溶接材料におけるビード領域の画像を取り込むための装置
【課題】本発明の目的は、溶接プロセスの前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能な装置を提供することにある。
【解決手段】本発明の装置１は、レーザ照射部３と、レーザ照射制御部４と、モニタ部５と、記憶部６と、画像取込部７とを備え、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、画像取込部７が、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっている。
【解決手段】本発明の装置１は、レーザ照射部３と、レーザ照射制御部４と、モニタ部５と、記憶部６と、画像取込部７とを備え、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、画像取込部７が、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接材料に溶接用レーザを照射した際に形成されるビード領域の画像を取り込むための装置に関するものである。詳しくは、本発明は、レーザ溶接による溶接を行う際、溶接直後に金属からの熱発光が残っている極めて短い時間内に、ビード領域の画像を高速カメラで取得する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ溶接などによる溶接を行う際に、レーザ溶接における溶接欠陥を判定するために、カメラや光センサなどでビード領域からの信号を検出し、その検出信号を解析する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１では、溶接プロセス中に熱放射光センサ及び反射光センサを用いて溶接箇所からの信号を検出し、この検出信号の経時変化を溶接条件に対応する基準データテーブルと比較し、溶接可能な状態かを判定している。特許文献１では、溶接プロセスの開始から終了まで判定を行い、溶接の溶接割れや溶接欠陥を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２６１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ溶接の溶接欠陥を判定する場合、溶接プロセスの開始から終了までの全体を判定することが望ましいが、レーザ溶接直後の熱発光を利用してセンサやカメラでビード領域の画像を取得する場合、以下のような問題がある。
【０００６】
図８は、円弧状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図であり、図９は、直線状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
図８及び図９に示すように、溶接プロセスの前半部分Ｆ１，Ｆ２は熱発光が弱く、溶接プロセスの後半部分Ｆ３，Ｆ４は強くなっている。このように残熱発光が観察されるのは、溶接材料はもともと常温で冷え切った状態になっているので、前半部分Ｆ１，Ｆ２では、溶接用レーザで溶接を行っても溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが大きくなり、ビード領域からの残熱発光が弱くなるためである。一方、後半部分Ｆ３，Ｆ４では、溶接を開始してからある程度時間が経過しているので、溶接材料に熱が蓄積しており、溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さく、ビード領域からの残熱発光が強くなる。
【０００７】
したがって、従来では、熱発光が強い溶接プロセスの後半部分Ｆ３，Ｆ４では、ビード領域の画像をカメラで取得して、穴欠陥の判定のために使用することができた。一方、溶接プロセスの前半部分Ｆ１，Ｆ２においては、黒体放射式に基づく赤外線は放射されているが、熱発光が弱く、可視域の感度を有するカメラでは、ビード領域の画像を捉えることができなかった。したがって、溶接プロセスの全体で溶接欠陥の判定を行うことができなかった。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接プロセスの前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能な装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上記従来技術の有する課題を解決するために、溶接材料におけるビード領域の画像を取り込むための装置であって、前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部とを備え、前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっている装置が提供される。
【００１０】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されている。
【００１１】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっている。
【００１２】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっている。
【００１３】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分である。
【００１４】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されている。
【００１５】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されている。
【００１６】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置は、前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部とを備え、前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっているので、予備溶接部分を溶接している間に、溶接材料に熱が蓄積することになる。これにより、本溶接部分の溶接開始点から溶接を行うときに、溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さくなり、本溶接部分の前半部分においてもビード領域からの残熱発光が強くなる。その結果、本溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００１８】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されているので、予備溶接部分において溶接材料を溶融させずに、溶接材料に対して熱の蓄積のみを行うことができる。これにより、予備溶接部分にビード領域ができないため、予備溶接部分において穴欠陥が生じることもなく、穴欠陥の判定も不要となる。
また、本発明によれば、予備溶接部分において溶接材料が溶融しないので、溶接材料の流動がなくなる。これにより、溶接用レーザによるエネルギーが下方向に飛散することがなく、溶接材料に熱を効率的に蓄積することができる。
【００１９】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっているので、溶接用レーザの出力値などを制御する必要がなく、装置の制御が容易になる。
【００２０】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっているので、予備溶接部分と溶接開始点との間でビード領域ができない部分が生じ、予備溶接部分と本溶接部分との間に明確に境目を作ることができる。これにより、画像取り込み後のビード領域の形状判定をより容易に行うことが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分であるので、溶接プロセスの時間の増加を最小限にしつつ、溶接材料への熱の蓄積を十分に行うことができる。
