JP2515103B2 - レ−ザ突合せ溶接の品質検査方法 - Google Patents

レ−ザ突合せ溶接の品質検査方法

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JP2515103B2 JP61183388A JP18338886A JP2515103B2 JP 2515103 B2 JP2515103 B2 JP 2515103B2 JP 61183388 A JP61183388 A JP 61183388A JP 18338886 A JP18338886 A JP 18338886A JP 2515103 B2 JP2515103 B2 JP 2515103B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ突合せ溶接において、突合せ開先に
対するレーザビームのズレによって生じやすい融合不良
を、スリット光と画像処理とを組み合せた方法により、
オンラインで自動検査することが可能なレーザ突合せ溶
接の品質検査方法に関する。
〔従来の技術〕
溶接部の内部欠陥を検出する非破壊検査方法として、
放射線透過試験、超音波探傷試験が一般的に用いられて
いる。たとえば特開昭55−50998号公報は放射線透過試
験による方法を開示している。また、特開昭56−53898
号公報はファイバスコープを利用して放射線被曝のない
位置から溶接部を監視する装置を示しているが、試験自
体は放射線透過試験によっている。上記は一般の溶接部
の試験についてのものであるが、レーザビームによるレ
ーザ突合せ溶接においてはつぎのような特異な問題があ
る。
〔発明が解決しようとする問題点〕
レーザビームによる溶接は集中熱源による高速度溶接
を行なうことができるため、溶接部および溶接熱影響部
の幅の狭い良好な溶接継手を得ることができる。しかし
その反面、幅が狭いが故に、すなわち集光されたレーザ
ビームのスポット径が微小(約φ0.3mm)なために突合
せ開先に対するレーザビームのズレの許容値が±0.2mm
という高い位置精度が要求される。これに対して実際の
溶接において上記の精度を100%満足させることは、溶
接機の機械精度、被溶接物である鋼板の精度及びレーザ
ビームの光軸変動等の問題により困難である。その結
果、融合不良という溶接境界面が十分に溶け合わないた
めに発生する欠陥がビームの位置ズレによって生じ、ま
た特にレーザビームによる溶接の場合のビードの断面形
状がワインカップのように中心がくびれるため溶接部外
観から判別できない内部欠陥となる。
この欠陥を検出する従来方法として、放射線透過試験
と超音波探傷試験の2つの非破壊検査方法がある。しか
し、前者の試験法は原理的にオンライン自動検査をする
ことが不可能であり、また後者の試験法は原理的にはオ
ンライン自動検査は可能であり例もあるが、設備規模が
非常に大きくなり、かつ水等の接触媒質を介して接触子
を走査させねばならない等、制約条件が大きく、オンラ
イン自動検査装置を構成することが困難である。
本発明は、放射線検査や超音波検査とは別の、オンラ
インへの組み込みが可能な方法によってレーザ突合せ溶
接の品質を検査する方法を提供することを目的とする。
〔問題点を解決するための手段〕
上記目的を達成するための本発明に係るレーザ突合せ
溶接の品質検査方法は、次の通りである。
一方のワークエッジが溶接全長より長く他方のワーク
のエッジが溶接全長に等しい2つのワークをそれぞれの
エッジを突合わせてレーザ溶接したときの溶接ビード部
に斜め上方からスリット状の光を溶接線方向と該スリッ
ト状の光の長手方向を直角にして照射してその反射光を
溶接ビードの垂直上方からITVカメラによって撮影する
工程と、得られた画像を処理して求めた溶接ビードの中
心位置とエッジが溶接全長より長い方のワークの溶接線
方向の端部に溶接されないで残っているエッジを基準に
して求めた前記2つのワークの突合せ位置とのズレを検
出する工程と、を有するレーザ突合せ溶接の品質検査方
法。
〔作用〕
上記方法においては、レーザ突合せ溶接による溶接ビ
ード部に斜め上方からスリット光(スリット状の光)を
溶接線方向とスリット光の長手方向を直角にして照射
し、その反射光を溶接ビードの垂直上方からITVカメラ
によって撮影することにより、溶接ビードの断面形状を
表す画像が得られる。以上の部分を視覚センサと呼ぶこ
ととする。スリット光は半導体レーザ、コリメートレン
ズ、シリンドリカルレンズによって作られ、カメラは小
型CCDカメラであり、これらは密閉されたケースに納め
られ、レーザ溶接機の加工ヘッド(溶接トーチ)に取付
けられている。この視覚センサから得られた画像を、画
像入力装置及び計算機で構成される専用画像処理装置に
よって高速処理することにより、溶接をしながら溶接ビ
ードの中心位置を求めることができる。一方、突合せ溶
接のワークの位置決め上、大抵の場合どちらか一方のワ
ークは溶接全長より長く、もう一方が溶接全長と等しく
前者のワークを位置決め基準ピンに押し当て、後者のワ
