JPH02179378A - レーザー溶接モニタ装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明はレーザー溶接モニタ装置および該装置を使用す
る方法に関するものである。

従来の技術 溶接にレーザーを使用することは公知のことであり、自
動車のボディおよび同様な製品の自動組立に特に有用に
用いられる。その主たる利点は、溶接装置と溶接される
ワークピースの間に物理的な接触が不要である点、ワー
クピースが一側から溶接されうる点、充填物が不要であ
る点等である。

しかしながら、レーザーによって溶接がなされる時に、
溶接位置を正確に制御することが困難である主たる欠点
がある。

自動車の製造においては、組み立ては可能な限り自動化
されることが望ましく、そのため、溶接に対しても正確
な制御が要求される。それ故、本発明の主たる目的は、
成形、切断、熱処理の場合と同様な延在させて作用する
レーザー溶接において、作用の正確な制御かでき、その
ため、自動組み立てが可能となるようにするものである
。

従来、この種のレーザー装置として、Ｕ、Ｓ特許３６８
９１５９に開示された装置があり、該装置において、所
望時にレーザーにより発生させるモニタ用の平行光線ビ
ームがミラーによってレーザー成形ビームの光路内に照
射され、そのために、ワークピース上にフォーカス・レ
ンズを通して上記ビームが当たり、それらの焦点が一致
するようにされている。モニタ・ビームは振動プレート
によって変調され、ワークピースから反射された変調光
線の出力の変化が、焦点状態が外れたことを検知し、正
確な信号を出すために使用されている。

しかしながら、このシステムでは、フォーカスされたレ
ーザー・スポットがワークピースの表面上にある位置と
同一線上から外れているか否かな、即ち、それが上下に
位置ずれしているか、左右に位置ずれしているか否かを
検出することは出来ない。

ＰＣＴ出願ＵＳ８２１０１２３５では、溶接がなされる
位置に、航以て、トラッキング点の周囲の環状光路内に
レーザー光を照射する溶接システムが開示されている。

これは溶接位置の制御を可能とするが、溶接それ自体の
作用、即ち、溶接が所要の位置で正確になされているか
否か、あるいはそれが正確に作用しているか否かを計測
することは出来ない。さらに、このシステムは溶接点に
先だってトラッキング点を使用するため、溶接点に対し
てトラッキング手段を揺動する手段が、直線ライン以外
にも溶接できるようにした自動溶接システムのために必
要とされる。

他のシステムにおいて、溶接路のモニタ・スキャンのた
めにテレビを使用するようにものが開示されているが、
それらの変化する特性により、これらのシステムは大量
の余分な情報をピップアップし、そのために、迅速な応
答率で設定することが困難である。それらは、また、溶
接自体によって放射される光線により干渉されやすい問
題がある。

課題を解決するための手段 本発明は上記した問題を解消し、モニタされるレーザー
溶接点の横方向の位置決め及び垂直方向の位置決めの両
方を可能とするものである。また、レーザー溶接部をス
ポット照射することによって、ワークピースを溶接、切
断あるいは成形の為にレーザー・ビームが集中している
一点をモニタ出来ると共に、上記作用の全てを含む広籟
囲で使用されるレーザー溶接の期間中、モニタすること
が出来る。

本発明は、エネルギー源となるレーザー・ビームと、該
エネルギー源からのレーザー・ビームを該ビームが照射
されるワークピースの集中された一点に指向させる手段
と、ワークピース上に光を指向させるために配置された
プローブ・レーザー源と、上記プローブ・レーザー源か
ら発生するモニタ反射光およびワークピースからの反射
光をピックアップすると共にモニタするために配置され
たレーザー・ビーム検出手段を構成するビーム・スプリ
ッターとを備えたものにおいて、 上記プローブ源から、上記集中された一点を囲む外周系
路に光を指向させるための回転ミラーを設けていること
を特徴するレーザー溶接モニタ装置を提供するものであ
る。

ワークピースの表面の変化性により、外周系路は、好ま
しくはワークピースの表面を横断するように見える円環
形状である。このように円環形状とすることにより、溶
接位置を囲む全周から反射されるプローブ光から発生す
る信号の間で、その反射量の比較が可能となる。

