JP2007098442A - レーザ接合品質検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来のレーザ接合品質検査装置では、反射光の強度が所定の範囲内に入っているか否かで接合状態の良否判定を行っていたので、反射光の検出値にノイズが乗ったときに、本来ＯＫ品となるものがＮＧ品として誤判定されてしまうことがあった。
【解決手段】溶接物３と被溶接物２とのレーザ照射による接合部の品質を検査するレーザ接合品質検査装置１であって、接合部からの反射光を検出して反射光の時間積分強度を演算する反射光強度演算手段と、接合部からのプラズマ光を検出してプラズマ光の時間積分強度を演算するプラズマ光強度演算手段と、接合部からの赤外光を検出して赤外光の時間積分強度を演算する赤外光強度演算手段と、反射光、プラズマ光、および赤外光の時間積分強度を変数として判別分析を行い、各時間積分強度を検出した接合部の接合品質の良否判定を、判別分析の結果に基づいて行う、接合品質判定手段である演算装置１６とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、接合物と被接合物とをレーザ照射により接合する際の、接合物と被接合物との接合部の接合品質を検査するレーザ接合品質検査装置に関する。

接合物と被接合物とをレーザ照射により接合して、その接合状態等といった接合部品質の確認を行う場合、例えば、接合部の表面にレーザを照射して、照射したレーザの反射光に基づいて接合部品質を確認することが行われる。
具体的には、例えば、特許文献１に示すように、判定装置にて、受光した接合部からの反射光の強度を測定し、測定した強度と予め設けたしきい値とを比較して接合状態の良否を判定することが行われる。
また、図１８に示すように、測定した反射光の強度が、予め設定された下限値から上限値の範囲内に入っているか否かで接合状態の良否判定が行われる。
特開平５−３３５７３５号公報

前述のように、測定した反射光の強度が所定の範囲内に入っているか否かで接合状態の良否判定を行った場合、図１９に示すように、反射光の検出値にノイズが乗ったときに、ノイズピークが設定された上限値を超えてしまい、本来であればＯＫ品となるものがＮＧ品として誤判定されてしまうことがある。
特に、連続的な溶接を行っているときにノイズが乗った場合とは異なり、微少時間（数十ｍｓｅｃオーダー）で行われるスポット的な溶接を行っているときにノイズが乗った場合は、ノイズピークが全体のレーザ照射時間に対して無視できるものではなく、誤判定の原因となってしまう。
そこで、本発明においては、接合品質の誤判定を抑制し、良否判定を正確に行うことができるレーザ接合品質検査装置を提供するものである。

上記課題を解決するレーザ接合品質検査装置は、以下の特徴を有する。
即ち、請求項１記載の如く、レーザ接合品質検査装置は、接合物と被接合物とをレーザ照射により接合する際の、接合物と被接合物との接合部の接合品質を検査するレーザ接合品質検査装置であって、前記接合部に照射したレーザの反射光を検出して、該反射光の時間積分強度を演算する反射光強度演算手段と、前記接合部に生成するプラズマのプラズマ光を検出して、該プラズマ光の時間積分強度を演算するプラズマ光強度演算手段と、
前記接合部から放射される赤外光を検出して、該赤外光の時間積分強度を演算する赤外光強度演算手段と、演算された反射光の時間積分強度、プラズマ光の時間積分強度、および赤外光の時間積分強度をそれぞれ変数として用いて判別分析を行い、前記各時間積分強度を検出した接合部の接合品質の良否判定を、前記判別分析の結果に基づいて行う、接合品質判定手段とを有する。
これにより、反射光の時間積分強度、プラズマ光の時間積分強度、および赤外光の時間積分強度といった、異なる３種類の時間積分強度を、それぞれ変数として用いて判別分析を行うことができ、該反射光、プラズマ光、および赤外光の時間積分強度を検出した接合部の接合品質の良否判定を誤判定なく正確に行うことができて、信頼性の高いレーザ接合品質検査装置を構成することが可能となる。

