JP3184966B2 - レーザ溶接状態計測装置 - Google Patents

レーザ溶接状態計測装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ溶接における
欠陥を検出するのに適したレーザ溶接状態計測装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】レーザ溶接は、レーザ発振器から出力さ
れたパルス状あるいは連続レーザ光を、レーザトーチを
通して対象ワークに照射して溶接を行うものである。特
に、YAGレーザ溶接は、精密な量産ラインに適用され
ることも多くなっており、高い生産性と同時に品質が重
要視されている。
【0003】これまで、レーザ溶接における欠陥検査
は、検査員がオフラインにて目視や検査機器の使用によ
り行われることが多い。この場合、多量個所の検査が必
要な大量生産ラインでは検査員の負担が大きい。また、
大量生産ラインの生産性の観点から検査時間は短いこと
が重要であり、溶接と並行して欠陥検査を行うことが望
ましい。これは、インラインで全品検査を行い、溶接欠
陥が発生した場合には、欠陥品を即座に取り除き原因を
追求することが重要であるからである。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】このような要求に対
し、溶接個所からの溶接光を計測して自動的に欠陥計測
を行うことができるようにした欠陥計測装置が提供され
ている。このような欠陥計測装置の実際の生産ラインへ
の適用を考えた場合、レーザトーチと独立させて別方向
からアプローチするように溶接光センサを配置すること
は実用的でない。それは、レーザトーチと独立させて別
方向からアプローチするような溶接光センサの配置は、
レーザトーチとワークの間に空間的な余裕がない場合が
多いからである。また、スパッタやヒュームなどの汚れ
に対する対策やメンテナンスが増加することなどの理由
もある。したがって、レーザトーチと光学的に同軸上に
配置した溶接光センサを使用することが実用的である。
更に、溶接状態の情報を多く得るためには、溶接光を複
数の波長帯域に分離して計測することが有効である。
【0005】以上のような観点から、本発明の課題は、
実際の生産ラインにおいてインラインで溶接欠陥の自動
検出を行うのに適した溶接状態計測装置を提供すること
にある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、レーザ
光をレーザトーチでワークに照射して溶接を行うレーザ
溶接機において、前記レーザトーチの筐体の上方に、前
記ワークに照射されるレーザ光の光軸と同軸になるよう
にして溶接個所からのプラズマ光及びレーザ光の反射光
を含む溶接光を受光し、受光した溶接光から少なくとも
プラズマ光及びレーザ光の反射光を抽出して水平方向に
出力する複数の光学系をケースに収容して成るセンサヘ
ッドを設け、前記抽出されたプラズマ光及びレーザ光の
反射光を用いて溶接状態の検出を行うことを特徴とする
レーザ溶接状態計測装置が提供される。
【0007】なお、前記複数の光学系として、少なくと
も、前記レーザ光の反射光成分を水平方向に反射し残り
の成分を前記光軸方向に透過する第1の反射ミラーと、
該第1の反射ミラーを透過した光の中から前記プラズマ
光の成分を水平方向に反射する第2の反射ミラーとを含
み、これら複数の反射ミラーを前記光軸方向に重ねて内
蔵することが好ましい。
【0008】また、前記複数の光学系のそれぞれは更
に、前記第1の反射ミラーで反射された前記レーザ光の
反射光成分を抽出する第1の光学フィルタと、前記第2
の反射ミラーで反射された前記プラズマ光の成分を抽出
する第2の光学フィルタとを含むようにしても良い。
【0009】更に、前記複数の光学系を前記ケースに対
して着脱自在とし、前記ケースの上方には前記光軸と同
軸になるようにしてCCDカメラを設置可能とし、前記
複数の光学系を取り外した前記ケースの空間を通して前
記CCDカメラにより溶接個所を観測できるようにする
ことが可能である。
【0010】
【発明の実施の形態】図1を参照して、本発明の実施の
形態について説明する。図1において、YAGレーザ発
振器11で発生された連続あるいはパルス状のレーザ光
を伝送ファイバ12でレーザトーチ13へ導き、レーザ
トーチ13内のYAGレーザ反射ミラー14や光学レン
ズ15を通してワーク16に照射して溶接を行う。
【0011】レーザトーチ13の筺体の上方には、セン
サヘッド20が設けられている。センサヘッド20のケ
ース内には、ワーク16に照射されるレーザ光(以下、
照射レーザ光と呼ぶ)の光軸と同軸になるようにして溶
接個所から発する光(以下、これを溶接光と呼ぶ)を集
光する集光レンズ21が設けられている。溶接光には、
溶接の過程で発生されるプラズマ光や、照射レーザ光の
反射光や、周囲の光が含まれる。YAGレーザ反射ミラ
ー14においては、溶接個所からの照射レーザ光の反射
光はほとんど反射されるが、ごく一部は透過し、プラズ
マ光はほとんど透過する。
【0012】集光レンズ21の後には、溶接光のうち照
射レーザ光の反射光のみを水平方向(X軸方向)に反射
