特開 2023-98476 アーク溶接の溶接品質判定装置、アーク溶接の溶接品質判定方法、及びアーク溶接の溶接品質判定プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023098476

(43)【公開日】2023-07-10

(54)【発明の名称】アーク溶接の溶接品質判定装置、アーク溶接の溶接品質判定方法、及びアーク溶接の溶接品質判定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20230703BHJP

   G01N 21/95 20060101ALI20230703BHJP

   B23K 31/00 20060101ALI20230703BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 B

G01N21/95 Z

B23K31/00 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021215266

(22)【出願日】2021-12-28

(71)【出願人】

【識別番号】515086908

【氏名又は名称】株式会社トヨタプロダクションエンジニアリング

(74)【代理人】

【識別番号】110002516

【氏名又は名称】弁理士法人白坂

(72)【発明者】

【氏名】椛島 治樹

【テーマコード（参考）】

2G051

2G059

【Ｆターム（参考）】

2G051AA90

2G051AB02

2G051AB13

2G051AC21

2G051CA04

2G051CB01

2G051CC15

2G051CD04

2G051EB01

2G051EC06

2G059AA05

2G059BB20

2G059EE02

2G059EE12

2G059FF01

2G059HH01

2G059HH02

2G059HH03

2G059JJ02

2G059KK04

2G059MM05

(57)【要約】

【課題】アーク溶接の溶接部位に生じる金属部材の溶け込み量を非破壊検査により推定して溶接品質を判定する溶接品質判定装置を提供する。
【解決手段】所定波長の電磁波を溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、電磁波を照射して反射される反射波長を検出する検出部と、反射波長の反射スペクトルを生成する処理部とを備え、処理部は、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍から反射される反射波長を検出して溶接状態を取得する溶接状態取得部と、アーク溶接後の溶接状態と照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持し、溶接状態に基づいて照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択部と、選択された波長を照射する指示を生成する照射指示部と、反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成部と、分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定部と、溶接品質の判定の結果を出力する出力部とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１部材と第２部材とをアーク溶接して生じる溶接部のアーク溶接の溶接品質判定装置であって、
前記溶接品質判定装置は、
所定波長の電磁波を前記溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、
前記電磁波を照射して前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出する検出部と、
前記検出部において検出された前記反射波長の反射スペクトルを生成する処理部と、を備え、
前記処理部は、
前記検出部を通じて、アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出して前記溶接部及び前記溶接部近傍の溶接状態を取得する溶接状態取得部と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍に生じる溶接状態と前記溶接部及び前記溶接部近傍に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、取得された溶接状態に基づいて前記照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択部と、
前記選択された波長の電磁波を前記照射部より照射する指示を生成する照射指示部と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の前記反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成部と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の走査方向に沿った前記分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定部と、を備える
ことを特徴とするアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項2】

前記判定部は、アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の走査方向に沿った前記分光分布に基づいて前記第１部材及び前記第２部材に生じた溶け込み量を推定して溶接品質を判定する請求項１に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項3】

前記判定部は、前記第１部材及び前記第２部材の組み合わせと前記第１部材及び前記第２部材に対するアーク溶接の条件とが対応付けられ、前記分光分布と前記溶け込み量とを関連付けを示した対応テーブルに基づいて、前記溶接品質を判定する請求項２に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項4】

前記第１部材及び前記第２部材は同種類の金属材料である請求項１ないし３にいずれか１項に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項5】

前記所定波長の電磁波は、互いに波長の異なる複数の電磁波である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項6】

前記所定波長の電磁波は、青ないし紫外光の波長帯の電磁波と、近赤外光の波長帯の電磁波の２種類である請求項１ないし４のいずれか１項に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項7】

前記品質判定装置の前記検出部は、アーク溶接後の前記第１部材及び前記第２部材により形成される前記溶接部及び前記溶接部近傍を撮影する撮影部を備え、
前記処理部は、前記撮影部により撮影したアーク溶接後の溶接部位画像を取得する画像取得部を備え、
前記分布生成部は、前記溶接部位画像に前記分光分布の画像を重ね合わせる請求項１ないし６のいずれか１項に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項8】

前記処理部は、前記溶接品質の判定の結果を出力する出力部を備える請求項１ないし７のいずれか１項に記載のアーク溶接の溶接品質判定装置。

【請求項9】

第１部材と第２部材とをアーク溶接して生じる溶接部のアーク溶接の溶接品質判定装置における溶接品質判定方法であって、
前記溶接品質判定装置は、
所定波長の電磁波を前記溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、
前記電磁波を照射して前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出する検出部と、
前記検出部において検出された前記反射波長の反射スペクトルを生成する処理部と、を備え、
前記処理部は、
前記検出部を通じて、アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出して前記溶接部及び前記溶接部近傍の溶接状態を取得する溶接状態取得ステップと、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍に生じる溶接状態と前記溶接部及び前記溶接部近傍に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、取得された溶接状態に基づいて前記照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択ステップと、
前記選択された波長の電磁波を前記照射部より照射する指示を生成する照射指示ステップと、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の前記反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成ステップと、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の走査方向に沿った前記分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定ステップと、を実行する
ことを特徴とするアーク溶接の溶接品質判定方法。

