear and the end B1 emits residual heat. Yes. However, although the temperature of the other start end portion B0 decreases and infrared radiation remains, the luminance in the image acquired by the imaging means 21 decreases below the threshold value. In FIG. The weld bead shape of B0 cannot be confirmed.
次いで、図2(b)に示すように、レーザ光軸を再び始点Ssに移動し、レーザの出力、焦点径、および、走査速度によって決定されるエネルギー密度を(溶接時の20〜45%程度まで)低下させ終点Stまでレーザを再照射(Sb)して溶接ビードBを熱発光(B2)させながら撮像手段21で熱発光した溶接ビードB2を撮像する。 Next, as shown in FIG. 2B, the laser optical axis is moved again to the starting point Ss, and the energy density determined by the laser output, the focal diameter, and the scanning speed is set to about 20 to 45% during welding. The image is picked up by the imaging means 21 while the laser beam is re-irradiated (Sb) to the end point St and the weld bead B is thermally emitted (B2).
このようなレーザ再照射Sbでは、エネルギー密度が小さいので溶接ビードBにプルームやスパッタが生じず、熱発光した溶接ビードB2をレーザ再照射中に撮像可能であり、レーザ走査と共に撮像手段21に撮像される画像Xは、複雑な画像処理を施さなくても穴欠陥などの溶接不良を検出可能であり、かつ、レーザ再照射Sbの終了時には検査が終了する。 In such laser re-irradiation Sb, since the energy density is small, plume or spatter does not occur on the weld bead B, and the heat-emitted weld bead B2 can be imaged during the laser re-irradiation, and is imaged by the imaging means 21 together with the laser scanning. The image X to be detected can detect a welding defect such as a hole defect without performing complicated image processing, and the inspection is completed at the end of the laser re-irradiation Sb.
具体的な検査方法としては、撮像手段21は、溶接ビードB2の全体を視野に含んでおり、同じ範囲の画像Xをレーザ再照射Sbに同期して順次撮像する。例えば、図2(b)において、画像Xにおけるレーザ再照射Sb′の位置を記憶し、所定時間経過後に当該位置を含む領域内の低輝度画素群として認識される欠陥を検出する。このような操作すなわち時間差スキャンを連続的に行っても良いし、溶接ビードB2の全長(全周)をいくつかのセグメントに区分してセグメント毎に時間差スキャンを実施することもできる。このような時間差スキャンを行うことで、プルームやスパッタを生じないとはいえ高輝度の照射領域を検査範囲から除外することができ、より確実な検査を実施可能となる。 As a specific inspection method, the imaging means 21 includes the entire weld bead B2 in the field of view, and sequentially captures images X in the same range in synchronization with the laser re-irradiation Sb. For example, in FIG. 2B, the position of the laser re-irradiation Sb ′ in the image X is stored, and a defect recognized as a low-luminance pixel group in a region including the position after a predetermined time has been detected. Such an operation, that is, a time difference scan may be performed continuously, or the entire length (entire circumference) of the weld bead B2 may be divided into several segments and the time difference scan may be performed for each segment. By performing such a time difference scan, a high-luminance irradiation region can be excluded from the inspection range even though no plume or spatter is generated, and a more reliable inspection can be performed.
(第2実施形態)
図3は、本発明第2実施形態に係るレーザ溶接装置2の概略図である。図3において、レーザ溶接装置2は、レーザ照射ヘッド11、レーザ照射制御部12、および、レーザ発振器13を含むレーザ照射部10と、溶接ビードBの撮像手段31および画像処理部32、を含む検査部30とから構成されている。レーザ照射部10は基本的に第1実施形態と同様であり、同じ要素には同じ符号を付すことで説明を省略し、以下、検査部30について述べる。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a schematic view of a
第2実施形態の検査部30は、レーザ光軸上に設置されたハーフミラーなどの分光手段34とフィルタ35を含み、レーザ出力光学系を通じて取得される画像からフィルタ35で特定波長以外をカットして撮像手段31で撮像するように構成されている。撮像手段31は、レーザ光軸と共に移動しながら撮像可能な高フレームレートの高速カメラを好適に利用可能である。撮像手段31に取得された画像は、記憶部33に順次蓄積され、画像処理部32に送られ、溶接ビードBの不良検査、良否判定が行われる。
The
この第2実施形態の場合、撮像にレーザ出力光学系を利用するため、図4(b)に示すように、撮像範囲は照射位置の近傍に限られる。また、低エネルギー密度の再照射とはいえ照射位置からは反射光が入射されるので、照射位置を除外して検査を実施しても良い。その場合、検査範囲は狭くなるが、撮像範囲が照射位置と同軸で移動するため、照射位置に対して正確な検査範囲を取得できる。 In the case of the second embodiment, since the laser output optical system is used for imaging, the imaging range is limited to the vicinity of the irradiation position as shown in FIG. In addition, since the reflected light is incident from the irradiation position even though the low energy density is re-irradiated, the inspection may be performed without the irradiation position. In this case, the inspection range becomes narrow, but the imaging range moves coaxially with the irradiation position, so that an accurate inspection range can be acquired with respect to the irradiation position.
