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レーザ溶接の品質検査装置 - 三洋機工株式会社
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発明の名称 レーザ溶接の品質検査装置
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開平11−114683
公開日 平成11年(1999)4月27日
出願番号 特願平9−274799
出願日 平成9年(1997)10月7日
代理人 【弁理士】
【氏名又は名称】長門 侃二
発明者 宮負 幸一 / 大森 正一 / 伊達 亮 / 石原 弘一 / 小播 利雄
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】 レーザ光を被溶接物に照射して溶接を行うプラズマレーザ溶接の品質検査装置において、レーザ光が照射された溶接位置からのプラズマ光を受光するプラズマ光検出手段と、前記プラズマ光検出手段によって受光されたプラズマ光を分光しその一部によって該プラズマ光の受光状態の良否を判別するモニタ手段と、前記プラズマ光検出手段によって受光されたプラズマ光によって溶接状態の良否を判断する溶接状態判断手段とを備えたレーザ溶接の品質検査装置。
【請求項2】 プラズマ光検出手段は、その光軸を溶接位置に対して調整可能な調整手段を有することを特徴とする、請求項1に記載のレーザ溶接の品質検査装置。
【請求項3】 前記プラズマ光検出手段は溶接時に発生するスパッタが飛散し得ない位置で前記プラズマ光の受光が可能な長焦点距離を有するレンズを備えることを特徴とする、請求項1に記載のレーザ溶接の品質検査装置。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワークの穴あき欠陥や欠肉、余盛不足などに起因する溶接状態の良否を正確に判別することができるレーザ溶接の品質検査装置に関する。
【0002】
【関連する背景技術】従来のレーザ溶接の品質検査装置として、特開平7−185855号公報に記載のものが知られている。この従来装置は、同公報の第1図に記載されているように、レーザ溶接時に溶接部で発生するプラズマ光の強度をフォトトランジスタ等の光センサで検出し溶接状態の適否を予備的に判定し、この予備判定の結果溶接不良と判定された場合にその位置の溶接ビードを、レーザ光の照射部位から離れた位置に配設されたビデオカメラでとらえ、ビデオ信号を画像処理装置で処理して溶接ビードの表面欠陥の有無を検査するものが知られている。
【0003】即ち、被溶接物を一定方向に移動させながら、レーザ発振器によって発生させたレーザ光を溶接部に照射するとともに、このレーザ光が溶接部に照射されたときに生じるプラズマ光を光センサによって検出して、そのプラズマ光の強度に基づいて溶接状態の適否を予備判定している。そして、予備判定の結果、溶接不良と判定された場合には、その溶接不良部位がビデオカメラの有効視野に入るタイミングとビデオ同期信号のタイミングが一致するようにビデオ同期信号のタイミングを調整し、画像処理対象となるビデオ信号の枠内に溶接不良部位が必ず含まれるようにしている。かかる構成のビデオカメラはプラズマ光を直接撮像するのではなく、溶接時に光センサによって溶接不良と予備判定された溶接ビード自体を撮像しているものである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の品質検査装置の光センサはフォトダイオードが使用されており、発生したプラズマ光を常時適切に受光するような方向及び位置にフォトダイオードを設置することは非常に難しい。その為、プラズマ光が一定の状態であってもフォトダイオードの設置状態によりフォトダイオードの出力値にばらつきが生じることがあった。また、フォトダイオードがプラズマ光を適切な位置及び方向で受光していても、その後、受光装置の環境の変化などによりその位置や方向が経時的にずれることがあり、その結果、フォトダイオードが不適切な受光状態となり、正常な溶接状態のプラズマ光であっても正常でない溶接状態のプラズマ光としてフォトダイオードが誤って検出してしまうことがあった。従って、このような従来装置では、フォトダイオードの受光状態が最適であるか否かを検出することが難しく、光センサによる溶接不良か否かの予備判定を誤って行うことがあった。光センサによる予備判定が正確でないと、ビデオカメラは本来撮像すべき溶接不良のビードだけでなく良好な溶接の結果生じたビードも撮像してしまうことがあり、レーザ溶接の品質検査装置の信頼性を損ねていた。
