JP3579788B2

JP3579788B2 - Uranami welding control method and apparatus

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Publication number: JP3579788B2
Application number: JP19828999A
Authority: JP
Inventors: 信雄柴田; 昇斎藤; 光明羽田; 武和田; 康方玉井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: JP2001025867A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、裏波溶接制御方法及びその装置に係り、特に、被溶接部材の開先溶融部のうち溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の裏波溶接状態を撮像し、この撮像により得られた裏波画像を処理し、この処理結果を基に適正な裏波ビード形状が得られるように溶接条件を制御するに好適な裏波溶接制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被溶接部材の溶接状況をカメラで監視するものとして、例えば、特開平８−１５０４７５号公報に記載されているものが知られている。この公報に記載されている発明では、被溶接部材の溶接状況をカメラで監視するに際して、溶融池、アーク、開先の状態を鮮明に撮像するために、６００〜８００ｎｍを中心波長として、１００ｎｍ以下の範囲の幅の波長の光を透過する干渉フィルタをＣＣＤカメラの前面に配置し、溶融池、アーク、開先など、各対象に合わせて最適なシャッタスピードを設定し、設定されたシャッタスピードによって各対象を被写体として撮像し、この撮像によるアーク、溶融池、開先に関する画像情報と、予め画像処理装置に設定された画面のマスク位置とをそれぞれ合成して各対象の画像をモニタ出力することで、各対象の画像を鮮明に表示するとともに、開先線倣いを含めた溶接条件を制御する方法を採用している。
【０００３】
上記従来技術では、各対象に合わせた最適なシャッタスピードによって各対象を撮像し、この撮像によるアーク、溶融池、開先内の画像情報と画像処理装置に設定された画面のマスク位置とをそれぞれ合成してモニタ出力しているため、各画像が時間的に同時性がなく、切り出したマスク画面では１画像のみしか鮮明に表示することができない。しかも、各マスク画面が画面垂直方向で不連続な画像となって表示されるため、必ずしも鮮明な画像とはならない。さらに、表側のアークや溶融池等の画像を取り込んで処理しているため、開先裏側の溶け込み状態（裏波溶接状態）を直接監視することができない。
【０００４】
突き合わせ開先での溶接の作業では、被溶接部材の表側（溶接電極を臨む面側）から何層かに分けて重ねて溶接することが行なわれている。このときの初層溶接において、被溶接部材の裏側から溶接ができず、被溶接部材の表側から溶接を行なう場合、裏側の溶融状況がわからないため、裏波溶接ビードが溶け落ちたり、あるいは溶け込みが不十分で融合不良を生じたりすることがある。初層溶接の裏波ビードの良し悪しは、溶接品質を決定する重要なポイントであるが、表側からの初層溶接において、裏側の溶融状況がわからない状態で、溶け落ちや溶融不良のない良好な裏波ビードを得ることは、熟練した溶接士でも非常に困難である。
【０００５】
そこで、被溶接部材の裏側の溶接状況をカメラで監視するものとして、例えば、特開平７−２１４３１６号公報に記載されているものが提案されている。この公報に記載された発明では、被溶接部材の表側から溶接を行なうに際して、被溶接部材の裏側から被溶接部材の溶接線に対して平行光線束のレーザスリット光を照射するとともに、この溶接線で反射したレーザスリット光を干渉フィルタを介してカメラに取り込み、このカメラで裏波ビードの画像を撮像し、この撮像による画像を画像処理装置で処理して裏波ビード高さを求めるとともに、裏波ビード高さと溶接姿勢に応じて片面溶接制御装置により溶接条件を制御する方法が採用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
被溶接部材の裏波溶接状況をカメラで監視するに際して、溶接直後の裏波ビードの形成状態を光切断像により監視しているため、溶接ビードの結果の良し悪しを判定することはできる。しかし、溶接直後の裏波ビードの形成状態を判定するのでは、あくまでも溶接後の結果を判定していることになり、既に欠陥裏波ビードとなったものに対して溶接条件を制御しても回復することはできない。
【０００７】
本発明の目的は、溶接時の裏波溶接状態を検出しこの検出結果にしたがって溶接条件を制御することができる裏波溶接制御方法及びその装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールを被写体として撮像し、この撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御する裏波溶接制御方法を採用したものである。
【０００９】
前記裏波溶接制御方法を採用するに際しては、開先溶融部裏側の溶融プールを被写体として撮像するときに、開先溶融部裏側の溶融プールに光を照射することができる。
【００１０】
また、本発明は、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールを被写体として撮像する撮像手段と、この撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出する形状特徴量抽出手段と、この形状特徴量抽出手段の抽出による形状特徴量を基に溶接条件を制御する溶接条件制御手段とを備えてなる裏波溶接制御装置を構成したものである。
【００１１】
前記裏波溶接制御装置を構成するに際しては、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面と反対側となる裏側の溶融プールに光を照射する照射手段を設けることができる。
【００１２】
上記各裏波溶接制御装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１３】
（１）前記複数の被溶接部材が互いに接触する溶接ラインに沿って前記照射手段と前記撮像手段を移動指令に従って移動させる移動手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの画像の中心位置を検出する位置検出手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を表示する表示手段と、前記位置検出手段の検出値と前記表示手段の表示画像の中心位置との偏差を算出する偏差算出手段と、この偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するための移動指令を前記移動手段に出力する移動指令手段とを備えてなる。
【００１４】
（２）前記照射手段は、溶融プールにレーザ光を照射するレーザ投光手段で構成され、前記撮像手段は、レーザ光のみを透過する干渉フィルタを介して前記溶融プールを撮像してなる。
【００１５】
（３）前記レーザ投光手段は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバの伝送によるレーザ光を前記溶融プールに向けて照射するレーザ投光器とを備えて構成されてなる。
【００１６】
（４）前記レーザ発振器は半導体レーザダイオードを備えて構成されてなる。
【００１７】
（５）前記レーザ投光手段から前記溶融プールに向けて照射されるレーザ光の伝送路中にビーム整形板が配置されてなる。
【００１８】
（６）前記形状特徴量抽出手段は、前記溶融プールの幅、長さ、面積のいずれかを前記溶融プールの形状特徴量として抽出してなる。
【００１９】
前記した手段によれば、溶融プールの画像を処理して溶融プールの形状特徴量、例えば、溶融プールの長さ、幅、面積を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件、例えば、溶接電流、アーク電圧等を制御することが可能である。溶接時の溶融プールの状態を検出し、この検出結果にしたがって溶接条件を制御することで、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明に係る裏波溶接制御装置が採用された溶接システムの全体構成図である。図１において、被溶接部材１０、１２は円筒形状に形成されており、各被溶接部材１０、１２の軸方向端面には開先加工が施されている。そして各被溶接部材１０、１２は軸方向端面が互いに接触した状態で重ね合わせられた状態で配置されている。各被溶接部材１０、１２が互いに接触するラインは溶接ラインＱとして設定されており、被溶接部材１０、１２の表面側には溶接電極１４が配置されている。この溶接電極１４は電極位置駆動部１６と一体となって配置されている。電極位置駆動部１６は、電極位置制御装置２０からの信号に応答して、被溶接部材１０または１２の外周に、溶接ラインＱと平行に取り付けられた走行軸（図示省略）上を走行するようになっており、電極位置駆動部１６の走行により溶接電極１４が溶接ラインＱに沿って移動するとともに、溶接ラインＱと直交する二方向に移動できるようになっている。そして溶接電源１８からのアーク電圧、溶接電流にしたがって溶接電極１４による溶接が被溶接部材１０、１２に施されると、被溶接部材１０、１２の開先の部分が溶融され、この溶融部のうち溶接電極１４を臨む面とは反対側となる裏側に溶融プール２２が形成されるようになっている。このとき被溶接部材１０、１２の表側の溶接状態、すなわちアーク状態はＩＴＶカメラ、例えば、ＣＣＤカメラ２４によって撮像されるようになっている。すなわち、ＣＣＤカメラ２４には、フィルタ２６を介して被溶接部材１０、１２の表側の状況を示す光信号が入力されており、ＣＣＤカメラ２４の撮像による画像がモニタＴＶ２７の画面上に表示されるようになっている。なお、このＣＣＤカメラ２４も溶接電極１４の移動に合わせて走行軸上を移動できるようになっている。
【００２１】