【請求項10】

第１部材と第２部材とをアーク溶接して生じる溶接部のアーク溶接の溶接品質判定装置における溶接品質判定プログラムであって、
前記溶接品質判定装置は、
所定波長の電磁波を前記溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、
前記電磁波を照射して前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出する検出部と、
前記検出部において検出された前記反射波長の反射スペクトルを生成する処理部と、を備え、
前記処理部に、
前記検出部を通じて、アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍から反射される反射波長を検出して前記溶接部及び前記溶接部近傍の溶接状態を取得する溶接状態取得機能と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍に生じる溶接状態と前記溶接部及び前記溶接部近傍に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、取得された溶接状態に基づいて前記照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択機能と、
前記選択された波長の電磁波を前記照射部より照射する指示を生成する照射指示機能と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の前記反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成機能と、
アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の走査方向に沿った前記分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定機能と、を実現させる
ことを特徴とするアーク溶接の溶接品質判定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、アーク溶接の溶接品質判定装置、アーク溶接の溶接品質判定方法、及びアーク溶接の溶接品質判定プログラムに関し、アーク溶接された被溶接物を非破壊による光学的手法によりアーク溶接の溶接品質を判定する溶接品質判定装置とその方法及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

鋼板等の金属部材同士を溶接により接合する際にアーク溶接が使用される。アーク溶接の後、金属部材同士を溶接した箇所が規定の溶接状態であることが確認されていた。具体的には、アーク溶接後の溶接部位に超音波を照射し溶接部位の内部を検査する方法、アーク溶接後の溶接部位に放射線（Ｘ線）を照射し溶接部位の内部を検査する方法等の非破壊検査の方法がある。また、アーク溶接後の溶接部位を切断して当該部位を研磨、溶剤処理等の後、顕微鏡観察することも行われている。

【0003】

前出の超音波を使用する検査は、溶接部位に生じるブローホール等と称される気泡（空間）の有無にしか有効ではない。放射線照射の検査は、線源、検出器を現場に持ち込む必要がある。そのため、大型の部品、形状が複雑な部品の溶接部位に対応することが難しい、また、アーク溶接時の金属部材の溶け込み量を推定することができない。

【0004】

溶接部位を切断して検査する場合、破壊検査であるため抜き取りによる検査しか実施することができず、検査のための加工に多くの工数が必要となる。加えて、アーク溶接の溶接打点数（溶接箇所の総数）が多くなると、余計に検査負担が増大する。

【0005】

このような経緯から、超音波検査、放射線検査に代替する非破壊検査の手法が求められていた。具体的には、アーク溶接の溶接部位にスリット光を照射しその反射光による光切断画像を得て溶接品質を検査する方法（特許文献１参照）、テレセントリック光学系においてＲＧＢバンドパスフィルタを用いた溶接観察装置（特許文献２参照）、赤外線波長領域のバンドパスフィルタと紫外線波長領域のバンドパスフィルタを備えるアーク溶接の監視装置（特許文献３参照）等が提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開平６－９４６４０号公報

【特許文献2】特開２０１４－７０００２号公報

【特許文献3】特開２００９－１２５７９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従前提案のアーク溶接の溶接部位に対する非破壊検査の方法、装置により得られる検査精度ではアーク溶接の溶融箇所の検査において必ずしも十分ではなかった。特に、既存の方法、装置の精度では、アーク溶接時の金属部材の溶け込み量の推定には十分ではなかった。

【0008】

本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、所定波長の電磁波を使用する非破壊検査において、アーク溶接の溶接部位に生じる金属部材の溶け込み量を推定して溶接品質の判定を可能とするアーク溶接の溶接品質判定装置、アーク溶接の溶接品質判定方法、及びアーク溶接の溶接品質判定プログラムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

すなわち、実施形態は、第１部材と第２部材とをアーク溶接して生じる溶接部のアーク溶接の溶接品質判定装置であり、当該溶接品質判定装置は、所定波長の電磁波を溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、電磁波を照射して溶接部及び溶接部近傍から反射される反射波長を検出する検出部と、検出部において検出された反射波長の反射スペクトルを生成する処理部とを備え、処理部は、検出部を通じて、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍から反射される反射波長を検出して溶接部及び溶接部近傍の溶接状態を取得する溶接状態取得部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍に生じる溶接状態と溶接部及び溶接部近傍に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、取得された溶接状態に基づいて前記照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択部と、選択された波長の電磁波を照射部より照射する指示を生成する照射指示部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍の反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍の走査方向に沿った分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定部とを備えることを特徴とする。