【0005】本発明の目的は、レーザ溶接時に溶接部で発生するプラズマ光を最適に受光するとともに、受光したプラズマ光によって溶接状態の良否を確実に判断することができるレーザ溶接の品質検査装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ溶接の品質検査装置は、プラズマ光検出手段によって溶接位置からのプラズマ光を受光し、受光したプラズマ光を分光しその一部によって、モニタ手段がプラズマ光の受光状態の良否を判定し、同時に受光した同じプラズマ光によって溶接状態判別手段が溶接状態の良否を判断することを特徴としている。
【0007】プラズマ光検出手段が受光した同じプラズマ光によりモニタ手段によってプラズマ光の受光状態を判断すると共に、溶接状態判断手段により溶接状態の良否を判断することによって正確で信頼性の高い品質検査を可能にしている。請求項2に記載の発明装置は、プラズマ光検出手段が光の光軸を溶接位置に対して調整可能な調整手段を有しており、この調整手段により、プラズマ光検出手段の向きがプラズマ光を最適に受光できる位置及び方向に修正される。
【0008】請求項3に記載の発明装置は、プラズマ光検出手段に長焦点距離を有するレンズが備えられ、溶接時に発生するヒューム、スパッタ等が飛散し得ない位置でプラズマ光の受光が可能となり、スパッタ等に起因する受光量の減光が防止される。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係るレーザ溶接の品質検査装置の一実施形態について説明する。本発明に係るレーザ溶接の品質検査装置は、図1に示すように、ワーク2、2'を溶接する溶接装置1、溶接装置1に一体に取り付けられたプラズマ光受光装置10、プラズマ光受光装置10と電気的に接続されたモニタ30、同じくプラズマ光受光装置10と電気的に接続された検出結果処理装置40から構成される。
【0010】溶接装置1は、レーザ光を発生するレーザ溶接トーチ3、トーチ3に接続された図示しないレーザ光発振装置、フレーム5によってトーチ3と一体に設けられたアシストガスノズル4からなる。レーザ光は、所要の出力、例えば3kWの出力を有しており、炭酸ガス(CO2)レーザであるが、YAGレーザ等であっても良い。レーザ溶接トーチ3は、図示しない移動架台に取り付けられ、ワーク2、2'の上方の水平平面内を、ワーク2、2'と一定距離離間して溶接すべき溶接ライン(溶接部)に沿って2次元的に移動することができる。トーチ3によってレーザ光が溶接部6(ワーク2とワーク2'との突き合わせ部)に向けて照射され、溶接部6を溶融させる。このときの溶接速度は、例えば、厚み1.8mmのワーク2に対して3m/minである。アシストガスノズル4は、ノズル先端をトーチ3の進行方向前方の斜め上方から溶接部6に向け、ノズルの軸線をトーチ3の軸線に対して略45°の角度をもってフレーム5に固定されており、レーザ溶接トーチ3の移動中、レーザ溶接部に常にアルゴンガス等の不活性ガス(シールドガス)を所要量(例えば、30リットル/min)吹き付けて溶接部の酸化を防止している。尚、図1において、アシストガスノズル4及び後述するプラズマ光受光装置10は、トーチ3に対して図中左右に配設されるように示されているが、実際は紙面に対し面直方向、即ち、ノズル4はトーチ3の進行方向前方に、受光装置10は後方にそれぞれ配設されている。
【0011】プラズマ光受光装置10は、溶接部からのプラズマ光を受光する長焦点レンズ11(プラズマ光検出手段)を備えている。使用するレンズ11としては、溶接時に発生するスパッタやフュームがレンズ面に到達し得ない位置で、適度の範囲の溶接部6が後述するモニタ30の画面に適度な大きさで表示し得るに適した焦点距離(画角)を有する、望遠レンズ(ロングワーキングディスタンスレンズ)が用いられる。長焦点レンズ11の前端面には減光フィルタ(NDフィルタ)12が取り付けられ、過度のプラズマ光量を受光しないようにしている。レンズ11の後端面にはフォトトランジスタなどの光センサ15が取り付けられている。
【0012】長焦点レンズ11と光センサ15との間の光路上にはハーフミラー13が配設され、プラズマ光の一部を反射し残りを透過させる。ミラー13による反射光の光路上にはミラー14が配設される。ミラー14の反射光の光路上にはCCDカメラなどのビデオカメラ16が前記光センサ15と光軸を平行にして配設されている。
【0013】レンズ11、即ちプラズマ光受光装置10は、レンズ11の光軸の向きを調整するレンズ調整装置20(調整手段)を備えており、この調整装置20を介してフレーム5に取り付けられる。このようにフレーム5に取り付けられることによってプラズマ光受光装置10はトーチ3と一体に移動する。レンズ調整装置20は、レンズ11の角度を調整する角度調整機構23と、機構23に取り付けられ、レンズ11の回動角度を調整する回転台22、角度調整機構23とレンズ11とを固定するマウンター24、回転台22とフレーム5とを固定する支持アーム21、角度調整機構23及び回転台22を固定するロック機構(図示せず)等から構成され、ロック機構のロックを解除することによりレンズ11の光軸を手動で自在に調整することができる。
