JP6856845B2 - Laser welding equipment and laser welding quality judgment equipment - Google Patents
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Description
本発明は、金属へレーザ光を照射して溶接を行い、その溶接の品質の良否を判定するレーザ溶接装置及びレーザ溶接装置により行われたレーザ溶接の品質の良否を判定するレーザ溶接品質判定装置に関するものである。 The present invention is a laser welding device that irradiates a metal with laser light to perform welding and determines the quality of the welding, and a laser welding quality determination device that determines the quality of laser welding performed by the laser welding device. It is about.
レーザ溶接は、熱源のレーザ光のエネルギー密度が高く、低歪み、高速度、高精度の溶接が可能なことから各方面で使用されている。ところが、レーザ溶接は品質不良の原因となる因子が多く、溶接対象物の形状、溶接時の施工条件や周囲環境等の変動により、品質が一定ではなくなる。そのような品質のばらつきの情報を生産工程に素早くフィードバックさせ、不良品の発生を減らすため、生産過程でのレーザ溶接の品質の良否を正確且つ迅速に判定する方法が求められている。 Laser welding is used in various fields because the energy density of the laser beam of the heat source is high and low distortion, high speed, and high precision welding are possible. However, laser welding has many factors that cause poor quality, and the quality is not constant due to changes in the shape of the object to be welded, the construction conditions at the time of welding, the surrounding environment, and the like. In order to quickly feed back information on such quality variations to the production process and reduce the occurrence of defective products, there is a need for a method for accurately and quickly determining the quality of laser welding in the production process.
レーザ溶接において、レーザ光が金属に照射され加熱されることで金属が融解した深さを示す溶込み深さは、レーザ溶接の品質に大きく影響を及ぼすことが知られている。そのため、溶込み深さを推定することは、レーザ溶接の品質の良否判定に役立つ。また、レーザ光照射により金属が融解した領域である溶融池の幅及び長さと溶込み深さとの間に相関があることが知られている。更に、カメラで溶融池を撮影し、その撮影した画像の輝度値マップから輝度値が所定の閾値以上の領域を溶融池の領域と推定し、その溶融池の幅及び長さが最大となる場所の長さを測定することで溶込み深さを特定する方法が知られている（例えば特許文献１）。 In laser welding, it is known that the penetration depth, which indicates the depth at which the metal is melted by irradiating the metal with laser light and heating it, greatly affects the quality of laser welding. Therefore, estimating the penetration depth is useful for determining the quality of laser welding. It is also known that there is a correlation between the width and length of the molten pool, which is the region where the metal is melted by laser irradiation, and the penetration depth. Further, a place where the molten pool is photographed with a camera, the region where the brightness value is equal to or higher than a predetermined threshold value is estimated as the region of the molten pool from the brightness value map of the captured image, and the width and length of the molten pool are maximized. There is known a method of specifying the penetration depth by measuring the length of the above (for example, Patent Document 1).
しかしながら、特許文献１に記載の方法において、輝度はカメラの分光感度、光学系、金属材料の種類、レーザ強度などの条件に依存するため、これらの条件が一つでも変わると、閾値を設定し直さない限り、溶融池を特定する精度が下がり、結果としてレーザ溶接の品質の判定を精度よく行えないという課題があった。
However, in the method described in
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、測定の条件にかかわらず高い精度でレーザ溶接の品質の判定ができるレーザ溶接装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a laser welding apparatus capable of determining the quality of laser welding with high accuracy regardless of measurement conditions.
この目的を達成するために請求項１記載のレーザ溶接装置は、金属へレーザ光を照射して該金属の溶接を行うものであって、レーザ光を発振して、金属との相対的な位置を変化させながらレーザ光を金属に照射させるレーザ光照射手段と、金属の状態によって変動する所定の物理量の分布を、前記レーザ光照射手段によりレーザ光が照射された金属の所定領域において測定する測定手段と、その測定手段により測定された前記所定領域における前記所定の物理量の分布に基づいて、各位置における前記所定の物理量の変化量である傾きを判断する傾き判断手段と、その傾き判断手段により判断された傾きに基づいて、前記所定領域における固体状態だけの金属の領域である固体領域と、液体状態の金属を含む領域とを識別する状態識別手段と、その状態識別手段により識別された前記液体状態の金属を含む領域を溶融池として特定する溶融池特定手段と、その溶融池特定手段により特定された前記溶融池を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する判定手段と、を備える。 In order to achieve this object, the laser welding apparatus according to claim 1 irradiates a metal with a laser beam to weld the metal, oscillates the laser beam, and positions the metal relative to the metal. A laser beam irradiating means for irradiating a metal with a laser beam while changing the above, and a measurement for measuring a distribution of a predetermined physical amount that varies depending on the state of the metal in a predetermined region of the metal irradiated with the laser beam by the laser beam irradiating means. Based on the means, the inclination determining means for determining the inclination which is the amount of change of the predetermined physical quantity at each position based on the distribution of the predetermined physical quantity in the predetermined region measured by the measuring means, and the inclination determining means. Based on the determined inclination, the state identification means for discriminating between the solid region which is a metal region only in the solid state and the region containing the metal in the liquid state in the predetermined region, and the state identification means identified by the state identification means. A means for identifying a molten pool that specifies a region containing a metal in a liquid state as a molten pool, a means for determining the quality of laser welding by evaluating the molten pool specified by the means for identifying the molten metal, and a means for determining the quality of laser welding. To be equipped.
請求項２記載のレーザ溶接装置は、請求項１記載のレーザ溶接装置において、前記所定の物理量は、温度である。
The laser welding apparatus according to
請求項３記載のレーザ溶接装置は、請求項１又は２記載のレーザ溶接装置において、前記状態識別手段は、前記所定領域内における前記所定の物理量の分布の傾きが変わる位置を特定することにより、液体状態の金属と固体状態の金属とを含む領域である固液領域と、前記固体領域とを識別する。
The laser welding apparatus according to claim 3 is the laser welding apparatus according to
請求項４記載のレーザ溶接装置は、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接装置において、前記判定手段は、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の前記液体状態の金属を含む領域の長さ及び／又はレーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の前記液体状態の金属を含む領域の長さを評価することにより、前記溶融池を評価する。
The laser welding apparatus according to
請求項５記載のレーザ溶接装置は、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ溶接装置において、前記判定手段は、経時的にレーザ光が金属に対して相対的に移動することに伴う、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の前記液体状態の金属を含む領域の長さの経時的な変化を評価することにより、前記溶融池を評価する。
The laser welding apparatus according to claim 5 is the laser welding apparatus according to any one of
請求項６記載のレーザ溶接装置は、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ溶接装置において、前記判定手段は、前記液体状態の金属を含む領域にある少なくとも２つの位置において、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の前記液体状態の金属を含む領域の長さの差を評価することにより、前記溶融池を評価する。
The laser welding apparatus according to
請求項７記載のレーザ溶接装置は、請求項１から６のいずれかに記載のレーザ溶接装置において、前記判定手段は、レーザ光の照射位置から所定距離にあり、レーザ光の照射位置の移動に伴って金属上を移動する前記液体状態の金属を含む領域にある所定位置において、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の前記液体状態の金属を含む領域の長さの経時的な変化を評価することにより、前記溶融池を評価する。
The laser welding apparatus according to claim 7 is the laser welding apparatus according to any one of
請求項８記載のレーザ溶接装置は、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ溶接装置において、前記判定手段は、前記液体状態の金属を含む領域のうち、レーザ光の照射位置から特定距離以上離れた領域内において、一の位置と該一の位置の周辺の位置とにおける前記所定の物理量の差が所定量以上である該一の位置の有無を評価することにより、前記溶融池を評価する。
The laser welding apparatus according to claim 8 is the laser welding apparatus according to any one of
請求項９記載のレーザ溶接品質判定装置は、金属との相対的な位置を変化させながらレーザ光を金属に照射し、該金属の溶接を行うレーザ溶接装置により行われたレーザ溶接の品質の良否を判定するものであって、金属の状態によって変動する所定の物理量の分布を、前記レーザ溶接装置によりレーザ光が照射された金属の所定領域において測定する測定手段と、その測定手段により測定された前記所定領域における前記所定の物理量の分布に基づいて、各位置における前記所定の物理量の変化量である傾きを判断する傾き判断手段と、その傾き判断手段により判断された傾きに基づいて、前記所定領域における固体状態だけの金属の領域である固体領域と、液体状態の金属を含む領域とを識別する状態識別手段と、その状態識別手段により識別された前記液体状態の金属を含む領域を溶融池として特定する溶融池特定手段と、その溶融池特定手段により特定された前記溶融池を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する判定手段と、を備える。 The laser welding quality determination device according to claim 9 irradiates a metal with a laser beam while changing its position relative to the metal, and the quality of the laser welding performed by the laser welding device that welds the metal is good or bad. The distribution of a predetermined physical quantity that fluctuates depending on the state of the metal is measured by the measuring means for measuring the distribution of a predetermined physical quantity in a predetermined region of the metal irradiated with the laser beam by the laser welding apparatus, and the measuring means thereof. Based on the distribution of the predetermined physical quantity in the predetermined region, the inclination determining means for determining the inclination which is the amount of change of the predetermined physical quantity at each position, and the inclination determined by the inclination determining means, the predetermined A state identifying means for discriminating between a solid region which is a region of a metal only in a solid state and a region containing a metal in a liquid state in the region, and a region containing the metal in the liquid state identified by the state identifying means are welded. It is provided with a molten pool specifying means specified as, and a determining means for determining the quality of laser welding by evaluating the molten pool specified by the molten pool specifying means.
