JP5967042B2 - レーザ溶接良否判定装置及びレーザ溶接良否判定方法 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ溶接部において貫通溶接状態が維持されているか否かを検出してレーザ溶接状態の良否を判定することができるレーザ溶接良否判定装置及びレーザ溶接良否判定方法に関する。

従来、溶接鋼管の製造方法の一つとして、熱延鋼管などを連続的に供給し、円筒状に成形しながらその両縁を突き合せて溶接し鋼管製品として製造する方法がある。この溶接方法としては、電気抵抗溶接法（ＥＲＷ法）が多く用いられているが、近年、レーザ光を熱源として溶接するレーザ溶接法が用いられるようになった。特に、近年では、発振波長が従来のＣＯ２レーザなどの気体レーザより短い半導体励起レーザ、ファイバーレーザなどが用いられ、溶接時に蒸気化した被溶接金属とレーザ光との相互作用によるプラズマ発生などによる効率低下が発生しにくい高性能レーザ溶接機が開発されている。

ところで、このレーザ溶接法を鋼管に適用する場合、鋼材の厚み方向にわたって溶融することが必要なことから、貫通溶接状態を維持させることが必要となる。しかし、鋼帯の連続的な成形工程では、製造ラインの条件や入熱の条件等によって、その突き合わせ位置が変動しやすい。このため、レーザ溶接部におけるレーザの照射位置を連続的に検出し、レーザ光の照射位置を的確に制御する必要がある。

このレーザ溶接部の溶接監視方法としては、例えば、特許文献１に記載されているように、レーザ溶接部をテレビカメラで直接監視し、溶接線（シーム位置）、溶接池中心位置を検出するようにしている。この方法では、レーザ溶接部を外部照明で照明し、観察結果として溶接線は暗く、溶接池は明るいということを前提として、撮像した画像上の水平方向（溶接鋼管の走行方向と直角な方向）に、溶接線検出用と溶接池検出用とに各々１ラインの位置を決めて、その水平ラインの輝度パターンを２値化して、溶接線及び溶接池の位置を検出するようにしている。

また、特許文献２では、レーザ光照射部の近傍の溶接部に投光器から照射され鋼板から反射された反射光とプラズマの光とを撮像部によって撮像し、この撮像された画像中で、周辺の鋼板部より輝度が高い部分をレーザ照射位置として検出するようにしている。

特公昭５５−１８４３９号公報 特開２０００−２６３２６６号公報

しかしながら、上述した特許文献１，２に記載されたものは、レーザ溶接部のレーザ光照射側の画像を取得して溶接線及び溶接池の位置や、レーザ照射位置を検出するのみである。すなわち、特許文献１，２に記載されたものは、レーザ溶接部において貫通溶接状態が維持されているか否かを検出しておらず、レーザ溶接状態の良否を判定することができない。

この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ溶接部において貫通溶接状態が維持されているか否かを検出してレーザ溶接状態の良否を判定することができるレーザ溶接良否判定装置及びレーザ溶接良否判定方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかるレーザ溶接良否判定装置は、鋼帯の両縁を突き合わせ、この突合せ部にレーザ光を照射して溶接した溶接管のレーザ溶接部の良否判定を行うレーザ溶接良否判定装置であって、前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像する撮像部と、前記撮像部が撮像した画像からレーザ溶接貫通に伴う噴出部の特徴量を算出する特徴量算出部と、連続して取得される前記画像の所定領域内の前記特徴量の値が所定継続時間以上、所定値以下となる場合に前記レーザ溶接部の溶接不良が発生したと判定する溶接良否判定部と、前記溶接不良の発生を含む溶接良否状態を出力する出力部と、を備えたことを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定装置は、上記の発明において、前記特徴量は、前記所定領域内における前記噴出部が占める面積であることを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定装置は、上記の発明において、前記撮像部は、前記噴出部が発光する波長光を検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定装置は、上記の発明において、８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側に照射する光源と、前記撮像部の受光部に設けられ、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光のみを透過させる帯域透過フィルタと、を備え、前記撮像部は、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を受光して前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像することを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定方法は、鋼帯の両縁を突き合わせ、この突合せ部にレーザ光を照射して溶接した溶接管のレーザ溶接部の良否判定を行うレーザ溶接良否判定方法であって、前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像する撮像ステップと、前記撮像ステップによって撮像した画像からレーザ溶接貫通に伴う噴出部の特徴量を算出する特徴量算出ステップと、連続して取得される前記画像の所定領域内の前記特徴量の値が所定継続時間以上、所定値以下となる場合に前記レーザ溶接部の溶接不良が発生したと判定する溶接良否判定ステップと、前記溶接不良の発生を含む溶接良否状態を出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定方法は、上記の発明において、前記特徴量は、前記所定領域内における前記噴出部が占める面積であることを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定方法は、上記の発明において、前記撮像ステップは、前記噴出部が発光する波長光を検出することを特徴とする。