【0010】

さらに、処理部の判定部は、アーク溶接後の前記溶接部及び前記溶接部近傍の走査方向に沿った分光分布に基づいて第１部材及び第２部材に生じた溶け込み量を推定して溶接品質を判定することとしてもよい。

【0011】

さらに、処理部の判定部は、第１部材及び第２部材の組み合わせと第１部材及び第２部材に対するアーク溶接の条件とが対応付けられ、分光分布と溶け込み量とを関連付けを示した対応テーブルに基づいて、溶接品質を判定することとしてもよい。

【0012】

さらに、第１部材及び第２部材は同種類の金属材料であることとしてもよい。

【0013】

さらに、所定波長の電磁波は、互いに波長の異なる複数の電磁波であることとしてもよい。あるいは、所定波長の電磁波は、青ないし紫外光の波長帯の電磁波と、近赤外光の波長帯の電磁波の２種類であることとしてもよい。

【0014】

さらに、溶接品質判定装置の検出部は、アーク溶接後の第１部材及び第２部材により形成される溶接部及び溶接部近傍を撮影する撮影部を備え、処理部は、撮影部により撮影したアーク溶接後の溶接部位画像を取得する画像取得部を備え、分布生成部は、溶接部位画像に分光分布の画像を重ね合わせることとしてもよい。

【0015】

さらに、処理部は、溶接品質の判定の結果を出力する出力部を備えることとしてもよい。

【発明の効果】

【0016】

本発明のアーク溶接の溶接品質判定装置は第１部材と第２部材とをアーク溶接して生じる溶接部のアーク溶接の溶接品質判定装置であり、当該溶接品質判定装置は、所定波長の電磁波を溶接部及び溶接部近傍に照射する照射部と、電磁波を照射して溶接部及び溶接部近傍から反射される反射波長を検出する検出部と、検出部において検出された反射波長の反射スペクトルを生成する処理部とを備え、処理部は、検出部を通じて、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍から反射される反射波長を検出して溶接部及び溶接部近傍の溶接状態を取得する溶接状態取得部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍に生じる溶接状態と溶接部及び溶接部近傍に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、取得された溶接状態に基づいて前記照射部から照射する電磁波の波長を選択する選択部と、選択された波長の電磁波を照射部より照射する指示を生成する照射指示部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍の反射スペクトルを取得して分光分布を生成する分布生成部と、アーク溶接後の溶接部及び溶接部近傍の走査方向に沿った分光分布に基づいて溶接品質を判定する判定部とを備えるため、電磁波を使用する非破壊検査において、アーク溶接の溶接部位に生じる金属部材の溶け込み量を推定して溶接品質の判定を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】実施形態のアーク溶接の溶接品質判定装置を示す概略構成図である。

【図2】（Ａ）アーク溶接後の様子を示す断面模式図、（Ｂ）アーク溶接後の様子を示す平面模式図である。

【図3】（Ａ）溶け込み量の多いアーク溶接後の断面模式図、（Ｂ）溶け込み量の多いアーク溶接後の平面模式図、（Ｃ）溶け込み量の少ないアーク溶接後の断面模式図、（Ｄ）溶け込み量の少ないアーク溶接後の平面模式図である。

【図4】溶接品質判定装置の機能部を示すブロック図である。

【図5】（Ａ）溶接部及び溶接部近傍に生じる酸化幅と波長をマップ化した推定力図、（Ｂ）は相関性の模式図である。

【図6】各幅との溶接状態の長さを示す図である。

【図7】波長・部位と溶接状態の良否の相関を示す模式図である。

【図8】照射された電磁波の各波長と、アーク溶接後の幅の領域との相関性を示す推定力図の模式図である。

【図9】溶接部位における断面と分光反射率を示す模式図である。

【図10】（Ａ）溶け込み量が無しの溶接部位の断面写真、（Ｂ）溶け込み量が無しの溶接部位の平面写真、（Ｃ）溶け込み量が無しの溶接部位の平面の分光画像である。

【図11】（Ａ）溶け込み量が少ない溶接部位の断面写真、（Ｂ）溶け込み量が少ない溶接部位の平面写真、（Ｃ）溶け込み量が少ない溶接部位の平面の分光画像である。

【図12】（Ａ）溶け込み量が多い溶接部位の断面写真、（Ｂ）溶け込み量が多い溶接部位の平面写真、（Ｃ）溶け込み量が多い溶接部位の平面の分光画像である。

【図13】異なる波長の電磁波を照射した際の溶接部位の平面写真である。

【図14】異なる波長の電磁波を照射した際の分光反射率を示す模式図である。

【図15】実施形態のアーク溶接の溶接品質判定方法を説明するフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