【００２２】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されているので、溶接開始点に近接する広い範囲に対して熱を効率的に蓄積させることができる。
【００２３】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されているので、次の溶接箇所に対して予備溶接部分を別個に設定しなくても、次の溶接箇所の前半部分の残熱発光が強くなる。これにより、次の溶接箇所の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００２４】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されているので、１つ前の溶接の溶接終了点から連続して、次の溶接に対する予備溶接を行うことができる。しかも、１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが、予備溶接部分でつながっているので、溶接をスムーズに行うことができる。したがって、溶接材料の溶接箇所が複数ある場合でも、溶接材料に熱を蓄積しつつ、スムーズに溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る溶接装置の全体の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る画像取込部による画像取り込み処理を示した図である。
【図３】第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置の動作を示した図であり、（ａ）は第１実施形態における装置の溶接形態を示した図であり、（ｂ）は装置のレーザの出力値を示した図である。
【図４】第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、（ａ）は第２実施形態における装置の溶接形態を示した図であり、（ｂ）は装置のレーザの出力値を示した図である。
【図５】第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、装置のレーザの出力値を示した図である。
【図６】第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、複数の溶接箇所がある場合の溶接形態を示した図である。
【図７】第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、複数の溶接箇所がある場合の溶接形態を示した図である。
【図８】溶接材料を溶接開始点Ｏ１から溶接終了点Ｐ１まで円弧状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
【図９】溶接材料を溶接開始点Ｏ２から溶接終了点Ｐ２まで直線状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置の構成を示したブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る溶接装置１０は、溶接材料２０を重ね合わせ溶接する際に用いられる装置である。溶接装置１０は、ビード領域の画像を取り込むための装置１と、ビード領域の形状を判定する装置２とを備えている。ビード領域の画像を取り込むための装置１は、レーザ照射部３と、レーザ照射制御部４と、モニタ部５と、記憶部６と、画像取込部７とを備えている。以下に各部分について詳細に説明する。
【００２８】
レーザ照射部３は、溶接用レーザを照射するものであり、光ファイバなどを経由して送られてくるレーザを重ね合わせた溶接材料２０に照射するヘッド部（図示せず）を有している。なお、本実施形態において、レーザ照射部３は、波長１０６４ｎｍ付近のレーザ光を発生させるように構成されている。
【００２９】
レーザ照射制御部４は、レーザ照射部３から照射される溶接用レーザの出力値を制御するようになっている。加えて、レーザ照射制御部４には、溶接箇所の位置情報なども設定されており、レーザ照射制御部４は、溶接用レーザの照射位置を制御するようになっている。
【００３０】
図１に示すように、モニタ部５は、レーザ照射部３付近に設けられ、溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するように構成されている。モニタ部５は、１台の高速カメラ、例えば、高ダイナミックレンジカメラで構成されている。この高ダイナミックレンジカメラは、信号検出のダイナミックレンジが広く（すなわち、計測可能な輝度の範囲が広い）、溶接中と溶接直後の両方の画像を撮像できるものである。
【００３１】
また、図１に示すように、記憶部６は、モニタ部５に接続されており、モニタ部５により取得された画像を時間経過に沿って連続的に記憶するようになっている。
【００３２】
図１に示すように、画像取込部７は、記憶部６に接続されており、記憶部６に記憶されている画像の中から、溶接直後の画像を取り込むように構成されている。ここで、溶接材料２０における残熱発光の現象を観察できるのは、溶接直後から概ね数１０ｍｓと短い時間であり、その後は、溶接材料２０からの発光の減衰が大きくなって観察は厳しくなる。実験の結果、発光を観察できる時間は、典型的には、２０ｍｓであった。本実施形態では、モニタ部５を５００Ｈｚ前後のフレームレートを有する高速カメラで構成し、画像取込部７は、１０枚前後（２０ｍｓ÷２ｍｓ）の画像を取得するようになっている。
【００３３】
また、画像取込部７は、画像内の平均輝度を利用して溶接直後の画像を取り込むようになっている。実験では、溶接プロセス中の画像内の平均輝度は、溶接プロセス直後と比較して３〜４桁ほど高いことがわかった。したがって、所定の第１の閾値（画像取込用閾値）を、溶接プロセス中と溶接プロセス直後の平均輝度の間になるように設定する。
【００３４】
図２に示すように、画像取込部７は、画像内の平均輝度が所定の第１の閾値（画像取込用閾値）以下の場合に記憶部６から画像を取得するように構成されている。なお、上述したように、溶接プロセス中と溶接プロセス直後とでは、平均輝度が大きく異なるので、溶接プロセス直後の画像を取り込むための第１の閾値は、容易に設定することができる。
また、発光を観察できる時間の経過後は、モニタ部５によって取得される画像は、真っ暗になって穴欠陥の判定に使用することができなくなる。本実施形態においては、第１の閾値より小さい第２の閾値も設定し、図２に示すように、画像取込部７は、画像内の平均輝度が第２の閾値以下の場合、発光現象が終了したと判定して、画像の取り込み処理を終了する。
【００３５】
図１に示すように、ビード領域の形状を判定する装置２は、画像取込部７に接続されており、画像取込部７が取り込んだ画像を処理するものである。例えば、ビード領域の形状を判定する装置２は、画像内において所定の閾値以上の輝度を有する領域をビード領域として決定し、決定されたビード領域に凹形状などの穴欠陥があるかを判定するようになっている。
【００３６】
［第１実施形態］
図３は、第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本発明の特徴としては、レーザ照射部３（図１参照）が、本溶接部分を溶接する前に予備溶接を行うようになっている。これにより、本溶接部分を行う前に溶接材料に熱を蓄積させることができる。
【００３７】
詳細に説明すると、本実施形態において、レーザ照射制御部４（図１参照）には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の位置情報とが設定されている。図３（ａ）に示すように、予備溶接部分は、線分ＡＢである。この予備溶接部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから接線方向に延びている。
【００３８】
