JP2020171967A - 溶接観察装置および溶接システム - Google Patents

溶接観察装置および溶接システム Download PDF

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Kazuki Kasano
和輝 笠野
浅井　知
Satoru Asai
知 浅井
陽輔 荻野
Yosuke OGINO
陽輔 荻野
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Abstract

【課題】単に溶融部位の画像を撮像するだけで、当該画像から溶融部位における溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別する装置を提供する。【解決手段】溶接観察装置２０は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置２０である。溶接観察装置２０は、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像に対応する、特定の波長帯域の光を受光することにより、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像手段２１を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、溶接観察装置および溶接システムに関する。
従来、溶接方法として、アーク溶接が多く利用されている。このようなアーク溶接では、溶接不良（例えば、母材の溶け残りによる融合不良、空気やガスを巻き込むことによるブローホール等）が生じると、溶接部位の破壊や強度低下の要因となるため、溶接部位の溶融状態を観察して、このような溶接不良の発生を抑制することが望ましい。
そこで、従来、アーク溶接における溶接部位を観察することができるようにした技術が考案されている。例えば、下記特許文献１には、溶接部の状態を明瞭に観察することを目的として、所望の波長帯且つ所望の量の光を透過させる光学フィルタを設け、当該光学フィルタを透過する光をＣＭＯＳ撮像素子によって受光する構成を用いた、溶接用撮像装置が開示されている。
特開２０１３−２０７４３９号公報
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、観察対象がアーク光、溶融池、およびビードと広範囲であり、光学フィルタによって透過される光の波長帯域が４１０ｎｍ〜６７０ｎｍと比較的広帯域幅であるため、溶融部位においては、最も高輝度なアーク光ばかりが目立つ画像が撮像されると思われる。このため、特許文献１に開示されている技術では、溶接カメラによって撮像された画像から、溶融部位における溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別することができない。
なお、一般的に、従来技術では、溶融部位の溶融状態を判別するために、溶融部位に強力なレーザ光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりする必要がある。すなわち、従来技術では、単に溶融部位の画像を撮像するだけでは、当該画像から溶融部位の溶融状態を判別することができなかった。
そこで、単に溶融部位の画像を撮像するだけで、当該画像から溶融部位における溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別することができるようにすることが望ましい。
一実施形態の溶接観察装置は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置であって、溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像に対応する、特定の波長帯域の光を受光することにより、溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像手段を備える。
一実施形態によれば、単に溶融部位の画像を撮像するだけで、当該画像から溶融部位における溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別することができる。
本発明の第１実施形態に係る溶接システムの構成を示す図 本発明の第１実施形態に係る溶接トーチが備えるノズルの概略構成図 本発明の第１実施例に係る撮像装置によって撮像された画像の一例を示す図 本発明の第１実施形態に係る溶接装置による溶融部位の状態を模式的に表す図 発明者らがアーク溶接中に計測したアークの発光スペクトルを示すグラフ 発明者らが溶融池の発光強度をプランクの放射則の式から導出した結果を示すグラフ 本発明の第２実施例に係る撮像装置によって撮像された画像の一例を示す図 図７に示す一部の画像の拡大図 図７および図８に示す画像（ｈ）に写し出されている溶融部位の状態を模式的に表す図
以下、図面を参照して、実施形態について説明する。