図１の概略構成図を用い、実施形態のアーク溶接の溶接品質判定装置１を説明する。溶接品質判定装置１は、鋼板、鋼材等の金属部材の第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２とがアーク溶接されて生じる溶接部２０について、その溶接の品質を判定する装置である。溶接品質判定装置１は、特には、アーク溶接に際して第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との間に生じる金属の溶け込み量、部材の厚さの多少（いわゆる溶接状態）について、電磁波（赤外光から紫外光の波長帯）を用い分光分布の光学的手法に基づいて非破壊検査により判定する装置である。図示は装置の一例の開示である。各部材、装置の配置、向き等は適宜である。

【0019】

図示では、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２は共に鋼板（亜鉛めっき鋼板）であり、第１部材Ｗ１を母材として第１部材Ｗ１の上に第２部材Ｗ２が重ねられ。そして、第２部材Ｗ２の端部において同端部に対して線状にアーク溶接が実施され、第２部材Ｗ２の端部に溶接部２０が生じている。また、溶接部２０の第１部材Ｗ１側の領域と第２部材Ｗ２側の領域は溶接部近傍２１である。

【0020】

溶接品質判定装置１は、照射部２、検出部３、撮影部４、そして処理部１０を備える。照射部２、検出部３、及び撮影部４は、処理部１０（コンピュータ）に有線または無線により接続される。図示のように、照射部２、検出部３、及び撮影部４は、溶接部２０及び溶接部近傍２１と対向する側に備えられている。

【0021】

照射部２は、所定波長の電磁波、主に赤外光（８００ｎｍ）から紫外光（２００ｎｍ）の範囲の波長帯の電磁波を選択して溶接部２０及び溶接部近傍２１に照射する光源である。例えばハロゲンランプ等が使用される。必要により、照射部２には照射波長の選択のための光学フィルタ（バンドパスフィルタ）等も備えられる。

【0022】

検出部３は、照射部２から照射された所定波長の電磁波が溶接部２０及び溶接部近傍２１により反射されて生じる反射波長を検出する。照射部２は特定の波長の電磁波を照射する。しかし、溶接部２０及び溶接部近傍２１では、アーク溶接により、表面の粗さ、材質に変化が生じ、反射される波長は照射される波長から変化する。当初の照射波長の電磁波（光）は、そのまま反射されるのではなく、溶接部２０及び溶接部近傍２１により当初の照射波長から減少する。

【0023】

検出部３は鋭敏に反射波長を検出することにより、溶接部２０及び溶接部近傍２１のどの部分においても当該部位より反射される電磁波（光）の相対量を検出することができる。検出部３には、マルチスペクトルカメラ、ハイパースペクトルカメラ等の機器が使用される。

【0024】

撮影部４は、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２により形成される溶接部２０及び溶接部近傍２１を光学的に撮影する機器である。具体的には、公知のＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳイメージセンを実装したカメラ等である。

【0025】

処理部１０は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、メインフレーム、ワークステーション、クラウドコンピューティングシステム等、種々の電子計算機（計算リソース）である。図示の処理部１０はパーソナルコンピュータであり、判定結果の表示のためのディスプレイ１６、その他、入力用のキーボード１７、マウス１８等が接続されている。

【0026】

図２は第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２により形成される溶接部２０及び溶接部近傍２１の模式図である。図２（Ａ）はアーク溶接後の様子を示す断面模式図である。アーク溶接時の発熱に伴い、端部２２において第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２、線材が溶融して、第１部材Ｗ１に第２部材Ｗ２が接合する。そして、端部２２に肉盛り部２３とともに溶け込み部２４が形成される。溶け込み部２４が多いほど第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２の融着量が多くなり、溶接状態は良好となる。

【0027】

図２（Ｂ）はアーク溶接後の様子を示す平面模式図であり、互いに鋼板の第１部材Ｗ１に第２部材Ｗ２が重ねられ、第２部材Ｗ２の端部２２に対してアーク溶接が行われる。アーク溶接では、電極の線材（ワイヤ）（図示省略）が供給され発熱に伴い、端部２２において第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２、線材が溶融して、第１部材Ｗ１に第２部材Ｗ２が接合する。また、アーク溶接の溶接時に供給されるガスに炭酸ガスが含まれる場合、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２の金属表面は酸化されて酸化皮膜２５が溶接部近傍２１に形成される。

【0028】

一般には、アーク溶接後の様子は図２（Ａ）の断面模式図のように切断しなければ、把握することができない。これに対し、溶接品質判定装置１は、図２（Ｂ）の平面模式図のような溶接部２０及び溶接部近傍２１に対する非破壊の観測から、内部の溶け込み部２４の大きさを推定して溶接の良否判定を可能とする。図２中の矢印ｚは後出の走査方向である。図２（Ｂ）中の網掛け表示部分は、アーク溶接により変色した箇所を便宜上示している。

【0029】

図３の模式図はアーク溶接後の溶け込み量の多少を比較して示す。図３（Ａ）は溶け込み量の多いときのアーク溶接後の断面模式図である。この場合、図３（Ｂ）の平面模式図のとおり、溶接部２０及び溶接部近傍２１の内部構造に対応する模様（図６，７，８の写真の模様参照）が溶接部２０及び溶接部近傍２１の表面に現れる。