なお、この予備溶接部分の長さは、長すぎると、溶接プロセスの時間が増加して適当でない。一方、予備溶接部分の長さが短すぎると、溶接材料２０への熱の蓄積が十分にできない可能性もある。実験では、予備溶接部分の長さを溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの約半分に設定すれば、溶接直後の残熱発光が観察できることが確認できた。したがって、溶接プロセス時間も考慮すると、予備溶接部分の長さは、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの半分に設定するのが好ましい。
【００３９】
本実施形態では、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成されている。画像取込部７は、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっている。ここで、図３（ｂ）に示すように、レーザ照射部３は、予備溶接部分及び本溶接部分において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。
【００４０】
また、本実施形態では、レーザ照射部３は、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザを連続して照射するように構成され、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間でビード領域が連続するようになっている。
【００４１】
本発明の第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、溶接材料２０に溶接用レーザを照射するレーザ照射部３と、レーザ照射部３から照射される溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部４と、溶接材料２０上の溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部５と、モニタ部５によって取得された画像を記憶する記憶部６と、画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に記憶部６から画像を取得する画像取込部７とを備え、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の位置情報とが設定されており、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、画像取込部７が、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっているので、予備溶接部分を溶接している間に、溶接材料２０に熱が蓄積することになる。これにより、本溶接部分の溶接開始点Ｂから溶接を行うときに、溶接材料２０への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さくなり、本溶接部分の前半部分においてもビード領域からの残熱発光が強くなる。その結果、本溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００４２】
本発明の第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザを連続して照射するように構成され、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間でビード領域が連続するようになっているので、溶接用レーザの出力値などを制御する必要がなく、装置１の制御が容易になる。
また、予備溶接部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから接線方向に延びているので、予備溶接部分から本溶接部分への接続をスムーズに行うことができる。
また、予備溶接部分の長さは、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの半分であるので、溶接プロセスの時間の増加を最小限にしつつ、溶接材料への熱の蓄積を十分に行うことができる。
【００４３】
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、予備溶接部分の位置情報と、出力低減部分の位置情報とが設定されている。図４（ａ）に示すように、予備溶接部分は、線分Ａ１Ａ２であり、出力低減部分は、線分Ａ２Ｂである。なお、予備溶接部分及び出力低減部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃに対して反対側に直線状に延びている。
【００４４】
この第２実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、レーザ照射部３は、予備溶接部分及び本溶接部分において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。一方、レーザ照射部３は、出力低減部分において、所定の閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射する。このように、出力低減部分においてレーザの出力値を低減させることによって、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間の出力低減部分でビード領域が生じないようになっている。
【００４５】
本発明の第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接部分の終了点Ａ２と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、予備溶接部分と溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっているので、予備溶接部分と溶接開始点との間にある出力低減部分でビード領域が形成されず、予備溶接部分と本溶接部分との間に明確に境目を作ることができる。これにより、画像取り込み後のビード領域の形状判定をより容易に行うことが可能となる。
【００４６】
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、予備溶接部分及び本溶接部分のレーザの出力値を示した図である。
本実施形態において、図５に示すように、レーザ照射部３は、本溶接部分（図１の線分ＢＣ）において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。一方、レーザ照射部３は、予備溶接部分（図１の線分ＡＢ）において、所定の閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射する。このように、予備溶接部分においてレーザの出力値を低減させることによって、予備溶接部分では、ビード領域が形成されないことになる。
【００４７】
なお、溶接用レーザの出力値を上述した閾値未満に設定すると、溶接材料２０に熱が蓄積されにくいとも思われる。しかしながら、溶接材料２０が溶融すると、溶接用レーザのエネルギーは、溶接材料２０の流動に従って溶接材料２０の下方向へ飛散する傾向にある。したがって、溶接用レーザの出力値を閾値未満に設定した方が、溶接材料２０の流動が生じないので、溶接用レーザのエネルギーが下方向へ飛散することが小さくなり、溶接材料２０への熱の蓄積がより効率的に行える。
【００４８】
本発明の第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接を行う際に、溶接材料２０が溶融する閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射するように構成されているので、予備溶接部分において溶接材料２０を溶融させずに、溶接材料２０に対して熱の蓄積のみを行うことができる。これにより、予備溶接部分にビード領域ができないため、予備溶接部分において穴欠陥が生じることもなく、穴欠陥の判定も不要となる。