〔溶接システム１の構成〕
図１は、本発明の第１実施形態に係る溶接システム１の構成を示す図である。図１に示すように、溶接システム１は、溶接装置１０および溶接観察装置２０を備える。
（溶接装置１０の構成）
溶接装置１０は、２つの母材３０Ａ，３０Ｂをガスシールドメタルアーク溶接によって繋ぎ合わせる装置である。溶接装置１０は、溶接トーチ１１、溶接ワイヤ１２、電源装置１３、シールドガス供給装置１４、およびワイヤ送給装置１５を備える。
シールドガス供給装置１４は、シールドガスを、溶接トーチ１１に供給する装置である。シールドガスは、溶接トーチ１１が備えるノズル１１Ａの先端から溶融部位に噴射されることにより、溶融部位を覆い、大気が溶融部位に侵入することを防ぐ。シールドガスには、アルゴンガス、ＣＯ２ガス、または、アルゴンガスとＣＯ２ガスとの混合ガスが用いられる。
ワイヤ送給装置１５は、溶接ワイヤ１２を、溶接トーチ１１に自動的に送給する装置である。溶接ワイヤ１２としては、ソリッドワイヤ、フラックス入りワイヤ等を用いることができる。
電源装置１３は、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアークを発生させるための溶接電流を、溶接ワイヤ１２に供給する装置である。電源装置１３は、一方の電極が２つの母材３０Ａ，３０Ｂの一方または双方と接続され、他方の電極が溶接トーチ１１が備えるコンタクトチップ１１Ｂ（図２参照）に接続される。
溶接トーチ１１は、ノズル１１Ａを有しており、ワイヤ送給装置１５から供給された溶接ワイヤ１２を、ノズル１１Ａの先端から溶融部位へ送給する。また、溶接トーチ１１は、シールドガス供給装置１４から供給されたシールドガスを、ノズル１１Ａの先端から溶融部位に向けて噴射する。また、溶接トーチ１１は、電源装置１３から供給された溶接電流を、ノズル１１Ａの先端から溶融部位へ送給される溶接ワイヤ１２に供給することにより、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアーク３２（図２参照）を発生させる。また、溶接トーチ１１は、ロボットアーム等の移動手段（図示省略）によって、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃ上を移動することにより、接合部３０Ｃを直線状に溶接可能となっている。接合部３０Ｃは、母材３０Ａの端面と母材３０Ｂの端面とが突き合わされた部分である。なお、ノズル１１Ａの具体的な構成については図２を用いて後述する。
（ノズル１１Ａの構成）
図２は、本発明の第１実施形態に係る溶接トーチ１１が備えるノズル１１Ａの概略構成図である。図２に示すようにノズル１１Ａの筒内部には、コンタクトチップ１１Ｂおよびガス供給路１１Ｃが設けられている。
コンタクトチップ１１Ｂは、金属製且つ筒状の部材である。コンタクトチップ１１Ｂには、例えば、銅素材が用いられる。ワイヤ送給装置１５から送給された溶接ワイヤ１２は、コンタクトチップ１１Ｂの筒内部を貫通して、コンタクトチップ１１Ｂの先端から、溶融部位へ送給される。コンタクトチップ１１Ｂは、電源装置１３の他方の電極と接続されており、これにより、電源装置１３から供給された溶接電流を、溶接ワイヤ１２に供給することができる。
ガス供給路１１Ｃは、コンタクトチップ１１Ｂの周囲に設けられている。シールドガス供給装置１４から供給されたシールドガスは、ガス供給路１１Ｃを通って、ノズル１１Ａの先端から、溶融部位へ噴射される。
このように構成された溶接装置１０では、溶接トーチ１１が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの接合部３０Ｃ上を、当該接合部３０Ｃに沿って、当該接合部３０Ｃの延在する方向（図中矢印Ａ方向，Ｘ軸正方向）に移動する。この際、電源装置１３からコンタクトチップ１１Ｂを介して溶接ワイヤ１２に溶接電流が供給されることにより、溶接ワイヤ１２と母材３０Ａ，３０Ｂとの間にアーク３２が発生する。そして、アーク３２の発する高熱により、溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂが溶融し、溶融した溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂからなる溶融金属によって、溶接ワイヤ１２の直下を中心とする溶融池３４が形成される。そして、接合部３０Ｃに沿って、溶融金属が冷却されて凝固することにより、ビード３６が形成される。これにより、２つの母材３０Ａ，３０Ｂが溶接される。
（溶接観察装置２０の構成）
図１に示すように、溶接観察装置２０は、撮像装置２１、通信ケーブル２３、および処理装置２４を備える。
撮像装置２１は、「撮像手段」の一例であり、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像（以下、「溶融状態判別可能画像」と示す）を撮像する。図１に示すように、撮像装置２１は、光学フィルタ２１Ａおよび撮像部２１Ｂを有する。
