JP4140218B2

JP4140218B2 - レーザー溶接部の検査方法及びその装置

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Publication number: JP4140218B2
Application number: JP2001258658A
Authority: JP
Inventors: 良介三高; 長生 ▲濱▼田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: JP2003065985A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、本発明は被検査物となる２片の金属を重ね合わせ、その一方の面よりレーザーをスポット照射して溶接したレーザー溶接部の溶接不良を、溶接中のモニタリングではなく、溶接後のオフライン検査により検出する方法、特に電子部品リードなどの薄く小さい部材の微細なレーザー溶接部のオフライン検査方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザー溶接部の検査方法としては、特開平５−７１９３２号記載の検査方法のように、スリット状のレーザー光をレーザー溶接部に投影し、当該レーザー光の反射光をレーザー投影方向とは異なる方向からカメラにより観測することによりレーザー溶接部の立体形状を取得する、いわゆる光切断法による立体形状計測を用いた方法がある。
【０００３】
また、赤外線カメラを用いたレーザー溶接部の検査方法としては、特開平５−３４２０４号、特開平８−１２２０５１号、特開昭５２−５９０４６号記載の検査方法のように、レーザー溶接部に加熱を行う過程あるいは加熱後（溶接熱による加熱を含む）の冷却過程において、赤外線カメラによりレーザー溶接部周辺の温度分布を計測することにより溶着部の大きさを測定する方法がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の立体形状計測による検査方法は、フィラーを用いた突き合わせ溶接やすみ肉溶接などのようにレーザー溶接部が大きく盛り上がる溶接方法においては有効であるが、レーザーによるスポット溶接、特に電子部品のリード部分などの微細な溶接においては溶接に伴う形状の変化が極めて微小であるため精度の高い３次元形状計測方法が必要となり、適用が困難である問題があった。
【０００５】
また後者のレーザースポット溶接されたレーザー溶接部に加熱を行う過程あるいは加熱後（溶接熱による加熱を含む）の冷却過程において、温度分布を測定する従来方法においては、レーザー溶接部がある程度の質量（熱容量）を持つ場合には有効な方法であるが、例えば電子部品のリード部分などの極めて薄く質量の小さい部材のレーザー溶接部においては加熱による温度の変化が極めて短時間の間に起こるため、赤外線画像によって正確に温度分布を計測することが困難になる問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、溶接後のオフライン検査により、特に電子部品リードなどの薄く小さい部材の微細なレーザー溶接部の検査を精度良く行うことができ、検査の信頼性を向上させることができると共に、良否判定精度を高めることができるレーザー溶接部の検査方法及びその装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明にあっては、被検査物６となる２片の金属を重ね合わせ、その一方の表面にレーザーをスポット照射して溶接したレーザー溶接部１を溶接後に検査する方法において、溶接後雰囲気温度まで冷却したレーザー溶接部１を赤外線カメラ２で撮像し、得られた赤外線画像における輝度の差を被検査物６表面の赤外線放射率の差を表す指標とみなして溶接部領域３を検出する第１の過程と、上記溶接部領域３の形状、上記溶接部領域３内での赤外線画像の輝度値の分布パターン、上記分布パターンをもとに抽出された特徴量の少なくとも１つをもとに溶接の良否を判定する第２の過程とを有することを特徴としており、このように構成することで、赤外線画像の明るさの差（遠赤外線放射率の差）を利用して、レーザー溶接部１と未溶接部の表面性状の違いを検出することができ、簡易な方法でレーザー溶接部１の溶接状態を検査できるようになる。しかも、溶接中のモニタリングではなく、溶接後のオフライン検査により検出するので、特に電子部品リードなどの薄く小さい部材の微細なレーザー溶接部１の検査を精度良く行うことができる。
【０００８】
また、少なくともレーザー溶接部１の外周部では熱の影響により表面粗さが大きくなり、赤外線放射率が高くなることを利用して、赤外線画像において明るく見える部分を検出し、当該部分の外周輪郭より内側を溶接部領域３として検出するので、加熱を行うことなくレーザー溶接部１を検出できるようになる。
【０００９】
また、検出された溶接部領域３の大きさを基準値と比較することにより溶接の良否を判定するのが好ましく、この場合、簡易な方法で溶接状態の判定ができるようになる。
【００１０】
また、検出された溶接部領域３内部の明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部４があれば良品と判定するのが好ましく、この場合、十分な入熱量が与えられた時は中央部に鏡面状の特徴を生じることを利用して溶接状態の良否を簡易に判定できるようになる。
