JP2014231085A - 開先部監視装置を有するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ビームスポットの照射位置で母材の溶け込み状態から、開先壁の位置を高精度で監視する。【解決手段】光軸Ｏｖ上の検出用ミラーを介して、撮像装置２１により開先溶接部１６の画像を、光軸Ｏｖ上の反射ミラー１４を搖動させるウイービング波形信号に基づいて、ウイービング波形の山部および谷部、またはその近傍で、撮像装置２１のシャッタを作動して開先溶接部１６を撮像し、この画像から、溶接ラインＷＬに沿う所定範囲の画素列の画素の平均光度を求め、隣接する画素列の平均光度に対して勾配が大きい画素列を、溶接開先部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を判断し、開先幅と開先中心を求める画像処理・判断部５１を設けた。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接する開先部を直接監視して高精度で溶接する開先部監視装置を有するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法に関する。

レーザビームをウイービングさせて溶接するレーザ溶接装置において、開先部を検出する誤差検出手段を備えたものが特許文献１に提案されている。この誤差検出手段は、レーザビームの照射位置よりも前方に配置され、レーザセンサなどの光学系センサから構成される。

特開２００３−１７０２８４号公報

厚みが５０ｍｍを超える溶接材の狭開先幅は数ｍｍであるのに対して、レーザ溶接のビームスポットが小さいため、ビームスポットを高速でかつ高精度でウイービングさせる必要がある。上記特許文献１では、レーザビームの照射位置より前方で、開先部をレーザセンサにより検出しているが、ビームスポットが小さいため、レーザ溶接装置や母材の僅かな変動や変位に影響を受けやすい。したがって、実際のレーザビームの照射位置で開先部を監視する方が望ましい。

本発明は、ビームスポットの照射位置で母材の溶け込み状態から、開先壁の位置を高精度で監視できる開先部監視装置を有するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、
レーザビームの光軸上に揺動自在に配置されたウイービング用ミラーと、当該ウイービング用ミラーを揺動させてビームスポットを、溶接ラインに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせるウイービング駆動装置と、
前記光軸から開先溶接部の画像を撮像する撮像装置と、
前記ウイービング駆動装置にウイービング波形信号を出力するとともに、前記撮像装置に撮像トリガー信号を出力する操作出力部、および前記撮像装置の画像から、前記溶接ラインに沿う画素列のうち、隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を、溶接開先部の開先壁の位置と判断して、開先幅および開先中心を求める画像処理・判断部を有するウイービング制御装置と、
前記画像処理・判断部から出力された開先壁の位置を表示する表示装置とを具備し、
前記撮像トリガー信号が、ウイービング動作に同期してウイービング波形の山部および谷部、またはその近傍でそれぞれ撮像装置のシャッタを駆動するように設定されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成において、
光軸上に配置された検出用ミラーを介して開先溶接部から放出される光を検出するフォトセンサを設け、
ウイービング制御装置に、フォトセンサの検出信号により検出されるセンサ検出波形からセンサ出力判断値を求めるセンサ信号判断部と、画像処理・判断部で求められたセンサ出力開先幅の変動または開先中心の位置変動が大きい時に、前記センサ信号判断部で求められたセンサ出力判断値を参照して、当該センサ出力判断値が閾値を超えた時に、表示装置に警告信号を出力する信号比較判断部を設けたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の構成において、
フォトセンサは、開先溶接部の近赤外光および／または可視光を検出することを特徴とする。

請求項４記載のレーザ溶接装置の開先部監視方法は、
光軸に沿って照射されたレーザビームを、ウイービング用ミラーを介して開先溶接部に照射し、前記ウイービング用ミラーを揺動させて開先溶接部に照射されるビームスポットを、溶接ラインに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせ、
前記ウイービング用ミラーを揺動するウイービング駆動装置に出力されるウイービング波形信号に基づいて、ウイービング波形の山部および谷部、またはその近傍でそれぞれシャッタを駆動する撮像トリガー信号を撮像装置に入力して、当該撮像装置により、前記光軸から取り出された開先溶接部の画像を撮像し、
前記撮像装置の画像から、前記溶接ラインに沿う画素列のうち、隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を、溶接開先部の開先壁の位置と判断し、開先幅と開先中心を求めて表示することを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の方法において、
フォトセンサにより開先溶接部から放出される光から検出されるセンサ検出波形によりセンサ出力判断値を求め、
撮像装置の画像から求められた開先幅の変動または開先中心の位置変動が大きい時に、センサ出力判断値を参照して閾値外の場合に、警告信号を出力することを特徴とする。