所定の糸路に沿って隅肉溶接がなされる溶接装置の場合
には、溶接点を囲むプローブ・ビームは、集中された一
点で溶接されるシーム（合わせ目）の位置の経路を越え
、該位置から約１８０°の位置で、溶接が既に為された
点を通過することとなる。

後者の通過点は、完了した溶接をモニタするために使用
しえる信号を与える一方、前者の点は、反射の最小信号
を与え、該最小信号はこれら２つの第１の信号の両側で
信号を比較して溶接の中心を測定するために使用される
。タイミング基準信号が、プローブ・ビームの位置を外
周経路上に決定するプローブ・ビーム・スキャン装置か
ら得られる。基準信号からのいずれのオフセットも、溶
接の位置を移動するための正確な信号を発生ずるために
使用しえる。これは横方向の制御がなさえることを可能
とする。

好ましくは、外周経路に上記プローブ源から光を照射す
るための手段は、円錐を描くように上記光を指向するた
めに配置されている。円錐とすることは、円形経路のサ
イズ（直径）が光路の長さに応じた長さに変化すること
を意味する。このようにして、ビームの焦点を測定する
方法がプローブレーザ−・ビームによって描かれた円形
経路の直径を測定することにより為され得る。さらに、
焦点調整が乱視的な焦点感知システムによって測定され
得ると共に、従来公知の態様で光路の長さを効果的に測
定し得る。

円錐状のプローブ・レーザー・ビームを生成するための
好適な方法として、ミラーの平面に対して厳密には９０
度ではないが９０度に近接した軸線を中心として回転す
るミラーを介してビームを方向付けている。

実施例 以下、本発明を図面を参照して説明する。

第１図に示すように、システムは、主溶接レーザー源１
００、該主溶接レーザー源１００からのレーザー・ビー
ムｌをワークピース４上のレーザー溶接点３に、典型的
には　亜鉛（Ｚｎ　）セシウム（Ｓｎ）レンズからなる
焦点装置２を介して指向させるビーム案内装置１０１を
備えている。

車体パネルを溶接する場合には、相当の大出力を得るこ
とができるために、ＣＯ２レーザーが使用され、この時
、通常、例えばロボットが保持したミラーにより案内し
てビームのエネルギーをワークピースである車体パネル
から数ミリメール離れた所に位置する小さいノズル（第
１図には図示せず）から放射している。ノズルから放射
されるニトロジエン、アルゴン等のシールドガスがレン
ズの真下に位置する溶接ヘッドに吹き付けられ、破片や
溶接により生じた物質がレンズを汚すことがないように
している。

上述したことは当業者にとって公知のことであり、以下
に、本発明が対象とする制御装置について記載する。

プローブ・レーザ源１０２からのプローブ・レーザー・
ビームは、プローブ・スキャン装置１０３とミラーから
なるビーム・スプリッター５（或いは、ビーム・コンバ
イナー）を介してレーザー・エネルギーのビームｌを円
錐状の最初のビーム経路６に導かられる。

上記ビーム経路６は焦点装置（以下、焦点レンズと称す
る）２を通過するため、主溶接レーザー・ビーム１に容
易に影響する程度の環境の影響によるレンズの移動ある
いはその焦点距離の変化によって影響されやすい。

本装置の作動は、概略的には、主溶接センサー１０４が
ビーム・スプリッター５を介して主レーザ−・ビームｌ
の一割当部分を受光し、焦点レンズ２に指向されるビー
ムｌの全体を測定する。線センサ−１０４からの情報は
主制御装置１０５に入力されている。

ワークピース４から反射した後に経路６から反射された
光を検出することによっても信号かえられる。上記反射
光は経路６を通って、解析により制御信号を出すプロー
ブ・スキャン装置１０３に入り、制御信号が経路８を介
して主制御装置１０５に入力される。

主制御装置１０５は入力された全てのデータを処理し、
経路９を介して焦点レンズ２の調節のために焦点制御用
の精度の高い制御信号を焦点コントローラ１０６に出力
すると共に、精度の高いトラッキング情報を経路１０を
介してビーム案内装置ｌｏｔに出力している。さらに、
上記主制御装置１０５はワークピース４に対する溶接点
の位置を迅速かつ大まかに決定するために、経路７を介
してビーム案内装置１０１に大まかな制御信号を送信す
ることも可能である。溶接の開始時及び溶接中には、焦
点制御装置の範囲を越える大きな動きを可能とするため
に、上記の大まかな制御信号を上記した精密な制御信号
と連動して使用する必要がある。尚、第１図中、１０７
はプローブ信号処理装置である。

