JPH10113776A - チリ発生状況認識方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接時に発生するチリの定量化認識が困難で
あった。 【解決手段】 赤外線カメラ１２によって溶接部位周辺
を撮影し、取得した赤外線情報を温度演算部１８で温度
情報に変換する。さらにチリ演算部２２で、前記温度情
報を該温度情報の分布密度に基づいてチリ判別を行うチ
リ判別定数で前記温度情報がチリが熱源となる情報であ
るか否かを判別し、チリによる温度情報であると判別さ
れた情報の総和を求め、チリ発生量に対応するチリ発生
指数を算出し、チリ発生状況の認識を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チリ発生状況認識
方法、特に溶接作業中に発生するチリの定量的な認識を
容易に行うチリ発生状況認識方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、抵抗スポット溶接やアーク溶接
の品質を安定的に維持管理するためには、基本溶接条件
（溶接電流、通電時間、加圧力）に加えて電極管理が重
要になる。たとえば、この電極管理の周期を減らすため
に、溶接打点に比例して溶接電流をアップするステップ
アップ溶接電流制御が採用されている。しかし、電極の
消耗状態や設備、被溶接物の状態等の外乱が刻々と経時
変化するため、厳密には適正な溶接条件の設定をするこ
とが困難である。そのため、溶接ハナレ等の不良が発生
しないようにするために、一般に溶接電流やステップア
ップ率は安全計数を加えて大きめの設定になりがちであ
る。この結果、溶接部位からは多くのチリが発生してい
る。なお、抵抗スポット溶接において発生するチリを、
アーク溶接ではスパッタと称しているが、以下において
は両者を代表させてチリと称する。

【０００３】このチリは溶接現場においては、溶接品質
保証の目安になっており、品質モニタとして有効な制御
量になっている。つまり、チリの発生があると十分なナ
ゲット径が確保され、安心感も出て溶接品質管理の「目
の管理」にも使用できる。

【０００４】しかし、溶接強度が最大でエネルギ効率が
最も良い条件は、チリ発生直前の溶接条件である。ま
た、チリは溶接部位で材料等が溶けて飛散する結果発生
するもので、作業環境の悪化や作業効率の低下の原因に
なっている。つまり、チリの飛散は周囲の汚れを招くと
共に、製品表面に付着した場合は修復作業を必要とし、
設備のセンサ部や摺動部に付着した場合は誤動作や故障
の原因になる。実際の溶接現場では、作業者が目視によ
りチリの有無や量の判定を行っているが、作業者の主観
が入るため信頼性が低かった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、溶接条件の変
更の検討や作業環境改善の検討には、現在発生している
チリ発生状況、特にチリの量を正確に把握することが必
要になる。従来のチリ発生量の測定は、溶接前後の被溶
接物の重量を測定したり、溶接設備の周辺にシート等を
配置して飛散したチリを実際に回収して重量を測る等の
方法によって行っているのが現状であり、実際の生産現
場でのチリ量の測定は困難であった。つまり、特別な測
定時間等を設けて、測定するか実験室でシミュレーショ
ン等を行うことによって測定を行わなければならないと
いう問題があった。

【０００６】本発明は、上記実情に鑑みてなされたもの
で、溶接現場でも作業者の主観が入ることなく定量的な
チリの発生状況を把握することのできるチリ発生状況認
識方法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、本発明の構成は、赤外線検出センサにより
溶接部位周辺から放射される赤外線情報を取得するステ
ップと、前記赤外線情報を温度情報に換算するステップ
と、前記温度情報の分布密度に基づいてチリ判別を行う
チリ判別定数を取得するステップと、前記チリ判別定数
による判別結果に基づいて前記赤外線検出センサの素子
毎の温度情報の総和を行いチリ発生指数の算出を行うス
テップと、を含み、前記チリ発生指数に基づいてチリ発
生状況の認識を行うことを特徴とする。

【０００８】ここで、温度情報とは赤外線温度センサの
各検出素子が検出した赤外線量の平均値に基づいて換算
される温度で、赤外線を放射する熱源の数が多いほど１
個の検出素子の検出する平均赤外線量は増加し、温度情
報の値は増加する。また、チリ判別定数は、熱源をチリ
と認定できる最低温度を定めたもので、前記検出素子の
検出結果に基づく温度情報が前記最低温度以上の場合、
チリであると判別する。前述したように熱源の数に応じ
て温度情報の値が増加するため、前記温度情報をチリの
量とすることができる。なお、溶接部位の温度は高温に
なるが、高温部分の範囲がきわめて狭いため検出素子の
赤外線の平均値は、チリによる赤外線の平均値に比べて
小さく、前記チリ判別定数による判別で区別することが
できる。

