JPH04127983A - レーザ溶接装置 - 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、レーザビーム溶接に係り、特に集光レンズの
焦点合わせを自動で行なう方法及び溶融部の表面ビード
幅を計測し、その計測データの結果に基づきそのデータ
値の大小に応して自動焦点の補正をすることを特徴とす
るレーザ溶接装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の集光レンズの焦点合わせは、第８図に示すように
移動可能なＺステージに集光レンズと接触式測長センサ
が取付いており、接触式測定センサで集光レンズと被溶
接材の溶接位置までの距離を計測し、その計測結果に基
づき手動にて予め設定した焦点になるように２ステージ
を移動し焦点を合わせる。これらの接触式測長センサは
被溶接材にキズを付ける問題があり、ダミー品により焦
点位置合せを行なう。この方法では被溶接材ごとの加工
バラツキに対応できないため、溶接品の品質にバラツキ
が生しやすかった。さらに、溶接品の品質の評価は、溶
接部のガスもれ検査であるリークテストだけに依存して
おり、溶接接合部の強度の尺度となる接合部のビード幅
の管理ができなく、またリークテストはライン外の作業
であり工程を乱す要因であり、その寸法測定は、その溶
接条件でのダミー品を切断・エツチングし接合部ビード
幅を測定していたため、リアルタイムに品質をつかむこ
とができなく、また実質的に個々の被溶接品の品質を実
質的につかむことは不可能であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術はレーザビーム加工用レンズである集光レ
ンズの焦点距離の管理及び被溶接材の加工寸法バラツキ
について配慮が不十分であり、溶接品の品質にバラツキ
が発生する問題があった。

本発明の目的は加工品の品質のバラツキを防止するため
に被溶接材の寸法変化に対応する方法として集光レンズ
と溶接個所の距離を計測し、その計測結果に基づき集光
レンズを移動することで、集光レンズと溶接個所の距離
を設定値になるように制御することにある。さらに、溶
融部表面ビード幅を精度よく計測し、その計測結果に基
づきそのデータ値の大小に応じて自動焦点の補正を行な
うことにより高品質で高精度なレーザ溶接を行ない。そ
の溶接品の合否判定を行なうものである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、集光レンズを有する２ステージを設けその
Ｚステージに非接触式測長センサを取付け、溶接材の溶
接箇所とセンサまての距離を計測し、そのセンサのデー
タをＣＰＵで演算し、予め設定した焦点になるように集
光レンズを有す２ステージを移動し、制御を行なうもの
である。さらに溶融部の光を平行光線にする集光レンズ
と、その集光レンズを通過した光を単色光にする干渉フ
ィルタと画像を撮像するＩＴＶカメラと、このＩＴＶカ
メラからの映像信号に基づいて前記画像を表示するモニ
タテレビと、その画像を計測する画像処理部を設け、そ
のビード幅データ値の結果に基づきそのデータ値の大小
に応じて自動焦点の補正を行なうことで達成される。

〔作用〕

Ｚステージにはレンズホルダ、測長センサ、パルスモー
タが設けてあり、レンズホルダには集光レンズとハーフ
ミラ−が付いている。測長センサは、レーザビームの光
軸と同軸方向で１８０度違いに取り付けてあり、センサ
と被溶接材の溶接箇所までを測長する。測長を開始する
のは、溶接開始の１８０度手前で行ない、そのセンサ信
号は、信号増幅部、比較回路部等で構成するコントロー
ラに送られ信号が増幅され、設定した値との比較が行な
われ、２つのデータの差分がアナログデジタル変換器に
よりアナログからデジタルに変換されパソコンに送られ
る。パソコンでは、デジタルに変換された信号を演算回
路部で演算され、その結果を制御回路部により各部の制
御指示を行なう。

