JPH0234275B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は金属パイプの内面にレーザビームを照
射して金属パイプを自動溶接するレーザ溶接方法
およびその装置に関するものである。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

従来金属パイプの溶接には、アーク溶接によつ
てパイプの外周部から溶接する方法が多く用いら
れているが、パイプ内面まで完全に溶接するため
には、溶接条件の管理や溶接技術に関して高度な
熟練を必要とし、またパイプの内面まで完全に溶
接する場合には、裏波が出ることが多いが、これ
を均一にすることは極めて難しく、従つてパイプ
の使用条件によつては、溶接後内周面を機械仕上
げする必要がある。

また、パイプの内面まで完全に溶接したい場合
には、あらかじめパイプの内面に内ばりをしてか
ら溶接しているが、この場合は溶接後この内ばり
を削り取る必要がある。

一方アーク溶接によつてパイプの内面から溶接
する場合には溶接部に開先をもうけ、この中を溶
加金属で埋めているが、溶接部の溶け込みが広く
なり、かつ内面の凹凸も大きくなるという欠点が
ある。

またパイプ内面からレーザや電子ビームで溶接
する方法があり、これらの場合は、高エネルギ密
度のため溶け込み幅がせまく、溶接時のひずみが
少ないという利点はあるが、加工点の位置を正確
に制御しないと溶接不良が出やすいので、パイプ
の寸法や開先線を正確に管理する必要がある。

〔発明の目的〕

本発明は以上の問題点を解決するためになされ
たもので、溶接線およびパイプ内径の寸法変化を
検出用レーザにより検出し、加工用レーザの集光
系の位置を検出した情報に基ずいて制御し、これ
によつて加工用レーザを溶接点に正確に集光しな
がら溶接する高精度のレーザ溶接方法およびその
装置を提供することを目的としている。

〔発明の概要〕

本発明は、金属パイプの内部でレーザビームの
集光系を回転させながら金属パイプの内面の切欠
に沿つて加工用レーザを照射して溶接するレーザ
溶接方法およびその装置において、レーザビーム
の集光系に先ず検出用レーザを投射して金属パイ
プの内径の変化や切欠位置のずれなどに対応する
集光系の回転位置に対する適正な調整位置を検知
して記憶し、次に集光系を回転位置に対して上記
記憶した調整位置に制御しながら加工用レーザを
金属パイプの内面の切欠に投射し、これによつて
金属パイプの内周の形状寸法変化や切欠位置のず
れがあつても切欠部を高精度でレーザ溶接できる
ようにしたものである。

〔発明の実施例〕

本発明の一実施例を第１図に示す。

第１図において検出用レーザ発振器１からの検
出用レーザ２はダイクロイツクミラー３を通過
し、反射ミラー４で反射され、集光レンズ５で集
光され、反射ミラー６で反射されて溶接すべきパ
イプ７の内周面に集光される。

パイプ内周面に集光されて反射された検出用レ
ーザ２は、往路と同一の光路を通つて戻り、一部
はダイクロツクミラー３で反射されてレーザ検知
器１６に入る。

反射ミラー４は、加工用レーザ発振器１７から
の加工用レーザ８の光軸に合せて検出用レーザ２
が進行するように反射ミラー装着体１８により固
定されており、加工用レーザ８により加工を行な
う時には反射ミラー装着体１８と共に加工用レー
ザ８の光路外に待避できるようになつている。

集光レンズ５とこれを支える筒体９、および反
射ミラー６とこれを支える筒体１０により構成さ
れる集光系１１は、集光系支持部１２の移動機構
１５によりパイプの長手方向に移動できるように
なつている。

また集光レンズ５を含む筒体９は、筒体移動機
構１４によりパイプの長手方向にそつて移動さ
れ、さらに反射ミラー６を支える筒体１０は、筒
体回転機構１３によりパイプの円周方向に回転さ
れる。

１９は、本装置の動作全体を制御する制御装置
である。

次に本装置の動作を説明する。

先ず検出用レーザ光発振器１からの検出用レー
ザ２は反射ミラー４、集光系１１を通りパイプ７
の内周面に集光される。

集光された検出用レーザ２はここで反射し、照
射された方向に戻つて行くが、ダイクロイツクミ
ラー３において一部が反射してレーザ検知器１６
に入る。

一方集光系１１は、集光系移動機構１５により
パイプの軸方向に移動される。

検出用レーザ２は、そのスポツト位置がパイプ
の内周面にあたつている場合は、その反射により
レーザ検知器１６に検出されるが溶接部２０に設
けた切欠部２０ａにあたつた場合には検出されな
い。

