JP2006043722A - レーザ溶接品質評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部からのモニタリング光に頼ることなく溶融池を広範に撮像できるようにする。
【解決手段】 レーザトーチ１から被溶接物へ向けて出射された溶接用レーザ光Ａの反射光をＣＣＤカメラに取込み、該ＣＣＤカメラによって撮像された溶融池の画像から溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価装置において、前記レーザトーチ内の光学系を構成する２つの凸レンズ２１、２３のうち、レーザ光Ａの出射側の凸レンズ２３の形状を変更して、レーザ光のビーム強度分布プロファイルの裾野を、溶接方向の後側へ延びる溶融池の後端付近まで拡張させ、溶融池を広範に撮像できるようにする。前記凸レンズ２３の形状変更は、一例として該凸レンズ２３の、凸面２２と反対側の周縁部を斜めにカットして、ここを発散部２４とする内容を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握し、評価する技術に係り、特にレーザ照射域から反射されるレーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置に関する。

従来、レーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置としては、たとえば、特許文献１、２に記載されたものがある。このうち、特許文献１に記載されたものでは、レーザ照射域から反射された溶接用レーザ光の反射光をＣＣＤカメラ（撮像装置）に取込み、該ＣＣＤカメラによって撮像された溶融池の画像から溶接品質を評価するようにしている。また、特許文献２に記載されたものでは、溶接用レーザ光とは異なるレーザ光、いわゆるモニタリング光を前記レーザ照射域に照射して、その反射光をＣＣＤカメラに取込み、前記同様にＣＣＤカメラによって撮像された溶融池の画像から溶接品質を評価するようにしている。
特開２０００−４２７６９号公報 特開２００１−２８７０６４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されるレーザ溶接品質評価装置によれば、レーザ光の反射光による撮像範囲がキーホールとその周辺の狭い範囲に限定されるため、溶融池全体の溶接状況を把握することは困難で、特に、溶接方向の後側へ延びる溶融池の後端側で発生し易い溶け落ち、ブローアウト（破裂）等の現象を把握することは、ほとんど不可能な状況にあった。一方、上記特許文献２に記載されるレーザ溶接品質評価装置によれば、モニタリング光の照射範囲を拡大することで、溶融池を広範に撮像できるようになるが、モニタリング光を照射するための照明ヘッドをレーザトーチに設置する必要があるため、レーザトーチが大型化し、狭い領域での溶接作業が困難になる、という問題があった。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、外部からのモニタリング光に頼ることなく溶融池を広範に撮像できるようにし、もって信頼性の向上と作業性の向上とに大きく寄与するレーザ溶接品質評価装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、レーザトーチから被溶接物へ向けて出射された溶接用レーザ光の反射光を撮像手段に取込み、該撮像手段によって撮像された溶融池の画像から溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価装置において、前記レーザトーチ内の光学系に変更を加えることにより、前記レーザ光のビーム強度分布プロファイルの裾野を溶融池の後端付近まで拡張させたことを特徴とする。このように構成したレーザ溶接品質評価装置においては、後端付近を含めた溶融池のほぼ全体の画像を得ることができるので、種々の溶接欠陥につながる溶接状況を的確に把握することができる。また、レーザトーチ内の光学系に変更を加えたるだけなので、レーザトーチが大型化することはない。

本発明は、上記レーザトーチ内の光学系が、相互に凸面を対向させて光軸方向に配置された２つの凸レンズを備えており、上記光学系の変更が、レーザ光の出射側の凸レンズの形状変更であるものとすることができる。この場合、前記凸レンズの形状変更は、該凸レンズの、反凸面側の周縁部を斜めにカットするものであっても、該凸レンズの凸面側の周縁部の曲率半径を中央部よりも大きくするものであってもよい。

本発明はまた、上記レーザトーチ内の光学系が、相互に凸面を対向させて光軸方向に配置された２つの凸レンズを備えており、光学系の変更が、レーザ光の出射の凸レンズに隣接してその出射側に配置された平板状の補助レンズの追加であり、該補助レンズは、周縁部に発散部を備えている構成とすることができる。

