JP4741478B2 - レーザ溶接工程制御システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接の分野に関する。より特定的には、本発明は製造される部品のミグ溶接（ＧＭＡＷ）支援のレーザ溶接を制御するための工程制御システムに関する。

背景情報
軍艦に用いられる部品は高品質な規格に適合しなければならず、かつ好ましくは可能な限り軽量でなければならない。典型的には、ある構造形状は、たとえば熱間圧延されたＩ型梁をバリ取り加工するかまたは分割する方法によって製作される。熱間圧延された部分を用いることは製品の品質に関してある固有の不利益を有する。その１つは、許容誤差範囲が広く、これらの形状から製作された多くの部品が再加工される必要があることである。たとえば、熱間圧延されたＩ型梁は、Ｔ型梁を得るためにしばしば２つに分割される。熱間圧延されたＩ型梁において、ウェブに相対したフランジの位置は大きく変動し、そのためＴ型梁の再加工を要し得る。また別に、材料の加工の結果、部品の歪みが許容できないほど大きくなることがあり、この場合も、熱間圧延された部品が組立てられるとき、部品が再加工され、または補正措置が取られることを要する。部品の再加工は、部品のコストおよび製造時間を著しく増大する。

上述の不利益に加えて、熱間圧延された部分を使用すると、設計者をあるサイズおよび形状に制限することになり、それにより結果的に製品の重量が増える。熱間圧延された構造部品は標準サイズおよび形状に作られるが、サイズ間に大きな寸法的隔たりがある。部品の構造上の要件は、従来の部品の２つのサイズの間にある寸法を有する部品の設計を可能にし得る。指定より低い強度および剛性の特性を有する部品を用いることは許容され得ないのでより大きなサイズが使われざるを得ず、結果として寸法的に必要以上に大きくかつ強い部品となる。寸法の違いは確実に構造物に不要な重量を加える。

熱間圧延された構造部分は用いられる材料の種類をも限定する。造船用のほとんどの熱間圧延された構造形状または部品はＡＨ３６材料でできている。より強い鋼（ＨＳＬＡ６５、８０または１００）はプレートストックにおいてのみ入手可能である。これらのより強度の大きい鋼を使用することで、構造部品がより小さな寸法に設計され、結果として重量を著しく低減することができる。

従来の船の甲板は鋼板で建設され、さらなる剛性を与えるためにＴ形梁が板に溶接されている。従来の溶接システムでは、寸法的な許容誤差および歪みを制御することは困難である。歪みを解消するために、溶接された構造物に次に二次的工程が適用される。これは典型的には、歪んだ部品に熱を加えることにより行われ、結果的に部品により高い残留応力を与え得る。これらの二次的工程を適用する必要性は、時間およびコストの両方の意味において構造物のコストを上げる。

間に波形構造を挟んだ、２つのはるかに薄い高張力鋼を用い、剛性を増すために次に構造物にＴ形梁を溶接することにより、甲板を複合構造物として建設することが可能である。船の甲板のためにこのような複合構造を用いることは、船の重量全体の最大５０％まで節減する結果になると見積もられる。現在、このような建設方法を採用することが困難であるのは、シーム追従および溶接品質制御システムのためである。Ｔ形梁を溶接し得る従来のレーザ溶接システムは、溶接工程中にフィードバックおよび溶接制御をもたらす、総合的な工程制御および統合された溶接品質検査システムを有していない。レーザ溶接システムにおいては、溶接シームに沿ってレーザビームを導くためのシームトラッカを用いる
ことが公知であるが、検査システムは溶接制御工程に結合されていない。すなわち工程制御のためにデータをフィードバックしない。このような制御は、手遅れにならないうちに、かつ不十分な溶接が完了してしまう前に、規格外になりそうな工程を修正することができる。従来のレーザ溶接システムでは、検査は別個のオフライン工程であって、すなわち溶接された部品はオフラインで検査ステーションに移動され、そこで最終的な溶接検査および二次工程が適用される。

溶接品質を制御することの困難さは、大きな構造部品を溶接するとき増大される。複雑な三次元形状では誤差もまた三次元であって、そのため正確に測定し修正することが非常に困難である。

したがって、再加工量を著しく低減する構造部品を製作するためのシステムおよび方法が必要となる。さらに必要となるのは、このような構造部品を熱間圧延部分ではなくプレートストックから製作するための方法およびシステムである。さらに必要となるのは、溶接工程を他のシステムと統合することを可能にするシステムである。

発明の概要
上述の理由のため、本発明の目的は、製作工程の信頼性を高め、再加工量を著しく低減する、構造部品の製作方法およびレーザ溶接工程システムを提供することである。さらなる目的は、構造部品をプレートストックから製作することを可能にする方法およびシステムを与えることである。本発明のさらなる目的は、溶接工程を他のシステムと統合することができるシステムおよび方法を提供することである。

本適用例の発明は、レーザ溶接工程制御システム（ＬＷＰＣＳ）およびミグ溶接（ＧＭＡＷ）に支援されたレーザ溶接の制御方法である。ＬＷＰＣＳは、複数の制御モジュールまたはサブシステムを含むモジュール式システムである。これらのサブシステムは、セントラルプロセッサ（ＣＰ）、レーザ装置制御サブシステム（laser device controls subsystem）（ＬＤＣＳ）、適応ビーム送出サブシステム(adaptive beam delivery subsystem)（ＡＢＤＳ）、光学的シーム追従サブシステム（optically-based seam tracking subsystem）（ＳＴＳ）、光学的アクティブ溶接品質監視制御サブシステム（optically-based active weld quality monitoring and control system）（ＡＷＱＭＳ）、および視覚的
溶融池監視処理システム（vision-based weld pool monitoring system）（ＷＰＭＰＳ）を含む。これらのサブシステムは、プログラマブルロジックコントローラ（programmable logic controller）（ＰＬＣ）またはそれ自体の埋込型プロセッサによって独立に制御され
る。サブシステムおよびさまざまな制御装置は、ＣＰと同様、商業的に入手可能な製品である。ＬＷＰＣＳおよび方法の発明的な特徴はサブシステムの総合的レーザ溶接工程制御システムへの統合性にあり、すべてのサブシステム、システムフィードバック、閉ループ制御、および溶接工程の間中オペレータが介入できる機能の間でのクロスコミュニケーションを有する。