また、請求項２記載の如く、前記プラズマ光強度演算手段は、レーザが照射された前記接合部からの戻り光を分光して取り出した第１分光からプラズマ光を検出して、該プラズマ光の時間積分強度を演算し、前記赤外光強度演算手段は、第１分光を取り出した後の戻り光をさらに分光して取り出した第２分光から赤外光を検出して、該赤外光の時間積分強度を演算し、前記反射光強度演算手段は、第２分光を取り出した後に残った戻り光から反射光を検出して、該反射光の時間積分強度を演算する。
これにより、最も強度が弱いプラズマ光成分を、最初に分光した第１分光から取り出し、最も強度が強い反射光成分を、第１分光および第２分光を取り出した後の残りの戻り光から取り出すこととなるので、反射光のみならず、最も強度が弱いプラズマ光や、次に強度が弱い赤外光をも確実に検出することが可能となる。

本発明によれば、接合物と被接合物とをレーザ照射により接合した接合部の接合品質の良否判定を、誤判定なく正確に行うことができて、信頼性の高いレーザ接合品質検査装置を構成することが可能となる。

次に、本発明を実施するための形態を、添付の図面を用いて説明する。

図１に示すように、本発明にかかるレーザ接合品質検査装置１は、被接合物である被溶接物３と接合される、接合物である溶接物２にレーザ光を照射する照射ノズル１１と、該照射ノズル１１の上部から水平方向に延出する導光路１２と、該導光路１２に導かれたプラズマ光を検出するプラズマ光センサ１３と、前記導光路１２に導かれた赤外光を検出する温度センサ１４と、前記導光路１２に導かれた反射光を検出する反射光センサ１５とを備えている。

また、照射ノズル１１内には、ハーフミラーにて構成される折り返しレンズ２１が設けられており、該折り返しレンズ２１により、レーザが照射された溶接物２と被溶接物３との接合部からの戻り光５を、前記導光路１２へ案内している。
前記導光路１２内には、第１分光レンズ２２および第２分光レンズ２３が設けられており、導光路１２へ案内された戻り光５は、まず第１分光レンズ２２にて分光され、さらに第２分光レンズ２３にて分光される。

戻り光５を第１分光レンズ２２にて分光して、取り出した第１分光５ａは、前記プラズマ光センサ１３にて検出され、第２分光レンズ２３にて分光して取り出した第２分光５ｂは、前記温度センサ１４にて検出され、第２分光レンズ２３にて分光して第２分光５ｂが取り出された後の残り光５ｃは、前記反射光センサ１５にて検出される。

プラズマ光センサ１３には、プラズマ光のみが通過可能なプラズマ光フィルタ１３ａが付設されており、該プラズマ光センサ１３においては、第１分光５ａのうちプラズマ光フィルタ１３ａを通過したプラズマ光成分のみが検出される。
また、温度センサ１４には、赤外光のみが通過可能な赤外光フィルタ１４ａが付設されており、該温度センサ１４においては、第２分光５ｂのうち赤外光フィルタ１４ａを通過した赤外光成分のみが検出される。
さらに、反射光センサ１５には、反射光のみが通過可能な反射光フィルタ１５ａが付設されており、該反射光センサ１５においては、残り光５ｃのうち反射光フィルタ１５ａを通過した反射光成分のみが検出される。

図２に示すように、戻り光５に含まれるプラズマ光成分、赤外光成分、および反射光成分は、それぞれ検出される波長帯が異なるため、前記プラズマ光フィルタ１３ａ、赤外光フィルタ１４ａ、および反射光フィルタ１５ａを用いることで、前記各成分を個別に検出することが可能となっている。

プラズマ光センサ１３にて検出されたプラズマ光成分、温度センサ１４にて検出された赤外光成分、および反射光センサ１５にて検出された反射光成分は、それぞれ演算装置１６へ入力されて演算処理され、接合部の良否判断が行われる。

ここで、プラズマ光成分は、戻り光５を分光して取り出した第１分光５ａから検出し、
赤外光成分は、第１分光５ａを取り出した後の戻り光５をさらに分光して取り出した第２分光５ｂから検出し、反射光成分は、第２分光５ｂを取り出した後の残り光５ｃから検出しているが、これは以下の理由による。

