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溶接・金属加工の可視化・解析

溶接・金属加工 可視化・解析

リアルタイムスイング解析システム「GEARS(ギアーズ)」

溶接工程は適切な溶接設計に基づき図面どおりに『接合』することが原則となりますが、様々な外的・内的要因から溶接不良が発生します。

溶接接合部の外観や強度といった『溶接品質の向上』を目標に、溶接不良を軽減させ溶接生産ラインの歩留まり向上を実現させるためには、

・溶接の視える化(可視化)から様々な解析をおこない数値的な裏付けをおこなう
・得られた数値から溶接接合実証実験を繰り返すことで溶接条件を絞っていく

上記が重要なポイントになります。 ノビテックでは様々な『溶接・金属加工に絡む可視化・数値解析ツール』を用意しております。

ものづくりにおける溶接品質向上の一助になれば幸いです。

溶接の可視化とは

溶接は、複数の部材に対し圧力や熱を加えることで部材を一つの部材へと加工する手法です。長らく用いられた技術であるため、溶接手法(融接、圧接、ろう接)や放電やガス、レーザーなど用いる方法など様々な手法があります。
TIG溶接やMAG溶接、スポット溶接など手法に由来する固有の名前で呼ばれることが一般的です。

溶接の可視化とは、溶接時に起こる放電現象などの、ごく一瞬の現象をとらえるために、通常のカメラではなくハイスピードカメラ(高速度カメラ)による可視化が必須となります。解析に適した画像の取得には、フレームレート(何倍速で撮影可能か)のみならず、カメラのセンサの性能や、光源の熱が溶接に影響を与えないようにする必要があります。

溶接の不具合とは

リアルタイムスイング解析システム「GEARS(ギアーズ)」

溶接工程は適切な溶接設計に基づき図面どおりに『接合』することが原則となりますが、様々な外的・内的要因から溶接不良が発生します。

溶接接合部の外観や強度といった溶接品質の向上を目標に、溶接不良を軽減させ溶接生産ラインの歩留まり向上を実現させるためには、品質の高い溶接条件を確立することが必須です。溶接工程における主な不具合と、その原因は以下のようなものがあります。

  • ブローホール、キーホール(金属蒸気等が取り込まれることにより発生する溶接金属内の気孔)
  • 低音割れ (溶接後、冷却してから発生する割れ)
  • 高温割れ (溶接中あるいは溶接終了直後に発生する割れ)
  • 融合不良 (溶融境界の一部に未溶融部分が残存すること)
  • アンダーカット (溶接ビード止端部に存在するノッチ状にえぐれた欠陥)
  • オーバーラップ (母材表面にあふれ出た溶融金属が,冷接するとき生じるノッチ状の欠陥)
  • スラグ巻き込み (溶接金属中留したもの)
  • スパッタの飛散 (シールドガスの成分不適正、短絡の発生)
  • 手溶接における品質のばらつき (作業者の技量のばらつき)

溶接に於ける品質の確認

これまでは、溶接後の形状計測や超音波探傷計を使った品質の確認が主でありました。最近では溶接中の可視化(視える化)が可能となっております。

そこに様々なリアルタイム画像処理計測技術を加えることで、溶接中の溶融金属形状計測からリアルタイムで溶接不具合の検知ができるようになりました。これにより、溶接生産ラインにおける歩留り向上が期待されます。

溶接時の動きの解析

溶接中の人間の動きや溶接器具の動きをデータ化する方法として、モーションキャプチャ技術が存在します。ただし、モーションキャプチャは動きを定量化するための手法であるため、得られた三次元的な座標データを基に別途解析が必要になります。

従来モーションキャプチャには複数のカメラや大掛かりなターゲットマーカーが必要でしたが、弊社のシステムでは単眼式のカメラと、特殊なマーカーを用いることで、溶接動作を妨げないような動作解析を行うことで、作業歩留まりの向上や作業時の人材育成に活用できます。

溶接技術の技能伝承

技能伝承とは、様々な技術を個人が用いる際に、その技術を使いこなすための能力を、他のメンバーにも取得させる事を指します。溶接機の使い方ということであれば、その溶接機のマニュアルを参照すればよいでしょう。しかし、溶接作業となると、その動作のすべてを紙のマニュアルで伝えることは不可能です。従来、手溶接の教育というと指導者の周りに集まって溶接面越しに見ることが通常でした。しかし、その問題点として、「溶接作業の範囲が小さいことから見える人が限られる」、「見ることは出来ても実際の現象がどうなっているのか分からない」という点が挙げられました。

