JP3304863B2 - レーザビームによる突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置制御方法 - Google Patents

レーザビームによる突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置制御方法

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、レーザビームに
よる突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置制御方
法、特に、レーザビームにより溶接母材を突合わせ溶接
する際に、レーザビームが常に開先の中心線(溶接線)
上に照射されるようにレーザビームの照射位置を制御す
ることができ、しかも、溶接時に発生するプラズマ等の
影響を受けにくい、レーザビームによる突合わせ溶接に
おけるレーザビーム照射位置制御方法に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来、レーザビームによる突合わせ溶接
におけるレーザビーム照射位置制御方法として、特開平
8−323477号公報に開示されるものがある。この
溶接位8制御方法は、図9に示すように、オープンシー
ムパイプ1の内部に設置された発光部2から開先1Aに
向けて照明光を照射し、溶接位置手前のオープンシーム
部間を通過した照明光をパイプ1の外部に撮像装置3で
撮像し、その画像信号に基づいて溶接線を求め、このよ
うにして求めた溶接線上にレーザビームの照射位置を追
従制御させるものである。溶接線を求めるには、図10
に示すように、撮像装置3による画像信号から一対のオ
ープンシームエッジ位置を検出し、そして、一対のオー
プンシームエッジ線がなす角の中心線を溶接線とする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来法では、
撮像装置3に高輝度な溶接光が入射することを避けるた
めに、溶接位置、即ち、オープンシームエッジが互いに
密着する手前の位置での画像に基づいて溶接線を求めて
いた。従って、追従制御されるレーザビーム位置は推定
に基づくものとなる。しかし、溶接に利用するレーザビ
ーム径は、微小であり、且つ、溶接に適するシーム突合
わせ部と照射されるレーザビームの許容範囲は狭い。よ
って適性位置の推定演算の基になった画像中のオープン
シームエッジ位置の検出、もしくは、画像に誤差が含ま
れていた場合には、図11に示すように微小な誤差Δx
が非常に大きなズレΔXとなる。
【0004】また、劣悪な環境下、特に、上述した推定
によるズレを最小にするために、できる限り、溶接位置
直下に設置する発光部2は、溶接時に発生するスパッ
タ、ヒューム、ミスト、ダスト等で汚れやすく、正常に
シームエッジ位置を測定することができない。
【0005】従って、この発明の目的は、レーザビーム
により溶接母材を突合わせ溶接する際に、レーザビーム
が常に開先の中心線上に照射されるようにレーザビーム
の照射位置を正確に制御することができ、しかも、溶接
時に発生するスパッタ等の影響を受けにくい、レーザビ
ームによる突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置
制御方法を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
レーザビームによる突合わせ溶接中に、開先及びキーホ
ール近傍を撮像手段によって同時に撮影し、これによっ
て得られた前記開先及び前記キーホール近傍の各々の画
像の画素の輝度を、溶接方向と直交する方向に亘って検
出し、このようにして検出した前記輝度に基づいて、前
記開先及び前記キーホールの各々の輝度分布曲線を作成
し、このようにして作成した前記開先の輝度分布曲線と
前記キーホールの輝度分布曲線との間の偏差をとり、こ
のようにして得られた輝度偏差曲線の形状が前記開先の
輝度分布曲線における変化点の輝度分布幅の中心位置を
中心として対称となるように、前記レーザビームの照射
位置を制御することに特徴を有するものである。
【0007】
【発明の実施の形態】次に、この発明の、レーザビーム
による突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置制御
方法を、図面を参照しながら説明する。
【0008】レーザビーム溶接部から発れられる溶接光
は、可視波長領域では非常に高輝度であり、この高輝度
溶接光を遮光、もしくは減衰させるために光学フィルタ
等の手段を用いたとしても、溶融池、及びその近傍の突
合わせシームエッジを可視化することは困難である。
【0009】そこで、レーザ溶接時の溶接光の波長分布
特性を鑑み、紫外線レーザスポット光照射装置を照明装
置として使用し、撮像装置には、照明に用いた紫外線レ
ーザ光のみを透過する干渉フィルター内蔵のCCD撮像
装置を備えたレーザ溶接位置可視化装置を用いるのが好
ましい。
【0010】このレーザ溶接位置可視化装置によりまさ
にレーザ溶接が進行している、溶融池及びその近傍の状
況を実時間で直接監視することが可能となる。この発明
は、このレーザ溶接位置可視化装置により撮像される図
1に示すような画像に基づいて適性な溶接線を検出し、
これによってレーザビーム照射位置を制御するものであ
る。
【0011】図1に示す画像には、開先4、溶融池5、
レーザビームが溶接母材6を貫通するときに形成される
キーホール7、及び、溶接ビード8が可視化されてい
る。なお、溶接方向は、図1中、下から上である。この
画像を計算機に取り込み、A−A’及びB−B’の走査
線上におけるそれぞれの輝度信号を得る。開先4の輝度
分布曲線を図2に示し、キーホール7の輝度分布曲線を
図3に示す。このようにして、開先4及びキーホール7
の輝度分布曲線を求めたら、開先4の輝度分布曲線とキ
ーホール7の輝度分布曲線との間の偏差をとる。そし
て、このようにして得られた輝度偏差曲線の形状が開先
4の輝度分布曲線における変化点の輝度分布幅の中心位
