JP2007118055A - 溶接部位可視化装置及び溶接加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産ラインにおけるアーク溶接加工のアーク周辺部位の状態を撮影することができるアーク溶接部位可視化装置及び溶接加工装置を提供する。
【解決手段】本発明の溶接部位可視化装置は、被溶接部位Ｗと溶接トーチ部１との間に形成される溶接アーク１１１及び溶接アークで加熱された周辺領域１１２の場景から入射される光を誘導する光誘導手段２と、光誘導手段で誘導された溶接アーク光に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部３０Ａと、光誘導手段で誘導された周辺領域の場景から入射される光に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部３０Ｂとを持つ光調節手段３と、光調節手段で調節された光を画像信号として記録する画像信号記録手段４と、画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段５と、を有しており、複数光誘導手段２３Ａ、２３Ｂと光調節手段３により複数の光路が構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク溶接時における溶接アーク発光中溶接の状態を観察するための溶接部位可視化装置及び溶接加工装置に関する。

アーク溶接は電気のアークから発生する高熱を利用して鋼材などの金属類材料を溶接する技術で、造船や車両など様々な金属工業に広く利用されている。

アーク溶接技術が極めて一般的な金属加工手段として知られている中、アーク溶接加工をより正確且つ高品質で行うために、アーク溶接中の被加工物の被加工面やアーク溶接ワイヤ先端部などの状況を把握する必要がある。例えば、アーク溶接中のアーク溶接部分をリアルタイムで観察することにより、溶滴不連続やスパッタ（Ｓｐａｔｔｅｒ）の発生などの溶接不良の原因を解析することで、溶接不良を軽減することができる。特に、溶滴、溶融池、スパッタ、ワイヤ先端部の位置、ワイヤ先端部における溶滴のスプレー移行、溶接アーク状態などの溶接状況をリアルタイムで監視することが製品品質管理の中で重要な一環である。

例えば、特開平０７−１８５８１０号公報（以下、特許文献１と称する）は、生産ラインでのアーク溶接部位を観察可能とするために、可視域に感度を有する光電検出器からなるカメラをワイヤを保持するコレット（Ｃｏｌｌｅｔ）部の後方に同軸上に配置し、前方に配置したレンズ及び感光フィルタを通して溶接部位を撮影する溶接状況撮影装置を開示している。
特開平０７−１８５８１０号公報

特許文献１に記載された溶接状況撮影装置では、撮影するためのカメラが溶接電極を保持するコレット部の後方に同軸上に配置されているため、装置を小型化するにはカメラとコレット部との間の距離を短くする必要がある。その結果、コレット部がカメラの視野の大部分を占めることとなってしまいアーク溶接部位を観察することが困難となる。即ち、アーク溶接部位を観察するために、コレット部とカメラとの間の距離をかなり離さなければならず、装置のうち溶接トーチ部の小型化を実現することが困難である。仮にコレット部とカメラとの間に十分な距離を有しても、コレット部がカメラと溶接ワイヤの間に設置されているため、溶接時のワイヤの状態であるワイヤ先端から離脱して落下する溶滴などを観察することが困難である。

また、特許文献１において、パルス波形の溶接電流の電流値がベース電流値に下がったときでも、溶接アーク発光中はハレーション（Ｈａｌａｔｉｏｎ）により直接撮影ができないので、減光フィルタにより溶接アーク光を抑制し、光源で可視光線を照射して溶接アーク直下の溶融池などを撮影しており、溶接電流の電流値がピーク電流値のときは撮影ができない。

本発明は、上記の点に鑑み、生産ラインにおけるアーク溶接加工中のアーク周辺部位の状態を撮影することができるアーク溶接部位可視化装置及び溶接加工装置装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段、作用、効果

本発明の溶接部位可視化装置は、被溶接部位と溶接トーチ部との間に形成される溶接アーク及び溶接アークで加熱された周辺領域の場景から入射される光を誘導する光誘導手段と、光誘導手段で誘導された溶接アーク光に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部と、光誘導手段で誘導された周辺領域の場景から入射される光に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部とを持つ光調節手段と、光調節手段で調節された光を画像信号として記録する画像信号記録手段と、画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段と、を有しており、複数の光誘導手段と光調節手段により複数の光路が構成されていることを特徴とする。

