JP2005334957A - Weld zone visualizing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ溶接、プラズマ溶接、アーク溶接等の溶接を行う際に溶接部を観察するために用いる溶接部可視化装置に関するものである。 The present invention relates to a weld visualization device used for observing a weld when performing welding such as laser welding, plasma welding, or arc welding.
溶接を行う場合、発生する溶融池及びその周辺部、たとえば、溶接進行方向前方に位置する開先の状態や溶接後に形成されるビードの状態等を含んだ溶接部を観察することは、溶接品質の管理、安定化のために重要なことである。 When welding is performed, observing the weld pool including the generated weld pool and its peripheral part, for example, the state of the groove located in front of the welding direction and the state of the bead formed after welding, etc. It is important for management and stabilization.
しかし、溶接時における溶接部からは、溶接に用いるレーザ、プラズマ、アークの散乱光等の光が強烈に発せられ、特に、レーザ溶接やプラズマ溶接では、溶融池の発光よりもレーザやプラズマの散乱光の方が強いため、たとえば、光学的な減光フィルタを装備したカメラで撮影しようとしても、溶融池の部分が過度の光量によりハレーションを引き起こすようになるため、溶融池の観察を行なうことは極めて困難である。 However, light such as laser, plasma, and arc scattered light used for welding is emitted intensely from the weld during welding. In particular, laser welding and plasma welding scatter laser and plasma rather than weld pool light emission. Because the light is stronger, for example, even if you try to shoot with a camera equipped with an optical neutral density filter, the molten pool part will cause halation due to excessive light quantity, so it is not possible to observe the molten pool It is extremely difficult.
そのために、レーザ溶接における溶接部を監視する手法の一つとしては、強力(高輝度)な照明光源を用いてカメラにより直接観測する手法が従来提案されている。かかる手法に用いる装置として、本出願人は、図3に示す如き溶接部可視化装置を提案している。 For this reason, as a technique for monitoring a welded part in laser welding, a technique of directly observing with a camera using a strong (high brightness) illumination light source has been proposed. As an apparatus used for such a technique, the present applicant has proposed a weld visualizing apparatus as shown in FIG.
これは、レーザ溶接による溶融池1へ該溶融池1よりも高輝度な短パルスレーザ光3を照射するための短パルスレーザ光源2と、溶融池1付近を撮影する高速度シャッタ5を具備したカメラ4と、上記短パルスレーザ光源2による短パルスレーザ光3の照射タイミングを上記カメラ4の高速度シャッタ5の開閉に同期させるタイミング装置6とを備え、更に、上記短パルスレーザ光3の波長を透過させると同時に、レーザ溶接に用いる連続的なレーザ光の散乱光における所要の波長領域をカットしてレーザ散乱光を減光させるためのフィルタ7を上記カメラ4に装備させた構成を有している。
This comprises a short pulse
なお、8はミラー9及びレンズ10等からなる高輝度照明用の光学系であり、上記短パルスレーザ光源2より出射される短パルスレーザ光3を、上記ミラー9及びレンズ10を経て溶接部、すなわち、溶融池1及びその周辺部へ所要の広がりをもって照射できるようにしてある。又、11はレーザ溶接トーチ、12は溶接対象となる母材、13はカメラ4の画像を表示するモニタを示す。
これにより、上記溶接部可視化装置によれば、レーザ溶接トーチ11により母材12に形成される溶融池1に向けて、上記短パルスレーザ光源2より溶融池1よりも高輝度な短パルスレーザ光3を照明用として照射することにより、溶融池1及びその周辺部にレーザ散乱光以上の発光強度を与え、同時に、上記フィルタ7及び短パルスレーザ光源2の照射タイミングと同期する高速度シャッタ5により、上記高輝度照明された溶融池1からの光はカメラ4に入射させる一方、それ以外のレーザ散乱光等の有害光をほとんどカットして入射光量を大幅に減らすことにより、モニタ13上にて、ハレーションを生じることなく溶接部における溶融池1及びその周辺部の可視観察を行なうことが可能になる(たとえば、特許文献1参照)。
Thereby, according to the said weld part visualization apparatus, toward the
ところで、上記溶接部可視化装置における短パルスレーザ光源2としては、Nd−YAGレーザが用いられている。かかるNd−YAGレーザの基本波は、波長1064nmの赤外領域の光である。しかし、上記カメラ4に用いられているCCDは、その光学的な特性上、波長1064nmの光に対する感度は、可視光に対する感度の10%程度しか得られないものとなっている。一方、Nd−YAGレーザの基本波(波長1064nmの光)を波長変換して得られる波長532nmの第2高調波は、上記基本波からの変換効率は50%強程度にしか過ぎないものであるが、可視光(グリーンの光)であるために、CCDにおける検出感度は基本波に比して10倍程度得ることができる。そのため、従来は、上記カメラ4のCCDにおける検出効率を高めることができるようにするために、上記溶接部の高輝度照明に用いる短パルスレーザ光3としては、Nd−YAGレーザとして発振させた波長1064nmの基本波を短パルスレーザ光源2内で波長変換してなる波長532nmの第2高調波を用いるようにしてある。なお、上述したように、上記Nd−YAGレーザの基本波から第2高調波への波長変換は、変換効率が50%強程度に過ぎないため、上記短パルスレーザ光源2から出射される短パルスレーザ光3には、波長変換されずに残存する基本波が第2高調波とともに含まれている。