請求項１または請求項４記載の構成によれば、撮像装置により、レーザビーム光軸から取り出した開先溶接部の画像を、ウイービング波形の山部と谷部、またはその近傍で撮像して、その画像の画素列の光度の勾配から開先壁を求めるので、溶接状態における開先幅や開先中心を精度良く検出して、溶接状態を良好に監視することができる。したがって、開先幅の広い溶接部や開先精度が低い溶接部であっても、ウイービングにより高精度でレーザ溶接することができる。

請求項２および５記載の構成によれば、レーザビームの照射位置を高輝度で捉えるフォトセンサを設置し、撮像装置から得られた開先幅や開先中心の変動が大きい時に、フォトセンサから出力されたセンサ検出波形により求められたセンサ出力判断値を参照し、センサ出力判断値が閾値外となった場合に、警報を発するようにしたので、レーザ溶接による開先溶接部の監視を高精度で行うことができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明に係る開先部監視装置を有するレーザ溶接装置の実施例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は撮像装置による開先部の画面を示すものである。 ウイービング制御装置の操作出力部を示すブロック図である。 図２のブロックの出力波形図である。 （ａ）および（ｂ）は撮像装置による撮像画像で、（ａ）は開先溶接部の合成画像図、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 （ａ）〜（ｃ）は実際の撮像装置による撮像画像で、（ａ）は右端（山部）で撮像した画像図、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフ、（ｃ）は左端（谷部）画像図における画素列の光度を示すグラフである。 （ａ）および（ｂ）は、フォトセンサにより得られたセンサ検出波形を示すグラフで、（ａ）はそれぞれの検出電流、（ｂ）は近赤外光のセンサ検出波形とフィルタ処理波形を示す。 （ａ）〜（ｄ）は、近赤外光用フォトセンサの拡大センサ検出波形およびフィルタ処理波形を示すグラフで、（ａ）はウイービング波形、（ｂ）は、ウイービング幅より開先幅が広い場合、（ｃ）はウイービング幅と開先幅が略同一（適正）な場合、（ｄ）は、ウイービング幅より開先幅が狭い場合を示す。 信号比較判断部における処理を説明するフロー図である。

［実施例１］
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
［レーザ溶接装置］
図１に示すように、このレーザ溶接装置は、レーザ共振器１１で発信されたレーザビーム（ＣＯ₂レーザやＹＡＧレーザなど）ＬＢを、ファイバケーブル１２およびコリメーションレンズ１３を介して導入し、その水平方向の光軸Ｏｈ上に配置された反射ミラー（ウイービング用ミラー）１４で反射させて９０°屈折させ、垂直方向の光軸Ｏｖ上に導入する。そしてフォーカスレンズ１５で集光してビームスポットＢＳを開先溶接部１６に照射する。前記反射ミラー１４は、ウイービング用駆動装置（電動モータ）１７により揺動可能に支持されており、反射ミラー１４を所定の振幅および周波数で揺動させることにより、ビームスポットＢＳを溶接ラインＷＬに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせる。ここでウイービング波形は、振幅が開先溶接部１６の開先幅Ｗに対応して設定される。またビームスポットＢＳの出力や大きさに対応して、ウイービング波形の周波数（周期）が数１０〜数１００Ｈｚの範囲で設定される。

［ウイービング制御装置］
４１はウイービング制御装置で、ウイービング用駆動装置１７にウイービング波形信号を出力する操作出力部４２を具備している。この操作出力部４２は、図２に示すように、発信器４３、分周器４４、アドレスカウンタ４５、波形テーブル４６（Sinテーブル）、ＡＤ変換器４７、Ｒ位置比較器４８Ｒ，Ｌ位置比較器４８Ｌ、シャッタ位置設定器４９およびＯＲ演算器５０を具備している。発信器４３は、ウイービング周波数を設定するたとえば電圧制御形発信器で、外部から発信周波数を調節可能なものである。分周器４４は、発信器４３から発信された周波数を、１／ｎにするものである。アドレスカウンタ４５は、たとえばSin波形の１周期をｍ等分して、その計算値を波形テーブル４６のメモリに書き込み、この波形テーブル４６のメモリの値に、１周期を繰り返するためのアドレス（番地）を指定する。そしてこのアドレスが繰り返される周期毎にSin波形がウイービング波形信号として、ＡＤ変換器４７を介してウイービング用駆動装置１７のウイービング制御部１７ａに出力される。