ＬＷＰＣＳの心臓部はＣＰであって、さまざまな独立システム間でリアルタイムにクロスコミュニケーションを管理し、溶接工程パラメータを規定し、必要に応じてリアルタイムで他のサブシステムからの入力に基づいて溶接工程パラメータを調整し、かつ、カスタマイズされたグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）の集合を含む。ＣＰは、さまざまなサブシステムの制御および機能を完全に統合し、ＧＵＩを介してオペレータが溶接工程パラメータを入力し、かつ進行中の溶接工程において監視し、介入することをも可能にする。ＣＰを支配するプロプラエタリなソフトウェアは、他のサブシステムの追加を含むシステム修正を容易にするモジュール化されたソースコードと、データをＧＵＩに転送するためのアナログおよびデジタルＩ／Ｏとを含む。ソフトウェアはさらに、部品ジオメトリおよび材料の種類に基づいた溶接工程パラメータと溶接工程パラメータを調整するためのアルゴリズムとを含むパラメトリックデータベースを含む。ＣＰはデータを分析し、溶接工程パラメータを調整し、事象のログを取り、溶接された製品の溶接検査報告を生成する。溶接検査報告は、部品が検査に合格したか否かの情報とともに、溶接プロファイルデータの要約を含む。部品が検査に合格しない場合、報告は溶接欠陥の場所および種類を表示する。

ＣＰは、オペレータまたは外部インターフェイスからの、特定の溶接ジオメトリおよび溶接される部品の材料に特定的なパラメータ入力に基づいて、パラメトリックデータベースから初期溶接工程パラメータを選択し、溶接工程の間中、シーム追従および溶接品質監視制御サブシステムからの入力とパラメトリックデータベースに含まれるアルゴリズムとに基づいて、リアルタイムで溶接工程パラメータを調整する。

本発明によるＬＷＰＣＳの主要な構成要素は、ＷＰＭＰＳ、ＡＷＱＭＳ、ＳＴＳおよびＡＢＤＳである。ＳＴＳは光学的ジョイント（joint）追従サブシステムであり、ＡＢＤ
Ｓは溶接ジョイントにレーザビームを送出し、両方とも光学素子およびミラーシステムを含む。ＡＢＤＳはまた、レーザ焦点サイズなどのレーザビームのある種のパラメータを制御する。ＳＴＳはレーザ三角法の原理を用い、ＣＣＤまたはＣＭＯＳベースのカメラを用いた光学システムと、シームトラッカが溶接されるジョイントに沿ってレーザ線（ストライプ）を「描く」ために用いる固有の２−Ｄレーザダイオードからの内部レーザ源とを含む。結果的な反射された散乱光は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラセンサに結像される。デジタル化されたカメラセンサからの信号はＳＴＳ内の埋込型プロセッサに伝送され、そこで画像処理アルゴリズムがジョイントプロファイルデータを抽出する。このジョイントプロファイルデータに基づいて、「理論上の」ジョイントの正確な位置と、溶接される部品間に間隙がある場合はその寸法とが計算される。たとえば、別の部品に溶接される部品の切り口は常に正確に平板ではない。結果として、２つの部品が合わされると、シームに沿って間隙のある領域とない領域とが存在する。ＳＴＳは間隙の情報をＣＰにフィードバックし、ＣＰは間隙に変更をもたらすよう溶接工程パラメータを調整する。たとえば、間隙のサイズを増大するには、ＣＰは工程速度を遅くするかまたはワイヤの送りを増大する。

品質監視検査サブシステムであるＡＷＱＭＳおよびＷＰＭＰＳは、視覚的であってＣＰと直接通信し、オペレータが溶接工程を監視することを可能にする。両方のサブシステムはＣＭＯＳカメラを備え、ＡＷＱＭＳはさらにレーザ装置を備える。ＡＷＱＭＳは、ＳＴＳと同じレーザ三角法原理を用いて溶接ジョイントに沿ってレーザ線（ストライプ）を「描く」。カメラは反射された散乱光を記録し、溶接プロファイルデータを抽出する。上述のように、ＳＴＳが間隙および溶接ジョイント位置を測定する一方で、ＡＷＱＭＳは測定された溶接プロファイルデータに基づいて隅肉サイズ、アンダーカットまたはオーバーカットを計算して、気孔または割れの存在を検出する。ＷＰＭＰＳは視覚的サブシステムであって、溶融池を見て溶接の体積的および内部的な完全性を分析する。監視検査サブシステム、すなわちＡＷＱＭＳおよびＷＰＭＰＳからのデータは、さらなる処理および分析のためにＣＰに中継される。必要であればＣＰは、オペレータにオペレータステーションからＧＵＩを通じて遠隔に修正動作をさせる。

各サブシステムはＣＰと直接に通信する。加えて、ＳＴＳおよびＡＢＤＳもまたデジタルおよびアナログＩ／Ｏを用いて互いに直接通信する。このようなさまざまなサブシステムとＣＰとの間の高度の統合性は、溶接動作の正確な順序付けおよび制御を確実にし、溶接品質の密な監視を可能にし、シーム追従に迅速に反応し、溶接ジョイントへのレーザビームの送出をリアルタイムで制御する。リアルタイムコントローラは、溶接を修正するためにシームトラッカからのデータをＡＢＤＳに統合する役割を有する。ＳＴＳは間隙を測
定し、ＣＰはそれに対応して、間隙のサイズに適応するよう、工程速度、ワイヤ送り、ＧＭＡＷ電圧および／またはレーザ出力などの溶接工程パラメータを調整する。工程中に溶接工程パラメータを調整するこのような能力は、システム制御された溶接工程の完了後に、仕上がった部品のアンダーカット溶接を再加工する必要性を回避する。

