JP2020082148A - 溶接検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光を用いて溶接された２つの導体の溶接状態をより高い精度で推定可能な溶接検査装置を提供する。【解決手段】溶接検査装置は、レーザ光の照射時に導体から放出されるプラズマ光の強度波形を取得し、取得したプラズマ光の強度波形からレーザ光の照射による導体の溶融量を表わす特徴値を抽出する。また、接合された２つの導体の両端部に形成される溶接ビードの位置ずれ量を取得する。そして、抽出した特徴値と取得した位置ずれ量とに基づいて２つの導体の合わせ面における溶融断面積を推定する。【選択図】図６

Description

本発明は、溶接検査装置に関する。

従来より、一対のワークを突き合わせて溶接したときの溶接状態の良否を、溶接方向に直交する断面におけるビードの幅に基づいて判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この判定手法では、まず、突き合わせ溶接した一対のワークの溶接部の断面プロファイルを光切断法により測定する。続いて、一対のワークの上底面とビードの表面の断面形状に関する座標データから有効ビード幅を算出する。そして、有効ビード幅に基づいてビードの溶込み等の溶接状態を判定する。

特開平１０−２９６４８１号公報

しかしながら、ビード幅だけでは接合された２つのワークの溶接部の溶融断面積を推定することは困難であり、従来の判定手法では、溶接状態の良否を十分な精度で判定することができない。

本発明の溶接検査装置は、レーザ光を用いて溶接された２つの導体の溶接状態をより高い精度で推定可能な溶接検査装置を提供することを主目的とする。

本発明の溶接検査装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の溶接検査装置は、
２つの導体の端部同士を合わせレーザ光を照射して溶接により接合したときの接合部の溶接状態を検査する溶接検査装置であって、
前記レーザ光の照射時に前記導体から放出されるプラズマ光の強度波形を取得するプラズマ光取得部と、
前記取得されたプラズマ光の強度波形からレーザ光の照射による導体の溶融量を表わす特徴値を抽出する特徴値抽出部と、
前記接合された２つの導体の両端部に形成される溶接ビードの位置ずれ量を取得する位置ずれ量取得部と、
前記抽出された特徴値と前記取得された位置ずれ量とに基づいて前記２つの導体の合わせ面における溶融断面積を推定する溶融断面積推定部と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の溶接検査装置では、レーザ光の照射時に導体から放出されるプラズマ光の強度波形を取得し、取得したプラズマ光の強度波形からレーザ光の照射による導体の溶融量を表わす特徴値を抽出する。また、接合された２つの導体の両端部に形成される溶接ビードの位置ずれ量を取得する。そして、抽出した特徴値と取得した位置ずれ量とに基づいて２つの導体の合わせ面における溶融断面積を推定する。導体の溶融量は導体に対するレーザ光の吸収率が高いほど多くなり、プラズマ光の強度はレーザ光の吸収率が高いほど大きくなる。このため、プラズマ光の強度波形は、レーザ光の照射による導体の溶融量と高い相関を有する。溶融断面積は、導体の溶融量が多いほど、且つ、溶接ビードの位置ずれが少ないほど大きい傾向を示すため、プラズマ光の強度波形から抽出した特徴値と溶接ビードの位置ずれ量とに基づいて溶融断面積をより正確に推定することができる。この結果、レーザ光を用いて溶接された２つの導体の溶接状態をより高い精度で推定可能な溶接検査装置とすることができる。

こうした本発明の溶接検査装置において、前記２つの導体の一方の端部にレーザ光を照射して当該一方の端部に溶融池を形成する第１照射工程と、レーザ光を前記２つの導体の合わせ面に沿って移動させる第２照射工程とを有するものとし、前記特徴値は、前記第１照射工程中に測定されたプラズマ光の強度波形から抽出される第１特徴値と、前記第２照射工程中に測定されたプラズマ光の強度波形から抽出される第２特徴値とを含むものとしてもよい。この場合、前記第１特徴値は、前記第１照射工程中に測定されたプラズマ光の強度の積算値を含み、前記第２特徴値は、前記第２照射工程中に測定されたプラズマ光の強度の積算値と標準偏差と最小値とを含むものとしてもよい。

