CN105531070B - 激光焊接优劣判定装置以及激光焊接优劣判定方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供对激光焊接部的穿透焊状态是否被维持进行检测从而判定激光焊接状态的优劣的激光焊接优劣判定装置以及激光焊接优劣判定方法。在本发明中，对使钢带(1)的两缘对接并且向该对接部照射激光(7)从而焊接而成的焊接管进行激光焊接部(5)的优劣判定的激光焊接优劣判定装置中具备：拍摄部(8)，其连续拍摄激光焊接部(5)的激光焊接贯通侧；特征量计算部(11)，其根据拍摄部(8)拍摄的图像计算出伴随着激光焊接贯通的喷出部的特征量；焊接优劣判定部(12)，其在连续取得的上述图像的规定区域内的上述特征量的值成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下判定为产生激光焊接部(5)的焊接不良；以及显示部(13)，其显示输出包含上述焊接不良的产生的焊接优劣状态。

Description

激光焊接优劣判定装置以及激光焊接优劣判定方法

技术领域

本发明涉及对激光焊接部的穿透焊(penetrated welding)状态是否被维持进行检测从而判定激光焊接状态的优劣的激光焊接(laser beam welding)优劣判定装置(diagnosis apparatus)以及激光焊接优劣判定方法。

背景技术

以往，作为焊接钢管的制造方法之一，存在连续供给热轧钢板(hot rolled steelsheet)等一边使其成形为圆筒状一边使其两缘对接进行焊接从而制造成钢管制品的方法。作为该焊接方法，大多使用电阻焊接法(ERW法)，但近年来，将激光作为热源(concentratedheat source)进行焊接的激光焊接法逐渐被使用。特别是，近年来，振荡波长比现有的CO2激光等的气体激光(gas laser)短的半导体激光器(semiconductor excited laser)、光纤维激光器等被使用，难以产生在焊接时蒸气化的被焊接金属与激光的相互作用所引起的等离子体产生等所带来的效率降低的高性能激光焊接机被开发。

然而，在将该激光焊接法应用于钢管的情况下，由于需要遍及钢材的厚度方向进行熔融，所以需要维持穿透焊(penetrated welding)状态。但是，在钢带的连续的成形工序中，因生产线的条件、入热的条件等，该对接位置容易变动。因此，需要连续检测出激光焊接部的激光的照射位置(irradiation point)，准确地控制激光的照射位置。

作为该激光焊接部的焊接监视方法，例如如专利文献1所记载那样，通过电视摄像机直接监视激光焊接部，检测出焊接线(焊缝位置(seam position))、熔融池中心位置。在该方法中，通过外部照明照射激光焊接部，作为观察结果，焊接线较暗，熔融池(moltenpool)明亮，将这一情况作为前提，沿拍摄的图像(image)上的水平方向(与焊接钢管的移动方向成直角的方向)，对焊接线检测用与熔融池检测用分别决定1条线的位置，将该水平线的亮度图案二值化(binarize)，从而检测出焊接线以及熔融池的位置。

另外，在专利文献2中，从投光器(light)向激光照射部的附近的焊接部照射并且通过拍摄部(imaging device)拍摄从钢板反射的反射光与等离子体的光，在该被拍摄的图像中，将比周边的钢板部亮度高的部分作为激光照射位置进行检测。

专利文献1：日本特公昭55－18439号公报

专利文献2：日本特开2000－263266号公报

然而，上述专利文献1、2所记载的方案仅仅是取得激光焊接部的激光照射侧的图像对焊接线以及熔融池的位置、激光照射位置进行检测。即，专利文献1、2所记载的方案不对激光焊接部的穿透焊状态是否被维持进行检测，无法判定激光焊接状态的优劣。

发明内容

本发明是鉴于上述情况完成的，其目的在于提供对激光焊接部的穿透焊状态是否被维持进行检测从而能够判定激光焊接状态的优劣的激光焊接优劣判定装置以及激光焊接优劣判定方法。