置(a)を中心として対称となるように、レーザビーム
の照射位置を制御する。かくして、レーザビームは、常
に開先の中心線上に照射される。
【0012】図2及び図3に示すように、レーザビーム
が開先4の中心線上に照射されている場合、即ち、キー
ホール7の中心が開先4の中心と一致しているときに
は、輝度偏差曲線は、図4に示すように、開先4の輝度
分布曲線における変化点の輝度分布幅の中心位置(a)
を中心として左右対称となる。
【0013】一方、図5に示すように、キーホール7の
中心が開先4の中心より右側にズレている場合には、図
6に示すように、開先4の輝度分布曲線は、図2の場合
と同様であるが、キーホール7の輝度分布曲線は、図7
に示すように、右側にズレる。従って、輝度偏差曲線
は、図8に示すように、開先4の輝度分布曲線における
変化点の輝度分布幅の中心位置(a)に対して対称にな
らない。従って、このような場合には、輝度分布曲線が
中心位置(a)に対して対称になるようにレーザビーム
を制御する。
【0014】次に、この発明を実施例により更に説明す
る。成形設備により帯状炭素鋼板を、連続的にオープン
パイプ状に成形すると共に、レーザ溶接に適するV字開
先を成形した。次に、この開先に向けてその鉛直方向か
ら25kwの炭酸ガスレーザを照射し、溶接母材を溶接
した。この溶接位置を紫外線レーザスポット光により照
明し、紫外線レーザ光の波長のみを透過する干渉フイル
タを介してCCD撮像装置により撮像した。紫外線レー
ザスポット光は、溶接のために鉛直方向から照射される
炭酸ガスレーザに対して角度20°以内の方向から照明
し、撮像装置は、炭酸ガスレーザに対して角度45から
65°の方向で、且つ、溶接母材から300mmの距離
だけ離れた場所に設置した。
【0015】このような溶接条件の基で、突き合わされ
たシームエッジの中心、即ち、溶接線とキーホールの中
心位置とのズレ量が最小になるように、手動制御しなが
ら250mに亘って溶接を行い、10mおきに溶接部の
サンプルを切り出し、顕微鏡によって観察した。この結
果、レーザビームのズレ量は、0.2mm以内であっ
た。
【0016】次に、画像を計算機に取り込んで、レーザ
ビーム位置をこの発明の方法に従って自動制御しなが
ら、250mに亘って溶接を行い、10mおきに溶接部
のサンプルを切り出し、顕微鏡によって観察した。この
結果、レーザビームのズレ量は、0.1mm以内であ
り、手動による場合に比べて高い精度が得られることが
分かった。
【0017】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、レーザビームによる突合わせ溶接中に、開先及びキ
ーホール近傍を撮像手段によって同時に撮影し、これに
よって得られた開先及びキーホール近傍の各々の画像の
画素の輝度を、溶接方向と直交する方向に亘って検出
し、このようにして検出した輝度に基づいて、開先及び
キーホールの各々の輝度分布曲線を作成し、このように
して作成した開先の輝度分布曲線とキーホールの輝度分
布曲線との間の偏差をとり、このようにして得られた輝
度偏差曲線の形状が開先の輝度分布曲線における変化点
の輝度分布幅の中心位置を中心として対称となるよう
に、レーザビームの照射位置を制御することによって、
レーザビームが常に開先の中心線上に照射されるように
レーザビームの照射位置を制御することができ、しか
も、照明装置を溶接位置直下に設置する必要がないこと
から、スパッタ等による照明装置の汚れが回避できる
等、有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図1】撮像装置により撮像された開先及びキーホール
近傍の画像を示す図である。
【図2】開先の輝度分布曲線を示す図である。
【図3】キーホールの輝度分布曲線を示す図である。
【図4】開先の輝度分布曲線とキーホールの輝度分布曲
線との間の偏差曲線を示す図である。
【図5】キーホールの中心が開先の中心より右側にズレ
ている場合の、開先及びキーホール近傍の画像を示す図
である。
【図6】開先の輝度分布曲線における変化点の輝度分布
幅の中心位置を示す図である。
【図7】キーホールの中心が開先の中心より右側にズレ
ている場合のキーホールの輝度分布曲線を示す図であ
る。
【図8】キーホールの中心が開先の中心より右側にズレ
ている場合の開先の輝度分布曲線とキーホールの輝度分
布曲線との間の偏差曲線を示す図である。
【図9】従来法の説明図である。
【図10】エッジ線を示す図である。
【図11】エッジ線の誤差の拡大を示す説明図である。
【符号の説明】
1:オープンシームパイプ 2:発光部 3:撮像装置 4:開先 5:溶融池 6:溶接母材 7:キーホール 8:溶接ビード
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B23K 26/04 B23K 26/00 B23K 26/02 G01B 11/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザビームによる突合わせ溶接中に、
    開先及びキーホール近傍を撮像手段によって同時に撮影
    し、これによって得られた前記開先及び前記キーホール
    近傍の各々の画像の輝度を、溶接方向と直交する方向に
    亘って検出し、このようにして検出した前記輝度に基づ
    いて、前記開先及び前記キーホールの各々の輝度分布曲
    線を作成し、このようにして作成した前記開先の輝度分
    布曲線と前記キーホールの輝度分布曲線との間の偏差を
    とり、このようにして得られた輝度偏差曲線の形状が前
    記開先の輝度分布曲線における変化点の輝度分布幅の中
    心位置を中心として対称となるように、前記レーザビー
    ムの照射位置を制御することを特徴とする、レーザビー
    ムによる突合わせ溶接におけるレーザビーム照射位置制
    御方法。
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