JP4449506B2 - アーク溶接部分撮影装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接中のアーク周辺部分の状景を撮影するアーク溶接部分撮影装置に関するものである。

アーク溶接において、溶接状況を可視化することは、溶接品質を向上させるために必要である。そこで、ビート不連続やスパッタなどの溶接不良の発生原因、メカニズムを解明し対策するために、溶融池、ビート、ワイヤ先端部の位置、ワイヤ先端の溶滴へのスプレー移行、アークの状態などの溶接状況をリアルタイムで撮影して観察することが必要である。

従来、ワイヤ先端の溶滴へのスプレー移行の観察は、キセノンランプなどの高強度光源を用いた背光（影絵）観察で行われている。しかし、これでは溶接トーチを固定し、テストピースを動かして溶接するテスト機による溶接状況の観察しか行うことができず、溶接トーチをロボットで移動させてワークを溶接するような実ラインでの溶接状況を観察し、最適な溶接条件を見つけ出すことは困難である。そこで、特許文献１に記載された溶接状況監視装置では、実ラインでの観察を可能とするために、可視域に感度を有する光電検出器からなるカメラをワイヤを保持するコレット部の後方に同軸上に配置し、前方に配置したレンズ及び感光フィルタを通して溶接部を撮影している。また、カメラの前方に設けた二枚の可動式反射鏡及び二枚の固定式反射鏡に反射させてアーク周辺のビード、回先形状、ワイヤ送給の状態をカメラに取り込んで撮影し、この撮影する視野を可動式反射鏡を動かすことにより変化させている。
特開平７−１８５８１０号公報（第３頁、図２）

上記従来装置では、装置を小型化するためにカメラとコレット部を近くすると、コレット部がカメラ視野の大部分を占めてしまい、カメラ視野におけるコレット部の領域を狭くするためには、カメラをコレット部から離さなければならず、装置が大型化する。また、カメラの前方に二枚の可動式反射鏡及び二枚の固定式反射鏡を配置する装置も大型化する不具合があった。さらに、特許文献１においては、パルス波形の溶接電流の電流値がベース電流値に下がったときでも、アーク発光中はハレーションにより直接撮影ができないので、感光フィルタによりアーク光を抑制し、光源７で可視光線を照射してアーク直下の溶融池等を撮影しており、溶接電流の電流値がピーク電流値のときは撮影ができなかった。

本発明は係る従来の不具合を解消するためになされたもので、実ラインでのアーク溶接中のアーク周辺部分の状景を撮影することができるように溶接トーチへの取付け部を小型、軽量化したアーク溶接部分撮影装置を提供することである。

上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明の構成上の特徴は、アーク溶接装置
において、入射されるアーク周辺部分の状景を溶接トーチの後方に向けて反射するミラー
を溶接トーチの先端部に取付け、フレキシブルに屈曲可能なバンドルファイバーと前記ミ
ラーにより反射されたアーク周辺部分の状景を該バンドルファイバーの先端面に結像させ
るレンズとからなる内視鏡の一端を前記溶接トーチに取付け、前記バンドルファイバーの
後端面を前記溶接装置から離れた位置で高速度カメラと対向させ、前記ミラーは、先端が
鋭角となった傾斜面を有すると共に、該傾斜面に金属を蒸着したプリズムミラーであり、
前記プリズムミラーの後端面に対向するように且つ前記プリズムミラーの後端面と前記バ
ンドルファイバーの先端部との間に前記レンズを設け、前記プリズムミラーと前記レンズ
と前記バンドルファイバーの先端部とを、前記溶接トーチの先端部に取り付けられた取付
部材により一体化して固定し、前記プリズムミラーの前記傾斜面における先端側ほど前記
溶接トーチに接近させ、前記溶接トーチと並べて固定したことである。