請求項１記載のレーザ溶接装置によれば、レーザ光が金属へ照射され、金属が溶接される。レーザ光照射手段により、金属との相対的な位置を変化させながらレーザ光が金属に照射される。レーザ光発振手段によりレーザ光が照射された金属の状態によって変動する所定の物理量の分布が、金属の所定領域において測定手段により測定される。測定手段によって測定された所定領域における所定の物理量の分布に基づいて、各位置における前記所定の物理量の変化量である傾きが、傾き判断手段により判断される。傾き判断手段によって判断された傾きに基づいて、所定領域における固体状態だけの金属の領域である固体領域と、液体状態の金属を含む領域とが状態識別手段により識別される。状態識別手段によって識別された液体状態の金属を含む領域が、溶融池特定手段により溶融池として特定される。溶融池特定手段によって特定された溶融池が判定手段により評価され、レーザ溶接の品質の良否が判定される。このように、レーザ光が照射される金属の所定領域内における所定の物理量の傾きに基づいて溶融池が特定される。ここで、所定の物理量は金属の状態によって変動するものであるため、固体領域と液体状態の金属を含む領域とでは所定の物理量が異なる。そのため、固体領域と液体状態の金属を含む領域との境界では、所定の物理量の傾きが変わる。このことは、溶融池を特定するための測定条件が変わったとしても変わりがない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、精度よく溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to
請求項２記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、測定手段により測定された所定領域内における温度の分布の傾きに基づいて、液体状態の金属を含む領域と固体状態だけの金属の領域とが状態識別手段により識別されるため、レーザ溶接時に発生するヒュームによるノイズの混入を抑制することができる。よって、高い精度で溶融池を特定することができるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to
請求項３記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１又は２記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、状態識別手段により、所定領域内における所定の物理量の分布の傾きが変わる位置が特定される。液体状態の金属と固体状態の金属とを含む領域である固液領域では、所定の物理量が略一定となる一方、固液領域から固体領域へ変化する位置では所定の物理量が変化するため、所定の物理量の分布の傾きが変わる位置によって、固液領域と固体領域とが識別される。よって、物理量の分布の傾きに基づいて固液領域と固体領域とを識別することができ、溶融池を特定することができるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to claim 3, in addition to the effects of the laser welding apparatus according to
請求項４記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１から３のいずれかに記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。即ち、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さ及び／又はレーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さが判定手段により評価され、溶融池が評価される。金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さや、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さは、レーザ溶接の品質の良否に相関がある。一方で、所定の物理量の傾きに基づいて溶融池が特定されるので、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さや、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さを精度よく特定できる。これにより、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to
請求項５記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１から４のいずれかに記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。即ち、経時的にレーザ光が金属に対して相対的に移動することに伴う、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さの経時的な変化が、判定手段により評価される。溶接される金属間の隙間等によって、溶接の深さが一定ではなくなる。そのため、溶接される金属間の隙間の有無等によって、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さが経時的に変化する。よって、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向の液体状態の金属を含む領域の長さを経時的に評価することにより、レーザ溶接された各位置でレーザ溶接の品質が一定か否かを判定できる。よって、レーザ溶接の品質の判定の精度を高めることができるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to claim 5, in addition to the effect of the laser welding apparatus according to any one of
請求項６記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１から５のいずれかに記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。即ち、液体状態の金属を含む領域にある少なくとも２つの位置において、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さの差が評価されることで、判定手段により、溶融池が評価される。よって、それらの位置同士でレーザ溶接の品質が一定か否かを判定できる。従って、レーザ溶接の品質の判定の精度を高められるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to
請求項７記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１から６のいずれかに記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。即ち、レーザ光の照射位置から所定距離にあり、レーザ光の照射位置の移動に伴って金属上を移動する液体状態の金属を含む領域にある所定の位置において、レーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さの経時的な変化が判定手段により評価される。溶接される金属間の隙間等によって、溶接の深さが一定ではなくなる。そのため、所定位置におけるレーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さが経時的に変化する。よって、所定位置におけるレーザ光が金属に対して相対的に移動する方向と直交する方向の液体状態の金属を含む領域の長さを経時的に評価することによりレーザ溶接された各位置でレーザ溶接の品質が一定か否かを判定できる。従って、レーザ溶接の品質の判定の精度を高めることができるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to claim 7, in addition to the effect of the laser welding apparatus according to any one of
請求項８記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１から７のいずれかに記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加えて、次の効果を奏する。即ち、判定手段により、液体状態の金属を含む領域のうち、レーザ光の照射位置から特定距離以上離れた領域内において、一の位置と該一の位置の周辺の位置とにおける前記所定の物理量の差が所定量以上である該一位置の有無が評価されることで、溶融池が評価される。液体状態の金属を含む領域のうち、レーザ光の照射位置から特定距離以上離れた領域内において、周囲の物理量と比べて物理量が異なる位置が存在すると、レーザ溶接の品質が一定にならない原因となる。よって、一の位置と該一の位置の周辺の位置との所定の物理量の差が所定量以上である一の位置の有無を評価することで、レーザ溶接の品質が一定であるか否かを判定することができる。従って、レーザ溶接の品質の判定の精度を高めることができるという効果がある。
According to the laser welding apparatus according to claim 8, in addition to the effect of the laser welding apparatus according to any one of
請求項９記載のレーザ溶接品質判定装置によれば、これをレーザ溶接装置により行われたレーザ溶接の品質の判定の良否に用いることで、請求項１記載のレーザ溶接装置と同等の作用・効果を奏することができる。
According to the laser welding quality determination device according to claim 9, by using this for the quality determination of the laser welding performed by the laser welding device, the action and effect equivalent to those of the laser welding apparatus according to
以下、本発明を実施するための形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態であるレーザ溶接装置Ｓの概略について説明する。図１は、そのレーザ溶接装置Ｓの全体像を示した概略図である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. First, with reference to FIG. 1, the outline of the laser welding apparatus S according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic view showing an overall image of the laser welding apparatus S.
レーザ溶接装置Ｓは、レーザ光Ｌにより、例えば二枚に重ねた溶接対象金属（以下、単に「ワーク」と称す）Ａを溶接するものである。ワークＡには、鉄や銅等の金属が用いられる。レーザ溶接装置Ｓは、レーザを発振するためのレーザ発振器１０を有し、レーザ発振器１０により発振されたレーザ光Ｌは、光の伝送路である光ファイバ１１を通って、光ファイバ１１の一端と接続されるファイバアダプタ１２に伝送される。そして、レーザ光Ｌは、ファイバアダプタ１２から照射され、レーザ加工ヘッド１６に入る。レーザ加工ヘッド１６は、コリメートレンズ１３、ダイクロイックレンズ１４、集光レンズ１５を備え、レーザ光ＬをワークＡに照射するための装置である。
The laser welding device S welds, for example, two metal objects to be welded (hereinafter, simply referred to as “work”) A by using a laser beam L. A metal such as iron or copper is used for the work A. The laser welding apparatus S has a laser oscillator 10 for oscillating a laser, and the laser beam L oscillated by the laser oscillator 10 passes through an
レーザ加工ヘッド１６内のファイバアダプタ１２の出力側には、レーザ光Ｌの向きを平行状態に調整するためのコリメートレンズ１３が配置されており、ファイバアダプタ１２から照射されたレーザ光Ｌは、コリメートレンズ１３によって平行光となる。コリメートレンズ１３により平行光とされたレーザ光Ｌは、ダイクロイックレンズ１４を通過する。このダイクロイックレンズ１４は、レーザ光Ｌを通過させるが、少なくとも赤外線光は反射させるものである。そして、ダイクロイックレンズ１４を通過したレーザ光Ｌは、レーザ光Ｌを集光するための集光レンズ１５によって集光され、ワークＡに照射される。
A collimating
ワークＡは固定されており、レーザ加工ヘッド１６が図中の溶接方向に移動することでレーザ光Ｌの照射位置とワークＡとの相対的な位置が変化する。なお、レーザ加工ヘッド１６を固定し、ワークＡを図中の溶接方向と逆方向に移動することで、レーザ光Ｌの照射位置とワークＡとの相対的な位置を変化させてもよい。
The work A is fixed, and the relative position between the irradiation position of the laser beam L and the work A changes as the
レーザ光Ｌの照射によりワークＡが加熱されると、ワークＡが融解し溶融池が形成される。溶融池とは、レーザ光ＬがワークＡに照射され加熱されることで、ワークＡが融解した領域（液体状態の金属を含む領域）をいう。このとき、ワークＡからはその温度によって異なる量の赤外線Ｉが放出される。ワークＡから放出された赤外線Ｉは、集光レンズ１５を通過し、ダイクロイックレンズ１４によってコリメートレンズ１３と異なる方向（プリズム１７の方向）に反射される。
When the work A is heated by the irradiation of the laser beam L, the work A melts and a molten pool is formed. The molten pool refers to a region (a region containing a metal in a liquid state) in which the work A is melted by irradiating the work A with laser light L and heating the work A. At this time, the work A emits different amounts of infrared rays I depending on the temperature. The infrared ray I emitted from the work A passes through the
そして、ダイクロイックレンズ１４によって反射された赤外線Ｉは、光を反射させるためのプリズム１７によってカメラ用集光レンズ１８側に反射される。そして、赤外線Ｉは、赤外線Ｉを集光するためのカメラ用集光レンズ１８によって集光され、赤外線カメラ１９に入射する。赤外線カメラ１９は、赤外線Ｉの放出量を可視化するための装置である。ワークＡからはその温度によって異なる量の赤外線Ｉが放出されるため、赤外線カメラ１９によって、赤外線カメラ１９の撮影範囲であるワークＡ上の所定領域の赤外線分布を可視化することで、温度分布を可視化することができる。そして、この可視化された温度分布のデータは温度分布データ３２ａとして演算処理装置２０に送信される。なお、本実施形態では、赤外線分布に基づいて温度分布を可視化している。レーザ光Ｌが照射される位置では粉塵であるヒュームが生じるものの、ヒュームが発する赤外線Ｉは少ない。そのため、赤外線分布に基づいて温度分布を可視化することで、ヒュームによるノイズの影響を抑えることができる。よって、高精度で温度分布を測定することができる。なお、プリズム１７とカメラ用集光レンズ１８との間に、可視光のみを遮断する可視光カットフィルタや特定波長領域（赤外線）のみを透過させるバンドパスフィルタ等の光学フィルタを設けてもよい。これにより、赤外線以外の測定に不要な光を削減することができるため、測定精度を向上できる。
Then, the infrared ray I reflected by the
演算処理装置２０は、温度分布データ３２ａに基づいて後述の判定処理等の演算処理を行うものである。演算処理装置２０は、判定処理を実行することでレーザ溶接の品質の良否を判定する。そして、レーザ溶接の品質の良否を表示する表示装置２１に、その判定の結果が表示される。
The
次に、図２を参照して演算処理装置２０の電気的構成を説明する。図２は、その電気的構成を示したブロック図である。
Next, the electrical configuration of the
演算処理装置２０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３０と、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３１と、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３２とを有しており、それらがバスライン３３を介して接続されている。また、バスライン３３には、上述した赤外線カメラ１９、表示装置２１が接続されている。
The
ＣＰＵ３０は、ＲＯＭ３１に記憶されたプログラムデータ３１ａに従って、後述の判定処理等の各種演算を実行する演算装置である。ＲＯＭ３１は、ＣＰＵ３０によって実行されるプログラムデータ３１ａや固定値データ等を記憶するための書き換え不能な不揮発性のメモリである。なお、書き換え不能なＲＯＭ３１に代えて、書き換え可能な不揮発性のメモリ（例えば、フラッシュメモリ）を用いてもよい。