ＬＷＰＣＳは、ハイブリッドレーザＧＭＡＷ溶接工程のための工程制御システムであって、今後単にハイブリッド溶接工程と呼ばれる。ハイブリッド溶接工程では、純粋なＧＭＡＷ工程と比較して、はるかに少ない余剰の熱ではるかに速い工程速度が可能となり、リアルタイムのオンライン溶接品質監視検査とともに、１００インチ／分よりも速い速度での精密な形状の溶接が可能である。ＧＭＡＷ工程にレーザ溶接工程を加えることは、溶接速度がより高いことが溶接される部品に加える熱がより少ないことを意味することを示し、それは、余分な熱がより少なく、工程のエネルギ効率がよりよいことを意味する。余分な熱は歪みの主要な原因であり、したがって、余分な熱が少ないことは溶接される部品の歪みが少ないことを意味する。冶金工程は溶接工程の速度を制限する。本発明によるものなどのハイブリッドレーザ溶接システムは、隅肉ジオメトリをよりよく制御するために用いられ、かつ、溶接されるウェブとフランジとの間のジョイント間隙によりうまく適応することができる。レーザ溶接ビームの幅と、レーザビームで有効に溶接され得る間隙の幅との間にはある種の相関関係がある。たとえば、直径が小さいレーザビームは、レーザビーム直径よりも大きい間隙を渡って溶接することはできない。ハイブリッド溶接工程は、レーザ溶接工程の速度と正確さという利点と、従来のＧＭＡＷ工程のより大きい寸法の間隙を許容し得るという利点とを組合せる。高速プロセッサからの閉ループフィードバックを伴う完全に統合されたＬＷＰＣＳに加えてレーザ溶接機を使用することは、さらに溶接速度を増大し、溶接工程のスループット時間を著しく低減し、その結果、溶接構造部品のコストを下げる。

本発明によるＬＷＰＣＳは、許容誤差に極めて近い部品の製作を可能にし、溶接部品が製造されたときに必要となる再加工量を低減する。ＬＷＰＣＳはまた、異常なまたは不規則な形状を高い正確性をもって製作することを可能にする。構造部品のレーザ製作の最大の利点は、構造部品が最適な寸法および強度特性（理想的な「設計形状」）を伴って設計され得ることである。結果的に製作された部品は、熱間圧延された部品よりも重量が軽く、材料および労力の点でもより費用効率がよい。重量の低減はしばしば重要である。たとえば、熱間圧延された部分と同じ材料でできており同じ強度要求を満たすレーザ製作部品は、約２０％軽い。部品がさらなる高張力鋼のプレートストック、たとえばＨＳＬＡ−６５で製作されるか、または、さらなる高張力鋼の２つの外側表皮部分と波形材料のサンドイッチ部分（全重量の最大２５％の節減になる）とを含む複合構造として製作されると、重量の低減はさらに進み得る（最大で３０％から４０％の重量の節減になる）。この選択肢は熱間圧延された形状では利用可能ではない。これらの利点に加えて、レーザ溶接はあるサイズの部品の溶接に限定されず、あらゆるサイズの部品の溶接に有効に用いられ得る。

本発明によるＬＷＰＣＳでは、高品質、高精度なハイブリッドレーザＧＭＡＷ溶接が、たとえば２分の１インチＨＳＬＡ−６５で、１００インチ／分またはそれ以上の速度で可能になる。本発明のＬＷＰＣＳを用いて毎分７５インチから１００インチの速度で既に溶接されている多様な形状は、最大２０フィート長のＴ形梁、湾曲した８フィート梁および特別注文の１０フィートＩ形梁を含む。本発明によるＬＷＰＣＳを用いて、毎分最大６００インチの速度での溶接が達成可能であると見込まれる。シーム追従は毎分４００インチで実行された。対照的に、従来の方法で制御された工程でのこのような部品の溶接速度は毎分１０インチから４０インチである。

本発明によるＬＷＰＣＳは完全に統合されたシステムであって、オペレータにやさしい
システムで溶接の品質およびジオメトリをリアルタイムで制御し監視し、システムはオペレータがある溶接工程パラメータを設定することを可能にする。このシステムは、独立型システムとして、またはたとえば材料取扱いシステムなどの他の外部システムに統合されたシステムとして用いられることができ、それにより、材料取扱いと溶接動作とを包含する、完全に自動化されたシステムをもたらす。

発明の詳細な説明
図１は、本発明によるレーザ溶接制御システム（ＬＷＰＣＳ）１０のブロック図である。ＬＷＰＣＳ１０は、セントラルプロセッサ（ＣＰ）２０と複数のサブシステムとを含む、完全に統合されたシステムである。ＣＰ２０は、グラフィックユーザインターフェイス（ＧＵＩ）２５と、リアルタイムでさまざまな溶接工程パラメータを制御し規制するプロプラエタリなソフトウェアとを含む。このソフトウェアに含まれるのは、溶接工程を制御および／または変更するのに用いるさまざまなパラメータおよびアルゴリズムを含む、パラメトリックデータベースである。サブシステムは、レーザ装置制御サブシステム（ＬＤＣＳ）３０と、視覚的な溶融池監視処理サブシステム（ＷＰＭＰＳ）４０と、アクティブな溶接品質監視制御サブシステム（ＡＷＱＭＳ）５０と、ＧＭＡＷおよびワイヤ送り制御サブシステム（ＷＦＣＳ）６０と、適応ビーム送出サブシステム（ＡＢＤＳ）７０と、光学的シーム追従サブシステム（ＳＴＳ）８０とを含む。いくつかのサブシステムは、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）または埋込型プロセッサによって独立に制御される。サブシステム３０、４０、５０、６０、７０および８０の各々は、ＣＰ２０と直接通信する。ＳＴＳ８０およびＡＢＤＳ７０もまた互いに直接通信する。ＣＰ２０は、サブシステム３０、４０、５０、６０、７０および８０の間のすべてのクロスコミュニケーション、ならびに、それらの同じサブシステムとオペレータとの間の、ＧＵＩ２５を介した通信をも扱う。