パソコンよりアップダウンのパルス信号がパルスモータ
ドライバ制御に送られる。パルスモータトライバ制御に
よる駆動信号に基づいて２ステージのパルスモータを移
動する。２ステージと集光レンズ及び測長センサとの関
係は前もってデータ化されているため、２ステージを移
動することで集光レンズの焦点が設定した値に自動的に
合わすことができる。一方、被溶接材をレーザ光で溶融
すると同時にその時の溶融プールから出る可視光を集光
レンズ及びハーフミラ−を通過後ＩＴＶカメラで撮影し
テレビカメラモニタ上に映像を写しだすとともに画像処
理部によってその映像信号の輝度信号のみを２値化して
表面ビード幅を自動的に計測し、画像処理部のデジタル
信号データをグラフ状にして、デイスプレィモニタ上に
表示する。

またビード幅の計測結果をパソコンの演算回路部に送り
さきに設定した自動焦点の補正を行なう。

このように集光レンズの焦点を設定した値に保つこと及
び他の要因で溶接ビード幅が変化した時には、設定した
集光レンズの焦点の補正を行なうことで溶接ビード幅が
安定するため高品質で高精度なレーザ溶接加工ができる
。

〔実施例〕

第１図に炭酸ガスレーザを用いた溶接加工における一実
施例を示す。先ずレーザビーム３を集光する集光レンズ
９とその集光レンズ９の焦点合わせ時の移動を行う２ス
テージ６があり、２ステージ６には、レンズホルダ７、
測長センサ１１．パルスモータ１０が設けてあり、レン
ズホルダ７にはハーフミラ−８と集光レンズ９が付いて
いる。

測長センサ１１はレーザビーム３の光軸と同軸方向で１
８０度違いに取り付けてあり、被溶接材Ｂ２の溶接位置
までを測長する。測長を開始するのは、溶接開始の１８
０度手前で行ない、その測長データはセンサ信号ａとな
り、コントローラに送られる。コントローラには、信号
増幅部１２及び比較回路部１３がある。センサ信号ａは
信号増幅部１２により信号が増幅されデータ増幅信号す
となり比較回路部１３で設定値との比較を行ない、その
差分が偏差信号Ｃとなりアナログデジタル交換器１４に
よりアナログからデジタルに変換されデジタル変換信号
ｄとなりパソコンに送られる。

パソコンの演算回路部１８で演算されると演算信号ｇと
なり、制御回路部１９により制御されアップダウンパル
ス信号りとなりパルスモータドライバ制御２０に送られ
駆動信号ｉとなり、この駆動信号ｉに基づいてＺステー
ジ６のパルスモータ１０を移動する。２ステージ６と集
光レンズ９及び測長センサ１１との関係は前もってデー
タ化しているため、２ステージ６を移動することで集光
レンズ９の焦点が設定した値に自動的に合わすことがで
きる。このようにして被溶接材Ｂ２の溶接部の焦点が決
まり１８０度回転後にレーザ溶接加工を行なう。被溶接
材Ｂ２をレーザ光３で溶融すると同時に、その時の溶融
プールから出る可視光をレンズホルダ７内に設けた集光
レンズ９及びレーザ光３と同軸上でレーザ光３と入射角
４５度にセットされたハーフミラ−８により偏向し、絞
り、可視光を単色光にする干渉フィルタを通過後、ＩＴ
Ｖカメラ１５で撮影しテレビカメラモニタ１６上に映像
を写しだすとともに画像処理部１７にその映像信号ｅを
送る画像処理部１７では映像信号ｅの輝度信号のみを２
値化して表面ビード幅を自動的に計測する。第６図に輝
度信号と２値化信号の関係を示す。つぎに、画像処理部
１７のデジタル信号データをグラフ状にして、デイスプ
レィモニタ上に表示する。またビード幅信号ｆをパソコ
ンの演算回路部１８に送り、さきに設定した測長センサ
１１による自動焦点の演算結果に対し補正を行なう。第
７図に自動焦点の補正の一実施例を示す。このように集
光レンズ９の焦点を測長センサ１１により設定した値に
保つこと及び他の要因で溶接ビード幅が設定した範囲を
越えた時には、集光レンズ９の自動焦点の補正を行ない
溶接ビード幅を設定内にするようにすることで高品質で
高精度なレーザ溶接加工ができる。しかし万−第７図に
示す溶接ビード幅合格範囲を越えた溶接品は不良位置が
デイスプレィモニタ上に表示される。さらに詳細に説明
するために第２図にレーザ溶接の概要を示す。レーザビ
ーム３は、コーヒレンシの高いビームであるので、回折
限界に近い小さなスポットにまで集光することができ高
いエネルギ密度が得られる。この高密度エネルギによっ
て、被溶接材Ａ１を溶融し、溶融プール５を形成する。