光学フィルタ２１Ａは、撮像部２１Ｂのレンズ面を覆うように設けられる。光学フィルタ２１Ａは、特定の波長帯域の光を透過させる。特定の波長帯域の光とは、溶融状態判別可能画像に対応する波長帯域の光である。
撮像部２１Ｂは、光学フィルタ２１Ａを透過した特定の波長帯域の光を受光することにより、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する。例えば、撮像部２１Ｂは、レンズ、センサ（例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等）、画像処理プロセッサ等を備えて構成される。
本実施形態では、光学フィルタ２１Ａとして、中心透過波長を含む半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）が１０ｎｍ以下であるものを用いている。特に、本実施形態では、光学フィルタ２１Ａとして、中心透過波長が、６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍのいずれかであるものを用いている。これらの中心透過波長は、本発明の発明者らによって見出された好適なものである。
これにより、撮像装置２１は、単に溶融部位の画像を撮像するだけで（すなわち、外部光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりすることなく）、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な、溶融状態判別可能画像を撮像できる。
なお、本実施形態では、撮像装置２１の好適な配置位置として、撮像装置２１を溶接トーチ１１の移動方向における前方（図中Ｘ軸正方向）または後方（図中Ｘ軸負方向）に配置することを定めている。図１は、撮像装置２１を溶接トーチ１１の移動方向における前方（図中Ｘ軸正方向）に配置する例を表している。また、本実施形態では、撮像装置２１による溶融部位に対する上方からの好適な撮像角度θとして、４０°〜５０°の範囲内とすることを定めている。撮像角度θは、溶接トーチ１１が平面上を移動すると仮定した場合において、当該平面に対する上方からの俯角である。この撮像角度θも、本発明の発明者らによって見出された好適なものである。例えば、撮像角度θが５０°を超える場合、溶接ワイヤ１２の直下部分が溶接トーチ１１によって遮られてしまう虞がある。また、例えば、撮像角度θが４０°未満の場合、溶接ワイヤ１２の直下部分が母材３０Ａ，３０Ｂ等によって遮られてしまい、溶接ワイヤ１２の直下部分を観察できなくなる虞がある。
なお、撮像装置２１は、溶接トーチ１１とともに移動するように構成されてもよい。この場合、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合であっても、撮像方向が変更されることなく、溶融部位に対する撮像角度θを４０°〜５０°の範囲内に維持することができる。
または、撮像装置２１は、溶接トーチ１１とともに移動しないように構成されてもよい。この場合、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合であっても、溶融部位に対する撮像角度θを４０°〜５０°の範囲内に維持することができる場合、撮像方向が固定された状態のままであってもよい。
一方、撮像装置２１は、溶接トーチ１１が移動した場合に、溶融部に対する撮像角度θを４０°〜５０°の範囲内に維持することができなくなる場合、任意の撮像方向変更手段によって撮像方向が自動的に変更されることにより、溶融部に対する撮像角度θを４０°〜５０°の範囲内に維持することが可能であってもよい。この場合、撮像方向変更手段は、例えば、撮像装置２１の位置と溶接トーチ１１の位置とに基づいて、所定の算出式や所定の変換テーブル等を用いて、撮像角度θを算出するようにしてもよい。
通信ケーブル２３は、撮像部２１Ｂと処理装置２４とを接続する。撮像部２１Ｂによって撮像された画像の画像データは、通信ケーブル２３を介して、処理装置２４へ送信される。なお、撮像部２１Ｂは、無線通信により、画像データを処理装置２４へ送信するようにしてもよい。
処理装置２４は、撮像部２１Ｂから取得した画像データに対する各種処理を行う。例えば、処理装置２４は、撮像部２１Ｂから取得した画像データを記憶したり、撮像部２１Ｂから取得した画像データに基づいて、溶融状態判別可能画像を表示したりすることができる。なお、撮像部２１Ｂは、溶融状態判別可能画像として、動画および静止画のいずれも撮像することが可能である。処理装置２４としては、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等が用いられる。
〔第１実施例〕