【００１１】
また、上記赤外線カメラ２により検出された溶接部領域３内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部４があれば良品候補とし、上記良品候補に赤外線を照射し、上記赤外線源５の正反射を捉える方向に第２の赤外線カメラ２ａを配置して観測した時、溶接部領域３中央の輝度が高くなる場合に良品と判定するのが好ましく、この場合、能動的に照射した赤外線光の正反射成分を捉える第２の赤外線カメラ２ａを付加するだけで、穴あき欠陥と良品を区別できるようになる。
【００１２】
また、被検査物６に赤外線を照射する赤外線源５と被検査物６を撮像する赤外線カメラ２を、上記赤外線源５から照射された赤外線の正反射光を赤外線カメラ２で捉えることができるような位置関係になるように配設し、まず赤外線源５を消灯して撮影した赤外線画像を用いて検出された溶接部領域３内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部４があれば良品候補とし、次に赤外線源５を点灯して観測した時、溶接部領域３中央の輝度が高くなる場合に良品と判定するのが好ましく、この場合、良品候補を抽出するカメラと良否判定を行うカメラを兼用でき、簡易な装置構成にて穴あき欠陥と良品を区別できるようになる。
【００１３】
また、良品候補に複数の方向から赤外線を照射していずれかの正反射光を捉えることができれば良品とするのが好ましく、この場合、赤外線源５を複数用いることで、仮りに溶接部領域３中央の鏡面部分の向きが安定しない場合にも穴あき欠陥と良品を正しく区別できるようになる。
【００１４】
また、良品候補を斜め方向から赤外線カメラ２で観測するようにし、赤外線画像において溶接部領域３中央に正反射光が捉えられれば良品とし、溶接部領域３中央からずれた位置に正反射光が捉えられれば不良とするのが好ましく、この場合、上下の溶接片８，９の段差が小さい場合にも特別の装置を付加することなく穴あき欠陥と良品を正しく区別できるようになる。
【００１５】
また、被検査物６全体を一様に加熱したうえで検査を行うのが好ましく、この場合、被検査物６を一様に加熱するようにすることで赤外線画像のＳ／Ｎ比が改善される。
【００１６】
また、正確に溶接状態の良否判定をするために、上記方法で良品候補と判断された被検査物６について、上下の溶接片８，９の間に電圧を与えることによってレーザー溶接部１にジュール熱を発生させた状態で赤外線カメラ２により撮像し、上記溶接部領域３内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部１の良否を判定するのが好ましい。また、上記方法で良品候補と判断された被検査物６について、下側の溶接片９のみを加熱しながら上方より赤外線カメラ２で撮像し、上記溶接部領域３内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部１の良否を判定するのが好ましい。
【００１７】
また、下側の溶接片９に通電することにより下側の溶接片９にジュール熱を発生させるのが好ましく、この場合、下側の溶接片９の下側に発熱体を設置できない構造の検査物でも、検査が可能になる。
【００１８】
また、下側の溶接片９に高周波磁界を与えて渦電流を発生させることにより加熱するのが好ましく、この場合、下側の溶接片９の下側に発熱体を設置できない構造の検査物でも、検査が可能になる。
【００１９】
また、高さ計測装置により上記レーザー溶接部１近辺の少なくとも２点Ｈ₁，Ｈ₂の高さ情報を取得し、上記溶接部領域３の輝度値とともに高さ情報を併用して良否判定を行うのが好ましく、この場合、高さ情報を併用することにより穴あき欠陥と良品の区別など画像情報だけでは分かりにくい溶接状態の判定を高い信頼度で行えるようになる。
【００２０】
さらに、本発明に係るレーザー溶接部１の検査装置は、赤外線カメラ２（２ａ）と、赤外線カメラ２（２ａ）からの出力信号を量子化して画像として記憶する画像取り込み装置１０と、上記のいずれかの検査方法により赤外線画像を処理して溶接欠陥検査を行う画像処理装置１１とにより構成されているので、赤外線画像の明るさの差（遠赤外線放射率の差）を利用して、レーザー溶接部１と未溶接部の表面性状の違いを画像処理装置１１にて検出することができ、簡易な構造でレーザー溶接部１の溶接状態を検査できるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。
【００２２】
図１は、本発明の方法によりレーザー溶接の良否判定をオフラインで行う検査装置の構成を示す図である。この検査装置は、被検査物６となる２片の金属（溶接片８，９）を重ね合わせ、その一方の表面にレーザーをスポット照射して溶接したレーザー溶接部１の溶接状態を溶接後に検査するものであり、詳しくは、検査対象となる溶接片８，９を溶接後雰囲気温度に冷却し、その後レーザー溶接部１付近を赤外線カメラ２により撮像する。ここで、溶接後雰囲気温度まで冷却とは、充分に放熱された状態のことであり、冷却過程ではない。赤外線カメラ２からの撮像データは、画像取り込み装置１０に取り込まれる。画像取り込み装置１０は、撮像データを画像に変換するための量子化装置１４と、画像を格納する画像メモリ１５とで構成されており、画像処理装置１１により上記画像を解析することにより検査・判定が行なわれる。具体的には、レーザー溶接部１と未溶接部の表面粗さの違いによって生じる遠赤外線放射率の差を利用することにより赤外線画像から溶接部領域３（図２）を抽出し、さらに上記溶接部領域３内側の輝度値を用いて溶接状態を判別することにより、立体形状の変化が微小で温度分布による検査も困難な微細部品のレーザー溶接部１の検査を行うものである。また、放射率だけでは判別が付きにくい場合であっても、レーザー溶接部１の温度を能動的に変化させたり、３次元計測装置を併用することでさらに正確な溶接状態検査が可能になる。以下、具体的に説明する。