本発明に係るレーザ溶接品質評価装置によれば、外部からのモニタリング光に頼ることなく溶融池を広範に撮像できるので、種々の溶接欠陥につながる溶接状況を的確に把握できることはもちろん、レーザトーチの大型化を防ぐことができ、装置に対する信頼性の向上と作業性の向上とに大きく寄与するものとなる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示したものである。同図において、１はレーザトーチであり、レーザトーチ１内には、レーザ発振器２から光ファイバ３を通して送られたレーザ光Ａを被溶接物Ｗへ向けて照射する後述の光学系４（図２）が内蔵されている。被溶接物Ｗは、ここでは相互に重ね合された２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２からなっており、レーザ溶接に際しては、レーザトーチ１から出射されるレーザ光Ａが上側の鋼板Ｗ１上に所定の大きさのパターンとなるように照射され、この状態で、レーザトーチ１が被溶接物Ｗに対して溶接方向Ｆへ移動される。なお、レーザトーチ１の位置を固定して被溶接物Ｗを溶接方向Ｆへ移動させてもよいことはもちろんである。

レーザ溶接においては、同じく図１に示されるように、被溶接物Ｗに対するレーザ光Ａの照射域にキーホール５が形成されると共に、このキーホール５の周りに溶融金属の溶融池６が形成される。溶融池６は、図３にも示されるように、溶接方向Ｆの前側となるキーホール５の前壁に相当する部位を先端Ｐ１とすると共に、キーホール５から溶接方向Ｆの後側へ離間した部位を後端Ｐ２とする長楕円形状に形成される。溶融金属は、レーザトーチ１の移動（被溶接物Ｗとの相対移動）に応じて溶融池６の後端Ｐ２側から順次凝固し、被溶接物Ｗとしての２枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２は、溶融金属の凝固跡である溶接ビード７を介して相互に重ね溶接される。なお、溶接用レーザ光Ａとしては、ＹＡＧレーザ光、炭酸ガスレーザ光等の高出力レーザ光が用いられる。

本実施形態において、上記レーザトーチ１の後端部には、溶融池６から反射されるレーザ光の反射光Ｂを光学フィルタ８を通して受光するＣＣＤカメラ（撮像手段）９が取付けられている。光学フィルタ８は、レーザ光の波長成分を透過帯域とする干渉フィルタであり、ＣＣＤカメラ９は、この光学フィルタ８を透過したレーザ光の反射光Ｂにより溶融池６を撮像し、該溶融池６の画像を得る。また、別途、信号処理装置（信号処理手段）１０が設けられており、この信号処理装置１０には、前記ＣＣＤカメラ９によって撮像した溶融池６の画像（画像データ）が信号線１１を介して送出されるようになっている。信号処理装置１０は、ＣＣＤカメラ９で撮像された画像を解析する画像解析手段１２とこの画像解析手段１２での解析結果に基いて溶接品質の良否を判定する良否判定手段１３とを備えている。本実施形態において、信号処理装置１０の処理内容は任意であり、たとえば、画像内の各画素の輝度レベルに基いて、あるいは画像の輝度分布に基づいて良否を判定するようにしても、画像から把握される溶融池の形状、大きさ等に基いて良否を判定するようにしてもよい。

上記レーザトーチ１内の光学系４は、図２によく示されるように、相互に凸面２０，２２を対向させて光軸方向に配置された２つの凸レンズ２１，２３を備えている。これら２つの凸レンズのうち、レーザ光の入射側の凸レンズ２１は、前記光ファイバ３を通してレーザ発振器２から送られたレーザ光Ａを平行光に変更するコリメータとして機能し、一方、レーザ光の出射側の凸レンズ２３は、前記入射側の凸レンズ２１からの平行光を集束する集光レンズとして機能している。なお、説明の便宜のため、以下では、レーザ光の出射側に配置された凸レンズ２３を対物レンズと呼ぶ。