The
後述の判定処理を実行するプログラムは、このＲＯＭ３１にプログラムデータ３１ａの一部として記憶され、判定データ３１ｂは、固定値データの一部としてＲＯＭ３１に記憶される。また、判定データ３１ｂは、溶接速度、ワークＡの素材毎に、後述の溶融池の長さとワークＡが融解した深さである溶込み深さとの対応関係を予め測定した実測値を示したデータであり、後述の判定処理においてレーザ溶接の品質の良否を判定する場合に使用される。
The program that executes the determination process described later is stored in the
ここで図３を参照して判定データ３１ｂについて説明する。図３（ａ）は、ワークＡとして鉄板上板１．０ｍｍ／鉄板下板６ｍｍを使用し、溶接速度１．８ｍ／分とした場合の判定データ３１ｂの例を示す図であり、図３（ｂ）は、ワークＡとして鉄板上板１．０ｍｍ／鉄板下板６ｍｍを使用し、溶接速度０．９ｍ／分とした場合の判定データ３１ｂの例を示す図である。例えば、鉄板上板１．０ｍｍ／鉄板下板６ｍｍに対して溶接速度１．８ｍ／分でレーザ溶接を行った場合、レーザ出力や溶接速度の違いに応じて溶融池の長さと溶込み深さが図３（ａ）のように変化する。即ち、溶融池の長さが４０００μｍのときの溶込み深さは３．６０ｍｍであり、溶融池の長さが４３２３μｍのときの溶込み深さは３．６４ｍｍであり、溶融池の長さが４６１７μｍのときの溶込み深さは３．９６ｍｍであり、溶融池の長さが４９７０μｍのときの溶込み深さは４．５６ｍｍである。そして、これらの溶融池の長さと溶込み深さとの間には相関関係がある。そのため、これらのデータを補間することで、溶融池の長さに基づいて溶込み深さを推定することができる。推定された溶込み深さがレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内（例えば、３．８ｍｍ〜５．０ｍｍ）であれば、レーザ溶接の品質を良いと判断し、レーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内になければ品質が不良と判断する。レーザ溶接の品質の良否を判定する際の溶込み深さの範囲は、ワークＡに用いる上板と下板との厚さに応じてレーザ溶接の品質が良となるように使用者が決めればよい。
Here, the
なお、本実施形態では判定データ３１ｂにて記憶された溶融池の長さと溶込み深さとのデータを補間することで、溶融池の長さに基づいで溶込み深さを推定しているが、これに限定されるものではない。例えば、予め溶融池の長さと溶込み深さとの関係を示す近似直線の式を求めておき、その近似直線の式に溶融池の長さを代入することで溶込み深さを推定してもよい。
In the present embodiment, the penetration depth is estimated based on the length of the molten pool by interpolating the data of the length of the molten pool and the penetration depth stored in the
図２に戻り説明を続ける。ＲＡＭ３２は、書き換え可能な揮発性のメモリであり、ＣＰＵ３０によるプログラムの実行時に各種のデータを一時的に記憶する。図２に示す通り、ＲＡＭ３２は、温度分布データ３２ａ、形状データ３２ｂを少なくとも記憶する。
The explanation will be continued by returning to FIG. The
温度分布データ３２ａは、赤外線カメラ１９により可視化されたワークＡの温度分布のデータである。後述の判定処理では、この温度分布データ３２ａの温度分布の傾きから溶融池を特定する。
The
形状データ３２ｂは、判定処理において特定された後述する溶融池の幅や長さなどの溶融池の形状に関するデータである。判定処理では、この形状データ３２ｂと判定データ３１ｂとに基づいて溶込み深さを推定することで、レーザ溶接の品質の良否の判定が行われる。
The shape data 32b is data relating to the shape of the molten pool, such as the width and length of the molten pool, which will be described later, specified in the determination process. In the determination process, the quality of laser welding is determined by estimating the penetration depth based on the shape data 32b and the
次に図４を参照して、レーザが照射されたワークＡの温度分布と金属の状態との関係について説明する。図４（ａ）は、ワークＡで温度が測定された領域である所定領域の金属の状態をレーザ光Ｌが照射される方向からみた場合の模式図であり、（ｂ）は、そのときのｘ軸上での詳細な温度分布を示す図である。これらの図では、レーザ光ＬがＡ１の側からＡ２の側へと移動したときの状態を表している。そして、Ａ１−Ａ２方向をｘ軸とし、Ａ１−Ａ２方向と直交する方向をｙ軸としている。 Next, with reference to FIG. 4, the relationship between the temperature distribution of the work A irradiated with the laser and the state of the metal will be described. FIG. 4A is a schematic view of the state of the metal in a predetermined region, which is the region where the temperature was measured by the work A, when viewed from the direction in which the laser beam L is irradiated, and FIG. 4B is a schematic diagram at that time. It is a figure which shows the detailed temperature distribution on the x-axis. In these figures, the state when the laser beam L moves from the side of A1 to the side of A2 is shown. The A1-A2 direction is defined as the x-axis, and the direction orthogonal to the A1-A2 direction is defined as the y-axis.
図４（ａ）においてレーザ光Ｌが照射されている位置であるレーザ中心位置に最も近い領域ｔ１の金属の状態は、固体状態の金属を含まない液体状態の領域（以下、「非固体領域」と称す）であり、温度が最も高い。その周囲を囲む領域ｔ２の温度がその次に高く、液体状態の金属と固体状態の金属とが存在する領域（以下、「固液領域」と称す）である。そして領域ｔ２を取り囲む領域ｔ３の温度が最も低く、固体状態の金属だけが存在する領域（以下、「固体領域」と称す）である。なお、Ａ２側では、領域ｔ２が大きく膨らみ丸みを帯びているのに対し、Ａ１側では領域ｔ２の先端は膨らんでいない。これは、レーザ光ＬがＡ１側からＡ２側に移動していることによるものである。即ち、Ａ２側ではレーザ光Ｌが照射されてから急激に温度が上昇し、その周辺の広い範囲で温度が上昇しているのに対して、Ａ１側ではレーザ光Ｌが照射されてからの時間経過が長く、固液領域となる温度帯が続いていることによるものである。また、Ａ１−Ａ２軸上において、Ａ２側では領域ｔ２を経ずに領域ｔ３から領域ｔ１となっているが、これはレーザ中心位置からの距離が近く、ワークＡが加熱されてから直ちに温度が上昇していることによるものである。 In FIG. 4A, the state of the metal in the region t1 closest to the laser center position, which is the position where the laser beam L is irradiated, is the region in the liquid state containing no metal in the solid state (hereinafter, “non-solid region””. The temperature is the highest. The temperature of the region t2 surrounding the surrounding region is the next highest, and is a region in which a metal in a liquid state and a metal in a solid state exist (hereinafter, referred to as a “solid-liquid region”). The region t3 surrounding the region t2 has the lowest temperature, and is a region in which only the metal in the solid state exists (hereinafter, referred to as a “solid region”). On the A2 side, the region t2 is greatly bulged and rounded, whereas on the A1 side, the tip of the region t2 is not bulged. This is because the laser beam L is moving from the A1 side to the A2 side. That is, on the A2 side, the temperature rises sharply after the laser beam L is irradiated, and the temperature rises in a wide range around the area, whereas on the A1 side, the time after the laser beam L is irradiated. This is due to the fact that the course is long and the temperature range that becomes the solid-liquid region continues. Further, on the A1-A2 axis, on the A2 side, the region t3 to the region t1 do not pass through the region t2, but this is close to the laser center position and the temperature rises immediately after the work A is heated. This is due to the rise.
ここで、ワークＡにおける金属の状態変化について説明する。ワークＡは、常温では固体の金属である。レーザ光Ｌが照射されるとワークＡの温度が上昇し、ワークＡが固体の状態から液体の状態へと状態変化する。レーザ光Ｌの照射位置が移動すると、それまでレーザ光Ｌが照射されていた位置におけるワークＡの温度は下降し始める。ワークＡの温度が凝固点に達すると、ワークＡは液体の状態から固体の状態へと状態変化を始める。このとき、ワークＡが完全に固体の状態に変化するまで、温度は凝固点のままほとんど変化しない。そして、ワークＡが完全に固体に状態変化すると、温度は下降を始める。即ち、凝固点より温度が低ければワークＡは固体だけの状態であり、凝固点では固体と液体とが混在した状態であり、凝固点より温度が高い状態では固体が存在しない状態であるといえる。また、凝固点では温度がほぼ一定であり、その前後では温度が変化する。なお、このような金属の状態変化と温度変化との関係性は、ワークＡの素材によって変わるものではない。 Here, the change of state of the metal in the work A will be described. Work A is a metal that is solid at room temperature. When the laser beam L is irradiated, the temperature of the work A rises, and the work A changes its state from a solid state to a liquid state. When the irradiation position of the laser beam L moves, the temperature of the work A at the position where the laser beam L has been irradiated starts to decrease. When the temperature of the work A reaches the freezing point, the work A begins to change state from a liquid state to a solid state. At this time, the temperature remains at the freezing point and hardly changes until the work A changes to a completely solid state. Then, when the work A completely changes to a solid state, the temperature begins to decrease. That is, it can be said that if the temperature is lower than the freezing point, the work A is in a state of only a solid, at the freezing point, a state in which a solid and a liquid are mixed, and in a state in which the temperature is higher than the freezing point, there is no solid. In addition, the temperature is almost constant at the freezing point, and the temperature changes before and after that. The relationship between the state change of the metal and the temperature change does not change depending on the material of the work A.
図４（ｂ）を参照して、ｘ軸（Ａ１−Ａ２）上での詳細な温度分布について説明する。Ａ２側の端の領域ｔ３では温度は凝固点より低く一定である。Ａ１側に向かうと、レーザ光Ｌの影響により領域ｔ１付近で温度が上昇する。そして、凝固点より温度が高い領域ｔ１では、レーザ中心位置に向かって温度が急上昇し、レーザ中心位置を過ぎると温度が急下降する。更にＡ１側に向かい、凝固点になると領域ｔ２になり、温度はほぼ一定となる。そして、凝固点より温度が下がると領域ｔ３になる。領域ｔ３では、温度は下がった後一定となる。なお、Ａ２側の端では融点において温度が一定となっていないが、これはレーザ中心位置からの距離が近く、ワークＡが加熱されてから直ちに温度が上昇していることによるものである。 A detailed temperature distribution on the x-axis (A1-A2) will be described with reference to FIG. 4 (b). In the region t3 at the end on the A2 side, the temperature is constant below the freezing point. On the A1 side, the temperature rises in the vicinity of the region t1 due to the influence of the laser beam L. Then, in the region t1 where the temperature is higher than the freezing point, the temperature rises sharply toward the laser center position, and after passing the laser center position, the temperature drops sharply. Further toward the A1 side, when the freezing point is reached, the region t2 is reached, and the temperature becomes almost constant. Then, when the temperature drops below the freezing point, the region t3 is reached. In region t3, the temperature becomes constant after it drops. The temperature at the end on the A2 side is not constant at the melting point, but this is because the distance from the laser center position is short and the temperature rises immediately after the work A is heated.
