JP2009125790A - Monitoring apparatus of arc welding - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アーク溶接の監視装置に関するものである。 The present invention relates to an arc welding monitoring device.
従来より、2つの部材同士を溶接して結合するアーク溶接は、様々な分野で利用されており、適切な溶接を行うために、アークの発生状態、アークスポット点付近で溶け出した溶融金属の状態(言い換えれば、金属が溶け出した溶融池の状態)、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することは、必要不可欠なものとされている。アーク溶接の溶接状況を把握するものとして特許文献1に開示されているものがある。
この特許文献1の溶接領域の監視装置は、溶接領域を撮像する撮像手段と、撮像手段の中又は前方に設けられたフィルタと、紫外線を放射可能で溶接領域を照明する照明手段と、紫外線の波長範囲内の波長をフィルタリングするバンドバスフィルタとを備えているものである。
The welding region monitoring device of
特許文献1の技術では、紫外線領域におけるアークの発生状態を撮像することができるものの、溶接時の溶融池における溶融金属のスペクトル強度をプランクの放射則から考えると、そのスペクトル強度は紫外線領域では非常に小さいため、溶融池の状態をコントラストよく撮像することができないという問題がある。
しかも、特許文献1の技術では、輝度の非常に高いアーク(輝線スペクトルが高い部分)を撮像しているだけであって、溶接後のビード形状など、アークや溶融池以外の周囲を見ることができない。
Although the technique of
Moreover, in the technique of
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することができるアーク溶接の監視装置を提供するようにしたものである。 Therefore, in view of the above problems, the present invention provides an arc welding monitoring device capable of reliably grasping various welding conditions such as an arc generation state, a molten pool state, and a bead shape after welding. It is a thing.
前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、前記アーク溶接の周囲を撮像する2つの撮像手段と、赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記一方の撮像手段に対して設けられた第1バンドパスフィルタと、紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記他方の撮像手段に対して設けられた第2バンドパスフィルタと、前記第2バンドパスフィルタの透過帯域の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、前記2つの撮像手段で撮像した画像を合成する画像合成手段と、前記画像合成手段で合成された画像を表示する画像表示手段とを備えている点にある。
In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
That is, the technical means for solving the problems in the present invention are an arc welding monitoring apparatus for monitoring the state of arc welding, two imaging means for imaging the periphery of the arc welding, and bandpass characteristics in the infrared wavelength region. A first bandpass filter provided for the one image pickup means and a second bandpass provided for the other image pickup means having a bandpass characteristic in the ultraviolet wavelength region. A filter, an illuminating means having an emission spectrum in the transmission band of the second bandpass filter and illuminating the periphery of arc welding, an image synthesizing means for synthesizing images taken by the two imaging means, and the image synthesis Image display means for displaying an image synthesized by the means.
前記第1バンドパスフィルタの透過帯域は、アーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第2バンドパスフィルタの透過帯域は、アークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることが好ましい。
本発明における課題解決のための他の技術的手段は、アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、前記アーク溶接の周囲を撮像する1つの撮像手段と、赤外線波長領域をバンドパスする第1特性及び紫外線波長領域をバンドパスする第2特性をそれぞれ備えた1つのバンドパスフィルタと、前記第2特性内の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、前記撮像手段で撮像した画像を表示する画像表示手段とを備えている点にある。
The transmission band of the first bandpass filter is set in the spectral region of the arc and molten metal so as to deviate from the emission line spectrum of the arc, and the transmission band of the second bandpass filter is excluded from the emission line spectrum of the arc. It is preferable that it is set.
Another technical means for solving the problems in the present invention is an arc welding monitoring apparatus for monitoring the state of arc welding, and one imaging means for imaging the surroundings of the arc welding and bandpass the infrared wavelength region. One band-pass filter each having a first characteristic and a second characteristic that band-passes the ultraviolet wavelength region, an illuminating means that has an emission spectrum within the second characteristic and illuminates the surroundings of arc welding, and the imaging Image display means for displaying an image captured by the means.
前記第1特性は、その透過帯域がアーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第2特性は、その透過帯域がアークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることが好ましい。
前記バンドパスフィルタの中心部が第1特性とされ、前記中心部の回りが第2特性とされていることが好ましい。
前記撮像手段は、赤外線の波長領域の強度が紫外線の波長領域の強度よりも大となるスペクトル分布を備えたアーク溶接の状況を撮像することが好ましい。
The first characteristic is set so that its transmission band falls within the arc and molten metal spectral region and deviates from the arc line spectrum, and the second characteristic is set so that its transmission band deviates from the arc line spectrum. It is preferable.
