JP4154153B2

JP4154153B2 - アーク画像の取込方法

Info

Publication number: JP4154153B2
Application number: JP2002015798A
Authority: JP
Inventors: 浩渡辺; 勝義堀; 信雄中澤
Original assignee: Babcock Hitachi KK
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2002-01-24
Filing date: 2002-01-24
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2022-01-24
Also published as: JP2003220470A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス通電により加熱させた添加ワイヤを供給してＴＩＧアーク溶接を行う際にＣＣＤカメラで撮影した画像のデータを取り込んで処理するアーク画像の取込方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
アーク溶接を自動化するために用いられる光学センサーとしては、レーザー光を開先と直角方向に走査させて開先形状等を計測するレーザーセンサーと、レーザースリット光を開先と直角方向に照射し、その反射光を電荷結合素子（ＣＣＤ）撮像装置で撮像し、画像処理して開先形状を計測するスリット光センサーと、溶接部を直接ＣＣＤ撮像装置で撮影し、画像処理して溶接トーチの狙い位置等を制御する視覚センサーとがある。この中、視覚センサーは直接、溶接部を計測できることや、アーク、溶融池の状態が判定できること等の利点が評価されて現在は広く使用されている。
【０００３】
図３は従来例に係る視覚センサーを用いたＴＩＧ溶接制御装置の概略を示す構成図である。このＴＩＧ溶接制御装置では、視覚センサーは電極狙い位置制御のために用いられる。まず、ＴＩＧ溶接トーチ１先端のタングステン製の電極２と母材３とにアーク電源４からの出力端子を接続し、アルゴンガス遮蔽雰囲気中で、電極２を負極、母材３を正極として直流電圧を印加して、その間にアーク５を形成させ、ワイヤ案内管１６により導かれた添加ワイヤ６を溶融池１３中に供給しつつ溶接を行う。なお、この図では、矢印Ｐで示すように、溶接トーチ１は右側に向かって進行している。左右移動装置２０は溶接トーチ１の水平位置を進行方向（矢印Ｐ）と直角の左右方向に調整する。溶接トーチ１はトーチ取付治具２１に取り付けられており、このトーチ取付治具２１は左右駆動装置１９により駆動される左右移動装置２０に固定されている。
【０００４】
視覚センサー装置は溶接部を直接撮影するＣＣＤカメラ１７と、ＣＣＤカメラ１７で撮影した画像のデータをメモリーに取り込んで解析するコンピューターからなる画像処理装置１８とから成っている。溶接部の撮影は一般的に開先や溶融池１３の状態を監視し易いため、進行方向前方より行われる場合が多い。画像処理装置１８と左右駆動装置１９とは信号線で接続されていて、画像処理装置１８で得られた溶接部の画像のデータに基づいて左右移動装置２０の駆動制御が行われる。
【０００５】
図４は電極の狙い位置を計測する画像処理方法を説明するための説明図である。同図はＣＣＤカメラ１７が撮影した画像の一例を示したものである。左上角を座標原点とすると、右方向のＸ座標は０〜５１０、下方向のＹ座標は０〜ー５１０の値を取る。電極２の中心位置は以下のようにして計測する。即ち、同図で、画面上部を横方向に走る水平走査線Ｌh上の点の画素データを左から右に向かって調べていくと、電極２の画像は周囲のものに比較してかなり明るいので、画素データが大きく変化する点として境界点Ａ，Ｂを検出することができる。これらの境界点Ａ，Ｂの中点が電極２の中心位置となる。
【０００６】
