JP3949076B2 - Laser welding quality evaluation apparatus and method - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握し、評価する技術に係り、特に溶接部から反射されるレーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置および方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、レーザ光の反射光を用いてレーザ溶接状況を把握し、評価するレーザ溶接品質評価装置、方法としては、特許文献1に記載されたものがある。このものは、レーザトーチ内に、溶接用レーザ光の光軸と同軸となるようにして集光レンズを設け、溶接部から反射されるレーザ光の反射光を前記集光レンズで集光してCCDカメラへ送り、CCDカメラからの各画素の輝度レベル(光強度)について、それぞれがあらかじめ定められた範囲内にあるかどうかを判別して2値化し、さらに重み付け等を行って溶接欠陥の有無を判定するようにしている。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−42769号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献1に記載されるレーザ溶接品質評価装置、方法によれば、レーザ光の反射光を照射レーザ光の光軸と同軸で集光しているため、撮像範囲が限定され、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とする溶接前後方向の状況、特にキーホールの後壁部分および該後壁部分に隣接する部分の状況を的確に把握することはできず、溶接品質を正確に判断することが困難になる。
また、CCDカメラからの全画素について2値化し、重み付け等をする処理が必要なため、判定結果(評価)が出るまでに時間がかかり、レーザ溶接状況をリアルタイムに把握することが困難になる。
本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたもので、その課題とするところは、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の状況を的確にかつ速やかに把握できるようにすることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置は、レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光の反射光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データを得る撮像手段と、該撮像手段で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定手段とを備えていることを特徴とする。
このように構成したレーザ溶接品質評価装置においては、撮像手段が、レーザ光の反射光を照射レーザ光と非同軸で受光して画像データを得るので、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の情報を広範に把握することができる。また、品質判定手段は、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定するので、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とする溶接前後方向の溶接状況を的確に把握できる。しかも、レーザ光の反射光をパターン化して溶接品質を把握するので、2値化や重み付けなどの面倒な処理が不要になり、溶接状況をリアルタイムに把握できる。
本装置において、上記撮像手段は、キーホールの後壁部分を中心に撮像できるように、レーザトーチよりも溶接方向前側に位置して傾斜して配置される構成とすることができる。この場合は、溶接品質と密接に相関するキーホールの後壁部分を中心に溶接状況を的確に把握できる。
本発明の装置において、上記撮像手段は、エリアを撮像可能なエリアセンサカメラであっても、1ラインの撮影が可能なラインセンサカメラであってもよい。
また、上記課題を解決するための、本発明に係るレーザ溶接品質評価方法は、レーザトーチから出射されるレーザ光を被溶接物に照射し、前記レーザトーチと前記被溶接物とを溶接方向へ相対移動させて溶接を行うレーザ溶接において、前記被溶接物に対するレーザ光の照射部位から反射されるレーザ光の反射光を前記照射レーザ光と非同軸で受光し、溶融部の画像データまたはキーホールの後壁部分を中心とする画像データを得る撮像工程と、該撮像工程で得られた画像データの、溶接前後方向の光強度分布に基づいて溶接品質を判定する品質判定工程とを含むことを特徴とする。
【0006】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基いて説明する。
図1および図2は、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の一つの実施の形態を示したものである。これらの図において、1は、溶接用レーザ光Aを被溶接物Wへ向けて出射するレーザトーチであり、レーザトーチ1内には、レーザ発振器2から光ファイバ3を介して送られたレーザ光Aを集光する光学系が内臓されている。本実施の形態において、被溶接物Wは、相互に重ね合された2枚の鋼板W1、W2からなっており、溶接に際しては、レーザトーチ1から出射されるレーザ光Aが上側の鋼板W1上に所定のパターンとなるように照射され、この状態で、レーザトーチ1と被溶接物Wとが溶接方向Fへ相対的に駆動される。なお、溶接用レーザ光Aとしては、YAGレーザ光、炭酸ガスレーザ光等の高出力レーザ光を用いることができ、前記レーザ発振器2としては、これら使用するレーザ光の種類に応じて適宜のものが使用される。