手溶接における溶接技術の技能伝承においては、Cavitar Welding Cameraによる溶接の見える化や、熟練者のウィービング動作を数値化(座標化)することで「作業手順統一サポートシステム」などを用いることで効率的に実現可能です。

溶接ロボットの可視化

近年では溶接生産ラインに数多く導入されています。溶接ロボットを使用した可視化画像要望もあり、可視化画像が常に動く計測にはAI技術を使用したディープラーニング画像判定技術を応用することで溶接不具合検知が可能であること検証をおこなっております。

溶接プロセス中の可視化

レーザー溶接機の加工ヘッドにカメラを取り付けたり、TIGやMIG、MAG溶接といったアーク用溶接専用に開発されたカメラ及びリアルタイムでの画像処理によって溶接プロセス中の可視化を実現しました。

リアルタイムでの可視化を実現しているために、溶接作業中での溶接作業の不具合を見つけ出すことが可能になりました。

溶接溶融池の温度計測

溶接溶融池の温度を測定する手法としては、熱電対や最近では光ファイバーなどの接触方式の他、サーモビュワや二色温度測定などのカメラを用いた非接触の手法が存在しています。接触式は溶融池の内面温度を測定できる一方消耗品であり、センサの熱伝導による温度変化などの影響も考慮する必要があります。一方で、非接触式であれば溶融池に対する影響は与えることなく測定が可能です。また、二色法による温度計測システムでは赤外線サーモグラフィに必要な放射率補正が不要であるため、容易にオペレーションを行うことが可能です。

二色式による溶融池温度計測は、各種研究開発や、レーザー溶接時における入熱の分布特性を得ることで、レーザーの条件出しを行うために有用です。

システム一覧

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溶接場モニタリングシステム Weld-Eye (ウェルドアイ)

概要

レーザー溶接機の加工ヘッドに専用のCMOS高速度カメラ・可視化用レーザー照明を同軸で取り付け、加工中の溶接場をリアルタイムで解析するシステムです。プロセス中の画像を処理しながら、各種解析項目をリアルタイムに出力し、加工機へフィードバックすることが可能です。画像処理により、キーホールの面積や中心位置・溶融池面積・溶融池幅、ビード幅などを計測します。

また、オプションの可視化用レーザー照明装置を用いることにより、プラズマ発光やヒュームの影響を受けずに、溶融部分の観察、解析を行うことが可能となります。加工中の計測が難しかった、突合せギャップの幅を計測し、ギャップ中心位置とキーホール中心の位置ずれを算出する事も可能です。
加工中に溶接不良を見つけ出す事ができる為、溶接直後に一早く不良品を特定し、不良の流出を抑える事が可能となります。

構成

カメラ本体

  • 解像度:640×480fps
  • 撮影速度:360fps
  • 露光時間:1us

レーザー照明装置(オプション)

  • 波長:640nm又は810nm
  • 出力:400W又は500W
  • レーザークラス:4

計測項目

  • 溶融池面積
  • 溶融池幅
  • キーホール面積
  • キーホール重心
  • ビード幅
  • 突合せギャップ
  • 位置ずれ検出
  • スパッタカウント

溶接モニターカメラ Cavitar Welding Camera(キャビターウェルディングカメラ)

概要

TIGやMIG/MAGなどのアーク溶接の可視化専用に開発された溶接専用モニターカメラで、溶接加工中のプロセスをリアルタイムで画像処理を行います。専用のレーザー照明を内蔵することで、一般的な産業用カメラとは異なり、アーク光やヒュームを打ち消すことができるため、溶融池やその周辺を詳細に観察可能です。アーク光を抑えた画像を取得できることから、従来は不可能であった溶接中のパイプ溶接などのギャップ計測やトーチの位置ずれなどの計測が可能となります。内蔵のレーザー照明はクラス3Rの為、保護メガネの着用が不要です。レーザー照明内蔵の小型カメラヘッドの為、設置が容易で、装置への組み込みも可能です。

計測データはアナログ電圧出力が可能な為、PLCなどのコントローラーに取り込んで頂く事で機器の制御に利用する事ができます。その他にも溶融池面積・溶融池幅、ビード幅の計測も可能となっております。