し、残りの光は光軸方向(Z軸方向)に透過するYAG
光反射ミラー22を設けている。YAG光反射ミラー2
2の透過部側には、YAG光反射ミラー22の透過光を
水平方向に反射する全反射ミラー23を設けている。す
なわち、YAG光反射ミラー22と全反射ミラー23
は、センサヘッド20のケース内に光軸方向に重ねて配
置されている。
【0013】YAG光反射ミラー22の反射方向、すな
わち水平方向には、YAG光反射ミラー22からの反射
光を集光するための集光レンズ24と、集光された反射
光から照射レーザ光の反射光のみを抽出するためのYA
G光帯域透過フィルタ25が設けられている。
【0014】同様に、全反射ミラー23の水平方向に
は、全反射ミラー23からの反射光を集光するための集
光レンズ26と、集光された反射光からプラズマ光のみ
を抽出するためのプラズマ光帯域透過フィルタ27が設
けられている。
【0015】以上のような構成により、ワーク16の溶
接個所から発する溶接光を照射レーザ光と同軸に設置し
た集光レンズ21で集光し、YAG光反射ミラー22で
YAG光のみを水平方向に反射し、続いて後段の全反射
ミラー23でプラズマ光を水平方向に反射することで、
溶接光を照射レーザ光の反射光とプラズマ光とに分離す
る。分離後、YAG光は、YAG光帯域透過フィルタ2
5を通してYAG光以外の波長域の光がカットされる。
また、プラズマ光は、プラズマ光帯域透過フィルタ27
を通してプラズマ光以外の波長域の光がカットされる。
【0016】YAG光帯域透過フィルタ25を出た光
は、光電変換素子としての1個以上のフォトダイオード
とアンプとを含むフォトダイオードセンサ31で受光強
度に応じた電圧信号に変換されて溶接状態判定処理装置
33に出力される。一方、プラズマ光帯域透過フィルタ
27を出た光は、1個以上のフォトダイオードとアンプ
とを含むフォトダイオードセンサ32で受光強度に応じ
た電圧信号に変換されて溶接状態判定処理装置33に出
力される。
【0017】溶接状態判定処理装置33は、フォトダイ
オードセンサ31、32からの電圧信号に基づいてワー
ク毎に欠陥検出などの判定処理を行い、その結果を必要
に応じて表示装置34や記憶装置35で表示、記録す
る。なお、欠陥検出のための処理アルゴリズムは、例え
ば本願出願人によりすでに出願済みの「レーザ溶接欠陥
検出装置(特願平9−213223号)」に開示されて
いる。
【0018】簡単に説明すると、欠陥検出のための処理
アルゴリズムは、ディジタル電圧信号からあらかじめ定
められた高周波成分を除去するためのローパスフィルタ
と、このローパスフィルタの出力を微分して微分信号を
出力するための微分処理部と、前記ディジタル電圧信号
の値が第1のしきい値L1を越えているかどうかで第1
の欠陥を検出し、前記ディジタル電圧信号の値が第1の
しきい値L1よりも低い第2のしきい値L2よりも低い
かどうかで第2の欠陥を検出するための第1の処理手段
と、前記微分信号の値が変化量0の場合を基準としてこ
の値を間にした第3のしきい値L3と第4のしきい値L
4(但し、L3>L4)の範囲を越えているかどうかを
検出する第2の処理手段と、該第2の処理手段の検出結
果と前記第1の処理手段の検出結果とを受けて前記第2
の処理手段のみから出力がある時にこれを第3の欠陥と
して検出する欠陥種類判別処理部とで実現される。
【0019】このような構成で、欠陥検出のための処理
アルゴリズムを、フォトダイオードセンサ31、32か
らの2つの電圧信号について実行することにより、欠陥
検出を行うことができる。なお、欠陥検出のための処理
アルゴリズムはまた、例えば特願平10−233721
号にも示されており、更に、フォトダイオードセンサ3
1、32におけるフォトダイオードが複数個の場合の処
理アルゴリズムが特願平10−217470号に示され
ている。
【0020】以上の説明で明らかなように、本形態は、
溶融個所から発する溶接光を、レーザトーチ13内の光
学系を通し、レーザトーチ13と同軸上に置かれている
センサヘッド20で計測し、さらに、溶接光を複数の波
長帯に分離して計測する簡易的な機構であることに特徴
がある。
【0021】更に、本発明は以下のような態様を取るこ
とができる。
【0022】(1)CCDカメラの併用 図2に示すように、センサヘッド20の上方にCCDカ
メラ40を設置可能な機構にする。このような機構は周
知技術を利用して実現可能であるので、詳しい説明は省
略する。この場合、YAG光反射ミラー22、全反射ミ
ラー23は、センサヘッド20に対して着脱自在にされ
る。また、センサヘッド20の上部にはCCDカメラ4
0への集光のための集光レンズ41が設けられる。そし
て、CCDカメラ40を使用する場合には、全反射ミラ
ー23を取り外す。このようなCCDカメラの設置機構
により、溶接条件出しなど初期調整のときに、CCDカ
メラ40を使用して溶接個所の観測を容易に行うことが
できる。特に、センサヘッド20は固定としているの
で、各ミラー脱着前後で計測の再現性もよい。
【0023】(2)マルチスペクトル計測 図3に示すように、あらかじめセンサヘッド20の容積
を大きくしておくことで、複数のミラーを光軸方向に積