レーザ検知器１６からの信号により制御装置１
９を介して集光系移動機構１５は作動し、レーザ
検知器１６に信号が検出されない場合は、集光系
移動機構１５は停止する。

溶接部２０に設ける切欠２０ａの切欠幅Ｗは検
出用レーザ光の検出精度と溶接後のビード表面に
要求される状況により適正な値に選ばれるが、一
般的には0.5〜2.0mm程度の切欠幅で十分である。

このためレーザ検知器１６への信号がなくなつ
てから、さらに切欠幅Ｗの1/2程度移動してから
停止するよう、集光系移動機構１５の移動量を調
整している。

以上の方法によりパイプの溶接位置の一点が検
出された後、反射ミラー６を支える筒体１０を筒
体回転機構１３により回転させる。

この時パイプ７の寸法精度や集光系１１の設置
上わずかなずれにより検出用レーザ２の集光点
が、溶接線からずれることがあるが、本発明で
は、このずれをレーザ検出器１６に入る反射され
た検出レーザで検出して集光系移動機構１５の移
動量を制御している。

すなわち制御装置１９は上記検出レーザを入力
して所定の演算を行ない集光系移動機構１５に信
号を送り集光系移動機構１５によつて集光系支持
部１２を左右に動かし、溶接線の位置が検出用レ
ーザの集光点の位置に来るよう制御する。

以上のように筒体１０を筒体回転機構１３によ
り回転させながら検出用レーザが常に溶接線の上
に来るように集光系移動機構１５を制御する操作
を筒体回転機構１３が１回転するまで続けると共
に制御装置１９は集光系移動機構１５の移動量を
記憶しておく。

以上の操作により筒体回転機構１３の回転に伴
なう溶接線のずれを集光系移動機構１５の移動に
より常に修正し、レーザの集光点が常に溶接線上
に来るよう制御する。

上記の操作によつて溶接線の軌跡が制御される
のでパイプが真円に近ければ、直ちに溶接作業に
移れるわけであるが、実際にはパイプに工作誤差
があり真円でない場合が多いのでパイプの真円度
の狂い量に応じ加工時のレーザビームの集光点を
変える必要がある。

このためまず検出用レーザ２の集光部が溶接部
２０の近傍に来るよう集光系１１の位置を調整す
ると、検出用レーザ２は、パイプ内面で反射さ
れ、進行方向を逆もどりダイクロイツクミラー３
により一部反射され、レーザ検知器１６に入るの
で、この時レーザ検知器１６内のレンズとスリツ
トにより検出用レーザの集光点がパイプ７の内面
に合つているかどうかを検出し、合つていない場
合にはその信号を制御装置１９に送る。制御装置
１９は筒体移動機構１４に指示を出し、集光レン
ズ５の位置を動かして集光レンズ５からパイプ内
面までの距離を変え、この操作をレーザ検知器１
６内で、検出用レーザの集光点がパイプの内面に
合うことが確認できるまで続ける。

検出用レーザ２の集光点がパイプ内面の一点に
合つたことを確認すると、制御装置１９の指示に
よつて筒体回転機構１３は筒体１０をパイプ内面
にそつて回転させる。

この時パイプ内径寸法の変化があれば検出用レ
ーザ２の集光点はパイプ内面からずれるわけであ
るがこのずれをレーザ検知器１６で検知し筒体移
動機構１４により集光レンズ５の位置を動かし集
光点がパイプ内面になるよう調整する。

この操作をパイプの内面一周にそつて継続し、
この時の筒体移動機構１４の移動量とその位置を
制御装置１９に記憶させる。

以上の操作によりパイプ内径が真円でない場合
でもレーザの集光点が常にパイプ内面に合うよう
なる。

以上の方法により、パイプの溶接位置と、パイ
プの内径変化に対応した集光レンズの位置が記憶
された後、検出用レーザ光２の反射ミラー４を装
着している装着体１８を加工用レーザ８の光路外
に移動させ、しかる後に加工用レーザ発振器１７
から加工用レーザ８を照射させ、集光系１１によ
りパイプの溶接部２０に集光させ、同時に筒体１
０を筒体回転機構１３により回転させ加工用レー
ザをパイプ７の円周方向に回転させ、筒体９を筒
体移動機構１４によりパイプの長手方向に移動さ
せ、集光系移動機構１５もパイプの長手方向に移
動させながら連続的に溶接を行なう。