(第1実施例)
次に、レーザ再照射におけるエネルギー密度の実施例について述べる。
実験では、3枚のワーク(上:厚さ0.65mm非めっき鋼板、中央:厚さ1.4mm非めっき鋼板、下:0.1mm間隙を介して厚さ0.8mmの亜鉛めっき鋼板)を重ね、焦点径0.6mm、レーザ出力4000W、走査速度3.7m/minにて、図2(a)に示すように、円弧状にレーザ走査Saを行い、溶接ビードBを形成した。
(First embodiment)
Next, examples of energy density in laser re-irradiation will be described.
In the experiment, three workpieces (upper: 0.65 mm thick non-plated steel plate, center: 1.4 mm thick non-plated steel plate, lower: 0.8 mm thick galvanized steel plate with a 0.1 mm gap) As shown in FIG. 2A, laser scanning Sa was performed in an arc shape with a focal diameter of 0.6 mm, a laser output of 4000 W, and a scanning speed of 3.7 m / min, and a weld bead B was formed.
次いで、図2(b)に示すように、同じレーザ出力4000Wで走査速度を13.7m/minに増速してレーザを再照射(Sb)したところ、プルームやスパッタが生じずにビードBを熱発光させることができた。この場合、同じレーザ出力4000Wであっても、走査速度を3.7倍速に増速したことで、単位時間当たりに溶接ビードBに入力されるエネルギー、すなわちエネルギー密度は1/3.7となり、レーザ出力を1081W(約27%)程度まで低下させたのと同様であった。 Next, as shown in FIG. 2B, when the laser speed was increased to 13.7 m / min with the same laser output of 4000 W and the laser was re-irradiated (Sb), the bead B was produced without any plume or spattering. Thermoluminescence was possible. In this case, even if the same laser output is 4000 W, the energy input to the weld bead B per unit time, that is, the energy density becomes 1 / 3.7 by increasing the scanning speed to 3.7 times speed. This was the same as the laser output was reduced to about 1081 W (about 27%).
(第2実施例)
上記実施例では、レーザ再照射Sbでの出力をレーザ溶接Sa時と同等に保ちつつ走査速度を3.7倍に増速する場合を示したが、増速の程度を少なくしかつレーザ出力をも小さくして、実際にエネルギー密度を低下させてレーザ再照射Sbを行っても同様の熱発光が得られ、溶接ビードの良否検査を実施可能である。
(Second embodiment)
In the above embodiment, the case where the scanning speed is increased by 3.7 times while the output at the laser re-irradiation Sb is kept equal to that at the time of the laser welding Sa is shown, but the degree of the acceleration is reduced and the laser output is reduced. The same thermoluminescence can be obtained even when the laser re-irradiation Sb is performed by actually decreasing the energy density and performing the laser re-irradiation Sb.
そこで、レーザ再照射における速度と出力の相関および有効な組合せの範囲を検証するために、種々の走査速度とレーザ出力の組合せで再照射する実験を行った。結果を図5の分布図に示す。
図5において、(1)符号「○」は、良好な熱発光B2が得られ、かつ、プルームやスパッタも生じなかった組合せを、(2)符号「△」は、再照射中にはプルームやスパッタを生じたが再照射終了時には良好な熱発光B2が得られた組合せを、(3)符号「×」は、高速側で輝度不足、低速側でプルームやスパッタを生じ、溶接ビードの良否検査を実施不可能であった組合せを示している。
Therefore, in order to verify the correlation between the speed and output in laser re-irradiation and the range of effective combinations, an experiment was conducted in which re-irradiation was performed at various combinations of scanning speed and laser output. The results are shown in the distribution diagram of FIG.
In FIG. 5, (1) the symbol “◯” indicates a combination in which good thermoluminescence B2 was obtained and no plume or spatter occurred, and (2) the symbol “Δ” indicates a plume or (3) The symbol “×” indicates that the high-speed side has insufficient luminance and the low-speed side has plumes and spatters, resulting in a weld bead quality test. Indicates combinations that could not be implemented.