また、本実施形態によれば、予備溶接部分において溶接材料２０が溶融しないので、溶接材料２０の流動がなくなる。これにより、溶接用レーザによるエネルギーが下方向に飛散することがなく、溶接材料２０に熱を効率的に蓄積することができる。
【００４９】
［第４実施形態］
図６は、第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、図６に示すように、溶接材料には、第１の溶接部分及び第２の溶接部分の２箇所の溶接箇所が設定されている。第１の溶接部分は、線分Ｂ１Ｃ１であり、第２の溶接部分は、線分Ｂ２Ｃ２である。また、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２とは、近接している。
【００５０】
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂ１から溶接終了点Ｃ１までの第１の溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂ２から溶接終了点Ｃ２までの第２の溶接部分の位置情報とが設定されている。また、レーザ照射制御部４には、予備溶接部分として第１の溶接部分が設定されている。レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２から溶接を開始し、第１の溶接部分を予備溶接として利用するように構成されている。
【００５１】
本発明の第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射制御部４には、予備溶接部分として第１の溶接部分が設定されており、レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２から溶接を開始し、第１の溶接部分を予備溶接として利用するように構成されているので、第２の溶接部分に対して予備溶接部分を別個に設定しなくても、第２の溶接部分の前半部分の残熱発光が強くなる。これにより、第２の溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
また、溶接材料を溶接する場合には、通常、複数のシームラインを設けて、強度を保持する。本実施形態は、複数のシームラインを設定する場合に好適であり、１つ前の溶接箇所の近くに次の溶接箇所を設定することで、無駄にビード領域を増やさずに、溶接材料への熱の蓄積を行うことができる。
【００５２】
［第５実施形態］
図７は、第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、図７に示すように、溶接材料には、第１の溶接部分及び第２の溶接部分の２箇所の溶接箇所が設定されている。第１の溶接部分は、線分Ｂ１Ｃ１であり、第２の溶接部分は、線分Ｂ２Ｃ２である。
【００５３】
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂ１から溶接終了点Ｃ１までの第１の溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂ２から溶接終了点Ｃ２までの第２の溶接部分の位置情報とが設定されている。また、レーザ照射制御部４には、第１の溶接部分の溶接終了点と第２の溶接部分の溶接開始点との間が予備溶接部分として設定されている。レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間で予備溶接を行うように構成されている。
【００５４】
本発明の第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射制御部４には、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間が予備溶接部分として設定されており、レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間で予備溶接を行うように構成されているので、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１から連続して、第２の溶接部分に対する予備溶接を行うことができる。しかも、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２とが予備溶接部分でつながっているので、溶接をスムーズに行うことができる。したがって、溶接材料の溶接箇所が複数ある場合でも、溶接材料２０に熱を蓄積しつつ、スムーズに溶接を行うことができる。また、第１の溶接部分と第２の溶接部分とが連続的に溶接されるので、溶接プロセスの時間も短縮することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００５６】
レーザ照射部３は、溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えてもよい。レーザ照射部３は、予備溶接部分をディフォーカスレーザで照射して、溶接材料に熱を蓄積させてもよい。この場合、好ましくは、ディフォーカスレーザの出力値は、重ね合わせた溶接材料２０が溶融して貫通溶接される閾値未満に設定するのがよい。
【００５７】
上述の実施形態では、重ね合わせ溶接を対象としているが、溶接材料の溶接位置に穴欠陥が存在するかという幾何学的な状況を判定するものであるため、形状段差溶接や突合せ溶接など、孤立した穴欠陥が生じる溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 溶接装置
２０ 溶接材料
１ ビード領域の画像を取り込むための装置
２ ビード領域の形状を判定する装置
３ レーザ照射部
４ レーザ照射制御部
５ モニタ部
６ 記憶部
７ 画像取込部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接材料に溶接用レーザを照射した際に形成されるビード領域の画像を取り込むための装置に関するものである。詳しくは、本発明は、レーザ溶接による溶接を行う際、溶接直後に金属からの熱発光が残っている極めて短い時間内に、ビード領域の画像を高速カメラで取得する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、レーザ溶接などによる溶接を行う際に、レーザ溶接における溶接欠陥を判定するために、カメラや光センサなどでビード領域からの信号を検出し、その検出信号を解析する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
特許文献１では、溶接プロセス中に熱放射光センサ及び反射光センサを用いて溶接箇所からの信号を検出し、この検出信号の経時変化を溶接条件に対応する基準データテーブルと比較し、溶接可能な状態かを判定している。特許文献１では、溶接プロセスの開始から終了まで判定を行い、溶接の溶接割れや溶接欠陥を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２６１３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ溶接の溶接欠陥を判定する場合、溶接プロセスの開始から終了までの全体を判定することが望ましいが、レーザ溶接直後の熱発光を利用してセンサやカメラでビード領域の画像を取得する場合、以下のような問題がある。
【０００６】
図８は、円弧状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図であり、図９は、直線状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