为了解决上述课题、实现目的，本发明的激光焊接优劣判定装置是对使钢带的两缘对接并且向该对接部照射激光从而焊接而成的焊接管的激光焊接部进行优劣判定的激光焊接优劣判定装置，其特征在于，具备：拍摄部，其连续拍摄上述激光焊接部的激光焊接贯通侧；特征量计算部，其根据上述拍摄部拍摄的图像，计算出伴随着激光焊接贯通的喷出部(spouting part)的特征量(feature amount)；焊接优劣判定部，其在连续取得的上述图像的规定区域内的上述特征量的值成为规定值以下并规定持续时间以上的情况下判定为产生上述激光焊接部的焊接不良；以及输出部，其输出包含上述焊接不良的产生的焊接优劣状态。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定装置的特征在于，上述特征量是上述规定区域内的上述喷出部占据的面积。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定装置的特征在于，上述拍摄部检测出上述喷出部发光的波长光。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定装置的特征在于，具备：光源，其将800nm以上900nm以下的波长光向上述激光焊接部的激光焊接贯通侧照射；以及带通滤波器，其设置于上述拍摄部的受光部，并且仅使上述800nm以上900nm以下的波长光透过，上述拍摄部接收上述800nm以上900nm以下的波长光从而连续拍摄上述激光焊接部的激光焊接贯通侧。

另外，本发明的激光焊接优劣判定方法是对使钢带的两缘对接并且向该对接部照射激光从而焊接而成的焊接管的激光焊接部进行优劣判定的激光焊接优劣判定方法，其特征在于，包括：连续拍摄上述激光焊接部的激光焊接贯通侧的拍摄步骤；根据通过上述拍摄步骤拍摄的图像计算出伴随着激光焊接贯通的喷出部的特征量的特征量计算步骤；在连续取得的上述图像的规定区域内的上述特征量的值成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下判定为产生上述激光焊接部的焊接不良的焊接优劣判定步骤；以及输出包含上述焊接不良的产生的焊接优劣状态的输出步骤。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定方法的特征在于，上述特征量是上述规定区域内的上述喷出部占据的面积。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定方法的特征在于，上述拍摄步骤检测出上述喷出部发光的波长光。

另外，在上述发明的基础上，本发明的激光焊接优劣判定方法的特征在于，包含将800nm以上900nm以下的波长光照射于上述激光焊接部的激光焊接贯通侧的单波长光照射步骤，上述拍摄步骤仅接收上述800nm以上900nm以下的波长光从而连续拍摄上述激光焊接部的激光焊接贯通侧。

发明的效果

根据本发明，特征量计算部根据拍摄部拍摄的图像来计算出伴随着激光焊接贯通的喷出部的特征量，焊接优劣判定部在连续取得的上述图像的规定区域内的上述特征量的值成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下，判定为产生上述激光焊接部的焊接不良，因此对激光焊接部的穿透焊状态是否被维持进行检测从而能够判定激光焊接状态的优劣。

附图说明

图1是表示包含本发明的实施方式的激光焊接优劣判定装置的激光焊接装置的简要结构的示意图。

图2是表示激光与拍摄部的相对于焊接管的位置关系的示意图。

图3是表示被穿透焊的激光焊接部的剖面的示意图。

图4是表示未被穿透焊的激光焊接部的剖面的示意图。

图5是表示被穿透焊的激光焊接部的激光焊接贯通侧的图像的一个例子的图。

图6是表示未被穿透焊的激光焊接部的激光焊接贯通侧的图像的一个例子的图。

图7是表示相对于焊接长的溅射特征量的变化的一个例子的图。

图8是表示图像处理部的激光焊接优劣判定处理顺序的流程图。

图9是表示包含本发明的实施方式的变形例的激光焊接优劣判定装置的激光焊接装置的简要结构的示意图。

图10是表示溅射部的发光光谱与图9所示的光源以及带通滤波器的波长域的图。

具体实施方式

以下，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。

(激光焊接装置的简要结构)