領域ｔ２と領域ｔ３との境界を見てみると、温度分布の傾きが変化していることが分かる。即ち、領域ｔ２側では温度分布の傾きは極めて小さいのに対して、領域ｔ３側では、温度分布が下降するように傾いている。これは、領域ｔ２は凝固点にあり温度がほぼ一定であるのに対して、領域ｔ３は凝固点より温度が低く、温度が変化し始めるからである。また、領域ｔ２と領域ｔ１との境界でも、温度分布の傾きが変化する。即ち、領域ｔ２側では凝固点で温度がほぼ一定なのに対して、領域ｔ１側では凝固点より温度が高く、温度が変化する。 Looking at the boundary between the region t2 and the region t3, it can be seen that the slope of the temperature distribution is changing. That is, the inclination of the temperature distribution is extremely small on the region t2 side, whereas the inclination of the temperature distribution is inclined on the region t3 side. This is because the region t2 is at the freezing point and the temperature is almost constant, whereas the region t3 is lower than the freezing point and the temperature starts to change. Further, the slope of the temperature distribution also changes at the boundary between the region t2 and the region t1. That is, while the temperature on the region t2 side is almost constant at the freezing point, the temperature on the region t1 side is higher than the freezing point and the temperature changes.
上述の通り、領域ｔ２では温度がほとんど変化していないことから、領域ｔ２の温度は凝固点付近にあり、領域ｔ２は固液領域であることが分かる。これに対して、領域ｔ２よりも温度が高い方向に傾く領域ｔ１は非固体領域であり、領域ｔ２よりも温度が低い方向に傾く領域ｔ３は固体領域であることが分かる。よって、温度分布の傾きによって、固液領域と、非固体領域と、固体領域とを識別できる。また、上述の通り、金属の状態変化と温度の変化との関係は、ワークＡの素材によって変わるものではないので、ワークＡの素材が変わったとしても温度分布の傾きによって、固液領域と、非固体領域と、固体領域とを識別できる。 As described above, since the temperature in the region t2 hardly changes, it can be seen that the temperature in the region t2 is near the freezing point and the region t2 is a solid-liquid region. On the other hand, it can be seen that the region t1 inclined in the direction higher in temperature than the region t2 is a non-solid region, and the region t3 inclined in the direction lower in temperature than the region t2 is a solid region. Therefore, the solid-liquid region, the non-solid region, and the solid region can be distinguished by the slope of the temperature distribution. Further, as described above, the relationship between the change of state of the metal and the change of temperature does not change depending on the material of the work A. Therefore, even if the material of the work A changes, the solid-liquid region and the solid-liquid region are affected by the slope of the temperature distribution. The non-solid region and the solid region can be distinguished.
上述の通り、溶融池は、ワークＡが融解した領域（液体状態の金属を含む領域）なので、溶融池とは非固体領域（領域ｔ１）と固液領域（領域ｔ２）とを合わせた領域を指す。なお、本実施形態では、レーザ中心位置を通るＡ１−Ａ２方向の溶融池の長さのうち、溶融池のＡ１側の端からレーザ中心位置までの距離を「溶融池の長さ」とし、所定の位置におけるＡ１−Ａ２方向に直交する方向の溶融池の長さを「溶融池の幅」とする。 As described above, since the molten pool is a region where the work A is melted (a region containing a metal in a liquid state), the molten pool is a region in which a non-solid region (region t1) and a solid-liquid region (region t2) are combined. Point to. In the present embodiment, of the lengths of the molten pools in the A1-A2 direction passing through the laser center position, the distance from the end of the molten pool on the A1 side to the laser center position is defined as the "length of the molten pool". The length of the molten pool in the direction orthogonal to the A1-A2 direction at the position of is defined as the "width of the molten pool".
次に、図５を参照して演算処理装置２０のＣＰＵ３０で実行される判定処理について説明する。図５は、判定処理を示すフローチャートである。判定処理は、演算処理装置２０が赤外線カメラ１９から一画面分の温度分布データ３２ａを取り込むと実行される処理で、その温度分布データ３２ａから溶融池を特定し、その溶融池の形状に基づいてレーザ溶接の品質の良否を判断する処理である。
Next, the determination process executed by the
判定処理では、先ずＲＡＭ３２からＡ１−Ａ２軸上の温度分布データ３２ａを読み出す（Ｓ１）。そして、その温度分布データ３２ａからＡ１−Ａ２軸上の温度分布の傾きを生成する（Ｓ２）。即ち、Ａ１−Ａ２軸上の近隣の位置同士の温度の差を求め、その差から傾きを求める。なお、傾きを生成する前にＡ１−Ａ２軸上の温度分布データ３２ａを平滑化する処理を行うのが好ましい。これにより、各画素のデータの誤差が傾きに反映されることを抑制できる。次いで、Ｓ２の処理で求めた温度分布の傾きに基づいて、固液領域と固体領域とを識別する（Ｓ３）。即ち、温度変化の傾きが極めて小さい固液領域から温度が低い方向に傾く固体領域へと変化する境界を判断することで、固液領域と固体領域とを識別する。これにより、固液領域と固体領域との境界を認識できる。
In the determination process, first, the
次に、Ｓ２の処理で生成したＡ１−Ａ２軸上の温度分布の傾きから温度分布が最大となる位置を特定し、その位置をレーザ中心位置として特定する（Ｓ４）。レーザ中心位置は、ワークＡの中で最も高温となる場所だからである。そして、Ｓ３の処理で求めた固液領域のＡ１側の端からＳ４の処理で求めたレーザ中心位置までの距離を特定することで、溶融池の長さを特定する（Ｓ５）。次に、Ｓ５の処理で求めた溶融池の長さに基づいて、判定データ３１ｂを補間して溶込み深さを推定する（Ｓ６）。そして、その溶込み深さがレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内（図３の例では例えば、３．８ｍｍ〜５．０ｍｍ）にあるか否かを判断することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する（Ｓ７）。レーザ溶接の品質が良と判断されれば、レーザ溶接は引き続き実行される。一方、レーザ溶接の品質が不良と判断されれば、その旨を表示装置２１に表示し、レーザ溶接を中断する。これにより、レーザ溶接の品質が不良であるという情報を生産工程に素早くフィードバックさせ、不良品の発生を減らすことができる。
Next, the position where the temperature distribution is maximized is specified from the slope of the temperature distribution on the A1-A2 axis generated in the process of S2, and that position is specified as the laser center position (S4). This is because the laser center position is the hottest place in the work A. Then, the length of the molten pool is specified by specifying the distance from the end on the A1 side of the solid-liquid region obtained in the treatment of S3 to the laser center position obtained in the treatment of S4 (S5). Next, based on the length of the molten pool obtained in the process of S5, the
以上、第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓによれば、温度分布データ３２ａの温度分布の傾きに基づいて溶融池を特定し、その溶融池の形状からレーザ溶接の品質の良否を判定することができる。そのため、溶融池を特定するために閾値を設定する必要がない。よって、測定の条件が変わったとしても、閾値を設定し直す必要がない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、精度よく溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。
As described above, according to the laser welding apparatus S in the first embodiment, the molten pool can be specified based on the inclination of the temperature distribution of the
また、温度分布は、ワークＡの金属の状態によって変動するものであるため、固体領域と液体状態の金属を含む領域とでは温度が異なる。そのため、固体領域と液体状態の金属を含む領域との境界では、温度の傾きが変わる。このことは、溶融池を特定するための測定条件が変わったとしても変わりがない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、高い精度で溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。 Further, since the temperature distribution varies depending on the state of the metal of the work A, the temperature differs between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. Therefore, the slope of the temperature changes at the boundary between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. This does not change even if the measurement conditions for identifying the molten pool change. Therefore, regardless of the measurement conditions performed to identify the molten pool, the molten pool can be identified with high accuracy, so that there is an effect that the quality of laser welding can be determined with high accuracy.
次いで、図６、図７を参照して第２実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓについて説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、溶融池の長さから溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定した。これに対して、第２実施形態では溶融池の幅から溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定する。なお、その他のレーザ溶接装置Ｓの構成及び判定処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、以下、同一の構成については第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。 Next, the laser welding apparatus S according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. The laser welding apparatus S in the first embodiment estimates the penetration depth from the length of the molten pool, thereby determining the quality of the laser welding. On the other hand, in the second embodiment, the penetration depth is estimated from the width of the molten pool, and the quality of the laser welding is judged accordingly. Since each process of the configuration and the determination process of the other laser welding apparatus S is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given below to the same configurations as those of the first embodiment, and the description thereof will be described. Omit.
図６（ａ）は、第２実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓにより測定される所定領域の模式図であり、図６（ｂ）はそのときのｙ軸方向（Ｂ１−Ｂ２方向）での温度分布を示す図である。図６（ａ）に示す通り、本実施形態ではレーザ中心位置からｘ軸方向に所定距離Ｄにある位置において、Ｂ１−Ｂ２方向の溶融池の幅を特定する。このときのＢ１−Ｂ２方向の温度分布は、図６（ｂ）の通りである。即ち、Ｂ１側では温度が凝固点以下で低くほぼ一定であるが、レーザ中心位置が通過したｘ軸に近付くと、Ｂ２側に向かうと温度が上昇し、温度が凝固点となり、ほぼ一定となる。その後、温度が下降し、その後ほぼ一定となる。即ち、レーザ中心位置が通過したｘ軸付近の温度が高く、ｘ軸から離れた位置の温度は低くなっている。このときＢ１側とＢ２側の両端が固体領域となっている。そして、固体領域に挟まれる部分が液体状態の金属を含む領域となっており、図６（ｂ）の液体状態の金属を含む領域の長さが、溶融池の幅である。 FIG. 6A is a schematic view of a predetermined region measured by the laser welding apparatus S in the second embodiment, and FIG. 6B is a temperature distribution in the y-axis direction (B1-B2 direction) at that time. It is a figure which shows. As shown in FIG. 6A, in the present embodiment, the width of the molten pool in the B1-B2 direction is specified at a position at a predetermined distance D in the x-axis direction from the laser center position. The temperature distribution in the B1-B2 directions at this time is as shown in FIG. 6 (b). That is, on the B1 side, the temperature is low below the freezing point and is almost constant, but when the laser center position approaches the x-axis that has passed, the temperature rises toward the B2 side, and the temperature becomes the freezing point and becomes almost constant. After that, the temperature drops and then becomes almost constant. That is, the temperature near the x-axis through which the laser center position has passed is high, and the temperature at a position away from the x-axis is low. At this time, both ends on the B1 side and the B2 side are solid regions. The portion sandwiched between the solid regions is a region containing the metal in the liquid state, and the length of the region containing the metal in the liquid state in FIG. 6B is the width of the molten pool.
