カトウ光研株式会社

レーザー溶接の可視化

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レーザー溶接とは?

レーザー溶接中01
レーザー溶接中02
レーザー溶接とは熱源にレーザーを用いた溶接工法になります。広いビード幅で加工する従来のアーク溶接と異なり、細く深くスポット加工を行えます。
電流値やシールドガスなど、環境や製品ごとに複雑に変化する因子が無いこともあり、光の制御を軸に最適化が行いやすいとされます。
そのため、加工速度や仕上がり品質を高めやすい次世代の工法と言われています。

レーザー溶接は、元々CO2レーザーを熱源とする方式から始まり、ファイバー伝送可能なYAGレーザーを用いた方式に置き換わりました。
近年ではビーム品質が良く拡がりが小さいファイバーレーザーが普及してきました。
低価格なYAGレーザー溶接機に対し、導入コストはかかるもののメンテナンスフリーで微細加工が得意なファイバー溶接機が、レーザー溶接機市場の主流になっている状況です。

レーザー溶接のメリットは、アーク溶接と異なり板厚が薄くても熱ひずみが少ないことが挙げられます。

レーザー溶接はスポット径に依存した狭い範囲の溶融のため一見、強度が不足しそうですが、溶込みが深いため溶接部に十分な強度を確保できることが特徴です。
実際に耐久試験してみると大半の溶接条件では、アーク溶接よりも溶接強度が確保できています。
何よりもアーク溶接よりも溶接焼けなど表面の品質低下が抑えられ、溶接棒を入れずに溶接しているので肉盛り部分を研磨しないで済みます。
仕上げ工数を削減できるため、生産性の向上と製造原価を抑えることが可能になります。

デメリットは、溶融箇所が狭いことに起因することが多いです。
例えば突合せ溶接時は隙間に弱くギャップがあると、溶融面積が乏しいレーザー溶接では、スポット径を超える隙間がワーク間で発生してしまうと、接合不良となります。

またレーザー溶接は光の集束による加工のため、スパッタやヒュームの影響で屈折率が変わると焦点がずれて出力低下が起きます。
入熱が不安定な溶融状況となると、キーホールの崩壊によりブローホールの発生などが起きます。

これらの溶接欠陥に対しては、レーザービームを細かく振るウォブリングにより、スポット径よりもビード幅を広くとる工法や、スパッタレスの溶接機やアシストガス流の最適化など、様々な創意工夫により改善が図られております。
レーザー溶接とアーク溶接をミックスし「深く・広く」を実現するハイブリッドな工法を用いた溶接機なども始まりました。

アーク溶接よりも溶接条件が制御しやすいため、レーザー溶接は革新的な技術開発の最前線にあります。
「より早く、より強く、より綺麗に」を実現するため、その解析評価も様々な手法が開発されました。

カトウ光研では溶接品質を高めるために、溶接中のプロセスを撮影することで品質改善のお手伝いをいたします。
溶け込みの瞬間を撮影するだけでなく、スパッタ・ヒューム、アシストガス流を可視化撮影するなどご案内させて頂きます。

「レーザー溶接の可視化」とは?

レーザー溶接の可視化 事例
レーザー溶接の可視化ー溶融池
プラズマ発光を抑えて溶接中の状況を可視化
レーザー溶接を可視化することは、一般的にはプラズマの発光を抑えて溶接中の状況を撮影することを指します。
レーザー溶接自体、レーザークラス4の危険な作業エリアに区分され立ち入ることができないため、溶接中のプロセスを目視で検証することはできません。

「レーザー溶接の可視化」では、区切られたブース内にカメラを設置し溶接を行い、撮影されたデータを後から確認することでどのような現象が起きているか評価できます。

レーザーが照射され溶融するところから流れて凝固するまでの流動、キーホールが形成される瞬間などを撮影することができます。
レーザー溶接自体、非常に高速の現象のため、人が認識できる時間分解能(30fps程度)の撮影速度では何が起きたか分かりません。
おおよそ10,000fps以上のハイスピードカメラ撮影が必須となります。

「レーザー溶接の可視化」をするメリット

レーザー溶接の可視化メリット

レーザー溶接中を可視化することで...



  • 溶接中にどのような金属が溶けて凝固するのか? プロセスを映像化できる
  • 溶接不良が発生している場合 欠陥がどこに起因するか? 瞬間を映像で確認できる
  • 対策を講じた際に改善に結びついているか? 成果を目の当たりにしながら評価していくことができる
  • モデリングによる妥当性の検証で説得力のある映像が撮れる
  • 「レーザー溶接の可視化」は最短距離で有効な改善策が打て 業務全体のコストを軽減できる
  • 実測による確かなエビデンスを取得できる