Incidentally, an Nd-YAG laser is used as the short pulse
このために、上記溶融部可視化装置においては、通常、短パルスレーザ光源2の出射側の直後に設けるミラー9を波長分離型のミラーとして、上記短パルスレーザ光源2より出射される短パルスレーザ光3を、該波長分離型のミラー9に照射して第2高調波より基本波を分離した後、該基本波の分離除去された第2高調波のみからなる短パルスレーザ光3を、以降の高輝度照明用光学系8を経て溶融池1とその周辺部へ向けて照射させるようにしてある。
For this reason, in the melting part visualizing apparatus, a short pulse laser beam emitted from the short pulse
なお、上記波長分離型のミラー9において第2高調波より分離された基本波は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン製のダンパープレート(図示せず)へ向けて照射させること等によりエネルギーを散逸させるようにしてある。 The fundamental wave separated from the second harmonic in the wavelength separating mirror 9 is dissipated in energy by, for example, irradiating it toward a damper plate (not shown) made of polytetrafluoroethylene. It is.
又、溶接部の周辺部を観察するために従来提案されている別の手法としては、平面状の光線を溶接部に投射して光切断像を得ることにより形状計測を行なう光切断法がある。かかる光切断法を採用した装置としては、たとえば、図4に示す如きアーク溶接監視装置が従来提案されている。 Another method that has been proposed in the past for observing the periphery of a welded portion is a light cutting method in which shape measurement is performed by projecting a planar light beam onto the welded portion to obtain a light cut image. . As an apparatus employing such a light cutting method, for example, an arc welding monitoring apparatus as shown in FIG. 4 has been conventionally proposed.
これは、上記光切断法による形状計測を行なうために、鋼板の如き被溶接材14同士の突き合せ溶接部における或る時点の溶接位置よりも溶接進行方向前方に所要寸法離隔した溶接予定位置の開先部15にスリット状の光線(スリット光)17を投射するスリット光投光器16と、該スリット光17が投射された位置を撮影する断面形状測定用カメラ18と、該カメラ18の映像より上記スリット光16の投射により被溶接材14の表面に生じる輝線、すなわち、断面プロフィール(光切断像)19を溶接部断面形状の情報として抽出する画像処理装置20とを備えた構成としてある。更に、上記アーク溶接監視装置は、溶接トーチ21にて発生させる溶接アーク22及び発生する溶着金属のプール(溶融池)23を撮影するアークカメラ24を設けると共に、上記画像処理装置20にて得られた図5(イ)に示す如き被溶接材14と開先部15の光切断像19と、上記アークカメラ24により撮影される図5(ロ)に示す如き溶接アーク22及び溶融池23の画像とを合成して図5(ハ)に示す如き合成画像としてモニタ25へ表示させる画像合成装置26とを備えてなる構成としてある。
This is because, in order to perform shape measurement by the optical cutting method, a predetermined welding position separated by a required dimension in front of the welding direction from a welding position at a certain point in the butt welding portion between the
なお、27は各カメラ18,24ごとに設けてあるカメラコントローラ、28は上記画像処理装置20で光切断像19として抽出した溶接部断面形状の情報を一時記憶するためのメモリ、29はタイミングコントローラであり、該タイミングコントローラ29により、或る時点における溶接位置よりも溶接進行方向の所要寸法前方に設定してあるスリット光17の投射位置と、アークカメラ24により撮影される溶接位置とのずれを考慮して、断面形状測定用カメラ18により撮影されて予め得られている光切断像19を、アークカメラ24により撮影される溶接部のアーク画像の表示タイミングに合わせて合成させるようにしてある。
In addition, 27 is a camera controller provided for each of the
これにより、上記アーク溶接監視装置では、溶接部における溶接アーク22及び溶融池23と、被溶接材14同士の間に形成されている開先部15の断面形状の光切断像19を、同時に1つのモニタ25上で観察することが可能になるようにしてある(たとえば、特許文献2参照)。
Thereby, in the said arc welding monitoring apparatus, the cross-sectional
なお、上記光切断法における計測対象物に投射する平面状の光線として、上記スリット光17に代えて、点状のレーザ光をスキャンさせて用いたり、レーザ光をレンズを通して拡大して作ったファンビーム(レーザストライプ)によって行なうようにすることも考えられてきている。
In addition, instead of the
ところが、上記図3に示した溶接部可視化装置によれば、溶融池1及びその周辺部の溶接部全体の観測を行なうことができて有効である。しかし、凹凸形状、たとえば、突き合せ溶接部における開先のずれ等の凹凸形状の実測が難しいというのが実状である。
However, the weld visualization device shown in FIG. 3 is effective because it can observe the entire weld pool in the
一方、光切断法は、計測対象物表面の凹凸形状の計測には適しているが、溶接部全体、たとえば、溶融池の情報やその周辺部の情報を同時取得することが困難である。 On the other hand, the light cutting method is suitable for measurement of the uneven shape on the surface of the measurement object, but it is difficult to simultaneously acquire information on the entire welded part, for example, information on the molten pool and its peripheral part.