一方、被溶接部材１０、１２の裏波溶接状態を監視するために、被溶接部材１０、１２の裏側には、レーザ投光器２８、ビーム整形板３０、干渉フィルタ３２、ＩＴＶカメラとしてのＣＣＤカメラ３４、遠隔監視位置駆動部３６などが配置されている。レーザ投光器２８は光ファイバケーブル３８を介してレーザ発振器４０に接続されている。ＣＣＤカメラ３４はアナログ制御回路４２、映像分配器４４、画像処理装置４６を介して全体制御装置４８に接続されている。遠隔監視位置駆動部３６はＣＣＤカメラ３４に一体となって配置され、遠方監視位置制御装置５０を介して全体制御装置４８に接続されている。
【００２２】
レーザ発振器４０は、例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振器で構成されており、このレーザ発振器４０の発振によるレーザ光が光ファイバケーブル３８を介してレーザ投光器２８に受光されるようになっている。レーザ投光器２８は、受光したレーザ光を、例えば、すりガラスで構成されたビーム整形板３０を介して、溶融プール（溶融池）２２に照射するようになっている。すなわち、レーザ発振器４０、光ファイバケーブル３８、レーザ投光器２８は照射手段として構成されており、ビーム整形板３０はレーザ投光器２８の前面側に、レーザ投光器２８と一体となって配置（図示省略）されている。このレーザ投光器２８は、レーザ光を適切な広がりを持たせて溶融プール２２に照射するために、レンズ系（図示省略）を備えて構成されている。またビーム整形板３０は、スペックルパターンによる見づらい画像を解消するために設けられている。すなわち、ビーム整形板３０を挿入しない状態でレーザ光を溶融プール２２に向けて照射した際の反射画像をＣＣＤカメラ３４で撮像した際には、被溶接部材（溶接ワーク）１０、１２がランダムな表面凹凸形状を形成し、しかもレーザ光がコヒーレント（干渉性）な光であるため、通常スペックルパターンと呼ばれる斑点模様が観測される。この現象は、コヒーレントな照射光が溶接ワークの表面の拡散物体によってランダムに拡散され、各点からの散乱波が観測面の各点で重ね合わさって生じる干渉現象によるものである。このときに、ＣＣＤカメラ３４によって観測されるスペックルパターンの映像は、部分的にギラギラ輝く点が無数に発生し非常に見づらいものとなる。しかし、レーザ光をビーム整形板３０を介して溶融プール２２に照射すると、スペックルパターンによる見づらい画像を解消することができる。
【００２３】
干渉フィルタ３２はレーザ投光器２８から照射されるレーザ光のみを透過するフィルタとして構成されており、ＣＣＤカメラ３４の前面側に、ＣＣＤカメラ３４と一体となって配置されている。ＣＣＤカメラ３４とレーザ投光器２８は遠隔監視位置駆動部３６と一体となって配置されており、遠隔監視位置駆動部３６は、遠隔監視位置制御装置５０からの信号に応答して、溶接ラインＱと直交する二方向に移動できるようになっている。さらに被溶接部材１０または１２の内周に、溶接ラインＱと平行に取り付けられた走行軸（図示省略）上を走行できるようになっている。ＣＣＤカメラ３４は、干渉フィルタ３２を介して溶融プール２２からのレーザ光を取り込み、溶融プール２２を被写体として撮像する撮像手段または二次元受光手段として構成されており、ＣＣＤカメラ３４の撮像によるアナログ映像信号は制御回路４２、映像分配器４４を介して画像処理装置４６に入力されるようになっている。この場合、制御回路４２で生成されたアナログ映像信号は映像分配器４４で二つのアナログ映像信号に分配され、一方のアナログ映像信号がモニタＴＶ５２に入力され、他方のアナログ映像信号が画像処理装置４６で処理されるようになっている。そして画像処理装置４６の処理による画像がモニタＴＶ５４の画面上に表示されるようになっている。この場合、モニタＴＶ５２の画面上には、図２に示すように、ＣＣＤカメラ３４の撮像による画像として、溶融プール像Ｐが表示されるとともに、周辺の開先像Ｋ、溶融プール２２が凝固した後の溶融ビード像Ｂが表示される。なお、図２のＸ、Ｙはそれぞれ画面上の座標軸を示す。
【００２４】
ここで、本実施形態においては、溶融プール２２に向けて光を照射するに際して、レーザ光を用いるとともに、レーザ光による反射光をＣＣＤカメラ３４で受光しているため、以下に示すような特徴を有する。すなわちレーザ光の大きな特徴は、単色性が良いことにある。すなわち発振周波数の幅が極めて狭いことにある。このため、溶融プール２２を含む溶融プール２２周辺を被写体としてＣＣＤカメラ３４で撮像する際に、干渉フィルタ３２として、透過波長半値幅が極度に小さいものを使用することができる。一方、干渉フィルタ３２の前面に入射するレーザ光の観測角度が９０度（垂直入射）を中心に小さくあるいは大きくなると、透過中心の波長は、干渉フィルタ３２の特性により低波長側にシフトする。すなわち、ＣＣＤカメラ３４の前面に干渉フィルタ３２を配置して溶融プール２２を撮像するときには、画面中央部と周辺部で入射される像の視野角度が異なるため、透過中心波長がＣＣＤカメラ３４の撮像素子の位置、すなわち画面の位置で若干異なる。この場合、所望とする観測視野角度でこの影響がでないように考慮して、透過波長半値幅の小さい干渉フィルタを使用すれば良いことになる。この透過波長半値幅の大きさとしては、５ｎｍ以下が好ましい。この透過波長半値幅が狭いほど、高輝度の溶融プール像Ｐの明るさを相対的に弱めて観測することが可能となる。すなわち、溶融プール像Ｐのみでなく、周辺の開先像Ｋ、溶融ビード（固相）像Ｂも鮮明に撮像することが可能になる。なお、図２において、周辺の開先像Ｋとして横縞の像が表示されているが、この像は、開先加工面の凹凸によるもので、画面垂直方向に明るい部分と暗い部分が交互に表れている場合を示している。
【００２５】
画像処理装置４６は、映像分配器４４からのアナログ映像信号にしたがって溶融プール２２の画像を処理して溶融プール２２の形状特徴量として、例えば、図３に示すように、溶融プール２２の幅Ｂ、長さＬ、面積Ｓを抽出する形状特徴量抽出手段として構成されており、処理結果による画像を表示手段としてのモニタＴＶ５４の画面上に表示するとともに、処理結果を全体制御装置４８に出力するようになっている。全体制御装置４８は、画像処理装置４６の処理による形状特徴量を基に溶接電極１４に関する溶接条件を制御するための制御信号を生成し、この制御信号を溶接電源１８に出力する溶接条件制御手段として構成されているとともに、電極位置駆動部１６、遠隔監視位置駆動部３６を駆動するための信号を生成し、この信号をそれぞれ遠隔監視位置制御装置５０と電極位置制御装置２０に出力するようになっている。
【００２６】
ここで、本実施形態においては、溶接電極１４に関する溶接条件を制御するに際しては、以下のことが考慮されている。すなわち、溶接条件と溶融プール２２の形状との間には以下の関係がある。
【００２７】
（１）溶接電流を増加すると、溶融プール２２の幅（溶接方向と直交方向の長さ）と長さ（溶接方向の長さ）が大きくなる。
【００２８】
（２）アーク電圧を小さくすると、溶融プール２２の幅Ｂと長さＬが大きくなる。
【００２９】
（３）アーク電圧を小さくするほど裏波ビードの形状が凸形となる。
【００３０】
（４）溶接電極を臨む面から溶融プール２２に挿入する溶接ワイヤ（図示省略）の送給速度を上げると、裏波ビードの形状が凸型となる。
【００３１】
以上のことから、溶融プール２２の溶け込み状態、すなわち溶融プール２２の幅Ｂ、長さＬ、面積Ｓの形状情報を監視し、アーク電圧、溶接電流、溶接速度、あるいは溶接ワイヤの送給速度を制御することで、適切な裏波ビードを得ることが可能になる。
【００３２】
具体的には、図４に示すように、予め決められた裏波ビードが適切となる裏側溶融プール２２の幅Ｂが形成されるアーク電圧指令に対して、実際の溶融プール幅Ｂｍを画像処理装置４６で検出し、溶融プール２２の幅目標値Ｂｃと実際の溶融プール幅Ｂｍとの差に基づいて溶接電源１８によるアーク電圧を制御する。この場合、例えば、初層溶接パスにおける溶融プール２２の幅目標値Ｂｃをオペレータ５６の操作により、全体制御装置４８に溶接開始前に設定する。そして全体制御装置４８の比較器５８で溶融プール２２の幅目標値Ｂｃと画像処理装置４６の処理による実際の溶融プール幅Ｂｍとを比較し、この比較結果をアーク電圧修正量指令値発生部６０に出力する。アーク電圧修正量指令値発生部６０には、目標値Ｂｃと検出された溶融プール幅Ｂｍとの差に応じたアーク電圧修正量指令値が予め設定されており、比較器５８の比較結果に応じたアーク電圧修正量指令値が溶接電源１８に入力され、アーク電圧修正量指令値にしたがって溶接電源１８の溶接時におけるアーク電圧が修正される。この場合、アーク電圧修正量指令値は、目標値Ｂｃと検出された溶融プール幅Ｂｍとの差から求まるアーク電圧修正量指令値よりも十分小さい一定割合の値とし、この値を用いて溶接電源１８を制御することもできる。このとき、一定割合の値を外部から自在に変更可能にすることもできる。この場合、アーク電圧を急激に変化させることなく安定した状態で溶接制御を行なうことができる。
【００３３】
また溶融プール幅を基にアーク電圧を修正する場合に限らず、溶融プール幅の代わりに溶融プール２２の長さや面積を基にアーク電圧を修正したり溶接電流を修正したりすることもできる。このような制御を行なうことで、極めの細かい溶接条件の設定、制御を行なうことができる。また溶融プールの幅目標値Ｂｃを溶接位置や全姿勢溶接での下向き、上向き、下進または上進などの各溶接姿勢ごとに独立して予め設定することもできる。
【００３４】
次に、溶融プール画像の形状特徴量を抽出するための処理を図５のフローチャートにしたがって説明する。まず、ＣＣＤカメラ３４の撮像により溶融プール２２の画像を画像処理装置４６に取り込み（ステップＳ１）。このあと入力した画像から不要画像を除去するための処理を行なう（ステップＳ２）。このとき、本実施形態では、図３に示す画面を構成する画素のうち垂直方向の画素に対してそれぞれ微分処理を施すこととしている。この場合、原画像は、輝度の二次元配列であり、これをＦ（Ｘｉ，Ｙｉ）と表わすものとすると、Ｆ（Ｘｉ，Ｙｉ）は画像Ｆの（Ｘｉ，Ｙｉ）なる画素を表わすとともに、その点の輝度を表現することになる。そして画面の垂直方向に沿って相隣接する画素から得られた輝度データに対して順次微分処理を施し、この微分処理後の画像をＧ（Ｘｉ，Ｙｉ）と表わすと、画面の垂直方向における微分処理後の画像は次式で表わされる。
【００３５】
【数１】