アーク溶接加工する際、溶接アーク光と溶接アークで加熱された周辺領域との場景から入射される光には大きいな輝度差を持っている。これにに対し、本発明の溶接部位可視化装置は、異なる光強度調節性能を持つ第１調節部と第２調節部を設けることにより、それぞれの入射光に最適観察条件を設定することができ、同時に溶接アーク及び周辺領域の状況を可視化することができる。すなわち、アーク溶接加工時、光の強い部分である溶接アークが第１調節部を介して撮影に適した輝度に調整され、光の相対的に弱い部分である溶融池、スパッタ、溶滴、または溶接ワイヤなどの周辺領域が第２調節部を介して撮影に適した輝度に調整され、撮影することができる。このように、溶接アーク光の強弱によらず溶接部位を観察することができる。

本発明の溶接加工装置は、被溶接部位との間で溶接アークを形成する溶接トーチ部と、溶接トーチ部に設置され、溶接トーチ部と被溶接部位との間部に形成される溶接アーク及び溶接アークで加熱された周辺領域の場景から入射される光を誘導する光誘導手段と光誘導手段で誘導された溶接アーク光の強度に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部と光誘導手段で誘導された周辺領域の場景から入射される光に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部とを持つ光調節手段と光調節手段で調節された光を画像信号として記録する画像信号記録手段と画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段とからなり、複数の光誘導手段と光調節手段により複数の光路が構成されている溶接状況監視手段と、溶接トーチ部及び溶接状況監視手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。

本発明の溶接加工装置の溶接トーチ部は定電流を発生する手段を有し、溶接状況監視手段は溶接アーク光を第１調節部を介して、周辺領域の場景から入射される光を第２調節部を介してそれぞれ同時撮影することができる。つまり、溶接電流値が一定であるため、溶接アーク光及び周辺領域の光強度はそれぞれほぼ一定となる。溶接アーク及び周辺領域を観察するには、複数の光路を介してそれぞれに適した観察条件を満たして撮影することができる。即ち、溶接アーク光に対して、第１調節部を介在して観察条件を最適化し、周辺領域の場景から入射される光に対して、第２調節部を介在して観察条件を最適化することができる。このように、溶接アーク及び周辺領域の場景を同時に観察することができる。

また、本発明の溶接加工装置の溶接トーチ部はパルス電流を発生する手段を有し、溶接状況監視手段はピーク電流値時には溶接アーク光を第１調節部を介して、ベース電流値時には周辺領域の場景から入射される光を第２調節部を介して、それぞれパルス電流の変化に同期させて撮影することができる。つまり、パルス電流を用いる溶接において、複数の光路を介してピーク電流時の溶接アークの観察最適条件と、ベース電流時周辺領域の観察条件を別々に最適化することができ、より理想な撮影条件下で溶接部位を観察することができる。

このように、本発明の溶接加工装置は、溶接可視化装置を用いることにより、生産ラインでアーク溶接加工を自動に行うことができる。さらに、溶接可視化装置の監視機能を利用することで、製品品質管理の中で重要な一環である溶接アーク状態などの溶接状況をリアルタイムで管理することができ、不良品を発生を防ぐことができる。

また、本発明の溶接加工装置は、光誘導手段が設けられているため、溶接トーチ部の先端部にカメラなどの撮影手段を直接設置することもないので、溶接トーチ部をより小型化することができる。

本発明の溶接部位可視化装置は、光誘導手段と、光調節手段と、画像信号記録手段と、画像合成処理手段とを有する。

本発明の溶接部位可視化装置の光誘導手段は、例えばプリズムミラーと内視鏡とで構成することができる。プリズムミラーは、プリズムレンズからなり、光を反射する機能を有する。内視鏡は、集光レンズとバンドルファイバーとで構成することができる。ミラーから反射して入射される光は集光レンズを介して、バンドルファイバーの一方の端面に集光される。集光レンズが焦点をバンドルファイバーの一方の端面に結像するように設置される。バンドルファイバーの一方の端面で結像された画像の光は光ファイバーを通してバンドルファイバーの他方の端面まで誘導される。