【００２３】
図２（ａ）は、溶接後雰囲気温度まで冷却した被検査物６のレーザー溶接部１を図１のように上方から撮像して得られた赤外線画像の一例を示している。また、レーザー溶接部１の３次元形状を図２（ｂ）に示す。図２（ａ）（ｂ）中のＡ部は熱影響をうけていない部分、Ｂ部が熱影響を受けたレーザー溶接部１である。図２（ｂ）に示すようにＡ部は平坦な金属表面であり、表面は鏡面に近い状態であるのに対し、Ｂ部は熱影響により金属が溶融し、ヒダ状の立体構造を持った表面となっている。
【００２４】
図２に示すレーザー溶接部１は上記Ｂ部の直径が数百μｍ程度の小さなものである。このような微細なレーザースポット溶接を行う上下の溶接片８，９は、それぞれ、厚さ数十〜数百μｍ程度と薄く熱容量が小さいため、加熱・冷却に伴う温度変化が極めて急激となってしまう。このため、加熱・冷却時の温度分布を利用して溶着部（ナゲット）のサイズを計測することが非常に困難である。また、レーザー溶接部１が微細であるため、レーザー溶接部１の３次元形状の変化も極めて小さく（数μｍ程度の凹凸）、その３次元形状を計測して良否判定することも困難である。そこで本発明では、このような微細な凹凸の変化を検出するために、赤外線放射率の変化を利用する。すなわち図２（ａ）および（ｂ）に示すＢ部では熱影響により表面粗さが大きくなり、Ａ部に比べて赤外線の放射率が高くなっている。そのため、図２（ａ）に示す赤外線画像においてＢ部はＡ部に比べて明るく写る。この現象を利用して、赤外線画像からレーザー溶接部１を抽出し、熱影響の程度を評価することが可能になる。
【００２５】
しかして、電子部品などの微細なレーザースポット溶接による熱影響部では表面性状（表面粗さ）が変化するものの、凹凸は極めて微細で３Ｄ（３次元）計測による検査は極めて困難であるが、本発明に係るレーザー溶接部１の検査方法によれば、赤外線画像の明るさの差（遠赤外線放射率の差）を利用することにより、また溶接中のモニタリングではなく、溶接後のオフライン検査により検出することにより、レーザー溶接部１と未溶接部の表面性状の違いを検出することができるため、簡易な方法でレーザー溶接部１の溶接状態検査が可能になると共に、画像処理による非破壊検査により、接合不十分な状態の確認作業の自動化が可能になる。従って、例えば、電子部品リードなどの薄く小さい部材の微細なレーザー溶接部１の検査を精度良く行えるようになる。さらに、赤外線カメラ２と、赤外線カメラ２からの出力信号を量子化して画像として記憶する画像取り込み装置１０と、赤外線画像を処理して溶接欠陥検査を行う画像処理装置１１とにより構成される検査装置を用いることで、簡易な装置構成でレーザー溶接部１の溶接状態検査が可能になる。
【００２６】
次に、レーザー溶接部１の溶接部領域の抽出及び検査手順の一例を説明する。図３はレーザー溶接部１の溶接部領域の抽出方法の一例を示し、図４はレーザー溶接部１の抽出手段を含む検査手順を説明するフローチャートである。図４のステップｎ１で図２（ｂ）の画像を二値化し、ステップｎ２で図３の連結領域Ｂ’を抽出する。この図３の連結領域Ｂ’は図２（ｂ）のＢ部に相当する。その後、図４のステップｎ３で連結領域Ｂ’の外周輪郭より内側の部分を溶接部領域３として設定し、さらにステップｎ５で当該溶接部領域３内における明度パターンを解析することにより溶接の良否判定を行う。このように赤外線放射率の高い部分を溶接部領域３として抽出することにより、加熱を行うことなくレーザー溶接部１を検出することができる。
【００２７】
ここで、図４のステップｎ４に示す溶接部領域３内部の輝度値をもとに良否判定を行う過程について説明する。まず第１の方法として溶接部領域３の面積を利用する方法が挙げられる。図５にレーザー溶接の際の入熱量と溶接部領域３（熱影響部）の面積の関係を示す。レーザー溶接においては、溶接入熱量が大きいほど溶接部領域３の面積も大きくなることから、図５のグラフを利用して上記過程で抽出された溶接部領域３の面積をもとに入熱量を推定することができる。図５のグラフをもとに、十分な溶接を行うのに必要な入熱量範囲Ｄ１に対する熱影響部面積範囲Ｓ１を求めておき、レーザー溶接部１の赤外線画像から抽出された溶接部領域３の面積がＳ１の範囲内であれば良品と判定する。このように、溶接時の入熱量と溶接部領域３の面積との関係をもとに溶接状態の良否を判定することによって、簡易な方法で溶接状態の判定ができる。
【００２８】