It is preferable that a center portion of the bandpass filter has a first characteristic and a portion around the center portion has a second characteristic.
The imaging means preferably images an arc welding situation having a spectral distribution in which the intensity in the infrared wavelength region is greater than the intensity in the ultraviolet wavelength region.
本発明によれば、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, various welding conditions, such as the generation | occurrence | production state of an arc, the state of a molten pool, the bead shape after welding, can be grasped | ascertained reliably.
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
[第1実施形態]
図1に示すように、本発明の第1実施形態に係るアーク溶接の監視装置1(1A)は、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を把握するもので、2台の撮像装置2、2と、第1バンドパスフィルタ3と、第2バンドパスフィルタ4と、照明手段5と、画像合成手段6を有する制御装置7と、画像表示手段8とを備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
As shown in FIG. 1, the arc welding monitoring device 1 (1 </ b> A) according to the first embodiment of the present invention grasps various welding conditions such as an arc generation state, a molten pool state, and a bead shape after welding. The two
各撮像装置2、2は溶接を行うための溶接トーチ9の近傍に配置されていて、その内部に結像レンズ14と、フレーム画像を撮像するための撮像手段10とを備えている。この撮像手段10は各撮像装置2、2内に具備されたCCD素子から構成されている。
以降、説明の便宜上、2台の撮像装置2、2のうち、一方の撮像装置2Aのことを第1CCDカメラと言い、他方の撮像装置2Bを第2CCDカメラという。
第1CCDカメラ2Aの撮像中心と第2CCDカメラ2Bの撮像中心とは略同一の位置に向けられていて、第1CCDカメラ2Aは、アークAの発生状態や溶融池Bの状態を撮像するためのもの、第2CCDカメラ2Bは、溶接後のビードCや部材同士の接合線(溶接予定線D)を撮像するためのものとされている。
Each
Hereinafter, for convenience of explanation, of the two
The imaging center of the
第1CCDカメラ2A(第1CCD素子10A)で撮像したアークAの発生状態や溶融池Bの状態のフレーム画像は、制御装置7に入力されると共に、第2CCDカメラ2B(第2CCD素子10B)で撮像した溶接後のビードCの形状や溶接予定線Dのフレーム画像は、制御装置7に入力されるようになっている。
第1バンドパスフィルタ3は、赤外線波長領域のバンドパス特性を有するものであって第1CCD素子10Aに対応して設けられている。即ち、第1バンドパスフィルタ3は、第1CCD素子10Aに入射される入射光の範囲に亘って配置されていて、例えば、入射光が通過する第1CCDカメラ2Aの結像レンズ14の前方に配置されている。
The frame image of the state of arc A and the state of the molten pool B captured by the
The
第2バンドパスフィルタ4は、紫外線波長領域のバンドパス特性を有するものであって第2CCD素子10Bに対応して設けられている。即ち、第2バンドパスフィルタ4は、第2CCD素子10Bに入射される入射光の範囲に亘って配置されていて、例えば、入射光が通過する第2CCDカメラ2Bの結像レンズ14の前方に配置されている。
なお、第1バンドパスフィルタ3は、第1CCD素子10Aに入射される入射光の範囲内であれば、第1CCDカメラ2Aの前方だけでなく第1CCD素子10Aの前方に配置されていてもよい。同様に、第2バンドパスフィルタ4は、第2CCD素子10Bに入射される入射光の範囲であれば、第2CCDカメラ2Bの前方だけでなく第2CCD素子10Bの前方に配置されていてもよい。
The second
The
第1バンドパスフィルタ3、第2バンドパスフィルタ4について説明する。図2は2つの部材同士をアーク溶接した際の発光スペクトルの分布(分光特性)を示したものである。
図2に示すように、アーク溶接時には、赤外線領域(700nm)以上においては、強度の高い輝線スペクトルS1が存在すると共に、スペクトル強度が紫外線領域(400nm)よりも高い領域S2が存在する。
アークは、溶接時において放電電流自身、放電電流によるシールドガスの励起、電離、再結合に伴って特定のピーク波長を有する発光をするため、赤外線領域における輝線スペクトルS1が発生する。また、アーク溶接時の金属の溶融温度は約1800Kであり、プランクの放射則に従う赤外線領域にピークをもつ連続スペクトルであることを考慮すると、スペクトル強度が高い部分S2の主成分は溶融金属(溶融池Bの溶融金属)の放射によるものである。
The
As shown in FIG. 2, at the time of arc welding, in the infrared region (700 nm) or more, a bright line spectrum S1 having a high intensity exists, and a region S2 having a spectral intensity higher than the ultraviolet region (400 nm) exists.
