JP3439138B2 - レ―ザ溶接モニタリング方法及びその装置 - Google Patents

レ―ザ溶接モニタリング方法及びその装置

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JP3439138B2 JP31870898A JP31870898A JP3439138B2 JP 3439138 B2 JP3439138 B2 JP 3439138B2 JP 31870898 A JP31870898 A JP 31870898A JP 31870898 A JP31870898 A JP 31870898A JP 3439138 B2 JP3439138 B2 JP 3439138B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接中に溶
接不具合を推定するレーザ溶接モニタリング方法及びそ
の装置に関する。
【0002】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】最近、技
術開発が盛んであるレーザ溶接技術にあっては、溶接欠
陥等溶接の不具合を検知し、その不具合の原因を無くす
ように条件の修正を加えたり適応制御を行ない、溶接品
質を更に向上させる必要に迫られている。従来では、溶
接の不具合や溶接の安定性は、レーザプルームの発光や
溶融池からの発光を検出して、その発光状態によりビー
ド外観の良否を判定するものであった。
【0003】しかしながら、レーザ溶接でのビード外観
に関する溶接不具合や溶接安定性、突合わせ溶接部のア
ンダ−カット、段差等は、ある程度推定あるいは検出で
きたとしても、溶接金属内部での溶接不具合の的確な検
出技術は今の所存在しない。他の溶接法にあっては、応
力集中の原因となる溶接欠陥として代表的なものにブロ
ーホールがあって問題視されるのであるが、溶接後のX
線透過を行なった状態では、レーザ溶接では他の溶接法
に比べ、厚板の溶接や非貫通溶接では、溶接金属内部に
気泡(ポロシティと称される)が発生し易く、溶接中で
の溶接金属内部状態を的確にモニタリングする必要があ
る。
【0004】本発明は、上述の問題に鑑み、溶接金属内
部のポロシティの存在も含めた溶接欠陥の発生を的確に
推定できるレーザ溶接モニタリング方法及びその装置の
提供を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成する本
発明は、次の発明特定事項を有する。
【0006】(1)レーザ溶接中開先のキーホール内所
望の複数深さに焦点又は撮像位置を合わせて、その深さ
それぞれの光量を取り出し、その光量を解析するように
した方法を特徴とする。
【0007】(2)開先に対してパワービームを照射す
る第1光学系と、このパワービームによる上記開先のキ
ーホール内所望複数深さに焦点又は撮像位置を合わせる
複数光路からなる第2光学系と、この複数光路により得
られた光量を解析する手段と、を有することを特徴とす
る。
【0008】(3)上記(2)にて、上記複数光路は、
異なる位置に部分反射鏡を備えて形成される光路、レン
ズを往復駆動して形成される光路、及び反射鏡を回動し
て形成される光路、のいずれかであることを特徴とす
る。
【0009】(4)上記(2)にて、上記光量の解析
は、複数波長光を取り出して多変量解析等を行なうこと
を特徴とする。
【0010】本発明者らは、X線透過によるポロシティ
の存在と、レーザ溶接中での溶融池の挙動とを対比観察
しつつ考察した結果、新たな知見に至った。すなわち、
レーザ溶接によって生ずる溶融穴(キーホールと称す
る)内部の状態とポロシティの存在とが関連することを
見出した。そして、この関連性というのは、キーホール
が定常的に推移していく場合、例えば次第に大きくなる
とか次第に深くなる場合には問題ないのであるが、定常
的ではない場合、例えば溶接中キーホールが閉じたり先
端形状が変化したりする場合にはポロシティが生ずるこ
とが判明した。
【0011】次に、この新規な知見を見出したのである
が、キーホールが定常状態で推移しているか否かについ
ては、レーザプルームが高輝度発光であるため、漫然と
観察していたのでは見分けがつかない。したがって、キ
ーホールの定常状態でない様子をどのように検出するか
についても発明者らは考察し、そして、更に発明者ら
は、情報の解析による溶接モニタリングについても考察
し、試験結果を得た。
【0012】
【発明の実施の形態】ここで、図1〜図6を参照して本
発明の実施の形態の一例を説明する。図1は、本発明装
置の一例であり、ワーク10の開先11に対して上方よ
りパワービームが照射される。パワービームは、YAG
レーザ等からなるレーザ光源12、全反射鏡13、及び
集光レンズ14からなる第1光学系によって作成され
る。
【0013】他方、部分反射鏡15a、レンズ16aに