【００３６】
ここで、図３のａ−ａ’ラインに沿った輝度データを抽出すると、図６に示すような画像が表示されることになる。この場合、Ｙ２の範囲は溶融プール２２の輝度の特性を示し、Ｙ１は溶融プール２２よりも上側の開先部分の輝度特性を示し、Ｙ３は溶融プール２２よりも下側の開先部分の輝度特性を示す。この輝度データ（図３のａ−ａ’ラインに沿った輝度データ）を微分処理すると、図７に示すように、Ｙ１、Ｙ３の範囲では、輝度が低い点から高い点に変化する極小値と、逆に輝度が高い点から低い点に変化する極大値が交互に発生している特性となっている。これに対して、Ｙ２の範囲では、溶融プール２２の輝度として相隣接する垂直方向の画素の輝度があまり変化していない特性を示していることになる。
【００３７】
また、図３に示すｂ−ｂ’に沿った輝度データを微分処理すると、図８に示すような特性となる。この場合、溶融ビード表面の微分値は、Ｙ２の範囲内に示されているが、溶接ビード表面の凹凸により微分値の変動が大きい特性を示している。このように、輝度データを微分処理することで、微分値の変動が小さい領域を溶融プール２２の画像とし、他の領域を溶接ビードや溶融プール周辺の開先の領域とし、裏波溶接画像から溶融プール２２の画像のみを切り出すことができる。
【００３８】
上述したように、画面垂直方向ラインでの微分値が小さい領域を溶融プール２２とすることを利用し、画面の垂直方向ラインの微分値をさらに水平方向にずらしながら、溶融プール２２以外の不要な画像を検出し、この画像を除去する。すなわち輝度を０レベルとする。
【００３９】
このあと、ステップＳ３に移り、次の（２）式にしたがって、しきい値Ｉｔｈを用いた二値化処理を行ない、画面から溶融プール２２の画像のみを切り出す。
【００４０】
【数２】

【００４１】
次に、切り出された溶融プール２２の画像に対して、収縮と膨張による処理を施し、小成分のノイズ、小孔などを消滅するための処理を行なう（ステップＳ４）。この収縮は、次の（３）式に示すように、与えられた範囲の境界点を取り除いて１層分を小さくする処理である。膨張は、次の（４）式に示すように、逆に１層分太らせる処理である。収縮処理と膨張処理を組み合わせて行なうことで、二値化画像中の小成分や小さい孔を取り除くことが出来る。
【００４２】
【数３】

【００４３】
【数４】

【００４４】
次にステップＳ５では、溶融プール２２周辺の輪郭の各座標位置を検出する。すなわち溶融プール２２の輪郭を示す画素の位置座標を検出する。この場合、ステップＳ４までの処理により、溶融プール２２の部分が白（１のレベル）、溶融プール２２の外側が黒（０レベル）となる。したがって、画像の水平あるいは垂直方向の外側から検索し、黒（０レベル）から白（１レベル）に変化する点を検出することによって輪郭位置を見つけることができる。
【００４５】
次に、ステップＳ６では、ステップＳ５で得られた溶融プール２２の輪郭座標から、画面水平方向の左右境界位置を検出する。このとき左側の境界をＧ１（ｘ１、ｙ１）、右側の境界をＧ２（ｘ２，ｙ２）とする。
【００４６】
次に、ステップＳ７では、ステップＳ６と同様に、ステップＳ５で得られた溶融プール２２の輪郭座標から、画面の垂直方向における上下境界位置を検出する。このとき上側の境界をＧ３（ｘ３，ｙ３）、下側の境界をＧ４（ｘ４，ｙ４）とする。次に、ステップＳ８では、ステップＳ６とステップＳ７で求めた溶融プール２２の左右境界位置と上下境界位置から、溶融プール２２の幅Ｂ、長さＬ、および中心位置Ｇ０（ｘ０，ｙ０）を次の（５）式〜（７）式にしたがって計算する。
【００４７】
【数５】