【0014】プラズマ光を撮像するためのモニタ30は、ビデオカメラ16に電気的に接続されている。尚、ハーフミラー13、ミラー14、ビデオカメラ16、モニタ30等でモニタ手段を構成している。モニタ30は、長焦点レンズ11が受光し、一部分光されビデオカメラ16によって撮像されたプラズマ光を画面に表示することができ、これによってレンズ11の受光状態、即ち、溶接部6におけるプラズマ光の発光状態を監視することができる。
【0015】検出結果処理装置40は、アンプ41、 A/D変換器42、及び溶接位置毎のプラズマ光強度から溶接良否を判断する溶接良否判別装置43等から構成され、この順に電気的に接続されている。アンプ41は光センサ15からの電気信号を増幅し、 A/D変換器42はアンプ41からのアナログ信号をデジタル信号に変換するもので、サンプリング周期は、シャッタースピード換算で1/10000である。溶接良否判別装置43は、A/D変換器42からのデジタル信号を電圧値Vとして時系列順(溶接位置に対応)に表示するもので、表示画面には良否判定の基準値(閾値)も表示されている。尚、上述した光センサ15、アンプ41、 A/D変換器42、溶接良否判別装置43等で溶接状態判断手段を構成している。
【0016】次にかかる構成による作用について説明する。先ず、プラズマ光受光装置10それ自身の光軸調整について説明すると、レンズ11の光軸は、光センサ15のそれと一致するように予め調整されている。又、ハーフミラー13、ミラー14により分光されるプラズマ光の光軸はビデオカメラ16のそれとも一致するように予め調整されている。従って、レンズ11の光軸は光センサ15及びビデオカメラ16の光軸と一致しており、溶接部6に対するレンズ11の光軸をレンズ調整装置20によって調整すると、溶接部6に対する光センサ15及びビデオカメラ16の光軸も同時に一対一に対応して調整されることになる。
【0017】尚、光センサ15とビデオカメラ16の上記光軸調整も、モニタ30を備えているので容易に行うことができる。即ち、先ず、プラズマ光受光装置10が受光するプラズマ光量の平均値が最大となるようにレンズ11と光センサ15の光軸を合致させる。次に、光センサ15とレンズ11の光軸を合わせた状態で、今度はモニタ30の画面を見ながらハーフミラー13、ミラー14の取付角度等を調整すると、容易にレンズ11とビデオカメラ16、従って、光センサ15の光軸を合致させることができる。
【0018】又、フレーム5に対するトーチ3、アシストガスノズル4及びプラズマ光受光装置10の取付調整も略完了しており、トーチ3からのレーザ光によって溶融する溶接部6に向け、適宜の角度、距離を存してノズル4及びプラズマ光受光装置10がフレーム5に取り付けられている。このような状態で溶接装置1がワーク2、2'を溶接することによって溶接部に発生するプラズマ光は、減光フィルター12によって減光されてレンズ11に受光される。このプラズマ光は一部がハーフミラー13によって反射され、その後ミラー14によって反射され、ビデオカメラ16によって撮像され、モニター30に表示される。撮像されたプラズマ光がモニター30上の中心に位置しているか否かにより、プラズマ光受光装置10が適切な受光状態でプラズマ光を受光しているか否かが分かる。
【0019】図2及び図3は、モニタ30に表示されたプラズマ光の受光状態例を示す。まず、プラズマ光受光装置10がプラズマ光を適切に受光しているときのプラズマ光の受光状態をモニタ30で表示させた例を図2に示す。図2に示すとおり、溶接部からのプラズマ光は、モニタ30の中央部にオーバレイされた基準フレーム30aに略重なってほぼ円形で写っている。このような基準フレーム30aとの位置関係でプラズマ光が受光されることにより、プラズマ光受光装置10の光軸は適切にプラズマ光発光部、即ち、溶接部に正しく向いており、受光装置10がプラズマ光を適切に受光していることを示す。この場合は、プラズマ光受光装置10の光軸をレンズ調整装置20で修正する必要はない。
【0020】次に、プラズマ光受光装置10がプラズマ光を適切に受光していないときには、図3に示すとおり、受光したプラズマ光は、モニタ30の中央部の基準フレーム30aからかなりずれて写っている。このような位置関係は、プラズマ光受光装置10の光軸がプラズマ光発光部(溶接部)に適切に向いておらず、受光装置10がプラズマ光を適切に受光していないことを示す。この場合は、後述するようにプラズマ光受光装置10の光軸をレンズ調整装置20で修正して、プラズマ光の中心がモニタ30の基準フレーム30aの中心と重なるように表示されるようにする。