次に、良否判定を行う第２の方法について説明する。レーザースポット溶接においては、十分な入熱量が与えられた良品においては溶融する金属の量が多いため、図６に示すように溶接部領域３中央において溶融金属が溜まり、中央部が鏡面状となる。このため、良品のレーザー溶接部１を撮影した赤外線画像においては、図７（ａ）に示すように表面粗さが粗く赤外線放射率が高いため白く写るＢ部の内側に、上記鏡面状の部分（鏡面であるため赤外線放射率が低いＣ部）が黒く写る特徴が現れる。そこで、図７（ｂ）に示すように、二値化した赤外線画像において当該溶接部領域３の内側にある基準値以上の大きさを持つ黒色部領域Ｃが観測される場合には良品であると判断する。しかして、十分な入熱量が与えられた時は中央部に鏡面状の特徴を生じることを利用して溶接状態の良否を判定するので、簡易な方法で溶接状態の判定ができる。
【００２９】
ところで、上述した各欠陥検査方法においては、若干の虚報（欠陥を良品と判断する）が発生する可能性がある。上記方法における虚報発生原因とその対策方法について以下に説明する。
【００３０】
レーザー溶接時の不良の一つとして、入熱量が不足している場合に、図８（ａ）の溶接片８，９の断面図に示すように、上側の溶接片８が加熱され、垂れ下がって下側溶接片９に充分接触し、下側溶接片９を加熱溶融させるまでの段階で上側の溶接片８だけが溶融してしまい、中央に穴２０があいてしまう穴あき欠陥が存在する。この場合、赤外線画像においては、穴が開くことによりレーザー溶接部１の外周径が大きくなり、また穴から熱影響を受けていない下側の溶接片９が見えるため、図８（ｂ）に示すように溶接部領域３の内側に黒色部２１が観測されてしまうことにより、上記のいずれの方法による検査においても良品と誤判断されてしまう。
【００３１】
このような虚報をなくすよう構成された装置を図９（ａ）に示す。図９（ａ）の装置は、検査対象となる溶接片８，９のレーザー溶接部１付近を上方から撮像する赤外線カメラ２に加えて、当該レーザー溶接部１に指向性のある赤外光を斜め方向から照射する赤外線源５と、赤外線源５に対して溶接片８，９を挟んで対向し、赤外光がレーザー溶接部１で正反射した光を捕捉できる位置に配設された第２の赤外線カメラ２ａを設けたものである。ここで図１０（ａ）は上方カメラでは良品と判断されてしまう穴あき欠陥を上記第２の赤外線カメラ２ａで撮像した状態を示し、図１０（ｂ）は良品を上記第２の赤外線カメラ２ａで撮像した状態を示す。図１０（ａ）（ｂ）を比較すればわかるように、穴あき欠陥では図１０（ａ）のように、鏡面状の部分（下側の溶接片９）が下の位置にあるため上記赤外線源５からの光が届かず、図１１（ａ）に示すように撮影した赤外線画像では溶接部領域３中央は暗い暗部４となって写る。これに対して図１０（ｂ）の良品の場合はレーザー溶接部１中央の鏡面部で正反射された赤外光が第２の赤外線カメラ２ａに入射するので、図１１（ｂ）に示すように赤外線画像において溶接部領域３中央が白く写る。この違いを利用し、まず図９（ａ）に示す赤外線カメラ２により上方からレーザー溶接部１を観測し、溶接部領域３中央で輝度が低い部分があった場合には当該レーザー溶接部１を良品の候補とし、次に当該良品の候補について第２の赤外線カメラ２ａによって撮影された画像において溶接部領域３中央で輝度が高くなる場合にはじめて良品として決定することにより、上記虚報を排除することができる。また、能動的に照射した赤外線光の正反射成分を捉える第２の赤外線カメラ２ａを付加することによって、穴あき欠陥と良品を区別することができる。
【００３２】
また、上記のように第２の赤外線カメラ２ａを設ける代わりに、図９（ｂ）に示すように上記第２の赤外線カメラ２ａに相当する位置に配設された赤外線カメラ２を１台だけ使用するようにしてもよい。この場合、まず第１回目の撮像時には赤外線源５を消灯して撮影し、溶接部領域３を抽出したのち溶接部領域３中央に暗部４（鏡面部分）が観測されるものを良品候補とする。次に当該良品候補に対して赤外線源５を点灯した状態で撮影を行い、上記検査方法と同様中央部の輝度が高くなった場合に良品として決定する。しかして、１台の赤外線カメラ２で良品候補を抽出するカメラと良否判定を行うカメラを兼用する構成としたので、簡易な装置構成により穴あき欠陥と良品を区別することができる。
【００３３】
上記虚報対策方法をさらに発展させた検査方法ついて以下に述べる。図９（ａ）および（ｂ）の装置では、レーザー溶接部１中央に生じている鏡面部分が傾いていた場合は、第２の赤外線カメラ２ａに赤外線光の正反射成分が届かず、誤って不良品と判断してしまう可能性がある。そこで、図１２の検査装置では、赤外線源５を複数設けてある。これによりレーザー溶接部１中央に生じている鏡面部分が傾いていた場合にも、いずれかの赤外線源５からの赤外光が当該鏡面部で正反射して上記第２の赤外線カメラ２ａへ入射することができるようになり、レーザー溶接部１中央の鏡面部分の向きが安定しない場合にも良品を不良品と判断してしまう誤りが少なくなり、穴あき欠陥と良品を正しく区別することができる。この方法は、第２の赤外線カメラ２ａを複数設けたり、赤外線源５と赤外線カメラ２の少なくとも一方を移動させながら撮像し、赤外線源５と赤外線カメラ２の位置関係が変化していく中でいずれかの場所において鏡面部で赤外線源５からの正反射赤外光が赤外線カメラ２に入射するように構成しても構わない。
【００３４】