また、この発明にかかるレーザ溶接良否判定方法は、上記の発明において、８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側に照射する単波長光照射ステップを含み、前記撮像ステップは、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光のみを受光して前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像することを特徴とする。

この発明によれば、特徴量算出部が、撮像部が撮像した画像からレーザ溶接貫通に伴う噴出部の特徴量を算出し、溶接良否判定部が、連続して取得される前記画像の所定領域内の前記特徴量の値が所定継続時間以上、所定値以下となる場合に前記レーザ溶接部の溶接不良が発生したと判定するようにしているので、レーザ溶接部において貫通溶接状態が維持されているか否かを検出してレーザ溶接状態の良否を判定することができる。

図１は、この発明の実施の形態にかかるレーザ溶接良否判定装置を含むレーザ溶接装置の概要構成を示す模式図である。 図２は、溶接管に対するレーザ光と撮像部との位置関係を示す模式図である。 図３は、貫通溶接されたレーザ溶接部の断面を示す模式図である。 図４は、貫通溶接されないレーザ溶接部の断面を示す模式図である。 図５は、貫通溶接されたレーザ溶接部のレーザ溶接貫通側の画像の一例を示す図である。 図６は、貫通溶接されないレーザ溶接部のレーザ溶接貫通側の画像の一例を示す図である。 図７は、溶接長に対するスパッタ特徴量の変化の一例を示す図である。 図８は、画像処理部によるレーザ溶接良否判定処理手順を示すフローチャートである。 図９は、この発明の実施の形態の変形例にかかるレーザ溶接良否判定装置を含むレーザ溶接装置の概要構成を示す模式図である。 図１０は、スパッタの発光スペクトルと、図９に示した光源及び帯域通過フィルタの波長域とを示す図である。

以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。

（レーザ溶接装置の概要構成）
図１は、この発明の実施の形態にかかるレーザ溶接良否判定装置を含むレーザ溶接装置の概要構成を示す模式図である。また、図２は、溶接管に対するレーザ光７と撮像部８との位置関係を示す模式図である。図１において、まず、鋼帯１は、管体搬送方向Ａの上流側において、図示しない成形手段によって幅方向に凹型を介して円筒形に成形され、図２に示すように、鋼帯１の両縁が突き合わされた突合せ部９が形成される。図１及び図２において、溶接用レーザ光源４から出力されたレーザ光７は、伝送チューブや光ファイバなどで、突合せ部９のレーザ溶接部５近傍まで伝送され、光学系６によってレーザ溶接部５でエネルギー密度が高まるように集光される。鋼帯１は、このレーザ溶接部５に対するレーザ光７の照射によって突合せ部９がレーザ溶接され、溶接管として管体搬送方向Ａに搬送される。

この溶接管には、管体搬送方向Ａの上流側から切削バー３が嵌入される。この切削バー３は、上流側の支持アーム２によって支持される。切削バー３には、レーザ溶接部５の下流側に切削バイト２０が設けられる。この切削バイト２０は、レーザ溶接部５での押し付け量（アプセット）が大きい場合に発生する溶鋼の盛り上がり（溶接ビード）などを、溶接管の搬送に伴って管体内面において連続して切削する。