図１はまた、任意の外部システムインターフェイス（ＥＳＩ）９０を有するＬＷＰＣＳシステム１０の統合を示す。ＣＰ２０は、ＥＳＩ９０を通じて、またはＣＰ２０に直接に、必要に応じて他のシステムを追加することが容易にされ得るよう、十分に柔軟かつモジュール化されている。たとえば、プレートストックの手配を調整し、プレートストックを部品Ｐ用の適切なプレート構成に構成し、自動溶接工程が完了すると溶接された部品Ｐを受取る材料取扱いシステム（ＭＨＳ）を、ＬＷＰＣＳシステム１０と統合することが望ましいことがあり得る。ＭＨＳはＥＳＩ９０を介して命令を受取り、適切なプレートを組立て、溶接および検査のためにＬＷＰＣＳシステム１０に送る。部品が一旦完全に溶接されると、次に、製作された部品Ｐは、次の動作に送られるために解放されてＥＳＩ９０を介して材料取扱いシステムに戻される。

図２は、アナログセンサおよびデジタルセンサと制御部３２Ａ、３２Ｄとがそれぞれ、ＬＤＣＳ３０およびＣＰ２０を介してＬＷＰＣＳ１０に統合することを示す。レーザ動作はＣＰ２０によって順序付けられ、導かれるが、制御の詳細は専用ＰＬＣによって扱われる。レーザＰＬＣとＣＰ２０との間の通信リンクは、ＣＰ２０からのレーザ制御要求、ＣＰ２０へのレーザ動作データ、および、ＬＤＣＳ３０からＣＰ２０へのレーザ動作データを扱う。通信リンクに不具合がある場合、ＬＤＣＳ３０は独立に動作して、レーザ装置を安全にシャットダウンする。オペレータ制御要求は、ＧＵＩ２５を介してオペレータからＬＤＣＳ３０に転送される。デジタルおよびアナログの両方のレーザ動作データはすべて、ＧＵＩ２５を介して動作に利用可能である。

図３は、ＳＴＳ８０およびＡＢＤＳ７０を本発明によるＬＷＰＣＳ１０に統合することを示す。ＳＴＳ８０の構成要素である光学センサ８２からのアナログデータは、ＳＴＳ８０内の埋込型プロセッサによってジョイントジオメトリデータに変換される。ＳＴＳ８０
は、ＣＭＯＳベースのカメラを有する光学システムを含む。ＣＰ２０によって開始される初期化ステップにおいて、ＳＴＳ８０はジョイントの場所を見つけ、レーザ焦点位置、工程速度およびシームトラッカを順序付けするための制御部７２を含むＡＢＤＳ７０に適切な信号を送る。これらの制御部７２、８２がレーザビームの焦点およびミグ（ＭＩＧ）トーチを溶接シーム上の正しい位置に持込むと、「準備完了」信号がＣＰ２０に送られる。ＳＴＳ８０は、溶接されるジョイントに沿って自らの内部レーザ源からレーザ線ＬＬ（ストライプ）を「描く」。カメラセンサはレーザ線ＬＬをデジタル化し、調整して、アルゴリズムに基づいて溶接されるジョイントのジオメトリを計算する。ジオメトリは「理論上の」ジョイントの正確な位置と、もしあれば溶接される部品間の間隙の寸法とを含む。ジョイントジオメトリデータは次にＳＴＳ８０およびＡＢＤＳ７０によって用いられ、レーザ焦点位置を精密に制御する。ＳＴＳ８０からのジョイントデータはＣＰ２０によって読出され、このデータに基づいて、必要であればＣＰ２０は溶接工程パラメータを調整する。溶接工程速度用のアナログおよびデジタル制御部は、ＣＰ２０からの入力を用いてＡＢＤＳ７０によって直接に制御される。

図４は、ＡＷＱＭＳ５０および視覚的なＷＰＭＰＳ４０をレーザ溶接システム１０に統合することを示す。ＡＷＱＭＳ５０は、ＳＴＳ８０と同じ技術および類似のアルゴリズムを利用して、溶接プロファイルを測定し、溶接表面欠陥を検出する。ＡＷＱＭＳ５０によって測定された溶接の長手位置の関数としての二次元のジオメトリ情報を含む、ＡＷＱＭＳ５０によって測定されたアナログ溶接プロファイルデータ５２は、ＣＰ２０に送られる。溶接プロファイルデータ５２は、溶接隅肉サイズ、隅肉凹部または凸部、もしあればアンダーカットのサイズ、存在するあらゆる割れのサイズ、および（もしあれば）気孔のデータを含む。ＣＰ２０は、溶接プロファイルデータ５２に基づいて、溶接工程パラメータのいずれかに調整が必要か否か判断する。実際このような溶接工程パラメータが必要な場合、ＣＰ２０は溶接工程パラメータに適切な変更を行なう役割を有する。ＣＰ２０は次に表面の欠陥の位置にフラグを付け、溶接が完了すると各部品のための検査報告にこれらを含める。