つまり、戻り光５に含まれる各成分は光の強度が互いに異なり、プラズマ光＜赤外光＜反射光、の順に強度が強くなっている。
一方、図３に示すように、各成分を取り出すために分光すると、分光するにつれて戻り光５が減衰し、該戻り光５の強度が弱くなる。
従って、最も強度が弱いプラズマ光成分を、最初に分光した第１分光５ａから取り出し、最も強度が強い反射光成分を、第１分光５ａおよび第２分光５ｂを取り出した後の残り光５ｃから取り出して、強度が弱いプラズマ光を確実に検出するようにしている。

また、図４に示すようなパルス形状のレーザ光が照射ノズル１１から照射された場合、プラズマ光センサ１３にて検出されたプラズマ光の波形は、例えば図５に示すような形状となり、温度センサ１４にて検出された赤外光の波形は、例えば図６に示すような形状となり、反射光センサ１５にて検出された反射光の波形は、例えば図７に示すような形状となる。

そして、前記演算装置１６においては、前述のように検出されたプラズマ光成分、赤外光成分、および反射光成分の強度値をそれぞれ積分し、積分して得られたプラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度に基づいて接合部の良否判断を行うようにしている。
なお、例えば、反射光の時間積分強度は、図７における斜線部の面積にて表わされる。

また、本例においては、記接合部に照射したレーザの戻り光５から反射光を検出して、該反射光の時間積分強度を演算する反射光強度演算手段は、反射光センサ１５および演算装置１６にて構成され、該戻り光５からプラズマ光を検出して、該プラズマ光の時間積分強度を演算するプラズマ光強度演算手段は、プラズマ光センサ１３および演算装置１６にて構成され、前記戻り光５から放射される赤外光を検出して、該赤外光の時間積分強度を演算する赤外光強度演算手段は、赤外光センサ１４および演算装置１６にて構成されている。

このように、溶接物３と被溶接物２との接合部の良否判断に、各光の時間積分強度の値を用いることにより、各光の波形にノイズ成分がスポット的に乗った場合でも、そのノイズ成分が接合部の良否判断に影響を与えることは殆どなくなる。
つまり、図８に示すように、例えばノイズが乗っていない反射光の検出波形（図８における左の図）と、ノイズが乗った反射光の検出波形（図８における右の図）とを比較した場合、時間積分強度を表わす斜線部の面積は殆ど変わらないため、時間積分強度値に基づいて接合部の良否判断を行っても、ノイズによる影響を殆ど受けることがない。

演算装置１６による、時間積分強度に基づく接合部の良否判断は、具体的には判別分析により行われる。
判別分析とは、いくつかの変数に基づいて、各データがどの群に所属するかを判定することを目的とするものであり、一般的に用いられている手法である。
本発明では、この判別分析を用いて接合部の良否判断を行うものであり、プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度をそれぞれ変数として、いくつかの検出データを取得し、取得した各検出データが、良品の群と不良品の群との２群のうち、何れの群に属するかの判定を行うものである。

判別分析を行う手順としては、まず、プラズマ光、赤外光、および反射光の時間積分強度の検出データを、それぞれ取得する。
検出データ取得後、各群の前記検出データの分散が等しいか否かといった、等分散性の検定を行う。
次に判別関数を求める。この場合、前述の等分散性の検定により、分散性が等しいと判定された場合は、線形判別により判別関数を求め、分散性が等しくないと判定された場合は、２群２次判別により判別関数を求める。

そして、求めた判別関数により、２つの群（良品の群と不良品の群）の境界を決定する。また、各群の分散をマハラノビスの汎距離を用いて数値化し、数値化した各群の分散、および前記境界をグラフ上に表わす。
図９に、グラフ上に表わされた分散および境界Ｂを示す。
図９に示したグラフ上では、境界Ｂの右側に位置している検出データを良品と判別し、境界Ｂの左側に位置している検出データを不良品と判別する。

