JP2014024069A - レーザ溶接におけるビード検査方法 - 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、前記溶接ビードの全区間または一部区間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た状態で撮像し、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、前記溶接ビードの全区間または一部区間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た状態で撮像し、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、検査対象区間の全区間に比較的均一な熱発光が得られ、複雑な画像処理等に依らずに広範囲に亘る溶接ビードの良否判定検査を実施可能となる。しかも、再照射するレーザは低エネルギー密度であるので、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。

なお、ここで言う「エネルギー密度」とは、従来のレーザ出力と焦点径から決定される設定上のエネルギー密度に加えて、レーザの走査速度を考慮して、単位時間当たりに照射スポットに入力されるエネルギーを意味する。したがって、低エネルギー密度のレーザ再照射は、これらのパラメータの１つまたは複数を組み合わせた調整によって実施可能であり、その選択または組合せに応じて、本願発明にはいくつかの態様が存在する。また、パラメータの組合せ如何では、何れかのパラメータがレーザ溶接時のそれよりも高エネルギー化の方向に調整される場合もある。

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、焦点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、出力制御よりも速度制御によって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。また、ずれた分だけ溶接ビードへの入熱が抑制されるので、例えば、溶接時と同条件でレーザ再照射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、出力制御の代用とすることで、制御を簡素化できる。

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が好適である。

また、本発明において、前記所定区間が、前記レーザ走査の始点と終点が近接または一致したループ状の区間である場合に、前記所定区間のレーザ溶接終了後、前記始点側から一部区間に前記再照射を行うか、または、前記始点側から全区間に前記再照射を行った後にさらに続けて前記始点側から一部区間に前記再照射を行っても良い。このような再照射を行うことで、溶接ビードの全区間に同様に再照射しなくても、始点側と終点側で同程度の熱発光が得られ、特に、欠陥を生じやすい始点と終点で同程度の熱発光が得られれば、確度の高い良否判定を行うことができる。

本発明に係る溶接ビード検査方法における「エネルギー密度」は、レーザ出力と焦点径から決定される設定上のエネルギー密度に加えて、レーザの走査速度を考慮した、単位時間当たりに照射スポットに入力されるエネルギーを意味することは既に述べたとおりである。
したがって、本発明に係る溶接ビード検査方法は、前記レーザ再照射のエネルギー密度が、レーザ出力Ｐと走査速度Ｖに基づく出力速度比（Ｐ／Ｖ）によって規定され、レーザ溶接時に比べて低減された出力速度比（Ｐ／Ｖ）にて前記レーザ再照射を行うことによっても特定される。

その場合、前記レーザ再照射の出力速度比（Ｐ／Ｖ）がレーザ溶接時の２５〜５０％の範囲から選定されていることが好適である。また、レーザ出力Ｐ（Ｗ）、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、焦点径ｄ（ｍｍ）としたとき、前記レーザ再照射のエネルギー密度Ｐ／ｄＶが、２５〜５０（Ｊ／ｍｍ^２）の範囲から選定されていても良い。

以上述べたように、本発明に係るビード検査方法によれば、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。

本発明に係るビード検査方法を実施するレーザ溶接装置の概略図である。 本発明に係るビード検査方法において撮像される（ａ）溶接ビード形成直後および（ｂ）レーザ再照射後の溶接ビードの画像を示す模式図である。 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。
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。なお、撮像手段としては、レーザ光軸上にハーフミラーなどの分光手段を設置し、レーザ出力光学系を通じて取得される画像を撮像するように構成しても良い。

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。

（第１実施例）
図１では、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場合を示しているが、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、先ず、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、焦点径０．６ｍｍ、レーザ出力４０００Ｗ、走査速度３．７ｍ／ｍｉｎにて、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、溶接ビードＢを形成する。

この時、レーザ光軸が終点Ｓｔに達した段階で、終端部Ｂ１は残熱発光しているが、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、同じレーザ出力４０００Ｗで走査速度を１３．７ｍ／ｍｉｎに増速して終点Ｓｔまでレーザを再照射し（Ｓｂ）、ビードＢ全体（Ｂ２）を熱発光させる。この際、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る。

そのため、レーザ再照射Ｓｂでは、溶接ビードＢにプルームやスパッタが生じないことに加えて、１／３．７の短時間で終了するので、レーザ再照射Ｓｂの終了時にも温度低下は少なく、溶接ビード全体Ｂ２が比較的均一な輝度分布で熱発光している。したがって、レーザ再照射Ｓｂの終了時に撮像手段２１に撮像される画像（図２（ｂ））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る。

（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い、結果を図３の分布図に示した。
図３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、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３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、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、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ものと考えられる。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と言える。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 検査部
２１ 撮像手段
２２ 画像処理部
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 (8)

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、前記溶接ビードの全区間または一部区間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た状態で撮像し、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. 前記所定区間が、前記レーザ走査の始点と終点が近接または一致したループ状の区間である場合に、前記所定区間のレーザ溶接終了後、前記始点側から一部区間に前記再照射を行うか、または、前記始点側から全区間に前記再照射を行った後にさらに続けて前記始点側から一部区間に前記再照射を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載のレーザ溶接方法。
6. 前記レーザ再照射のエネルギー密度が、レーザ出力Ｐと走査速度Ｖに基づく出力速度比（Ｐ／Ｖ）によって規定され、レーザ溶接時に比べて低減された出力速度比（Ｐ／Ｖ）にて前記レーザ再照射を行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項記載の溶接ビード検査方法。
7. 前記レーザ再照射の出力速度比（Ｐ／Ｖ）がレーザ溶接時の２５〜５０％の範囲から選定されていることを特徴とする請求項６記載の溶接ビード検査方法。
8. レーザ出力Ｐ（Ｗ）、走査速度Ｖ（ｍｍ／ｓｅｃ）、焦点径ｄ（ｍｍ）としたとき、前記レーザ再照射のエネルギー密度Ｐ／ｄＶが、２５〜５０（Ｊ／ｍｍ^２）の範囲から選定されていることを特徴とする請求項６記載の溶接ビード検査方法。

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