また、上記虚報対策方法をさらに発展させた別の検査方法について以下に説明する。図１３（ａ）のように上側の溶接片８が薄い場合や、同（ｂ）のように上下の溶接片８，９の隙間が狭い場合には、上側の溶接片８上面と穴から見えている下側の溶接片９上面の段差が小さく、斜めから照射した赤外光が下側の溶接片９上面で正反射して第２の赤外線カメラ２ａに入射してしまい、良品と誤判断されてしまう可能性がある。ここで図１４（ａ）は段差の小さい穴あき欠陥の赤外線画像を示し、図１４（ｂ）は良品の赤外線画像を示す。図１３（ａ）又は（ｂ）に示したような穴あき欠陥品の場合は、下側の溶接片９上面で反射した赤外光の一部が段差で遮られるために、図１４（ａ）のように溶接部領域３の中心からずれた位置に正反射成分Ｅが観測される。一方これに対して、図１４（ｂ）に示した良品の場合には、溶接部領域３とその中央の鏡面部分に段差がないため、図１４（ｂ）のように上記正反射成分Ｅは溶接部領域３の中央に観測される。これを利用し、レーザー溶接部１に赤外線を照射し、第２の赤外線カメラ２ａで赤外線の正反射成分を観測することにより良否判定を行うにあたり、溶接部領域３の中央部分で正反射成分が観測された場合のみを良品とすることにより、さらに虚報を発生しにくい検査方法が実現できる。また上下の溶接片８，９の段差が小さい場合にも特別の装置を付加することなく穴あき欠陥と良品を正しく区別することができる。
【００３５】
なお、穴あき欠陥と良品を区別するためのより直接的な方法としては、図１５に示すように少なくともある２点Ｈ₁，Ｈ₂の高さを計測できる３次元計測装置７を併用し、上記レーザー溶接部１において周辺部と中心部のそれぞれ少なくとも２点Ｈ₁，Ｈ₂の高さ情報を取得し、両者の差が小さければ良品とし、両者の差が大きければ穴あき欠陥と判定するようにしてもよい。穴あき欠陥の場合は２点Ｈ₁，Ｈ₂の差が大きくなるが、良品の場合は小さくなることを利用することにより、穴あき欠陥と良品の区別など画像情報だけでは分かりにくい溶接状態の判定をさらに高い信頼度で行うことができる。勿論、２点Ｈ₁，Ｈ₂には限らず、３点以上の高さを計測してもよいものである。
【００３６】
以上の検査方法において、対象とする被検査物６は溶接後雰囲気温度まで冷却した状態で撮影を行うようにしていたが、冷却した後で被検査物６全体を一様に加熱してから検査を行うようにしてもよい。ちなみに、熱影響をうけていない未溶接部分は、鏡面に近いため高温にしても赤外線放射の増加量は少ないが、熱影響を受けたレーザー溶接部（熱影響部）では、熱影響により金属が溶融し、ヒダ状の立体構造を持った表面となっているため、高温になるほど多くの赤外線を放射する。そのため、被検査物の温度が高い方が上記検査において赤外線画像におけるＳ／Ｎ比が高くなり、検査の信頼性が向上することがわかる。このことから被検査物６を一様に加熱するようにすることでレーザー溶接部１の明るい部分と、暗部（鏡面部分）との差が大きくなり、明暗パターンがはっきりするようになり、画像処理による検査の信頼性の向上を図ることができる。
【００３７】
次に、上記のようにレーザー溶接部１を溶接後雰囲気温度まで冷却した後に、表面性状にともなう赤外線反射特性の差を用いて良否判定を行う方法において、さらにレーザー溶接部１に局所的に熱を与える方法を併用することにより、さらに精度の高い良否判定を行うことができる。以下説明する。
【００３８】
先ず図１６は局所加熱を伴う第１の検査方法を説明する図である。図１６は図１の検査装置のうち溶接片８，９の周辺のみを示す図であり、撮像装置の構成は図１と同一である。本方法においては、上下の溶接片８，９の各々に電極２２ａ，２２ｂが付けられており、電圧が印加できるようになっている。この両電極２２ａ，２２ｂ間にある一定時間だけ電圧を印加すると、レーザー溶接部１はその抵抗に応じてジュール熱を発生し温度が上昇するが、レーザー溶接部１がきちんと溶着している良品では上下の溶接片８，９間の電気抵抗が小さいので、温度上昇が小さい。これに対して溶接不良（穴開き欠陥等）の場合は絶縁状態にあって全く温度上昇が生じないか、逆に接触抵抗が大きいため大きな温度上昇を示す。これを利用し、上下の溶接片８，９間に一定時間電圧を印加してレーザー溶接部１の温度上昇（具体的には赤外線画像における溶接部領域３内の輝度値の変化量）を赤外線カメラ２により測定し、それが予め定められた上限値と下限値の間にあれば良品と判断する。なお、上記輝度値の変化の観測においては、まず常温状態で上記方法により溶接部領域３を抽出しておき、当該領域内での輝度の平均値を加熱前後で比較する等の方法により温度上昇の大きさを評価するようにすればよい。このようにレーザー溶接部１に直接通電を行ってジュール熱による温度上昇を観測するようにしたので、外観だけで判断する場合より正確に溶接状態の良否判定ができる。
【００３９】
次に、加熱を伴う第２の検査方法を図１７に示す。図１７は図１の検査装置のうち溶接片８，９の周辺のみを示す図であり、撮像装置の構成は図１と同一である。本例では、下側の溶接片９の下面に発熱体２３を接触させ、下側の溶接片９のみを加熱している。これにより発熱体２３から下側の溶接片９を経て上側の溶接片８へ熱伝導が生じるが、溶着部では良好な熱伝導を生じるのに対して、非溶着部では隙間があるため熱伝導が起こりにくい。これを利用して、下側の溶接片９を加熱しながら上方に配設された赤外線カメラ２によりレーザー溶接部１の温度変化（具体的には赤外線画像における溶接部領域３内の輝度値の変化量）を観測し、温度上昇がある基準値より大きければ良品であると判断することができる。つまり下側の溶接片９を加熱して上側の溶接片８へ熱伝導が生じる状態を観測するようにしたので、外観だけで判断する場合より正確に溶接状態の良否判定ができる。なお、上記輝度値の変化の観測においては、局所加熱を伴う第１の検査方法と同じようにまず常温状態で上記方法により溶接部領域３を抽出しておき、当該領域内での輝度の時間変化を求めるようにすればよい。なお、下側の溶接片９を加熱するにあたって、下側の溶接片９に発熱体２３を接触させる方法以外に、下側から熱風や炎で加熱する方法も可能である。
