JP2803932B2 - レーザ溶接用シームセンター検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はステンレス鋼、チタンな
どの管材をパワーレーザにて連続して溶接造管する設備
において、パワーレーザの集束ビームを成形後の材料の
シームセンターに正確に照射制御する目的で、溶接部の
直前に設置し、パワーレーザの照射点制御部に制御設定
信号を提供するレーザ溶接造管用シームセンター検出装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図１に例示した管材の連続造管設備にお
いては、材料となるスリットコイルのうねりや成形ロー
ル列の調整不良によって溶接点でのシームセンターが偏
位するという問題がある。このため、溶接ビームがシー
ムセンターに正確に照射されないことが生じ、溶接品質
が劣化するという問題が生じる。レーザ溶接において
は、溶接ビームの直径が従来のアーク溶接に比べて格段
に小さいことから、この問題があった。

【０００３】従来から、アーク溶接で管材を造管する設
備においては、溶接トーチの直前にシームセンター検出
装置を設置してシームセンターの変動に合わせて溶接ビ
ームの照射を追従制御する装置が設置されて、上記の問
題に対処することが行われている。パワーレーザを用い
て溶接造管すると、従来のアーク溶接に比べて良質な溶
接品質が得られ、パワーレーザのビーム径が極めて細
く、強力なエネルギー密度をもつことから材料への熱影
響部が極めて少なく、高効率で高速の造管ができること
が知られている。パワーレーザを用いて造管すると品
質、生産性の面で優れた効果があるにもかかわらず、こ
の溶接法が実設備として普及していない第一の理由は、
シームセンター検出精度が従来よりも格段に高精度なも
のが要求されることにある。検出精度が悪いとビームを
シームセンターに正確に照射できず、溶接欠陥の原因と
なり、製品の歩留りを劣化させる。これがレーザ溶接が
実設備で広く採用されていない原因である。

【０００４】発明者らは従来から公知で代表的なＣＣＤ
（Ｃｈａｒｇｅ ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）素子と
画像処理を用いた方法の検出精度を確認するテストを実
施したが、レーザ溶接造管用として、実設備で所定の精
度を安定的に確保することが困難であることが判明し
た。ＣＣＤ素子と画像処理を用いた従来の方法の概略を
図２に例示し説明する。

【０００５】図２においてレーザ発振部からレーザ光を
スリット状にして材料表面に照射する。正反射方向に検
出部すなわちＣＣＤカメラを設置し、スリット光照射部
を画像として撮像する。（Ｃ）に画像例を示す。スリッ
ト光の幅をｗ、付合せ部の開先寸法をｄとしてある。画
像処理にてｄのセンターを演算するとシームセンターが
求まる。本法を管材のレーザ溶接に適用するに当っての
発明者らが得た実用上の欠陥を以下に列挙する。

【０００６】（１）パワーレーザからのノイズ光の問題 パワーレーザを照射した溶接部は高温であり、強力な光
源のため、周辺設備で反射したり、開先部を通過して材
料の内面で反射した光がＣＣＤカメラに浸入して、検出
画像にノイズとして重畳する。その結果、原理上期待す
るごとき鮮明な画像が得られない。

【０００７】（２）種々の表面性状、種々の造管径の材
料に対応できない。産業上の実設備においては、同一設
備で鏡面からダル状の種々の表面性状をもつ材料を種々
の管径の製品に造管することが要求される。材料表面が
鏡面のとき、管径が小さいとき、撮像された画像のスリ
ット光両エッジに相当する部分の反射光強度が微弱にな
り、画像処理でシームセンターを演算する方法が煩雑も
しくは困難になる。

【０００８】（３）材料表面の傷や汚れが誤検出の原因
になる。材料成形の過程で表面に傷が入ったり汚れが付
着することがある。また材料表面の性状が徐々に変化す
ることがある。ＣＣＤ素子の感度を頻繁に調節して対応
することが必要となり、調整不良の場合は誤検出にな
る。

【０００９】（４）開先が小さいと検出難になる。シー
ムセンター検出は溶接部の直前で実施することが望まし
い。溶接部では材料を圧接するロールが設置されている
ため、検出部では開先幅がほとんど零になる。このとき
撮像された画像に明暗のコントラストが生じなくなり、
検出困難になる。