【0021】ここで、プラズマ光受光装置10の光軸をレンズ調整装置20によって調整する方法について説明する。図示しないロック機構を解除してレンズ調整装置20の角度調整機構23を軸25を中心として回動させ、及び/又は機構23に固定された回転台22を支持アーム21の中心軸周りに回動させることにより、プラズマ光受光装置10の光軸の向きを3次元的に変えることができる。レンズ調整装置20によってプラズマ光受光装置10の光軸調整を行い、プラズマ光の撮像の中心がモニタ30の中央部(基準フレーム30aの中心)に移動したら調整作業を終了する。このようなプラズマ光受光装置10の光軸調整は、頻繁に行う必要はないが、モニタ30の表示を監視して受光状態が悪化すれば、その都度行えば良い。
【0022】尚、長焦点距離レンズ11を使用しているので、モニタ30にプラズマ光を大きく表示させることができ、かつプラズマ光受光装置10の光軸がわずかにずれてもモニタ30上のプラズマ光の表示位置が大きくずれるので、プラズマ光受光装置10の光軸確認、修正をより正確に行うことができる。かかるプラズマ光受光装置10の光軸調整が終了したならば、検出結果処理装置40によって、溶接良否の判断を行う。具体的には、前述した通り、光センサ15によって検出されたアナログ検出値はアンプ41によって増幅され、更にA/D変換器42によりデジタル検出値に変換される。このデジタル検出値は、溶接位置ごとの(即ち、一定時間毎の)プラズマ光量をサンプリングしたものであり、溶接良否判断装置は、この値を画面に表示すると共に、基準閾値と比較し、閾値以下の場合、その位置の溶接部を溶接不良と判断する。
【0023】ここで、溶接良否判別装置43の処理内容を図4に示す。図4は、横軸が溶接位置、縦軸がこの溶接位置毎のプラズマ光強度のデジタル値を表す。図4において、プラズマ光強度が基準閾値を下回っている部分(図4のa部分)に対応する溶接位置に異常があることを示している。図5はこの検出結果に対応した溶接ビードの形状を模式的に示した図であり、図5の溶接不良部分(a部)と図4のプラズマ光強度の低い部分(図4のa部分)とが対応していることが分かる。
【0024】尚、上述の実施の形態とは異なり、レーザ溶接トーチ3、アシストガスノズル4、及びプラズマ光受光装置10は、必ずしも同じフレームに取り付ける必要はなく、トーチ3によって溶融される溶接部を自動的にトレースすることが出来れば、別々の溶接部追従装置に取り付けても良い。又、レーザ溶接トーチ3、アシストガスノズル4、プラズマ光受光装置10を固定してワーク2、2'を移動させても良い。
【0025】更に、調整装置20を手動で調整する代わりに自動調整装置を用いてプラズマ光受光装置10の光軸の向きをモニタ30の基準フレーム30aとの位置関係に対応させて最適な向きに自動的に調整できるようにしても良い。この場合の自動調整装置のゲインは、A/D変換器42のサンプリング周期と比し、充分に小さい値に設定する必要がある。
【0026】更に又、ミラー14を省略し、図中光センサ15と垂直な方向であってハーフミラー13による反射光の光路上にビデオカメラ16を設けても良い。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように請求項1の発明装置によれば、プラズマ光検出手段によって受光したプラズマ光の一部をモニタ手段で監視するとともにプラズマ光検出手段によるプラズマ光の受光状態の良否を同時にモニタできるので、溶接良否判定の信頼性を向上させることができる。
【0028】又、請求項2の発明装置によれば、調整手段によってプラズマ光検出手段の光軸を溶接位置に対して調整することができるため、モニタ手段によってプラズマ光検出手段によるプラズマ光の受光状態が適当でないと判断した場合に、この受光状態を最適に修正することができ、レーザ溶接の品質検査装置の信頼性を更に向上させることができる。
【0029】更に、請求項3の発明装置によれば、プラズマ光検出手段が長焦点距離を有するレンズを備えて構成することにより、プラズマ光発光部、即ち、溶接部からレンズまでの距離を通常レンズ使用時の距離よりかなり離すことができ、この構成により、溶接ヒュームスパッタ等の汚れや熱に影響されない十分離れた距離にプラズマ光検出手段を設置できるので、レーザ溶接の品質検査装置の信頼性をより向上させることができる。




 

 


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