JP2014024068A - レーザ溶接におけるビード検査方法およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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。
【解決手段】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。
【選択図】図２

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。

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）。

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。

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。

特開２００６−４３７４１号公報 特開２０１２−４５６１０号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明第１実施形態に係るレーザ溶接装置の概略図である。 本発明第１実施形態に係るビード検査方法における（ａ）溶接ビード形成、および（ｂ）レーザ再照射・撮像を示す模式的な斜視図である。 本発明第２実施形態に係るレーザ溶接装置の概略図である。 本発明第２実施形態に係るビード検査方法における（ａ）溶接ビード形成、および（ｂ）レーザ再照射・撮像を示す模式的な斜視図である。 再照射時のレーザ出力と速度の相関を示す分布図である。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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／ｍｍ^２）に対してレーザ再照射時には２５〜５０（Ｊ／ｍｍ^２）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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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

Claims (7)

1. 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溶接ビード検査方法。
2. 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を特徴とする請求項１記載の溶接ビード検査方法。
3. 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うことを特徴とする請求項１または２記載の溶接ビード検査方法。
4. 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を特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載の溶接ビード検査方法。
5. 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。
6. 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。
7. 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。

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