溶融池の幅も溶融池の長さと同様に溶込み深さと相関がある。そのため、予め溶融池の幅と溶込み深さとの関係を示す判定データ３１ｂを用意しておくことで、判定処理において溶融池の幅から溶込み深さを推定することができる。そして、推定された溶込み深さに基づいて、レーザ溶接の品質の良否を判定することができる。
The width of the molten pool has a correlation with the penetration depth as well as the length of the molten pool. Therefore, by preparing the
次に、図７を参照して判定処理について説明する。図７は、第２実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓの演算処理装置２０のＣＰＵ３０で実行される判定処理を示すフローチャートである。判定処理では、第１実施形態と同様のＳ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われた後、Ｓ４の処理で特定されたレーザ中心位置から所定距離Ｄにあるｘ軸上の所定位置を特定する（Ｓ１１）。この所定位置は、溶融池内（固液領域又は非固体領域内）にあればよく、固液領域内にあるとなおよい。固液領域内であれば、凝固点で温度が安定しているため、温度分布を高精度で測定することができるからである。
Next, the determination process will be described with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a flowchart showing a determination process executed by the
その後、Ｓ１２の処理では、Ｓ１１の処理で特定した所定位置におけるＢ１−Ｂ２軸上の温度分布データ３２ａを読み出す。そして、その温度分布データ３２ａからＢ１−Ｂ２軸上の温度分布の傾きを生成する（Ｓ１３）。次に温度分布の傾きに基づいて液体状態の金属を含む領域と固体領域とを識別し、Ｂ１側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界からＢ２側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界までの距離を特定することで、溶融池の幅を特定する（Ｓ１４）。その後、Ｓ１４の処理により特定された溶融池の幅から判定データ３１ｂを使って溶込み深さを推定する（Ｓ１５）。そして、第１実施形態と同様にＳ７の処理でレーザ溶接の品質の良否を判定する。これにより、溶融池の幅に基づいて溶込み深さを推定し、その溶込み深さからレーザ溶接の品質の良否を判定することができる。
After that, in the process of S12, the
以上、第２実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓによれば、温度分布データ３２ａの温度分布の傾きに基づいて溶融池を特定し、その溶融池の形状から溶融池の幅を特定してレーザ溶接の品質の良否を判定することができる。そのため、溶融池を特定するために閾値を設定する必要がない。従って、測定の条件が変わったとしても、閾値を設定し直す必要がない。その結果、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、精度よく溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。
As described above, according to the laser welding apparatus S in the second embodiment, the molten pool is specified based on the inclination of the temperature distribution of the
また、温度分布は、ワークＡの金属の状態によって変動するものであるため、固体領域と液体状態の金属を含む領域とでは温度が異なる。そのため、固体領域と液体状態の金属を含む領域との境界では、温度の傾きが変わる。このことは、溶融池を特定するための測定条件が変わったとしても変わりがない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、高い精度で溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。 Further, since the temperature distribution varies depending on the state of the metal of the work A, the temperature differs between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. Therefore, the slope of the temperature changes at the boundary between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. This does not change even if the measurement conditions for identifying the molten pool change. Therefore, regardless of the measurement conditions performed to identify the molten pool, the molten pool can be identified with high accuracy, so that there is an effect that the quality of laser welding can be determined with high accuracy.
なお、第１実施形態では溶融池の長さから溶込み深さを推定し、第２実施形態では溶融池の幅から溶込み深さを測定しているが、溶融池の長さと幅との両方に基づいて溶込み深さを推定してもよい。例えば、溶融池の長さから推定される溶込み深さと溶融池の幅から推定される溶込み深さとの相加平均を溶込み深さとして推定してもよい。 In the first embodiment, the penetration depth is estimated from the length of the molten pool, and in the second embodiment, the penetration depth is measured from the width of the molten pool. The penetration depth may be estimated based on both. For example, the arithmetic mean of the penetration depth estimated from the length of the molten pool and the penetration depth estimated from the width of the molten pool may be estimated as the penetration depth.
また、溶融池の長さから推定される溶込み深さと、溶融池の幅から推定される溶込み深さとのいずれもがレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲にある場合にレーザ溶接の品質を良いと判断してもよい。更に、溶融池の長さから推定される溶込み深さと、溶融池の幅から推定される溶込み深さとのいずれか一方がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲にある場合にレーザ溶接の品質を良いと判断してもよい。 In addition, when both the penetration depth estimated from the length of the molten pool and the penetration depth estimated from the width of the molten pool are within an appropriate range in which the quality of laser welding is good, laser welding is performed. You may judge that the quality is good. Furthermore, laser welding is performed when either the penetration depth estimated from the length of the molten pool or the penetration depth estimated from the width of the molten pool is within an appropriate range in which the quality of laser welding is good. You may judge that the quality of the laser is good.
その他、第２実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、第１実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。 In addition, the laser welding apparatus S in the second embodiment has the same effect as the first embodiment with the same configuration.
次に、図８、図９を参照して第３実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓについて説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、溶融池の長さから溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定した。これに対して、第３実施形態では液体状態の金属を含む領域内の複数の位置で溶融池の幅を求め、それらの溶融池の幅の差を評価することでレーザ溶接の品質の良否を判定する。なお、その他のレーザ溶接装置Ｓの構成及び判定処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、以下、同一の構成については第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。 Next, the laser welding apparatus S according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9. The laser welding apparatus S in the first embodiment estimates the penetration depth from the length of the molten pool, thereby determining the quality of the laser welding. On the other hand, in the third embodiment, the widths of the molten pools are obtained at a plurality of positions in the region containing the metal in a liquid state, and the difference in the widths of the molten pools is evaluated to determine the quality of laser welding. judge. Since each process of the configuration and the determination process of the other laser welding apparatus S is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given below to the same configurations as those of the first embodiment, and the description thereof will be described. Omit.
図８は、第３実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓにより測定される所定領域の模式図である。図８に示す通り、本実施形態ではレーザ中心位置から所定距離（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）にあって、溶融池内にある３つの位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）において、溶融池の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）を特定し、これらの溶融池の幅の差を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する。 FIG. 8 is a schematic view of a predetermined region measured by the laser welding apparatus S in the third embodiment. As shown in FIG. 8, in the present embodiment, at a predetermined distance (D1, D2, D3) from the laser center position, and at three positions (P1, P2, P3) in the molten pool, the width of the molten pool (W1, P3,) By identifying W2 and W3) and evaluating the difference in the widths of these molten pools, the quality of laser welding is determined.
次に、図９を参照して判定処理について説明する。図９は、第３実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓの演算処理装置２０のＣＰＵ３０で実行される判定処理を示すフローチャートである。判定処理では、第１実施形態の場合と同様のＳ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われる。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われた後、Ｓ４の処理で特定されたレーザ中心位置から所定距離（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）にあるｘ軸上の３つの所定位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）が特定される（Ｓ２１）。これらの所定位置は、溶融池内（固液領域又は非固体領域内）にあればよく、固液領域内にあるとなおよい。固液領域内であれば温度が凝固点で安定しているため、温度分布を高精度で測定することができるからである。
Next, the determination process will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a flowchart showing a determination process executed by the
次いで、Ｓ１１の処理で特定した各所定位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）におけるｙ軸方向の温度分布データ３２ａを読み出す（Ｓ２２）。そして、その温度分布データ３２ａから所定位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）におけるｙ軸方向の温度分布の傾きを算出する（Ｓ２３）。次いで、温度分布の傾きに基づいて液体状態の金属を含む領域と固体領域とを識別し、ｙ軸方向の一方の側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界からｙ軸方向の他方の側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界までの距離を特定することで、溶融池の幅（Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３）を特定する（Ｓ２４）。
Next, the
次いで、これらの溶融池の幅の差を評価する。そして、これらの溶融池の幅の差がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内（例えば、３５μｍ以下）であれば、レーザ溶接の品質は良いと判断し、これらの溶融池の幅の差がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内になければレーザ溶接の品質は不良と判断する（Ｓ２５）。溶融池の幅の差が適切な範囲にない場合は、レーザ光Ｌが照射されたワークＡの温度が一定でない等の原因により、レーザ溶接の品質が一定でなくなる可能性があるからである。これにより、所定位置（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３）においてレーザ溶接の品質が一定であるか否かを判定することができる。よって、使用者はレーザ溶接の品質の一定性を確認することができる。 Next, the difference in width between these molten pools is evaluated. Then, if the difference in the widths of these molten pools is within an appropriate range (for example, 35 μm or less) where the quality of laser welding is good, it is judged that the quality of laser welding is good, and the width of these molten pools If the difference is not within an appropriate range in which the quality of laser welding is good, the quality of laser welding is judged to be poor (S25). This is because if the difference in the widths of the molten pools is not within an appropriate range, the quality of laser welding may not be constant due to reasons such as the temperature of the work A irradiated with the laser beam L being not constant. This makes it possible to determine whether or not the quality of laser welding is constant at predetermined positions (P1, P2, P3). Therefore, the user can confirm the constant quality of laser welding.
なお、本実施形態では固液領域内の３つの所定位置について溶融池の幅を特定しているが、固液領域にある所定位置と非固体領域にある所定位置とが併存してもよい。例えば、非固体領域にある一の位置と固液領域にある一の位置とにおいて、溶融池の幅を求めてもよい。この場合、非固体領域にある位置の溶融池の幅と固液領域にある位置の溶融池の幅との差がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲より外れた場合、レーザ溶接の品質が不良であると判断してもよい。また、所定位置は３つの位置に限定されるものではない。所定位置同士の溶融池の幅の差を評価することができればよく、少なくとも２つの位置を所定位置とすればよい。 In the present embodiment, the width of the molten pool is specified for three predetermined positions in the solid-liquid region, but the predetermined positions in the solid-liquid region and the predetermined positions in the non-solid region may coexist. For example, the width of the molten pool may be determined at one position in the non-solid region and one position in the solid-liquid region. In this case, if the difference between the width of the molten pool at the non-solid region and the width of the molten pool at the solid-liquid region is out of the appropriate range for good laser welding quality, the laser welding quality. May be determined to be defective. Moreover, the predetermined position is not limited to three positions. It suffices if the difference in the width of the molten pool between the predetermined positions can be evaluated, and at least two positions may be set as the predetermined positions.
その他、第３実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、第１実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。 In addition, the laser welding apparatus S in the third embodiment has the same effect as the first embodiment with the same configuration.
次に、図１０、図１１を参照して第４実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓについて説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、溶融池の長さから溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定した。これに対して、第４実施形態ではレーザ中心位置から所定距離にあり、液体状態の金属を含む領域にある所定位置において、溶融池の幅を経時的に特定し、その溶融池の幅の経時的な変化の大きさを評価することでレーザ溶接の品質の良否を判定する。なお、その他のレーザ溶接装置Ｓの構成及び判定処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、以下、同一の構成については第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。 Next, the laser welding apparatus S according to the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 10 and 11. The laser welding apparatus S in the first embodiment estimates the penetration depth from the length of the molten pool, thereby determining the quality of the laser welding. On the other hand, in the fourth embodiment, the width of the molten pool is specified over time at a predetermined position in the region containing the metal in a liquid state at a predetermined distance from the center position of the laser, and the width of the molten pool with time. The quality of laser welding is judged by evaluating the magnitude of the change. Since each process of the configuration and the determination process of the other laser welding apparatus S is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given below to the same configurations as those of the first embodiment, and the description thereof will be described. Omit.