次に、例えば、境界点Ａから下方向に垂直走査線Ｌl1上の点の画素データを調べていくと、アーク５の画像の輝度はかなり高いので、上述のようにして、その開先との境界を検出することができる。こうして、下方向に辿る垂直走査線Ｌl1を外側（左側）にずらしていくと、アーク５と開先との境界点Ｃを検出することができる。同様にして、境界点Ｂから右下方向に垂直走査線Ｌl2を外側（右側）にずらしながら垂直走査線Ｌl2上の点の画素データを調べていくことにより、アーク５と開先との境界点Ｄを検出することができる。これらの境界点Ｃ，Ｄの中点をアーク５の中心位置として求めることができる。
【０００７】
そして、このアーク５の中心位置と電極２の中心位置とを比較することにより、開先内の電極２のずれ量を検出することができる。このずれ量のデータが左右駆動装置１９に送られ、左右移動装置２０の駆動制御に用いられる。このように、視覚センサー装置ではアーク５を撮影した画像を基に開先内の電極２のずれ量を検出ているので、アーク５が安定して発生することが電極の狙い位置制御の必須条件となる。
【０００８】
ところで、ＴＩＧ溶接法では非消耗品の電極２と母材３との間を不活性ガスで遮蔽し、そこに安定したアーク５を発生させると共に添加ワイヤ６を溶融池１３中に挿入することにより、高品質の溶接を実施することができる。しかし、溶接効率がＭＡＧ溶接法等の他の溶接法に較べて劣っているため、より溶接効率が優れた溶接法としてホットワイヤＴＩＧ溶接法が導入された。
【０００９】
図５はホットワイヤＴＩＧ溶接装置の概略を示す構成図である。ホットワイヤＴＩＧ溶接法では添加ワイヤ６はワイヤリール１５に捲回されていて、ワイヤ送給装置７により送り出され、導管８およびこれに連結された導電管９とセラミック案内管１２の内部を挿通してアーク形成部に導かれる。
【００１０】
ワイヤ加熱電源１０から母材３および導電管９との間に、交流、直流または直流パルス電流が供給され、これにより導電管９と母材３との間の加熱部位ｅの添加ワイヤ６がジュール発熱して加熱され、溶融部に達するから、そこでの溶融速度を高めることができる。このように、添加ワイヤ６の加熱部位ｅは通電されるため、近傍に磁界が発生し、この磁界により、アーク５に所謂、磁気吹き現象が起きる。
【００１１】
図６はホットワイヤＴＩＧ溶接法における磁気吹き現象を説明するための説明図である。同図において、（ａ）は導電管９が負極、母材３が正極に電圧印加された場合、（ｂ）は導電管９が正極、母材３が負極に電圧印加された場合の例を示している。（ａ）の場合のように、アーク５を流れるアーク電流Ｉaの方向と、添加ワイヤ６を流れるワイヤ電流Ｉwの方向とが同一の場合は、アーク５ａのように添加ワイヤ６側に引っ張られ、（ｂ）の場合のように、アーク５を流れるアーク電流Ｉaの方向と、添加ワイヤ６を流れるワイヤ電流Ｉwの方向とが逆の場合は、アーク５ｂのように添加ワイヤ６から遠ざかる方に吹き出される。
【００１２】
溶接効率を上げる場合のように、ワイヤ電流Ｉwを大きくすると、当然のことながら、磁気吹き現象は顕著になる。母材３や添加ワイヤ６の溶融状態はこの磁気吹き現象により影響を受けるため、溶接の作業性を著しく阻害する。そこで、従来からかかる磁気吹き現象の発生を抑制する方法が工夫された。
【００１３】
図７は改良されたホットワイヤＴＩＧ溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。（ａ）はアーク電流Ｉaを一定とし、ワイヤ電流Ｉwをパルス電流として通電するＰＨ（Pulse Heated Hot Wire）方式の通電制御、（ｂ）はアーク電流Ｉaとワイヤ電流Ｉwを共にパルス電流にすると共に交互に通電するＨＳＴ（Hot Wire Switching TIG）方式のパルス通電制御の具体例を示す。ＰＨ方式のパルス通電制御の場合は、例えば、ワイヤ電流は３msec程度の短期間のパルス電流通電時間中だけアーク５に磁気吹き現象が起きるが、この時間は非常に短期間であるため、溶接の作業性を損ねることは殆ど無い。この方式を採用すると、市販のアーク電源装置を使用できるという利点がある。
【００１４】