この場合、実際に接合部が良品状態にある検出データは、全て境界Ｂの右側に位置しているとともに、実際に接合部が不良品状態にある検出データは、全て境界Ｂの左側に位置しており、誤判定なく正確な良否判定が行われていることがわかる。

このように、プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度といった３種類のデータを変数として用いて判別分析を行うことで、誤判定のない正確な良否判定を行うことが可能となっている。

これに対し、図１０に示すように、プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度のうち、何れか１種類のみを用いて判別分析を行った場合には（図１０にはプラズマ光のみを用いた場合を示している）、境界Ｂの右側に良品だけでなく不良品が多く混入しているとともに、境界Ｂの左側に不良品だけでなく良品が多く混入しており、多くの誤判定が存在していて、正確な良否判定を行うことができない。

また、図１１に示すように、プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度のうち、何れか２種類を用いて判別分析を行った場合には（図１１にはプラズマ光および反射光を用いた場合を示している）、図１０に示した１種類の検出データのみを用いた場合に比べると誤判定の頻度は少ないが、まだ境界Ｂの右側に良品だけでなく不良品が混入しているとともに、境界Ｂの左側に不良品だけでなく良品が混入しており、誤判定が存在していて正確な良否判定を行っているとはいえない。

以上の如く、接合品質判定手段となる演算装置１６にて、反射光の時間積分強度、プラズマ光の時間積分強度、および赤外光の時間積分強度といった、異なる３種類の時間積分強度を、それぞれ変数として用いて判別分析を行うことで、該反射光、プラズマ光、および赤外光の時間積分強度を検出した接合部の接合品質の良否判定を、誤判定なく正確に行うことができ、信頼性の高いレーザ接合品質検査装置を構成することが可能となる。

なお、判別分析に用いる変数の種類は、本例のような３種類に限るものではなく、もっと多くの種類の変数を用いることもできる。例えば、図４に示したレーザ出力を４種類目の変数として加えて判別分析を行うことも可能である。
このように、変数の種類を増加させて判別分析を行うことで、良否判定の正確さをさらに向上させることができる。

また、本例のように、照射ノズル１１に導光路１２や第１・第２分光レンズ２３を設けた構成では、３種類の光出力を検出することが容易であるが、図１２に示すように、導光路１２を設けずに照射ノズル１１のみで光出力を検出しようとすると、そのままでは複数種類の光出力を検出することが困難となる。
しかし、照射ノズル１１を次のように加工することで、導光路１２を設けなくとも複数種類の光出力を検出することが可能となる。

まず、図１３に示すように、照射ノズル１１の先端部１１ａにおける一部を、光を透過する部材にて構成した光透過部１１ｂ・１１ｂに構成することで、接合部からの戻り光５を、この光透過部１１ｂ・１１ｂから外部へ取り出して検出することができる。これにより、複数種類の光出力を検出することが可能となる。
光透過部１１ｂは、例えばＰＭＭＡ等の透明樹脂部材にて構成することができ、先端部１１ａの複数箇所に形成することができる。

また、図１４に示すように、照射ノズル１１の先端部１１ａにおいて、側壁の一部を切り欠いて、先端部１１ａの断面形状が略「Ｃ」字状となるような切り欠き部１１ｃを形成することで、その切り欠き部１１ｃから、接合部からの戻り光５を外部へ取り出すことが可能となる。これにより、複数種類の光出力を検出することが可能となる。

また、図１５に示すように、照射ノズル１１の先端部１１ａにおいて、側壁に開口部１１ｄ・１１ｄを開口して、該開口部１１ｄ・１１ｄから、接合部からの戻り光５を外部へ取り出すようにすることもできる。これにより、複数種類の光出力を検出することが可能となる。開口部１１ｄは、先端部１１ａの複数箇所に形成することが可能である。

また、図１６に示すように、照射ノズル１１の先端部１１ａの内部に、光出力を検出するための検出センサ１９を埋め込んでおくことで、接合部からの戻り光５から複数種類の光出力を検出することが可能となる。検出センサ１９は、先端部１１ａの複数箇所に埋め込んでおくことが可能である。