図１０（ａ）は、第４実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓにより測定される所定領域の模式図であり、図１０（ｂ）は溶融池の幅の経時的変化を示す図である。図１０（ａ）に示す通り、本実施形態ではレーザ中心位置から所定距離Ｄにあり、液体状態の金属を含む領域にある所定位置において、溶融池の幅Ｗを特定する。ここで、レーザ光ＬがワークＡに照射される位置は、Ａ１の側からＡ２の側へ向かって移動する。これに伴い、溶融池の幅を特定する所定位置も移動する。即ち、レーザ光Ｌが照射される位置が経時的に変化すると所定位置も変化する。本実施形態では、所定位置が経時的に変化した際のその所定位置における溶融池の幅を特定する。そして、溶融池の幅の経時的な変化を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する。 FIG. 10A is a schematic view of a predetermined region measured by the laser welding apparatus S in the fourth embodiment, and FIG. 10B is a diagram showing a change over time in the width of the molten pool. As shown in FIG. 10A, in the present embodiment, the width W of the molten pool is specified at a predetermined position in a region containing a metal in a liquid state at a predetermined distance D from the laser center position. Here, the position where the laser beam L is applied to the work A moves from the side of A1 toward the side of A2. Along with this, a predetermined position for specifying the width of the molten pool also moves. That is, when the position where the laser beam L is irradiated changes with time, the predetermined position also changes. In the present embodiment, the width of the molten pool at the predetermined position when the predetermined position changes with time is specified. Then, the quality of the laser welding is judged by evaluating the change in the width of the molten pool with time.
図１０（ｂ）に示す通り、溶融池の幅は経時的に変動する。そこで、所定期間内の溶融池の幅の最大値と最小値との差を変動量として溶融池の幅の経時的な変化の大きさを求める。 As shown in FIG. 10B, the width of the molten pool fluctuates with time. Therefore, the magnitude of the change over time in the width of the molten pool is determined by using the difference between the maximum value and the minimum value of the width of the molten pool within a predetermined period as the amount of fluctuation.
次に、図１１を参照して判定処理について説明する。図１１は、第４実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓの演算処理装置２０のＣＰＵ３０で実行される判定処理を示すフローチャートである。判定処理では、第１実施形態の場合と同様のＳ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われる。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われた後、Ｓ４の処理で特定されたレーザ中心位置から所定距離Ｄにある所定位置が特定される（Ｓ３１）。この所定位置は、溶融池内（固液領域又は非固体領域内）にあればよく、固液領域内にあるとなおよい。固液領域内であれば、温度が凝固点で安定しているため、温度分布を高精度で測定することができるからである。
Next, the determination process will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a flowchart showing a determination process executed by the
その後、Ｓ３２の処理では、Ｓ３１の処理で特定した所定位置におけるｙ軸方向の温度分布データ３２ａを読み出す。そして、その温度分布データ３２ａから所定位置におけるｙ軸方向の温度分布の傾きを生成する（Ｓ３３）。次に、Ｓ３４の処理では、温度分布の傾きに基づいて液体状態の金属を含む領域と固体領域とを識別し、ｙ軸方向の一方の側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界からｙ軸方向の他方の側の液体状態の金属を含む領域と固体領域との境界までの距離を特定することで、溶融池の幅を特定する。その後、Ｓ３４の処理で特定された溶融池の幅をＲＡＭ３２における形状データ３２ｂとして記憶する（Ｓ３５）。そして次に、形状データ３２ｂに記憶された溶融池の幅のデータのうち、直近の所定期間内に記憶されたものの最大値と最小値との差から変動量を求めることで、所定期間内の溶融池の幅の経時的な変化の大きさを評価する（Ｓ３６）。
After that, in the process of S32, the
次に、Ｓ３７の処理では、その変動量がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内（例えば、３５μｍ以下）にあればレーザ溶接の品質は良いと判断する。一方、変動量がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲内になければレーザ溶接の品質は不良と判断する。例えば二枚重ねされた金属板であるワークＡにおいて、金属板の間にレーザ溶接の品質の不良の要因となる隙間がある場合等には、温度変化が大きくなり、その結果として変動量が一定の範囲内に収まらなくなるからである。これにより、レーザ光Ｌの照射位置が移動した際、レーザ溶接された各位置でのレーザ溶接の品質のが一定であるか否かを判定することができる。よって、使用者はレーザ溶接の品質の一定性を確認することができる。 Next, in the process of S37, if the amount of fluctuation is within an appropriate range (for example, 35 μm or less) at which the quality of laser welding is good, it is determined that the quality of laser welding is good. On the other hand, if the amount of fluctuation is not within an appropriate range in which the quality of laser welding is good, the quality of laser welding is judged to be poor. For example, in work A, which is a double-layered metal plate, if there is a gap between the metal plates that causes poor quality of laser welding, the temperature change becomes large, and as a result, the amount of fluctuation is within a certain range. This is because it will not fit. Thereby, when the irradiation position of the laser beam L moves, it is possible to determine whether or not the quality of the laser welding at each position of the laser welding is constant. Therefore, the user can confirm the constant quality of laser welding.
Ｓ３７の処理の後、溶接が終了したか否かが判断される（Ｓ３８）。Ｓ３８の処理で溶接が終了していないと判断されると（Ｓ３８：Ｎｏ）、Ｓ１の処理に戻る。そして、溶接が終了するまで、Ｓ１の処理からＳ３８の処理までが１秒間隔で繰り返し実行される。一方、溶接が終了したと判断されると（Ｓ３８：Ｙｅｓ）、判定処理は終了する。 After the treatment of S37, it is determined whether or not the welding is completed (S38). When it is determined that the welding is not completed in the process of S38 (S38: No), the process returns to the process of S1. Then, the process from S1 to the process of S38 is repeatedly executed at 1-second intervals until the welding is completed. On the other hand, when it is determined that the welding is completed (S38: Yes), the determination process ends.
本実施形態では、溶融池の幅の経時的変化の大きさを評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定しているが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ中心位置から溶融池のＡ１側の端までの長さである溶融池の長さの経時的変化の大きさを評価することで、レーザ溶接の良否を判定してもよい。 In the present embodiment, the quality of laser welding is determined by evaluating the magnitude of the change in the width of the molten pool with time, but the quality is not limited to this. For example, the quality of laser welding may be determined by evaluating the magnitude of the change over time in the length of the molten pool, which is the length from the center position of the laser to the end on the A1 side of the molten pool.
本実施形態では、形状データ３２ｂに記憶された溶融池の幅のデータのうち、直近の所定期間内に記憶されたものの最大値と最小値との差から変動量を求めることで、直近の所定期間内の溶融池の幅の経時的な変化の大きさを評価しているが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ溶接を開始してから現在までの最大値と最小値の差から変動量を求めてもよい。 In the present embodiment, among the data of the width of the molten pool stored in the shape data 32b, the fluctuation amount is obtained from the difference between the maximum value and the minimum value of the data stored within the latest predetermined period, so that the latest predetermined value is obtained. The magnitude of the change in the width of the molten pool over time during the period is evaluated, but it is not limited to this. For example, the amount of fluctuation may be obtained from the difference between the maximum value and the minimum value from the start of laser welding to the present.
その他、第４実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、第１実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。 In addition, the laser welding apparatus S in the fourth embodiment has the same effect as the first embodiment with the same configuration.
次に、図１２、１３を参照して第５実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓについて説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、溶融池の長さから溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定した。これに対して、第５実施形態では、液体状態の金属を含む領域のうち、レーザ光Ｌの照射位置から特定距離以上離れた固液領域内における温度の傾きを評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する。なお、その他のレーザ溶接装置Ｓの構成及び判定処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、以下、同一の構成については第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。 Next, the laser welding apparatus S according to the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 12 and 13. The laser welding apparatus S in the first embodiment estimates the penetration depth from the length of the molten pool, thereby determining the quality of the laser welding. On the other hand, in the fifth embodiment, among the regions containing the metal in the liquid state, the temperature gradient in the solid-liquid region separated from the irradiation position of the laser beam L by a specific distance or more is evaluated to perform laser welding. Judge the quality. Since each process of the configuration and the determination process of the other laser welding apparatus S is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given below to the same configurations as those of the first embodiment, and the description thereof will be described. Omit.
図１２は、第５実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓにより測定される所定領域の模式図である。図１２に示す通り、レーザ光Ｌの照射位置から特定距離Ｄ離れて設けられた観察領域Ｏ内で固液領域に温度が異常に高い箇所Ｅが存在した場合、その箇所Ｅではレーザ溶接の品質の不良の要因となる金属の蒸発が大きいブローホールが発生している可能性がある。このとき、温度が異常に高い箇所Ｅでは周囲に比べて温度が高くなっているため、温度の傾きが高い方向へと変化する。従って、温度の傾きが変化する場合は、レーザ溶接の品質が不良であると判断する。 FIG. 12 is a schematic view of a predetermined region measured by the laser welding apparatus S in the fifth embodiment. As shown in FIG. 12, when there is an abnormally high temperature portion E in the solid-liquid region in the observation region O provided at a specific distance D away from the irradiation position of the laser beam L, the quality of laser welding is performed at that location E. There is a possibility that a blow hole with a large amount of metal evaporation has occurred, which causes the defect. At this time, since the temperature is higher than the surroundings at the location E where the temperature is abnormally high, the temperature gradient changes in the direction of high. Therefore, if the temperature gradient changes, it is judged that the quality of laser welding is poor.
次に、図１３を参照して判定処理について説明する。図１３は、第５実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓの演算処理装置２０のＣＰＵ３０で実行される判定処理を示すフローチャートである。判定処理では、第１実施形態の場合と同様のＳ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われる。Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４の処理が行われた後、Ｓ４の処理で特定されたレーザ中心位置から特定距離Ｄ離れた固液領域内に観察領域Ｏが特定される（Ｓ４１）。この観察領域Ｏは、温度分布の傾きを観察する領域である。この観察領域Ｏは、固液領域内にあることが望ましい。固液領域内であれば、レーザ中心位置から離れているため、非固体領域のように温度が高くなく、異常な高温箇所を発見しやすいからである。そのため、非固体領域を含まないように特定距離を設定することが望ましい。
Next, the determination process will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a flowchart showing a determination process executed by the
その後、Ｓ４２の処理では、Ｓ４１の処理で特定した観察領域Ｏの温度分布データ３２ａを読み出す。そして、その温度分布データ３２ａから観察領域内のｘ軸上の各位置におけるｙ軸方向の温度分布の傾きを生成する（Ｓ４３）。次に、Ｓ４４の処理では、温度分布の傾きに基づいて液体状態の金属を含む領域と固体領域とを識別し、溶融池の範囲を特定する。そして、観察領域Ｏ内の溶融池において、温度の傾きを評価する（Ｓ４５）。次に、Ｓ４６の処理では、Ｓ４５の処理で温度の傾きがレーザ溶接の品質が良となる適切な傾き以上の傾きとなる場所がある場合は、レーザ溶接の品質が不良であると判断する。一方、温度の傾きがレーザ溶接の品質が良となる適切な傾き以上の傾きとなる場所がない場合は、レーザ溶接の品質は良いと判断する。これにより、観察領域内の溶融池におけるレーザ溶接の品質が一定であるか否かを判定することができる。よって、使用者はレーザ溶接の品質の一定性を確認することができる。
After that, in the process of S42, the
本実施形態では、観察領域Ｏ内の溶融池において、温度の傾きを評価することで、固液領域に温度が異常に高い箇所が存在するか否かを判断しているが、これに限定されるものではない。例えば、観察領域Ｏ内の溶融池において、予め設定した温度以上となる箇所の有無によって、固液領域内に温度が異常に高い箇所が存在するか否かを判断してもよい。また、このとき温度が異常に高い箇所の面積が所定の広さ以上の場合、レーザ溶接の品質は不良であると判断し、温度が異常に高い箇所の面積が所定の広さ以上でない場合、レーザ溶接の品質は良であると判断してもよい。 In the present embodiment, it is determined whether or not there is an abnormally high temperature portion in the solid-liquid region by evaluating the temperature gradient in the molten pool in the observation region O, but the present invention is limited to this. It's not something. For example, in the molten pool in the observation region O, it may be determined whether or not there is an abnormally high temperature portion in the solid-liquid region depending on the presence or absence of a portion having a temperature higher than a preset temperature. At this time, if the area of the part where the temperature is abnormally high is equal to or larger than the predetermined area, it is judged that the quality of laser welding is poor, and if the area of the part where the temperature is abnormally high is not more than the predetermined area, it is determined. You may judge that the quality of laser welding is good.