以下、第１実施形態に係る溶接システム１による第１実施例を説明する。この第１実施例では、実施形態で説明した溶接システム１を用いて、溶接装置１０が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの溶接を行い、その際、撮像装置２１が、溶接部位の画像（動画）を撮像することにより、溶接部位を観察した。そして、発明者は、光学フィルタ２１ＡにＬＣＴＦ（Liquid Crystal Tunable Filter）を用い、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を、６５０ｎｍ〜１１００ｎｍの範囲で、１０ｎｍ間隔で順次変化させて、各中心透過波長において、どのような画像が撮像されるかを検証した。なお、検証で用いたＬＣＴＦは、いずれの波長でも半値全幅が１０ｎｍ以下である。
（溶接条件）
第１実施例に用いた溶接条件は以下のとおりである。
材質 ：ＳＭ４９０Ａ
継手形状 ：突きあわせ
電源モード ：ＤＣ パルス無しモード
溶接ワイヤ ：ＹＭ−２８Ｓ（φ１．２ｍｍ）
突出し長 ：２０ｍｍ
シールドガス：Ａｒ＋２０％ＣＯ２（２０Ｌ／ｍｉｎ）
電流 ：３００Ａ
電圧 ：３０Ｖ
溶接速度 ：３０ｃｍ／ｍｉｎ
（撮像条件）
第１実施例に用いた撮像条件は以下のとおりである。
カメラ ：ａｃＡ２０４０−９０ｕｍＮＩＲ（Ｂａｓｌｅｒ社製）
フレームレート：１００Ｈｚ
絞り ：Ｆ１６
外部光源 ：無し
フィルタ ：ＬＣＴＦ（６５０−１１００ｎｍ）
露光時間 ：３０００μｓ
観察方向 ：前方
撮像角度θ ：４５°
（検証結果）
図３は、本発明の第１実施例に係る撮像装置２１によって撮像された画像の一例を示す図である。図３（ｂ）は、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍとした場合に、撮像装置２１によって撮像された画像の代表例を示すものである。図３（ａ）および図３（ｃ）は、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を上記以外とした場合に、撮像装置２１によって撮像された画像の代表例を示すものである。
図３（ｂ）に示すように、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍとした場合、撮像装置２１によって撮像された画像は、アーク３２の光量が適量である。よって、発明者は、当該画像から、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができた。
一方、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を上記以外とした場合、図３（ａ）に示すように、撮像装置２１によって撮像された画像において、アーク３２の光量が多すぎて、溶融部位が全体的に白く潰れてしまう。よって、発明者は、当該画像から、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができなかった。または、図３（ｃ）に示すように、撮像装置２１によって撮像された画像において、アーク３２の光量が少なすぎて、溶融部位が全体的に暗くなってしまう。よって、発明者は、当該画像から、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができなかった。
上記検証結果により、光学フィルタ２１Ａの半値全幅を１０ｎｍとし、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍのいずれかとすることで、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することが可能な、溶融状態判別可能画像を撮像できることが確認された。
（溶融部位の状態）
図４は、本発明の第１実施形態に係る溶接装置１０による溶融部位の状態を模式的に表す図である。図４（ａ）は、左側方（図中Ｙ軸負方向）から見た溶融部位の状態を模式的に表す図である。図４（ｂ）は、前方（図中Ｘ軸正方向）且つ上方（図中Ｚ軸正方向）から見た溶融部位の状態を模式的に表す図である。すなわち、図４（ｂ）は、撮像装置２１と同方向から見た溶融部位の状態を模式的に表す図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）において、点線で囲まれた領域３２Ａは、アーク３２の領域を表す。また、図４（ａ）および図４（ｂ）において、ハッチングが付されている領域３８は、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下部分であって、アーク３２によって溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂが直接溶融されている領域である。すなわち、領域３８は、溶融状態を判別できるようにすることが望ましい領域である。本実施形態の溶接装置１０は、この領域３８の溶融状態を判別できるように、溶融状態判別可能画像を撮像する。