图1是表示包含本发明的实施方式的激光焊接优劣判定装置的激光焊接装置的简要结构的示意图。另外，图2是表示激光7与拍摄部8的相对于焊接管的位置关系的示意图。在图1中，首先，钢带1在管体搬运方向(travel direction)A的上游侧通过未图示的成形手段沿宽度方向经由凹模成形为圆筒形，从而如图2所示那样形成有钢带1的两缘对接的对接部9。在图1以及图2中，从焊接用激光源4输出的激光7通过传送管、光纤等被传送至对接部9的激光焊接部5附近，并且通过光学系统6在激光焊接部5以提高能量密度的方式聚光。通过激光7相对于该激光焊接部5的照射对对接部9进行激光焊接，从而钢带1作为焊接管沿管体搬运方向A搬运。

在该焊接管，从管体搬运方向A的上游侧嵌入切削杆3。该切削杆3被上游侧的支承臂2支承。在切削杆3，且在激光焊接部5的下游侧设置有切削刀具20。该切削刀具20将在激光焊接部5中的按压量(镦粗(upset))较大的情况下产生的溶钢的涌起(焊缝(weld bead))等，伴随着焊接管的搬运在管体内表面连续地进行切削。

(激光焊接优劣判定装置的简要结构)

激光焊接优劣判定装置具有拍摄部8、图像处理(image processing)部10以及显示部13。拍摄部8利用上述切削杆3并且配置于切削杆3上。拍摄部8位于切削刀具20的上游侧，并且设置于激光焊接部5的附近，在激光焊接中，从管体内侧(激光焊接贯通侧)连续拍摄激光焊接部5。被拍摄的图像被传送至图像处理部10。图像处理部10具有特征量计算部11与焊接优劣判定部12。特征量计算部11根据图像计算出伴随着激光焊接贯通的喷出部(溅射部(spatter))的特征量(溅射特征量)。焊接优劣判定部12在取得的图像上的与激光焊接部5对应的规定区域E内的溅射特征量C成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下，判定为产生激光焊接部5的焊接不良。该判定结果在显示部被显示输出，并且通过未图示的蜂鸣器等被警报输出。

此外，拍摄部8能够使用CCD照相机、CMOS照相机等出售的工业监视用照相机。另外，对于规定区域E而言，考虑溅射部的产生范围，例如形成为激光焊接部5及其周边20mm四方程度的范围。并且，对于拍摄部8，虽然使其连续拍摄时的拍摄频度为一般的摄像机的拍摄频度(30帧/秒)即可，但也可以为进一步提高了数倍频度的拍摄频度。主要考虑焊接不良的持续时间等进行设定即可。

(激光焊接优劣判定的概念)

图3以及图4示意示出激光焊接部5的剖面。在激光焊接部5中，若从焊接管外部照射激光，则因激光的能量钢材熔融，形成并且贯通锁孔。此时，虽然溶钢激烈地喷出的溅射部(喷出部)在激光焊接部5的激光照射侧飞散，但溅射部SP也在焊接管内部的激光焊接贯通侧放射状地飞散。如图3所示，该溅射部SP在为穿透焊的情况下产生，如图4所示，在不是穿透焊的焊接不良的情况下不产生。因此，溅射部SP的存在能够作为激光焊接是穿透焊并且良好的直接证据来使用。

而且，由于溅射部SP因自发光而比周围明亮，在图像中像素值较高，所以能够通过取得图像容易地检测出溅射部SP的存在。图5是产生溅射部SP的情况下的图像的一个例子，在以激光焊接部5为中心的规定区域E内能够确认溅射部SP的明亮的图像区域Esp。另外，图6是未产生溅射部SP的情况下的图像的一个例子，在规定区域E内，无法确认溅射部SP的明亮的图像区域Esp。此外，对于规定区域E而言，若激光焊接部5与拍摄部8的位置关系恒定，则溅射部SP的产生位置也大致恒定。这里，在规定区域E外存在溅射部SP的明亮的图像区域Esp的情况下，存在激光相对于对接部9的端面倾斜地照射的情况、激光的照射位置从激光焊接部5位置偏移的情况等。因此，在规定区域E内不存在溅射部SP的情况下，完全能够判定为焊接不良。