（レーザ溶接良否判定装置の概要構成）
レーザ溶接良否判定装置は、撮像部８、画像処理部１０、及び表示部１３を有する。撮像部８は、上述した切削バー３を利用し、切削バー３上に配置される。撮像部８は、切削バイト２０の上流側であってレーザ溶接部５の近傍に設けられ、レーザ溶接中、レーザ溶接部５を管体内側（レーザ溶接貫通側）から連続して撮像する。撮像された画像は、画像処理部１０に送られる。画像処理部１０は、特徴量算出部１１と溶接良否判定部１２とを有する。特徴量算出部１１は、画像から、レーザ溶接貫通に伴う噴出部（スパッタ）の特徴量（スパッタ特徴量）を算出する。溶接良否判定部１２は、取得された画像上のレーザ溶接部５に対応する所定領域Ｅ内のスパッタ特徴量Ｃが所定継続時間以上、所定値以下となる場合にレーザ溶接部５の溶接不良が発生したと判定する。この判定結果は、表示部に表示出力されるとともに、図示しないブザーなどによって警報出力される。

なお、撮像部８は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等の市販の工業監視用カメラを用いることができる。また、所定領域Ｅは、スパッタの発生範囲を考慮し、たとえば、レーザ溶接部５及びその周辺２０ｍｍ四方程度の範囲としている。さらに、撮像部８は、連続撮像する場合の撮像頻度を一般のビデオカメラの撮像頻度（３０フレーム／秒）でもよいが、さらに頻度を数倍高めた撮像頻度であってもよい。要は、溶接不良の継続時間等を考慮して設定すればよい。

（レーザ溶接良否判定の概念）
図３及び図４は、レーザ溶接部５の断面を模式的に示している。レーザ溶接部５では、レーザ光が溶接管外部から照射されると、レーザ光のエネルギーによって鋼材が溶融し、キーホールを形成しつつ貫通する。この際、レーザ溶接部５のレーザ光照射側に溶鋼が激しく噴出するスパッタ（噴出部）が飛び散るが、溶接管内部のレーザ溶接貫通側にもスパッタＳＰが放射状に飛び散る。このスパッタＳＰは、図３に示すように、貫通溶接である場合に発生し、図４に示すように、貫通溶接でない溶接不良の場合には発生しない。したがって、スパッタＳＰの存在は、レーザ溶接が貫通溶接で良好であることの直接的な証拠として用いることができる。

そして、スパッタＳＰは、自発光によって周囲よりも明るく、画像中では画素値が高いため、画像取得によって容易にスパッタＳＰの存在を検出することができる。図５は、スパッタＳＰが発生した場合の画像の一例であり、レーザ溶接部５を中心とする所定領域Ｅ内にスパッタＳＰの明るい画像領域Ｅｓｐを確認することができる。また、図６は、スパッタＳＰが発生しない場合の画像の一例であり、所定領域Ｅ内にスパッタＳＰの明るい画像領域Ｅｓｐを確認することができない。なお、所定領域Ｅは、レーザ溶接部５と撮像部８との位置関係が一定であれば、スパッタＳＰの発生位置もほぼ一定である。ここで、所定領域Ｅ外にスパッタＳＰの明るい画像領域Ｅｓｐが存在する場合は、レーザ光が突合せ部９の端面に対して斜めに照射されている場合や、レーザ光の照射位置がレーザ溶接部５から位置ずれしている場合などである。したがって、所定領域Ｅ内にスパッタＳＰが存在しない場合は、全て溶接不良と判定することができる。

この所定領域Ｅ内におけるスパッタＳＰの存在判定は、まず、特徴量算出部１１によって所定領域Ｅ内に占める明るい部分の面積（画素数）をスパッタ特徴量Ｃとして算出する。そして、溶接良否判定部１２は、このスパッタ特徴量Ｃが所定継続時間以上、所定値Ｃｔｈ以下となる場合にスパッタＳＰが発生しておらず、溶接不良であると判定する。なお、所定継続時間は、撮像部８が画像を連続して撮像する撮像間隔の整数倍とすることができる。たとえば、撮像間隔の２倍の時間を所定継続時間とする場合、２回連続取得された画像の所定領域Ｅでスパッタ特徴量Ｃが所定値Ｃｔｈ以下の場合に、溶接不良であると判定する。なお、この所定継続時間は、１つの撮像間隔であってもよい。