図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、領域３８は、アーク３２の範囲内に包含された領域であり、且つ、アーク３２の領域３２Ａの中心部における領域である。このため、図３（ａ）に例示したように、撮像装置２１によって撮像された画像において、アーク３２の光量が多すぎると、アーク３２の領域３２Ａが全体的に白く潰れてしまう。よって、発明者は、当該画像から、領域３８の溶融状態を判別することができなかった。
そこで、本実施形態の溶接装置１０は、撮像装置２１に入射されるアーク３２の光量が適量となるように、光学フィルタ２１Ａの透過特性を規定したことにより、図３（ｂ）に例示したような、撮像装置２１によって撮像された画像から、領域３８の溶融状態を判別することができる。
以上説明したように、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置２０であって、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像に対応する、特定の波長帯域の光を受光することにより、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像装置２１を備える。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶融部位に強力なレーザ光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりする必要なく、撮像装置２１によって撮像された画像から、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができる。したがって、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０によれば、単に溶融部位の画像を撮像するだけで、当該画像から溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０において、撮像装置２１は、特定の波長帯域の光を透過する光学フィルタ２１Ａと、光学フィルタ２１Ａを透過した特定の波長帯域の光を受光することにより、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像部２１Ｂとを有する。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、撮像部２１Ｂに対して光学フィルタ２１Ａを設けるだけといった比較的簡単な構成により、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０において、光学フィルタ２１Ａは、１０ｎｍ以下の半値全幅を有する、特定の波長帯域の光の透過特性を有する。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を良好に判別可能な画像を撮像することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０において、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長は、６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍのいずれかである。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を良好に判別可能な画像を撮像することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０において、撮像装置２１は、溶接装置１０の移動方向における前方または後方に配置され、且つ、溶融部位に対する上方からの撮像角度θを有する。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を良好に判別可能な撮像方向からの画像を撮像することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０において、撮像装置２１は、撮像角度θが４０°〜５０°の範囲内である。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を良好に判別可能な撮像方向からの画像を撮像することができる。
また、本発明の第１実施形態に係る溶接システム１は、母材３０Ａ，３０Ｂをアーク溶接する溶接装置１０と、アーク溶接における溶融部位を観察する、溶接観察装置２０とを備える。
これにより、本発明の第１実施形態に係る溶接システム１は、溶融部位に強力なレーザ光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりする必要なく、溶接観察装置２０が備える撮像装置２１によって撮像された画像から、溶接ワイヤ１２の直下の溶融状態を判別することができる。したがって、本発明の第１実施形態に係る溶接システム１によれば、単に溶融部位の画像を撮像するだけで、当該画像から溶融部位の溶融状態を判別することができる。
〔第２実施形態〕