本実施形態において、上記対物レンズ２３は、凸面２２を有する側と反対側（反凸面側）の周縁部が斜めにカットされている。この斜めにカットされた部分２４はレーザ光Ａを周辺は発散させる発散部として機能し、この発散部２４の存在により該対物レンズ２３から出射されるレーザ光Ａは、前記溶融池６の後端Ｐ２付近にも達する照射パターンとなる。この場合、レーザ照射域のビーム強度分布は、図３に示されるように、レーザ照射域の中心部で最も高く、周辺部へ向うに従って緩やかに低下する山形状のプロファイルとなる。一方、対物レンズ２３の凸面２２には全く変更が加えられていないので、キーホール５を中心とするレーザ照射域の中心部分では、溶接に必要な十分なるエネルギー（ビーム強度）が確保されている。因みに、前記発散部２４を有しない対物レンズを備えた従来の光学系を用いた場合のビーム強度分布は、同図に点線にて示すように、急峻な勾配を有する正規分布状のプロファイルとなっている。一例として、本発明の光学系４を用いた場合のビーム強度分布のプロファイルの裾野の広がり（半径）Ｌ１は３ｍｍ程度となっており、従来の光学系を用いた場合の半径Ｌ２が２ｍｍ程度であったことと比べると、レーザ照射域は大幅に拡大している。

以下、上記のように構成したレーザ溶接品質評価装置によるレーザ溶接品質評価方法を説明する。

レーザ溶接に際しては、前記したように溶接すべき二枚の鋼板Ｗ１とＷ２とを密着して重ね合せ、この鋼板Ｗ１とＷ２とを重ね合せた被溶接物Ｗの上方に、例えば、ロボットを用いて上記ＣＣＤカメラ９付きのレーザトーチ１を位置決めする。そして、レーザ発振器２を起動させてレーザトーチ１からレーザ光Ａを被溶接物Ｗに向けて出射し、レーザトーチ１を溶接方向Ｆへ移動させて溶接を開始する。また、この溶接開始と同時にＣＣＤカメラ９による高速（例えば、毎秒３０コマ）での撮影が開始される

ＣＣＤカメラ９には、溶融池６のほぼ全域から反射されるレーザ光の反射光Ｂが光学系４を通して取込まれており、これにより後端Ｐ２付近を含む溶融池６のほぼ全体がＣＣＤカメラ９により撮像される。そして、このＣＣＤカメラ９により撮像された１コマごとの画像は、信号処理装置１０内の画像解析手段１２に高速で送出され、これに応じて画像解析手段１２は、画像として取込まれた溶融池６の特徴点（輝度レベル、輝度分布、形状、大きさ等）を割だし、その信号を良否判定手段１３へ送出する。すると、良否判定手段１３は、前記特徴点を、予め記憶した正常溶接時の特徴点と比較し、溶接の良否を判定する。この場合、ＣＣＤカメラ９に取込まれた画像は、前記したように溶融池６のほぼ全体を含んでいるので、引けはもとより、溶融池６の後端側で発生し易い溶け落ち、ブローアウト等の現象（溶接欠陥）を的確に把握することができる。本実施形態においては特に、既存の光学系に対して対物レンズ２３の形状を変更するだけなので、レーザトーチ１は大型化することが全くなく、したがって、狭い領域での使用も可能になって溶接作業範囲は拡大する。なお、必要により、良否判定手段１３の判定結果を、前記ＣＣＤカメラ９により撮像した画像と合せて表示装置に表示させるようにしてもよい。

ここで、上記実施形態においては、対物レンズ２３の出射側の周縁部を斜めにカットして、このカット部を発散部２４としたが、これに代えて、図４に示されるように、対物レンズ２３の凸面２２側の周縁部の曲率半径を中央部よりも大きくして、この部分を発散部２５としてもよい。この場合も、対物レンズ２３の周縁部から出射されるレーザ光Ａが周辺へ発散するので、上記実施形態と同様に後端Ｐ２付近を含めた溶融池６のほぼ全体について溶接状況を把握することができる。また、上記実施形態と同様に対物レンズ２３の形状を変更するだけなので、レーザトーチ１は大型化することがない。