The arc emits light having a specific peak wavelength with the discharge current itself, excitation of the shield gas by the discharge current, ionization, and recombination at the time of welding, so that an emission line spectrum S1 in the infrared region is generated. Also, considering that the melting temperature of the metal during arc welding is about 1800 K and is a continuous spectrum having a peak in the infrared region according to Planck's radiation law, the main component of the portion S2 having a high spectral intensity is the molten metal (molten) This is due to the radiation of molten metal in pond B).
そこで、本発明では、発光スペクトルの分布から第1CCDカメラ2AによってアークAの発生状態や溶融池Bの状態をコントラスト良く撮像するために、第1バンドパスフィルタ3の透過帯域P1を、アーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルS1から外れるように設定している。
具体的には、第1バンドパスフィルタ3は、その透過帯域P1が輝線スペクトルS1とオバーラップしないで、且つ、溶融池Bの放射によるスペクトル強度が高い部分S2に位置するように、例えば、810nm(半値幅10nm)の光を透過するものとされている。ここで、第1バンドパスフィルタ3は、スペクトル強度が高い部分S2の領域内において、スペクトル強度が低くなる部分に配置することが好ましい。
Therefore, in the present invention, in order to image the generation state of the arc A and the state of the molten pool B with the
Specifically, the
なお、第1バンドパスフィルタ3の透過帯域P1が輝線スペクトルS1とオバーラップしない領域であれば、発光を抑えた状態でアークAの発生状態を撮像することができるため、第1バンドパスフィルタ3は上記に限らず、輝線スペクトルから外れ且つ溶融池Bの放射の波長内であれば、例えば、950nmであってもよい。
一方で、紫外線領域においては、アーク放電による輝線スペクトルS1は殆ど存在せず、スペクトル強度も高くないことから、当該紫外線領域にて溶接後のビードCの形状や溶接予定線Dを撮像することにしている。即ち、第2CCDカメラ2Bによって溶接後のビードC形状や溶接予定線Dをコンストラスト良く撮像するために、第2バンドパスフィルタ4の透過帯域P2を、アークの輝線スペクトルS1から外れた紫外線領域に設定している。第2バンドパスフィルタ4は、例えば、436nm(半値幅nm)の光を透過するものとされている。
If the transmission band P1 of the
On the other hand, in the ultraviolet region, there is almost no bright line spectrum S1 due to arc discharge and the spectral intensity is not high, so the shape of the bead C after welding and the planned welding line D are imaged in the ultraviolet region. ing. That is, in order to image the welded bead C shape and the planned welding line D with a good contrast by the
なお、紫外線領域においても、アーク放電による若干の発光が存在することがあるが、そのスペクトル強度が赤外線に比べて非常に小さく、且つ、溶融金属の放射も小さいので、第2バンドパスフィルタ4を紫外線領域に設定することは、アーク放電以外を観察するために非常に有効である。また、紫外線領域にアーク発光による輝線スペクトルS1が存在する場合は、紫外線領域において、第2バンドパスフィルタ4の透過帯域P2が、輝線スペクトルS1とオバーラップしない領域にするのが好ましい。
上述したように、本発明では、赤外線の波長領域の強度が紫外線の波長領域の強度よりも大となる図2に示すようなスペクトル分布を備えたアーク溶接の状況を撮像している。
Even in the ultraviolet region, there may be some light emission due to arc discharge, but the spectrum intensity is very small compared to infrared rays and the emission of molten metal is also small. Setting to the ultraviolet region is very effective for observing other than arc discharge. Further, when the bright line spectrum S1 due to arc emission is present in the ultraviolet region, it is preferable that the transmission band P2 of the
As described above, in the present invention, an image of arc welding having a spectral distribution as shown in FIG. 2 in which the intensity in the infrared wavelength region is larger than the intensity in the ultraviolet wavelength region is captured.