なお、上記図4に示した如きアーク溶接監視装置では、アークカメラ24による溶接アーク22及び溶融池23の観測データの画像と、断面形状測定用カメラ18により得られる開先部15の光切断像19とを重ね合わせて同時に観察することができるようにしてあるものであるが、上記スリット光17により形成される光切断像19の視覚情報が、溶接アーク22の光によって打ち消されないようにするために、溶接アーク22を撮影するためのアークカメラ24とは別に、光切断像19を得るための断面形状測定用カメラ18を設けなければならず、2台のカメラを設置するためコストが嵩むという問題がある。
In the arc welding monitoring apparatus as shown in FIG. 4 above, an image of observation data of the
更に、上記光切断像19の視覚情報が溶接アーク22の光に打ち消されないようにするために、スリット光17の投射位置は、溶接アーク22よりも溶接進行方向の前方へ所要寸法離れた位置に設定する必要がある。このため、光切断像19と、溶接アーク22及び溶融池23の観察データでは時間的なずれが生じることから、溶接直前の開先部15の凹凸形状に関する情報を得ることができないという問題もある。
Furthermore, in order to prevent the visual information of the light-
更に、上記特許文献2に記載されたものは、アーク溶接における溶接部の観察を行なうための装置であって、前述したように、溶融池よりも高輝度なレーザやプラズマの散乱光が生じるレーザ溶接やプラズマ溶接では、カメラにより溶融池自体の撮影が困難になることから、レーザ溶接やプラズマ溶接にそのまま適用できるものではない。
Further, what is described in
そこで、本発明者等は、短パルスレーザ光による強力な照明光源を用いてカメラにより直接観測する従来の溶接部可視化装置を更に拡張、発展させて、短パルスレーザ光源による高輝度照明の下で溶接部の撮影を行うと同時に光切断像による溶接部の凹凸形状の情報取得も同時に行なえるようにするための工夫、研究を重ねた結果、本発明をなした。 Therefore, the present inventors have further expanded and developed a conventional weld visualization device that directly observes with a camera using a powerful illumination light source with a short pulse laser beam, and under high-intensity illumination with a short pulse laser light source. The present invention has been made as a result of repeated efforts and research to simultaneously acquire information on the concavo-convex shape of a welded portion using a light section image while photographing the welded portion.
したがって、本発明の目的とするところは、大幅なコストの増加を招くことなく、一台のカメラによってレーザ溶接、プラズマ溶接、アーク溶接等の各種溶接時における溶接部の全体の直接観測と同時に、光切断計測手法による溶接部の凹凸形状の情報取得をも行なうことができる溶接部可視化装置を提供しようとするものである。 Therefore, the purpose of the present invention is to simultaneously observe the entire welded portion at the time of various welding such as laser welding, plasma welding, arc welding, etc. by one camera without causing a significant increase in cost. It is an object of the present invention to provide a weld visualization device that can also acquire information on the uneven shape of a weld by a light cutting measurement technique.
本発明は、上記課題を解決するために、請求項1に係る発明に対応して、溶接部より発せられる光よりも高輝度な短パルスレーザ光を溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、該高輝度照明用光学系とは異なる波長の短パルスレーザ光を溶接部より発せられる光よりも高輝度なファンビーム状にして上記高輝度照明用光学系の短パルスレーザ光と同期したタイミングで溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記各光学系からの短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the present invention corresponds to the invention according to
又、請求項2に係る発明に対応して、2つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源の出射側に、該短パルスレーザ光源より出射される短パルスレーザ光を各波長ごとに分離するための波長分離部を設け、且つ該波長分離部にて波長分離される一方の波長の短パルスレーザ光を溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、他方の波長の短パルスレーザ光をファンビーム状にして溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とする。
Further, in correspondence with the invention according to
更に、上記請求項2に係る発明における短パルスレーザ光源を、レーザ発振による基本波及び該基本波を波長変換してなる各高調波のうちの2つの波長を同時に出射する機能を有する構成とする。
Furthermore, the short pulse laser light source in the invention according to
上記請求項3に係る発明における短パルスレーザ光源を、Nd−YAGレーザの基本波を内部で所要の変換効率で波長変換して、該基本波と第2高調波を同時に出射する構成とする。 The short pulse laser light source according to the third aspect of the present invention has a configuration in which the fundamental wave of the Nd-YAG laser is internally wavelength-converted with a required conversion efficiency, and the fundamental wave and the second harmonic are emitted simultaneously.