次に、図面を参照して、第２実施形態について説明する。以下、第２実施形態に係る溶接システム２に関し、主に溶接システム１からの変更点について説明する。
第２実施形態に係る溶接システム２の構成は、図１に示す溶接システム１の構成と略同様である。但し、第２実施形態の溶接システム２では、撮像部２１Ｂおよび光学フィルタ２１Ａを、第１実施形態の溶接システム１と異ならせている。これにより、第２実施形態に係る溶接システム２は、溶融池３４のより広範囲な領域の状態を容易に判別することが可能な溶融状態判別可能画像を撮像可能としている。
第２実施形態に係る溶接システム２では、撮像部２１Ｂとして、近赤外光による画像を撮像可能な、近赤外光カメラを用いている。具体的には、第２実施形態に係る溶接システム２では、撮像部２１Ｂとして、近赤外光の波長帯域である９８０〜１６５０ｎｍの波長帯域の光による画像を撮像可能な、近赤外光カメラを用いている。
また、第２実施形態に係る溶接システム２では、光学フィルタ２１Ａとして、中心透過波長を含む半値全幅（ＦＷＨＭ：Full Width at Half Maximum）が１０ｎｍ以下であり、且つ、中心透過波長が、１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかであるものを用いている。これらの中心透過波長は、本発明の発明者らによって見出された、より好適なものである。
これにより、第２実施形態に係る撮像装置２１は、単に溶融部位の画像を撮像するだけで（すなわち、外部光を照射したり、複数の撮像装置を設けたり、特別な画像処理を行ったりすることなく）、溶融池３４における溶接ワイヤ１２の直下の部分だけでなく、その周囲の状態も容易に判別することが可能な、溶融状態判別可能画像を撮像できる。すなわち、第２実施形態に係る撮像装置２１は、溶融池３４のより広範囲な領域の状態を容易に判別することが可能な、溶融状態判別可能画像を撮像できる。
（好適な中心透過波長の導出方法）
以下、図５および図６を参照して、本発明の発明者らによる好適な中心透過波長の導出方法について説明する。
図５は、発明者らがアーク溶接中に計測したアークの発光スペクトルを示すグラフである。図５に示すように、アーク溶接におけるアークの発光強度は、近赤外光の波長領域（８５０ｎｍ〜）において、紫外光および可視光の波長領域に比べ極めて弱くなる。本発明の発明者らは、この事実に基づき、撮像装置２１によって近赤外光領域のみの光を透過するバンドパスフィルターを組み合わせて溶融状態判別可能画像を撮像することで、当該溶融状態判別可能画像において、アークの輝度を弱めることができることを見出した。
また、図６は、発明者らが溶融池の発光強度をプランクの放射則の式から導出した結果を示すグラフである。図６に示すグラフでは、溶融池の発光強度が表面温度別に示されている。図６に示すように、アーク溶接における溶融池の表面温度が一般的な１９５０℃である場合、１３１０ｎｍ近傍の波長領域において、溶融池の発光強度が最も強くなる。本発明の発明者らは、この事実に基づき、撮像装置２１によって１３１０ｎｍ近傍の波長の光（１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれか）による溶融状態判別可能画像を撮像することで、当該溶融状態判別可能画像において、溶融池の輝度を高めることができることを見出した。
なお、図６に示す各発光スペクトルは、本発明の発明者らにより、下記数式（１）によって表されるプランクの法則を用いて算出されたものである。
但し、上記数式（１）における各パラメータは以下のとおりである。
Ｅ：放出エネルギー
Ｌ：波長
Ｃ：光速（=299,792,458）
Ｈ：プランク定数
Ｋ：ボルツマン定数
Ｔ：温度
以上のことから、本発明の発明者らは、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を、近赤外光（９００ｎｍ〜）とし、且つ、１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかとすることにより、アーク３２の輝度が抑制され、且つ、溶融池３４の輝度が高められた、溶融池３４のより広範囲の状態を容易に識別可能な溶融状態判別可能画像を撮像できることを見出した。
なお、本実施形態では、母材３０Ａ，３０Ｂの素材として鉄を用いており、この場合において好適な光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を、上記のとおり導出している。このため、母材３０Ａ，３０Ｂの素材として、鉄以外の素材（例えば、アルミ等）を用いた場合には、アークおよび溶融池の発光スペクトルが、図５および図６に示すものとは異なる場合がある。但し、この場合は、素材に応じたアークおよび溶融池の発光スペクトルに基づいて、好適な光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を導出すればよい。
〔第２実施例〕