照明手段5は、第2CCDカメラ2Bで撮像する際に撮像した画像を鮮明にするためのものであって、紫外線波長領域の発光スペクトルを有している。具体的には、照明手段5は、輝線スペクトルが存在する水銀灯や紫外線ランプであって、その中心波長は、第2バンドパスフィルタ4の透過帯域P2内(例えば、436nm)に設定されている。
制御装置7は、第1CCDカメラ2A、第2CCDカメラ2B、溶接トーチ9、照明手段5等を制御するものであって、例えば、パソコンやワークステーション等から構成されている。この制御装置7は、例えば、第1CCDカメラ2Aや第2CCDカメラ2Bの絞りや照明手段5のON/OFF等の制御を行う。制御装置7には、第1CCDカメラ2Aで撮像したフレーム画像と、第2CCDカメラ2Bで撮像したフレーム画像とを合成する画像合成手段6が設けられている。画像合成手段6は、例えば、第1CCDカメラ2Aと第2CCDカメラ2Bの画像内で共通した基準点(オフセット点)を設定しておき、第1CCDカメラ2Aのフレーム画像の基準点と第2CCDカメラ2Bのフレーム画像の基準点とを一致させることで両者の画像の合成を行う。
The illuminating means 5 is for clarifying an image picked up by the
The
画像表示手段8は、画像合成手段6で合成された画像を表示するもので、例えば、ワークステーションに接続されたモニタで構成されている。
以上、アーク溶接の監視装置1によれば、第1CCDカメラ2A及び第1バンドパスフィルタ3によって、アークスポット点の周辺の状況(アークAの発生状態や溶融池Bの状態)を精度良く撮像することができ、これらの状況をモニタ8により監視することができる。
また、第2CCDカメラ2B、第2バンドパスフィルタ4及び水銀灯によって、溶接後の状況及び溶接前の状況(ビードBの形状や溶接予定線Dの状態)を精度良く撮像することができ、これらの状況をモニタ8により監視することができる。
[第2実施形態]
図3は、第2実施形態に係るアーク溶接の監視装置1(1B)の構成図を示したものである。この監視装置1Bは、第1実施形態と比べ撮像装置の構成が異なるものである。なお、第1実施形態と同様の構成であるものは同一符号を付して説明を省略する。
The image display means 8 displays the image synthesized by the image synthesis means 6 and is composed of, for example, a monitor connected to a workstation.
As described above, according to the arc
Further, the
[Second Embodiment]
FIG. 3 shows a configuration diagram of the arc welding monitoring apparatus 1 (1B) according to the second embodiment. The
監視装置1Bは1台の撮像装置18を備えたものであって、この撮像装置18はアークAの発生状態や溶融池Bの状態を撮像でき、且つ、溶接後のビードCの形状や溶接予定線Dを撮像することができる位置(アーク溶接の全体を取りこめる位置)に設定されている。
撮像装置18は、アーク溶接の全体を取り込む結像レンズ15と、ビームスプリッタ16、第1CCD素子10Aと、第2CCD素子10Bとを備えている。
ビームスプリッタ16は、結像レンズ15から取り込まれた撮像を2方向に分離するもので、ハーフミラーから構成されている。第1CCD素子10Aは、第1バンドパスフィルタ3を通過した入射光(撮像)を取り込むもので、アークA及び溶融池B周辺の撮像が取り込まれる。第2CCD素子10Bは、第2バンドパスフィルタ4を通過した入射光(撮像)を取り込むもので、溶接後のビードCの形状及び溶接予定線Dの周辺の撮像が取り込まれる。
The
The
The
第2実施形態によれば、1台の撮像装置18によって、アークA及び溶融池B周辺とビードC及び溶接予定線Dの周辺との両方を撮像することができる。
[第3実施形態]
図4は、第3実施形態に係るアーク溶接の監視装置1(1C)の構成図を示したものである。この監視装置1Cでは、第1実施形態及び第2実施形態と比べ撮像装置、撮像手段、バンドパスフィルタの構成が異なるものである。
監視装置1Cは、第2実施形態と同様に1台の撮像装置19を備えたものであって、この撮像装置19はアーク溶接の全体を取りこめる位置に設定されている。
According to the second embodiment, it is possible to image both the arc A and the weld pool B and the bead C and the weld planned line D with a
[Third Embodiment]
FIG. 4 shows a configuration diagram of the arc welding monitoring apparatus 1 (1C) according to the third embodiment. This
The
撮像装置19は、アーク溶接の全体を取り込む結像レンズ15と、この結像レンズ15から取りこまれた撮像部分を取り込む1つのCCD素子(撮像手段)10と、バンドパスフィルタ20とを備えている。
図5に示すように、バンドパスフィルタ20は、第1実施形態及び第2実施形態における第1バンドパスフィルタ3と第2バンドパスフィルタ4とを一体化したものであって、第1バンドパスフィルタ3に対応する赤外線波長領域のバンドパス(透過帯域)を有する第1特性20Aと、第2バンドパスフィルタ4に対応する紫外線波長領域のバンドパス(透過帯域)を有する第2特性20Bとを備えている。
The
As shown in FIG. 5, the
バンドパスフィルタ20は矩形状に形成されたもので、バンドパスフィルタ20の中心部に円形状の第1特性20Aが設けられ、第1特性20Aの回りに第2特性20Bが設けられている。このバンドパスフィルタ20の第1特性20Aは、上述した第1バンドパスフィルタ3と同様に、第1特性20Aの透過帯域P1がアーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルS1から外れるように設定されている。また、バンドパスフィルタ20の第2特性20Bは、第2バンドパスフィルタ4と同様に、第2特性20Bの透過帯域P2がアークの輝線スペクトルS1から外れるように設定されている。
The band-