ークをそのワークに押し当てて位置決めすることにな
る。よって、溶接全長の両端またはどちらか一方の端部
にエッジ長が溶接全長より長い方のワークのエッジが溶
接されないままで残る。この残ったエッジを前述の視覚
センサ及び専用画像処理装置により、溶接の開始前また
は終了後に撮影、処理することにより2つのワークを突
き合わせたときの突合せ位置を求めることができる。こ
れと前述の様にして求めた溶接ビードの中心位置とを比
較して溶接線に対するレーザビームのズレを求め、ズレ
の量が大きい場合には2つのワークの接合が不良であり
ズレの量が小さい場合には2つのワークの接合は良好で
あると推定することにより、溶接品質を判定することが
できる。
〔実施例〕
以下に、本発明に係るレーザ突合せ溶接の品質検査方
法の望ましい実施例を、図面を参照して説明する。
第1図に本発明方法を実施する装置の概略構成を示
す。1および1′は突合された2つの被溶接物(ワー
ク)、2は2つのワークの突合せ位置、3は溶接ビー
ド、4はビード断面を示す。5はレーザ溶接トーチで図
示されないレーザ発振器から出力されるレーザビームを
トーチ内にあるレンズにより突合せ位置2に集光し、レ
ーザ溶接トーチ5または被溶接物1、1′を突合せ位置
2が延びる方向に移動させ、溶接を行なう。6は半導体
レーザ、7はコリメートレンズ、8はシリンドリカルレ
ンズで、半導体レーザ6から放射されたレーザビームを
コリメートレンズ7により平行光線に変換し、シリンド
リカルレンズ8によってこの光を1軸方向のみ収束させ
スリット状の光9に変換する。半導体レーザ6、コリメ
ートレンズ7、シリンドリカルレンズ8は溶接ビード3
の斜め上方に配置され、かつ9のスリット光と3のビー
ド方向を互に直交させている。10はスリット線(光切断
線)で、スリット光9を被溶接物1、1′及び溶接ビー
ド3に照射することによってワーク表面に生じるもので
ある。11は55mmCCTVカメラ用レンズ、12は接写リング、
13はITVカメラとしてのCCDカメラでスリット線10の垂直
上方に配置され、これによりスリット線10を撮影する。
またCCTVカメラ用レンズ11には溶接光などの外乱光の影
響を排除するため、半導体レーザ6の発生するレーザビ
ームの波長帯の光のみを透過する干渉フィルタが取付け
られている。前記6、7、8、11、12、13の各部材は図
示されないケースに納められており、レーザ溶接トーチ
5に固定されている。14はCCDカメラ13からの映像信号
を処理する画像処理装置で、15は画像処理装置14及びレ
ーザドライバ14Aを制御する制御装置である。
第2図は実際に製作された装置を示す。第2図中16は
被溶接物、17はレーザ溶接トーチ、18はセンサのケース
である。19は半導体レーザで、20は半導体レーザ19を駆
動させる電子回路を納めたケースである。21はコリメー
タレンズで、半導体レーザ19、コリメータレンズ21はケ
ース20に納められている。22はシリンドリカルレンズで
ある。23、24はベンドミラーで、半導体レーザ19、コリ
メータレンズ21、シリンドリカルレンズ22によって作ら
れたスリット光を折り返し、被溶接物16に照射するよう
に配置されている。25はスリット光軸である。26はスリ
ット光を透過させるガラス窓である。27はCCTV用50mmレ
ンズで28はCCTV用レンズ27のレンズ光軸である。29は、
窓ガラスで、30はベンドミラー、31は干渉フィルタ、32
はCCDカメラ、33はCCD素子である。スリット光軸25によ
って被溶接物16上に作られた光切断線は窓29を通過して
CCTV用レンズ27によってCCDカメラ32のCCD素子33上に撮
像されるが、その途中レンズ光軸28はベンドミラー30に
よって90゜折り曲げられ、さらに干渉フィルタ31を透過
する。第1図の接写リング12に相当するものは、CCTV用
レンズ27とCCDカメラ32の間の空間によって換えられて
いる。34は遮へいブラシで溶接中に生じるスパッタ及び
溶接光を遮へいしている。35及び36はエアー吹出し口
で、窓26、29が溶接中に生じる煙等によって汚れるのを
防いでいる。またケース18内はドライエアーにより待機
より高い圧力がかけられており、ケース18内部に煙、ス
パッタヒューム等の汚れを生じさせるものが侵入するの
を防いでいる。なお、37は溶接トーチの中心軸で、これ
とレンズ光軸28の距離を可能な限り短くするため、すな
わち、溶接ポイントと検査ポイントのオフセットを小さ
くし、検査のために余分なレーザ溶接トーチ17またはケ
ース18が移動する距離を短くするため、レンズ光軸28は
ベンドミラー30によって折り曲げられている。
また本装置は、光切断線を溶接と同時に移動しながら
撮影するため、その線が流れないよう半導体レーザ19は
CCDカメラ32の撮影周期と同期して、点灯時間の非常に
短いパルス点灯するようになっている。
第3図に実際の検査中の被溶接物とCCDカメラ13の撮
影する画像との関係を示す。図中の矢印は溶接方向を示
す。38、39は被溶接物、40は突合せ位置、41は溶接ビー