本発明はまた、既存の対物レンズ２３の形状に変更を加えることなく、図５に示されるように、該対物レンズ２３に隣接して、その出射側に平板状の補助レンズ２６を配置するようにしてもよい。補助レンズ２６は、その周縁部に斜めカットされた発散部２７を備えており、対物レンズ２３の周縁部から出射されるレーザ光Ａはこの補助レンズ２６の発散部２７によって周辺へ発散する。したがって、上記実施形態と同様に、後端Ｐ２付近を含めた溶融池６のほぼ全体について溶接状況を把握することができる。また、この場合は、補助レンズ２６を追加するだけなので、既存の凸レンズ（対物レンズ）２３をそのまま使用することができ、コスト的に有利となる。なお、図示例では、対物レンズ２３に接合する形態で補助レンズ２６を配置しているが、この補助レンズ２６は、対物レンズ２３から離して配置してもよいものである。

なお、上記各実施形態においては、対物レンズ２３または補助レンズ２６の全周にわたって発散部２４、２５、２７を設けているが、前記したように溶融池６が溶接方向Ｆの後側へ延びて形成されることから、これら発散部は溶接方向Ｆの後側へレーザ光を選択的に発散させるように、対物レンズ２３または補助レンズ２６に部分的に設けてもよい。ただし、部分的に発散部を設けた場合は、レーザトーチ１を溶接方向（走査方向）へ正確に位置決めする必要がある。この点、対物レンズ２３または補助レンズ２６の全周にわたって発散部２４、２５、２７を設けた場合は、レーザトーチ１の走査方向に制限がなく、操作性が良好となる。

また、上記実施形態においては、二枚の鋼板Ｗ１、Ｗ２の重ね合せ溶接に適用した例を示したが、本発明は、これ以外にも２つの部材の突合せ溶接、隅肉溶接等に適用できることはもちろんである。

本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施形態を示す模式図である。 本レーザ溶接品質評価装置で用いられるレーザトーチ内の光学系を模式的に示す側面図である。 本レーザ溶接品質評価装置によるレーザ照射域のビーム強度分布と従来のビーム強度分布とを溶融池と対比して示すグラフである。 本レーザ溶接品質評価装置内の光学系を構成する凸レンズ（対物レンズ）に対する形状変更例を模式的に示す側面図である。 本レーザ溶接品質評価装置内の光学系の変更例を模式的に示す側面図である。

符号の説明

１ レーザトーチ、 ４ 光学系
５ キーホール、 ６ 溶融池
９ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１０ 信号処理装置（信号処理手段）
２０，２２ 凸レンズの凸面
２３ レーザ光の出射側の凸レンズ
２６ 補助レンズ
２４，２５，２７ 発散部
Ａ 溶接用レーザ光
Ｂ レーザ光の反射光
Ｗ 被溶接物

Claims (5)

1. レーザトーチから被溶接物へ向けて出射された溶接用レーザ光の反射光を撮像手段に取込み、該撮像手段によって撮像された溶融池の画像から溶接品質を評価するレーザ溶接品質評価装置において、前記レーザトーチ内の光学系に変更を加えることにより、前記レーザ光のビーム強度分布プロファイルの裾野を溶融池の後端付近まで拡張させたことを特徴とするレーザ溶接品質評価装置。
2. レーザトーチ内の光学系が、相互に凸面を対向させて光軸方向に配置された２つの凸レンズを備えており、光学系の変更が、レーザ光の出射側の凸レンズの形状変更であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質評価装置。
3. 凸レンズの、反凸面側の周縁部を斜めにカットしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価装置。
4. 凸レンズの凸面側の周縁部の曲率半径を中央部よりも大きくしたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接品質評価装置。
5. レーザトーチ内の光学系が、相互に凸面を対向させて光軸方向に配置された２つの凸レンズを備えており、光学系の変更が、レーザ光の出射側の凸レンズに隣接してその出射側に配置された平板状の補助レンズの追加であり、該補助レンズは、その周縁部に発散部を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接品質評価装置。
   
   

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