【０００９】この構成によれば、温度情報をチリ判別定
数により識別し、その総和を計算することによって、温
度情報の定量化を行っている。つまり、検出素子の検出
範囲内に存在するチリの量に対応して、その範囲で温度
の分布密度が増え検出できる温度が高くなることを利用
してチリ発生状況の定量化を行っている。このように、
溶接作業中に発生するチリの温度を直接検出することに
よって容易にチリの発生状況の定量化を行うことができ
る。なお、必要に応じて、チリ発生指数と実際のチリ重
量や体積との換算テーブルを準備することによって実際
のチリの重量や体積を表示することもできる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施形態を
図面に基づき説明する。図１にはチリ発生状況認識方法
を実現するためのチリ認識装置１０の構成概念図が示さ
れている。赤外線カメラ１２は、市販のもので、赤外線
検出素子として、例えばインジウムアンチモンや水銀カ
ドニウムテルル等が使用され、サンプリング周期５０Ｈ
ｚ、測定素子数が縦１２０個×横１６０個程度のもので
ある。

【００１１】電極１４によって挟持された被溶接物１６
は、所定の挟持圧力のもとで所定電圧が印加されると、
スポット溶接を開始する。前記赤外線カメラ１２は溶接
部１６ａの近傍を測定範囲として設定配置され、前記溶
接部１６ａから飛翔するチリ（溶融金属の飛び散り片）
の撮影を行う。そして、赤外線カメラ１２で取得された
赤外線情報は、温度演算部１８に入力される。前記赤外
線カメラ１２の赤外線検出素子は被測定物の材質（放射
率）と温度により受ける赤外線量が決まっているため、
前記温度演算部１８は、あらかじめ準備された赤外線量
と温度とが対応した変換テーブルに基づいて、赤外線情
報を温度情報に換算し、順次データ記憶部２０に転送し
記憶させる。なお、前記赤外線カメラ１２と温度演算部
１８とが一体化された赤外線温度検出装置を用いてもよ
い。

【００１２】チリ演算部２２では、前記データ記憶部２
０に記憶されたチリの温度情報に基づいて、該温度情報
の定量化を行う。なお、表示部２４には、定量化したチ
リ情報を表示するが、前記温度演算部１８で算出された
実際のチリ温度等を同時に表示してもよい。

【００１３】続いて、図１に加えて、図２のフローチャ
ートを用いて、具体的なチリの赤外線情報による定量化
について説明する。まず、前記赤外線カメラ１２により
溶接部１６ａ近傍の撮影を行う（Ｓ１００）。そして、
チリから放射される赤外線の測定を行う（Ｓ１０１）。
続いて、測定した赤外線情報の温度換算を行うに当たっ
て、あらかじめ入力されている被溶接物１６の放射率や
室温（溶接現場）を取得する（Ｓ１０２）。被溶接物１
６は、通常状態でも赤外線を放出している。また、被溶
接物１６の表面状態や照明の状態、室温等によっても赤
外線測定値が変動してしまう。つまり、放射率や室温は
被溶接物１６が通常放射する赤外線（バックグラウン
ド）を排除して温度換算時の補正を正確に行うためのも
のである。そして、温度演算部１８では、赤外線カメラ
１２で取得した赤外線データを別途取得した放射率や室
温によって補正し、さらに温度演算部１８の有する変換
テーブルに基づいて、チリの本来の測定温度を算出する
（Ｓ１０３）。

【００１４】一般に、チリの大きさは１ｍｍ³程度で、
その飛翔速度は１０ｍ／Ｓ程度であるのに対して、前述
したような市販の赤外線カメラ１２はサンプリング周期
５０Ｈｚ、測定素子数が縦１２０個×横１６０個で、測
定範囲（視野）を縦３００ｍｍ×横４００ｍｍとした場
合解像度が縦３００／１２０ｍｍ、横４００／１６０ｍ
ｍ程度であるため、赤外線カメラ１２の各検出素子は該
検出素子の測定範囲に存在する熱源（チリ）を測定範囲
全体でとらえた時の平均的温度を測定することになる。
このような測定条件の場合、溶接部位周辺のチリの温度
は、数百度程度で検出される。なお、実際のチリの表面
温度は１０００℃以上である。従って、赤外線を放射す
る熱源（チリ）の数が多いほど１個の検出素子の検出す
る平均赤外線量は増加し、それに基づく温度情報の値は
増加する。なお、この時、撮影範囲には非常に高温であ
る溶接部位も含まれるが、高温になる範囲がきわめて狭
いため測定範囲の平均温度を比較した場合、チリ等によ
る温度上昇よりはるかに小さくなる。このように換算さ
れた温度データは順次データ記憶部２０に記憶される
（Ｓ１０４）。

