インプロセスモニタリングデータを用いた機械学習によるオンライン非破壊検査法の開発

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04728
• Research Institution: Anan National College of Technology
• Principal Investigator: 山田 耕太郎 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 准教授 (70378941)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西本 浩司 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 教授 (40501169) ; 岡本 浩行 阿南工業高等専門学校, 創造技術工学科, 教授 (60390506)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: レーザ / 溶接 / モニタリング / 機械学習

Outline of Annual Research Achievements

レーザ加工は、自動車をはじめとして様々な産業分野における、ものづくりの基盤技術として利用されている。いずれの加工においても、生産工程での品質管理は重要であり、リアルタイムに加工の状態をモニタリングし、加工された製品の良否判定や内部欠陥をその場で検出できる技術が求められている。そこで本研究では、レーザ溶接中に発生する熱放射光および反射光のインプロセスモニタリングを行い、モニタリングデータと各種レーザ照射条件および加工点の状態との関係を明らかにするとともに、レーザ溶接条件と溶接結果およびインプロセスモニタリングデータを基に、機械学習および深層学習のモデル構築を行い、オンライン検査可能な非破壊検査法の開発を目的とする。
本年度は、各種実験条件においてレーザ溶接を実施し、各種モニタリングデータの収集と高速度ビデオカメラによる溶融池の観察を行い、モニタリングデータと溶接欠陥との関連性について検討した。供試材料として、冷間圧延鋼板およびアルミニウム合金板を用いた．レーザには，最大出力1kWのシングルモードファイバーレーザを用いた．レーザ溶接中に熱放射光（1300 nm）および反射光（1060 nm）をサンプリングレート50μsでモニタリングし，得られた熱放射光の時系列データおよびビード外観写真を教師データとして取得した．また，レーザ溶接中の溶融池近傍を高速度ビデオカメラにより6000 fpsで高速度観察を行った．各種レーザ溶接後のモニタリング波形および高速度ビデオ観察の結果、熱放射光において高いピークの箇所で溶接欠陥であるハンピングの形成が確認できた．ハンピング形成時に溶融池が大きく膨らむことから熱放射高強度が増加したと推察され、熱放射光強度とハンピングやスパッタなどの欠陥発生に何らかの関係性があることがわかった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

レーザ溶接中に熱放射光と反射光をインプロセスでモニタリングが可能となっており、モニタリング信号と溶接欠陥との関連性について検討することができている。また、種々のレーザ照射条件におけるモニタリング信号のデータを蓄積することができており、機械学習のための教師データの収集が順調に進んでいることから、当初の予定通りにおおむね順調に進展していると考えている。

Strategy for Future Research Activity

今後は、モニタリング信号を教師データとした機械学習のためのプログラムを作成するとともに、各種レーザ照射条件における試験片のX線透過観察画像を取得し、モニタリングデータとX線透過観察画像からの溶接欠陥との紐づけを行い、欠陥検知モデルの構築に取り組む。

Causes of Carryover

令和３年度は研究成果を発表する機会がほとんどなかったため、旅費の使用がなかった。
また、データ保存用NASを購入予定であったが、既存の環境で対応できていたため、購入にまだ至っていない。ただ、さらに今後も実験データを蓄積していくことになるため、令和４年度中にはNASの購入を検討している。また、令和４年度には新たに実験装置として加工ヘッド用同軸ノズルを購入する。さらには、学術講演会などについて現地での開催が増えてくると考えられるため、これまでの研究成果発表をする予定であり旅費などについても使用する。