【００４８】
【数６】

【００４９】
【数７】

【００５０】
以上までの処理で求めた溶融プール２２の幅Ｂと長さＬは、画面上での値である。そこでステップ９において、画面上の値に、カメラ分解能（１画素当たりの視野の大きさ）を乗算して実際の値に換算する。これにより溶融プール２２の幅、長さとして実際の値を求めることができる。
【００５１】
次に、図１に示すシステムの溶接条件制御動作を図９のフローチャートにしたがって説明する。この場合、被溶接部材１０、１２の溶接中に、溶融プール２２を撮像し、この撮像による画像から溶融プール２２の幅を検出し、この検出情報を基に溶接条件を制御する場合について説明する。そしてこの動作において、全体制御装置４８はシステム全体の動作を管理する主局となり、溶接電源１８、電極位置制御装置２０、画像処理装置４６は従局の関係にある。すなわち、従局の溶接電源１８、電極位置制御装置２０および画像処理装置４６は、主局である全体制御装置４８の指令によって所定の動作を実行する。
【００５２】
具体的には、全体制御装置４８の動作開始後、ステップＦ１では、まず、全体制御装置４８が溶接電極１４の現在位置を電極位置制御装置２０に対して問い合わせ、その位置情報の報告を受ける（ステップＦ１７）。次に、ステップＦ２では、全体制御装置４８が溶接電極１４を引き上げるための移動指令を電極位置制御装置２０に対して発行し、溶接電極１４を開先面から引き離す（ステップＦ１８）。
【００５３】
ステップＦ３では、溶接電極１４が溶接を開始する基準位置までの移動指令を全体制御装置４８が電極位置制御装置２０に対して発行し、溶接電極１４を基準位置まで移動させる（ステップＦ１９）。ステップ４では、溶接電極１４がアークスタートできる所定の位置まで溶接電極１４を移動させる指令を全体制御装置４８が電極位置制御装置２０に対して発行し、溶接電極１４をアークスタートできる所定位置まで移動させる（ステップＦ２０）。
【００５４】
ステップＦ５では、全体制御装置４８が溶接電源１８に対してアークスタート（ＯＮ）指令を発行し、アークＯＮを開始する（ステップＦ２２）。ステップ６では、溶接電極１４が溶接ラインＱ方向の走行を開始する指令を全体制御装置４８が電極位置制御装置２０に対して発行し、Ｑ方向の走行をスタートする（ステップＦ２１）。Ｑ方向の走行動作においては、後述する走行停止指令が発生するまで溶接電極１４の走行動作が継続される。
【００５５】
ステップＦ７では、全体制御装置４８が画像処理装置４６に対して検出指令を発行し、画像処理装置４６は、前述した処理で溶融プール２２の幅を検出する（ステップＦ２６）。ステップ８では、全体制御装置４８が溶接電源１８に対して、アーク電圧設定値を問い合わせ、その情報の報告を受ける（ステップＦ２３）。
【００５６】
ステップ９では、全体制御装置４８が画像処理装置４６に対して、溶融プール２２の幅の検出結果を受けるための報告指令を発行し、画像処理装置４６はその結果の報告を受ける（ステップＦ２７）。ステップ１０では、ステップ８のアーク電圧情報およびステップ９の溶融プール幅に関する検出結果情報を内部に記憶する。このあとステップＦ１１は、溶融プール幅の検出結果と目標値との差にしたがってアーク電圧修正量を算出する。このあとステップＦ１２では、ステップＦ１１で演算した情報を溶接電源１８に対して転送し、アーク電圧の修正を行なう（ステップＦ２４）。
【００５７】
ステップＦ１３では、溶接電極１４の現在位置情報を基に溶接作業の終了位置か否かを判断し、溶接電極１４の位置がまだ終了位置（予め全体制御装置４８内で決めて記憶した位置）でないときには、ステップＦ７の処理に戻り、上述の動作を繰り返す。
【００５８】
一方、電極位置が終了位置を超えたと判断されたときには、ステップＦ１４に進む。ステップＦ１４では、全体制御装置４８が溶接電源１８に対してアーク終了（ＯＦＦ）指令を発行し、アークＯＮを停止する（ステップＦ２７）。さらに、ステップＦ１５では、全体制御装置４８がＱ方向の走行を停止する指令を電極位置制御装置２０に対して発行し、溶接電極１４の走行をストップする。
【００５９】
以上の処理では、溶融プール２２の幅を検出し、この検出情報を基にアーク電圧を制御するものについて述べたが、溶融プール２２の幅以外に、溶融プール２２の長さあるいは面積を用いてアーク電圧を制御したり、溶接電流を制御したりすることもできる。
【００６０】
またレーザ投光器２８とＣＣＤカメラ３４を溶接電極１４による溶接の状況に合わせて移動させるに際しては、溶融プール２２の形状特徴量を基に溶融プール２２の中心位置を検出し、この溶融プール２２の中心位置と画像の中心位置との偏差（ずれ）を求め、この偏差を零に抑制するための移動指令を生成し、この移動指令にしたがってレーザ投光器２８とＣＣＤカメラ３４を溶接ラインＱに沿って移動させることができる。この場合、図９で示したステップＦ２６において、溶融プール２２の画像の中心位置とモニタＴＶ５４の表示画像の中心位置との偏差を求め、この偏差を零に抑制するための移動指令、すなわち溶融プール２２の中心がモニタＴＶ５４の画面の中心位置になるような移動指令を生成し、この移動指令にしたがってレーザ投光器２８、ＣＣＤカメラ３４の移動を制御する。このような制御を行なうことで、溶融プール２２の画像は常に溶融プール２２の中心がモニタＴＶ５４の画面の中心位置に配置されるように表示される。この場合、画像処理装置４６は溶融プールの画像の中心位置を検出する位置検出手段を構成し、全体制御装置４８は、位置検出手段の検出値とモニタＴＶ５４表示画像の中心位置との偏差を算出する偏差算出手段を構成するとともに、この偏差を零に抑制するための移動指令を移動手段に出力する移動指令手段を構成することになる。
【００６１】
本実施形態によれば、溶融プール２２の形状特徴量に基づいて溶接電源１８による溶接条件を制御するようにしたため、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【００６２】
また、本実施形態によれば、レーザ光を溶融プール２２に照射し、このレーザ光の反射光をＣＣＤカメラ３４で撮像しているため、遠隔での溶接作業に必要とされる良好な裏波モニタ画像を得ることができる。また干渉フィルタ３２の着脱やＣＣＤカメラ３４のシャッタ速度を切替ずに、溶接前、溶接中いずれでも良好な溶接部近傍のモニタ画像を得ることができる。
【００６３】
前記実施形態では、照射光源にＨｅ−Ｎｅレーザ発振器によるレーザ発振器を使用したものについて述べたが、レーザ発振器として半導体レーザダイオードを使用したものを用いることもできる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融プールの画像を処理して溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御するようにしているため、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す装置が適用された溶接システムの全体構成図である。
【図２】溶融プール画像の構成説明図である。
【図３】溶融プールの形状特徴量を説明するための図である。
【図４】溶接条件の制御方法を説明するためのブロック図である。
【図５】溶融プールの形状特徴量を抽出するための処理方法を説明するためのフローチャートである。
【図６】図３のａ−ａ’ラインに沿った輝度の模式図である。
【図７】図６に示す輝度データを微分処理したときの模式図である。
【図８】図３のｂ−ｂ’ラインに沿った輝度データを微分したときの模式図である。
【図９】図１に示すシステムの溶接条件制御動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
１０、１２被溶接部材
１４溶接電極
１６電極位置駆動部
１８溶接電源
２０電極位置制御装置
２２溶融プール
２４ＣＣＤカメラ
２８レーザ投光器
３０ビーム整形板
３２干渉フィルタ
３４ＣＣＤカメラ
３６遠隔監視位置駆動部
３８光ファイバケーブル
４０レーザ発振器
４６画像処理装置
４８全体制御装置
５０遠方監視位置制御装置[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for controlling the backside welding, and in particular, captures an image of a backside welding state on the back side opposite to the surface facing the welding electrode in the groove fusion part of the member to be welded, and this imaging The present invention relates to a backside welding control method and apparatus suitable for controlling welding conditions so as to obtain a proper backside bead shape based on the processing result of the backside wave image obtained by the above method.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for monitoring a welding condition of a member to be welded by a camera, for example, a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-150475 is known. In the invention described in this publication, when monitoring the welding condition of the member to be welded with a camera, in order to clearly capture the state of the molten pool, arc, and groove, the center wavelength is set to 600 to 800 nm, and the wavelength is set to 100 nm or less. An interference filter that transmits light with a wavelength in the range of is placed in front of the CCD camera, and the optimal shutter speed is set according to each object such as a molten pool, arc, groove, etc., and according to the set shutter speed. Each object is imaged as a subject, and the image information of the arc, the molten pool, and the groove by this imaging is combined with the mask position of the screen set in the image processing apparatus in advance, and the image of each object is output to the monitor. Therefore, a method of displaying the image of each object clearly and controlling the welding conditions including the groove line profiling is adopted.
[0003]
In the above prior art, each object is imaged at an optimum shutter speed according to each object, and the arc information, the molten pool, the image information in the groove, and the mask position of the screen set in the image processing apparatus are respectively obtained by the imaging. Since the images are synthesized and output to the monitor, the images are not synchronized at the same time, and only one image can be clearly displayed on the extracted mask screen. Moreover, since each mask screen is displayed as a discontinuous image in the vertical direction of the screen, a clear image is not always obtained. Further, since the image of the arc or the molten pool on the front side is taken in and processed, it is not possible to directly monitor the penetration state (backside welding state) on the back side of the groove.
[0004]
In the welding operation at the butt groove, welding is performed by dividing into several layers from the front side (the side facing the welding electrode) of the member to be welded. In the first layer welding at this time, when welding cannot be performed from the back side of the member to be welded and welding is performed from the front side of the member to be welded, since the melting state of the back side is not known, the underside welding bead is melted down or penetration. Insufficient fusion may occur. The quality of the backside bead of the first layer welding is an important point that determines the welding quality.However, in the first layer welding from the front side, in the state where the melting state of the back side is unknown, there is no good Obtaining a Uranami bead is very difficult even for a skilled welder.