したがって、発信器４３の発信周波数を変更したり、分周器４４における分割数を変更することにより、ウイービングの周波数（周期）を変更することができる。
なお、ここで波形テーブル４６におけるウイービング波形をSin波形としたが、電流制御可能なガルバノメータなどを使用したウイービング用駆動装置１７を制御することにより、三角形波形や台形波形をウイービング波形として出力することができる。

［開先部監視装置］
光軸Ｏｖに、レーザ光の波長を透過するダイクロイックミラーからなる入口側ダイクロイックミラー（検出用ミラー）１８および出口側ダイクロイックミラー（照明用ミラー）１９がそれぞれ配置されている。これらダイクロイックミラー１８,１９は、レーザビームＬＢを透過するとともに、可視光や近赤外光を所定の反射率で反射させるもので、光軸Ｏｖに対して４５°傾斜して配置される。

出口側ダイクロイックミラー１９に対応して、開先溶接部１６に照明光を照射する照明光源２０が設置されている。また、入口側ダイクロイックミラー１８に対応して、１台の撮像装置２１と２つのフォトセンサ２２,２３がそれぞれ配置されている。

すなわち、入口側ダイクロイックミラー１８から入射される分岐光軸Ｏｓ１上に、撮像用ダイクロイックミラー２４、センシング用集光レンズ２５、センシング用ダイクロイックミラー２６が順に配置されている。撮像用ダイクロイックミラー２４の分岐光軸Ｏｓ２上に、レーザビームＬＢと同一波長の光をカットするための帯域遮断フィルタ２７を介して撮像装置２１が設置される。撮像装置２１は、４０〜２００フレーム／秒の撮像が可能な高速シャッタを具備し、ウイービング制御装置４１の操作出力部４２から入力される画像トリガー信号により、シャッタ制御部２１ａを介してシャッタが高速で操作される。また照明光源２０から、選択された単一波長の照明光を開先溶接部１６に照射し、反射光から照明光を優先的に通過させる光学フィルタを、帯域遮断フィルタ２７と併用して使用することにより、コントラストに優れた画像を得ることができる。なお、出口側ダイクロイックミラー１９は、光軸Ｏｈ，Ｏｖ上で任意位置に設定することができ、照明光源２０の設置位置は、図１に示した位置に限るものではない。

開先溶接部１６から反射されて入口側ダイクロイックミラー１８を介して入光した可視光を、分岐光軸Ｏｓ１上に配置された可視光用フォトセンサ２２で受光する。またセンシング用ダイクロイックミラー２６により反射された近赤外光を、分岐光軸Ｏｓ３上に配置された近赤外光用フォトセンサ２３で受光する。

[ウイービング制御装置]
ウイービング制御装置４１には、撮像装置２１の画像出力部２１ｂから撮像データが入力される画像処理・判断部５１と、可視光用フォトセンサ２２の可視光センサ出力部２２ａから検出信号が入力される可視光センサ信号判断部５２と、近赤外光用フォトセンサ２３の近赤外センサ出力部２３ａから検出信号が入力される近赤外センサ信号判断部５３と、画像処理・判断部５１および可視光センサ信号判断部５２ならびに近赤外センサ信号判断部５３から開先壁３２Ｒ，３２Ｌの検出データがそれぞれ入力される信号比較判断部５４が設けられている。またこの信号比較判断部５４は、画像処理・判断部５１および可視光センサ信号判断部５２ならびに近赤外センサ信号判断部５３からそれぞれ入力される開先壁３２Ｒ，３２Ｌの検出データを比較して、それぞれの位置のずれ量が、所定の閾値より大きい時に警告信号を出力することができる。

また入力データに基づいて、開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置や開先幅：Ｗ、開先中心：Ｃを表示する表示装置５５と、警報を発する警報装置５６が設けられている。
（撮像トリガー信号）
撮像装置２１のシャッタタイミングは、ビームスポットＢＳの中心が、開先壁３２Ｒ，３２Ｌにある時が最適であるが、開先壁の位置検出に支障のない範囲で、ウイービング波形の山部（右端部）、谷部（左端部）の近傍を選択してもよい。また撮像装置２１のシャッタタイミングは、必ずしもウイービング波形と同一の周期にする必要はなく、ウイービング周波数が高い場合には、周期／ｎごとに撮像しても同様の効果が得られる。