また、ＨＴＳ方式のパルス通電制御の場合は、短期間のパルスのワイヤ電流通電時間中は、アーク電流はアーク５を持続できるだけの最低レベルの値まで下げられているので、磁気吹き現象の影響は軽微である。図５に示すホットワイヤＴＩＧ溶接装置は、この方式に係る装置を示したものであり、アーク電源４から出力されるアーク電流Ｉaとワイヤ加熱電源１０から出力されるワイヤ電流Ｉwを同期させるために、溶接制御装置１１からアーク電源４とワイヤ加熱電源１０とに同期信号を出力し、両者を同期させている。なお、図７に示したパルス電流の周波数は100Hz、通電デューティは30％であるが、一般的にはパルス電流の周波数は60Hz〜200Hz、ワイヤ電流Ｉwの通電デューティは15 〜40％のものが使用とされる。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ホットワイヤＴＩＧ溶接装置でパルス通電制御を行った場合は、ワイヤ電流Ｉwのパルス通電期間以外の期間にＣＣＤカメラ１７が撮影した画像のデータについては画像処理装置１８による開先内の電極２のずれ量検出に用いることができるが、ワイヤ電流Ｉwのパルス通電期間中にＣＣＤカメラ１７が撮影したアークの画像データは磁気吹き現象が生じている可能性が高いので、開先内の電極２のずれ量検出に用いることはできない。例えば、図７（ａ）に示すＰＨ方式のパルス通電制御の場合に、３msecの通電期間、即ち、溶接作業期間の全体で約３割の期間中にＣＣＤカメラ１７が撮影したアークの画像はアーク５の形状が不安定になっているため、開先内の電極２のずれ量検出に用いることができない。
【００１６】
本発明は従来技術におけるかかる不具合を解消すべく為されたものであり、ワイヤ電流をパルス通電制御するようにしたホットワイヤＴＩＧアーク溶接を行う場合でも、安定したアーク画像を取り込むことができるアーク画像取込方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に画像のデータの取込みを行うようにしたものであり、好ましくは、アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したり、画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を具体化した一実施例を詳細に説明する。図２は本発明の実施例に係るホットワイヤＴＩＧ溶接装置の概略を示す構成図、図１は同じく、ホットワイヤＴＩＧ溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。従来例と同一または同一とみなせる箇所には同一の符号を附して重複する説明を省略する。図１で（ａ），（ｂ），（ｃ）は何れもアーク電流Ｉaおよびワイヤ電流Ｉwの波形図と画像の取込みタイミング図であり、（ａ）はＰＨ方式、（ｂ），（ｃ）はＨＳＴ方式によるものである。
【００１９】
また、何れのパルス電流も従来例と同様に周波数は100Hz 、通電デューティは３０％である。同図から明らかなように、画像の取込みタイミング信号ｔ11，ｔ12（ｔ21，ｔ22，ｔ31，ｔ32）は何れもワイヤ電流が０の期間にある。取込みタイミング信号ｔ11，ｔ12（ｔ21，ｔ22，ｔ31，ｔ32）は溶接制御装置１１からＣＣＤカメラ１７と画像処理装置１８に出力される。ＣＣＤカメラ１７と画像処理装置１８はこれらの取込みタイミング信号ｔ11，ｔ12（ｔ21，ｔ22，ｔ31，ｔ32）に同期して画像の取り込みと画像処理を行う。
【００２０】
これにより、視覚センサー装置の画像処理装置１８におけるアーク５と開先との境界点Ｃ，Ｄの検出を安定的に確実に行うことができる。つまり、視覚センサー装置が検出した開先内の電極２の正しいずれ量に基づいたＴＩＧ溶接トーチ１の正確な左右位置制御を行うことができる。なお、市販のＣＣＤカメラは通常1/60sec に１回の画像取込みを行うようになっているので、そのタイミングに合わせて約30msecに１回の画像取込みを行うと良い。
【００２１】
（ｂ），（ｃ）に示すＨＳＴ方式によるパルス電流と取込みタイミングの制御では、（ｂ）の方は従来例と同様のアーク電流Ｉaおよびワイヤ電流Ｉwの交互出力制御を行うと共に、ワイヤ電流が０の期間内に取込みタイミング信号ｔ21，ｔ22を発生させたものであり、（ｃ）の方はアーク電流Ｉaが最低レベルにある期間を分割して、始めにワイヤ電流Ｉwの出力期間、次に取込みタイミング信号ｔ31，ｔ32の発生期間としたものである。