【００１５】続いて、チリ演算部２２は、あらかじめ実
験室等で測定・算出したチリ判別定数を取得し（Ｓ１０
５）、チリ発生指数の計算を行う（Ｓ１０６）。前記チ
リ判別定数は、例えば、熱源をチリと認定できる範囲を
定めたもので、最低温度Ｔｍｉｎを定めたもので、実験
室等で実際のチリの温度を詳細に解析することによって
求めた実験値である。例えば、前記検出素子の赤外線検
出結果に基づく温度ＴがＴ＜Ｔｍｉｎ＝１２２．５℃の
場合、検出素子の測定範囲内を熱源であるチリが通過し
なかったと判断して、Ｔ＝０とする。また、Ｔｍｉｎ＝
１２２．５℃＜Ｔの場合、検出素子の測定範囲内にチリ
が存在したと判断して、Ｔの値を維持する。このような
温度に関する温度補正関数をｆ（Ｔ）として、前記赤外
線検出センサ１２の各検出素子に関する温度補正を行
い、その値の総和をチリ発生指数Ｅとする。すなわちチ
リ発生指数Ｅは以下の式で算出できる。

【００１６】

【数１】 なお、Ｔは赤外線カメラの１素子の赤外線情報に基づく
温度情報、ｉは赤外線カメラの水平方向の素子数、ｊは
赤外線カメラの垂直方向の素子数、ｎは温度測定のサン
プリング数である。

【００１７】このように、温度補正関数ｆによって、チ
リと認識された熱源の数に応じて検出する温度が増加す
ることになる。すなわち、温度情報をチリ発生量に対応
する相対的な量とすることができる。

【００１８】図３（ａ）に示すグラフは、上述した方法
で算出したチリ発生指数と被溶接物の総板厚との関係で
あり、図３（ｂ）に示すグラフは、実際に従来のチリ量
算出方法（実験室で溶接前後の被溶接物の重量を比較し
て求めたもの）により算出したチリ発生量と総板厚の関
係を示すものである。両者から明らかなようにチリ発生
指数が実際のチリ発生量の代替え値として使用できるこ
とがわかる。チリ演算部２２は、データ記憶部２０を介
して表示部２４にチリ発生指数を数値として表示しても
よいし、図３（ａ）のようにグラフとして表示してもよ
い。

【００１９】なお、チリ発生状況認識において、チリ発
生指数を用いて、チリの絶対量を表示するようにしても
よい。チリの絶対量が必要な場合（Ｓ１０７）、図３
（ａ），（ｂ）等によりあらかじめ作成したチリ発生量
換算テーブルを取得し（Ｓ１０８）、チリ発生指数をチ
リ発生量に換算する（Ｓ１０９）。このチリの絶対量も
前記チリ発生指数やグラフと共に表示部２４に表示して
処理を終了する。なお、Ｓ１０７において、チリの絶対
量が必要ない場合、チリ発生指数等の表示のみで処理を
終了する。

【００２０】このように、溶接現場で実際の作業中に溶
接作業自体を赤外線カメラで撮影するのみで、測定者の
主観が入ることなくチリの定量化表示を容易に行い、チ
リ発生状況を認識することができる。この定量化表示さ
れたチリ発生量に基づいて、溶接条件の検討や作業環境
の検討を進めることができる。

【００２１】なお、本実施形態ではスポット溶接を例に
とって説明したが、アーク溶接等チリが発生する溶接法
であれば、全般に適用が可能で、同様な効果を得ること
ができる。

【００２２】また、本実施形態で示したチリ判別定数
は、溶接設備や赤外線撮影状態によって変化するため、
適宜選択する必要がある。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、溶接現場で実際の作業
中に溶接作業自体を赤外線カメラで撮影するのみで、測
定者の主観が入ることなくチリの定量化表示を容易に行
い、チリ発生状況を認識することができる。そして、定
量化表示されたチリ発生量に基づいて、溶接条件の検討
や作業環境の検討を進めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態のチリ発生状況認識方法を
実現するためのチリ認識装置の構成概念図である。

【図２】 本発明の実施形態のチリ発生状況認識方法の
フローチャートである。

【図３】 （ａ）はチリ発生指数と総板厚との関係を示
す説明図であり、（ｂ）はチリ発生量と総板厚の関係を
示す説明図である。

【符号の説明】

１０ チリ認識装置、１２ 赤外線カメラ、１８ 温度
演算部、２０ データ記憶部、２２ チリ演算部、２４
表示部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線検出センサにより溶接部位周辺か
   ら放射される赤外線情報を取得するステップと、 前記赤外線情報を温度情報に換算するステップと、 前記温度情報の分布密度に基づいてチリ判別を行うチリ
   判別定数を取得するステップと、 前記チリ判別定数による判別結果に基づいて前記赤外線
   検出センサの素子毎の温度情報の総和を行いチリ発生指
   数の算出を行うステップと、 を含み、前記チリ発生指数に基づいてチリ発生状況の認
   識を行うことを特徴とするチリ発生状況認識方法。