その他、第５実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、第１実施形態と同一の構成によって、同一の効果を奏する。 In addition, the laser welding apparatus S in the fifth embodiment has the same effect as the first embodiment with the same configuration.
次に、図１４を参照して第６実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓについて説明する。第１実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓは、温度分布の傾きから固体領域と、固液領域と、非固体領域とを識別し、これに基づいて溶融池を特定した。これに対し、第６実施形態では、輝度分布の傾きから固体領域と、固液領域と、液体領域とを識別し、これに基づいて溶融池を特定する。なお、その他のレーザ溶接装置Ｓの構成及び判定処理の各処理は、第１実施形態と同一であるので、以下、同一の構成については第１実施形態と同一の符号を付し、その説明を省略する。 Next, the laser welding apparatus S according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG. The laser welding apparatus S in the first embodiment discriminates between a solid region, a solid-liquid region, and a non-solid region from the slope of the temperature distribution, and identifies the molten pool based on this. On the other hand, in the sixth embodiment, the solid region, the solid-liquid region, and the liquid region are identified from the slope of the luminance distribution, and the molten pool is specified based on this. Since each process of the configuration and the determination process of the other laser welding apparatus S is the same as that of the first embodiment, the same reference numerals are given below to the same configurations as those of the first embodiment, and the description thereof will be described. Omit.
第１実施形態のレーザ溶接装置Ｓでは、ダイクロイックレンズ１４として、レーザ光Ｌを通過させるが、少なくとも赤外線光は反射させるものを使用している。これに対し、本実施形態では、レーザ光Ｌをコリメートレンズ１３側からワークＡ側に通過させるが、少なくとも可視光をワークＡ側からプリズム１７側へ反射させるものを使用する。そして、赤外線カメラ１９の代わりに可視光を撮影するカメラにより、画像を撮影する。なお、プリズム１７とカメラ用集光レンズ１８との間に、赤外線のみを遮断する赤外カットフィルタや特定波長領域（可視光）のみを透過させるバンドパスフィルタ等の光学フィルタを設けてもよい。これにより、可視光以外の測定に不要な光を削減することができるため、測定精度を向上できる。
In the laser welding apparatus S of the first embodiment, as the
図１４（ａ）は、本実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓにより測定される所定領域の金属の状態の模式図であり、図１４（ｂ）は、そのｘ軸上での詳細な輝度分布を示す図である。図１４（ａ）において所定領域の金属の状態は、レーザ光Ｌが照射されている位置であるレーザ中心位置に最も近い領域が非固体領域であり、輝度が最も高い。その周囲を囲む固液領域の輝度がその次に高く、そして固液領域を取り囲む固体領域の輝度が最も低くなる。 FIG. 14A is a schematic view of the state of the metal in a predetermined region measured by the laser welding apparatus S in the present embodiment, and FIG. 14B shows a detailed luminance distribution on the x-axis thereof. It is a figure. In the state of the metal in the predetermined region in FIG. 14A, the region closest to the laser center position, which is the position where the laser beam L is irradiated, is the non-solid region, and the brightness is the highest. The brightness of the solid-liquid region surrounding the solid-liquid region is the next highest, and the brightness of the solid-liquid region surrounding the solid-liquid region is the lowest.
図１４（ｂ）を使って、Ａ１−Ａ２軸（ｘ軸）上での詳細な輝度分布について説明する。この輝度分布の傾きの変化は、図３（ｂ）の温度分布の傾きの変化と酷似している。即ち、Ａ２側の固体領域では低い輝度で一定となっており、非固体領域に近付くと輝度が上昇する。そして、非固体領域では輝度は上昇し、レーザ中心位置付近で最大となる。その後、輝度は低下し、固液領域では輝度はほぼ一定となる。そして固体領域では、輝度が低下し、その後ほぼ一定となる。これは、金属の輝度が金属の状態によって変化することによるものである。このように、輝度分布の傾きの変化は温度分布の傾きの変化と酷似しているため、輝度分布の傾きによって、固液領域と、非固体領域と、固体領域とを識別できる。即ち、固液領域では輝度の分布の傾きがほとんどない。これに対して、固液領域よりも輝度が高い方向に傾く領域は非固体領域であり、固液領域よりも輝度が低い方向に傾く領域は固体領域である。よって、輝度分布の傾きによって、固液領域と、非固体領域と、固体領域とを識別できる。これにより、赤外線カメラ１９を使用する必要がなく、簡単に溶融池を特定することができる。なお、レーザ中心位置付近で輝度が最も高くなっているが、これはレーザ光Ｌ自体の明るさによるものである。
A detailed luminance distribution on the A1-A2 axis (x-axis) will be described with reference to FIG. 14 (b). This change in the slope of the luminance distribution is very similar to the change in the slope of the temperature distribution in FIG. 3 (b). That is, the brightness is constant at a low brightness in the solid region on the A2 side, and the brightness increases as it approaches the non-solid region. Then, in the non-solid region, the brightness increases and becomes maximum near the center position of the laser. After that, the brightness decreases, and the brightness becomes almost constant in the solid-liquid region. Then, in the solid region, the brightness decreases and then becomes almost constant. This is because the brightness of the metal changes depending on the state of the metal. As described above, since the change in the slope of the luminance distribution is very similar to the change in the slope of the temperature distribution, the solid-liquid region, the non-solid region, and the solid region can be distinguished by the slope of the luminance distribution. That is, there is almost no inclination of the brightness distribution in the solid-liquid region. On the other hand, the region inclined in the direction of higher brightness than the solid-liquid region is the non-solid region, and the region inclined in the direction of lower brightness than the solid-liquid region is the solid region. Therefore, the solid-liquid region, the non-solid region, and the solid region can be distinguished by the slope of the brightness distribution. As a result, it is not necessary to use the
以上、第６実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓによれば、輝度分布の傾きに基づいて溶融池を特定し、その溶融池の形状からレーザ溶接の品質の良否を判定することができる。そのため、溶融池を特定するために閾値を設定する必要がない。よって、測定の条件が変わったとしても、閾値を設定し直す必要がない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、精度よく溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。 As described above, according to the laser welding apparatus S in the sixth embodiment, the molten pool can be specified based on the inclination of the brightness distribution, and the quality of the laser welding can be judged from the shape of the molten pool. Therefore, it is not necessary to set a threshold value to specify the molten pool. Therefore, even if the measurement conditions change, it is not necessary to reset the threshold value. Therefore, regardless of the measurement conditions performed to identify the molten pool, the molten pool can be identified with high accuracy, so that there is an effect that the quality of laser welding can be determined with high accuracy.
また、輝度分布は、ワークＡの金属の状態によって変動するものであるため、固体領域と液体状態の金属を含む領域とでは輝度が異なる。そのため、固体領域と液体状態の金属を含む領域との境界では、輝度の傾きが変わる。このことは、溶融池を特定するための測定条件が変わったとしても変わりがない。従って、溶融池を特定するために行われる測定の条件に関わらず、高い精度で溶融池を特定できるので、高い精度でレーザ溶接の品質を判定できるという効果がある。 Further, since the brightness distribution varies depending on the state of the metal of the work A, the brightness differs between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. Therefore, the slope of the brightness changes at the boundary between the solid region and the region containing the metal in the liquid state. This does not change even if the measurement conditions for identifying the molten pool change. Therefore, regardless of the measurement conditions performed to identify the molten pool, the molten pool can be identified with high accuracy, so that there is an effect that the quality of laser welding can be determined with high accuracy.
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、各実施形態は、それぞれ、他の実施形態が有する構成の一部又は複数部分を、その実施形態に追加し或いはその実施形態の構成の一部又は複数部分と交換等することにより、その実施形態を変形して構成するようにしてもよい。また、上記各実施形態で挙げた数値は一例であり、他の数値を採用することは当然可能である。 Although the present invention has been described above based on the embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments, and it is easy to make various improvements and modifications within a range that does not deviate from the gist of the present invention. It can be inferred. For example, each embodiment is provided by adding a part or a plurality of parts of the configuration of another embodiment to the embodiment or exchanging a part or a plurality of parts of the structure of the embodiment with each other. The embodiment may be modified to form the configuration. Further, the numerical values given in each of the above embodiments are examples, and it is naturally possible to adopt other numerical values.
例えば、第１実施形態から第５実施形態の少なくとも２つを組み合わせて実施してもよい。例えば、溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅から溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定するのに加えて、液体状態の金属を含む領域内の複数の位置で溶融池の幅を求め、それらの溶融池の幅の差を評価することでレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。更に、形状データ３２ｂに記憶された溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅のデータのうち、直近の所定期間内に記憶されたものの最大値と最小値との差から変動量を求めることで、直近の所定期間内の溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅の経時的な変化の大きさからレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。これらに加えて、レーザ光Ｌの照射位置から特定距離以上離れた固液領域内における温度の傾きを評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。この場合、全ての判定でレーザ溶接の品質が良と判定されなければ不良としてもよい。また、全ての判定で少なくとも１つでレーザ溶接の品質が良と判定されれば良としてもよい。なお、第１実施形態から第５実施形態の少なくとも２つを他の組み合わせになるように、組み合わせてもよい。 For example, at least two of the first to fifth embodiments may be combined and implemented. For example, in addition to estimating the penetration depth from the length and / or width of the molten pool to determine the quality of laser welding, multiple regions within the region containing the metal in the liquid state. The quality of the laser welding may be judged by determining the width of the molten pool at the position and evaluating the difference in the widths of the molten pools. Further, among the data of the length and / or the width of the molten pool stored in the shape data 32b, the fluctuation amount is obtained from the difference between the maximum value and the minimum value of the data stored within the latest predetermined period. Therefore, the quality of laser welding may be judged from the magnitude of the change over time in the length of the molten pool and / or the width of the molten pool within the latest predetermined period. In addition to these, the quality of the laser welding may be judged by evaluating the inclination of the temperature in the solid-liquid region separated from the irradiation position of the laser beam L by a specific distance or more. In this case, if the quality of the laser welding is not judged to be good in all the judgments, it may be regarded as a defect. Further, it may be acceptable as long as the quality of the laser welding is judged to be good by at least one of all the judgments. In addition, at least two of the first to fifth embodiments may be combined so as to be another combination.