【００１０】以上の諸理由により、ＣＣＤ素子と画像処
理を用いた方法をレーザ溶接造管用シームセンター検出
装置として安定的に使用することが困難なことが判明し
た。その他の検出法として接触方式で機械的に検出する
方法については、実設備での安定性の観点から適用困難
と判定した。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように従来のシ
ームセンター検出装置をレーザ溶接造管設備に適用する
ことは困難なことが判明した。発明者らの実設備では、
ビーム照射位置が真のシームセンター位置に対して１０
０〔μｍ〕以上外れると溶接部の冶金学的品質に、３０
０〔μｍ〕以上外れると機械的品質に悪影響のあること
が別途知られている。従って、本発明が解決し、達成し
ようとする課題は、種々の条件下で５０〔μｍ〕以内の
精度で、シームセンターを検出する装置を開発すること
である。種々の条件とは以下に列挙する項目である。

【００１２】（１）パワーレーザからの溶接光、その他
の外来光の影響を受けないこと。 （２）種々の表面性状、種々の造管径の材料において検
出可能なこと。 （３）材料表面の傷や汚れの影響を受けないこと。 （４）材料が圧接状態で開先幅が零のときでも検出可能
なこと。 （５）非接触，非破壊検出であること。 その他、稼働信頼性が高いこと、検出装置が小さいこ
と、安価なことなど一般的に検出装置に求められる条件
を満足することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、種々の材料を
種々の寸法に成形し、レーザ溶接にて溶接造管する設備
において、パワーレーザのビームをシームセンターに正
確に照射する制御装置へ、シームセンター検出信号を提
供する装置で従来の技術の欠点を克服するため、次の特
徴を有する。

【００１４】１）パワーレーザ光などの外来ノイズ光の
影響を除去するために、同期検波法を使っている。 ２）表面性状の影響をうけないため、また表面の傷や汚
れの影響をうけないために、表面からの反射光の有無を
検出するようにしたこと、つまり表面性状に応じて拡散
反射したり、反射光強度が減衰してもシームセンターか
らの反射光に対して充分な差異が得られるよう工夫した
こと。この点がＣＣＤと画像処理を用いた方法との比較
において顕著な特徴差である。 ３）造管の直径が小さいとき、かつ表面性状が鏡面に近
いときの対策として、受光素子を材料を囲むように扇形
に配置して、この効果をなくしたこと。

【００１５】以下に本発明の実施例について説明する。
図３にその構成を図示し、各部の機能を説明する。レー
ザ発振器１から振幅変調したスポット光を発生させ、折
曲ミラー６で直角に反射させ、ガルバノミラー７でスポ
ット光の照射方向を振動させ、コリメートレンズ９で平
行走査光に変換して材料表面のシームセンターを含む所
定幅（走査幅）を走査する。折曲ミラー６は、一般に造
管設備の溶接部直前は設置スペースが極めて狭いため、
検出装置小形化のためのもので、本発明に不可欠の要件
ではない。

【００１６】ガルバノミラー７はレーザ光走査信号発生
回路で発せられる鋸歯状波をガルバノモーター駆動回路
８に与え、この駆動回路８でガルバノモーター１６を回
転させることによって振動させる。材料表面に照射した
レーザ光の任意の瞬時のスポットの大きさは約２０〔μ
ｍ〕である。材料表面に入射されたレーザ光は、表面性
状によって拡散反射する。反射光は入射光と正反射方向
に材料表面を扇形に囲むように配置した複数個の受光素
子１０に到達し、受光エネルギーに比例した電気信号に
変換される。受光素子１０の大きさは対象とする材料に
よって相違するが、発明者らは有効受光面が１０mm平方
のＰＩＮフォトダイオードを５個用いた。複数個の受光
素子１０からの電気信号はアンプ１１で加算・増幅され
る。

【００１７】アンプ１０の出力はレーザ発振器１を振幅
変調する周波数成分と同一成分のみを抽出する同期検波
回路１３に入力される。レーザ発振器１の変調と同期検
波回路１３に入力される同期検波基準信号は変調信号発
生部にて生成される。発明者らは変調周波数として５０
〔kHz 〕を選択した。