ＷＰＭＰＳ４０は、溶融池を見る視覚的なシステムであって、溶融池の測定に基づいて溶接の体積的および内部的な完全性を判断し、オペレータが工程を見直せるようにする。構成要素は購入されるが、溶接の体積的および内部的完全性を判断するアルゴリズムは、ＬＷＰＣＳ１０を動作するのに用いられるプロプラエタリなソフトウェアによって供給される。示されるように、ＷＰＭＰＳ４０は像分析ルーチンに基づいて溶融池の像をリアルタイムで把握し、侵入深さ、内部ボイドまたは気孔の存在などの表面下の溶接情報を含む溶融池データ４２をＣＰ２０に送る。ＣＰ２０は、この体積的および内部的統合性データに基づいて、溶接工程パラメータのいずれかに調整が必要か否か判断する。ＷＰＭＰＳ４０からの分析の概要もまた溶接検査報告に含まれる。

図５は、ＧＭＡＷおよびＷＦＣＳ６０をＬＷＰＣＳ１０に統合することと、ＧＭＡＷおよびＷＦＣＳ６０ならびにＣＰ２０の間で交換されるデータの種類とを示す。ＧＭＡＷおよびワイヤ送り制御部は、ワイヤ送り速度データおよび制御、ＧＭＡＷ出力データおよび制御、ならびに１つ以上のＧＭＡＷおよびワイヤ送りデジタルシーケンス制御からの、アナログ信号およびデジタル信号を含む。ＣＰ２０は、溶接される材料および形状に基づいて、パラメトリックデータベースからデータを取り、ＧＭＡＷおよびワイヤ送り工程パラメータを初期化する。ＣＰ２０は、ＳＴＳ８０、ＷＰＭＰＳ４０およびＡＷＱＭＳ５０からのデータを分析し、溶接工程パラメータ調整が必要であれば、ＧＭＡＷおよびワイヤ送りシステム６０に新しい値が送られる。

溶接工程パラメータは、さまざまなサブシステム３０、４０、５０、６０、７０、８０において設定値として与えられ、開始／停止一時的制御、溶接ジョイントジオメトリ、溶
接速度、溶接送り速度、ＧＭＡＷ出力、プラズマ抑制ガスフロー、および溶接品質などのパラメータを含む。溶接ジョイントジオメトリの制御パラメータは、リアルタイムのシーム追従、焦点位置、焦点サイズ、ジョイントとレーザビーム中心線との相対的角度を含む。センサは、ＬＤＣＳ３０、ＷＰＭＰＳ４０、ＡＷＱＭＳ５０、ＧＭＡＷおよびＷＦＣＳ６０、ＳＴＳ８０、ならびにＡＢＤＳ７０のための工程変数を、リアルタイムで記録する。ＬＤＣＳ３０は、送出されたレーザ出力、高圧電源（ＨＶＰＳ）設定、冷却温度およびフローのための、センサおよび／または制御部を含む。ＡＷＱＭＳ５０は、ジョイント位置、間隙角度を含むジョイントジオメトリ、および不整合を測定するためのセンサを含む。ＡＢＤＳ７０は、溶接速度および焦点位置を測定するセンサを含む。ＡＷＱＭＳ５０は、アンダーカットおよびサイズを含む隅肉ジオメトリパラメータを測定するセンサを含む。他の溶接工程パラメータは、ワイヤ送り速度、ＧＭＡＷ出力およびガスフローを含む。

サブシステムは、溶接装置ならびに光学センサおよび装置と同様に商業的に入手可能な装置である。あらゆる適切なＰＣおよび動作ソフトウェアが用いられ得るが、マイクロソフトウインドウズＸＰ（登録商標）のオペレーティングシステムを用いる標準ＰＣ、およびナショナルインストラメンツ（National Instruments）社のリアルタイムプロセッサが、ＣＰ２０として用いられる。カナダ、ケベック洲モントリオール市のサーボロボット（Servo-Robot）社の、ミニｉ６０カメラ付きパイロットＬＷシステム（Pilot-LW System with Mini-i60 Camera）が、ＳＴＳ８０として機能する。用いられるレーザ溶接機は、コンバージェントプリマ（Convergent Prima）社のモデル２５ｋＷ ＣＯ２、４−Ｍｏｄである。ＡＷＱＭＳは、カナダ、ケベック州モントリオール市のサーボロボット（Servo-Robot）社のポロスキャンカメラ付きフレキセルユニット（Flexcel Unit with Poroscan Camera）である。ＷＰＭＷＳの溶融池モニタは、バスラー（Basler）社のモデルａ６０２ｆｃのビデオカメラおよびテキサス州ナショナルインストラメンツ（National Instruments）社のイメージアクウィジションシステム（Image Acquisition System）のモデルＣＶＳ１４５５を含む。ＧＭＡＷ電源はインビジョン（Invision）４５６Ｐ電源、ワイヤ送りはモデルＳ／７４Ｓであって両方ともミラー（Miller）社のものである。この情報は単に例示的目的を持ち、本発明の範囲をこれらの特定のサブシステム、構成要素および／または装置に限定する意図ではない。

図６は、完全に統合されたレーザ溶接工程制御システムのための、ＬＷＰＣＳ１０を用いた制御方法１０００を示すフローチャートである。サブシステム３０、４０、５０、６０、７０、８０および９０は、ＬＷＰＣＳ１０に統合された、従来のセンサ、装置、プログラムされた論理技術および装置を含み、ＬＷＰＣＳ１０は総合的閉ループ制御システムであって、溶接工程を制御し、溶接動作においてシステムオペレータが監視し、かつ必要であればＧＵＩ２５を介してオペレータステーションから遠隔に介入することを可能にすると同時に、溶接工程中リアルタイムの品質管理および検査をもたらす。