また、本発明の溶接検査装置において、前記位置ずれ量取得部は、前記位置ずれ量として、前記２つの導体の端部同士の合わせ面に対する該合わせ面に直交する方向の前記溶接ビードの位置ずれ量と、前記２つの導体のうち一方の端部の端面と他方の端部の端面との段差量とを取得するものとしてもよい。

電動機用のステータの正面図である。 ステータコイルの組み付け手順を示す説明図である。 レーザ溶接機２０の構成の概略を示す構成図である。 レーザ溶接の工程を示す説明図である。 溶接検査装置の構成の概略を示す構成図である。 溶融断面積推定処理の一例を示すフローチャートである。 レーザ溶接時においてロガー３４により記録されるプラズマ光の強度波形（電圧波形）の一例を示す説明図である。 溶接ビードの径ずれおよびセグメント導体の段差ずれを説明する説明図である。 溶融量が溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。 溶接ビードの径ずれが溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。 セグメント導体の段差ずれが溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、電動機用のステータ１０の正面図である。電動機用のステータ１０は、ロータと組み合わされて３相交流発電電動機を構成し、例えば電気自動車やハイブリッド自動車などの走行用の電動機や発電機として用いられる。ステータ１０は、図１に示すように、内周側に周方向に等間隔で形成された複数のスロットを有するステータコア１２と、それぞれ複数のセグメント導体１４により構成される複数のステータコイル１５と、を備える。なお、ステータコア１２は、無方向性電磁鋼板を打ち抜いて形成されたステータプレートを複数積層することにより構成され、内周側に複数のスロットが形成されるように径方向内側に突出する複数のティースを有する。

セグメント導体１４は、当該セグメント導体１４の素材として平角導体が略Ｕ字状に曲げ成形されたものである。平角導体は、銅などの導電性の高い金属により断面が矩形状に形成され、その表面がステータコア１２との絶縁性を確保するためにエナメル樹脂などの絶縁性皮膜によって被覆されたものである。セグメント導体１４の端部１４ｅは、他のセグメント導体１４の端部１４ｅと接合されるため、絶縁性皮膜が除去される。

図２は、ステータコイルの組み付け手順を示す説明図である。ステータコイルの組み付けは以下のようにして行なわれる。ステータコイルの組み付けは、まず、図２（ａ），（ｂ）に示すように、セグメント導体１４の一方の端部１４ｅをステータコア１２の対応するスロットに軸方向における一端側から他端側に向かって挿通させると共に他方の端部１４ｅを当該スロットから周方向に離間した他のスロットに軸方向における一端側から他端側に向かって挿通させる。セグメント導体１４の端部１４ｅは、ステータコア１２のスロットの軸方向における他端側から外部へ突出される。すべてのセグメント導体１４をステータコア１２に組み付けた後、図２（ｃ）に示すように、セグメント導体１４の端部１４ｅにおける長手側（フラットワイズ側）の側面と対応する他のセグメント導体１４の端部１４ｅにおける長手側の側面とが突き合わされるように、各セグメント導体１４のスロットから突出した部分を図示しない曲げ成形機を用いて曲げ成形する。そして、図２（ｄ）に示すように、セグメント導体１４の端部１４ｅと対応する他のセグメント導体１４の端部１４ｅとの合わせ面をレーザ溶接機２０を用いて溶接する。これにより、複数のステータコイル１５、すなわちＵ相コイル，Ｖ相コイルおよびＷ相コイルが形成される。

図３は、レーザ溶接機２０の構成の概略を示す構成図である。レーザ溶接機２０は、図示するように、レーザ発振器２２と、光学系（集光レンズ）を内蔵するレーザヘッド３０と、レーザヘッド３０を移動させる図示しない移動装置と、を備える。レーザ溶接は、本実施例では、図４（ａ）に示すように、接合しようとする２つのセグメント導体１４の端部１４ｅのうち一方の端部１４ｅにのみレーザ光を照射して溶融池を形成し（溶融池形成工程）、その後、図４（ｂ）に示すように、端部１４ｅ同士の合わせ面に沿ってレーザ光を移動させる（合わせ面移動工程）ことにより行なわれる。