請求項２に記載の発明の構成上の特徴は、請求項１において、前記バンドルファイバー
の後端面と前記高速度カメラとの間に赤外線透過フィルタを介在させ、前記高速度カメラ
を高速広ダイナミックスレンジカメラとしたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、アーク周辺部分の状景が、溶接トーチの先端部に取付けられたミラーにより溶接トーチの後方に向けて反射される。ミラーにより反射されたアーク周辺部分の状景はレンズによりバンドルファイバーの先端面に結像される。バンドルファイバーの後端面に転送されたアーク周辺部分の状景は溶接装置から離れた位置で高速度カメラによって撮影される。これにより、アーク周辺部分の状景を取り込むための取込み部分をミラーと内視鏡の先端部分とで小型、軽量に構成したので、溶接トーチの先端部分に容易に取付けることができ、溶接トーチを移動させても取込み部分がワークを取付けるワーク固定治具等と干渉することがない。また、コレット等の障害物がカメラ視野に入ることなく、アーク周辺部分の状景をカメラに撮影することができる。

さらに、アーク周辺部分の状景を溶接トーチの後方に向けて反射するミラーをプリズム
ミラーとしたので、ミラーを正確、堅牢かつ簡単に溶接トーチの先端部に取付けることが
できる。

上記のように構成した請求項２に係る発明によれば、ミラーに反射されて内視鏡のレン
ズによりバンドルファイバーの先端面に結像され後端面に転送されたアーク周辺部分の状
景を赤外透過フィルタを介して高速広ダイミックスレンジカメラで撮影するようにしたの
で、パルス波形の溶接電流の電流値がベース電流値のときは、可視光や紫外光が特に多い
アーク光がカメラの広ダイナミックレンジの最小値以下に赤外透過フィルタにより抑えら
れ、赤外透過フィルタを通過する赤外光を発する溶滴や溶融池が撮影されるとともに、ピ
ーク電流値のときでも、強いアーク光が赤外透過フィルタにより抑えられて広ダイナミッ
クレンジ内に入り、アーク及びアークから飛び出たスパッタとなる溶滴などをハレーショ
ンせずに撮影することができる。

以下、本発明に係るアーク溶接部分撮影装置の実施形態を図面に基づいて説明する。図１において、１はアーク溶接装置の溶接トーチで、ロボットのアーム等に取付けられ、指令された姿勢で指令位置に移動され、ワーク固定治具２に取り付けられたワーク３をアーク溶接するようになっている。溶接トーチ１の先端からはワイヤ４が繰り出され、ワイヤ４とワーク３との間に、図３に示すようなベース電流値とピーク電流値とを一定時間間隔で繰り返すパルス波形の溶接電流が流され、ワイヤ４とワーク３との間にアーク５が生成されてワイヤ４の先端部が溶融する。溶融されたワイヤ４の先端部は、溶接電流がピーク電流値となったときに溶滴６にスプレー移行してワイヤ先端から離脱し、ワーク３の接合面に形成された開先のアーク直下部分にできる溶融池７に落下し、アークの通過後に冷却してビード８となりワーク３を溶接する（図４参照）。このとき、１回のピーク電流値につき１個の溶滴６がスプレー移行すると良好な溶接が行われる。ワイヤ４及びアーク５を大気から遮蔽するために、シールドガス９がワイヤ４及びアーク５の外周を覆うように溶接トーチ１の先端から噴出されている。

ワイヤ４先端部の位置、アーク５、溶滴６、溶融池７、及びビード８等のアーク周辺部分の状景を撮影するアーク溶接部分撮影装置１０には、アーク周辺部分の状景を溶接トーチ１の後方に向けて溶接トーチ１の軸線方向に反射するプリズムミラー１１が溶接トーチ１の先端部に取付けられている。プリズムミラー１１の傾斜面１１ａは、溶接トーチ１の先端側ほど溶接トーチ１に接近するように傾斜され、傾斜面１１ａにはアルミ或いは金等が蒸着されている。溶接トーチ１には、内視鏡１２がそのレンズ１３をプリズムミラー１１の後端面に対向させ、バンドルファイバー１４の先端部分を溶接トーチ１の軸線方向に延在させた状態で、溶接トーチ１の先端部に取付部材２２によって固定されている。プリズムミラー１１により溶接トーチ１の軸線方向に後方に反射されたアーク周辺部分の状景は、レンズ１３によりバンドルファイバー１４の先端面に結像され、バンドルファイバー１４により案内されてその後端面に転送される。このように、アーク周辺部分の状景を取り込むための取込み部分１５をプリズムミラー１１と内視鏡１２の先端部分とで、図１，２に示すように小型、軽量に構成したので、溶接トーチ１の先端部分に容易にコンパクトに取付けることができ、溶接トーチ１が実ラインでロボットにより移動されても取込み部分１５がワーク３を取り付けるワーク固定治具２等と干渉することがない。