図８及び図９に示すように、溶接プロセスの前半部分Ｆ１，Ｆ２は熱発光が弱く、溶接プロセスの後半部分Ｆ３，Ｆ４は強くなっている。このように残熱発光が観察されるのは、溶接材料はもともと常温で冷え切った状態になっているので、前半部分Ｆ１，Ｆ２では、溶接用レーザで溶接を行っても溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが大きくなり、ビード領域からの残熱発光が弱くなるためである。一方、後半部分Ｆ３，Ｆ４では、溶接を開始してからある程度時間が経過しているので、溶接材料に熱が蓄積しており、溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さく、ビード領域からの残熱発光が強くなる。
【０００７】
したがって、従来では、熱発光が強い溶接プロセスの後半部分Ｆ３，Ｆ４では、ビード領域の画像をカメラで取得して、穴欠陥の判定のために使用することができた。一方、溶接プロセスの前半部分Ｆ１，Ｆ２においては、黒体放射式に基づく赤外線は放射されているが、熱発光が弱く、可視域の感度を有するカメラでは、ビード領域の画像を捉えることができなかった。したがって、溶接プロセスの全体で溶接欠陥の判定を行うことができなかった。
【０００８】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、溶接プロセスの前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能な装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、上記従来技術の有する課題を解決するために、溶接材料におけるビード領域の画像を取り込むための装置であって、前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部とを備え、前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっている装置が提供される。
【００１０】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されている。
【００１１】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっている。
【００１２】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっている。
【００１３】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分である。
【００１４】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されている。
【００１５】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されている。
【００１６】
また、本発明に係る装置の別の実施態様によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されている。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置は、前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部とを備え、前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっているので、予備溶接部分を溶接している間に、溶接材料に熱が蓄積することになる。これにより、本溶接部分の溶接開始点から溶接を行うときに、溶接材料への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さくなり、本溶接部分の前半部分においてもビード領域からの残熱発光が強くなる。その結果、本溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００１８】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されているので、予備溶接部分において溶接材料を溶融させずに、溶接材料に対して熱の蓄積のみを行うことができる。これにより、予備溶接部分にビード領域ができないため、予備溶接部分において穴欠陥が生じることもなく、穴欠陥の判定も不要となる。
また、本発明によれば、予備溶接部分において溶接材料が溶融しないので、溶接材料の流動がなくなる。これにより、溶接用レーザによるエネルギーが下方向に飛散することがなく、溶接材料に熱を効率的に蓄積することができる。
【００１９】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっているので、溶接用レーザの出力値などを制御する必要がなく、装置の制御が容易になる。
【００２０】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっているので、予備溶接部分と溶接開始点との間でビード領域ができない部分が生じ、予備溶接部分と本溶接部分との間に明確に境目を作ることができる。これにより、画像取り込み後のビード領域の形状判定をより容易に行うことが可能となる。
【００２１】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分であるので、溶接プロセスの時間の増加を最小限にしつつ、溶接材料への熱の蓄積を十分に行うことができる。
【００２２】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されているので、溶接開始点に近接する広い範囲に対して熱を効率的に蓄積させることができる。
【００２３】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されているので、次の溶接箇所に対して予備溶接部分を別個に設定しなくても、次の溶接箇所の前半部分の残熱発光が強くなる。これにより、次の溶接箇所の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００２４】
また、本発明に係るビード領域の画像を取り込むための装置によれば、前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されているので、１つ前の溶接の溶接終了点から連続して、次の溶接に対する予備溶接を行うことができる。しかも、１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが、予備溶接部分でつながっているので、溶接をスムーズに行うことができる。したがって、溶接材料の溶接箇所が複数ある場合でも、溶接材料に熱を蓄積しつつ、スムーズに溶接を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る溶接装置の全体の構成を示したブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る画像取込部による画像取り込み処理を示した図である。
【図３】第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置の動作を示した図であり、（ａ）は第１実施形態における装置の溶接形態を示した図であり、（ｂ）は装置のレーザの出力値を示した図である。
【図４】第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、（ａ）は第２実施形態における装置の溶接形態を示した図であり、（ｂ）は装置のレーザの出力値を示した図である。
【図５】第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、装置のレーザの出力値を示した図である。
【図６】第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、複数の溶接箇所がある場合の溶接形態を示した図である。
【図７】第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、複数の溶接箇所がある場合の溶接形態を示した図である。
【図８】溶接材料を溶接開始点Ｏ１から溶接終了点Ｐ１まで円弧状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