バンドルファイバーで誘導され伝搬してきた入射光は、光調節手段を介して撮影に適する輝度に調節される。光調節手段は、第１調節部と第２調節部とで構成される。第１調節部は溶接アーク光（高い輝度を持つ光）に対して、強い減光力を持つフィルタ、例えば透過性の低い減光フィルタで構成することができる。第２調節部は溶接アークにより過熱された周辺領域の場景から入射される光（相対的に低い輝度を持つ光）に対して、弱い減光力を持つフィルタ、例えば透過性の高い減光フィルタで構成することができる。このように、光調節手段を介して光が撮影に適する輝度に調節される。なお、周辺領域とは、溶接ワイヤ、溶滴、溶融池、スパッタなど溶接アーク以外の溶接部位という。

また、光誘導手段は、狭視野角を有する複数の光路を構成することによって、十分な画像の空間分解能を得ることができる。つまり、同じ情報量を提供できる光バンドルファイバーに対して、被観察対象の範囲をより狭くすることにより単位面積内光の情報量が多くなり、小さい部位の観察をより鮮明にすることができる。従って、溶接部位の微細な現象（例えば、飛散する微小なスパッタなど）を広範囲で可視化することが可能である。

画像信号記録手段は調節された入射光を画像信号として記録するものである。画像信号記録手段は、例えばＣＣＤカメラなどのディバイスで構成することができる。

画像合成処理手段は、画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理するものである。画像合成処理手段は、例えばコンピュータで構成することができる。

また、光誘導手段と光調節手段は光の光路を構成するものである。さらに、光の輝度に応じて複数の光路を設けることができる。つまり、溶接部位を観察するには、強い強度を持つアーク光及び相対的に弱い強度を持つ周辺領域場景から入射される光に応じて、第１光路と第２光路を設定することができる。第１光路は、第１光誘導手段、第１調節部を有する第１光調節手段とで構成することができる。第２光路は、第２光誘導手段と第２調節部を有する第２光調節手段とで構成することができる。また、第１光路を通して記録された溶接アークの画像信号と第２光路を通して記録された周辺領域場景の画像信号は、画像信号処理手段で合成される。このように、溶接アークと周辺領域場景を同じ画面で同時に観察することができる。

図１から図６を参考して本発明の実施の形態について説明する。

まず、本発明の溶接部位可視化装置の概略構成図を図１および図２に示す。図１は溶接部位可視化装置の正面構成図で、図２は溶接部位可視化装置の側面（溶接進行方向側面）構成図である。図１、図２から分かるように、本発明の溶接部位可視化装置は、光誘導手段２と、光調節手段３と、画像信号記録手段４と、画像合成処理手段５とからなる。また、本発明の溶接加工装置は、溶接トーチ部１に固定されたワイヤ１１と溶接部材（ワーク）Ｗとの間に電圧を印加して、これらワイヤ１１と溶接部材Ｗとの間に溶接アーク１１１を発生させて加工するものである。

本発明の溶接可視化装置は溶接トーチ部１の近傍に配置され、光誘導手段２は溶接加工部位を観察できるように取付け部１２を介して溶接トーチ部１の先端部に取り付けられる。光誘導手段２は、プリズムレンズ２１、内視鏡２２３とからなる。なお、内視鏡２２３は、集光レンズ２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ、とバンドルファイバー２３Ａ、２３Ｂとからなる。プリズムレンズ２１の傾斜反射面２１１には、溶接トーチ部１の先端側ほど溶接トーチ部１に接近するように傾斜され、傾斜反射面２１１にはアルミ或いは金などが蒸着されている。溶接トーチ部１には、内視鏡２２３がそのレンズ２２Ａ，２２Ｂをプリズムレンズ２１の後端面に対向させ、バンドルファイバーー２３Ａ，２３Ｂの先端部分を溶接トーチ部１の軸線方向に延在させた状態で、溶接トーチ部１の先端部に取付け部材１２によって固定されている。プリズムレンズ２１により溶接トーチ部１の軸線方向に反射された溶接アーク光は、レンズ２２Ａによりバンドルファイバーー２３Ａの先端面に結像される。溶接トーチ部１の軸線方向に反射されたアーク周辺領域の場景から入射される光は、レンズ２２Ｂによりバンドルファイバーー２３Ｂの先端面に結像される。それぞれがバンドルファイバーー２３Ａ，２３Ｂにより誘導されてその後端面に転送される。バンドルファイバー２３Ａ、２３Ｂは複数の光ファイバーから構成されているものである。光ファイバーの材質は多成分ガラスでなく、石英ガラスを用いる。これにより近赤外光の透過率をよくすることができる。