内視鏡１２のバンドルファイバー１４の後端面側は溶接装置外に引き出され、後端面には、赤外透過フィルタ１６を介在して高速広ダイナミックレンジカメラ１７が対向されている。高速広ダイナミックレンジカメラ１７は、波長感度が可視光から近赤外、例えば波長感度が４００nm〜１２００nmのものを使用し、赤外透過フィルタ１６は、例えば９００nm以上の波長を通過するものを使用する。これにより、５００nm以下の可視光や紫外光が特に高いアーク光が抑えられ、溶滴６や溶融池７からの赤外光の輝度Ｓとアーク光の輝度Ｎとの比Ｓ／Ｎの比較的高い映像が得られるように設定されるとともに、例えばダイナミックレンジが６０dBでフレームレートが３０コマ／秒の通常のカメラよりダイナミックレンジが広くて高速なカメラ、例えばダイナミックレンジが１３０dBでフレームレートが２０００コマ／秒の高速広ダイナミックレンジカメラ１７を使用することにより、通常ではハレーションを起こす溶接電流がピーク電流値であって強いアーク光が発生しているときに、輝度を抑えられたアーク５、及びアーク５外に飛び出したスパッタとなる溶滴６等を撮影することができる（図５参照）。また、内視鏡１２に用いられるバンドルファイバー１４の材質は多成分ガラスではなく、石英ガラスを用いることにより近赤外光の透過率をよくし、Ｓ／Ｎの高いよい画像が得られるようにしている。

高速広ダイナミックレンジカメラ１７には、カメラ制御部１８が接続され、カメラ制御部１８には、データを保存するためのレコーダ１９、カメラ制御部１８に測定開始等の操作指令を与えるための指令制御部２０、及び映像をモニタするモニタ２１が接続されている。

次に、上記実施形態の作動について説明する。溶接トーチ１は、ロボットによってワイヤ４の先端とワーク３との間の間隔を所定位置に維持して溶接すべき軌跡に沿って移動される。この間、ワイヤ４とワーク３との間に、パルス波形の溶接電流が印加され、アーク５が生成されてワイヤ４の先端部が溶融し、ピーク電流値のときに溶融した先端部が溶滴６にスプレー移行して溶融池７に落下し、アーク５の通過後に冷却してビード８となりワーク３を溶接する。

係る溶接状態を撮影する場合、指令制御部２０から撮影開始指令がカメラ制御部１８に入力されると、高速広ダイナミックレンジカメラ１７はアーク周辺部分の状景を撮影する。このとき、アーク周辺部分の状景が、溶接トーチ１の軸線に対して約２５度傾斜した斜め上方から見るように、プリズムミラー１１により反射され（図６参照）、レンズ１３によりバンドルファイバー１４の先端面に結像され、結像された映像はバンドルファイバー１４の後端面に転送される。転送された映像は、高速広ダイナミックレンジカメラ１７のレンズにより受光素子上に結像される。高速広ダイナミックレンジカメラ１７は、波長感度が４００nm〜１２００nmのもの、赤外透過フィルタ１６は、９００nm以上の波長を通過するものを使用しているので、５００nm以下の可視光や紫外光が特に高いアーク光が抑えられ、溶滴６や溶融池７からの赤外光の輝度Ｓとアーク光の輝度Ｎとの比Ｓ／Ｎの比較的高い映像が得られる。高速広ダイナミックレンジカメラ１７は、ダイナミックレンジが１３０dBでフレームレートが２０００コマ／秒であるので、溶接電流がベース電流値のときは、図４に示す撮影画像ように、輝度を抑えられたアーク光はカメラ１７のダイナミックレンジの下限値以下となって撮影されないが、高速で落下する溶滴６の落下状態、溶融池７、ワイヤ４先端部の位置状態、及びビード８等が撮影される。溶接電流がピーク電流値のときは、通常ではハレーションを起こす強いアーク光が赤外透過フィルタ１６により輝度を抑えられ、アーク５、及びアーク５外に飛び出したスパッタとなる溶滴６等が撮影される。