【００４０】
ところで、例えば電子部品などのように下側の溶接片９がすでに構造物に取り付けられた状態にあり、下側の溶接片９を熱伝導によって加熱することができない場合がある。このような場合には、図１８に示すように、下側の溶接片９の両端に電極を取り付け、電圧を印加することにより下側の溶接片９自体にジュール熱を発生させる方法、或いは、下側の溶接片９の下部から高周波磁界を与え、渦電流を発生させてＩＨ（induction heating）加熱する方法などにより加熱を行う方法を採用してもよいものである。
【００４１】
【発明の効果】
上述のように請求項１記載の発明にあっては、被検査物となる２片の金属を重ね合わせ、その一方の表面にレーザーをスポット照射して溶接したレーザー溶接部を溶接後に検査する方法において、溶接後雰囲気温度まで冷却したレーザー溶接部を赤外線カメラで撮像し、得られた赤外線画像における輝度の差を被検査物表面の赤外線放射率の差を表す指標とみなして溶接部領域を検出する第１の過程と、上記溶接部領域の形状、上記溶接部領域内での赤外線画像の輝度値の分布パターン、上記分布パターンをもとに抽出された特徴量の少なくとも１つをもとに溶接の良否を判定する第２の過程とを有しているので、電子部品などの微細なレーザースポット溶接による熱影響部では表面性状（表面粗さ）が変化するものの、凹凸は極めて微細で３Ｄ（３次元）計測による検査は極めて困難であるが、本発明に係るレーザー溶接部の検査方法によれば赤外線画像の明るさの差（遠赤外線放射率の差）を利用することによりレーザー溶接部と未溶接部の表面性状の違いを検出することができるため、簡易な方法でレーザー溶接部の溶接状態検査が可能になる。しかも、溶接中のモニタリングではなく、溶接後のオフライン検査により検出するので、特に電子部品リードなどの薄く小さい部材の微細なレーザー溶接部の検査を精度良く行うことができるものである。
【００４２】
また、少なくともレーザー溶接部の外周部では熱の影響により表面粗さが大きくなり、赤外線放射率が高くなることを利用して、赤外線画像において明るく見える部分を検出し、当該部分の外周輪郭より内側を溶接部領域として検出する方法を採用したので、赤外線放射率の高い部分を溶接部領域として抽出することにより、加熱を行うことなくレーザー溶接部を検出することができる。
【００４３】
また請求項２記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、検出された溶接部領域の大きさを基準値と比較することにより溶接の良否を判定する方法を採用したので、溶接時の入熱量と溶接部領域の面積との関係をもとに溶接状態の良否を判定することで、簡易な方法で溶接状態の判定ができるものである。
【００４４】
また請求項３記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、検出された溶接部領域内部の明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品と判定する方法を採用したので、十分な入熱量が与えられた時は中央部に鏡面状の特徴を生じることを利用して溶接状態の良否を判定することで、簡易な方法で溶接状態の判定ができる。
【００４５】
また請求項４記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、上記赤外線カメラにより検出された溶接部領域内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品候補とし、上記良品候補に赤外線を照射し、上記赤外線源の正反射を捉える方向に第２の赤外線カメラを配置して観測した時、溶接部領域中央の輝度が高くなる場合に良品と判定する方法を採用したので、能動的に照射した赤外線光の正反射成分を捉える赤外線カメラを付加することによって、穴あき欠陥と良品を区別することができる。
【００４６】
また請求項５記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、被検査物に赤外線を照射する赤外線源と被検査物を撮像する赤外線カメラを、上記赤外線源から照射された赤外線の正反射光を赤外線カメラで捉えることができるような位置関係になるように配設し、まず赤外線源を消灯して撮影した赤外線画像を用いて検出された溶接部領域内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品候補とし、次に赤外線源を点灯して観測した時、溶接部領域中央の輝度が高くなる場合に良品と判定する方法を採用したので、良品候補を抽出するカメラと良否判定を行うカメラを兼用する構成としたので、簡易な装置構成により穴あき欠陥と良品を区別することができる。
【００４７】