[0005]
Therefore, as a method for monitoring the welding condition on the back side of the member to be welded with a camera, for example, a method described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-214316 has been proposed. In the invention described in this publication, when welding is performed from the front side of the member to be welded, a laser slit light of a parallel light beam is irradiated to the welding line of the member to be welded from the back side of the member to be welded. The laser slit light reflected by the camera is taken into the camera via the interference filter, an image of the Uranami bead is captured by the camera, and the captured image is processed by an image processing device to determine the Uranami bead height. A method is employed in which the welding conditions are controlled by a single-sided welding control device according to the wave bead height and the welding position.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
When monitoring the state of back side welding of the member to be welded with a camera, the formation state of the back side bead immediately after welding is monitored by a light cut image, so that the quality of the result of the welding bead can be determined. However, judging the formation state of the Uranami bead immediately after welding means that the result after welding is determined to the last, and even if the welding conditions are controlled for those already having a defective Uranami bead. It cannot be recovered.
[0007]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a method and apparatus for controlling a backside welding that can detect a backside welding state during welding and control welding conditions in accordance with the detection result.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a molten pool on a back side of a groove fusion zone where a plurality of members to be welded are in contact with each other and are melted by a welding electrode, which is opposite to a surface facing the welding electrode. Is adopted as a subject, and the image of the molten pool by this imaging is processed to extract the shape feature amount of the molten pool, and a backside welding control method of controlling welding conditions based on the shape feature amount is employed. is there.
[0009]
In adopting the backside welding control method, when the molten pool behind the groove fusion zone is imaged as a subject, light can be applied to the fusion pool behind the groove fusion zone.
[0010]
Further, the present invention provides an imaging method in which a plurality of welded members are in contact with each other and of a groove fusion portion fused by a welding electrode, and an image of a fusion pool on a back side opposite to a surface facing the welding electrode is taken as a subject. Means, a shape feature quantity extraction means for processing the image of the molten pool by the imaging of the imaging means to extract the shape feature quantity of the molten pool, and welding based on the shape feature quantity extracted by the shape feature quantity extraction means. And a welding condition control device for controlling conditions.
[0011]
In configuring the Uranami welding control device, a plurality of members to be welded are in contact with each other and in a groove fusion portion fused by a welding electrode, a molten pool on the back side opposite to a surface facing the welding electrode. Irradiation means for irradiating light can be provided.
[0012]
The following elements can be added when configuring each of the above Uranami welding control devices.
[0013]
(1) moving means for moving the irradiation means and the imaging means in accordance with a movement command along a welding line where the plurality of members to be contacted with each other, and processing an image of the molten pool by imaging by the imaging means; Position detecting means for detecting the center position of the image of the molten pool, display means for displaying an image of the molten pool obtained by the imaging means, and the detected value of the position detecting means and the center position of the display image of the display means; And a movement command means for outputting a movement command to the moving means for suppressing the deviation calculated by the deviation calculating means to zero.
[0014]
(2) The irradiating means is constituted by a laser projecting means for irradiating the molten pool with laser light, and the imaging means is configured to image the molten pool through an interference filter transmitting only the laser light.
[0015]
(3) The laser projecting means irradiates a laser oscillator that oscillates a laser beam, an optical fiber that transmits the laser beam from the laser oscillator, and a laser beam that is transmitted by the optical fiber toward the molten pool. And a laser projector.
[0016]
(4) The above Laser oscillator Is provided with a semiconductor laser diode.
[0017]
(5) A beam shaping plate is arranged in a transmission path of the laser light irradiated from the laser projecting means toward the melting pool.
[0018]
(6) The shape feature value extraction means extracts any of the width, length, and area of the molten pool as a shape feature value of the molten pool.
[0019]
According to the above-described means, the image of the molten pool is processed to extract the shape feature amount of the molten pool, for example, the length, width, and area of the molten pool, and welding conditions, for example, welding are performed based on the shape feature amount. It is possible to control the current, arc voltage and the like. By detecting the state of the molten pool at the time of welding and controlling the welding conditions in accordance with the detection result, a stable Uranami bead can be obtained, which can contribute to improvement in welding quality.
[0020]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall configuration diagram of a welding system that employs a Uranami welding control device according to the present invention. In FIG. 1, the members to be welded 10 and 12 are formed in a cylindrical shape, and a groove is formed on an axial end face of each of the members to be welded 10 and 12. The members to be welded 10 and 12 are arranged in a state of being overlapped with each other in a state where the axial end surfaces are in contact with each other. A line where the members to be welded 10 and 12 come into contact with each other is set as a welding line Q, and a welding electrode 14 is disposed on the surface side of the members to be welded 10 and 12. The welding electrode 14 is arranged integrally with the electrode position driving unit 16. The electrode position drive section 16 responds to a signal from the electrode position control device 20 so as to travel on a traveling axis (not shown) attached to the outer periphery of the