この時、集光系移動機構１５および筒体移動機
構１４は前記の検出用レーザによつて記憶された
情報に基ずいてパイプ７の溶接線とパイプの寸法
のずれを自動的に修正する。

以上の方法により加工用レーザの集光点は常に
溶接線の上に来るので良好な溶接が可能となる。

なお制御装置１９は、以上述べたごとく集光系
移動機構１５、筒体移動機構１４、筒体回転機構
１３のみならず検出用レーザ２の照射と停止、加
工用レーザ光８の照射と停止、装着体１８の移動
および加工時における加工条件のフイードバツク
も行なう。

一般に検出用レーザ（例えばHe−Neレーザ）
と加工用レーザ（例えばCO₂レーザ）では波長が
異なるので、同一集光系で集光した場合には、そ
の集光点が異なるが、本発明では、この差を加工
用レーザ光照射前に、筒体移動機構１４により調
整できるよう制御装置１９にあらかじめプログラ
ムしておく。

なお上記実施例は円形パイプの場合について説
明したが、断面が楕円形や多角形のパイプについ
ても同様に適用することができる。

本発明に用いられる制御装置１９の構成を第２
図に示す。

すなわち制御装置１９はメモリ２１、CPU２
２、タイマ２３および入出力ポート２４で構成さ
れたマイクロコンピユータ４０と、パルス発生器
PG１〜PG３からの出力パルスを計数するカウン
タ２５〜２７と、マイクロコンピユータ４０の出
力するデイジタル値をアナログ値に変換するＤ／
Ａ変換器２８〜３１と、このアナログ値で集光系
移動機構１５のアクチユエータM₁（例えばモー
タ）を駆動する集光系駆動器３２、筒体移動機構
１４のアクチユエータM₂を駆動する筒体移動駆
動器３３、筒体回転機構１３のアクチユエータ
M₃を駆動する筒体回転駆動器３４および装着体
１８のアクチユエータM₄を駆動する装着体移動
駆動器３５と、レーザ光検知器１６の出力するア
ナログ信号をデイジタル信号に変換するＡ／Ｄ変
換器３６で構成されている。

第３図は、レーザ検知器１６の検出器として使
用した太陽電池の出力特性であり、筒体移動機構
１４により検出用レーザの焦点がパイプ内面に合
つた時太陽電池の出力値はA_F以上となり、パイ
プ内面からの反射光が無くなるとA_W以下になる
ことを示している。

また第４図は、集光系移動機構１５により検出
用レーザが溶接部２０を通過したときの太陽電池
の出力変化を示しており、切欠幅Ｗの一端におけ
る出力は焦点が合つた時の出力A_Fの約1/2になる
ことを示している。

このように構成したレーザ溶接用制御装置の動
作を第５図および第６図のフローチヤートを参照
して説明する。

先ず検出指令が第２図の如くマイクロコンピユ
ータ４０の入出力ポート２４の入力ポートに入力
されると、メモリ２１に記憶されたプログラムに
従つてCPU２２は検出用レーザ発振器１に入出
力ポート２４の出力ポートを介して照射開始信号
を出力する。

次に、レーザ検知器１６からの太陽電池の出力
値をＡ／Ｄ変換器３６および入出力ポート２４を
介して読み込み、検出用レーザ光の焦点がパイプ
内面に合うまですなわち、予じめメモリ２１に記
憶したA_Fの値よりも反射光の値が大きくなるま
で筒体移動指令を入出力ポート２４、Ｄ／Ａ変換
器２９を介して筒体移動駆動器３３に出力する。

検出用レーザの焦点がパイプ内面に合つたこと
を太陽電池の出力値からCPUが判断し、次に集
光系移動機構１２をCPUの移動指令により同様
に移動させ、溶接部２０の切欠端で太陽電池の出
力値がA_Fの値の半分以下となつたら、さらに切
欠幅Ｗの1/2だけ集光系移動機構１５を移動させ
る。