すなわち、図２に示すように、前記操作出力部４２に設けられたＲ側位置比較器４８ＲとＬ側位置比較器４８Ｌは、Ｓｉｎ信号の最大値と最小値とを示すカウンタアドレス値をそれぞれ比較値として保有しており、アドレスカウンタ４５から出力されるＳｉｎ信号の累積値と、Ｓｉｎ信号の最大値および最小値がそれぞれ一致する時に、撮像トリガー信号を、ＯＲ演算器５０を介して撮像装置２１のシャッタ制御部２１ａに出力する。前記撮像トリガー信号は、ウイービング波形の山部、谷部または山部や谷部近傍の任意位置で撮像装置２１のシャッタを駆動するように設定することができる。

（撮像装置および画像処理・判断部）
図１（ｂ）は、撮像装置２１の非溶接時の画面を示すもので、左右の母材３１Ｒ，３１Ｌ間に開先壁３２Ｒ，３２Ｌを有する開先溶接部１６が形成されている。３３はシールド用ガスノズル、３４は開先溶接部１６に充填されるフィラーである。

画像処理・判断部５１は、撮像装置２１により撮影された画像から、溶接方向に沿う所定範囲の画素ｉ１〜ｉ２列の画素ｊ１〜ｊ２の光度の平均値を求める。そして、隣接する画素列の画素の光度に対して、光度の勾配が大きい画素列Ｌ（ｉ），Ｒ（ｉ）を溶接開先部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置と判断するように構成されている。

すなわち、図４（ａ）は、説明の都合上、ウイービングの左右端部でそれぞれ撮影した２枚の画像を重ねた合成画像で、幅方向(左右方向)の画素ｉ１〜ｉ２、高さ方向(溶接線方向)の画素ｊ１〜ｊ２の範囲に撮像されている。

図４（ｂ）に示すように、Ｐ（ｉ，ｊ）を画素（ｉ，ｊ）の明るさとすると、

（１）式により、各画素ｉ１〜ｉ２列における画素ｊ１〜ｊ２の明るさの平均値：ｆ（ｉ）が表される。
また隣接する画素ｉ＋２〜ｉ−２列において、
Ｌ（ｉ）＝{ｆ（ｉ＋２）＋ｆ（ｉ＋１）}−{ｆ（ｉ−１）＋ｆ（ｉ−２）}…(２)式で表されるＬ（ｉ）が、最大値となるｉＬに、左の開先壁３２Ｌがあると判断する。

Ｒ（ｉ）＝{ｆ（ｉ−２）＋ｆ（ｉ−１）}−{ｆ（ｉ＋１）＋ｆ（ｉ＋２）}…(３)式で表されるＲ（ｉ）が、最大値となるｉＲに、右の開先壁３２Ｒがあると判断する。さらに開先幅：Ｗ＝ｉＲ−ｉＬ、開先溶接部１６の中心：Ｃ＝（ｉＲ＋ｉＬ）／２で表される。画像処理・判断部５１では、上記画像処理により、開先溶接部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置や開先幅：Ｗ、開先溶接部１６の開先中心：Ｃが求められる。

なお、実際には、図４（ａ）に示すように、１つの撮像画像に複数のビームスポットＢＳが表れることはなく、図５（ａ）に示すように、ウイービング波形の山部（右）近傍で撮像されたビームスポットＢＳがある撮像画像であり、図５（ｂ）に示すように、撮像画像における画素ｉ１〜ｉ２列における画素ｊ１〜ｊ２の明るさの平均値：ｆ（ｉ）が求められ、右側の開先壁３２Ｒの位置が求められる。そして、ウイービング波形の谷部（左）近傍で撮像された撮像画像から、図５（ｃ）に示すように、画素ｉ１〜ｉ２列における画素ｊ１〜ｊ２の明るさの平均値：ｆ（ｉ）が求められ、左側の開先壁３２Ｌの位置が求められる。