【0030】

これに対し、図３（Ｃ）は溶け込み量の少ないときのアーク溶接後の断面模式図である。この場合、図３（Ｄ）の平面模式図のとおり、溶接部２０及び溶接部近傍２１の内部構造に対応する模様は、前出の図３（Ｂ）と比較して間隔が狭まる。図３の（Ａ）ないし（Ｄ）に示されるアーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の溶け込み量、表面の様子、溶融した金属の肉厚（母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長等）、のど厚等が、溶接状態である。

【0031】

通常、可視光による光学的な観察においては、図３（Ｂ）と（Ｄ）の模様の間隔の相違を鋭敏に区別することは難しい。そこで、溶接品質判定装置１は、所定波長の電磁波（光）を照射し、その反射波の分光分布から模様の間隔の相違を鋭敏に区別し、成分、構造の相違を推定可能とする。

【0032】

図４は処理部１０の構成と機能部を示すブロック図である。処理部１０には、各種の演算実行のためのＣＰＵ１１、処理用のプログラムを記憶するＲＯＭ１２、データ等の記憶のためのＲＡＭ１３、各種のデータ及び演算結果等の記憶のための記憶部１４、さらに、Ｉ／Ｏ（インプット・アウトプットインターフェース）１５等が備えられる。Ｉ／Ｏ１５は通信（送受信）用のインターフェース、バッファ等である。Ｉ／Ｏ１５は、照射部２への照射の制御信号の送信、検出部３と撮影部４等からの入力信号の受信等に用いられＣＰＵ１１と連携する。

【0033】

さらに図４のブロック図はＣＰＵ１１内の機能部を示す。ＣＰＵ１５の各機能部をソフトウェアにより実現する場合、ＣＰＵ１５は各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行することで実現する。詳細には、溶接状態取得部１１０、選択部１２０、照射指示部１３０、分布生成部１４０、画像取得部１５０、判定部１６０、出力部１７０等を備える。

【0034】

溶接状態取得部１１０は、検出部３を通じて、アーク溶接後の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２における溶接部２０及び溶接部近傍２１から反射される反射波長を検出して当該溶接部２０及び溶接部近傍２１の溶接状態を取得する。溶接状態は、前述のとおりアーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の溶け込み量、表面の様子、溶融した金属の肉厚を指し示す。図２及び図３の溶接部２０及び溶接部近傍２１の表面検査において、検査対象により、アーク溶接を行った際の溶け込み量、模様の広がり方、溶融した金属の肉厚（母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長等）、のど厚等、金属の酸化の程度等の溶接状態が異なる。そのため、事前に溶接対象の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２のアーク溶接後の溶接状態の取得が必要である。なお、検出部３を通じての溶接状態の取得とともに、溶接対象の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２の金属材料が入力されるようにしてもよい。直接処理部１０へ入力する他に、ＣＡＤ等の設計データから処理部１０へ取り込まれるようにしても良い。

【0035】

選択部１２０は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１に生じる溶接状態と溶接部２０及び溶接部近傍２１に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持している。そして、当該取得された溶接状態に基づいて照射部２から照射する電磁波の波長を選択する。

【0036】

前述のとおり、溶接対象の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２にアーク溶接を行った際の溶接状態は異なる。そのため、どの波長の電磁波（光）が照射されるのかにより、反射波の分光分布が異なる。このことから各溶接状態の検査に応じた効率的な分光分布を取得するための波長の選択が極めて重要である。

【0037】

実施形態においては、事前に、アーク溶接後の試験品（サンプル）の溶接部位表面に対し、赤外光（およそ１０００ｎｍ）から紫外光（およそ２００ｎｍ）の範囲の波長帯の電磁波が照射される。そして、反射波の分光分布の取得（図５参照）、さらには、試験品（サンプル）の溶接部位を切断して断面が観察される。これより、試験品（サンプル）の各溶接状態及び事前の切断面観察と照射波長との相関性から、各溶接状態に応じた適切な波長帯の電磁波が選択される。なお、電磁波の選択は、特定の１種類の波長には限られず、互いに波長の異なる複数の電磁波（光）としてもよい。例えば、溶け込み量の判定用、酸化皮膜の判定用、母材溶込の判定用、のど厚の判定用のように異なる波長を使用する方が都合良い。

【0038】

溶接対象の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２にアーク溶接を行った際の溶接部２０及び溶接部近傍２１に生じる溶接状態と当該溶接状態に対応する照射部２から照射する電磁波の波長について、さらに説明する。良品・不良品等の複数条件の試験品（サンプル）を複数個用意し、前記試験品（サンプル）に対して赤外光（およそ１０００ｎｍ）から紫外光（およそ２００ｎｍ）の範囲の波長帯の電磁波が照射される。溶接ビード（図２（Ｂ）の符号２０）の周辺には溶接熱の影響を受けた酸化が生じ、この範囲の大小が溶け込み量と相関していると推定される。そこで、反射率の極大値・極小値を起点とした５種の幅（ａ～ｅ）が抽出される（図５（Ａ）参照）。