第２図はプローブ・ビーム装置を詳細に示している。

プローブ・ビーム・レーザー源１０２は回転ミラー１１
にプローブ・レーザー・ビーム−を方向付けている。該
回転ミラー１！は、その主軸Ｉ２を支点として回転し、
該主軸１２はミラー１１に対して、厳密に直角でないが
、はぼ直角に近い、例えば８８°に配置されており、そ
のため、円錐状のビームが生成される。上記角度は実際
には装置の形状により選択することができる、角度が９
０°に近づくほど、生成される円錐状のビームの角度は
より薄くなる。

上記円錐状のビームは焦点レンズ２を通過し、その後、
ノズル１３の孔を通過し、ワークピース４の上部で焦点
が合い、レーザー溶接点３を囲む外周経路を描くように
なっている。

ノズルＩ３の孔の大きさは、通常的８ｍｍであり、ワー
クピース４からの距離が３〜４ｍｍである。従って、プ
ローブ・ビームにより生成される円は６〜８開の直径を
有し、ノズル１３から、シールドあるいは干渉なしに、
最適の性能を与えるようにしている。よって、上記回転
ミラーｌｌの角度は上記した性能が得られるように決定
される。

第３図及び第４図は反射したビームの放射を収束する装
置の２つの相違した配置を示している。

第３図に示す第１の場合、ミラーからなるビーム・スプ
リッター１４は反射光線の経路において回転ミラーＩ＋
より前の位置に配置されている。

反射光は直接に位置検出器（ＰＳＤ）１０Ｂに入射する
ようになっている。この位置にビーム・スプリッター１
４を配置しているため、上記位置検出器はビームにより
描かれた上記円状部分の像を捕らえることができる。上
記円状部分の中心の像は、反射光が溶接点からの放射光
が直接に位置検出器１０８に入るの防止するために、ブ
ロック・オフさせ得る。

上記位置検出器１０８は、大きな感光領域を備えた装置
で、ビームを常時採取するようになっている。焦点合わ
せは、反射光の円の直径を計測することにより行い、該
円の直径はビーム光線の円錐形の高さにより変化するよ
うになっている。上記の動作は円状部分の全体を追跡す
るように光線の強さの偏りの割合を検出することにより
可能となる。一方、トラッキング情報は、上記円状部分
の周囲の異なる瞬間での光の強さを観察することにより
得ることができる。

第４図に示す本発明の変形例に係わる装置では、ビーム
・スプリッターＩ５が、反射光経路において回転ミラー
１１を通過した後に位置されている。

該ビーム・スプリッター１５は（円形よりむしろ）１点
への反射光を生じさ仕、その変化する光の強さがより厳
密にモニタされる。さらに、溶接自体と無関係な放射光
が容易に検出器によってピックアップされることを防止
でき、かっ、より明確な応答を得ることが出来る利点が
ある。

該第２実施例では、焦点は当該技術分野において公知の
タイプ（例えば、コンパクト・ディスク・プレーヤーに
おけるレーザー・ピックアップの焦点測定用の装置）の
乱視的な焦点検出システム（ＡＦＤＳ）１０９の使用に
よって測定される。

第３図および第４図に示された両方の実施例において、
無関係の光が、プローブ・レーザー・ビームの波長と一
致する伝導波長を備えた狭い帯の光学フィルターを使用
することによって、光学装置に達することを防止出来る
。さらに、プローブ・レーザー・ビームは多重変調され
ることが出来ると共に、無関係の信号、特に、通常は強
い低周波数を有するを溶接点で発生される放射線からの
信号の引き出される無関係の信号を拒絶するために、ロ
ック・イン増幅検出装置が使用される。このような技術
を容易に用いることが出来ることも本発明の特徴である
。