み重ねていくことができる。ここでは、YAG光反射ミ
ラー22、図1の全反射ミラー23に代えてプラズマ光
の反射ミラー28を使用し、更にその上に、特定波長の
反射ミラー29−1を配置している。反射ミラー29−
1の水平方向には、集光レンズ29−2、特定波長の透
過フィルタ29−3が設けられる。また、光電変換のた
めにフォトダイオードセンサ36が設けられる。このよ
うな機構により、3種類以上の波長帯の光を同時に計測
することが可能である。図1では、プラズマ光と照射レ
ーザ光の反射光の2種類を計測する手法を説明したが、
センサヘッド20内部のミラーやフィルタの構成を変え
ることで、他の波長帯域の光を計測することもできる。
【0024】なお、上記の説明では、レーザ発振器とし
てYAGレーザ発振器を用いているが、これに限らず。
他の例えばCO2 レーザ発振器、エキシマレーザ発振器
を用いたレーザ溶接機にも適用できる。この場合、照射
レーザ光の反射光の検出が可能なように、光学系の構成
やフォトダイオードの選定を行う。
【0025】
【発明の効果】本発明によれば、次のような効果が得ら
れる。
【0026】1.レーザトーチと同軸上に設置するコン
パクトな構成であるので、実際の生産ラインヘの適用が
容易である。
【0027】2.照射レーザ光の反射光とプラズマ光を
計測することで多角的に溶接状態の判定ができ、欠陥検
出の精度向上に寄与する。
【0028】3.計測機構は、レーザトーチと同軸上に
固定しているので、計測の再現性が良い。
【0029】4.センサヘッド内に複数の光学系を積み
重ねていくことで、マルチスペクトル(複数の波長帯)
の同時計測ができ、上記2より更に、多くの情報を得る
ことができる。
【0030】5.センサヘッドの上部にCCDカメラを
設置して、溶接条件出しなどの初期調整時にCCDカメ
ラとの併用も可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態によるレーザ溶接状態計測
装置の構成を示した図である。
【図2】図1に示された形態の他の態様を説明するため
の図である。
【図3】図1に示された形態の更に他の態様を説明する
ための図である。
【符号の説明】
11 YAGレーザ発振器 12 伝送ファイバ 13 レーザトーチ 14 YAGレーザ反射ミラー 15 光学レンズ 16 ワーク 20 センサヘッド 21、24、26 集光レンズ 22 YAG光反射ミラー 23 全反射ミラー 25 YAG光帯域透過フィルタ 27 プラズマ光帯域透過フィルタ 31、32、36 フォトダイオードセンサ
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/00 - 26/18 B23K 31/00

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ光をレーザトーチでワークに照射
    して溶接を行うレーザ溶接機において、前記レーザトー
    チの筐体の上方に、前記ワークに照射されるレーザ光の
    光軸と同軸になるようにして溶接個所からのプラズマ光
    及びレーザ光の反射光を含む溶接光を受光し、受光した
    溶接光から少なくともプラズマ光及びレーザ光の反射光
    抽出して水平方向に出力する複数の光学系をケースに
    収容して成るセンサヘッドを設け、前記抽出されたプラ
    ズマ光及びレーザ光の反射光を用いて溶接状態の検出を
    行うことを特徴とするレーザ溶接状態計測装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載のレーザ溶接状態計測装置
    において、前記複数の光学系として、少なくとも、前記
    レーザ光の反射光成分を水平方向に反射し残りの成分を
    前記光軸方向に透過する第1の反射ミラーと、該第1の
    反射ミラーを透過した光の中から前記プラズマ光の成分
    を水平方向に反射する第2の反射ミラーとを含み、これ
    ら複数の反射ミラーを前記光軸方向に重ねて内蔵するこ
    とを特徴とするレーザ溶接状態計測装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載のレーザ溶接状態計測装置
    において、前記複数の光学系のそれぞれは更に、前記第
    1の反射ミラーで反射された前記レーザ光の反射光成分
    を抽出する第1の光学フィルタと、前記第2の反射ミラ
    ーで反射された前記プラズマ光の成分を抽出する第2の
    光学フィルタとを含むことを特徴とするレーザ溶接状態
    計測装置。
  4. 【請求項4】 請求項1記載のレーザ溶接状態計測装置
    において、前記複数の光学系を前記ケースに対して着脱
    自在とし、前記ケースの上方には前記光軸と同軸になる
    ようにしてCCDカメラを設置可能とし、前記複数の光
    学系を取り外した前記ケースの空間を通して前記CCD
    カメラにより溶接個所を観測できるようにしたことを特
    徴とするレーザ溶接状態計測装置。
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