【0039】

前記５種の幅ごとに、縦軸を各溶接状態（（母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長等）、のど厚等）と横軸を波長とした相関図が抽出される。一例として母材溶込と波長の相関図を示す。前記各溶接状態（（母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長等）、のど厚等）と波長の相関図から相関係数を算出する。そして、照射する電磁波（光）の波長と、溶接部２０及び溶接部近傍２１に生じる酸化幅との定量的な相関関係を分析するため、前記各溶接状態（（母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長等）、のど厚等）ごとに、前出の５種類の幅（ａ～ｅ）のそれぞれについての相関係数を算出し、横軸を酸化幅（５種類の幅（ａ～ｅ））、縦軸を波長として相関係数をマップ化した推定力図（図５（Ａ）の平面写真と模式図）が作成される。（図５（Ｂ）の模式図参照）。

【0040】

図６の例は主に紫外光領域について波長を変化させて照射した際の試行結果である。むろん、可視光、赤外光領域においても同様に試行される。図６中、反射率の極大値・極小値を起点として５種の幅（ａ～ｅ）が検出される。

【0041】

図７は、前出の図６中の５種の幅（ａ～ｅ）の部位について、特定の波長により複数回照射した際、その各回の照射による検出と、溶接状態の良否との相関を示す模式図である。具体的には、図５（Ｂ）の相関係数の算出の手法である。図７の例では、例えば、６５０ｎｍの波長の電磁波（光）が照射され（条件１）、このときの幅「ａ」の領域についての表面が観察される。そして、実際に当該領域の切断面が観察される。概ね１つの条件について約３０の切断面（Ｎ１～Ｎ３０）が観察される。そこで、６５０ｎｍの波長の部位「ａ」の横軸と、母材溶け込みの横軸の平面に分布するサンプル切断面（Ｎ１～Ｎ３０）の分布において相関係数が算出される。続いて、６５０ｎｍの波長の部位「ｂ」の横軸においても同様に算出され、幅（ａ～ｅ）の部位の全てについて相関係数が算出される。そして、順に３５０から１１００ｎｍの他の波長についても同様に相関係数が算出される。このような相関係数の数値の高低が、前出の図５（Ｂ）に反映される。

【0042】

図８の推定力図は、図５（Ｂ）を表にしたものであり、照射された電磁波（光）の各波長と、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の５種の幅（ａ～ｅ）の領域との相関性を示す。個々の升目において、明色ほど相関性が高く、暗色、黒色では相関性が低いことを示している。

【0043】

図８の推定力図は、左方から母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長、のど厚の各溶接状態に着目した結果を示す。各溶接状態について、前出の５種の幅（ａ～ｅ）の各領域からの反射の分光分布と、実際に切断した際の切断面の良否との相関として色分けされている。この場合、母材溶込、母材脚長、継手溶込、継手脚長、のど厚の各溶接状態について、概ね良好な相関性が獲得できた波長を抽出すると、４２５ｎｍが適切と判明した。

【0044】

選択部１２０は、予め溶接状態と、当該溶接状態に対応する照射用電磁波の波長について、相互に対応させるテーブル形式（図示せず）として保持している。

【0045】

照射指示部１３０は、選択された波長の電磁波を照射部２より照射する指示を生成する。照射指示部１３０は、選択部１２０にて選択された照射波長の電磁波が照射部２から照射できるように制御用の信号を生成する。または、照射指示部１３０は光源のフィルタを選択する信号を生成する。

【0046】

分布生成部１４０は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の反射スペクトルを取得して分光分布を生成する。アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１に対し、所定波長の電磁波が照射され、その反射スペクトルが取得される。この反射スペクトルから分光分布が生成される。溶接部２０及び溶接部近傍２１から反射されて検出される所定波長の電磁波は、照射される所定波長の電磁波よりも減少する。さらに、場所毎に減少の程度が変化する。つまり、反射される分光の変化が分光分布として現れる。そうすると、反射されて検出される所定波長の電磁波の減少量について分光反射率として求めることが可能となる。

【0047】

画像取得部１５０は、撮影部４により撮影したアーク溶接後の溶接部位画像を取得する。溶接部位画像は可視光領域における撮影画像である。溶接部位画像を取得することにより、分布生成部１４０は、溶接部位画像に分光分布の画像を重ね合わせることができる。そうすると、溶接品質判定装置１のユーザが、実際の溶接部位画像と分光分布の情報を包括的に認識可能となる。