よる第2光学系によりモニタ用ファイバ17aにて開先
11の深さ方向位置での光量を得るように焦点あるい
は、結像面合わせが行なわれる。同様に部分反射鏡15
b、レンズ16bによる第2光学系にてモニタ用ファイ
バ17bに開先11の深さ方向位置での光量を得る焦
点あるいは、結像面合せが行なわれる。また、レンズ1
6cによってもモニタ用ファイバ17cに深さ方向位置
での光量を得る焦点合わせが行なわれる。つまり、開
先のキーホール深さ,,に応じて焦点合わせがさ
れた第2光学系によって各モニタ用ファイバ17a,1
7b,17cに各深さ,,に当る光量が取り込ま
れる。
【0014】この場合、溶接によって開先11の表面に
高輝度のプルームが生じることとなるが、このプルーム
が発生していても、開先の深さ位置での光量は焦点合わ
せにより得られることが判明している。もちろん、プル
ーム等により不要な光もノイズとして発生するものの、
これ等ノイズを低減するためモニタ用ファイバの前面に
ピンホ−ル22を設置し入射光量を制限する。このた
め、深さ位置の光量の判別は可能となっている。
【0015】キーホールの深さ位置での光量を得る手段
として、図2では、開先11に対して接近及び離間する
よう往復駆動するレンズ16dを有しており、このレン
ズ16dの移動によってキーホールの深さの例えば,
,の焦点合わせを行ない、モニタ用ファイバ17d
に深さ,,の光量を取り込むようにしている。こ
の場合、レンズ16dの駆動系は図示省略するも、例え
ばモータの回転を直線運転に変えてレンズ16dを動か
したり、モータの回転に伴って回転しつつ前後進させる
構造等、例えばカメラのレンズ駆動手段を応用した種々
のものが適用できる。
【0016】また、図3は、キーホールの深さ,,
,に応じた撮像位置の状態を反射鏡15dによる回
動によって、フォトセンサ18a,18b,18c,1
8dへ個別に反射させて、フォトセンサ18a,18
b,18c,18dにてキーホールの各撮像位置での光
量を取り込むようにしたものである。この場合も、反射
鏡15dの回動角を決め、所定のフォトセンサ18a,
18b,18c,18dに所望深さの光量が正確に入る
ようにする必要がある。
【0017】このようにして、キーホールの深さ位置の
光量をレンズによる焦点合わせによりあるいは反射鏡の
回動角(撮像位置)合わせにより、モニタ用ファイバや
フォトセンサに取り込むことにより、プルーム等ノイズ
が存在するにしてもそれぞれの深さの光量を個別に取り
込むことができる。したがって、各モニタ用ファイバや
各フォトセンサの取り込んだ光量は、ノイズを含んだ該
当する深さ状態に当たる固有の光量となる。
【0018】さて、図4は、図1や図2にて示すモニタ
用ファイバから取り込んだ光量の処理装置の概要を図示
したものであり、図示の如くO/E(光/電気)変換器
20、コンピュータ21にて処理が行なわれる。ここ
で、モニタ用ファイバから取り込んだ光量はノイズとキ
−ホ−ルの所望の深さの光量とに分ける必要があり、本
例においては複数種類の波長光を取り出すことで少しで
もノイズを除いてS/Nを向上させ本来の深さの光量を
得ようとする。したがって、O/E変換器では例えば光
学フィルタを内蔵させて波長の弁別を行なう。なお、フ
ォトセンサの場合は電気出力でありO/E変換器でなく
フィルタも電気フィルタが備えられることになる。
【0019】この複数種類の波長光は、試験結果により
得られたものであり、例えば三種類の波長光λ1
λ2 ,λ3 に着目したとき、レーザ照射による溶接時間
に対して光の相対強度は図5に示すような相対値と挙動
が得られた。因に、図5はキーホールが正常な場合にお
ける波長光の相対値と挙動を示している。
【0020】このようにして、各モニタ用ファイバにて
取り込まれた光量を複数波長に分けてS/Nを向上さ
せ、しかもこの複数波長光の例えば相対強度からキーホ
ールの正常な状態と異常な状態(キーホールが閉じる状
態)とを判別してキーホールの所望の深さでの正常と異
常を判別する。
【0021】図6は、コンピュータによる「正常」と
「異常」の判断手法と、異常の場合の処置を例示したも
のである。図6にて、溶接が開始されると、図1〜図3
のモニタ用ファイバやフォトセンサから得られる光量か
ら複数波長(例えば図5)のモニタリングデータを読み
込み、データの圧縮を行ない、「正常か」「異常か」の
判別を行なう多変量解析を行なう。この場合、予め正規
データを分析し学習することにより、マハラノビス(Mah
alanobis) 距離による正規分布の偏りやチェビシェフ(C
hebyshev) の不等式による多変数の平均化処理を用いて
適合度の検定を行ない多量のデータから相互に関連する
特徴を見出して「正常」「異常」を判定する多変量解析
を行なっている。また、「異常」原因の判断は異常デー
タの学習により神経回路網を構築して並列データ処理を