「レーザー溶接の可視化」をするための具体的な手法

レーザー溶接の可視化ーキーホール
プラズマ光を抑えて キーホールが形成される様子を可視化

撮影速度を対応させるだけでは強力な閃光を伴うレーザー溶接の現場で鮮明な撮影ができないため、プラズマ発光を抑える必要があります。
溶融した金属は発光している箇所でハレーションを起こして白飛びし、それ以外の箇所は真っ暗な低輝度の状態となるため、明滅著しく溶融部をそのまま評価することが困難です。
そこで、プラズマ発光を抑えて安定した輝度の状態で撮影する技術が必要となります。

     ①ハイスピードカメラ + バンドパスフィルター

     ②ハイスピードカメラ + LED照明

     ③ハイスピードカメラ + レーザーパルス照明

上記が従来、溶融部の可視化で用いられてきた手法になります。
後者になるほど、確実にプラズマ光を消しきる撮影が可能になり、レーザーが照射され金属が溶融し凝固するまでの流動状態やキーホールの形成、ポロシティ、ブローホールが発生する瞬間を捉えることができます。

"カラーハイスピードカメラ"の躍進によって向上した「レーザー溶接の可視化」技術

カラーハイスピードカメラで溶接中を可視化した事例集
レーザー溶接の可視化ーカラーハイスピードカメラ
カラーハイスピードカメラで溶接中を撮影
最新の撮影では、性能が飛躍的に向上したカラーハイスピードカメラと照明を組み合わせ、プラズマ発光を残しつつ鮮明に溶融池を撮影する技術も開発されました。

元々カラーのハイスピードカメラはモノクロと比べて感度が悪く、空間分解能も不足するため、鮮明に撮影できないばかりかノイズが顕著な状況でした。
しかしながら最新のハイスピードカメラは、著しい感度向上とノイズ低減を果たしダイナミックレンジが劇的に向上しています。
ハイスピードカメラでの溶接の可視化は、輝度変化が著しい溶接現象にも十分な役割を果たせるようになりました。

溶接欠陥が発生した際に溶融状態だけでなく、溶融金属の赤熱状態やプラズマ火炎の色味も評価できます
溶融金属をモノクロで評価する以上に様々な情報で溶接現象を評価することができます
*プラズマを消さなくても溶融池を撮影できる「カラー溶接カメラシステム」  ,>カラー溶接カメラシステム CWC-VEOシリーズ 製品ページ

画像からレーザー溶接の温度を測る

溶融金属の温度を画像から算出した例
レーザー溶接の可視化ー温度計測
溶融金属 温度測定の計測画面
カラーのハイスピードカメラで撮影した場合、温度校正が取れた撮影部であれば、可視光域~近赤外域における2つの波長を選択し、選択した2波長間の熱放射強度比を元に溶融金属の温度を算出できます

  • サーモグラフィでは困難な10,000fpsを超える撮影速度での温度測定
  • 放射率の補正が不要なため、異なる材質の温度をまとめて評価可能
  • 高速撮影なので飛び散るドロスやスパッタの冷えていく温度も評価可能

画像からレーザー溶接を「解析する」

溶接を可視化しながらリアルタイムで解析した事例
レーザー溶接の可視化ーギャップ幅を解析
ギャップ幅をリアルタイムで数値化した例
前述した温度計測も画像処理からの温度評価となりますが、温度以外にも様々な評価を画像から行うことができます。

カラーハイスピードカメラを用いた撮影では、色味の時系列変化からプラズマや燃焼の状態を評価することができます。
モノクロとは異なり、RGBの3つの色味の輝度値や面積の変化をそれぞれ観察し溶接条件の違いによる変化を数値で管理できます。

溶融池の流動やスパッタやドロスの飛散などの現象については、パターンマッチングを用いて移動量の算出や二値化でのカウントが可能です。
ただ画像を見比べてるだけの傾向観察から、管理しやすい数値化による評価へ切り替えるご提案ができます

リアルタイムでの計測については、ギャップ幅やキーホールの位置を溶接中に測定しながら、事前に決められた閾値を超えた際にNG判定の信号を出すなどシステムアップできます。

レーザー溶接のスパッタ・ヒュームを可視化する

レーザー溶接中のスパッタ・ヒュームを可視化した例
レーザー溶接の可視化ーヒューム
レーザー溶接中のヒュームを可視化した様子
レーザー溶接のメリットの一つに仕上がり品質が挙げられます。
スパッタ・ヒュームの発生を低減させたレーザー加工機が最近発売されていますが、どのような溶接条件のときに発生量が増減するのか?可視化撮影したいという市場ニーズが増えています。

アシストガスが効果を発揮しておらず、実はスパッタを製品に吹き付けてしまっているケースなどもあります。
シュリーレン法による光学装置とハイスピードカメラを組み合わせることで、溶融池からスパッタ・ヒュームが発生するところを撮影することができます。
スパッタだけでなくキーホールから立ち上がるプルームの輝度変化を撮影評価可能です。

アシストガスのガス種や流量、ノズル位置などの最適化にもおすすめです。
プルームの生成を制御し て焦点シフトを抑制したり、スパッタ飛散を低減させる評価ができます。

*レーザー溶接中のスパッタ・ヒュームを可視化する>溶接スパッタ可視化システム

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