【図９】溶接材料を溶接開始点Ｏ２から溶接終了点Ｐ２まで直線状に溶接した場合の残熱発光の度合いを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置を、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る溶接装置の構成を示したブロック図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係る溶接装置１０は、溶接材料２０を重ね合わせ溶接する際に用いられる装置である。溶接装置１０は、ビード領域の画像を取り込むための装置１と、ビード領域の形状を判定する装置２とを備えている。ビード領域の画像を取り込むための装置１は、レーザ照射部３と、レーザ照射制御部４と、モニタ部５と、記憶部６と、画像取込部７とを備えている。以下に各部分について詳細に説明する。
【００２８】
レーザ照射部３は、溶接用レーザを照射するものであり、光ファイバなどを経由して送られてくるレーザを重ね合わせた溶接材料２０に照射するヘッド部（図示せず）を有している。なお、本実施形態において、レーザ照射部３は、波長１０６４ｎｍ付近のレーザ光を発生させるように構成されている。
【００２９】
レーザ照射制御部４は、レーザ照射部３から照射される溶接用レーザの出力値を制御するようになっている。加えて、レーザ照射制御部４には、溶接箇所の位置情報なども設定されており、レーザ照射制御部４は、溶接用レーザの照射位置を制御するようになっている。
【００３０】
図１に示すように、モニタ部５は、レーザ照射部３付近に設けられ、溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するように構成されている。モニタ部５は、１台の高速カメラ、例えば、高ダイナミックレンジカメラで構成されている。この高ダイナミックレンジカメラは、信号検出のダイナミックレンジが広く（すなわち、計測可能な輝度の範囲が広い）、溶接中と溶接直後の両方の画像を撮像できるものである。
【００３１】
また、図１に示すように、記憶部６は、モニタ部５に接続されており、モニタ部５により取得された画像を時間経過に沿って連続的に記憶するようになっている。
【００３２】
図１に示すように、画像取込部７は、記憶部６に接続されており、記憶部６に記憶されている画像の中から、溶接直後の画像を取り込むように構成されている。ここで、溶接材料２０における残熱発光の現象を観察できるのは、溶接直後から概ね数１０ｍｓと短い時間であり、その後は、溶接材料２０からの発光の減衰が大きくなって観察は厳しくなる。実験の結果、発光を観察できる時間は、典型的には、２０ｍｓであった。本実施形態では、モニタ部５を５００Ｈｚ前後のフレームレートを有する高速カメラで構成し、画像取込部７は、１０枚前後（２０ｍｓ÷２ｍｓ）の画像を取得するようになっている。
【００３３】
また、画像取込部７は、画像内の平均輝度を利用して溶接直後の画像を取り込むようになっている。実験では、溶接プロセス中の画像内の平均輝度は、溶接プロセス直後と比較して３〜４桁ほど高いことがわかった。したがって、所定の第１の閾値（画像取込用閾値）を、溶接プロセス中と溶接プロセス直後の平均輝度の間になるように設定する。
【００３４】
図２に示すように、画像取込部７は、画像内の平均輝度が所定の第１の閾値（画像取込用閾値）以下の場合に記憶部６から画像を取得するように構成されている。なお、上述したように、溶接プロセス中と溶接プロセス直後とでは、平均輝度が大きく異なるので、溶接プロセス直後の画像を取り込むための第１の閾値は、容易に設定することができる。
また、発光を観察できる時間の経過後は、モニタ部５によって取得される画像は、真っ暗になって穴欠陥の判定に使用することができなくなる。本実施形態においては、第１の閾値より小さい第２の閾値も設定し、図２に示すように、画像取込部７は、画像内の平均輝度が第２の閾値以下の場合、発光現象が終了したと判定して、画像の取り込み処理を終了する。
【００３５】
図１に示すように、ビード領域の形状を判定する装置２は、画像取込部７に接続されており、画像取込部７が取り込んだ画像を処理するものである。例えば、ビード領域の形状を判定する装置２は、画像内において所定の閾値以上の輝度を有する領域をビード領域として決定し、決定されたビード領域に凹形状などの穴欠陥があるかを判定するようになっている。
【００３６】
［第１実施形態］
図３は、第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本発明の特徴としては、レーザ照射部３（図１参照）が、本溶接部分を溶接する前に予備溶接を行うようになっている。これにより、本溶接部分を行う前に溶接材料に熱を蓄積させることができる。
【００３７】
詳細に説明すると、本実施形態において、レーザ照射制御部４（図１参照）には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の位置情報とが設定されている。図３（ａ）に示すように、予備溶接部分は、線分ＡＢである。この予備溶接部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから接線方向に延びている。
【００３８】
なお、この予備溶接部分の長さは、長すぎると、溶接プロセスの時間が増加して適当でない。一方、予備溶接部分の長さが短すぎると、溶接材料２０への熱の蓄積が十分にできない可能性もある。実験では、予備溶接部分の長さを溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの約半分に設定すれば、溶接直後の残熱発光が観察できることが確認できた。したがって、溶接プロセス時間も考慮すると、予備溶接部分の長さは、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの半分に設定するのが好ましい。
【００３９】
本実施形態では、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成されている。画像取込部７は、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっている。ここで、図３（ｂ）に示すように、レーザ照射部３は、予備溶接部分及び本溶接部分において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。
【００４０】
また、本実施形態では、レーザ照射部３は、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザを連続して照射するように構成され、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間でビード領域が連続するようになっている。
【００４１】
本発明の第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、溶接材料２０に溶接用レーザを照射するレーザ照射部３と、レーザ照射部３から照射される溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部４と、溶接材料２０上の溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部５と、モニタ部５によって取得された画像を記憶する記憶部６と、画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に記憶部６から画像を取得する画像取込部７とを備え、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂに近接した位置にある予備溶接部分の位置情報とが設定されており、レーザ照射部３は、溶接開始点Ｂから溶接を開始する前に、予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、画像取込部７が、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでのビード領域の画像を取得するようになっているので、予備溶接部分を溶接している間に、溶接材料２０に熱が蓄積することになる。これにより、本溶接部分の溶接開始点Ｂから溶接を行うときに、溶接材料２０への熱逃げや時間経過による熱逃げが小さくなり、本溶接部分の前半部分においてもビード領域からの残熱発光が強くなる。その結果、本溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