【0007】
レーザ溶接においては、被溶接物Wに対するレーザ光Aの照射部位にキーホール4が形成されると共に、このキーホール4の周りに溶融金属の溶融池(溶融部)5が形成される。溶融池5は溶接方向Fの後側へ延びるように形成され、溶融金属は、レーザトーチ1の移動(相対移動)に応じて溶融池5の後端側から順次凝固する。図中、6は、前記溶融金属の凝固跡である溶接ビード6を示しており、被溶接物Wとしての2枚の鋼板W1、W2は、この溶接ビード6を介して相互に重ね合せ溶接される。
【0008】
10は、上記溶融部5からのレーザ光Aの反射光Bをフィルタ11を通して受光し、溶融部5の画像データを得るエリアセンサカメラ(撮像手段)である。エリアセンサカメラ10は、ここではエリアCCDカメラからなっており、レーザトーチ1よりも溶接方向Fの前側に位置して配置されている。このエリアセンサカメラ10はまた、前記キーホール4の後壁部分4aを中心に撮像できるように、被溶接物Wの上面に対して傾斜して配置されている。この場合、エリアセンサカメラ10の傾斜角度αは任意であるが、40〜60度望ましくは50度程度に設定するのがよい。なお、フィルタ11は、レーザ光Aの反射光Bの波長成分を透過帯域とする光学フィルタである。また、エリアセンサカメラ10は、レーザトーチ1に連結してもよいが、レーザトーチ1を駆動する駆動系(例えば、ロボット)に支持させてもよい。
【0009】
レーザ溶接における溶接品質は、上記したキーホール4の大きさはもちろん、キーホール4の後壁部分4aおよびこれに隣接する部分の溶接状況と密接に相関することが知られている。本実施の形態においては、上記したようにこのキーホール4の後壁部分4aを中心に撮像できるようにエリアセンサカメラ10を設置しているので、このエリアセンサカメラ10で高速度撮影することにより得られる画像データは、溶接品質を正確に反映するものとなる。
本発明者等は、上記した点を確認するため、上記重ね合せ溶接を繰返えす中で、エリアセンサカメラ10による高速撮影を行い、該エリアセンサカメラ10による画像データと溶接品質との相関を種々調査した。図3〜図6中の上側は、エリアセンサカメラ10で得られた種々の画像データを可視化して示したもので、溶接状況(溶接品質)に応じて、満月状(図3)、2分離三日月状(図4)、3分離三日月状(図5)、単独三日月状(図6)等を呈するようになる。このうち、図3に示す満月状の画像P1は溶接品質が良好な場合に、図4に示す2分離三日月状の画像P2は溶接品質がやや良好な場合に、図5に示す3分離三日月状の画像P3は表引け、裏引け等の引けが生じた場合に、図6に示す単独三日月状の画像P4は溶け落ちが生じた場合にそれぞれ現われ、したがって、これら画像のパターンを認識することにより溶接品質を正確に把握することが可能になる。
【0010】
上記エリアセンサカメラ10による画像データは、信号線12を介して品質判定手段13へ送出される。品質判定手段13は、エリアセンサカメラ10で得られた画像データについて、レーザの照射位置を中心とする溶接前後方向の光強度分布を得る機能を有する情報算出装置14と前記情報算出手段14で得られた光強度分布を予め設定したパターンと比較して、溶接品質の良否を判定する機能を有するパターン認識装置15とを備えている。
【0011】
上記情報算出装置14においては、例えば、図3〜6に示した各画像(可視化画像)P1〜P4について、溶接方向Fと直交する方向(溶融部5の幅方向)の輝度値を加算することを溶接の前後方向で繰返して、光強度分布を得る。したがって、この情報算出装置12により得られた光強度分布は、図3〜6の下側に示すように、各画像(画像データ)をパターン化したデータとなる。このようにして得られたパターンは、溶融部の幅方向の輝度値を加算しているので、撮像位置のずれや画像の粒子化精度による誤差が極めて小さくなり、溶融部5の状況を正確に反映するものとなる。
また、上記パターン認識装置15においては、例えば、前記満月状の画像P1(図3)および2分離三日月状の画像P2(図4)に相当するパターンを合格パターンとして予め設定することにより、これらのパターンを外れる光強度分布(図5、6)が得られた場合には、溶接不良と判定する。この場合、パターンを比較判定する指標として、ピークの高さ、ピークの数、ピーク間距離、パターン内の面積などを用いることができる。
なお、必要により、この品質判定手段13による判定結果を、上記可視化された画像と合せて表示装置に表示させるようにしてもよい。
【0012】
以下、上記のように構成した溶接品質評価装置による溶接品質評価方法を説明する。
レーザ溶接に際しては、溶接すべき二枚の鋼板W1とW2とを密着して重ね合せ、この二枚の鋼板W1とW2とを重ね合せた被溶接物Wの上方に、例えば、ロボットを用いて上記レーザトーチ1とエリアセンサカメラ10とを位置決めする。そして、レーザ発振器2を起動させてレーザトーチ1からレーザ光Aを被溶接物Wに向けて出射し、レーザトーチ1を溶接方向Fへ移動させると、二枚の鋼板W1とW2とは次第に重ね合せ溶接される。
【0013】
上記した溶接中、エリアセンサカメラ10は高速(例えば、毎秒30コマ)で作動しており、その作動に応じて溶融部5特にキーホール4の周辺から反射されるレーザ光Aの反射光Bがエリアセンサカメラ10内の撮像素子に受光され、これにより、エリアセンサカメラ10には、キーホール4の後壁部分4aを中心とする1コマごとの画像データが取込まれる。この1コマごとの画像データは、エリアセンサカメラ10から品質判定手段13内の情報算出装置14へ順次送出され、情報算出装置14は前記画像データについて画像処理を行い、溶接前後方向の光強度分布を求める。すると、パターン認識装置15は、前記情報算出装置14で得られた溶接前後方向の光強度分布を予め設定された良好なパターンと比較し、溶接品質の良否を判定する。