【００１８】

【作用】以下に各部の作用を実施例を含めて説明する。
同期検波法を用いることにより、パワーレーザのビーム
照射点から生じる強力な溶接光による外乱、その他周辺
設備からの外乱を除去することができる。また複数個の
受光素子の上記のごとき配置により、種々の表面性状の
材料や造管径の小さな材料においてもスポット光が走査
幅のどの点にあってもほぼ均一な受光感度が確保できる
ようになった。同期検波回路からの信号はシームセンタ
ー演算回路４に入力される。シーム中心演算回路はレー
ザ光走査回路の発する信号を基準とした信号群からシー
ムセンターを演算出力する。材料の付合せ開口部にスポ
ット光が照射される瞬間には反射光が受光素子に捕まえ
られないか、もしくは微弱なため、この時間はほぼ開口
部の開先幅に比例する。この時間の中心を走査信号を基
準に連続的に求めることにより、シームセンターが演算
される。

【００１９】シームセンター演算結果は、溶接トーチか
らのパワーレーザのビームの材料表面の照射位置を制御
する制御装置１５へ提供される。次に実施例を含めてシ
ームセンター検出演算の方法を説明する。図４はガルバ
ノミラー駆動信号、タイミングパルス、受光信号などの
波形とタイミングを示す。図中（ａ）はガルバノミラー
駆動部を制御するガルバノミラー駆動信号で、レーザ光
走査信号発生回路１４から発せられ、図のように鋸歯状
波である。Ｔ₀ はその１サイクルの時間、Ｔ₁ は材料表
面にレーザを走査する走査幅ｗに対応する。Ａの時点は
走査幅の片端をＢはもう一方の端を表し、この間を直線
的に走査する。Ｂ点で折り返しＣで元の走査端に復帰す
る。これを連続的に繰り返すものとする。発明者らの実
施例ではＴ₀ を１／３０〔sec 〕、Ｔ₁ を１／５０〔se
c 〕、ｗを１０〔mm〕とした。タイミングパルス１、タ
イミングパルス２はそれぞれガルバノミラー駆動信号の
極大、極小点に対応するものであり、走査幅ｗの片端か
らもう一方の端に対応し、タイミングパルス１は計測開
始タイミングを、タイミングパルス２は計測終了タイミ
ングを表し、この時間内で計測が実施される。実際の走
査光はガルバノミラー駆動部の慣性があるため、ガルバ
ノミラー駆動信号に対して遅れを生じるが、シームセン
ター検出そのものは相対的な偏位量検出であるから、遅
れそのものはこれが安定的に一定値であれば、実用上何
ら支障とはならない。

【００２０】材料表面に走査照射されたレーザのスポッ
ト光は材料の突合せ部では透過し、その他の部分では拡
散反射し、受光素子に達する。プリアンプの出力は
（ｄ）のように、開口部で相対的に小さな信号となり、
その他の部分では材料表面の反射特性に応じた変動する
波形となる。スライスレベル以下をオン、以上をオフと
する比較回路を通すと波形は（ｅ）のようになる。この
波形の立ち上り、立ち下りで（ｆ）（ｇ）のタイミング
パルスを発生させる。タイミングパルス１とタイミング
パルス３の間、タイミングパルス２とタイミングパルス
４の間のそれぞれの時間Ｔ₃ ，Ｔ₄ をカウンタ回数等、
時間計測回路で計測し、Ｔ₂ ＝（Ｔ₃ ＋Ｔ₄ ）／２で求
めればこの時間はレーザ光走査照射片端から材料表面で
のシームセンターまでの距離に対応する。

【００２１】

【実施例】図５に発明者らが本発明による検出装置を用
いて、実設備で材料突合せ部の開先幅を、溶接点での材
料圧接ロールの締付け量を変えて受光信号の波形を記録
したものを示す。開先径０．５，０．２，……はスキミ
ゲージで実測したものであり波形の落ち込み部分の幅に
対応している。図中開先０〔mm〕（圧接）においても明
瞭な波形落ち込み部を示しており、従来のＣＣＤと画像
処理を用いた方法ではこの状態の検出が不能であったも
のである。

【００２２】図６に従来法と本発明における方法を用い
て実設備でパワーレーザのビーム照射制御部を含めた、
総合検出・制御精度を比較したものを示す。造管速度
４．２〔mpm 〕でＳＵＳ３０４、外径３４〔mm〕、厚み
３．０〔mm〕の材料を造管し、１０〔sec 〕周期毎にパ
ワーレーザの照射をオン／オフして、造管後に該当箇所
を切断し、突合せ部と溶け込み部をルーペを用いて詳細
に観察して得たものである。