また、レーザ溶接機２０は、分光器３２とロガー３４も備える。分光器３２は、接合しようとするセグメント導体１４の端部１４ｅがレーザ光の照射により溶融する際に放出される光をレーザヘッド３０に内蔵する光学系を介して受光し、受光した光のうち所定の波長範囲内の光（プラズマ光）の強度を測定するものである。ロガー３４は、分光器３２により計測されたプラズマ光の強度（電圧）を記録する。

レーザ溶接機２０により接合された２つのセグメント導体１４の接合状態は、溶接検査装置によって検査される。図５は、本発明の一実施例としての溶接検査装置の構成の概略を示す構成図である。実施例の溶接検査装置は、図示するように、上述したロガー３４と、カメラ５２と、距離センサ５４と、コンピュータ５０と、を備える。コンピュータ５０は、ＣＰＵやＲＯＭ，ＲＡＭ，ＨＤＤ（またはＳＳＤ）を含む汎用のコンピュータである。コンピュータ５０には、ロガー３４やカメラ５２、距離センサ５４、キーボードやマウスなどの入力装置、液晶ディスプレイなどの出力装置などが接続されている。カメラ５２は、接合した２つのセグメント導体１４の両端部１４ｅに形成される溶接ビードを撮像するためのものである。距離センサ５４は、接合した２つのセグメント導体１４の各端部１４ｅにおける端面（レーザ光照射側）の高さを計測するためのものである。なお、距離センサ５４は、接触式のセンサを用いてもよいし、レーザセンサなどの非接触式のセンサを用いてもよい。

次に、こうして構成された実施例の溶接検査装置の動作について説明する。特に、接合した２つのセグメント導体１４の端部１４ｅ同士の合わせ面における溶融断面積を推定する動作について説明する。図６は、コンピュータ５０により実行される溶融断面積推定処理の一例を示すフローチャートである。

溶融断面積推定処理が実行されると、コンピュータ５０は、まず、ロガー３４からプラズマ光の強度波形を取得し（ステップＳ１００）、取得した強度波形から特徴値を抽出する（ステップＳ１１０）。図７は、レーザ溶接時においてロガー３４により記録されるプラズマ光の強度波形（電圧波形）の一例を示す説明図である。上述したように、レーザ溶接工程は、溶融池形成工程と合わせ面移動工程とを有する。特徴値は、溶融地形成工程において計測されたプラズマ光強度（電圧Ｖ１）の波形から抽出される第１特徴値と、合わせ面移動工程において計測されたプラズマ光強度（電圧Ｖ２）の波形から抽出される第２特徴値とを含む。第１特徴値は、電圧積算値ΣＶ１を含む。電圧積算値ΣＶ１は、溶融池形成工程の開始から終了までの電圧Ｖ１の積算値である。溶融池形成工程では、レーザ光の照射によって溶融池が成長するにつれてレーザ光の吸収率が高まり、放出されるプラズマ光の強度が高くなる。このため、第１特徴値は、溶融池形成工程において形成される溶融池の大きさを推定するパラメータと言える。第２特徴値は、開始時電圧Ｖ２ｓｔｒと、電圧最大値Ｖ２ｍａｘと、電圧最小値Ｖ２ｍｉｎと、電圧積算値ΣＶ２と、電圧平均値Ｖ２ａｖｅと、電圧標準偏差Ｖ２σと、終了時電圧Ｖ２ｅｎｄとを含む。開始時電圧Ｖ２ｓｔｒは、合わせ面移動工程の開始時の電圧Ｖ２である。電圧最大値Ｖ２ｍａｘは、合わせ面移動工程の開始から終了までに計測された電圧Ｖ２の最大値であり、電圧最小値Ｖ２ｍｉｎは、その電圧Ｖ２の最小値である。電圧平均値Ｖ２ａｖｅは、合わせ面移動工程の開始から終了までに計測された電圧Ｖ２の平均値であり、電圧標準偏差Ｖ２σは、その電圧Ｖ２の標準偏差である。終了時電圧Ｖ２ｅｎｄは、合わせ面移動工程の終了時の電圧Ｖ２である。電圧積算値ΣＶ２は、電圧最小値Ｖ２ｍｉｎに合わせ面移動工程の実行時間を乗じたものである。電圧積算値ΣＶ２を合わせ面形成工程の開始から終了までの電圧Ｖ２の積算値としないのは、スパッタの発生による溶融量の減少分を考慮したためである。すなわち、スパッタの発生は２つのセグメント導体１４の接合に寄与しない一方でプラズマ光の放出を伴うことから、電圧積算値ΣＶ２の抽出は、レーザ照射時に計測されるプラズマ光強度（電圧Ｖ２）の積算値から余剰分を差し引いて行なうものとした。なお、電圧積算値ΣＶ２は、電圧平均値Ｖ２ａｖｅに合わせ面移動工程の実行時間を乗じたものでもよい。合わせ面移動工程では、接合する２つのセグメント導体１４の端部１４ｅ同士の合わせ面にレーザ光が直接照射されるため、第２特徴値は、合わせ面の溶融断面積に直接影響するパラメータと言える。