（フォトセンサおよびセンサ信号判断部）
可視光用フォトセンサ２２および近赤外光用フォトセンサ２３は、撮像装置２１により検出された開先幅：Ｗ、開先溶接部１６の開先中心：Ｃの精度を補完するものである。たとえば開先溶接部１６の溶融池から高輝度の発光体であるレーザ誘起プルーム／プラズマが噴出した場合など、撮像装置２１の画像による開先位置検出の外乱となり、開先幅：Ｗや開先中心：Ｃの急激な変動が生じる恐れがある。このような場合でも、フォトセンサ２２，２３の検出信号では、発光体による変動を受けにくい。したがって、開先幅：Ｗや開先中心：Ｃの急激な変動が生じた場合、フォトセンサ２２，２３の検出信号を参照して、その変動が大きい場合にのみ、表示装置５５に警告画像を表示する警告信号や、警報装置５６のオンを操作する警告信号を出力する。

可視光用フォトセンサ２２および近赤外光用フォトセンサ２３の検出電流は、ウイービング波形と略同期する可視光のセンサ検出波形（センサ出力判断値）または近赤外光のセンサ検出波形（センサ出力判断値）であって、可視光センサ信号判断部５２および近赤外センサ信号判断部５３にそれぞれ入力されて処理される。

図６（ａ）は、ウイービング幅（振幅）を一定として、開先幅Ｗがウイービング幅よりも大きい状態から漸次狭くし、ウイービング幅を通過して、ウイービング幅よりも小さい状態まで変化させ、レーザ溶接を行った状態の可視光および近赤外光のセンサ検出波形を示している。図６（ａ）によれば、ウイービング幅よりも開先幅Ｗが大きい時に、２つのフォトセンサ２２，２３のセンサ検出波形の振幅が大きく、またウイービング幅を通過して開先幅Ｗが小さくなると、２つのフォトセンサ２２，２３のセンサ検出波形の振幅が漸次小さくなっている。したがって、フォトセンサ２２，２３のセンサ検出波形の振幅（センサ出力判断値）が所定の範囲（閾値）内にある場合には、開先幅Ｗとウイービング幅が適正な範囲にあるといえる。

また可視光センサ信号判断部５２および近赤外センサ信号判断部５３では、図６（ａ）に示すように、センサ検出波形の移動平均値（センサ出力判断値）が演算され表示されている。この移動平均値は、開先幅Ｗがウイービング幅よりも大きい状態では高く、開先幅Ｗがウイービング幅よりも小さいと低く表れる傾向にある。これは、近赤外光用フォトセンサ２３のセンサ検出波形に顕著に表れる。したがって、予め実験により、開先幅Ｗがウイービング幅と略等しい適正な閾値を設定しておき、開先幅：Ｗや開先中心：Ｃの急激な変動が生じた場合、フォトセンサ２２，２３によるセンサ検出波形の移動平均値が、閾値内にあるかどうかを判断する。閾値内の場合は、開先幅Ｗとウイービング幅が適正であり、レーザ溶接を続行する。閾値外の場合には、開先幅Ｗとウイービング幅が不適正であるため、表示装置５５に警告画像を表示する警告信号や、警報装置５６のオンを操作する警告信号を出力する。これにより、画像により開先位置を検出する時の外乱による影響を排除することができる。

なお、センサ検出波形の移動平均値を演算する方法に替えて、たとえば１Hzのローパスフィルタを通過させたグラフを求め、センサ出力判断値として使用することもできる。
図６（ｂ）の下部には、可視光および近赤外光のセンサ検出波形を、バンドパスフィルタにより処理したフィルタ処理波形が示されている。このバンドパスフィルタは、ウイービング周波数（たとえば２０Hz）に近い帯域（たとえば１０〜３０Hz）のみを通過させるものである。フィルタ処理波形により、センサ検出波形の振幅や変動を明瞭に捉えることができる。すなわち、ウイービング幅と開先幅Ｗが適正な場合は、センサ検出波形の振幅が相対的に大きく、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが大きいか、または小さい場合には、センサ検出波形の振幅が相対的に小さいことがわかる。なお、この場合、可視光より近赤外光の方がより顕著な変動を示していることから、可視光用フォトセンサ２２より近赤外光用フォトセンサ２３が好ましい。