検出され得る溶接作用および溶接の横方向の位置決め方
法を、フィレット（隅肉）溶接の実施例を示す第５図、
第６図および第７図を参照して以下に説明する。

第５図において、２枚の金属シート１６と１７は、これ
ら２枚のシートの間の溶接ラインに対して隅肉溶接がな
されるものである。　溶接点１８は、正確に位置された
時、２枚のシートの間の中心点となり、ワークピース（
２枚のシート１６．１７）と溶接装置の間の相対移動に
よって、溶接工程をとおして、溶接材料の経路１９はフ
ィレットに沿って生じる。プローブビーム２０が溶接点
１８の中心点を囲む外周経路を写し、いずれの時にも、
その時に表面上にあるその放射光を反射する。非溶接状
態においてフィレットを通過する時に、反射が最小とな
るようにされ、図示のようにす、　ｄの位置にある平坦
な金属面上を通過する時に反射か最大となるようにされ
ている。　第６図は同−例の平面図であり、下記の４つ
の状態を示している。

ａ、最小の反射 す、最大の反射 Ｃ１溶接部自体からの最小および多少の反射ｄ、最大の
反射 フィレットの中心で溶接が正確になされた時には、上記
４つの状態は、スキャンされる円形と対称な関係におい
て出力される。

しかしながら、溶接が円形の中心から外れた点でなされ
るならば、４つの状態はもはや同時的に対称とはならず
、そのため、正確に配置するために、正確な信号が発生
される。第７図は溶接ラインが所望のフィレット経路に
外れた位置にある状態を誇張して示しており、４つの状
態のタイミングが変化している。

さらに、第４図に示すＡＦＤＳの配置したものが使用さ
れた時、該検出器から出力されろ信号は、プローブ・レ
ーザー・ビームが第６図のａとＣの点を通過した時に変
化する。この情報は上記の反射光の変化から引き出され
る信号に変えて、あるいは該信号と関連して使用し得ろ
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わる装置の全体を示す概略図、第２
図はレーザとプローブの光学的配置を示す概略図、第３
図は検出機構を示す概略図、第４図は検出機構の第２の
形態を示す概略図、第５図はフィレット溶接されるワー
クピースを示す斜視図、第６図は第５図における正しい
配列を示す概略平面図、第７図は誤りの配列を示す概略
斜視図である。 １・・レーザー・ビーム、２・・焦点装置。 ３・・溶接点、　４・・ワークピース、５．１４．１５
・・ビーム・スプリッター１１・・回転ミラー 特許出願人　フィアット・アウト・ソシエタ・ベル・ア
チオーニ 代理人弁理士青　山　　葆　ほか２名 ｐｔｅ。 ０（３，３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、エネルギー源となるレーザー・ビーム（１）と、該
   エネルギー源からのレーザー・ビームを該ビームが照射
   されるワークピース（４）上の集中された一点（３）に
   指向させる手段と、ワークピース（４）上に光を指向さ
   せるために配置されたプローブ・レーザー源と、該プロ
   ーブ・レーザー源から発生するプローブ・レーザー・ビ
   ームをモニタ反射光として且つワークピース（４）から
   の反射光をピックアップすると共にモニタするために配
   置されたレーザー・ビーム検出手段を構成するビーム・
   スプリッター（５、１４、１５）とを備えたものにおい
   て、上記プローブ・レーザー源から、上記集中された一
   点（３）を囲む外周系路にプローブ・レーザー・ビーム
   を指向させるための回転ミラー（１１）を設けているこ
   とを特徴するレーザー溶接モニタ装置。 ２、上記外周経路は円環形状である請求項１記載の装置
   。 ３、上記プローブ・レーザー源は円錐の表面を写す経路
   （６）に光を指向させる請求項１あるいは２のいずれか
   の装置。 ４、上記光の円錐経路を生成するために、ミラー表面に
   対してほぼ９０度の角度にある軸線を中心として回転す
   るように配置された回転ミラー（１１）を備えている請
   求項３記載の装置。 ５、焦点決定のために上記プローブ・レーザー・ビーム
   によって写される円形の直径を測定するための手段を備
   えている請求項３記載の装置。 ６、上記集中された一点（３）が隅肉溶接ラインに沿っ
   てワークピースの移動を生じさせ、かつ、上記レーザー
   ・エネルギーからなるプローブ・レーザー・ビームが上
   記一点（３）を囲み、上記プローブ・レーザー・ビーム
   から発生する光およびワークピースから反射された光が
   溶接の必要位置に対して上記一点（３）の位置をモニタ
   するために使用されるものである請求項１に記載の装置
   によってなされる隅肉溶接を制御するための方法。