【００４２】
本発明の第１実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザを連続して照射するように構成され、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間でビード領域が連続するようになっているので、溶接用レーザの出力値などを制御する必要がなく、装置１の制御が容易になる。
また、予備溶接部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから接線方向に延びているので、予備溶接部分から本溶接部分への接続をスムーズに行うことができる。
また、予備溶接部分の長さは、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの長さの半分であるので、溶接プロセスの時間の増加を最小限にしつつ、溶接材料への熱の蓄積を十分に行うことができる。
【００４３】
［第２実施形態］
図４は、第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃまでの本溶接部分の位置情報と、予備溶接部分の位置情報と、出力低減部分の位置情報とが設定されている。図４（ａ）に示すように、予備溶接部分は、線分Ａ１Ａ２であり、出力低減部分は、線分Ａ２Ｂである。なお、予備溶接部分及び出力低減部分は、本溶接部分の溶接開始点Ｂから溶接終了点Ｃに対して反対側に直線状に延びている。
【００４４】
この第２実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、レーザ照射部３は、予備溶接部分及び本溶接部分において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。一方、レーザ照射部３は、出力低減部分において、所定の閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射する。このように、出力低減部分においてレーザの出力値を低減させることによって、予備溶接部分と溶接開始点Ｂとの間の出力低減部分でビード領域が生じないようになっている。
【００４５】
本発明の第２実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接部分の終了点Ａ２と溶接開始点Ｂとの間で溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、予備溶接部分と溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっているので、予備溶接部分と溶接開始点との間にある出力低減部分でビード領域が形成されず、予備溶接部分と本溶接部分との間に明確に境目を作ることができる。これにより、画像取り込み後のビード領域の形状判定をより容易に行うことが可能となる。
【００４６】
［第３実施形態］
図５は、第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図であり、予備溶接部分及び本溶接部分のレーザの出力値を示した図である。
本実施形態において、図５に示すように、レーザ照射部３は、本溶接部分（図１の線分ＢＣ）において、所定の閾値以上の出力値で溶接用レーザを照射する。この閾値は、重ね合わせた溶接材料２０（図１参照）が溶融して貫通溶接される閾値に設定されている。一方、レーザ照射部３は、予備溶接部分（図１の線分ＡＢ）において、所定の閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射する。このように、予備溶接部分においてレーザの出力値を低減させることによって、予備溶接部分では、ビード領域が形成されないことになる。
【００４７】
なお、溶接用レーザの出力値を上述した閾値未満に設定すると、溶接材料２０に熱が蓄積されにくいとも思われる。しかしながら、溶接材料２０が溶融すると、溶接用レーザのエネルギーは、溶接材料２０の流動に従って溶接材料２０の下方向へ飛散する傾向にある。したがって、溶接用レーザの出力値を閾値未満に設定した方が、溶接材料２０の流動が生じないので、溶接用レーザのエネルギーが下方向へ飛散することが小さくなり、溶接材料２０への熱の蓄積がより効率的に行える。
【００４８】
本発明の第３実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射部３は、予備溶接を行う際に、溶接材料２０が溶融する閾値未満の出力値で溶接用レーザを照射するように構成されているので、予備溶接部分において溶接材料２０を溶融させずに、溶接材料２０に対して熱の蓄積のみを行うことができる。これにより、予備溶接部分にビード領域ができないため、予備溶接部分において穴欠陥が生じることもなく、穴欠陥の判定も不要となる。
また、本実施形態によれば、予備溶接部分において溶接材料２０が溶融しないので、溶接材料２０の流動がなくなる。これにより、溶接用レーザによるエネルギーが下方向に飛散することがなく、溶接材料２０に熱を効率的に蓄積することができる。
【００４９】
［第４実施形態］
図６は、第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、図６に示すように、溶接材料には、第１の溶接部分及び第２の溶接部分の２箇所の溶接箇所が設定されている。第１の溶接部分は、線分Ｂ１Ｃ１であり、第２の溶接部分は、線分Ｂ２Ｃ２である。また、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２とは、近接している。
【００５０】
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂ１から溶接終了点Ｃ１までの第１の溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂ２から溶接終了点Ｃ２までの第２の溶接部分の位置情報とが設定されている。また、レーザ照射制御部４には、予備溶接部分として第１の溶接部分が設定されている。レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２から溶接を開始し、第１の溶接部分を予備溶接として利用するように構成されている。
【００５１】
本発明の第４実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射制御部４には、予備溶接部分として第１の溶接部分が設定されており、レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２から溶接を開始し、第１の溶接部分を予備溶接として利用するように構成されているので、第２の溶接部分に対して予備溶接部分を別個に設定しなくても、第２の溶接部分の前半部分の残熱発光が強くなる。これにより、第２の溶接部分の前半部分及び後半部分の全体において、ビード領域の穴欠陥の判定に用いることができる画像を取り込むことが可能となる。
また、溶接材料を溶接する場合には、通常、複数のシームラインを設けて、強度を保持する。本実施形態は、複数のシームラインを設定する場合に好適であり、１つ前の溶接箇所の近くに次の溶接箇所を設定することで、無駄にビード領域を増やさずに、溶接材料への熱の蓄積を行うことができる。
【００５２】
［第５実施形態］
図７は、第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１の動作を示した図である。