内視鏡２２３のバンドルファイバーー２３Ａ，２３Ｂの後端面側は溶接装置外に引き出され、後端面には、減光フィルタ３０Ａ、３０Ｂを介在して高速広ダイナミックレンジカメラ４０Ａ、４０Ｂが対向されている。なお、減光フィルタ３０Ａ，３０Ｂは本発明の光調節手段３を構成するもので、高速広ダイナミックレンジカメラ４０Ａ、４０Ｂは本発明の画像信号記録手段を構成するものである。また、減光フィルタ３０Ａ，３０Ｂは光の強度を抑えるものであり、一定の透過波長を有するものである。例えば、減光フィルタ３０Ａ，３０Ｂは９００ｎｍ以上の波長を透過するものを使用するとき、５００ｎｍ以下可視光や紫外線が特に高いアーク光が抑えられ、カメラ４０Ａ、４０Ｂの記録ダイナミックレンジに適することができる。

減光フィルタ３０Ａ、３０Ｂでそれぞれ光の輝度が適切に調節され、カメラ４０Ａ、４０Ｂで画像信号として記録された後、画像合成手段５を構成する画像合成部５０でアーク光及びその周辺領域の場景から入射される光が初めて一つの画像に合成される。なお、画像合成部５はコンピュータなどで構成することができる。

次に、本発明の実施形態の作動について説明する。溶接トーチ部１は、ロボットによってワイヤ１１の先端とワークＷとの間の間隔を所定位置に維持して溶接すべき軌跡に沿って移動される。この間、ワイヤ１１とワークＷとの間に、溶接電流が印加され、アーク１１１が生成されてワイヤ１１の先端部が溶融し、溶融した先端部が溶滴１１０にスプレー移行して溶融池１１２に落下し、溶接アーク１１１を通過後に冷却してワークＷを溶接する。溶接電流によって先端部が溶融する際の溶接電流時間特性を図３、図４に示す。図３には、定電流溶接時、ワイヤ１１０を流す電流が時間と伴に変化しない特性を示している。一方図４には、パルス電流溶接時、ワイヤ１１０を流す電流が時間と伴に周期的に変化する特性を示している。この場合では、ピーク電流値に達成する時間とベース電流値に達成する時間が周期的に現れる。図３に示す定電流溶接の場合には、電流値が一定であるため、溶接アーク光及び周辺領域の光輝度がそれぞれ一定となる。溶接アーク光及び周辺領域の場景から入射される光の輝度特性を図５に示す。図５から分かるように、溶接アーク光と周辺領域の光輝度差Ａが大きいため、一般のカメラのダイナミックレンジＢに比べ大幅に超えている。これに対して、本発明の溶接可視化装置では、二つの光路が設置され、溶接アーク光及び周辺流域の場景から入射される光が第１光路２０Ａ，第２光路２０Ｂを介してされぞれ伝搬され、輝度が調節された後第１カメラ４０Ａ，第２カメラ４０Ｂで撮影することにより、溶接アーク光及び周辺領域の場景を同時撮影することが可能である。なお、第１光路２０Ａは第１減光フィルタ３０Ａを有し、第２光路２０Ｂは第２減光フィルタ３０Ｂを有する。溶接アーク光に対して、第１フィルタ３０Ａ及び第１カメラ４０Ａを最適化することができる。同様に、周辺領域の場景から入射される光に対して、第２フィルタ３０Ｂ及び第２カメラ４０Ｂを最適化することができる。このように、それぞれ減光フィルタ３０Ａ、３０Ｂ及びカメラ４０Ａ、４０Ｂの設定を最適化して溶接部位を観察することができる。