このバンドパスフィルタ20はCCD素子10の前方に配置されている。
図6に示すように、撮像装置19で撮像した際に第1特性20A内にアーク及び溶融池Bの周囲がくるように、第1特性20A内の領域の大きさ及び当該バンドパスフィルタ20のCCD素子10に対する位置が設定される。また、撮像装置19で撮像した際に第2特性20B内にビードC及び溶接予定線Dの周辺の周囲がくるように、第2特性20B内の領域の大きさ及び当該バンドパスフィルタ20のCCD素子10に対する位置が設定される。
The
As shown in FIG. 6, the size of the region in the first characteristic 20 </ b> A and the band-
照明手段5の発光スペクトルは、上述した第2バンドパスフィルタ4と同様に第2特性20Bの透過帯域内に設定されている。
第3実施形態によれば、1枚のバンドパスフィルタ20と1台のCCD素子によって、アークA及び溶融池B周辺と、ビードC及び溶接予定線Dの周辺との両方を撮像することができ、画像合成手段は不要である。
The emission spectrum of the illuminating means 5 is set within the transmission band of the second characteristic 20B as in the
According to the third embodiment, it is possible to image both the periphery of the arc A and the molten pool B and the periphery of the bead C and the planned welding line D by one
1 監視装置
2 撮像装置
2A 第1CCDカメラ
2B 第2CCDカメラ
3 第1バンドパスフィルタ
4 第2バンドパスフィルタ
5 照明手段
6 画像合成手段
10 撮像手段
10A 第1CCD素子
10B 第2CCD素子
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記アーク溶接の周囲を撮像する2つの撮像手段と、
赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記一方の撮像手段に対して設けられた第1バンドパスフィルタと、
紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記他方の撮像手段に対して設けられた第2バンドパスフィルタと、
前記第2バンドパスフィルタの透過帯域の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、
前記2つの撮像手段で撮像した画像を合成する画像合成手段と、
前記画像合成手段で合成された画像を表示する画像表示手段とを備えていることを特徴とするアーク溶接の監視装置。 In the arc welding monitoring device that monitors the status of arc welding,
Two imaging means for imaging the periphery of the arc welding;
A first bandpass filter having a bandpass characteristic in the infrared wavelength region and provided for the one imaging means;
A second bandpass filter having a bandpass characteristic in the ultraviolet wavelength region and provided for the other imaging means;
Illuminating means having an emission spectrum in the transmission band of the second bandpass filter and illuminating the periphery of the arc welding;
Image synthesizing means for synthesizing images taken by the two imaging means;
An arc welding monitoring apparatus, comprising: an image display means for displaying an image synthesized by the image synthesizing means.
前記アーク溶接の周囲を撮像する1つの撮像手段と、
赤外線波長領域をバンドパスする第1特性及び紫外線波長領域をバンドパスする第2特性をそれぞれ備えた1つのバンドパスフィルタと、
前記第2特性内の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、
前記撮像手段で撮像した画像を表示する画像表示手段とを備えていることを特徴とするアーク溶接の監視装置。 In the arc welding monitoring device that monitors the status of arc welding,
One imaging means for imaging the periphery of the arc welding;
One band pass filter each having a first characteristic that band-passes the infrared wavelength region and a second characteristic that band-passes the ultraviolet wavelength region;
Illuminating means having an emission spectrum within the second characteristic and illuminating the periphery of arc welding;
An arc welding monitoring apparatus, comprising: an image display unit that displays an image captured by the imaging unit.
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