【0048】

判定部１６０は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の走査方向（図２の矢印ｚ参照）に沿った分光分布に基づいて溶接品質を判定する。さらには、判定部は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の走査方向に沿った分光分布に基づいて第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２に生じた溶け込み部２４（図２、図３参照）を推定して溶接品質を判定することができる。判定部１６０により判定される溶接品質については、処理部１０の記憶部１４に格納されることに加え、判定される溶接品質は適宜の溶接管理の情報として活用される。

【0049】

そして、出力部１７０は、溶接品質の判定の結果を出力する。出力に当たっては、図１のディスプレイ１６への表示である。出力部１７０により溶接品質の判定の結果が出力されるため、逐次の判定の結果の把握が容易となる。走査方向とは、アーク溶接後の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２の平面視において形成される線状の溶接部２０と直交する方向である（図２の矢印ｚ参照）。溶接品質とは、第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２に生じた溶け込み部に基づくアーク溶接の良否である。前出の図３の説明のとおり、溶け込み部の溶け込み量が多いほどアーク溶接の溶接品質は良いとする判定である。

【0050】

図９は、溶接部位における断面模式図と分光反射率を示す模式図である。溶接対象の第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２の金属材料の溶接部２０及び溶接部近傍２１に対し所定波長の電磁波が照射され、その反射スペクトルが取得される。ここから分光反射率が求められる。図示下段のグラフの縦軸は分光反射率であり、横軸は断面に対応する長さ（ｍｍ）である。グラフの落ち込みの大きい部分は分光反射率の低い箇所に対応する。グラフの波形は、内部の溶け込み部２４（図２、図３参照）の位置、大きさに対応している。つまり、溶け込み量が多いほど、分光反射率は低くなる。このことから、分光反射率の波形により溶け込み部の位置、大きさの推定が可能である。

【0051】

分光反射率の波形と溶け込み部の位置、大きさの推定に際しては、第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ２の組み合わせと当該第１部材Ｗ１及び第２部材Ｗ１に対するアーク溶接の条件とが対応付けられ、分光分布と溶け込み量とが関連付けられた対応テーブルが用いられる。すなわち、前述の溶接状態毎に、分光分布に基づいて算出される分光反射率の数値、アーク溶接して切断した試験片の溶け込み量（溶け込み部）の実測値との間に所定の関係性が見いだされる。そこで、対応テーブルには、溶接状態、照射に際して選択される波長、分光反射率の数値、想定される溶け込み量（溶け込み部の大きさ、深さ）が早見表のように示され、事前に作成され、処理部１０の記憶部１４に格納されている。当該対応テーブルにより、間接的に溶け込み部の溶け込み量が推定され、最終的にアーク溶接の溶接品質が判定可能となる。

【0052】

図１０、図１１、図１２は、発明者において第１部材及び第２部材の金属材料（亜鉛めっき鋼板）をアーク溶接した際の様子を示す。図１０は溶け込み量無しの状態の様子であり、図１１は溶け込み量の少ない状態の様子であり、図１２は溶け込み量の多い状態の様子である。各図（Ａ）は溶接部位の断面写真であり、各図（Ｂ）は溶接部位の平面写真であり、各図（Ｃ）は溶接部位の平面の分光画像である。

【0053】

図９の溶け込み量無しの状態では、図１０（Ａ）の溶け込み部（図２、図３の符号２４参照）はほとんど確認することができず、図１０（Ｂ）の写真より表面の模様同士の間隔は狭い。また、図１０（Ｃ）の分光画像も単調であり、溶け込み部に相当する部位は存在しない、あるいは極めて少ないことが判明した。つまり、アーク溶接は溶接不良と判定される。

【0054】

図１１の溶け込み量の少ない状態では、図１０（Ｂ）と比較して図１１（Ｂ）の写真より表面の模様同士の間隔は広がっているものの、図１１（Ａ）の溶け込み部（図２、図３の符号２４参照）の大きさ（溶け込み量）は小さい。図１１（Ｃ）の分光画像によると、図９に存在しないパターンが現れ、溶け込み部の発現が分光画像から明らかとなっている。ただし、溶け込み量自体は少ないため、アーク溶接は溶接不良と判定される。

【0055】

図１２の溶け込み量の多い状態では、図１１（Ｂ）と比較して図１２（Ｂ）の写真よりさらに表面の模様同士の間隔は広がり、図１２（Ａ）の溶け込み部（図２、図３の符号２４参照）の大きさ（溶け込み量）は大きくなっている。図１２（Ｃ）の分光画像によると、溶け込み部に対応する部分のパターンが大きく現れ、溶け込み部の発現とその大きさが分光画像から明らかとなっている。図１１の溶け込み量の多い状態については、アーク溶接は良好と判定される。