溶接開始工程１００は、ステップ１１０−１６０を含む。ステップ１１０において、オペレータはＬＷＰＣＳ１０を開始する。ステップ１２０において、溶接される部品の特定のデータは、ＧＵＩ２５を介してオペレータによってＣＰ２０に入力されるか、または外部装置９０によってＣＰ２０に直接送られるかのいずれかである。特定のデータは、溶接される部品の寸法データ、Ｔジョイント、バット溶接などのジョイントの種類、部品の材料の種類、幅、深さ、許容できるアンダーカットなどの溶接の仕様などのパラメータを含む。ステップ１３０において、ＣＰ２０はステップ１２０で入力された特定のデータを読取り、対応する初期溶接工程パラメータをパラメトリックデータベースから選択する。パラメータは、初期溶接速度、ミグ（ＭＩＧ）出力、レーザ出力などを含む。ステップ１４０において、ＣＰ２０はＳＴＳ８０を初期化する。ＳＴＳ８０はＣＰ２０にジョイントデータを送る。ステップ１５０において、ＣＰ２０は溶接動作のための初期溶接工程パラメータを、さまざまなサブシステム、すなわちＬＷＰＣＳ１０、ＬＤＣＳ３０、ＷＰＭＰＳ４０、ＡＷＱＭＳ５０、ＧＭＡＷおよびＷＦＣＳ６０、ＡＢＤＳ７０、ＳＴＳ８０、ならびに適切な場合にはＥＳＩ９０に送る。すべてのサブシステムおよびその制御が動作可能であって準備完了すると、溶接工程は自動的にステップ１６０において開始される。

開始工程１００が完了すると、ステップ３１０−３４０に示されるように、閉ループ制御を用いる継続的溶接工程３００が開始する。ステップ３１０−３４０における閉ループ制御は、溶接工程中、溶接の品質および精度を監視するよう機能し、それにより溶接の品質を向上し、溶接された構成部品が溶接工程の後に再加工を要する量を減じる。ステップ２００のオペレータの介入は、溶接工程の間中可能である。オペレータは溶接工程に割り込み得、溶接工程中に工程パラメータに変更を導入し得、または実際の溶接が制御調整の限度を超えると工程を中止することができる。継続的溶接工程３００の間、すべてのサブシステム１０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、および適切な場合９０は、ＣＰ２０によって制御され、規制される。ＣＰ２０は、５つの異なる閉ループ制御機能を並行して動かし、オペレータの介入、アクティブなシーム追従制御、さまざまなジョイント間隙のための溶接工程パラメータへの調整、表面または内部的な溶接品質の変形例のための溶接工程パラメータの調整、および溶接工程の完了時の判断を監視する。

ＳＴＳ８０は、溶接されるジョイントのジオメトリを継続的に測定し、監視する。ステップ３１０「ジョイント位置の調整？」において、ＣＰ２０は、ＳＴＳ８０からのデータに基づいてトーチおよびレーザ焦点位置の調整が必要か否か判断する。ＳＴＳ８０によって継続的に測定されている間にジョイントが理論上のジョイントから離れていると、ステップ３１２においてモータが作動し、ＡＢＤＳ７０にミグトーチおよびレーザ焦点位置を調整させ、それによりミグトーチおよびレーザ焦点位置はジョイントに対して正しい位置に維持される。必要な調整が予め定められた範囲からはみ出すとエラーフラグが生成され、溶接工程はステップ３４０において停止する。

間隙サイズは、ステップ３２０において、「間隙の調整？」閉ループ制御によって監視される。たとえば、別の部品に溶接される部品の端部は、部品を切削するのに用いられた方法に依存して、常に完全に平坦またはまっすぐであるとは限らない。結果として、２つの部品が合わされると、シームに沿って間隙のある領域とない領域とが存在し得る。ステップ３２０において、ＳＴＳ８０によって測定されるジョイントジオメトリの一部である間隙データがＣＰ２０に送られ、ＣＰ２０は溶接工程パラメータへの調整が必要か否か判断する。調整が必要な場合、ステップ３２２において、ＣＰ２０はＳＴＳ８０からのジョイントジオメトリデータとパラメトリックデータベースの情報とを用いて、いずれの溶接工程パラメータが間隙寸法の変更を補正するため調整されるかを判断する。ＣＰ２０は、ステップ３２４において、ミグ（ＭＩＧ）電圧、ワイヤ送り速度、工程速度またはレーザ出力などの１つ以上の溶接工程パラメータに適切な変更をなす。シーム追従動作における場合と同様、ジョイント間隙が許容できる修正範囲からはみ出すとエラーフラグが生成され、溶接工程はステップ３４０において停止する。

溶接品質は、溶接工程中リアルタイムでＡＷＱＭＳ５０およびＷＰＭＰＳ４０によって測定され、データはＣＰ２０に送られる。このような測定値は、隅肉サイズ、隅肉ジオメトリ、アンダーカット、凹部、凸部、望ましくない傾向たとえば隅肉サイズの増大またはアンダーカットの増大を含む。これらの測定値に基づいて、ＣＰ２０は、ステップ３３０「溶接工程ＯＫ？」において、溶接品質に許容できない偏差が生じているか否か判断する。偏差が許容できないものであって溶接工程パラメータが調整される必要がある場合、ステップ３３２において、ＣＰ２０は１つ以上の溶接工程パラメータについてパラメトリックデータベースから適切な調整アルゴリズムを抽出する。ステップ３３４において、ＣＰ２０は、たとえばミグ電圧、ワイヤ送り速度、工程速度またはレーザ出力などの、適切な溶接工程パラメータを調整する。シーム追従および間隙修正ルーチンにおける場合と同様
、ジョイント間隙が許容できる修正範囲からはみ出すとエラーフラグが生成され、溶接工程はステップ３４０において停止する。