上記請求項2、3又は4に係る発明における光切断計測用光学系を、波長分離部より入射する短パルスレーザ光を複数のファンビームとして、溶接部における複数個所に投射する機能を有する構成とする。
The optical cutting measurement optical system according to the invention according to
本発明の溶接部可視化装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
(1)溶接部より発せられる光よりも高輝度な短パルスレーザ光を溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、該高輝度照明用光学系とは異なる波長の短パルスレーザ光を溶接部より発せられる光よりも高輝度なファンビーム状にして上記高輝度照明用光学系の短パルスレーザ光と同期したタイミングで溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記各光学系からの短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成としてあるので、2つの異なる波長の短パルスレーザ光を用いて、溶接部を該溶接部の発光強度よりも高輝度に照明できると同時に、溶接部に光切断像を形成させることができ、この高輝度照明されたときの溶接部全体の映像と、同時に形成される光切断像を、高速度シャッタを装着したカメラにより溶接部より発生する散乱光等の有害光の影響を抑制した状態で撮影することができる。したがって、溶接部の直接観察と、光切断像に基づく凹凸形状の情報を同時に得ることができる。 (2)上記のように溶接部の直接観察と、凹凸形状の情報取得を、一台のカメラを備えた構造で実現できるため、装置に要するコストを抑えることができる。
(3)2つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源の出射側に、該短パルスレーザ光源より出射される短パルスレーザ光を各波長ごとに分離するための波長分離部を設け、且つ該波長分離部にて波長分離される一方の波長の短パルスレーザ光を溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、他方の波長の短パルスレーザ光をファンビーム状にして溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とすることにより、上記(1)及び(2)と同様の効果を得ることができ、更に、同じ短パルスレーザ光源より出力される2つの異なる波長の短パルスレーザ光を用いて、溶接部の高輝度照明と該溶接部における光切断像の形成を行わせることができるため、短パルスレーザ光源は1つでよく、したがって、該短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングをカメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置も1つでよいため、装置に要するコストを更に抑制することが可能となる。
(4)又、短パルスレーザ光源を、レーザ発振による基本波及び該基本波を波長変換してなる各高調波のうちの2つの波長を同時に出射する機能を有する構成とすることにより、2つの異なる波長の短パルスレーザ光を出力する短パルスレーザ光源を容易に得ることができる。
(5)更に、短パルスレーザ光源を、Nd−YAGレーザの基本波を内部で所要の変換効率で波長変換して、該基本波と第2高調波を同時に出射する構成とすることにより、高輝度照明として波長532nmの可視光領域のNd−YAGレーザの第2高調波による短パルスレーザ光を用いることができると共に、赤外領域である波長1064nmのNd−YAGレーザの基本波による光切断像を得ることができるようになることから、CCDカメラでの撮影に適した像を得ることができる。
(6)光切断計測用光学系を、波長分離部より入射する短パルスレーザ光を複数のファンビームとして、溶接部における複数個所に投射する機能を有する構成とすることにより、溶接部の複数個所における凹凸形状の情報を同時に得ることが可能になる。
The weld visualization device according to the present invention exhibits the following excellent effects.
(1) A high-brightness illumination optical system for irradiating the welded part with a short pulse laser beam having a higher brightness than the light emitted from the welded part, and a short wavelength different from that of the high-brightness illumination optical system An optical system for optical cutting measurement that irradiates the welded portion with a pulse laser beam in the form of a fan beam that is brighter than the light emitted from the welded portion and is synchronized with the short pulse laser light of the optical system for high brightness illumination. And a camera having a high-speed shutter for photographing the welded portion, and a timing device for synchronizing the irradiation timing of the short pulse laser light from each optical system with the opening and closing of the high-speed shutter of the camera. Therefore, it is possible to illuminate the welded portion with a brightness higher than the light emission intensity of the welded portion by using short pulse laser beams having two different wavelengths, and at the same time, a light cut image is formed on the welded portion. The effect of harmful light such as scattered light generated from the weld by a camera equipped with a high-speed shutter can be used to display the image of the entire weld when it is illuminated with high brightness and the light cut image formed simultaneously. It is possible to shoot in a state where the image is suppressed. Therefore, direct observation of the welded portion and uneven shape information based on the light cut image can be obtained simultaneously. (2) As described above, direct observation of the welded portion and information acquisition of the concavo-convex shape can be realized with a structure including a single camera, so that the cost required for the apparatus can be suppressed.