次に、接合した２つのセグメント導体１４の端部１４ｅ同士の合わせ面に対してその合わせ面と直交する方向における溶接ビードの位置ずれ量（径ずれ量δ１）を測定する（ステップＳ１３０）。径ずれ量δ１の測定は、接合した２つのセグメント導体１４の接合部をカメラ５２で撮像し、得られた撮像画像に基づいて溶接ビードＢと合わせ面Ｓとを認識して溶接ビードＢの中心点と合わせ面Ｓとの距離を算出することにより行なわれる（図８（ａ）参照）。

続いて、接合した２つのセグメント導体１４のうち一方の端部１４ｅの端面と他方の端部１４ｅの端面との間の段差量（段差ずれ量δ２）を測定する（ステップＳ１４０）。段差ずれ量δ２の測定は、接合した２つのセグメント導体１４のうち一方の端部１４ｅの端面の高さと他方の端部１４ｅの端面の高さとをそれぞれ距離センサ５４を用いて検出し、検出したそれぞれの高さの差分をとることにより行なわれる（図８（ｂ）参照）。

こうしてプラズマ光の強度波形の特徴値（第１特徴値および第２特徴値）と径ずれ量δ１と段差ずれ量δ２とを測定すると、これらの測定値から次式（１）を用いて溶融断面積Ａを算出して（ステップＳ１４０）、溶融断面積推定処理を終了する。ここで、式（１）中ｋ１〜ｋ１０は、係数であり、ａは定数である。係数ｋ１〜ｋ１０は、値が大きいほど、溶融断面積Ａに大きな影響を及ぼすことを示す。本実施例では、電圧積算値ΣＶ１の係数ｋ１，電圧積算値ΣＶ２の係数ｋ３および電圧標準偏差Ｖ２σの係数ｋ７には、比較的大きな値が定められ、開始時電圧Ｖ２ｓｔｒの係数ｋ２，電圧最大値Ｖ２ｍａｘの係数ｋ４および終了時電圧Ｖ２ｅｎｄの係数ｋ８には、比較的小さな値が定められる。係数ｋ１〜ｋ１０および定数ａは、上述したレーザ溶接を実行し、測定されたプラズマ光の強度波形からの特徴値を抽出すると共に径ずれ量δ１および段差ずれ量δ２を測定した上で、接合した２つのセグメント導体１４の接合部を破壊して溶融断面積を実測し、これらの測定値を用いて重回帰分析を行なうことにより求めるものとした。ここで、上述した特徴値のうち溶融断面積Ａに与える影響が小さいものについては、省略されてもよい。例えば、開始時電圧Ｖ２ｓｔｒ，電圧最大値Ｖ２ｍａｘおよび終了時電圧Ｖ２ｅｎｄは、溶融断面積Ａに与える影響が小さいため、省略されてもよい。

A=k1×ΣV1+k2×V2str+k3×ΣV2+k4×V2max+k5×V2min+k6×V2ave
+k7×V2σ+k8×V2end+k9×δ1+k10×δ2+a …（１）