以下、第２実施形態に係る溶接システム２による第２実施例を説明する。この第２実施例では、第２実施形態に係る溶接システム２を用いて、溶接装置１０が、２つの母材３０Ａ，３０Ｂの溶接を行い、その際、撮像装置２１が、溶接部位の画像（動画）を撮像することにより、溶接部位を観察した。そして、発明者は、光学フィルタ２１Ａに第１実施例とは異なるバンドパスフィルターを用い、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を、９８０ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲で、順次変化させて、各中心透過波長において、どのような画像が撮像されるかを検証した。なお、本検証で用いたバンドパスフィルターは、いずれの波長でも半値全幅が１０ｎｍ以下である。
（溶接条件）
第２実施例に用いた溶接条件は、第１実施例に用いた溶接条件と同一である。
（撮像条件）
第２実施例に用いた撮像条件は以下のとおりである。
カメラ ：近赤外光カメラ（センサ受光感度：９８０〜１６５０ｎｍ）（Ｘｅｎｉｃｓ社製）
フレームレート：１００Ｈｚ
絞り ：Ｆ１６
外部光源 ：無し
フィルタ ：バンドパスフィルター（９８０−１６５０ｎｍ）
観察方向 ：前方
撮像角度θ ：４５°
（検証結果）
図７は、本発明の第２実施例に係る撮像装置２１によって撮像された画像の一例を示す図である。図８は、図７に示す一部の画像の拡大図である。
図７における画像（ａ）は、比較例として、光学フィルタ２１Ａを設けない場合に、撮像装置２１によって撮像された画像を示す。
図７における画像（ｂ）〜（ｆ），（ｊ）〜（ｌ），は、比較例として、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を９８０ｎｍ，１０３０ｎｍ，１０６４ｎｍ，１１００ｎｍ，１２００ｎｍ，１４００ｎｍ，１５２０ｎｍ，１６００ｎｍとした場合に、撮像装置２１によって撮像された画像を示す。
図７および図８における画像（ｇ），（ｈ），（ｉ）は、本発明者によって見出された好適な実施例として、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍとした場合に、撮像装置２１によって撮像された画像を示す。
図７および図８の画像（ｂ）〜（ｆ），（ｊ）〜（ｌ）が示すように、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍ以外とした場合、溶融池３４の広範囲に亘って、輝度が不足しているために画像が不鮮明である。このため、画像（ｂ）〜（ｆ），（ｊ）〜（ｌ）は、溶融池３４の状態を、溶融池３４の広範囲に亘って判別することが困難である。
一方、図７および図８の画像（ｇ），（ｈ），（ｉ）が示すように、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかとした場合、溶融池３４におけるアーク３２の直下の領域３８においては、アーク３２の輝度が抑制されたことにより、画像が鮮明であり、溶融池３４におけるその他の領域においては、輝度が高められたことにより、画像が鮮明である。このため、画像（ｇ），（ｈ），（ｉ）は、溶融池３４の半月状の外周縁部（溶融池３４と母材３０Ａ，３０Ｂとの境界）までもが判別可能であり、すなわち、溶融池３４の広範囲（但し、ノズル１１Ａによる死角部分を除く）に亘って、溶融池３４の状態（例えば、気泡、スラグ等の異物、融合不良、ブローホール、溶融金属の流動、等）を、容易に判別することが可能である。
なお、画像（ｇ），（ｈ），（ｉ）において、溶融池３４の外周縁部の形状が概ね半月状となっているのは、撮像装置２１から見て溶融池３４の一部がノズル１１Ａによって覆われることにより、溶融池３４に死角が生じているからである。
このように、第２実施例では、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかとすることで、溶融池３４の広範囲の状態を容易に判別することが可能な画像が撮像できることが確認された。
（溶融部位の状態）
図９は、図７および図８に示す画像（ｈ）に写し出されている溶融部位の状態を模式的に表す図である。
図９に示すように、画像（ｈ）では、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３１０ｎｍとしたことによって、溶融池３４の輝度が高められたことにより、溶融池３４の広範囲（但し、ノズル１１Ａによる死角部分を除く）に亘って、画像が鮮明に写し出されており、溶融状態を容易に識別可能である。
また、図９に示すように、画像（ｈ）では、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長を１３１０ｎｍ（近赤外光）としたことによって、アーク３２の輝度が抑制されたことにより、溶融池３４におけるアーク３２の直下の領域３８においても、画像が鮮明に写し出されており、溶融状態を容易に識別可能である。
なお、図９において、領域３８は、溶融部位における溶接ワイヤ１２の直下部分であって、アーク３２によって溶接ワイヤ１２および母材３０Ａ，３０Ｂが直接溶融されている領域である。