(3) A short pulse laser emitted from the short pulse laser light source on the emission side of the short pulse laser light source that simultaneously outputs two different wavelength short pulse laser lights with higher brightness than the light emitted from the weld. For high-luminance illumination for providing a wavelength separation unit for separating light for each wavelength and irradiating the welded part with short-pulse laser light having one wavelength that is wavelength-separated by the wavelength separation unit. A camera comprising an optical system and an optical system for optical cutting measurement that irradiates a welded portion with a short pulse laser beam of the other wavelength in the form of a fan beam, and further includes a high-speed shutter for photographing the welded portion And a timing device that synchronizes the irradiation timing of the short pulse laser beam from the short pulse laser light source with the opening and closing of the high-speed shutter of the camera. And (2) can be obtained, and furthermore, high-intensity illumination of the welded portion and light in the welded portion can be obtained by using two short-pulse laser beams having different wavelengths output from the same short-pulse laser light source. Since a cut image can be formed, only one short pulse laser light source is required. Therefore, a timing device that synchronizes the irradiation timing of the short pulse laser light from the short pulse laser light source with the opening and closing of the high-speed shutter of the camera. Therefore, the cost required for the apparatus can be further suppressed.
(4) Further, the short pulse laser light source is configured to have a function of simultaneously emitting two wavelengths of a fundamental wave generated by laser oscillation and each harmonic wave obtained by wavelength conversion of the fundamental wave. It is possible to easily obtain a short pulse laser light source that outputs short pulse laser beams having different wavelengths.
(5) Further, the short pulse laser light source has a configuration in which the fundamental wave of the Nd-YAG laser is internally wavelength-converted with a required conversion efficiency, and the fundamental wave and the second harmonic are emitted simultaneously. A short pulse laser beam by the second harmonic of the Nd-YAG laser in the visible light region having a wavelength of 532 nm can be used as the luminance illumination, and a light cut image by a fundamental wave of the Nd-YAG laser having a wavelength of 1064 nm in the infrared region. Therefore, an image suitable for photographing with a CCD camera can be obtained.
(6) The optical section measuring optical system is configured to have a function of projecting a short pulse laser beam incident from the wavelength separation unit as a plurality of fan beams to a plurality of locations in the welded portion, thereby providing a plurality of locations in the welded portion. It is possible to obtain information on the uneven shape at the same time.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1(イ)(ロ)は本発明の溶接部可視化装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。 1 (a) and 1 (b) show an embodiment of a welded portion visualization device of the present invention, which has the following configuration.