また請求項６記載の発明は、請求項４又は請求項５記載の効果に加えて、良品候補に複数の方向から赤外線を照射していずれかの正反射光を捉えることができれば良品とする方法を採用したので、赤外線源を複数用いることで、仮りに溶接部領域中央の鏡面部分の向きが安定しない場合にも穴あき欠陥と良品を正しく区別することができる。
【００４８】
また請求項７記載の発明は、請求項４又は請求項５記載の効果に加えて、良品候補を斜め方向から赤外線カメラで観測するようにし、赤外線画像において溶接部領域中央に正反射光が捉えられれば良品とし、溶接部領域中央からずれた位置に正反射光が捉えられれば不良とする方法を採用したので、上下の溶接片の段差が小さい場合にも特別の装置を付加することなく穴あき欠陥と良品を正しく区別することができる。
【００４９】
また請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の効果に加えて、被検査物全体を一様に加熱したうえで検査を行う方法を採用したので、被検査物を一様に加熱するようにすることで赤外線画像のＳ／Ｎ比を改善し、検査の信頼性を向上させることができる。
【００５０】
また請求項９記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、上記方法で良品候補と判断された被検査物について、上下の溶接片の間に電圧を与えることによってレーザー溶接部にジュール熱を発生させた状態で赤外線カメラにより撮像し、上記溶接部領域内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部の良否を判定する方法を採用したので、レーザー溶接部に直接通電を行ってジュール熱による温度上昇を観測するようにしたので、外観だけで判断する場合より正確に溶接状態の良否判定ができる。
【００５１】
また請求項１０記載の発明は、請求項１記載の効果に加えて、上記方法で良品候補と判断された被検査物について、下側の溶接片のみを加熱しながら上方より赤外線カメラで撮像し、上記溶接部領域内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部の良否を判定する方法を採用したので、下側の溶接片を加熱して上側の溶接片へ熱伝導が生じる状態を観測することにより、外観だけで判断する場合より正確に溶接状態の良否判定ができる。
【００５２】
また請求項１１記載の発明は、請求項１０記載の効果に加えて、下側の溶接片に通電することにより下側の溶接片にジュール熱を発生させる方法を採用したので、下側の溶接片の下側に発熱体を設置できない構造の検査物でも、請求項１０の方法による検査が可能になる。
【００５３】
また請求項１２記載の発明は、請求項１０記載の効果に加えて、下側の溶接片に高周波磁界を与えて渦電流を発生させることにより加熱する方法を採用したので、下側の溶接片の下側に発熱体を設置できない構造の検査物でも、請求項１０の方法による検査が可能になる。
【００５４】
また請求項１３記載の発明は、請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の効果に加えて、高さ計測装置により上記レーザー溶接部近辺の少なくとも２点の高さ情報を取得し、上記溶接部領域の輝度値とともに高さ情報を併用して良否判定を行う方法を採用したので、高さ情報を併用することにより穴あき欠陥と良品の区別など画像情報だけでは分かりにくい溶接状態の判定を高い信頼度で行うことができる。
【００５５】
また請求項１４記載の発明は、赤外線カメラと、赤外線カメラからの出力信号を量子化して画像として記憶する画像取り込み装置と、請求項１〜請求項１３のいずれかの検査方法により赤外線画像を処理して溶接欠陥検査を行う画像処理装置とにより構成されているので、赤外線画像の明るさの差（遠赤外線放射率の差）を利用して、レーザー溶接部と未溶接部の表面性状の違いを画像処理装置にて検出することができ、簡易な構造でレーザー溶接部の溶接状態を検査することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態において用いられる検査装置の構成を示す図である。
【図２】（ａ）は同上の赤外線画像の一例を示す図、（ｂ）はレーザー溶接部の物理的構造を説明する図である。
【図３】同上の溶接部領域の抽出方法を説明する図である。
【図４】同上の検査処理手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】同上のレーザー入熱量と熱影響部面積との関係を示すグラフである。
【図６】同上の良品のレーザー溶接部の物理的構造を説明する図である。
【図７】（ａ）（ｂ）は同上の良否判定方法の原理を説明する図である。
【図８】（ａ）は同上の穴あき欠陥による虚報の発生を説明する図、（ｂ）はその赤外線画像の一例を示す図である。
【図９】（ａ）は穴あき欠陥を判別するための装置構成を示す図、（ｂ）は他の装置構成を示す図である。
【図１０】同上の穴あき欠陥と良品の判別方法の原理を説明する図である。
【図１１】（ａ）（ｂ）は穴あき欠陥と良品の赤外線画像の違いを説明する図である。
【図１２】穴あき欠陥を判別するための他の実施形態の装置構成を示す図である。
【図１３】（ａ）（ｂ）は同上の穴あき欠陥を判別するための他の方法を説明する図である。
【図１４】（ａ）（ｂ）は同上の穴あき欠陥を判別するための更に他の方法を説明する図である。