以上説明したように、本発明の第２実施形態に係る溶接観察装置２０において、光学フィルタ２１Ａの中心透過波長は、１３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかである。
これにより、本発明の第２実施形態に係る溶接観察装置２０は、撮像装置２１によって撮像される画像において、溶融池３４におけるアーク３２の直下の領域３８と、溶融池３４におけるその他の領域との各々について、輝度を適切なものとすることができる。このため、本発明の第１実施形態に係る溶接観察装置２０は、溶融池３４の広範囲（但し、ノズル１１Ａによる死角部分を除く）に亘って溶融状態を良好に判別可能な画像を撮像することができる。
なお、第２実施形態の撮像装置２１（近赤外光カメラ）は、第１実施形態の撮像装置２１（可視光カメラ）と比較して、溶融池３４のより広範囲な領域の状態を観察できる一方で、高価である。但し、アーク３２の直下の状態だけを観察するのであれば、第１実施形態の撮像装置２１で十分である。このため、例えば、コストを優先する場合には、第１実施形態の撮像装置２１を採用し、溶融池３４の観察範囲を優先する場合には、第２実施形態の撮像装置２１を採用すればよい。
以上、本発明の一実施形態について詳述したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形又は変更が可能である。
例えば、光学フィルタ２１Ａの半値全幅および中心透過波長は、実施形態で例示したものに限らない。すなわち、光学フィルタ２１Ａの半値全幅および中心透過波長は、溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像が撮像できるように、各種溶接条件および各種撮像条件に応じて、適宜変更され得る。
また、例えば、光学フィルタ２１Ａは、光透過特性が固定のものであってもよく、光透過特性が可変のものであってもよい。
また、例えば、上記実施形態では、撮像部２１Ｂとは別に光学フィルタ２１Ａを設けているが、これに限らず、撮像部２１Ｂに光学フィルタ２１Ａが一体的に設けられていてもよい。また、光学フィルタ２１Ａを設ける代わりに、撮像部２１Ｂが、特定の波長帯域の光を選択的に受光できる構成（例えば、特定の波長帯域の光を選択的に受光できる撮像素子）を有してもよい。
１，２ 溶接システム
１０ 溶接装置
１１ 溶接トーチ
１１Ａ ノズル
１１Ｂ コンタクトチップ
１１Ｃ ガス供給路
１２ 溶接ワイヤ
１３ 電源装置
１４ シールドガス供給装置
１５ ワイヤ送給装置
２０ 溶接観察装置
２１ 撮像装置
２１Ａ 光学フィルタ
２１Ｂ 撮像部
３０Ａ 母材
３０Ｂ 母材
３０Ｃ 接合部
３２ アーク
３４ 溶融池
３６ ビード

Claims (8)

  1. アーク溶接における溶融部位を観察する溶接観察装置であって、
    溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像に対応する、特定の波長帯域の光を受光することにより、前記溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像手段
    を備えることを特徴とする溶接観察装置。
  2. 前記撮像手段は、
    前記特定の波長帯域の光を透過する光学フィルタと、
    前記光学フィルタを透過した前記特定の波長帯域の光を受光することにより、前記溶接ワイヤの直下の溶融状態を判別可能な画像を撮像する撮像部と
    を有することを特徴とする請求項１に記載の溶接観察装置。
  3. 前記光学フィルタは、
    １０ｎｍ以下の半値全幅を有する、前記特定の波長帯域の光の透過特性を有する
    ことを特徴とする請求項２に記載の溶接観察装置。
  4. 前記光学フィルタの中心透過波長は、
    ６８０ｎｍ，７２０ｎｍ，７５０ｎｍ，８３０ｎｍ，８４０ｎｍ，８５０ｎｍ，９６０ｎｍ，９７０ｎｍのいずれかである
    ことを特徴とする請求項３に記載の溶接観察装置。
  5. 前記光学フィルタの中心透過波長は、
    １３００ｎｍ，１３１０ｎｍ，１３２０ｎｍのいずれかである
    ことを特徴とする請求項３に記載の溶接観察装置。
  6. 前記撮像手段は、
    溶接トーチの移動方向における前方または後方に配置され、且つ、前記溶融部位に対する上方からの撮像角度θを有する
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の溶接観察装置。
  7. 前記撮像手段は、
    前記撮像角度θが４０°〜５０°の範囲内である
    ことを特徴とする請求項６に記載の溶接観察装置。
  8. 母材をアーク溶接する溶接装置と、
    前記アーク溶接における溶融部位を観察する、請求項１から７のいずれか一項に記載の溶接観察装置と
    を備えることを特徴とする溶接システム。
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