すなわち、図3に示したと同様に、溶融池1よりも高輝度の短パルスレーザ光を出力する短パルスレーザ光源2と、該短パルスレーザ光源2より出射される短パルスレーザ光のうち、Nd−YAGレーザの第2高調波による短パルスレーザ光3を、溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系8aと、溶接部を撮影するための高速度シャッタ5を備えてなるカメラ(CCDカメラ)4と、上記短パルスレーザ光源2の照射タイミングを上記カメラ4の高速度シャッタ5の開閉に同期させるタイミング装置6とを備えてなる構成において、上記短パルスレーザ光源2の出射側の直後位置に、上記短パルスレーザ光源2より出射される短パルスレーザ光に含まれるNd−YAGレーザの基本波と第2高調波を分離して、第2高調波からなる短パルスレーザ光(以下、第2高調波短パルスレーザ光という)3は上記高輝度照明用光学系8aへ向けて射出でき、且つ上記基本波からなる短パルスレーザ光(以下、基本波短パルスレーザ光という)31を別方向へ放射する波長分離ミラー30を設ける。更に、該波長分離ミラー30より放射される基本波短パルスレーザ光31を溶接部まで導くと共に、該基本波短パルスレーザ光31を、平面状のファンビーム32として上記カメラ4とは所要角度ずれた位置より該カメラ4の視野内となる溶接部の所要位置へ投射して該位置における光切断像を得るための光切断計測用光学系33を設ける。
That is, in the same manner as shown in FIG. 3, among the short pulse
詳述すると、上記短パルスレーザ光源2は、その内部でNd−YAGレーザの基本波を所要の変換効率で第2高調波に波長変換して、該波長変換された第2高調波と、変換されずに残存する基本波とからなる2つの異なる波長の短パルスレーザ光3,31を、同時に出射するものとしてある。
More specifically, the short pulse
上記波長分離ミラー30は、短パルスレーザ光源2より出射される短パルスレーザ光の光路上に、たとえば、斜め45°に傾斜配置してあり、上記短パルスレーザ光源2より入射する短パルスレーザ光のうち、第2高調波短パルスレーザ光3は入射方向とは直角の方向へ出射できるようにしてあると共に、基本波短パルスレーザ光31は、入射方向に沿う方向のまま裏面側へ通過させて出射できるようにしてある。
The wavelength separation mirror 30 is arranged on the optical path of the short pulse laser light emitted from the short pulse
上記高輝度照明用光学系8aは、上記波長分離ミラー30より出射される第2高調波短パルスレーザ光3が入射する位置に入射側端部となる一端部を配設し、且つ出射側となる他端側が溶接部近傍に達するよう配置した光ファイバ34と、該光ファイバ34の出射側端部に取り付けたレンズ部35とからなり、上記波長分離ミラー30より入射して光ファイバ34を経て伝送される上記第2高調波短パルスレーザ光3を、上記レンズ部35で広げて溶接部における溶融池1とその周辺部へ向けて溶融池1よりも高輝度な照明光として照射できるようにしてある。
The high brightness illumination optical system 8a is provided with one end serving as an incident side end at a position where the second harmonic short
上記光切断計測用光学系33は、上記波長分離ミラー30より出射される基本波短パルスレーザ光31が入射する位置に入射側端部となる一端部を配設し、且つ出射側となる他端側が溶接部近傍に達するよう配置した光ファイバ36と、該光ファイバ36の出射側端部に取り付けたレンズ部37とからなり、上記波長分離ミラー30より入射して上記光ファイバ36を経て伝送される基本波短パルスレーザ光31を、上記レンズ部37にて扇状に広げて溶融池1よりも高輝度なファンビーム32として、上記カメラ4の視野内となる溶融池1よりも溶接進行方向の直前位置に、溶接進行方向と直交する方向に沿って、すなわち、突き合せ溶接における開先の延びる方向とほぼ直交する方向に沿って投射できるようにしてある。なお、上記ファンビーム32として投射するNd−YAGレーザの基本波による波長1064nmの短パルスレーザ光31は、カメラ4のCCDにおける検出感度が上記溶接部の高輝度照明用に用いる第2高調波による波長532nmの短パルスレーザ光3に比して低いものであるが、上記基本波短パルスレーザ光31はファンビーム32として平面内で広げるのみでよいため、上記第2高調波短パルスレーザ光3により照明された領域を撮影するカメラ4に対して十分検出可能な強度として母材12上に投射させることが可能である。
The optical section measurement
更に、上記カメラ4には、図1(イ)に示す如く、460nmよりも長波長側を選択的に透過させるシャープカットフィルタ38を装着させるようにしてもよい。かかるシャープカットフィルタ38を装着すると、上記第2高調波短パルスレーザ光3及び基本波短パルスレーザ光31による視覚情報を減じることなく、溶接部で生じるプラズマ光等の散乱光を選択的にカットできる。又、カメラ4として、カラーCCDを備えているカメラ4を使用している場合には、上記Nd−YAGレーザの第2高調波短パルスレーザ光3の照射により高輝度照明される溶融池1及びその周辺部の画像を緑色の画像として得ることができると同時に、本来、白色光である光を、得られる画像上で黄色の像として表示させることが可能となる。
Further, as shown in FIG. 1 (a), the
その他の構成は図3に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。 Other configurations are the same as those shown in FIG. 3, and the same components are denoted by the same reference numerals.