workpiece

10 or 12 in parallel with the welding line Q. The welding electrode 14 moves along the welding line Q due to the traveling of the electrode position drive unit 16 and can move in two directions orthogonal to the welding line Q. When welding by the welding electrode 14 is performed on the

members

10 and 12 in accordance with the arc voltage and the welding current from the welding power source 18, the groove portions of the

members

10 and 12 are melted, so that The molten pool 22 is formed on the back side opposite to the surface facing the welding electrode 14. At this time, the welding state on the front side of the members to be welded 10, 12, that is, the arc state, is imaged by an ITV camera, for example, a CCD camera 24. That is, an optical signal indicating the situation on the front side of the

workpieces

10 and 12 is input to the CCD camera 24 via the filter 26, and an image captured by the CCD camera 24 is displayed on the screen of the monitor TV 27. It has become. The CCD camera 24 can also move on the traveling axis in accordance with the movement of the welding electrode 14.
[0021]
On the other hand, in order to monitor the back side welding state of the members to be welded 10 and 12, a laser projector 28, a beam shaping plate 30, an interference filter 32 and a CCD camera 34 as an ITV camera are provided behind the members to be welded 10 and 12. , A remote monitoring position drive unit 36, and the like. The laser projector 28 is connected to a laser oscillator 40 via an optical fiber cable 38. The CCD camera 34 is connected to an overall control device 48 via an analog control circuit 42, a video distributor 44, and an image processing device 46. The remote monitoring position drive unit 36 is disposed integrally with the CCD camera 34 and is connected to the overall control device 48 via the remote monitoring position control device 50.
[0022]
The laser oscillator 40 is composed of, for example, a He-Ne laser oscillator, and laser light generated by oscillation of the laser oscillator 40 is received by the laser projector 28 via the optical fiber cable 38. The laser projector 28 irradiates the received laser beam to the molten pool (melt pool) 22 via a beam shaping plate 30 made of, for example, frosted glass. That is, the laser oscillator 40, the optical fiber cable 38, and the laser projector 28 are configured as irradiating means, and the beam shaping plate 30 is disposed (not shown) integrally with the laser projector 28 on the front side of the laser projector 28. ing. The laser projector 28 is provided with a lens system (not shown) for irradiating the molten pool 22 with the laser beam having an appropriate spread. Further, the beam shaping plate 30 is provided to eliminate an image that is difficult to see due to the speckle pattern. That is, when the CCD camera 34 captures a reflection image when the laser beam is irradiated toward the melting pool 22 without inserting the beam shaping plate 30, the members to be welded (weld workpieces) 10 and 12 are random. Since a laser beam is a coherent (coherent) light which forms a surface unevenness, a spot pattern usually called a speckle pattern is observed. This phenomenon is caused by an interference phenomenon that occurs when coherent irradiation light is randomly diffused by a diffusion object on the surface of the welding work, and scattered waves from each point are superimposed on each point on the observation surface. At this time, the image of the speckle pattern observed by the CCD camera 34 has a large number of partially shining points, and is very difficult to see. However, when the laser beam is applied to the molten pool 22 via the beam shaping plate 30, it is possible to eliminate a hard-to-see image due to the speckle pattern.
[0023]
The interference filter 32 is configured as a filter that transmits only the laser light emitted from the laser projector 28, and is arranged on the front side of the CCD camera 34 integrally with the CCD camera 34. The CCD camera 34 and the laser projector 28 are disposed integrally with a remote monitoring position driving unit 36. The remote monitoring position driving unit 36 responds to a signal from the remote monitoring position control device 50 to connect with the welding line Q. It can be moved in two orthogonal directions. Furthermore, it can run on a running shaft (not shown) attached to the inner periphery of the

workpiece

10 or 12 in parallel with the welding line Q. The CCD camera 34 is configured as an imaging unit or a two-dimensional light receiving unit that captures the laser light from the fusion pool 22 through the interference filter 32 and captures an image of the fusion pool 22 as a subject. The signal is input to the image processing device 46 via the control circuit 42 and the video distributor 44. In this case, the analog video signal generated by the control circuit 42 is divided into two analog video signals by the video distributor 44, one of the analog video signals is input to the monitor TV 52, and the other analog video signal is transmitted to the image processing device 46. Is to be processed. The image processed by the image processing device 46 is displayed on the screen of the monitor TV 54. In this case, on the screen of the monitor TV 52, as shown in FIG. 2, the molten pool image P is displayed as an image captured by the CCD camera 34, and the peripheral groove image K and the molten pool 22 solidify. The subsequent fused bead image B is displayed. Note that X and Y in FIG. 2 indicate coordinate axes on the screen, respectively.
[0024]
Here, in the present embodiment, when irradiating the light toward the melting pool 22, the laser light is used, and the reflected light by the laser light is received by the CCD camera 34. Therefore, the following features are provided. Have. That is, a major feature of laser light is that it has good monochromaticity. That is, the width of the oscillation frequency is extremely narrow. Therefore, when an image of the periphery of the molten pool 22 including the molten pool 22 is taken by the CCD camera 34 as a subject, an interference filter 32 having an extremely small transmission wavelength half width can be used. On the other hand, when the observation angle of the laser beam incident on the front surface of the interference filter 32 becomes smaller or larger around 90 degrees (perpendicular incidence), the wavelength of the transmission center shifts to the lower wavelength side due to the characteristics of the interference filter 32. That is, when the interference filter 32 is arranged in front of the CCD camera 34 and the molten pool 22 is imaged, the transmission center wavelength is different from the image captured by the CCD camera 34 because the viewing angles of the incident images differ between the central part and the peripheral part of the screen. It differs slightly depending on the position of the element, that is, the position of the screen. In this case, it is sufficient to use an interference filter having a small half-width of the transmission wavelength, taking into consideration that this effect does not occur at a desired observation viewing angle. The magnitude of the half bandwidth of the transmission wavelength is preferably 5 nm or less. The narrower the transmission wavelength half width is, the lower the brightness of the high-brightness molten pool image P can be observed for observation. That is, not only the molten pool image P but also a peripheral groove image K and a molten bead (solid phase) image B can be clearly captured. In FIG. 2, a horizontal stripe image is displayed as the peripheral groove image K. This image is due to the unevenness of the groove processing surface, and bright portions and dark portions alternately appear in the screen vertical direction. Is shown.
[0025]
The image processing device 46 processes the image of the molten pool 22 in accordance with the analog video signal from the video distributor 44 and obtains the shape characteristic amount of the molten pool 22, for example, as shown in FIG. , Length L and area S are extracted, and an image based on the processing result is displayed on the screen of the monitor TV 54 as a display means, and the processing result is output to the overall control device 48. It has become. The overall control device 48 generates a control signal for controlling welding conditions for the welding electrode 14 based on the shape characteristic amount obtained by the processing of the image processing device 46, and outputs the control signal to the welding power source 18. And generates a signal for driving the electrode position driving unit 16 and the remote monitoring position driving unit 36, and outputs the signal to the remote monitoring position control device 50 and the electrode position control device 20, respectively. Has become.
[0026]
Here, in the present embodiment, the following is considered when controlling the welding conditions for the welding electrode 14. That is, the following relationship exists between the welding conditions and the shape of the molten pool 22.
[0027]
(1) When the welding current is increased, the width (length in the direction orthogonal to the welding direction) and length (length in the welding direction) of the molten pool 22 are increased.
[0028]
(2) When the arc voltage is reduced, the width B and the length L of the molten pool 22 increase.
[0029]
(3) As the arc voltage is reduced, the shape of the Uranami bead becomes convex.
[0030]
(4) When the feeding speed of the welding wire (not shown) inserted into the molten pool 22 from the surface facing the welding electrode is increased, the shape of the Uranami bead becomes convex.
[0031]
From the above, the melting state of the molten pool 22, that is, the shape information of the width B, the length L, and the area S of the molten pool 22 are monitored, and the arc voltage, the welding current, the welding speed, or the feeding speed of the welding wire are monitored. By controlling, it is possible to obtain an appropriate Uranami bead.
[0032]
Specifically, as shown in FIG. 4, in response to an arc voltage command that forms the width B of the back side molten pool 22 at which a predetermined back side bead is appropriate, the actual molten pool width Bm is image-processed. The arc voltage detected by the welding power supply 18 is controlled based on the difference between the width target value Bc of the molten pool 22 and the actual molten pool width Bm detected by the device 46. In this case, for example, the width target value Bc of the molten pool 22 in the first layer welding pass is set in the overall control device 48 by the operation of the operator 56 before the start of welding. Then, the comparator 58 of the overall control device 48 compares the target width Bc of the molten pool 22 with the actual molten pool width Bm processed by the image processing device 46, and compares the comparison result with the arc voltage correction amount command value generation unit 60. Output to The arc voltage correction amount command value generation unit 60 is preset with an arc voltage correction amount command value corresponding to the difference between the target value Bc and the detected molten pool width Bm, and according to the comparison result of the comparator 58. The obtained arc voltage correction amount command value is input to the welding power supply 18, and the arc voltage at the time of welding of the welding power supply 18 is corrected according to the arc voltage correction amount command value. In this case, the arc voltage correction amount command value is a constant ratio value that is sufficiently smaller than the arc voltage correction amount command value obtained from the difference between the target value Bc and the detected molten pool width Bm. 18 can also be controlled. At this time, the value of the fixed ratio can be freely changed from outside. In this case, the welding control can be performed in a stable state without suddenly changing the arc voltage.
[0033]
In addition to the case where the arc voltage is corrected based on the molten pool width, the arc voltage or the welding current can be corrected based on the length or area of the molten pool 22 instead of the molten pool width. By performing such control, it is possible to set and control extremely fine welding conditions. Further, the target width Bc of the molten pool can be independently set in advance for each welding position such as downward, upward, downward or upward in the welding position and all positions.
[0034]
Next, a process for extracting the shape feature amount of the molten pool image will be described with reference to the flowchart of FIG. First, the image of the melting pool 22 is taken into the image processing device 46 by the imaging of the CCD camera 34 (step S1). Thereafter, processing for removing unnecessary images from the input image is performed (step S2). At this time, in the present embodiment, differentiation processing is performed on the pixels in the vertical direction among the pixels constituting the screen shown in FIG. In this case, the original image is a two-dimensional array of luminance, and if this is represented as F (Xi, Yi), F (Xi, Yi) represents a pixel (Xi, Yi) of the image F, The brightness at that point will be expressed. Then, differential processing is sequentially performed on luminance data obtained from pixels adjacent to each other along the vertical direction of the screen, and an image after the differential processing is represented by G (Xi, Yi). The processed image is represented by the following equation.
[0035]
(Equation 1)