図７は、溶接長に対するスパッタ特徴量Ｃの変化の一例を示したものである。なお、図５の画像は、グラフ上Ｐ１の位置のものであり、図６の画像は、グラフ上Ｐ２の位置のものである。この場合、所定値Ｃｔｈ（＝５００）以下の場合に、貫通溶接されずに溶接不良となっている。したがって、グラフ上Ｐ３の位置、溶接長が１ｍのときにも溶接不良が発生していると判定することができる。

（レーザ溶接良否判定処理）
ここで、図８に示したフローチャートを参照して、レーザ溶接良否判定処理手順について説明する。まず、溶接良否判定部１２は、変数Ｎを初期値０に設定する（ステップＳ１０１）。その後、特徴量算出部１１は、撮像部８が撮像した画像を取得する（ステップＳ１０２）。さらに、特徴量算出部１１は、取得した画像中の所定領域Ｅ内の画像を２値化処理する（ステップＳ１０３）。この２値化処理によって、画素値が０〜２５５である場合に、画素値は、０（暗い）と２５５（明るい）とに分離される。その後、この２値化画像を用いて所定領域Ｅ内の画素値が２５５である画素の積算値をスパッタ特徴量Ｃとして算出する（ステップＳ１０４）。

その後、溶接良否判定部１２は、スパッタ特徴量Ｃが所定値Ｃｔｈ以下であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。スパッタ特徴量Ｃが所定値Ｃｔｈ以下でない場合（ステップＳ１０５，Ｎｏ）には、ステップＳ１０１に移行し、変数Ｎを初期値０に設定する。一方、スパッタ特徴量Ｃが所定値Ｃｔｈ以下である場合（ステップＳ１０５，Ｙｅｓ）には、変数Ｎをインクリメントし（ステップＳ１０６）、さらに変数Ｎが２以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０７）。変数Ｎが２以上でない場合（ステップＳ１０７，Ｎｏ）には、ステップＳ１０２に移行する。一方、変数Ｎが２以上である場合（ステップＳ１０７，Ｙｅｓ）には、溶接不良が発生したものと判定し、溶接不良が発生した旨を表示部１３に表示出力するとともに、図示しないブザーなどの警報部を介して警報出力する（ステップＳ１０８）。

なお、このフローでは、画像が所定間隔で取得されることを前提し、この所定間隔の２倍を所定継続時間として設定している。したがって、２回連続してスパッタ特徴量Ｃが所定値Ｃｔｈ以下となった場合に溶接不良が発生したものと判定している。

（変形例）
上述した実施の形態では、レーザ溶接部５のレーザ溶接貫通側に発生するスパッタＳＰの自発光を撮像するようにしていたが、この変形例では、スパッタＳＰの光強度に影響されずに溶接管内のスパッタ以外の鋼板表面なども撮像することができるようにしている。

すなわち、図９に示すように、切削バー３上にレーザ溶接部５のレーザ溶接貫通側に８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を照射する光源１４を設けるとともに、撮像部８の受光部に、８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光のみを透過させる帯域透過フィルタ１５を設けている。

図１０は、スパッタＳＰが発光する光強度の波長スペクトルを示しており、スパッタＳＰは、８００ｎｍ未満の波長成分を多く含んでいる。一方、ＣＣＤカメラなどの撮像部８の撮像感度は、９００ｎｍを超える赤外線領域で小さくなる。したがって、スパッタ光強度の小さい波長領域である８００ｎｍ以上で、撮像部８の撮像感度がある９００ｎｍ以下とする波長領域Δλで撮像することによって、スパッタＳＰとスパッタＳＰ以外の鋼板表面などとを、ともに含む画像を得ることができる。