レーザ照射によるワークへの入熱は、概ねレーザ出力に比例し、焦点径および走査速度に反比例する。すなわち、レーザ出力P、走査速度V、焦点径dとしたとき、レーザ照射のエネルギー密度は、P/dVで表される。図5において、速度Vと出力Pの有効な組合せの範囲の左側の臨界値(上限値)は、(V,P)=(7,3500)〜(9,4500)より、直線P=500Vにあり、右側の臨界値(下限値)は、(V,P)=(14,3500)〜(18,4500)より、直線P=250Vにある。 The heat input to the workpiece by laser irradiation is generally proportional to the laser output and inversely proportional to the focal spot diameter and the scanning speed. That is, when the laser output P, the scanning speed V, and the focal diameter d are set, the energy density of laser irradiation is expressed by P / dV. In FIG. 5, the critical value (upper limit value) on the left side of the effective combination range of the speed V and the output P is a straight line P = 500 V from (V, P) = (7,3500) to (9,4500). Yes, the critical value (lower limit) on the right side is on the straight line P = 250 V from (V, P) = (14,3500) to (18,4500).
ここで、溶接用レーザ(4m/min,4000W)と再照射レーザの焦点径が同一であれば、エネルギー密度は、レーザ出力Pと走査速度Vに基づく出力速度比(P/V)によって規定でき、溶接用レーザの出力速度比(P/V)=1000(W・min/m)に対して、再照射レーザの出力速度比の上限値は(P/V)=500(W・min/m)、下限値は(P/V)=250(W・min/m)である。すなわち、再照射レーザの出力速度比(P/V)がレーザ溶接時の25〜50%の範囲で良否検査に適した熱発光が得られることが分かる。 Here, if the focal diameters of the welding laser (4 m / min, 4000 W) and the re-irradiation laser are the same, the energy density can be defined by the output speed ratio (P / V) based on the laser output P and the scanning speed V. For the welding laser output speed ratio (P / V) = 1000 (W · min / m), the upper limit value of the re-irradiation laser output speed ratio is (P / V) = 500 (W · min / m). ), The lower limit value is (P / V) = 250 (W · min / m). That is, it can be seen that thermoluminescence suitable for the pass / fail inspection can be obtained when the output speed ratio (P / V) of the re-irradiation laser is in the range of 25 to 50% during laser welding.
さらに、焦点径d=0.6mmに対して充分に大きい走査速度V(m/min)を(mm/sec)に換算し、出力Pをエネルギー(W・sec=J)に換算すると、単位時間当たりの照射面積に入力されるエネルギーP/dVは、レーザ溶接時の100(J/mm2)に対してレーザ再照射時には25〜50(J/mm2)ということになる。このように、走査速度Vとレーザ出力P、焦点径dの組合せに一定の相関関係があり、定性的に再照射の出力値および走査速度値を選定可能であることが分かる。 Furthermore, when a sufficiently high scanning speed V (m / min) with respect to the focal diameter d = 0.6 mm is converted into (mm / sec) and the output P is converted into energy (W · sec = J), unit time The energy P / dV input to the hit irradiation area is 25 to 50 (J / mm 2 ) at the time of laser re-irradiation with respect to 100 (J / mm 2 ) at the time of laser welding. Thus, it can be seen that there is a certain correlation between the combination of the scanning speed V, the laser output P, and the focal spot diameter d, and it is possible to qualitatively select the re-irradiation output value and scanning speed value.
本発明に係るレーザ溶接方法(溶接ビードの検査方法)は、溶接用レーザ照射Saの終了直後に、検査用レーザ再照射Sbを低エネルギー密度にて行うことを特徴としており、上記実施例では、低出力と高速化の2つの操作を中心に説明した。これらに準じた結果をもたらす操作としては、再照射Sbの位置を溶接ビードBの幅方向にずらす操作、および、デフォーカス量を大きくする操作がある。以下、各実施例について説明する。 The laser welding method (welding bead inspection method) according to the present invention is characterized in that the inspection laser re-irradiation Sb is performed at a low energy density immediately after the end of the welding laser irradiation Sa. The explanation was centered on two operations, low output and high speed. Operations that bring about results similar to these include operations for shifting the position of the re-irradiation Sb in the width direction of the weld bead B and operations for increasing the defocus amount. Each example will be described below.