本実施形態において、図７に示すように、溶接材料には、第１の溶接部分及び第２の溶接部分の２箇所の溶接箇所が設定されている。第１の溶接部分は、線分Ｂ１Ｃ１であり、第２の溶接部分は、線分Ｂ２Ｃ２である。
【００５３】
本実施形態において、レーザ照射制御部４には、溶接開始点Ｂ１から溶接終了点Ｃ１までの第１の溶接部分の位置情報と、溶接開始点Ｂ２から溶接終了点Ｃ２までの第２の溶接部分の位置情報とが設定されている。また、レーザ照射制御部４には、第１の溶接部分の溶接終了点と第２の溶接部分の溶接開始点との間が予備溶接部分として設定されている。レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接が終了した後に、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間で予備溶接を行うように構成されている。
【００５４】
本発明の第５実施形態に係るビード領域の画像を取り込むための装置１によれば、レーザ照射制御部４には、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間が予備溶接部分として設定されており、レーザ照射部３は、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２との間で予備溶接を行うように構成されているので、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１から連続して、第２の溶接部分に対する予備溶接を行うことができる。しかも、第１の溶接部分の溶接終了点Ｃ１と第２の溶接部分の溶接開始点Ｂ２とが予備溶接部分でつながっているので、溶接をスムーズに行うことができる。したがって、溶接材料の溶接箇所が複数ある場合でも、溶接材料２０に熱を蓄積しつつ、スムーズに溶接を行うことができる。また、第１の溶接部分と第２の溶接部分とが連続的に溶接されるので、溶接プロセスの時間も短縮することができる。
【００５５】
以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものでなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。
【００５６】
レーザ照射部３は、溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えてもよい。レーザ照射部３は、予備溶接部分をディフォーカスレーザで照射して、溶接材料に熱を蓄積させてもよい。この場合、好ましくは、ディフォーカスレーザの出力値は、重ね合わせた溶接材料２０が溶融して貫通溶接される閾値未満に設定するのがよい。
【００５７】
上述の実施形態では、重ね合わせ溶接を対象としているが、溶接材料の溶接位置に穴欠陥が存在するかという幾何学的な状況を判定するものであるため、形状段差溶接や突合せ溶接など、孤立した穴欠陥が生じる溶接に適用することができる。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 溶接装置
２０ 溶接材料
１ ビード領域の画像を取り込むための装置
２ ビード領域の形状を判定する装置
３ レーザ照射部
４ レーザ照射制御部
５ モニタ部
６ 記憶部
７ 画像取込部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接材料におけるビード領域の画像を取り込むための装置であって、
前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、
前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、
前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、
前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部と
を備え、
前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、
前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、
前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１】
溶接材料におけるビード領域の画像を取り込むための装置であって、
前記溶接材料に溶接用レーザを照射するレーザ照射部と、
該レーザ照射部から照射される前記溶接用レーザを制御するレーザ照射制御部と、
前記溶接材料上の前記溶接用レーザを照射した部分の画像を連続的に取得するモニタ部と、
前記モニタ部によって取得された画像を記憶する記憶部と、
前記画像内の平均輝度が所定の画像取込用閾値以下の場合に前記記憶部から前記画像を取得する画像取込部と
を備え、
前記レーザ照射制御部には、溶接開始点から溶接終了点までの本溶接部分の情報と、前記溶接開始点に近接した位置にある予備溶接部分の情報とが設定されており、前記レーザ照射部は、前記溶接開始点から溶接を開始する前に、前記予備溶接部分を溶接用レーザによって照射するように構成され、前記画像取込部が、前記溶接開始点から前記溶接終了点までのビード領域の画像を取得するようになっていることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記レーザ照射部は、予備溶接を行う際に、前記溶接材料が溶融する閾値未満の出力値で前記溶接用レーザを照射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザを連続して照射するように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間で前記溶接用レーザの出力値を低下させるように構成され、前記予備溶接部分と前記溶接開始点との間でビード領域が連続しないようになっていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記予備溶接部分の長さは、前記溶接開始点から前記溶接終了点までの長さの半分であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
前記レーザ照射部は、前記溶接用レーザとしてディフォーカスレーザを更に備えており、前記レーザ照射部は、前記予備溶接部分を前記ディフォーカスレーザで照射するように構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記溶接材料の溶接箇所が複数あり、且つ１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点とが近接している場合、前記レーザ照射制御部には、前記予備溶接部分として１つ前の溶接箇所が設定されており、
前記レーザ照射部は、１つ前の溶接が終了した後に、前記次の溶接開始点から溶接を開始し、前記１つ前の溶接を予備溶接として利用するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記溶接材料の溶接箇所が複数ある場合、前記レーザ照射制御部には、前記１つ前の溶接の溶接終了点と次の溶接開始点との間が前記予備溶接部分として設定されており、
前記レーザ照射部は、前記１つ前の溶接の溶接終了点と前記次の溶接開始点との間で予備溶接を行うように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１３０９３９（Ｐ２０１２−１３０９３９Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４８１８（Ｐ２０１０−２８４８１８）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００００２０８２）スズキ株式会社 (3,196)
【Ｆターム（参考）】
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