【0014】
このように本レーザ溶接評価方法によれば、エリアセンサカメラ10で得られた画像データを、溶接前後方向におけるレーザ反射光の光強度分布としてパターン化するので、従来のように照射レーザと同軸でレーザ反射光を集光する場合に比べて、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の情報を広範に把握することができ、溶接品質を的確に把握できる。本実施の形態の形態においては特に、溶接トーチ1の周りにエリアセンサカメラ10を配置し、溶接品質と密接に相関するキーホール4の後壁部分4aを中心に撮像データを得るようにしているので、溶接品質の評価も極めて正確となる。しかも、2値化や重み付けなどが不要になるため、処理は簡単となり、リアルタイムに溶接状況を把握できる。
なお、上記実施の形態においては、各画像P1〜P4(図3〜6)について、溶融部5の幅方向の輝度値を加算することを溶接の前後方向で繰返して、光強度分布を得るようにしたが、これに代えて、各画像P1〜P4について1ラインまたは複数ラインの光輝度分布を得るようにしてもよい。ただし、この場合は、幅方向の輝度値を加算する場合よりも誤差が大きくなる。
【0015】
ここで、上記実施の形態においては、溶融部5の撮像手段としてエリアセンサカメラ10を用いたが、本発明は、前記エリアセンサカメラ10に代えて、受光部に撮像素子を直線状に配列したラインセンサカメラを用いることができる。ただし、この場合は、キーホール4を溶接方向Fに横断するラインに沿う画像データが得られるようにラインセンサカメラの設置向きを調整する必要がある。撮像手段としてラインセンサカメラを用いた場合は、その画像データが、1ラインの光強度分布を表しているので、情報算出装置14は、単にラインセンサカメラの出力を光度変換するだけの画像処理となり、エリアセンサカメラ10によるエリア画像データを画像処理する場合に比べてその処理は簡単となる。また、ラインセンサカメラは、エリアセンサカメラ10に比べてより高速での撮影(例えば、毎秒120コマ)が可能になるので、よりリアルタイムに溶接品質を評価することができる。
【0016】
なお、上記実施の形態においては、キーホール4の後壁部分4aを中心に画像データを得るようにしたが、この画像データを得る部位は任意であり、例えば、キーホール4中心の画像データを得るようにしてもよい。
また、撮像手段としてラインセンサカメラを用いる場合は、該ラインセンサカメラを溶融部5の幅方向また溶接方向Fへ走査させることによりエリア画像データの取込みも可能になるので、ラインセンサカメラをこのように用いることも本発明の範囲に含まれる。
さらに、上記実施の形態においては、二枚の鋼板W1、W2の重ね合せ溶接に適用した例を示したが、本発明は、これ以外にも2つの部材の突合せ溶接、隅肉溶接等に適用できることはもちろんである。
【0017】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係るレーザ溶接品質評価装置、方法によれば、撮像手段で得られた画像データを、溶接前後方向におけるレーザ反射光の光強度分布としてパターン化して溶接品質を判定するので、溶接品質と相関する、レーザ光の照射位置を中心とした溶接前後方向の状況を的確にかつ速やかに把握でき、溶接品質評価に対する信頼性が著しく向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るレーザ溶接品質評価装置の第1の実施の形態を示す模式図である。
【図2】図1の要部を拡大して示す断面図である。
【図3】本レーザ溶接品質評価装置で得られる画像データの可視化画像と、この可視化画像の、溶接前後方向の光強度分布を示したもので、良好な溶接品質に対応する結果を示す図である。
【図4】やや良好な溶接品質に対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図3と同様の図である。
【図5】引けに対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図3と同様の図である。
【図6】溶け落ちに対応する可視化画像と高強度分布とを示す、図3と同様の図である。
【符号の説明】
1 レーザトーチ
4 キーホール
4a キーホールの後壁部分
5 溶融池(溶融部)
10 CCDカメラ(撮像手段)
11 フィルタ
13 品質判定手段
A 溶接用レーザ光
B レーザ光の反射光
W 被溶接物[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for grasping and evaluating a laser welding situation in real time, and in particular, a laser welding quality evaluation apparatus and method for grasping and evaluating a laser welding situation using reflected light of a laser beam reflected from a welded portion. About.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a laser welding quality evaluation apparatus and method for grasping and evaluating a laser welding situation using reflected light of a laser beam, there is one described in