また、輝度によって溶融池を特定した場合であっても、第１実施形態から第５実施形態のいずれかと組み合わせて実施してもよい。更に、第１実施形態から第５実施形態の少なくとも２つと組み合わせて実施してもよい。例えば、その溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅から溶込み深さを推定し、それによってレーザ溶接の品質の良否を判定するようにしてもよい。加えて、液体状態の金属を含む領域内の複数の位置で溶融池の幅を求め、それらの溶融池の幅の差を評価することでレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。更に、形状データ３２ｂに記憶された溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅のデータのうち、直近の所定期間内に記憶されたものの最大値と最小値との差から変動量を求めることで、溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅の経時的な変化の大きさからレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。これらに加えて、レーザ光Ｌの照射位置から特定距離以上離れた固液領域内における温度の傾きを評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。この場合、全ての判定でレーザ溶接の品質が良と判定されなければ不良としてもよい。また、全ての判定で少なくとも１つでレーザ溶接の品質が良と判定されれば良としてもよい。なお、第１実施形態から第５実施形態の少なくとも２つを他の組み合わせになるように、組み合わせてもよい。 Further, even when the molten pool is specified by the brightness, it may be carried out in combination with any of the first to fifth embodiments. Further, it may be carried out in combination with at least two of the first to fifth embodiments. For example, the penetration depth may be estimated from the length and / or the width of the molten pool, thereby determining the quality of the laser welding. In addition, the quality of laser welding may be determined by determining the widths of the molten pools at a plurality of positions in the region containing the metal in a liquid state and evaluating the difference in the widths of the molten pools. Further, among the data of the length and / or the width of the molten pool stored in the shape data 32b, the fluctuation amount is obtained from the difference between the maximum value and the minimum value of the data stored within the latest predetermined period. Then, the quality of the laser welding may be judged from the magnitude of the change over time in the length of the molten pool and / or the width of the molten pool. In addition to these, the quality of the laser welding may be judged by evaluating the inclination of the temperature in the solid-liquid region separated from the irradiation position of the laser beam L by a specific distance or more. In this case, if the quality of the laser welding is not judged to be good in all the judgments, it may be regarded as a defect. Further, it may be acceptable as long as the quality of the laser welding is judged to be good by at least one of all the judgments. In addition, at least two of the first to fifth embodiments may be combined so as to be another combination.
上記第１実施形態では、レーザ中心位置から溶融池のＡ１側の端までの距離を溶融池の長さとして求めているがこれに限定されるものではない。例えば溶融池のＡ１側の端からＡ２側の端までの距離（固液領域の長さ）を溶融池の長さとしてもよい。固液領域の長さも溶込み深さと相関があるからである。 In the first embodiment, the distance from the laser center position to the end of the molten pool on the A1 side is determined as the length of the molten pool, but the length is not limited to this. For example, the distance from the end on the A1 side of the molten pool to the end on the A2 side (the length of the solid-liquid region) may be the length of the molten pool. This is because the length of the solid-liquid region also correlates with the penetration depth.
上記第１実施形態では、溶融池の長さから溶込み深さを推定し、その溶込み深さからレーザ溶接の品質の良否を判定しているが、これに限定されるものではない。例えば、判定データ３１ｂに溶融池の長さとレーザ溶接の品質の良否との関係を示すデータを記憶しておき、測定された溶融池の長さがレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲にあればレーザ溶接の品質を良いと判断してもよい。溶融池の長さと溶込み深さとは相関関係があり、溶込み深さとレーザ溶接の品質の良否とは相関関係があることから、溶融池の長さとレーザ溶接の品質の良否にも相関関係があるといえるからである。また、溶融池の幅についても同様に判定データ３１ｂに溶融池の幅とレーザ溶接の品質の良否との関係を示すデータを記憶しておき、測定された溶融池の幅がレーザ溶接の品質が良となる適切な範囲にあればレーザ溶接の品質を良いと判断してもよい。
In the first embodiment, the penetration depth is estimated from the length of the molten pool, and the quality of the laser welding is determined from the penetration depth, but the quality is not limited to this. For example, data indicating the relationship between the length of the molten pool and the quality of laser welding is stored in the
上記実施形態では、レーザ溶接装置Ｓにおいてレーザ溶接の品質を判断しているが、これに限定されるものではない。例えば、レーザ溶接装置Ｓと共に使用されるレーザ溶接品質判定装置において、レーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。具体的には、レーザ溶接品質装置は、少なくとも赤外線カメラ１９、演算処理装置２０を備え、赤外線カメラ１９により撮影された温度分布データ３２ａの温度分布の傾きから、演算処理装置２０において溶融池を特定し、その溶融池の長さ及び／又は幅から溶込み深さを推定し、その溶込み深さからレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。加えて、液体状態の金属を含む領域内の複数の位置で溶融池の幅を求め、それらの溶融池の幅の差を評価することでレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。更に、形状データ３２ｂに記憶された溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅のデータのうち、直近の所定期間内に記憶されたものの最大値と最小値との差から変動量を求めることで、溶融池の長さ及び／又は溶融池の幅の経時的な変化の大きさからレーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。これらに加えて、レーザ光Ｌの照射位置から特定距離以上離れた固液領域内における温度の傾きを評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定してもよい。この場合、全ての判定でレーザ溶接の品質が良と判定されなければ不良としてもよい。また、全ての判定で少なくとも１つでレーザ溶接の品質が良と判定されれば良としてもよい。
In the above embodiment, the laser welding apparatus S determines the quality of laser welding, but the quality is not limited thereto. For example, in the laser welding quality determination device used together with the laser welding device S, the quality of the laser welding may be determined. Specifically, the laser welding quality apparatus includes at least an
Ｓ レーザ溶接装置
１０ レーザ発振器（レーザ照射手段の一部）
１１ 光ファイバ（レーザ照射手段の一部）
１２ ファイバアダプタ（レーザ照射手段の一部）
１６ レーザ加工ヘッド（レーザ照射手段の一部）
１９ 赤外線カメラ（測定手段）
Ｓ レーザ溶接装置
Ｓ２ （傾き判断手段）
Ｓ３ （状態識別手段）
Ｓ５ （溶融池特定手段）
Ｓ７ （判定手段）
S Laser Welding Device 10 Laser Oscillator (Part of Laser Irradiation Means)
11 Optical fiber (part of laser irradiation means)
12 Fiber adapter (part of laser irradiation means)
16 Laser processing head (part of laser irradiation means)
19 Infrared camera (measuring means)
S Laser welding device S2 (Inclination determination means)
S3 (state identification means)
S5 (Melting pond identification means)
S7 (judgment means)
Claims (9)
レーザ光を発振して、金属との相対的な位置を変化させながらレーザ光を金属に照射させるレーザ光照射手段と、
金属の状態によって変動する所定の物理量の分布を、前記レーザ光照射手段によりレーザ光が照射された金属の所定領域において測定する測定手段と、
その測定手段により測定された前記所定領域における前記所定の物理量の分布に基づいて、各位置における前記所定の物理量の変化量である傾きを判断する傾き判断手段と、
その傾き判断手段により判断された傾きに基づいて、前記所定領域における固体状態だけの金属の領域である固体領域と、液体状態の金属を含む領域とを識別する状態識別手段と、
その状態識別手段により識別された前記液体状態の金属を含む領域を溶融池として特定する溶融池特定手段と、
その溶融池特定手段により特定された前記溶融池を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する判定手段と、を備えることを特徴とするレーザ溶接装置。 A laser welding device that irradiates a metal with a laser beam to weld the metal.
A laser beam irradiating means that oscillates a laser beam and irradiates the metal with the laser beam while changing the position relative to the metal.
A measuring means for measuring a distribution of a predetermined physical quantity that varies depending on the state of the metal in a predetermined region of the metal irradiated with the laser beam by the laser beam irradiating means.
An inclination determining means for determining an inclination, which is an amount of change in the predetermined physical quantity at each position, based on the distribution of the predetermined physical quantity in the predetermined region measured by the measuring means.
A state identification means for discriminating between a solid region, which is a region of metal only in the solid state, and a region containing metal in the liquid state, based on the inclination determined by the inclination determining means.
A molten pool identifying means for identifying a region containing the metal in the liquid state identified by the state identifying means as a molten pool,
A laser welding apparatus comprising: a determination means for determining the quality of laser welding by evaluating the molten pool specified by the molten pool specifying means.
金属の状態によって変動する所定の物理量の分布を、前記レーザ溶接装置によりレーザ光が照射された金属の所定領域において測定する測定手段と、
その測定手段により測定された前記所定領域における前記所定の物理量の分布に基づいて、各位置における前記所定の物理量の変化量である傾きを判断する傾き判断手段と、
その傾き判断手段により判断された傾きに基づいて、前記所定領域における固体状態だけの金属の領域である固体領域と、液体状態の金属を含む領域とを識別する状態識別手段と、
その状態識別手段により識別された前記液体状態の金属を含む領域を溶融池として特定する溶融池特定手段と、
その溶融池特定手段により特定された前記溶融池を評価することで、レーザ溶接の品質の良否を判定する判定手段と、を備えることを特徴とするレーザ溶接品質判定装置。
A laser welding quality determination device that irradiates a metal with laser light while changing its relative position with the metal and determines the quality of laser welding performed by the laser welding device that welds the metal.
A measuring means for measuring the distribution of a predetermined physical quantity that varies depending on the state of the metal in a predetermined region of the metal irradiated with the laser beam by the laser welding apparatus.
An inclination determining means for determining an inclination, which is an amount of change in the predetermined physical quantity at each position, based on the distribution of the predetermined physical quantity in the predetermined region measured by the measuring means.
A state identification means for discriminating between a solid region, which is a region of metal only in the solid state, and a region containing metal in the liquid state, based on the inclination determined by the inclination determining means.
A molten pool identifying means for identifying a region containing the metal in the liquid state identified by the state identifying means as a molten pool, and a molten pool identifying means.
A laser welding quality determining apparatus comprising: a determining means for determining the quality of laser welding by evaluating the molten pool specified by the molten pool specifying means.
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