溶接の完了は、ステップ３４０において「溶接完了？」閉ループ制御点によって監視される。決定は、通常、ステップ１２０において入力された、製作された部品の長さを表わす長さパラメータに基づく。間隙修正など、他の閉ループ制御工程の１つに主要な不具合があると、生成されたエラーフラグが「溶接完了」決定を「ｙｅｓ」に強制する。決定が「ｙｅｓ」である場合、ステップ４００で示されるように、ＣＰ２０は停止シーケンスを開始し、シーケンスは、ワイヤ送りおよび溶接レーザ速度を遅くするステップと、ワイヤ送りを停止するステップと、溶接レーザを止めるステップと、次に溶接工程を制御するサブシステム３０、４０、５０、６０、７０、８０および適切な場合は９０をシャットダウンするステップとを含み得る。

停止工程の完了後、ステップ５００において検査報告が生成される。報告は、溶接品質および部品が検査に合格したか否かをまとめる。部品が検査に合格しない場合、すべての欠陥およびその位置がフラグされる。欠陥の種類は、不十分な隅肉サイズ、割れ、アンダーカット、凹部または凸部の超過などを含む。ステップ５１０で判断されるように、製作された部品が検査に合格すると、溶接された部品はステップ５２０において自動的に出荷に移る。製作された部品が検査に合格しない場合、ステップ５３０において、欠陥の性質に依存してオフラインの手動再検査または再加工のために別の場所に送られる。

本明細書および請求項に説明された実施例は、単に本発明の例示であることが理解される。ここに開示されて下記の請求項によって規定される、本発明で意図される範囲を限定することなく、当業者によって特定の制御およびセンサの変形例が考慮され得る。

本発明による、モジュール式レーザ溶接制御システムのさまざまなサブシステムの統合を示す概略図である。 セントラルプロセッサを有する、レーザ溶接サブシステムのさまざまな溶接センサおよび制御の統合を示す概略図である。 制御プロセッサを有する、シーム追従サブシステムおよび適応ビーム送出サブシステムの統合を示す概略図である。 セントラルプロセッサを有する、溶接品質監視制御サブシステムおよび溶融池監視処理サブシステムの統合を示す概略図である。 ＧＭＡＷおよびＷＦＣサブシステムの統合を示す概略図である。 本発明による、ＬＷＰＣＳを用いて構造部品を溶接する方法を示すフローチャートである。

Claims (17)