【００２３】発明者らの実設備における造管の知見で、
パワーレーザのビーム照射位置がシームセンターから±
０．１〔mm〕以上外れると正常な溶接品質が確保されな
いことが判明している。従来のＣＣＤと画像処理を用い
た方法では、この要求仕様を満足していないが、本発明
による方法では要求仕様を満足していることがわかる。
シームセンター検出は材料のシームセンターに対して相
対的な偏位量を検出するものであり、絶対的な零点は材
料をパワーレーザを瞬間オンするスポット溶接を事前に
実施し、この部分をルーペ等で詳細に観察し、検出装置
の取付け位置を調整することによって実施する。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本説明によるシー
ムセンター検出装置をレーザ溶接造管の実設備に適用し
たところ、次の効果が確認された。 １）スポット溶接による検出精度確認で、±５０〔μ
ｍ〕以内の誤差で検出・制御できるようになったこと。 ２）発明者らの実施例では２２mm〜８９mmの管径で、表
面性状がダル材から鏡面仕上げ材の材料に適用し、全く
溶接異常が発生しなかったこと。 ３）表面の傷や汚れの影響を受けないようになったこ
と。このことにより、レーザ溶接の特徴である溶接部品
質の良好な製品を、安定的に連続して生産することが可
能になった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本説明の適用の対象となる溶接管の製造設備の
構成例を示す図であり、溶接トーチの直前にシームセン
ター検出装置を設置し、これで得られた検出信号を制御
指令信号として、溶接トーチからのパワーレーザの照射
位置を制御するものである。

【図２】ＣＣＤと画像処理を用いた従来の検出装置の原
理を示すものであり、（ａ）は装置の構成を示す正面
図、（ｂ）は材料表面へのスリット光照射を示す平面
図、（ｃ）は原理上得られるＣＣＤ素子にて撮像される
画像を示す。

【図３】本発明によるシームセンター検出装置の構成を
示すもので、（ａ）は正面から見たもの、（ｂ）は光学
系を造管方向から見たものである。

【図４】本発明による装置の主要波形例を示すものであ
り、（ａ）はガルバノミラーの駆動信号、（ｂ）（ｃ）
はこれから得られるタイミングパルス、（ｄ）は受光信
号の波形例、（ｅ）はこれにスライサーを通過させた信
号、（ｆ）（ｇ）はスライサー通過後信号から得られる
タイミングパルスである。

【図５】本発明による装置を用いて開先幅を変化させた
時の同期検波回路出力の波形例を示す。

【図６】従来の方法と本発明による方法を用いて実設備
において、検出・制御精度をテストしたテスト結果につ
いて示した。

【符号の説明】

１ レーザ発振部 ２ レーザ光走査部 ３ 受光部 ４ シールセンター演算部 ６ 屈曲ミラー ７ ガルバノミラー ８ ガルバノミラー駆動回路 ９ コリメートレンズ １０ 受光素子 １１ アンプ １２ 変調信号発生部 １３ 同期検波部 １４ レーザ光走査信号発生回路 １５ パワーレーザ照射制御部 １６ カルバノモータ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−181990（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−57772（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−103048（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−80255（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−114452（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パワーレーザを用いて連続して管材を溶
   接造管する設備において、溶接トーチの直前に設置して
   シームセンターを検出するシームセンター検出装置であ
   って、 レーザのスポット光を発生するレーザ発振部（１）と、 前記スポット光をシームセンター検出位置で造管方向に
   対して直角方向に材料表面を走査しながら照射する屈曲
   ミラー（６）とガルバノミラー（７）とガルバノミラー
   駆動回路（８）とレーザ光走査信号発生回路（１４）お
   よびコリメートレンズ（９）からなるレーザ光走査部
   （２）と、 材料表面で拡散反射したレーザ光を検出するために前記
   管を囲む扇形に配置した複数個の受光素子（１０）とそ
   の出力を増幅するアンプ（１１）からなる受光部（３）
   と、 前記照射レーザの強度を振幅変調する変調信号発生部
   （１２）とプリアンプ（１１）からの出力を変調信号で
   同期検波する同期検波部（１３）からの信号を基準とし
   た信号群からシームセンターを演算するシームセンター
   演算部（４）と、 前記パワーレーザの照射点を偏向制御するパワーレーザ
   照射制御部（１５）で構成されていることを特徴とする
   レーザ溶接用シームセンター検出装置。