構成

WeldingCamera本体

  • 解像度1440×1080fps
  • 撮影速度:30fps
  • 露光時間:2us

同軸レーザー照明装置(オプション)

  • 波長:640nm
  • 出力:100W以下
  • レーザークラス:3R

計測項目

  • 溶融池面積
  • 溶融池幅
  • キーホール面積
  • キーホール重心
  • ビード幅
  • 突合せギャップ
  • 位置ずれ検出
  • スパッタカウント

溶接場高速可視化システム

概要

高性能のハイスピードカメラおよび可視化用レーザー照明を使用し、溶接場を高速で観察するシステムです。あらゆる種類の溶接に使用でき、溶融池の溶融・流動状態、スパッタの発生状況等がスローモーションで観察できます。リアルタイムでの解析は行えませんが、より高解像度かつ高速の可視化画像を取得でき、オフラインでの解析が行えます。

二色式溶融池温度計測システム Thermera

概要

高性能のハイスピードカメラおよび可視化用レーザー照明を使用し、溶接場を高速で観察するシステムです。あらゆる種類の溶接に使用でき、溶融池の溶融・流動状態、スパッタの発生状況等がスローモーションで観察できます。リアルタイムでの解析は行えませんが、より高解像度かつ高速の可視化画像を取得でき、オフラインでの解析が行えます。

溶接中シールドガス アシストガス評価 ShieldView

概要

シュリーレンという特殊な光学系を応用し、溶接中のシールドガスやアシストガスを可視化するシステムです。溶接条件を変更した際に於けるガスシールド性の評価や最適なガス流量の条件出しを行うことで、コスト削減につなげることが可能です。

可視化された画像から、ガスの流速や流れ場のベクトル表示、スパッタカウントの後処理も可能です(オプション)

ブルームの生成状態を可視化することで、メンテナンス頻度やレーザーの減衰、焦点シフトなどの抑制に最適です。

中赤外線ハイスピードカメラTACHYON 16k

概要

リアルタイムスイング解析システム「GEARS(ギアーズ)」

TACHYON 16k(タキオン16k)は中赤外線カメラでありながら最高10,000コマ/秒の撮影が可能です。非冷却式のコンパクト設計でギガイーサネット2.0PoEに対応してます。画像のピクセル数は128x128で2,000コマ/秒、32x32で10,000コマ/秒の高速度撮影が可能です。100℃以上の熱放射体(固体、気体)を可視化することができます。

単眼式三次元モーションキャプチャーMotion Visualizer

概要

リアルタイムスイング解析システム「GEARS(ギアーズ)」

カメラ一台でモーションキャプチャーおよび溶接時の様々な動作解析を行う画期的な計測システムです。
特殊なLEDマーカーの見え方からリアルタイムでカメラ一台で3次元座標を取得します。

溶接トーチに専用マーカーを貼り付けることで、トーチの姿勢計測が可能になります。ウィービングの角度・速度など溶接を行う上で重要な要素をカメラ1台で簡単に解析することができます。また、マーカーから仮想点を作ることも可能なので、溶接時の溶接ワイヤー位置を仮想点として計測することも可能です。

解析評価の内容

  • 位置ずれ評価
    座標データより開先及び基準中心からのズレ量を算出
    溶接時の動きのばらつきを評価
  • 移動距離の評価
    ウイービングサイクル毎に移動量を計測
  • 溶接速度の評価
    ウイービングサイクル毎に溶接移動量速度を計測
    溶接移動速度のばらつきを比較
  • 溶接量の評価
    ウイービングサイクル毎に溶接量を計測
    溶接量が不足していれば品質に問題が発生

4つの項目を定量化することで、作業者の技量を判断する指標となる

非接触歪み・変位計測ソフト DIC

概要

リアルタイムスイング解析システム「GEARS(ギアーズ)」

DIC(デジタル画像相関法)とは、変形前後の画像を解析することで、歪みや変位量を算出する手法で、近年注目を集めています。非接触で、面や立体での変形量を算出可能です。

溶接時の熱によって発生する部材の変形量を測定するためには、従来はひずみゲージを用いて行っていましたが、接着制度による誤差や設置時間にかかる手間などの問題を抱えていました。DICは画像を用いて歪み・変位量を解析するため、工数の削減及び面での数値化が可能です。

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