1. レーザ溶接工程制御システムであって、
   溶接工程パラメータを伴うパラメトリックデータベースと、溶接される部品の溶接仕様のオペレータ入力および溶接工程における動作介入を可能にするグラフィカルユーザインターフェイス（ＧＵＩ）とを含むセントラルプロセッサと、
   前記溶接工程を制御する複数の溶接工程サブシステムと、
   前記溶接工程中、リアルタイムで溶接シームの溶接品質を監視する、複数の溶接品質監視制御サブシステムとを含み、
   前記セントラルプロセッサは、前記複数の溶接工程サブシステムの各サブシステムおよび前記複数の溶接品質監視制御サブシステムの各サブシステムと通信し、前記セントラルプロセッサを介して前記各サブシステム間で互いに通信することによって前記溶接工程サブシステムおよび前記溶接品質監視制御サブシステムの前記各サブシステム間のクロスコミュニケーションを管理し、かつ前記溶接工程の閉ループ制御を与え、
   前記ＧＵＩは、前記溶接工程パラメータおよび溶接動作のシーケンスのリアルタイム表示をもたらす、レーザ溶接工程制御システム。
2. 前記複数の溶接工程サブシステムは、
   レーザ装置制御サブシステムと、
   ＧＭＡＷおよびワイヤ送り制御サブシステムとを含み、
   前記溶接工程サブシステムは前記セントラルプロセッサによって直接制御される、請求項１に記載のレーザ溶接工程制御システム。
3. 前記複数の溶接品質監視制御サブシステムは、
   溶融池監視処理サブシステムと、
   溶接品質モニタと、
   適応ビーム送出サブシステムと、
   光学的シーム追従サブシステムとを含み、
   前記複数の前記溶接品質監視制御サブシステムの各サブシステムは前記セントラルプロセッサと直接通信する、請求項１に記載のレーザ溶接工程制御システム。
4. ハイブリッド溶接工程の制御方法であって、
   ａ）セントラルプロセッサ（ＣＰ）と、レーザ溶接装置制御サブシステム（ＬＤＣＳ）、ＧＭＡＷサブシステム（ＧＭＡＷ）、ワイヤ送り制御サブシステム（ＷＦＣＳ）などの装置制御サブシステムを含む複数のサブシステムと、溶融池監視処理サブシステム（ＷＰＭＰＳ）などの溶接品質監視制御サブシステムと、アクティブな溶接品質監視制御サブシステム（ＡＷＱＭＳ）と、適応ビーム送出サブシステム（ＡＢＤＳ）と、シーム追従サブシステム（ＳＴＳ）とを与えるステップと、
   ｂ）溶接工程パラメータおよび調整パラメータのパラメトリックデータベースを与えるステップと、
   ｃ）前記ＣＰから前記複数のサブシステムにおける前記サブシステムの前記各々への通信を可能にするステップと、
   ｄ）前記溶接品質監視制御サブシステムと前記ＣＰとの通信を可能にするステップと、
   ｅ）グラフィックユーザインターフェイス（ＧＵＩ）を介したオペレータ介入を可能にするステップと、
   ｆ）継続的溶接工程を自動的に初期化するステップと、
   ｇ）前記継続的溶接工程を継続的にリアルタイムで監視するステップと、
   ｈ）前記装置制御サブシステムの１つ以上の装置をリアルタイムに調整するステップと、
   ｉ）完了した溶接ジョイントの検査報告を自動的に生成するステップとを含む、方法。
5. 前記継続的溶接工程を初期化する前記ステップは、
   ｆ１）溶接される部品についての部品に特定的なデータを前記ＣＰに与えるステップと、
   ｆ２）前記パラメトリックデータベースから前記部品に特定的なデータに基づいて初期溶接工程パラメータを選択するステップと、
   ｆ３）シーム追従動作を初期化するステップと、
   ｆ４）前記装置制御サブシステムを初期化するステップと、
   ｆ５）前記溶接品質監視制御サブシステムを初期化するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記装置制御サブシステムを初期化する前記ステップは、レーザビーム送出装置、ＧＭＡＷ装置およびワイヤ送り装置を初期化するステップを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記溶接品質監視制御サブシステムを初期化する前記ステップは、前記ＷＰＭＰＳ、前記ＡＷＱＭＳ、前記ＳＴＳ、および前記ＡＢＤＳを初期化するステップを含む、請求項５に記載の方法。
8. 前記継続的溶接工程を継続的にリアルタイムで監視する前記ステップは、
   ｇ１）部品に特定的なデータに基づいて理論上のジョイント位置を計算するステップと、
   ｇ２）前記ＣＰに実際のジョイントデータを送るステップと、
   ｇ３）前記パラメトリックデータベースのアルゴリズムに基づいて、ビーム送出制御が調整を要求するか否か自動的に計算するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
9. ビーム送出制御が調整を要求するか否か判断する前記ステップは、前記実際のジョイントデータと前記理論上のジョイント位置とを比較するステップを含み、要求が必要な場合、前記１つ以上の装置を調整する前記ステップは、前記パラメトリックデータベースから適切なアルゴリズムを選択するステップと、前記ＣＰから前記ＡＢＤＳにビーム送出制御を調整するための信号を送るステップとを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記継続的溶接工程を継続的にリアルタイムで監視する前記ステップは、
    ｇ４）前記溶接ジョイントの間隙サイズおよび間隙位置を含むジョイントジオメトリデータを前記ＳＴＳから前記ＣＰに送るステップと、
    ｇ５）前記ジョイントジオメトリデータを前記パラメトリックデータベースの調整基準と比較するステップと、
    ｇ６）溶接工程パラメータが調整を要求するか否か判断するステップとを含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記溶接工程パラメータが調整を要求するか否か判断する前記ステップが調整が要求されると示した場合、前記１つ以上の制御を調整する前記ステップは、前記ＣＰから１つ以上の前記装置制御サブシステムへ、前記溶接工程パラメータの１つ以上を調整するよう命令を送るステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 前記継続的溶接工程を継続的にリアルタイムで監視する前記ステップは、
    ｇ７）前記ＡＷＱＭＳから前記ＣＰへ溶接プロファイルデータを送るステップと、
    ｇ８）前記溶接ジョイントの溶接品質を自動的に分析するステップと、
    ｇ９）前記溶接品質が許容可能であるか否か判断するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
13. 前記溶接品質が許容可能であるか否か判断する前記ステップは、前記ＡＷＱＭＳから前記溶接ジョイントの実際の溶接プロファイルのリアルタイムデータを受取るステップと、
    前記溶接ジョイントの所望の溶接プロファイルを与えるデータを前記パラメトリックデータベースから抽出するステップと、前記溶接プロファイルを前記所望の溶接プロファイルと比較するステップと、前記実際の溶接プロファイルが許容可能な範囲に含まれるか否か判断するステップと、前記実際の溶接プロファイルが範囲外である場合、前記パラメトリックデータベースから適切な溶接プロファイル調整アルゴリズムを自動的に抽出するステップと、１つ以上の前記溶接工程パラメータを調整するステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記継続的溶接工程を継続的にリアルタイムで監視する前記ステップは、
    ｇ１０）前記ＷＰＭＰＳから前記ＣＰへ溶融池データを送るステップと、
    ｇ１１）前記溶融池データを分析して前記溶接ジョイントの溶接の完全性を判断するステップと、
    ｇ１２）前記溶接の完全性と前記パラメトリックデータベースから抽出された値とを比較するステップと、
    ｇ１３）前記溶接の完全性に基づいて、１つ以上の前記溶接工程パラメータが調整を要求するか否か判断するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
15. 前記溶接工程パラメータが調整を要求する場合、前記継続的溶接工程をリアルタイムで制御する前記ステップは、前記パラメトリックデータベースから適切な調整アルゴリズムを抽出するステップと、１つ以上の前記溶接工程パラメータを調整するステップとを含む、請求項１４に記載の方法。
16. １つ以上の前記溶接工程パラメータの調整が前記溶接工程中に必要であり、かつ前記溶接品質が許容可能でないが再加工可能であると判断された場合、前記完了された溶接ジョイントの検査報告を自動的に生成する前記ステップは、
    ｈ１）１つ以上の前記溶接工程パラメータの調整が要求されるとエラーフラグを生成するステップと、
    ｈ２）欠陥の種類を表示するステップと、
    ｈ３）前記欠陥の位置を表示するステップと、
    ｈ４）行なわれた前記調整を表示するステップとを含む、請求項４に記載の方法。
17. 前記溶接品質が許容可能でなく再加工可能でもないと判断された場合、前記完了された溶接ジョイントの検査報告を自動的に生成する前記ステップは、
    ｈ５）前記装置制御サブシステムをシャットダウンするよう命令するステップと、
    ｈ６）１つ以上の前記溶接工程パラメータの調整が要求されるとエラーフラグを生成するステップと、
    ｈ７）欠陥の種類を表示するステップと、
    ｈ８）前記欠陥の位置を表示するステップと、
    ｈ９）前記溶接工程の中断を表示するステップとを含む、請求項４に記載の方法。

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