对于该规定区域E内的溅射部SP的存在判定，首先，利用特征量计算部11，将占据规定区域E内的明亮的部分的面积(像素数)作为溅射特征量C计算出。然后，焊接优劣判定部12在该溅射特征量C成为规定持续时间以上、规定值Cth以下的情况下判定为溅射部SP未产生，存在焊接不良。此外，规定持续时间能够为拍摄部8连续拍摄图像的拍摄间隔的整数倍。例如，在将拍摄间隔的2倍的时间设为规定持续时间的情况下，在连续2次取得的图像的规定区域E溅射特征量C成为规定值Cth以下的情况下，判定为存在焊接不良。此外，该规定持续时间也可以是1个拍摄间隔。

图7是表示溅射特征量C相对于焊接长的变化的一个例子的图。此外，图5的图像是图上P1的位置的图像，图6的图像是图上P2的位置的图像。在该情况下，在为规定值Cth(＝500)以下的情况下，未被穿透焊而成为焊接不良。因此，能够判定为在图上P3的位置、焊接长为1m时也产生焊接不良。

(激光焊接优劣判定处理)

这里，参照图8所示的流程图对激光焊接优劣判定处理顺序进行说明。首先，焊接优劣判定部12将变量N设定为初始值0(步骤S101)。然后，特征量计算部11取得拍摄部8拍摄的图像(步骤S102)。并且，特征量计算部11对取得的图像中的规定区域E内的图像进行二值化处理(步骤S103)。通过该二值化处理，在像素值为0～255的情况下，像素值被分离为0(暗)与255(明)。然后，使用该二值化图像将规定区域E内的像素值为255的像素的累计值作为溅射特征量C计算出(步骤S104)。

然后，焊接优劣判定部12判断溅射特征量C是否为规定值Cth以下(步骤S105)。在溅射特征量C不为规定值Cth以下的情况下(步骤S105、No)，移至步骤S101，将变量N设定为初始值0。另一方面，在溅射特征量C为规定值Cth以下的情况下(步骤S105、Yes)，将变量N增加(步骤S106)，并且判断变量N是否为2以上(步骤S107)。在变量N不为2以上的情况下(步骤S107、No)，移至步骤S102。另一方面，在变量N为2以上的情况下(步骤S107、Yes)，判定为产生焊接不良，将产生焊接不良的情况在显示部13显示输出，并且经由未图示的蜂鸣器等警报部警报输出(步骤S108)。

此外，在该流程中，以图像在规定间隔取得为前提，将该规定间隔的2倍设定为规定持续时间。因此，在连续2次溅射特征量C成为规定值Cth以下的情况下，判定为产生焊接不良。

(变形例)

在上述实施方式中，虽然对在激光焊接部5的激光焊接贯通侧产生的溅射部SP的自发光进行了拍摄，但在该变形例中，能够不受溅射部SP的光强度影响地也对焊接管内的溅射部SP以外的钢板表面等进行拍摄。

即，如图9所示，在切削杆3上，在激光焊接部5的激光焊接贯通侧设置有照射800nm以上、900nm以下的波长光的光源14，并且在拍摄部8的受光部设置有仅透过800nm以上、900nm以下的波长光的带通滤波器15。

图10表示溅射部SP发光的光强度的波长光谱(wavelength spectrum)，溅射部SP大多包含小于800nm的波长成分(wavelength component)。另一方面，CCD照相机等的拍摄部8的拍摄灵敏度在超过900nm的红外线区域变小。因此，通过在溅射光强度较小的波长区域亦即800nm以上且在拍摄部8具有拍摄灵敏度的900nm以下的波长区域Δλ进行拍摄，能够获得将溅射部SP与除溅射部SP以外的钢板表面等一起包含的图像。

此外，光源14可以是单波长光源，也可以是将白色光源经由带域过滤器进行照射波长限制的光源。特别是，对于光源14而言，由于半导体激光源(LD)小型且能够输出高的光强度，所以优选。另外，带通滤波器(bandpass filter)15例如能够使用薄膜电介质方式(film dielectric method)的干涉过滤器(interference filter)。