図７（ｂ）に示すセンサ検出波形は、ウイービング幅（振幅）に対して開先幅Ｗが大きい場合、図７（ｃ）に示すセンサ検出波形は、ウイービング幅と開先幅Ｗが略等しく、適正な場合、図７（ｄ）に示す波形は、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが小さい場合で、それぞれの図の下部にバンドパスフィルタ処理した波形が示されている。フィルタ処理波形は、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが適正な時、図７（ｃ）に示すように規則的で振幅も大きい波形が表れる。これに対して、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが大きいか、または小さい不適合な時、図７（ｂ），（ｄ）に示すように、不規則的で振幅が小さい波形が表れる。このため、フィルタ処理波形の振幅の大きい所定範囲に閾値を設定し、またフィルタ処理波形が規則的な所定範囲に閾値を設定することにより、ウイービング幅と開先幅Ｗの関係が適正であるか、不適正かを判断することができる。

したがって、可視光および近赤外光のセンサ検出波形の振幅が、所定の閾値の範囲内にある場合、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが適正であり、センサ検出波形の振幅が、閾値外である場合、ウイービング幅と開先幅Ｗが不適正であると判断できる。

また可視光および近赤外光のセンサ検出波形を、ウイービング周波数に近い帯域のバンドパスフィルタでフィルタ処理したフィルタ処理波形では、振幅が閾値内で、かつ波形が規則的な閾値範囲内の場合、ウイービング幅に対して開先幅Ｗが適正であり、一方、振幅が閾値未満か、または波形が不規則で閾値外の場合、ウイービング幅と開先幅Ｗが不適正であると判断できる。

信号比較判断部５４では、図８に示すように、撮像装置２１により撮像された画像データが画像処理・判断部５１で開先幅Ｗが演算されて入力され(STEP.1)、この開先幅Ｗが表示装置５５に表示される。そして、近赤外光用フォトセンサ２３で検出された検出データが、近赤外光センサ信号判断部５３で処理されて信号比較判断部５４に入力され(STEP.2)、たとえばフィルタ処理した波形が表示装置５５に表示される。この信号比較判断部５４では、画像データから演算された開先幅Ｗおよび開先中心Ｃの変動をリアルタイムで監視しており、設定された時間で、開先幅Ｗまたは開先中心Ｃの変動幅が閾値以上となった場合(STEP.3)、センサ検出波形の移動平均値が、閾値の範囲内にあるかどうか、または検出電流をフィルタ処理したセンサ検出波形の振幅が閾値内かどうか、あるいは波形が規則的か、不規則かが判断される(STEP.4)。そして、センサ検出波形またはフィルタ処理波形が閾値外であった場合、表示装置５５に警告画像を表示する警告信号を出力し(STEP.5)、さらに警報装置５６に警告信号を出力して警報を鳴らす(STEP.6)。作業員は、警告画像または警報により、ウイービングのセンター位置と振幅とを調整する(STEP.7)。

なお、近赤外光は、母材３１Ｒ，３１Ｌやフィラー３４の溶融部で明るく（高輝度で）表れることから、開先溶接部１６の溶融状態や溶融温度を適切に表示できるので、フォトセンサに近赤外光用フォトセンサ２３を使用したが、可視光用フォトセンサ２２を使用することもでき、可視光用フォトセンサ２２の場合、母材３１Ｒ，３１Ｌやフィラー３４の溶け込み開始時に明るく表れる。もちろん、近赤外光用フォトセンサ２３と可視光用フォトセンサ２２の両方を用いることができ、この場合、センサ出力判断値であるセンサ検出波形の振幅および／または移動平均値は、溶接条件により、可視光用フォトセンサ２２および近赤外光用フォトセンサ２３の一方または両方を選択することができる。また他のセンサ出力判断値であるフィルタ処理波形についても、可視光用フォトセンサ２２および近赤外光用フォトセンサ２３の一方または両方を選択することができる。

上記実施例１によれば、撮像装置２１により、レーザビームＬＢの光軸Ｏｖから入口側ダイクロイックミラー１８を介して取り出した開先溶接部の画像を、ウイービング波形の山部と谷部、またはその近傍で撮像し、その画像の画素列の光度の勾配から開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置や開先幅Ｗ、開先中心Ｃを求めるので、溶接状態における開先幅や開先中心を精度良く検出して、溶接状態を良好に監視することができる。したがって、開先幅の広い溶接部や開先精度が低い溶接部であっても、ウイービングにより高精度でレーザ溶接することができる。