行なっている。そして、異常の結果は、例えばパワーダ
ウン、スパッタ付着、光システムの低下、速度変更等に
基づき補正あるいは修正を行なう処置が行なわれる。
【0022】図6に示す処理は、複数種類の波長光に内
包する多種多様なデータより特徴や要因を分析して「正
常」「異常」を判断するもので、レーザ溶接によるキー
ホール深さの解析によりポロシティなる溶接の代表的な
不具合をモニタすることが可能であり、結果的にレーザ
溶接の溶接品質の向上に寄与するものである。
【0023】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、レ
ーザ溶接中の開先の所望の複数深さに合わせて、その深
さでの光量を取り出し、解析するようにしたことによ
り、今まで行なわれていなかったレーザ溶接での溶接金
属内部欠陥を的確にモニタすることが可能となり、レー
ザ溶接の溶接欠陥の発生防止や除去のために極めて有用
な基礎技術となり得る。また、開先に対してパワービー
ムを照射する第1光学系と、このパワービームによる上
記開先のキーホール内所望深さに焦点又は撮像位置を合
せる複数光路からなる第2光学系と、この複数光路によ
り得られた光量を解析する手段と、を有することによ
り、溶接金属内部欠陥を的確にモニタすることができ
る。この際、複数光路は異なる位置に部分反射鏡をそな
えたり、レンズを往復駆動したり、反射鏡を回転させた
りでき、また解析は、例えば多変量解析を行っている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実態の形態の一例の簡略構成図。
【図2】他の例の簡略構成図。
【図3】その他の例の簡略構成図。
【図4】処理装置をも含めた簡略構成図。
【図5】三種類の波長光の特性図。
【図6】コンピュータによる一例の処理フローチャー
ト。
【符号の説明】
11 開先 15a,15b,15d 反射鏡 16a,16b,16c,16d レンズ 17a,17b,17c,17d モニタ用ファイバ 18a,18b,18c,18d フォトセンサ 20 O/E変換器 21 コンピュータ 22 ピンホ−ル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 名山 理介 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目1番1号 三菱重工業株式会社 高砂研究所内 (72)発明者 橋本 義男 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目1番1号 三菱重工業株式会社 高砂研究所内 (72)発明者 長島 是 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番 1号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (72)発明者 赤羽 崇 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目1番 1号 三菱重工業株式会社 神戸造船所 内 (56)参考文献 特開 平10−52779(JP,A) 特開 平10−122813(JP,A) 特開 平4−361889(JP,A) 特開 平11−295051(JP,A) 特開 平11−351836(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 21/84 - 21/958 B23K 26/00 - 26/18

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 レーザ溶接中開先のキーホール内所望の
    複数深さに焦点又は撮像位置を合わせて、その深さそれ
    ぞれの光量を取り出し、その光量を解析するようにした
    レーザ溶接モニタリング方法。
  2. 【請求項2】 開先に対してパワービームを照射する第
    1光学系と、このパワービームによる上記開先のキーホ
    ール内所望複数深さに焦点又は撮像位置を合わせる複数
    光路からなる第2光学系と、この複数光路により得られ
    た光量を解析する手段と、を有するレーザ溶接モニタリ
    ング装置。
  3. 【請求項3】 上記複数光路は、異なる位置に部分反射
    鏡を備えて形成される光路、レンズを往復駆動して形成
    される光路、及び反射鏡を回動して形成される光路、の
    いずれかである請求項2記載のレーザ溶接モニタリング
    装置。
  4. 【請求項4】 上記光量の解析は、複数波長光を取り出
    して多変量解析等を行なう請求項2記載のレーザ溶接モ
    ニタリング装置。
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