このとき太陽電池出力値はA_W以下でほぼゼロ
となり検出用レーザ２は溶接部２０のほぼ中央に
位置することになる。

この位置を集光系移動機構１５と筒体回転機構
１３に装着したパルス発生器PG１，PG３のカウ
ンタ２５，２７の計数値を入出力ポート２４を介
してメモリ２１の予じめ定めた箇所に記憶して、
以後１回転するまで筒体回転機構１３を駆動し一
定回転角度毎に同様にカウンタ２５，２７の計数
値を記憶する。

この途中でレーザ検知器１６からの太陽電池出
力値がA_W以上となつた時は、集光系移動機構１
５をA_Wの値が低下する方向に移動させて溶接部
２０に検出用レーザを追従させるようにCPUが
信号を出力する。

筒体回転機構１３が１回転したことをカウンタ
２７の計数値からCPUが判断したら、次に集光
系移動機構１５を予じめ定めた値だけ移動させ、
検出用レーザをパイプ内面に照射させる。

このときの反射光を太陽電池により検出して焦
点が合うまで出力値が大きくなる方向に筒体移動
機構１４を移動させる。

このようにして出力値がA_F以上となつたとこ
ろで筒体の移動位置と回転位置をそれぞれカウン
タ２６，２７の計数値を読み込んで記憶し、以後
１回転するまで筒体回転機構１３を駆動し、一定
回転角度毎にカウンタ２６，２７の計数値を予じ
め定めたメモリ２１内の箇所に記憶する。

なお一定回転角度ごとに太陽電池の出力値が
A_F以下になつていないかどうかCPUは調べ、も
しなつていた場合は筒体移動機構１４に反射光が
A_F以上になるように駆動信号を出力する。

筒体回転機構１３が１回転したことをカウンタ
２７の計数値からCPUが判断したら、検出用レ
ーザを停止する信号を検出用レーザ発振器１に出
力する。

このようにして筒体回転機構１３の一定回転角
度毎の集光系移動機構１５と筒体移動機構１４の
移動位置をメモリ２１に記憶した後、CPUが溶
接指令を入出力ポート２４を介して受け取ると、
第６図のフローチヤートに示すように装着体１８
を移動させる指令を入出力ポート２４、Ｄ／Ａ変
換器３１を介して装着体移動駆動器３５に出力す
る。

次に集光系移動機構１５、筒体移動機構１４、
筒体回転機構１３をメモリ２１に最初に記憶した
値にカウンタ２５，２６，２７の計数値が一致す
るようにそれぞれ駆動器３２〜３４にCPU２２
が制御信号を出力する。

このようにして初期位置に移動が完了したら、
集光系移動機構１５を予じめメモリ２１に記憶し
ている値だけ移動させて加工用レーザ光の焦点を
補正し加工用レーザ発振器１７にレーザ光照射開
始信号を出力する。

この後筒体の一定回転毎にメモリ２１に記憶し
たカウンタ２５，２６，２７の計数値を、予じめ
定めたタイマ２３による一定時間毎にCPU２２
が現在のカウンタ２５〜２７の計数値を読み込ん
で比較し、それぞれの記憶値との差がゼロになる
ような駆動指令をそれぞれの駆動器３２〜３４に
出力し、常に検出した溶接部２０の位置に加工用
レーザ光を照射する。

このようにして筒体が１回転するまで溶接を行
ない、カウンタ２７の計数値からCPUは筒体が
１回転したことを判断し、加工用レーザ発振器１
７に対してレーザ停止指令を入出力ポート２４を
介して出力すると共に、装着体１８に復帰指令を
出力し、加工用レーザの発振を停止させると共に
装着体１８を初期位置に復帰させて溶接を終了す
る。

なお本実施例では、レーザ検知器１６の検出器
として太陽電池を使用したが、半導体イメージセ
ンサ（CCD：charge coupled device）などを使
用することも可能である。

また、各移動機構に装着したパルス発生器PG
１〜PG３の代りにポテンシヨメータを使用しア
クチユエータM₁〜M₃の回転角度をアナログ値と
して検出するようにしても良い。但しこの場合は
カウンタ２５〜２７の代りにＡ／Ｄ変換器を用い
る必要がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、 (a) 溶接部に小さな切欠をつけることにより溶接
部の検出を確実にし、かつ溶接後に溶接ビード
のパイプ内へのもり上りが少ない平たんな溶接
部を得ることができ溶接後の後加工が省略で
き、特に溶接後のビード面の仕上げ加工が困難
なものには極めて有利である。