【図１５】（ａ）は穴あき欠陥を判別するための更に他の実施形態の装置構成を示す図、（ｂ）は溶接部の高さ情報の２点を説明する図である。
【図１６】局所加熱を伴う溶接部検査方法の装置構成を示す図である。
【図１７】局所加熱を伴う他の溶接部検査方法の装置構成を示す図である。
【図１８】下側の溶接片の両側に電圧を与えて下側の溶接片自体を発熱させる場合を説明する図である。
【符号の説明】
１レーザー溶接部
２赤外線カメラ
２ａ第２の赤外線カメラ
３溶接部領域
４暗部
５赤外線源
６被検査物
８上側の溶接片
９下側の溶接片
１０画像取り込み装置
１１画像処理装置

Claims

被検査物となる２片の金属を重ね合わせ、その一方の表面にレーザーをスポット照射して溶接したレーザー溶接部を溶接後に検査する方法において、溶接後雰囲気温度まで冷却したレーザー溶接部を赤外線カメラで撮像し、得られた赤外線画像における輝度の差を被検査物表面の赤外線放射率の差を表す指標とみなして溶接部領域を検出する第１の過程と、上記溶接部領域の形状、上記溶接部領域内での赤外線画像の輝度値の分布パターン、上記分布パターンをもとに抽出された特徴量の少なくとも１つをもとに溶接の良否を判定する第２の過程とを有すると共に、少なくともレーザー溶接部の外周部では熱の影響により表面粗さが大きくなり、赤外線放射率が高くなることを利用して、赤外線画像において明るく見える部分を検出し、当該部分の外周輪郭より内側を溶接部領域として検出することを特徴とするレーザー溶接部の検査方法。
検出された溶接部領域の大きさを基準値と比較することにより溶接の良否を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
検出された溶接部領域内部の明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
上記赤外線カメラにより検出された溶接部領域内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品候補とし、上記良品候補に赤外線を照射し、上記赤外線源の正反射を捉える方向に第２の赤外線カメラを配置して観測した時、溶接部領域中央の輝度が高くなる場合に良品と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
被検査物に赤外線を照射する赤外線源と被検査物を撮像する赤外線カメラを、上記赤外線源から照射された赤外線の正反射光を赤外線カメラで捉えることができるような位置関係になるように配設し、まず赤外線源を消灯して撮影した赤外線画像を用いて検出された溶接部領域内部で明るく見える外周輪郭の内側に所定の基準値以上の大きさを持つ暗部があれば良品候補とし、次に赤外線源を点灯して観測した時、溶接部領域中央の輝度が高くなる場合に良品と判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
良品候補に複数の方向から赤外線を照射していずれかの正反射光を捉えることができれば良品とすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載のレーザー溶接部の検査方法。
良品候補を斜め方向から赤外線カメラで観測するようにし、赤外線画像において溶接部領域中央に正反射光が捉えられれば良品とし、溶接部領域中央からずれた位置に正反射光が捉えられれば不良とすることを特徴とする請求項４又は請求項５記載のレーザー溶接部の検査方法。
被検査物全体を一様に加熱したうえで検査を行うことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のレーザー溶接部の検査方法。
上記方法で良品候補と判断された被検査物について、上下の溶接片の間に電圧を与えることによってレーザー溶接部にジュール熱を発生させた状態で赤外線カメラにより撮像し、上記溶接部領域内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部の良否を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
上記方法で良品候補と判断された被検査物について、下側の溶接片のみを加熱しながら上方より赤外線カメラで撮像し、上記溶接部領域内での輝度値の変化を基準値と比較することによりレーザー溶接部の良否を判定することを特徴とする請求項１記載のレーザー溶接部の検査方法。
下側の溶接片に通電することにより下側の溶接片にジュール熱を発生させることを特徴とする請求項１０記載のレーザー溶接部の検査方法。
下側の溶接片に高周波磁界を与えて渦電流を発生させることにより加熱することを特徴とする請求項１０記載のレーザー溶接部の検査方法。
高さ計測装置により上記レーザー溶接部近辺の少なくとも２点の高さ情報を取得し、上記溶接部領域の輝度値とともに高さ情報を併用して良否判定を行うことを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載のレーザー溶接部の検査方法。
赤外線カメラと、赤外線カメラからの出力信号を量子化して画像として記憶する画像取り込み装置と、請求項１〜請求項１３のいずれかの検査方法により赤外線画像を処理して溶接欠陥検査を行う画像処理装置とにより構成されていることを特徴とするレーザー溶接部の検査装置。