【００２２】
アーク光の強度は紫外域が強いため、アーク光を撮影して画像処理する場合は、特殊なフィルターを用いて紫外域光を減衰させる必要があるが、フィルターの選択を誤ると、電極２や溶融池１３からの赤外域の光をも減衰させてしまい、それらの画像が検出不能になることがあるが、（ｃ）に示すＨＳＴ方式の取込みタイミング制御では、アーク電流Ｉaが最低レベルにある期間に画像の取り込みを行うようにしているので、アーク光の強度が著しく低下した状態の光を撮影することになり、上述のような失敗をしなくて済むようになる。また、最低レベルにあるアーク電流Ｉaの値は一定に保たれているため、アーク光の撮影条件を一定に保持できるという利点もある。
【００２３】
さらに、アーク電流Ｉaが最低レベルにある期間の中、始めの方をワイヤ電流Ｉwの出力期間とし、その後、取込みタイミング信号ｔ31，ｔ32の発生期間としたので、アーク電流Ｉaが完全に最低レベルに達した後、画像取込みを行うことができるから、精度が高い開先内の電極２のずれ量検出を行うことができる。
【発明の効果】
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に画像のデータの取込みを行うようにしたので、ホットワイヤＴＩＧアーク溶接を行う場合でも、安定したアーク画像を取り込むことができる。
【００２４】
請求項２記載の発明によれば、アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したので、磁気吹き現象の影響を最低限に抑えることができる。
【００２５】
請求項３記載の発明によれば、画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたので、アーク以外の画像が検出不能となって見落としてしまうのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に係るホットワイヤＴＩＧ溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。
【図２】同じく、ホットワイヤＴＩＧ溶接装置の概略を示す構成図である。
【図３】従来例に係る視覚センサーを用いたＴＩＧ溶接制御装置の概略を示す構成図である。
【図４】電極の狙い位置を計測する画像処理方法を説明するための説明図である。
【図５】従来例に係るホットワイヤＴＩＧ溶接装置の概略を示す構成図である。
【図６】ホットワイヤＴＩＧ溶接法における磁気吹き現象を説明するための説明図である。
【図７】改良されたホットワイヤＴＩＧ溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。
【符号の説明】
１ＴＩＧ溶接トーチ
２電極
３母材
４アーク電源
５アーク
６添加ワイヤ
９導電管
１０ワイヤ加熱電源
１１溶接制御装置
１２セラミック案内管
１３溶融池
１７ＣＣＤカメラ
１８画像処理装置
１９左右駆動装置
２０左右移動装置

Claims

開先内に位置した電極と母材との間に発生させたアークで形成された溶融池に、パルス通電により加熱させた添加ワイヤを供給してＴＩＧアーク溶接を行う際に、前記アークの発生位置を計測するためにＣＣＤカメラで撮影した画像のデータを取り込んで処理するアーク画像の取込方法において、前記添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に前記画像のデータの取込みを行うようにしたことを特徴とするアーク画像の取込方法。
アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したことを特徴とする請求項１記載のアーク画像の取込方法。
画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたことを特徴とする請求項２記載のアーク画像の取込方法。