また、レーザビームＬＢの照射位置で、溶融部を高輝度で捉えることができる近赤外光用フォトセンサ２３を設置し、撮像装置２１の画像から求めた開先幅Ｗ、開先中心Ｃの変動が大きい時に、近赤外光用フォトセンサ２３から得られたセンサ検出波形の振幅変動を参照し、センサ検出波形の振幅変動が大きい場合に、警告信号を出力するようにしたので、撮像装置２１の画像から求めた開先幅Ｗ、開先中心Ｃの短期的な変動、たとえば溶融池から高輝度の発光体であるレーザ誘起プルーム／プラズマが噴出した時などの外乱発生時に、外乱を排除することができ、警告信号を出力するような誤作動を防止することができて、レーザ溶接による開先溶接部を高精度で監視することができる。

Ｏｈ 光軸
Ｏｖ 光軸
ＬＢ レーザビーム
１４ 反射ミラー（ウイービング用ミラー）
１６ 開先溶接部
１７ ウイービング用駆動装置
１８ 入口側ダイクロイックミラー（検出用ミラー）
１９ 出口側ダイクロイックミラー（照明用ミラー）
２０ 照明光源
２１ 撮像装置
２２ 可視光用フォトセンサ
２３ 近赤外光用フォトセンサ
２４ 撮像用ダイクロイックミラー
２７ 帯域遮断フィルタ
３１Ｒ，３１Ｌ 母材
３２Ｒ，３２Ｌ 開先壁
４１ ウイービング制御装置
５１ 画像処理・判断部
５２ 可視光センサ信号判断部
５３ 近赤外センサ信号判断部
５４ 信号比較判断部
５５ 表示装置
５６ 警報装置

Claims (5)

1. レーザビームの光軸上に揺動自在に配置されたウイービング用ミラーと、当該ウイービング用ミラーを揺動させてビームスポットを、溶接ラインに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせるウイービング駆動装置と、
   前記光軸から開先溶接部の画像を撮像する撮像装置と、
   前記ウイービング駆動装置にウイービング波形信号を出力するとともに、前記撮像装置に撮像トリガー信号を出力する操作出力部、および前記撮像装置の画像から、前記溶接ラインに沿う画素列のうち、隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を、溶接開先部の開先壁の位置と判断して、開先幅および開先中心を求める画像処理・判断部を有するウイービング制御装置と、
   前記画像処理・判断部から出力された開先壁の位置を表示する表示装置とを具備し、
   前記撮像トリガー信号が、ウイービング動作に同期してウイービング波形の山部および谷部、またはその近傍でそれぞれ撮像装置のシャッタを駆動するように設定された
   ことを特徴とする開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
2. 光軸上に配置された検出用ミラーを介して開先溶接部から放出される光を検出するフォトセンサを設け、
   ウイービング制御装置に、フォトセンサの検出信号により検出されるセンサ検出波形からセンサ出力判断値を求めるセンサ信号判断部と、画像処理・判断部で求められたセンサ出力開先幅の変動または開先中心の位置変動が大きい時に、前記センサ信号判断部で求められたセンサ出力判断値を参照して、当該センサ出力判断値が閾値を超えた時に、表示装置に警告信号を出力する信号比較判断部を設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
3. フォトセンサは、開先溶接部の近赤外光および／または可視光を検出する
   ことを特徴とする請求項２記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
4. 光軸に沿って照射されたレーザビームを、ウイービング用ミラーを介して開先溶接部に照射し、前記ウイービング用ミラーを揺動させて開先溶接部に照射されるビームスポットを、溶接ラインに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせ、
   前記ウイービング用ミラーを揺動するウイービング駆動装置に出力されるウイービング波形信号に基づいて、ウイービング波形の山部および谷部、またはその近傍でそれぞれシャッタを駆動する撮像トリガー信号を撮像装置に入力して、当該撮像装置により、前記光軸から取り出された開先溶接部の画像を撮像し、
   前記撮像装置の画像から、前記溶接ラインに沿う画素列のうち、隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を、溶接開先部の開先壁の位置と判断し、開先幅と開先中心を求めて表示する
   ことを特徴とするレーザ溶接装置の開先部監視方法。
5. フォトセンサにより開先溶接部から放出される光から検出されるセンサ検出波形によりセンサ出力判断値を求め、
   撮像装置の画像から求められた開先幅の変動または開先中心の位置変動が大きい時に、センサ出力判断値を参照して閾値外の場合に、警告信号を出力する
   ことを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接装置の開先部監視方法。