この時、レーザビーム３または被溶接材Ａ１を溶接速度
Ｖで移動して溶接を進行させる。

溶接部の特性を左右する要因には、レーザビーム８力、
溶接速度Ｖ、光学系の焦点距離、焦点面と被溶接面との
位置関係などがあげられる。第３図はレーザ溶接条件と
溶込み特性の一事例である。

集光レンズ３の焦点位置と溶込み深さＨ１焦点位置とビ
ー１−幅Ｗとの関係を示し、この時の溶接条件は、 レーザビーム出カニ４５０ワット 集光レンズ：Ｚｎ５ｅ、ｆ＝１．２７ｍｂシールドガス
：アルゴンガス、３ｋｇ／ｄ被溶接材：　５Ｕ３０４．
板厚６ｍ である。溶込み深さＨは焦点位置がマイナス０．５閣の
時、すなわち母材表面より０．５ｍｍ入いったところに
集光レンズ３の焦点を合わせた時に溶込み深さＨは最大
となる。またビード幅Ｗについても母材表面より０．５
ｍｍ入ったところに集光レンズ３の焦点を合わせた時に
ビード幅Ｗが最大となるこれらのことから、通常は測長
がしやすく管理が容易である被溶接材の表面上に集光レ
ンズ３の焦点を設定しておき、被溶接材の加工バラツキ
を測長し自動焦点を合わせて溶接を行なう。この溶接待
溶融プール５のビード幅Ｗを計測し予め設定した集光レ
ンズ３の自動焦点をビード幅Ｗの計測結果をもとに補正
を行なう。焦点の自動補正の方法は、ビード幅Ｗを犬に
したい時は、焦点位置をマイナス０．５ｍｍ　にする。

すなわち母材表面より０．５■入いったところに集光レ
ンズ３の焦点を合わせる。逆にビード幅Ｗを小にしたい
時は、焦点位置がプラス０．５ｍ＋にする。第４図は、
被溶接材Ｂ２と被溶接材Ａ］をレーザビーム３で重ね溶
接したときの溶融部の断面図である。このとき、被加工
材Ｂ２上の表面ビード幅Ｗ１と被溶接材Ａ１、被溶接材
Ｂ２の接合部の溶接幅すなわち接合部ビード幅Ｗ２の関
係は、第５図のような相関関係にあることが実験により
判明した。この時の溶接条件は、 レーザビーム出カニ３２０Ｗ 集光レンズ：Ｚｎ５ｅ、ｆ＝１２７ｍｍシールドガス：
アルゴンガス 被溶接材：　５ＵＳ３１６ である。重ね溶接では接合部の機械強度の尺度の一つと
なる接合部ビード幅Ｗ２を管理する事が最も大切である
。通常接合部ビード幅Ｗ２の測定はある溶接条件でのモ
デル品の断面を研摩し、エツチング液によりビードを腐
食させ、腐食部を計測する方法がとられている。しかし
ながら、これらを全品に採用することは不可能である。