また、前述のように、本レーザ接合品質検査装置１では、検出されたプラズマ光成分、赤外光成分、および反射光成分の強度値から、それぞれプラズマ光、赤外光、および反射光の時間積分強度を求め、これらの時間積分強度に基づいて接合部の良否判断を行うことで誤判定の発生を抑制しているが、次のように構成することでも誤判定を抑制することができる。
例えば、図１７に示すように、検出した反射光強度値に乗っているノイズピークを、フィルタを用いてカットし、ノイズピークをカットした後に接合品質の判定を行うようにすることで、誤判定が生じることを抑えることができる。

本発明にかかるレーザ接合品質検査装置を示す概略図である。 プラズマ光、赤外光、および反射光の発光ピークを示す図である。 接合部からの戻り光が分光により減衰していく様子を示す図である。 レーザ出力のパルス形状を示す図である。 検出したプラズマ光強度の波形を示す図である。 検出した赤外光強度の波形を示す図である。 検出した反射光強度の波形を示す図である。 ノイズが乗っていない状態の反射光の時間積分強度と、ノイズが乗った状態の反射光の時間積分強度とを比較した図である。 プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度の３種類を用いて判別分析を行った場合の判別結果を示す図である。 プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度のうち、何れか１種類のみを用いて判別分析を行った場合の判別結果を示す図である。 プラズマ光の時間積分強度、赤外光の時間積分強度、および反射光の時間積分強度のうち、何れか２種類を用いて判別分析を行った場合の判別結果を示す図である。 照射ノズルのみで光出力を検出しようとした場合に、そのままでは複数種類の光出力を検出することが困難である状況を示す図である。 先端部の一部を、光を透過する部材にて構成した照射ノズルを示す図である。 先端部の側壁の一部を切り欠いた照射ノズルを示す図である。 先端部の側壁に開口部を開口した照射ノズルを示す図である。 先端部の内部に、光出力を検出するための検出センサを埋め込んだ照射ノズルを示す図である。 検出した反射光強度値に乗っているノイズピークを、フィルタを用いてカットする様子を示す図である。 従来の接合部の良否判定方法を示す図である。 従来の接合部の良否判定方法において、反射光の検出値にノイズが乗ったときに誤判定が生じてしまう様子を示す図である。

符号の説明

１ レーザ接合品質検査装置
２ 被溶接物
３ 溶接物
５ 戻り光
５ａ 第１分光
５ｂ 第２分光
５ｃ 残り光
１１ 照射ノズル
１２ 導光路
１３ プラズマ光センサ
１４ 赤外光センサ
１５ 反射光センサ
１６ 演算装置
２２ 第１分光レンズ
２３ 第２分光レンズ

Claims (2)

1. 接合物と被接合物とをレーザ照射により接合する際の、接合物と被接合物との接合部の接合品質を検査するレーザ接合品質検査装置であって、
   前記接合部に照射したレーザの反射光を検出して、該反射光の時間積分強度を演算する反射光強度演算手段と、
   前記接合部に生成するプラズマのプラズマ光を検出して、該プラズマ光の時間積分強度を演算するプラズマ光強度演算手段と、
   前記接合部から放射される赤外光を検出して、該赤外光の時間積分強度を演算する赤外光強度演算手段と、
   演算された反射光の時間積分強度、プラズマ光の時間積分強度、および赤外光の時間積分強度をそれぞれ変数として用いて判別分析を行い、前記各時間積分強度を検出した接合部の接合品質の良否判定を、前記判別分析の結果に基づいて行う、接合品質判定手段とを有する、
   ことを特徴とするレーザ接合品質検査装置。
2. 前記プラズマ光強度演算手段は、レーザが照射された前記接合部からの戻り光を分光して取り出した第１分光からプラズマ光を検出して、該プラズマ光の時間積分強度を演算し、
   前記赤外光強度演算手段は、第１分光を取り出した後の戻り光をさらに分光して取り出した第２分光から赤外光を検出して、該赤外光の時間積分強度を演算し、
   前記反射光強度演算手段は、第２分光を取り出した後に残った戻り光から反射光を検出して、該反射光の時間積分強度を演算する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ接合品質検査装置。