上記本発明の溶接部可視化装置を使用すると、レーザ溶接トーチ11により母材12に形成される溶融池1に向けて、上記第2高調波短パルスレーザ光3が、溶融池1よりも高輝度な照明としてパルス状に照射される。この第2高調波短パルスレーザ光3の照射によって溶融池1及びその周辺部にレーザ散乱光以上の発光強度が与えられるタイミングと同期するようタイミング装置6によりカメラ4の高速度シャッタ5が開閉されることから、図3に示した如き従来の溶接部可視化装置と同様に、上記高輝度照明された溶融池1からの光はカメラ4に入射される一方、それ以外のレーザ散乱光等の有害光はカットされて入射光量が大幅に減じられ、更に、上記シャープカットフィルタ38によっても、有害光がカットされることから、図1(ロ)に示す如く、モニタ13上にて、ハレーションを生じることなく溶接部における溶融池1及びその周辺部の可視観察が行なわれるようになる。
When the weld visualization device of the present invention is used, the second harmonic short
同時に、上記カメラ4の視野内における溶融池1の溶接進行方向直前位置では、基本波短パルスレーザ光31によるファンビーム32が投射されることに伴い、溶接部における母材12の表面に、輝線として光切断像39が形成される。この光切断像は、上記短パルスレーザ光源2の照射タイミングと、カメラ4の高速度シャッタ5が同期されていることに伴い、上記カメラ4によって撮影される。この際、該光切断像39を形成する基本波短パルスレーザ光31の波長は1064nmであって、上記溶接部の高輝度照明に用いている波長532nmのNd−YAGレーザの第2高調波とは波長が異なるようにしてあるため、カメラ4のCCDがカラーCCDの場合には、図1(ロ)に示す如く、上記光切断像39は、モニタ13上にて上記第2高調波短パルスレーザ光3により緑色に高輝度照明された状態で得られる溶融池1及びその周辺部の画像中に、異なる色で、すなわち、上記カラーCCDの波長1064nmの赤外領域の光に対する特性上、白色として表示されるようになる。
At the same time, at the position immediately before the welding progress direction of the
又、カメラ4のCCDが白黒のCCDである場合には、上記光切断像39は、モニタ画像中に輝線として表示されるようになる。
When the CCD of the
このように、本発明の溶接部可視化装置によれば、一台のカメラ4で撮影する画像を用いて、高輝度照明の下での溶融池1及びその周辺部からなる溶接部全体を直接観察できると同時に、溶接部における溶接直前個所の光切断像39を得ることができる。よって、該光切断像39を画像解析することにより上記溶接部の凹凸形状に関する情報取得をも行なうことが可能になる。
As described above, according to the weld visualization device of the present invention, the entire weld zone including the
又、上記光切断像39としては、溶融池1の発光に阻害されることなく、該溶融池1の溶接進行方向直前位置における光切断像39を得ることができることから、該光切断像39を基に得られる開先部の形状に関する情報と、該情報の得られた開先部が実際に溶接されるまでの間のタイムラグをなくすことが可能になる。
Further, as the light cut
更に、本発明の溶接部可視化装置の構成は、短パルスレーザ光源2としては、Nd−YAGレーザの第2高調波と基本波からなる2つの異なる波長の短パルスレーザ光3,31を出射できるようにしてある短パルスレーザ光源2が一台あればよく、又、カメラ4は一台でよく、更に、該カメラ4の高速度シャッタ5の開閉に上記短パルスレーザ光源2の照射タイミングを同期させるためのタイミング装置6も一台あればよいことから、図3に示した如き本出願人が従来提案している溶接部可視化装置に比して大幅なコスト増を招くことなく製造することが可能となる。
Furthermore, the configuration of the weld visualization device according to the present invention can emit, as the short pulse
更に又、溶接部は、可視光領域である波長532nmのNd−YAGレーザの第2高調波による短パルスレーザ光3により高輝度照明されると同時に、赤外領域である波長1064nmのNd−YAGレーザの基本波短パルスレーザ光31による光切断像を得ることができることから、CCDカメラによる撮影に適した像を得ることができる。
Furthermore, the welded portion is illuminated with high-intensity by the short
次に、図2(イ)(ロ)は本発明の実施の他の形態を示すもので、図1(イ)(ロ)に示したと同様の構成において、光ファイバ36とレンズ部37とからなり基本波短パルスレーザ光31をファンビーム32として溶接部の母材12表面の一個所に投射するようにしてある光切断計測用光学系33を設けることに代えて、上記基本波短パルスレーザ光31を複数に分けて溶接部における母材12表面の複数個所にファンビーム32を投射できるようにした光切断計測用光学系33aを設けるようにしたものである。
Next, FIGS. 2A and 2B show another embodiment of the present invention. In the same configuration as shown in FIGS. 1A and 1B, an
具体的に説明すると、上記光切断計測用光学系33aは、図1(イ)に示したと同様に波長分離ミラー30より入射する基本波短パルスレーザ光31を伝送するための光ファイバ36の出射側端部に、ビームスプリッタ40を介して2本の分岐光ファイバ41a,41bの入射側端部を接続し、且つ該各分岐光ファイバ41a,41bの出射側端部に、図1(イ)に示したレンズ部37と同様のレンズ部37a,37bをそれぞれ取り付けてなる構成としてあり、上記光ファイバ36を伝送される基本波短パルスレーザ光31を、上記ビームスプリッタ40にて二分して各分岐光ファイバ41a,41bへ導くと共に、該各分岐光ファイバ41a,41bのそれぞれ対応するレンズ部37a,37bにてファンビーム32a,32bとして、カメラ4の視野内における、たとえば、溶融池1の溶接進行方向の直前位置と直後位置に、それぞれ溶接進行方向とほぼ直交する方向に沿わせて投射できるようにしてある。
More specifically, the optical section measuring
その他の構成は図1(イ)(ロ)に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。 Other configurations are the same as those shown in FIGS. 1A and 1B, and the same components are denoted by the same reference numerals.