図９は、導体の溶融量が溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。図９（ａ）は導体の溶融量が最も少ない状態を示し、図９（ｃ）は導体の溶融量が最も多い状態を示す。図１０は、溶接ビードの径ずれが溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。図１０（ａ）は、溶接ビードの中心が合わせ面Ｓに対してその直交方向における一方側にずれている状態を示し、図１０（ｃ）は、溶接ビードの中心が合わせ面Ｓに対してその直交方向における他方側にずれている状態を示す。図１１は、セグメント導体の段差ずれが溶融断面積に与える影響を説明する説明図である。図１１（ａ）は、段差ずれが最も多い状態を示し、図１１（ｃ）は、段差ずれが最も少ない状態を示す。図示するように、セグメント導体１４の溶融量が多いほど、溶接ビードＢの径ずれ量δ１が少ないほど、接合した両端部１４ｅの段差ずれ量δ２が少ないほどそれぞれ溶融断面積Ａが大きくなる傾向を示すことがわかる。このように、溶融量（特徴値）と径ずれ量δ１と段差ずれ量δ２は、溶融断面積Ａと高い相関を有するため、これらに基づいて溶融断面積Ａをより正確に推定することができる。すなわち、溶接状態の良否をより正確に推定することができる。

以上説明した本実施例の溶接検査装置では、レーザ光の照射時に導体から放出されるプラズマ光の強度波形を測定し、測定したプラズマ光の強度波形からレーザ光の照射によるセグメント導体１４の溶融量を表わす特徴値（第１特徴値および第２特徴値）を抽出する。また、接合された２つのセグメント導体１４の両端部１４ｅに形成される溶接ビードＢの位置ずれ量（径ずれ量δ１，段差ずれ量δ２）を測定する。そして、抽出した特徴値と測定した位置ずれ量とに基づいて２つのセグメント導体１４の合わせ面Ｓにおける溶融断面積Ａを推定する。セグメント導体１４の溶融量はセグメント導体１４に対するレーザ光の吸収率が高いほど多くなり、プラズマ光の強度はレーザ光の吸収率が高いほど大きくなる。このため、プラズマ光の強度波形は、レーザ光の照射によるセグメント導体１４の溶融量と高い相関を有する。溶融断面積Ａは、セグメント導体１４の溶融量が多いほど、且つ、溶接ビードＢの位置ずれが少ないほど大きくなるから、プラズマ光の強度波形から抽出した特徴値と溶接ビードの位置ずれ量とに基づいて溶融断面積Ａをより正確に推定することができる。この結果、レーザ光を用いて溶接された２つのセグメント導体１４の溶接状態をより高い精度で推定可能な溶接検査装置とすることができる。

実施例では、溶接検査装置の形態として説明したが、溶接検査方法の形態としてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、セグメント導体１４が「導体」に相当し、分光器３２とロガー３４と溶融断面積推定処理のステップＳ１００を実行するコンピュータ５０とが「プラズマ光取得部」に相当し、溶融断面積推定処理のステップＳ１１０を実行するコンピュータ５０が「特徴値抽出部」に相当し、カメラ５２と距離センサ５４と溶融断面積推定処理のステップＳ１２０，Ｓ１３０を実行するコンピュータ５０とが「位置ずれ量取得部」に相当し、溶融断面積推定処理のステップＳ１４０を実行するコンピュータ５０が「溶融断面積推定部」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、溶接検査装置の製造産業に利用可能である。

１０ 電動機用のステータ、１２ ステータコア、１４ セグメント導体、１４ｅ 端部、１５ ステータコイル、２０ レーザ溶接機、２２ レーザ発振器、２４ レーザヘッド、３２ 分光器、３４ ロガー、５０ コンピュータ、５２ カメラ、５４ 距離センサ、Ｂ 溶接ビード、Ｓ 合わせ面。

Claims (1)

1. ２つの導体の端部同士を合わせレーザ光を照射して溶接により接合したときの接合部の溶接状態を検査する溶接検査装置であって、
   前記レーザ光の照射時に前記導体から放出されるプラズマ光の強度波形を取得するプラズマ光取得部と、
   前記取得されたプラズマ光の強度波形からレーザ光の照射による導体の溶融量を表わす特徴値を抽出する特徴値抽出部と、
   前記接合された２つの導体の両端部に形成される溶接ビードの位置ずれ量を取得する位置ずれ量取得部と、
   前記抽出された特徴値と前記取得された位置ずれ量とに基づいて前記２つの導体の合わせ面における溶融断面積を推定する溶融断面積推定部と、
   を備える溶接検査装置。