レーザセンサを用いた溶接ビード形状のリアルタイムモニタリングと品質合否判定

レーザセンサによる溶接ビードのリアルタイムモニタリングと品質保証：実務技術解説

溶接自動化の現場において、アークセンサ（電流・電圧変化による倣い）は安価で導入しやすい反面、形状変化への追従性やデータ取得の限界がある。本稿では、レーザセンサを用いた高精度な倣い制御と、そのプロセスデータを用いた「溶接直後のリアルタイム品質判定」の構築手法を解説する。

レーザ変位センサ（光切断法）を溶接トーチの前方に配置し、継手形状をスキャンしながらリアルタイムで補正を行う。

1. 先行スキャン： 開先形状（ルートギャップ、ミスアライメント）を計測。
2. 演算： 軌跡補正量と適正溶接条件（電流・電圧・速度）を算出。
3. 後行モニタリング： 溶接直後のビード形状（幅・高さ・アンダーカット・オーバーラップ）を計測。

センサの「先読み距離（Look-ahead distance）」は、ロボットの加減速特性と演算遅延を考慮して決定する。

現場の溶接現場では、高周波ノイズとスパッタによる「擬似的な点群データ」が品質判定を阻害する。

溶接直後のビード形状データを「デジタル品質台帳」として記録し、合否判定を行う。判定基準（しきい値）の策定には、JIS Z 3001-1（溶接用語）およびISO 5817（溶接継手の品質レベル）を参照する。

評価項目	判定手法	許容基準の目安（例）	異常時の要因
ビード幅	断面データ左右端点間距離	±10%以内	溶接速度の変動、電流不足
ビード高さ	凸部頂点と母材表面の差	1.0mm〜3.0mm	送給速度の不適合、溶け込み不良
アンダーカット	母材表面とビード境界の深さ	0.5mm以下	電流過多、トーチ角度不良
オーバーラップ	ビード端部の重なり角	90度以上	溶接速度遅すぎ、熱入力過多

原因： センサの照射角度が適切でない。
対策： 常に開先に対して法線方向を維持するよう、6軸ロボットの姿勢制御を行う。特に隅肉溶接では、センサの光切断線が「水平板」と「垂直板」の両方を確実に捉えているかを確認する。

自動化ラインにおいては、単に「溶接できたか」ではなく「溶接条件が適正範囲内であったか」を記録する。

1. データ紐付け： ロボットのシリアル番号、ワークID、タイムスタンプをCSV/DBに格納。
2. 管理限界の算出： サンプリングデータに対し、±3σ（シグマ）を管理限界線として設定する。

3. フィードバック制御： リアルタイムのビード幅がLCLに近づいた場合、即座にワイヤ送給速度を補正し、溶接品質を一定に保つ「アダプティブ制御」へ昇華させる。

校正（キャリブレーション）： センサの基準距離は、気温変化や振動によりドリフトする。始業前には必ず「校正用冶具（マスター）」を用いて、ゼロ点補正を行うこと。
メンテナンス周期： レーザ保護ガラスの清掃は2時間（または1シフト）毎に行う。汚れによる減光は、そのままビード高さの計測誤差（判定ミス）に直結する。
材料の反射率： ステンレス（鏡面）と黒皮鋼板（拡散反射）では、レーザの反射強度が大きく異なる。センサの露出時間（シャッタースピード）を材質ごとにレシピ登録しておくことが必須である。