(第3実施例)
溶接用レーザ照射Saの終了直後に、検査用レーザ再照射Sbを溶接ビードBの幅方向にずらして行うことで、溶接ビードBへの入熱が抑制され、溶接時と同条件でレーザ再照射Sbを行っても実質的に低エネルギー密度のレーザを再照射したのと同じ結果が得られる。この作用効果を検証するために、次のような実験を行った。
(Third embodiment)
Immediately after the end of the welding laser irradiation Sa, the inspection laser re-irradiation Sb is shifted in the width direction of the weld bead B, so that heat input to the weld bead B is suppressed, and laser re-irradiation is performed under the same conditions as during welding. Even if Sb is performed, the same result as that obtained when the laser having a substantially low energy density is re-irradiated can be obtained. In order to verify this effect, the following experiment was conducted.
先ず、第1実施例と同様に、焦点径0.6mm、レーザ出力4000W、走査速度3.7m/minにて、円弧状にレーザ走査Saを行い、溶接ビードBを形成する。次いで、第1実施例と同様に、レーザ光軸を再び始点Ssに移動し、走査速度13.7m/minに増速してレーザ再照射Sbを行うに際して、照射位置を、溶接時のレーザ走査Saに対して、径方向外周側および内周側にずらして再照射し(Sb)、ビードBを熱発光させて撮像した。 First, similarly to the first embodiment, a laser scan Sa is performed in an arc shape at a focal diameter of 0.6 mm, a laser output of 4000 W, and a scanning speed of 3.7 m / min, and a weld bead B is formed. Next, as in the first embodiment, the laser optical axis is moved again to the starting point Ss, and when the laser re-irradiation Sb is performed with the scanning speed increased to 13.7 m / min, the irradiation position is determined by laser scanning during welding. The Sa was re-irradiated by shifting to the radially outer peripheral side and the inner peripheral side (Sb), and the bead B was thermally emitted and imaged.
その結果、外周側、内周側共に、0.7mmまでは良好な画像が得られた。むしろ、溶接時のレーザ走査Saの場合に比べて、先に温度低下が進む周辺部が再加熱され、溶接ビードBの熱発光が均一化される傾向が見られた。しかし、ずれが0.8mm以上になると、反対側に暗部が生じその領域での欠陥検出精度が低下する問題を生じた。 As a result, good images were obtained up to 0.7 mm on both the outer peripheral side and the inner peripheral side. Rather, as compared with the case of laser scanning Sa at the time of welding, there was a tendency that the peripheral portion where the temperature decrease first was reheated and the thermoluminescence of the weld bead B was made uniform. However, when the deviation is 0.8 mm or more, a dark portion is generated on the opposite side, and the defect detection accuracy in that region is lowered.
この点について考察すると、レーザ照射の焦点径0.6mmに対して形成される溶接ビードBの幅は約1mmであるので、ずれが0.7mmまでは再照射Sbの焦点径0.6mmと溶接ビードBとの間に重なりがある。しかし、ずれが0.8mm以上では溶接ビードBとの重なりはなく、専ら固体熱伝導のみによる入熱となり、再照射したレーザのエネルギーが溶接ビードBに伝達され難くなるものと考えられる。いずれにしても、再照射にずれを許容できることは、実用上における安定性を確保する上で有利である。 Considering this point, the width of the weld bead B formed with respect to the laser irradiation focal diameter of 0.6 mm is about 1 mm. Therefore, until the deviation is 0.7 mm, the reirradiation Sb has a focal diameter of 0.6 mm and welding. There is an overlap with bead B. However, when the deviation is 0.8 mm or more, there is no overlap with the weld bead B, and the heat input is solely due to solid heat conduction, and it is considered that the energy of the re-irradiated laser is hardly transmitted to the weld bead B. In any case, the ability to allow deviation in re-irradiation is advantageous in securing practical stability.
(第4実施例)
溶接用レーザ照射Saの終了直後に、検査用レーザ再照射Sbを、デフォーカス量を大きくして実施することにより、再照射時のレーザのエネルギーが溶接ビードBの広範囲に分散されることで、低エネルギー密度のレーザを再照射したのと同じ結果が得られる。この作用効果を検証するために、デフォーカス量を変化させて再照射を行ったところ、同条件でデフォーカス量が溶接ビードBの幅と等しい焦点径1.0mmまでは良好な画像が得られたが、それ以上では、加熱が不充分となるためか、中間部分などに低輝度部が認められ、欠陥検出精度が低下すると判断された。
(Fourth embodiment)
Immediately after the end of the welding laser irradiation Sa, by performing the inspection laser re-irradiation Sb with a large defocus amount, the energy of the laser at the time of re-irradiation is dispersed over a wide area of the welding bead B. The same result as re-irradiation with a low energy density laser is obtained. In order to verify this effect, re-irradiation was performed while changing the defocus amount, and a good image was obtained up to a focal diameter of 1.0 mm where the defocus amount is equal to the width of the weld bead B under the same conditions. However, it has been determined that if it is more than that, a low-luminance part is observed in the intermediate part or the like because of insufficient heating, and the defect detection accuracy is lowered.