【0056】

実施形態の溶接品質判定装置１では、判定したい（判定の対象となる）溶接状態に応じて電磁波の波長が選択される。選択に際し、電磁波は、特定の１種類の波長には限られず、互いに波長の異なる複数の電磁波（光）としてもよい。波長により、溶接部位に照射した際の分光画像（分光反射率の波形）が変化する。そこで、波長の異なる複数の電磁波（光）が組み合わせられることにより、評価、判定の感度は向上する。なお、照射部から照射する電磁波の波長が複数の場合であっても、選択部１２０は溶接状態に基づいた波長の組み合わせを保持し、個々の波長を選択する。

【0057】

実施形態においては、所定波長の電磁波は、青ないし紫外光の波長帯の電磁波（例えば２００ないし４００ｎｍ）と、近赤外光の波長帯の電磁波（例えば７００ないし９００ｎｍ）の２種類である。図１３の写真において、上段は波長４００ｎｍの電磁波（光）照射時の溶接部位の写真であり、下段は波長８００ｎｍの電磁波（光）照射時の溶接部位の写真である。双方の溶接部位は同一である。

【0058】

上段写真の波長４００ｎｍの紫外光照射時では、溶接部近傍（図２、図３の符号２１参照）が鮮明である。これに対し、下段写真の波長８００ｎｍの近赤外光照射時では、溶接部（図２、図３の符号２０参照）が鮮明である。

【0059】

図１４は、波長４００ｎｍ（破線）と波長８００ｎｍ（実線）の２種類の波長に対応する分光反射率のグラフを示す模式図である。概ね近似する挙動が示されるものの、細部において互いのグラフの波形は相違する。例えば、溶け込み量の判定用、酸化皮膜の判定用、母材溶込の判定用、のど厚の判定用のように異なる波長が組み合わされることにより、部位毎の特性に応じての感度を得ることができて都合が良い。

【0060】

結果、波長の異なる複数の電磁波（光）が組み合わせられることにより、溶接部位の評価と判定の感度は向上する。

【0061】

図１５のフローチャートは処理部１０（ＣＰＵ１１）におけるアーク溶接の溶接品質判定方法の全体の流れであり、溶接状態取得ステップ（Ｓ１１０）、選択ステップ（Ｓ１２０）、照射指示ステップ（Ｓ１３０）、分布生成ステップ（Ｓ１４０）、画像取得ステップ（Ｓ１５０）、判定ステップ（Ｓ１６０）、出力ステップ（Ｓ１７０）の各種ステップを備える。むろん、処理部１０自体の可動に必要な各種ステップは当然に含まれる。図１４のフローチャートは出力ステップ（Ｓ１７０）を含む構成としている。図１４の構成に代えて出力ステップ（Ｓ１７０）を省略した構成としてもよい。

【0062】

溶接状態取得機能は、検出部３を通じて、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１から反射される反射波長を検出して溶接部２０及び溶接部近傍２１の溶接状態を取得する（Ｓ１１０；溶接状態取得ステップ）。選択機能は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１に生じる溶接状態と溶接部２０及び溶接部近傍２１に照射する電磁波の波長との組み合わせを予め保持しており、判定したい（判定の対象となる）溶接状態に基づいて照射部２から照射する電磁波の波長を選択する（Ｓ１２０；選択ステップ）。照射指示機能は、選択された波長の電磁波を照射部２より照射する指示を生成する（Ｓ１３０；照射指示ステップ）。

【0063】

分布生成機能は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の反射スペクトルを取得して分光分布を生成する（Ｓ１４０；分布生成ステップ）。画像取得機能は、撮影部４により撮影したアーク溶接後の溶接部位画像を取得する（Ｓ１５０；画像取得ステップ）。判定機能は、アーク溶接後の溶接部２０及び溶接部近傍２１の走査方向に沿った分光分布に基づいて溶接品質を判定する（Ｓ１６０；判定ステップ）。出力機能は、溶接品質の判定の結果を出力する（Ｓ１７；出力ステップ）。

【0064】

上述した本発明のコンピュータプログラムは、プロセッサが読み取り可能な記録媒体に記録されていてよく、記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。

【0065】

なお、上記コンピュータプログラムは、例えば、ActionScript、JavaScript（登録商標）などのスクリプト言語、Objective-C、Java（登録商標）などのオブジェクト指向プログラミング言語、HTML5などのマークアップ言語などを用いて実装できる。

【符号の説明】

【0066】

１ アーク溶接の溶接品質判定装置
２ 照射部
３ 検出部
４ 撮影部
１０ 処理部（コンピュータ）
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 記憶部
１５ インプット・アウトプットインターフェース
１６ ディスプレイ
１７ キーボード
１８ マウス
２０ 溶接部
２１ 溶接部近傍
２２ 端部
２３ 肉盛り部
２４ 溶け込み部
２５ 酸化皮膜
１１０ 溶接状態取得部
１２０ 選択部
１３０ 照射指示部
１４０ 分布生成部
１５０ 画像取得部
１６０ 判定部
１７０ 出力部
Ｗ１ 第１部材
Ｗ２ 第２部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】