なお、光源１４は、短波長光源であってもよいし、白色光源を帯域フィルタを介して照射波長制限を行うものであってもよい。特に、光源１４は、半導体レーザ光源（ＬＤ）が小型で高い光強度を出力することができるので好ましい。また、帯域透過フィルタ１５は、例えば、薄膜誘電体方式の干渉フィルタを用いることができる。

この実施の形態及び変形例では、レーザ溶接部５のレーザ溶接貫通側に発生したスパッタＳＰの存在をもとに、レーザ溶接の貫通溶接状態が維持されたか否かを的確に、かつリアルタイムで検出するようにしているので、レーザ溶接が溶接不良状態となった場合の復旧を早期に行うことができるので、鋼管製造の歩留まりを向上させることができる。また、製造される鋼管の品質を向上させることができる。

１ 鋼帯
２ 支持アーム
３ 切削バー
４ 溶接用レーザ光源
５ レーザ溶接部
６ 光学系
７ レーザ光
８ 撮像部
９ 突合せ部
１０ 画像処理部
１１ 特徴量算出部
１２ 溶接良否判定部
１３ 表示部
１４ 光源
１５ 帯域透過フィルタ
２０ 切削バイト
Ａ 管体搬送方向
Ｃ スパッタ特徴量
Ｃｔｈ 所定値
Ｅ 所定領域
Ｅｓｐ 画像領域
ＳＰ スパッタ
Δλ 波長領域

Claims (8)

1. 鋼帯の両縁を突き合わせ、この突合せ部にレーザ光を照射して溶接した溶接管のレーザ溶接部の良否判定を行うレーザ溶接良否判定装置であって、
   前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像する撮像部と、
   前記撮像部が撮像した画像からレーザ溶接貫通に伴ってレーザ溶接貫通側のキーホールから飛び散るスパッタである噴出部の特徴量を算出する特徴量算出部と、
   連続して取得される前記画像の所定領域内の前記特徴量の値が所定継続時間以上、所定値以下となる場合に前記レーザ溶接部の溶接不良が発生したと判定する溶接良否判定部と、
   前記溶接不良の発生を含む溶接良否状態を出力する出力部と、
   を備えたことを特徴とするレーザ溶接良否判定装置。
2. 前記特徴量は、前記所定領域内における前記噴出部が占める面積であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接良否判定装置。
3. 前記撮像部は、前記噴出部が発光する波長光を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接良否判定装置。
4. ８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側に照射する光源と、
   前記撮像部の受光部に設けられ、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光のみを透過させる帯域透過フィルタと、
   を備え、
   前記撮像部は、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を受光して前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接良否判定装置。
5. 鋼帯の両縁を突き合わせ、この突合せ部にレーザ光を照射して溶接した溶接管のレーザ溶接部の良否判定を行うレーザ溶接良否判定方法であって、
   前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像する撮像ステップと、
   前記撮像ステップによって撮像した画像からレーザ溶接貫通に伴ってレーザ溶接貫通側のキーホールから飛び散るスパッタである噴出部の特徴量を算出する特徴量算出ステップと、
   連続して取得される前記画像の所定領域内の前記特徴量の値が所定継続時間以上、所定値以下となる場合に前記レーザ溶接部の溶接不良が発生したと判定する溶接良否判定ステップと、
   前記溶接不良の発生を含む溶接良否状態を出力する出力ステップと、
   を含むことを特徴とするレーザ溶接良否判定方法。
6. 前記特徴量は、前記所定領域内における前記噴出部が占める面積であることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接良否判定方法。
7. 前記撮像ステップは、前記噴出部が発光する波長光を検出することを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ溶接良否判定方法。
8. ８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光を前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側に照射する単波長光照射ステップを含み、
   前記撮像ステップは、前記８００ｎｍ以上、９００ｎｍ以下の波長光のみを受光して前記レーザ溶接部のレーザ溶接貫通側を連続して撮像することを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ溶接良否判定方法。