本実施の形態によれば、図1(イ)(ロ)に示した実施の形態と同様に第2高調波短パルスレーザ光3によって高輝度照明された溶接部全体をモニタ13の画像上にて直接観測することができると同時に、溶融池1の溶接進行方向の直前位置に投射されたファンビーム32aによる光切断像39aから溶接直前個所の開先部の形状に関する情報を得ることができ、更に、溶融池1の溶接進行方向直後位置に投射されたファンビーム32bによる光切断像39bにより、溶接直後に形成されるビードの凹凸形状に関する情報も同時に得ることができる。
According to the present embodiment, the entire welded portion illuminated with high-intensity by the second harmonic short
なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図1(イ)(ロ)の実施の形態における基本波短パルスレーザ光31によるファンビーム32を投射する位置は、溶融池1の真上や、溶融池1の溶接進行方向直後位置に設定してもよい。この場合、それぞれ溶融池1や、溶接直後に形成されるビードの凹凸形状に関する情報を得ることが可能となる。又、図2(イ)(ロ)の実施の形態では、基本波短パルスレーザ光31によるファンビーム32a,32bを溶融池1の溶接進行方向の直前位置と直後位置の2個所に投射するものとして示したが、光切断計測用光学系にて上記基本波短パルスレーザ光31を3分割以上に複数分割して、カメラ4の視野内となる3個所以上にファンビームを投射して該各個所における光切断像を得るようにするようにしてもよい。この場合、各ファンビームを投射する位置は、カメラ4の視野内であれば、溶融池1の溶接進行方向の前方や後方、あるいは、溶融池1の真上等、任意の位置に設定できる。
The present invention is not limited to the above embodiment, and the position where the
短パルスレーザ光源2としては、Nd−YAGレーザの基本波を所要の変換効率で第2高調波へ波長変換して、該第2高調波と変換されずに残存する基本波による短パルスレーザ光3,31を出力するものとして示したが、溶接時に溶融池1より発せられる散乱光よりも光輝度な2つの異なる波長の短パルスレーザを出力することができれば、Nd−YAGレーザ以外のレーザ光源を使用してもよく、又、所要のレーザの基本波と該基本波を波長変換して得られる各高調波のうち、任意の2つの波長の短パルスレーザ光を同時に出力するレーザ光源を使用してもよい。更には、高輝度照明用光学系8aより照射させるための短パルスレーザ光3と、光切断計測用光学系33,33aよりファンビームとして照射させるための短パルスレーザ光31は、装置に要するコストを抑制する観点からすると同じ短パルスレーザ光源2より出力させることが好ましいが、照射タイミングの同期した個別の短パルスレーザ光源よりそれぞれ出力させるようにしてもよい。
As the short pulse
高輝度照明用光学系8a及び光切断計測用光学系33,33aは、いずれも光ファイバ34,36,41a,41bをレーザ光の伝送経路として用いたものを示したが、対応するレーザ光をそれぞれ所望する照射個所まで導くことができれば、ミラーを用いたり、ミラーと光ファイバを併用する等、いかなる構成としてもよい。波長分離部としては、1つの波長分離ミラー30を示したが、短パルスレーザ光源2より出射される2つの異なる波長の短パルスレーザ光を、それぞれ波長ごとに分離することができれば、複数の波長分離ミラーを組み合わせたり、波長分離ミラー30以外の波長分離装置を用いるようにしてもよい。カメラ4にはシャープカットフィルタ38を装着することが好ましいが、設けなくてもよい。
The high-intensity illumination optical system 8a and the light-cutting measurement
本発明の溶接部可視化装置は、YAGレーザあるいはCO2レーザ等、溶接に用いるレーザ光の種類に限定されることなく各種レーザ溶接における溶接部の観察に適用できる。
更に、プラズマ溶接、アーク溶接等の各種溶接方法による溶接部の観察に適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
The weld visualization device of the present invention is not limited to the type of laser light used for welding, such as YAG laser or CO 2 laser, and can be applied to observation of welds in various laser welding.
Furthermore, the present invention can be applied to observation of a welded portion by various welding methods such as plasma welding and arc welding. Of course, various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
1 溶融池(溶接部)
2 短パルスレーザ光源
3 第2高調波短パルスレーザ光(短パルスレーザ光)
4 カメラ
5 高速度シャッタ
6 タイミング装置
8a 高輝度照明用光学系
30 波長分離ミラー(波長分離部)
31 基本波短パルスレーザ光(短パルスレーザ光)
32,32a,32b ファンビーム
33,33a 光切断計測用光学系
1 Weld pool (welded part)
2 Short pulse
4
31 Fundamental Short Pulse Laser Light (Short Pulse Laser Light)
32, 32a,
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