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-42769 A [0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the laser welding quality evaluation apparatus and method described in
Further, since it is necessary to binarize and weight all pixels from the CCD camera, it takes time to obtain a determination result (evaluation), and it is difficult to grasp the laser welding situation in real time.
The present invention has been made in view of the above-described problems, and the object of the present invention is to make it possible to accurately and promptly grasp the situation in the longitudinal direction of welding centering on the irradiation position of the laser beam. is there.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a laser welding quality evaluation apparatus according to the present invention irradiates an object to be welded with laser light emitted from a laser torch, and relatively moves the laser torch and the object to be welded in a welding direction. In laser welding for performing welding, imaging means for receiving reflected light of the laser beam reflected from the irradiated portion of the laser beam with respect to the workpiece to be welded non-coaxially with the irradiated laser beam, and obtaining image data of the fusion part, It is characterized by comprising quality judgment means for judging the welding quality based on the light intensity distribution in the longitudinal direction of welding of the image data obtained by the imaging means.
In the laser welding quality evaluation apparatus configured as described above, since the imaging means receives the reflected light of the laser beam non-coaxially with the irradiated laser beam and obtains image data, before and after welding around the irradiation position of the laser beam. It is possible to grasp direction information extensively. Moreover, since the quality determination means determines the welding quality based on the light intensity distribution in the longitudinal direction of welding, it is possible to accurately grasp the welding situation in the longitudinal direction of welding centering on the irradiation position of the laser beam, which correlates with the welding quality. . Moreover, since the welding quality is grasped by patterning the reflected light of the laser beam, troublesome processing such as binarization and weighting becomes unnecessary, and the welding situation can be grasped in real time.