このように、アーク周辺部分の状景を取りこむ取込み部分１５を、プリズムミラー１１と内視鏡１２の先端部分とを組み合わせて構成することにより、ワーク固定治具２等に干渉することがない寸法まで小型化して溶接トーチ１の先端部分に取り付け、アーク周辺部分の状景をフレキシブルに屈曲可能な内視鏡１２のバンドルファイバー１４の他端面に転送して高速度カメラ１７で撮影するようにしたので、溶接トーチ１をロボット等で動かしてワーク３を溶接する実ラインでのアーク溶接の状況を観察することができる。さらに、バンドルファイバー１４の他端面に赤外透過フィルタを介在して高速広ダイナミックレンジカメラを対向させて撮影するので、溶接電流がベース電流値及びピーク電流値のいずれのときも、アーク周辺部分の状景を撮影することができる。これにより、図４に示すベース電流値のときの画像から、１パルスあたりの溶滴６の落下数や、溶滴６が溶融池７に落ちているか、溶滴６が溶融池７に入らずにスパッタになっていないか、短絡してスパッタにならないか等の観察を行うことができる。また、ピーク電流値のときもハレーションを起こすことなく、図５に示す画像のようにアーク５、及びアーク５から飛び出してスパッタとなる溶滴６等を撮影して観察することができる。このように、実ラインにおいて、溶滴６、溶融池７、ビード８、ワイヤ４先端部の位置、アークの状態などを画像によって観察することができるようになり、ビート不連続やスパッタなどの溶接不良の発生原因の解明と対策につながり、溶接品質を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るアーク溶接部分撮影装置を示す図。 プリズムミラーが取付けられた溶接トーチを先端から見た図。 パルス波形の溶接電流を示す図。 ベース電流値のときのアーク周辺部分の状景の撮影画像。 ピーク電流値のときのアーク周辺部分の状景の撮影画像。 アーク周辺部分の状景がプリズムミラーによって反射される様子を示す図。

符号の説明

１…溶接トーチ 、２…ワーク固定治具、３…ワーク、４…ワイヤ、５…アーク、６…溶滴、７…溶融池、８…ビード、９…シールドガス、１０…溶接部分撮影装置、１１…プリズムミラー、１２…内視鏡、１３…レンズ、１４…バンドルファイバー、１５…取込み部分、１６…赤外透過フィルタ、１７…高速広ダイナミックレンジカメラ、１８…カメラ制御部、１９…レコーダ、２０…指令制御部、２１…モニタ。

Claims (2)

1. アーク溶接装置において、アーク周辺部分の状景を溶接トーチの後方に向けて反射する
   ミラーを溶接トーチの先端部に取付け、フレキシブルに屈曲可能なバンドルファイバーと
   前記ミラーにより反射されたアーク周辺部分の状景を該バンドルファイバーの先端面に結
   像させるレンズとからなる内視鏡の一端を前記溶接トーチに取付け、前記バンドルファイ
   バーの後端面を前記溶接装置から離れた位置で高速度カメラと対向させ、
   前記ミラーは、先端が鋭角となった傾斜面を有すると共に、該傾斜面に金属を蒸着した
   プリズムミラーであり、
   前記プリズムミラーの後端面に対向するように且つ前記プリズムミラーの後端面と前記
   バンドルファイバーの先端部との間に前記レンズを設け、前記プリズムミラーと前記レン
   ズと前記バンドルファイバーの先端部とを、前記溶接トーチの先端部に取り付けられた取
   付部材により一体化して固定し、
   前記プリズムミラーの前記傾斜面における先端側ほど前記溶接トーチに接近させ、前記
   溶接トーチと並べて固定したことを特徴とするアーク溶接部分撮影装置。
2. 請求項１において、前記バンドルファイバーの後端面と前記高速度カメラとの間に赤外
   線透過フィルタを介在させ、前記高速度カメラを高速広ダイナミックスレンジカメラとし
   たことを特徴とするアーク溶接部分撮影装置。

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