一方、図４に示すパルス電流溶接の場合には、電流値が周期的に変化している。従って、図６に示すように、溶接アーク光の輝度及び周辺領域の場景から入射される光の輝度も周期的に変化している。これに対して、本発明の溶接可視化装置では、二つの光路が設置され、溶接アーク光１１１及び周辺領域の場景から入射されるが第１光路２０Ａ，第２光路２０Ｂを介してそれぞれ伝搬され、輝度が調節された後に第１カメラ４０Ａ，第２カメラ４０Ｂで撮影される。なお、溶接アーク光輝度がパルス電流と同じように周期的変化することに対して、ピーク電流値には溶接アーク１１１を撮影するように第１カメラ４０Ａを同期させ、ベース電流値にはその周辺領域を撮影するように第２カメラ４０Ｂを同期させて行う。このように、それぞれ減光フィルタ３０Ａ、３０Ｂ、カメラ４０Ａ，４０Ｂの設定を最適化して溶接部位を観察することができる。

溶接部位可視化装置の正面構成図である。 溶接部位可視化装置の溶接進行方向の側面構成図である。 定電流溶接時電流時間変化関係図である。 パルス電流溶接時電流時間変化関係図である。 定電流溶接時溶接部位光の輝度時間変化関係図である。 パルス電流溶接時溶接部位光輝度時間変化関係図である。

符号の説明

１：溶接トーチ部 １１：ワイヤ １１２：溶融池 １２：取付け部
２：光誘導手段 ２０Ａ：第１光路 ２０Ｂ：第２光路
２１：プリズムレンズ ２１１：傾斜反射面
２２Ａ、２２Ｂ、２４Ａ、２４Ｂ：集光レンズ
２３Ａ、２３Ｂ：バンドルファイバー
３：光調節手段 ３０Ａ：第１減光フィルタ ３０Ｂ：第２減光フィルタ
４：画像信号記録手段 ４０Ａ、４０Ｂ：カメラ
５：画像合成処理手段 ５０：コンピュータ
Ｗ：溶接部材（ワーク）

Claims (4)

1. 被溶接部位と溶接トーチ部との間に形成される溶接アーク及び該溶接アークで加熱された周辺領域の場景から入射される光を誘導する光誘導手段と、
   前記光誘導手段で誘導された前記溶接アーク光に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部と、前記光誘導手段で誘導された前記周辺領域の場景から入射される光に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部とを持つ光調節手段と、
   前記光調節手段で調節された前記光を画像信号として記録する画像信号記録手段と、
   前記画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段と、を有しており、
   複数の前記光誘導手段と前記光調節手段により複数の光路が構成されていることを特徴とする溶接部位可視化装置。
2. 被溶接部位との間で溶接アークを形成する溶接トーチ部と、
   前記溶接トーチ部に設置され、該溶接トーチ部と被溶接部位との間部に形成される溶接アーク及び該溶接アークで加熱された周辺領域の場景から入射される光を誘導する光誘導手段と、前記光誘導手段で誘導された前記溶接アーク光の強度に対し撮影に適する輝度に調節する第１調節部と、前記光誘導手段で誘導された前記周辺領域の場景から入射される光の強度に対し撮影に適する輝度に調節する第２調節部とを持つ光調節手段と、前記光調節手段で調節された前記光を画像信号として記録する画像信号記録手段と、前記画像信号記録手段で出力された画像信号を合成処理する画像合成処理手段とからなり、複数の前記光誘導手段と前記光調節手段により複数の光路が構成されている溶接状況監視手段と、
   前記溶接トーチ部及び前記溶接状況監視手段を制御する制御手段と、を有することを特徴とする溶接加工装置。
3. 前記溶接トーチ部は定電流を発生する手段を有し、前記溶接状況監視手段は前記溶接アーク光を第１調節部を介して、前記周辺領域の場景から入射される光を第２調節部を介してそれぞれ撮影する請求項２に記載の溶接加工装置。
4. 前記溶接トーチ部はパルス電流を発生する手段を有し、前記溶接状況監視手段はピーク電流値時には前記溶接アーク光を第１調節部を介して、ベース電流値時には前記周辺領域の場景から入射される光を第２調節部を介して、それぞれ前記パルス電流の変化に同期させて撮影する請求項２に記載の溶接加工装置。

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