これは走査速度13.7m/minに増速した場合の結果であり、増速の度合いを小さくすれば、上記以上のデフォーカス量でも必要な熱発光を生じる加熱が可能と予測される。しかし、その分、処理時間が長くなるので、そのようなデフォーカス量を選択する意味はない。この第4実施例は、むしろ再照射時のプルームやスパッタを抑制し、実用上における安定性を確保する上で有利なパラメータとなりうる。 This is a result when the scanning speed is increased to 13.7 m / min. If the degree of the acceleration is reduced, it is predicted that heating that generates the necessary thermoluminescence is possible even with the above defocus amount. However, since the processing time is increased accordingly, there is no point in selecting such a defocus amount. The fourth embodiment can be an advantageous parameter in terms of suppressing plume and spatter during re-irradiation and ensuring practical stability.
以上、本発明に係るビード検査方法のいくつかの実施例について述べたが、レーザ出力および走査速度に加えて、第3実施例の照射位置をずらす設定や第4実施例のデフォーカス量の設定を行うことによって、処理時間と安定性を両立して溶接ビードの良否判定を実施可能であることを付言する。 Although several embodiments of the bead inspection method according to the present invention have been described above, in addition to the laser output and the scanning speed, the setting of shifting the irradiation position of the third embodiment and the setting of the defocus amount of the fourth embodiment are described. By performing the above, it is added that the quality of the weld bead can be determined while achieving both processing time and stability.
1 レーザ溶接装置
10 レーザ照射部
11 レーザ照射ヘッド
12 レーザ照射制御部
13 レーザ発振器
20,30 検査部
21,31 撮像手段
22,32 画像処理部
23,33 記憶部
34 分光手段
35 フィルタ
B 溶接ビード
B0 始端側部分
B1 終端部
B2 溶接ビード全体
Sa レーザ照射(レーザ溶接)
Sb レーザ再照射
Ss 始点
St 終点
w1,w2 ワーク
DESCRIPTION OF
Sb Laser re-irradiation Ss Start point St End point w1, w2 Workpiece
Claims (7)
前記溶接ビード形成ステップの終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させながら撮像するステップと、
前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、
を含む、レーザ溶接方法。 Performing laser scanning over a predetermined section to form a weld bead;
After completion of the welding bead forming step, in a state where the welding bead over the predetermined section has residual heat, re-irradiating the welding bead with a laser at a low energy density, and imaging while causing the welding bead to thermally emit light; and ,
Performing pass / fail judgment of the weld bead from an image obtained by the imaging;
A laser welding method comprising:
前記溶接ビード形成ステップの終了後、前記所定区間に亘る溶接ビードに残熱を有する状態で、前記溶接ビードに低エネルギー密度でレーザを再照射し、前記溶接ビードを熱発光させると同時にその照射位置を記憶するステップと、
前記照射位置を記憶した時点から所定時間経過後に前記照射位置の溶接ビードを撮像するステップと、
前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、
を含む、レーザ溶接方法。 Performing laser scanning over a predetermined section to form a weld bead;
After completion of the welding bead formation step, the welding bead over the predetermined section has residual heat, and the welding bead is re-irradiated with a laser at a low energy density to simultaneously emit light from the welding bead and its irradiation position. The step of memorizing
Imaging a weld bead at the irradiation position after a predetermined time from the time of storing the irradiation position;
Performing pass / fail judgment of the weld bead from an image obtained by the imaging;
A laser welding method comprising:
前記照射位置を記憶した時点から所定時間経過後に前記照射位置の溶接ビードを撮像するステップと、
前記撮像によって得られた画像から前記溶接ビードの良否判定を行うステップと、
を含む、溶接ビード検査方法。 After completion of laser welding in a predetermined section, with the residual heat in the weld bead over the predetermined section, the welding bead is re-irradiated with a laser at a low energy density, and the irradiation position of the welding bead is simultaneously emitted. Memorizing step;
Imaging a weld bead at the irradiation position after a predetermined time from the time of storing the irradiation position;
Performing pass / fail judgment of the weld bead from an image obtained by the imaging;
Including a weld bead inspection method.
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