[0036]
Here, when the luminance data along the line aa ′ in FIG. 3 is extracted, an image as shown in FIG. 6 is displayed. In this case, the range of Y2 indicates the luminance characteristic of the molten pool 22, Y1 indicates the luminance characteristic of the groove portion above the molten pool 22, and Y3 indicates the luminance of the groove portion below the molten pool 22. Show characteristics. When this luminance data (luminance data along the line aa ′ in FIG. 3) is differentiated, as shown in FIG. 7, in the range of Y1 and Y3, a minimum value at which the luminance changes from a low point to a high point is obtained. Conversely, the maximum value that changes from a point having a high luminance to a point having a low luminance is generated alternately. On the other hand, in the range of Y2, the brightness of the molten pool 22 shows a characteristic in which the brightness of adjacent vertical pixels does not change much.
[0037]
When the luminance data along the line bb ′ shown in FIG. 3 is differentiated, the characteristics shown in FIG. 8 are obtained. In this case, the differential value of the surface of the molten bead is shown in the range of Y2, but the characteristic of the differential value is large due to unevenness of the surface of the weld bead. In this way, by differentiating the brightness data, an area where the variation of the differential value is small is set as the image of the molten pool 22, and the other area is set as a groove area around the weld bead or the molten pool. Only the image of the molten pool 22 can be cut out.
[0038]
As described above, by utilizing the area where the differential value in the screen vertical direction line is small as the molten pool 22, unnecessary differential elements other than the molten pool 22 are shifted while further shifting the differential value of the screen vertical line in the horizontal direction. An image is detected and this image is removed. That is, the luminance is set to the 0 level.
[0039]
Thereafter, the process proceeds to step S3, where a binarization process using the threshold value Ith is performed in accordance with the following equation (2), and only the image of the molten pool 22 is cut out from the screen.
[0040]
(Equation 2)

[0041]
Next, the cut-out image of the molten pool 22 is subjected to a process based on contraction and expansion to perform a process for eliminating small component noise, small holes, and the like (step S4). This contraction is a process for reducing the boundary of a given range to reduce one layer as shown in the following equation (3). The expansion is a process of increasing the thickness by one layer, as shown in the following equation (4). By performing the contraction processing and the expansion processing in combination, small components and small holes in the binarized image can be removed.
[0042]
(Equation 3)

[0043]
(Equation 4)

[0044]
Next, in step S5, each coordinate position of the contour around the molten pool 22 is detected. That is, the position coordinates of the pixel indicating the outline of the molten pool 22 are detected. In this case, by the processing up to step S4, the portion of the molten pool 22 becomes white (level 1), and the outside of the molten pool 22 becomes black (level 0). Therefore, the outline position can be found by searching from the outside of the image in the horizontal or vertical direction and detecting a point where black (0 level) changes to white (1 level).
[0045]
Next, in step S6, the left and right boundary positions in the horizontal direction of the screen are detected from the outline coordinates of the molten pool 22 obtained in step S5. At this time, the left boundary is G1 (x1, y1), and the right boundary is G2 (x2, y2).
[0046]
Next, in step S7, as in step S6, the upper and lower boundary positions in the vertical direction of the screen are detected from the outline coordinates of the molten pool 22 obtained in step S5. At this time, the upper boundary is G3 (x3, y3), and the lower boundary is G4 (x4, y4). Next, in step S8, the width B, length L, and center position G0 (x0, y0) of the molten pool 22 are determined from the left and right boundary positions and the upper and lower boundary positions of the molten pool 22 determined in steps S6 and S7. Are calculated according to the equations (5) to (7).
[0047]
(Equation 5)

[0048]
(Equation 6)

[0049]
(Equation 7)