ド42、43はスリット光9による光切断線を示す。44、45
はCCDカメラ13が撮影している像の範囲で拡大図をそれ
ぞれ、第4図、第5図に示す。47、48、50は被溶接物の
画像、46は溶接ビード部の画像、49、52は光切断線の画
像、51は被溶接物38の溶接線流さ方向端部で溶接されな
いで残っているエッジを示す。
第6図に14の画像処理装置の処理フローを示す。画像
入力工程53、細線化工程54は電子回路で構成された処理
回路によりリアルタイムに処理され、その他は計算機の
ソフトウェアにより処理される。そのため汎用の画像処
理装置に比較し、極めて高速処理となる。
第7図は溶接ビードの中心位置と突合せ位置とのズレ
による溶接不良が生じる状況を示す。(a)、(b)は
良好ビードを、(c)、(d)は溶接芯ズレによる不良
ビードの断面形状を示す。55、56は集束されたレーザビ
ームを示す。
つぎに本発明方法の実施例について説明する。
第2図に従って説明すると、レーザ溶接トーチ17から
照射されるレーザビームにより溶接された直後の被溶接
物16の上に斜め上方(約30゜)よりスリット光25を、該
光25の長手方向を溶接線方向と直角にして照射し、それ
によって被溶接物16上に生じる光切断線(第1図の符号
10)をCCTV用レンズ27を通してCCDカメラ32で撮影し、
第4図、第5図に示す画像を得る。ついで、第6図に示
すように、この画像を画像処理装置14で画像処理して溶
接ビードの中心位置を求め、かつ一方のワーク(長いエ
ッジの方のワーク)のエッジを基準にして突合せ位置2
を求め、溶接ビードの中心位置と突合せ位置2とのずれ
量を求め、該ズレ量が大の場合に生じる2つのワーク
1、1′の溶接部の融合不良を検出する。そしてその検
査結果を制御装置15に出力する。
上記第6図のフローチャートに従う画像処理において
は、第6図の左コラムで、溶接ビードを求め、欠損デー
タを補間して欠損のないデータを作り、データのスムー
ジングを行ない、2階差分して、ビードエッジを検出
し、その中央のビード中心位置を演算する。これがレー
ザビームの光軸中心となる。また第6図の中央コラム
で、ワークエッジを求め、1階差分し、ワークエッジ位
置を検出する。これによってワークの突合せ位置2が求
まる。第6図の右コラムで溶接終了が判断されて溶接が
終了していることが分るとワークエッジ位置を平均化
し、それと溶接ビード中心位置とを比較して、突合せ位
置2と溶接ビード中心位置が一致、またほぼ一致して第
7図(a)、(b)のような良好な溶接が行なわれた
か、または、所定量以上はずれて第7図(c)、(d)
のような融合不良の溶接が行なわれたかを判定する。
〔発明の効果〕
本発明のレーザ突合せ溶接の品質検査方法によれば、
放射線検査のように特別な検査工程を設ける必要性もな
くかつ放射線被曝もなく、超音波探傷試験のように水等
の接触媒質の必要性もなく、溶接ビード中心位置と突合
せ位置とのズレにより融合不良の有無を推定できるの
で、オンラインへの組み込みが可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明のレーザ突合せ溶接の品質検査方法を実
施している装置の概略構成を示す斜視図、 第2図は本発明の検査方法を実施する機構を実際のレー
ザ溶接装置に組み付けたときの概略側面図、 第3図は被溶接物とCCDカメラが撮影している画像との
関係を示す図、 第4図、第5図は第3図の部分拡大図、 第6図は画像処理装置の処理フローチャート、 第7図(a)、(b)はそれぞれ良好ビードの生じる状
況と生じた結果の断面図、 第7図(c)、(d)はそれぞれ不良ビードの生じる状
況と生じた結果の断面図、 である。 1、1′、16……被溶接物 2……突合せ位置 3……溶接ビード 4……ビード断面 5、17……レーザ溶接トーチ 6……半導体レーザ 7、21……コリメートレンズ 8、22……シリンドリカルレンズ 9、25……スリット光 11……CCTVカメラ用レンズ 13、32……CCDカメラ 14……画像処理装 15……制御装置

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】一方のワークのエッジが溶接全長より長く
    他方のワークのエッジが溶接全長に等しい2つのワーク
    をそれぞれのエッジを突合わせてレーザ溶接したときの
    溶接ビード部に斜め上方からスリット状の光を溶接線方
    向と該スリット状の光の長手方向を直角にして照射して
    その反射光を溶接ビードの垂直上方からITVカメラによ
    って撮影する工程と、得られた画像を処理して求めた溶
    接ビードの中心位置とエッジが溶接全長より長い方のワ
    ークの溶接線方向の端部に溶接されないで残っているエ
    ッジを基準にして求めた前記2つのワークの突合せ位置
    とのズレを検出する工程と、を有するレーザ突合せ溶接
    の品質検査方法。
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