In the present apparatus, the image pickup means can be configured to be inclined and positioned on the front side in the welding direction with respect to the laser torch so that an image can be picked up around the rear wall portion of the keyhole. In this case, the welding situation can be accurately grasped centering on the rear wall portion of the keyhole that is closely correlated with the welding quality.
In the apparatus of the present invention, the imaging means may be an area sensor camera capable of imaging an area or a line sensor camera capable of capturing one line.
In addition, a laser welding quality evaluation method according to the present invention for solving the above-described problems is directed to irradiating an object to be welded with laser light emitted from a laser torch and relatively moving the laser torch and the object to be welded in a welding direction. In laser welding in which welding is performed, the reflected light of the laser beam reflected from the irradiated portion of the laser beam with respect to the workpiece is received non-coaxially with the irradiated laser beam, and after the melted portion image data or the keyhole An imaging process for obtaining image data centered on a wall portion, and a quality determination process for determining welding quality based on a light intensity distribution in the longitudinal direction of welding of the image data obtained in the imaging process. To do.
[0006]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 and 2 show one embodiment of a laser welding quality evaluation apparatus according to the present invention. In these drawings,
[0007]
In laser welding, a
[0008]
[0009]
It is known that the welding quality in laser welding closely correlates with the welding situation of the
In order to confirm the above points, the present inventors performed high-speed imaging with the
[0010]
The image data from the
[0011]
In the
Further, in the
If necessary, the determination result by the
[0012]
Hereinafter, the welding quality evaluation method by the welding quality evaluation apparatus comprised as mentioned above is demonstrated.
In laser welding, the two steel plates W1 and W2 to be welded are brought into close contact with each other, and the two steel plates W1 and W2 are superposed on the workpiece W, for example, using a robot. The
[0013]
During the above-described welding, the
[0014]
As described above, according to the present laser welding evaluation method, the image data obtained by the
In the above embodiment, for each of the images P1 to P4 (FIGS. 3 to 6), adding the luminance value in the width direction of the
[0015]
Here, in the above-described embodiment, the
[0016]
In the above embodiment, the image data is obtained centering on the
Further, when a line sensor camera is used as the imaging means, the area sensor data can be taken in by scanning the line sensor camera in the width direction or the welding direction F of the
Furthermore, in the said embodiment, although the example applied to the lap welding of the two steel plates W1 and W2 was shown, this invention is applied to butt welding, fillet welding, etc. of two members besides this. Of course you can.
[0017]
【The invention's effect】
As described above, according to the laser welding quality evaluation apparatus and method according to the present invention, the image data obtained by the imaging means is patterned as the light intensity distribution of the laser reflected light in the pre- and post-welding directions to improve the welding quality. Since the determination is made, it is possible to accurately and promptly grasp the situation in the longitudinal direction of the welding centering on the irradiation position of the laser beam, which correlates with the welding quality, and the reliability for the welding quality evaluation is remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a first embodiment of a laser welding quality evaluation apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a main part of FIG.
FIG. 3 shows a visualized image of image data obtained by this laser welding quality evaluation apparatus, and a light intensity distribution of the visualized image in the direction before and after welding, and shows results corresponding to good welding quality. is there.
FIG. 4 is a view similar to FIG. 3, showing a visualized image and a high intensity distribution corresponding to slightly better welding quality.
FIG. 5 is a view similar to FIG. 3, showing a visualized image corresponding to a close and a high intensity distribution.
6 is a view similar to FIG. 3, showing a visualized image corresponding to burn-through and a high-intensity distribution. FIG.
[Explanation of symbols]
1
10 CCD camera (imaging means)
11
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