(b) 溶接線を検出してこれを溶接時にフイードバ
ツクすることにより溶接中に溶接源からのレー
ザビームのずれがないため、溶接品質の高い自
動溶接ができる。

(c) パイプ内径の変化を検知してこれを溶接時に
フイードバツクすることによりパイプの内径に
変化があつても、これに対応した溶接条件が設
定できるため、溶接品質が安定した自動溶接が
可能になるばかりでなく、被溶接材料を溶接前
に加工して寸法精度を出しておく必要もなくさ
らに楕円状を初めとする円形でないパイプの自
動溶接も可能となる。

(d) 上記の理由により従来開先合せ面の精度確
保、開先線のずれ補正、パイプの真円度の狂い
等の理由で自動化が難しかつたパイプの自動溶
接が高精度で可能になる。

(e) パイプを内面から溶接することにより、パイ
プの溶接品質上最も重要なパイプ内面側の溶接
品質が安定する。

など多くの利点をもつ金属パイプのレーザ溶接方
法およびその装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す構成図、第２
図は本発明に用いられる制御装置の構成を示す系
統図、第３図は本発明のレーザ検出器に用いられ
る太陽電池の出力特性を示す図、第４図は集光系
の移動量と太陽電池の出力との関係を示す図、第
５図は本発明における検出用レーザの制御動作を
示すフローチヤート、第６図は同じく加工用レー
ザの制御動作を示すフローチヤートである。 １……検出用レーザ発振器、２……検出用レー
ザビーム、３……ダイクロイツクミラー、４，６
……反射ミラー、５……集光レンズ、７……金属
パイプ、８……加工用レーザビーム、９……レン
ズ支持用筒体、１０……反射ミラー支持用筒体、
１１……集光系、１２……集光系支持部、１３…
…筒体回転機構、１４……筒体移動機構、１５…
…集光系移動機構、１６……レーザ検知器、１７
……加工用レーザ発振器、１８……検出用ミラー
装着体、１９……制御装置、２０……溶接部、４
０……マイクロコンピユータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 金属パイプの内部で集光レンズと反射ミラー
   を有するレーザビームの集光系を回転させながら
   金属パイプの内面の切欠に沿つて加工用レーザを
   照射して溶接するレーザ溶接方法において、上記
   集光系に検出用レーザを投射して金属パイプの内
   面で反射させてその検出用レーザを検出し、この
   検出値によりレーザの集光点が常に溶接線上に来
   るように集光系の位置を調整してその位置を記憶
   すると共にレーザの集光点が常にパイプ内周面に
   合うように集光系の位置を調整してその位置を記
   憶し、その後加工用レーザを投射して溶接する
   時、上記の記憶された情報に基づき集光系の位置
   を制御し、金属パイプの溶接線および寸法のずれ
   を自動的に修正するようにしたことを特徴とする
   レーザ溶接方法。 ２ 金属パイプの内部で集光レンズと反射ミラー
   を有するレーザビームの集光系を回転させながら
   金属パイプの内面の切欠に沿つて加工用レーザ発
   振器から加工用レーザを照射して溶接するレーザ
   溶接装置において、上記集光系に検出用レーザを
   投射する検出用レーザ発振器と、金属パイプの内
   面で反射された検出用レーザを検出するレーザ検
   知器と、上記集光系を金属パイプの長手方向に移
   動させる集光系移動機構と、上記集光レンズを金
   属パイプの長手方向に移動させる筒体移動機構
   と、上記反射ミラーを金属パイプの円周方向に回
   転させる筒体回転機構と、上記レーザ検知器から
   の信号によりレーザの集光点が常に溶接線上に来
   るように上記集光系移動機構および筒体回転機構
   を制御してそれらの位置を記憶すると共にレーザ
   の集光点が常にパイプ内面に合うように筒体移動
   機構および筒体回転機構を制御してそれらの位置
   を記憶し、一方加工用レーザを投射して溶接する
   時、上記筒体回転機構により反射ミラーを回転さ
   せる際、上記の記憶された情報に基づいて集光系
   移動機能および筒体移動機構を制御し金属パイプ
   の溶接線および寸法のずれを自動的に修正する制
   御装置を備えたことを特徴とするレーザ溶接装
   置。