[0050]
The width B and the length L of the molten pool 22 obtained by the above processing are values on the screen. Therefore, in step 9, the value on the screen is multiplied by the camera resolution (the size of the visual field per pixel) to convert it to an actual value. Thus, actual values can be obtained as the width and length of the molten pool 22.
[0051]
Next, the welding condition control operation of the system shown in FIG. 1 will be described with reference to the flowchart of FIG. In this case, a case will be described in which the molten pool 22 is imaged while the members to be welded 10 and 12 are being welded, the width of the molten pool 22 is detected from the image obtained by the imaging, and the welding conditions are controlled based on the detected information. . In this operation, the overall control device 48 becomes a master station for managing the operation of the entire system, and the welding power source 18, the electrode position control device 20, and the image processing device 46 are in a slave station relationship. In other words, the welding power source 18, the electrode position control device 20, and the image processing device 46 of the slave station perform predetermined operations according to commands from the overall control device 48, which is the master station.
[0052]
Specifically, after the operation of the overall control device 48 starts, in step F1, the overall control device 48 first inquires the current position of the welding electrode 14 to the electrode position control device 20 and receives a report of the position information ( Step F17). Next, in step F2, the overall control device 48 issues a movement command for raising the welding electrode 14 to the electrode position control device 20, and separates the welding electrode 14 from the groove surface (step F18).
[0053]
In step F3, the overall control device 48 issues a movement command to the reference position at which the welding electrode 14 starts welding to the electrode position control device 20, and moves the welding electrode 14 to the reference position (step F19). In step 4, the general control device 48 issues a command to the electrode position control device 20 to move the welding electrode 14 to a predetermined position at which the welding electrode 14 can start an arc, and moves the welding electrode 14 to a predetermined position at which the arc can be started. (Step F20).
[0054]
In step F5, the overall control device 48 issues an arc start (ON) command to the welding power source 18 to start the arc ON (step F22). In Step 6, the overall control device 48 issues a command to the welding electrode 14 to start traveling in the welding line Q direction to the electrode position control device 20, and starts traveling in the Q direction (Step F21). In the traveling operation in the Q direction, the traveling operation of the welding electrode 14 is continued until a traveling stop command described later is generated.
[0055]
In step F7, the overall control device 48 issues a detection command to the image processing device 46, and the image processing device 46 detects the width of the molten pool 22 in the above-described processing (step F26). In step 8, the overall control device 48 inquires of the welding power supply 18 about the set arc voltage value and receives a report of the information (step F23).
[0056]
In Step 9, the overall control device 48 issues a report command to the image processing device 46 to receive the detection result of the width of the molten pool 22, and the image processing device 46 receives a report of the result (Step F27). . In step 10, the arc voltage information in step 8 and the detection result information on the molten pool width in step 9 are stored internally. Thereafter, step F11 calculates an arc voltage correction amount according to the difference between the detection result of the molten pool width and the target value. Thereafter, in step F12, the information calculated in step F11 is transferred to the welding power source 18, and the arc voltage is corrected (step F24).
[0057]
In step F13, it is determined whether or not the current position information of the welding electrode 14 is the end position of the welding operation. In some cases, the process returns to step F7, and the above operation is repeated.
[0058]
On the other hand, when it is determined that the electrode position has exceeded the end position, the process proceeds to step F14. In Step F14, the overall control device 48 issues an arc end (OFF) command to the welding power source 18 to stop the arc ON (Step F27). Further, in step F15, the overall control device 48 issues a command to stop traveling in the Q direction to the electrode position control device 20, and stops traveling of the welding electrode 14.
[0059]
In the above processing, the width of the molten pool 22 is detected, and the arc voltage is controlled based on the detected information. However, in addition to the width of the molten pool 22, the length or area of the molten pool 22 is used. It is also possible to control the arc voltage and the welding current.
[0060]
When the laser projector 28 and the CCD camera 34 are moved in accordance with the state of welding by the welding electrode 14, the center position of the molten pool 22 is detected based on the shape characteristic amount of the molten pool 22, and the center of the molten pool 22 is detected. A deviation (deviation) between the position and the center position of the image is obtained, a movement command for suppressing the deviation to zero is generated, and the laser projector 28 and the CCD camera 34 are moved along the welding line Q according to the movement command. Can be done. In this case, in step F26 shown in FIG. 9, a deviation between the center position of the image of the molten pool 22 and the center position of the display image on the monitor TV 54 is obtained, and a movement command for suppressing this deviation to zero, that is, the molten pool A movement command is generated such that the center of 22 becomes the center position of the screen of the monitor TV 54, and the movement of the laser projector 28 and the CCD camera 34 is controlled according to the movement command. By performing such control, the image of the molten pool 22 is displayed such that the center of the molten pool 22 is always arranged at the center position of the screen of the monitor TV 54. In this case, the image processing device 46 constitutes position detecting means for detecting the center position of the image of the molten pool, and the overall control device 48 calculates the deviation between the detected value of the position detecting means and the center position of the display image on the monitor TV 54. And a movement command means for outputting a movement command for suppressing the deviation to zero to the movement means.
[0061]
According to the present embodiment, since the welding conditions by the welding power source 18 are controlled based on the shape characteristic amount of the molten pool 22, a stable Uranami bead can be obtained, which contributes to improvement in welding quality. it can.
[0062]
Further, according to the present embodiment, since the laser beam is applied to the melting pool 22 and the reflected light of the laser beam is imaged by the CCD camera 34, a good back-side wave required for remote welding work is obtained. A monitor image can be obtained. Further, a good monitor image in the vicinity of the welded portion can be obtained before or during welding without switching the interference filter 32 or switching the shutter speed of the CCD camera 34.
[0063]
In the above-described embodiment, a laser oscillator using a He-Ne laser oscillator as the irradiation light source has been described. However, a laser oscillator using a semiconductor laser diode may be used.
[0064]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the image of the molten pool is processed to extract the shape characteristic amount of the molten pool, and the welding conditions are controlled based on the shape characteristic amount. Uranami beads can be obtained, which can contribute to improvement of welding quality.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a welding system to which an apparatus according to an embodiment of the present invention is applied.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a configuration of a molten pool image.
FIG. 3 is a diagram for explaining a shape characteristic amount of a molten pool.
FIG. 4 is a block diagram for explaining a method for controlling welding conditions.
FIG. 5 is a flowchart illustrating a processing method for extracting a shape feature amount of a molten pool.
FIG. 6 is a schematic diagram of luminance along the line aa ′ in FIG. 3;
FIG. 7 is a schematic diagram when the luminance data shown in FIG. 6 is differentiated.
FIG. 8 is a schematic diagram when differentiating the luminance data along the line bb ′ in FIG. 3;
FIG. 9 is a flowchart for explaining a welding condition control operation of the system shown in FIG. 1;
[Explanation of symbols]
10, 12 welded members
14 Welding electrode
16 electrode position driver
18 Welding power supply
20 Electrode position control device
22 Melting pool
24 CCD camera
28 Laser Floodlight
30 Beam shaping plate
32 interference filter
34 CCD camera
36 Remote monitoring position driver
38 Optical fiber cable
40 laser oscillator
46 Image processing device
48 Total control device
50 Remote monitoring position control device

Claims

A plurality of welded members are in contact with each other and among the groove fusion parts fused by the welding electrode, irradiating light to a fusion pool on the back side opposite to the surface facing the welding electrode, and the groove fusion part. A backside welding control method for capturing an image of a molten pool on the back side as a subject, processing an image of the molten pool by the imaging, extracting a shape characteristic amount of the molten pool, and controlling welding conditions based on the shape characteristic amount.

Irradiating means for irradiating light to a molten pool on the back side opposite to a surface facing the welding electrode in a groove fusion portion where a plurality of members to be welded contact each other and are melted by the welding electrode; Imaging means for imaging the molten pool on the back side of the fusion zone as a subject; shape feature quantity extraction means for processing an image of the molten pool by imaging with the imaging means to extract the shape feature quantity of the molten pool; Uranami welding control apparatus comprising: welding condition control means for controlling welding conditions based on a shape feature amount obtained by extraction means.

A moving unit that moves the irradiation unit and the imaging unit according to a movement command along a welding line in which the plurality of welded members come into contact with each other, and processes an image of the molten pool by imaging with the imaging unit to form the molten pool. Position detection means for detecting the center position of the image, display means for displaying an image of the molten pool obtained by the imaging means, and a deviation between the detected value of the position detection means and the center position of the display image of the display means. 3. The back according to claim 2 , further comprising: a deviation calculating means for calculating; and a movement command means for outputting a movement command to the moving means for suppressing the deviation caused by the calculation by the deviation calculating means to zero. Wave welding control device.

The irradiating unit is configured by a laser projecting unit that irradiates the molten pool with laser light, and the imaging unit is configured to image the molten pool through an interference filter that transmits only the laser light. The Uranami welding control device according to claim 2 or 3 .

The laser light emitting means, a laser oscillator that oscillates laser light, an optical fiber that transmits the laser light from the laser oscillator, and a laser projector that irradiates the laser beam transmitted by the optical fiber toward the molten pool. The Uranami welding control apparatus according to claim 4 , characterized by comprising:

6. The Uranami welding control apparatus according to claim 5, wherein the laser oscillator includes a semiconductor laser diode.

Uranami welding control apparatus according to claim 4 or 5, wherein become disposed beam shaping plate from said laser light projecting means to the transmission path of the laser beam irradiated toward the molten pool.

3. The Uranami welding control apparatus according to claim 2, wherein the shape feature amount extraction unit extracts any of a width, a length, and an area of the molten pool as a shape feature amount of the molten pool.