在本实施方式以及变形例中，以存在在激光焊接部5的激光焊接贯通侧产生的溅射部SP为基础，准确并且实时地检测出是否维持有激光焊接的穿透焊状态，因此能够在早期进行激光焊接成为焊接不良状态的情况下的复原，由此能够提高钢管制造的成品率。另外，能够提高制造的钢管的品质。

附图标记说明：

1…钢带；2…支承臂；3…切削杆；4…焊接用激光源；5…激光焊接部；6…光学系统；7…激光；8…拍摄部；9…对接部；10…图像处理部；11…特征量计算部；12…焊接优劣判定部；13…显示部；14…光源；15…带通滤波器；20…切削刀具；A…管体搬运方向；C…溅射特征量；Cth…规定值；E…规定区域；Esp…图像区域；SP…溅射部；Δλ…波长区域。

Claims (8)

1.一种激光焊接优劣判定装置，其是对使钢带的两缘对接并且向该对接部照射激光从而焊接而成的焊接管的激光焊接部进行优劣判定的激光焊接优劣判定装置，

所述激光焊接优劣判定装置具备：

拍摄部，其以规定时间间隔拍摄所述激光焊接部的激光焊接贯通侧；

特征量计算部，其根据所述拍摄部拍摄出的图像，计算出作为伴随着激光焊接贯通而从激光焊接贯通侧的锁孔飞散的溅射部的喷出部的特征量；

焊接优劣判定部，其在所述激光焊接贯通侧以所述激光焊接部为中心的规定区域的所述特征量的值成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下判定为产生了所述激光焊接部的焊接不良；以及

输出部，其输出包含所述焊接不良的产生的焊接优劣状态。

2.根据权利要求1所述的激光焊接优劣判定装置，

所述特征量是所述规定区域内的所述喷出部占据的面积。

3.根据权利要求1或2所述的激光焊接优劣判定装置，

所述拍摄部检测出所述喷出部发光的波长光。

4.根据权利要求1或2所述的激光焊接优劣判定装置，具备：

光源，其将800nm以上900nm以下的波长光向所述激光焊接部的激光焊接贯通侧照射；以及

带通滤波器，其设置于所述拍摄部的受光部，并且仅使所述800nm以上900nm以下的波长光透过，

所述拍摄部接收所述800nm以上900nm以下的波长光从而以所述规定时间间隔拍摄所述激光焊接部的激光焊接贯通侧。

5.一种激光焊接优劣判定方法，其是对使钢带的两缘对接并且向该对接部照射激光从而焊接而成的焊接管的激光焊接部进行优劣判定的激光焊接优劣判定方法，

所述激光焊接优劣判定方法包括：

以规定时间间隔拍摄所述激光焊接部的激光焊接贯通侧的拍摄步骤；

根据通过所述拍摄步骤拍摄了的图像计算出作为伴随着激光焊接贯通而从激光焊接贯通侧的锁孔飞散的溅射部的喷出部的特征量的特征量计算步骤；

在所述激光焊接贯通侧以所述激光焊接部为中心的规定区域的所述特征量的值成为规定值以下并持续规定持续时间以上的情况下判定为产生所述激光焊接部的焊接不良的焊接优劣判定步骤；以及

输出包含所述焊接不良的产生的焊接优劣状态的输出步骤。

6.根据权利要求5所述的激光焊接优劣判定方法，

所述特征量是所述规定区域内的所述喷出部占据的面积。

7.根据权利要求5或6所述的激光焊接优劣判定方法，

所述拍摄步骤检测出所述喷出部发光的波长光。

8.根据权利要求5或6所述的激光焊接优劣判定方法，

包含将800nm以上900nm以下的波长光照射于所述激光焊接部的激光焊接贯通侧的单波长光照射步骤，

所述拍摄步骤仅接收所述800nm以上900nm以下的波长光从而以所述规定时间间隔拍摄所述激光焊接部的激光焊接贯通侧。