本方法はリアルタイムに溶接品の合否判定ができ、また
前述の第５図に示す相関から、表面ビード幅Ｗ１を管理
すれば、目に見えない接合部ビード幅Ｗ２が管理できる
。さらに表面ビード幅Ｗ１の計測結果を集光レンズ３の
自動焦点の補正に導くことにより溶接ビード幅が安定す
るため高品質で高精度なレーザによる重ね溶接加工がで
きる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザビーム加工の要否を大きく左右
する集光レンズの焦点を測長センサにより測長し設定値
にすることができる。また溶接溶融部表面ビード幅を計
測し、その溶接ビード幅が設定範囲を外れた時には、さ
きに設定した集光レンズの自動焦点を補正することによ
り溶接ビード幅を安定にできる。これらを使用してレー
ザ溶接加工を行なうと高品質で高精度なレーザ溶接がで
きる。さらに溶接部表面ビード幅を有効に測定すること
ができるとともに接合部との対応により目に見えない接
合部ビード幅を管理することができる。また溶接を行な
いながらリアルタイムに溶接品の合否判定をすることが
できる。また従来の溶接品品質評価法のようなライン外
の作業であるリークテストを省くことができるため工程
を短縮できる。さらに、レーザ光と同軸上に可視光を偏
光するハーフミラ−がセットされているために、視差に
よる誤差補正のためのソフト修正、及びヘッド部回りを
簡素化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ溶接装置におけるオートフ
ォーカス機構の一実施例を示す回路図、第２図はレーザ
溶接の概要図、第３図はレーザ溶接条件と溶込み特性を
示し、焦点レンズの焦点位置と溶込み深さ及び溶込み部
表面のビード幅の関係を示す図、第４図は被溶接材を重
ね溶接したときの溶融部の断面図、第５図は表面ビード
幅と溶接接合部ビード幅の関係を示す図、第６図は輝度
信号と２値化信号の関係を示す図、第７図は自動焦点の
補正の一実施例を示す図、第８図は従来の集光レンズ焦
点距離の管理方法を示す図である。 １・・被溶接材Ａ、２・・被溶接材Ｂ、３・・・レーザ
ビーム、４・・・溶接ビード、５・・溶融プール、６・
・・２ステージ、７・・レンズホルダ、８・・・ハーフ
ミラ−９・集光レンズ、１０・・・パルスモータ、１１
・・・測長センサ、１２・・信号増幅部、１３・・・比
較回路部、１４・・アナログデジタル変換器、１５・・
・ＩＴＶカメラ、１６・・・テレビカメラモニタ、１７
・・・画像処理部、１８・・・演算回路部、１９・・・
制御回路部。 ２ｏ・・・パルスモータドライバ制御、２１・・・ダミ
ー被溶接材Ａ、２２・・・ダミー被溶接材Ｂ、２３・・
・接触式測長センサ、ａ・・・センサ信号、ｂ・・・デ
ータ増幅信号、Ｃ・・・偏差信号、ｄ・・・デジタル変
換信号、ｅ・・・映像信号、ｆ・・・ビード幅信号、ｇ
・・・演算信号、ｈ・・・アップダウン信号、ｉ・・・
駆動信号、Ｈ・・・溶込み深さ、■・・溶接速度、Ｗ・
・・ビード幅、Ｗｌ・・・表第

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザビーム加工用集光レンズと被溶接材との距離
   を検出し、該距離を予め定められた距離になるように集
   光レンズの高さ位置を修正し、集光レンズの自動焦点合
   せすること及びレーザ光の光路にハーフミラーを設けＩ
   ＴＶカメラにより溶接溶融部の画像をとらえ、溶接溶融
   部の走査範囲の輝度信号を２値化処理してビード幅をオ
   ンラインでモニタリングしさらに、ビード幅データ値の
   結果に基づきそのデータ値の大小に応じて焦点を自動補
   正を行ない溶接し、最適溶接品を得るとともにリアルタ
   イムに溶接品の合否判定をすることを特徴とするレーザ
   溶接装置。 ２、請求項第１項記載において、上記自動焦点合せの検
   出は、溶接方向に対し前方の溶接線上の高さ位置の検出
   であり、溶接する位置を１８０度手前で非接触で検出す
   ることを特徴とするオートフォーカス機構付レーザ溶接
   装置。 ３、請求項第２項記載において、非接触の自動焦点合せ
   の検出の手段は、レーザビーム測長の光学素子あるいは
   磁気センサ測長等の誘導を利用した素子によつて行うこ
   とを特徴とするオートフォーカス機構付レーザ溶接装置
   。 ４、請求項第１項記載において、溶接部の表面ビード幅
   を計測する手段は、溶融部の可視光を平行光線にする集
   光レンズと、その可視光を偏光させるミラーと集光レン
   ズを通過した可視光を単色光にする干渉フィルタと画像
   を撮像するＩＴＶカメラと、このＩＴＶカメラからの映
   像信号に基づいて、前記画像を表示するモニタテレビと
   その画像を計測する画像処理とによつて構成されたこと
   を特徴とするレーザ溶接装置。