JPH07509184A

JPH07509184A - 溶接品質モニター方法及び装置

Info

Publication number: JPH07509184A
Application number: JP6525394A
Authority: JP
Inventors: ダーハイム　ブレント　エイ
Original assignee: キャタピラーインコーポレイテッド
Priority date: 1993-05-17
Filing date: 1994-03-07
Publication date: 1995-10-12
Also published as: US5304774A; AU6397994A; EP0650403A1; WO1994026458A1

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、溶接品質をモニターする方法と装置に関し、より詳しくは、溶接工程で発生するプラズマから放射する光の所定の波長の強度を測定し、その結果として溶接部の断面積をめる方法と装置に関する。

〔従来の技術〕

レーザーは、有効性を増加し、品質を改善することのできる製造用具として、産業市場で受け入れが増加してきた。レーザーが好評になるのは、主に、非接触で作動するので、高価な固定具が不要である、製造工程に容易に自動化し組み込むことができる、工程の時間を大幅に短縮する可能性がある、離れた位置にアクセスでき、複合工程用のワークステーションの中で使うことができるという理由による。高出力レーザーは、今や工業で穴明け、切断、溶接、熱処理、一般的機械加工等の多くの製造に適用されている。

工業上のレーザー溶接工程では、溶接品質が第１の関心事である。多くの工程の変数（動力、周波数、溶接速度、焦点距離、位置、加工片の構成、接合部の調整、シールドガス等）がレーザー溶接の品質に影響するので、このような工程の変数にかかわらず溶接の侵入深さを決められるようにする必要がある。溶接の侵入深さが、おそらく溶接品質の最も重要な唯一のしるしてあり、その測定は工程変数の調整をできるようにするのに必要である。前述の工程変数の１つ又はそれ以上を調整する適当な工程制御装置を使用して、溶接品質を所定の限度内に保持することができる。少なくとも１つの測定できる出力を溶接の物理的工程と関連付けられれば、溶接工程は有効にモニターし、制御することができる。多くの工程モニター装置が、レーザー溶接工程材料に使われたが、著しい成果はなかった１９９２年１０月１３日に発行された米国特許第５．１５５．３２９号に例示されているレーザービーム溶接をモニターする方法と装置は、一般的に組み合わされたパルスレーザ−ビームの強度増加がある直前に加工片から放射される所定の波長の光の強度をモニターし、最小の放射光強度をレーザー溶接領域の侵入深さと関連付けることを含む。パルスレーザ−ビームの強度増加が起こる前に溶接侵入深さを放射光の最小強度と関連付けることができるので、所定の波長の放射光強度と共にパルスレーザ−ビームの強度をモニターしなければならない。従って、このような方法と装置は複雑になって望ましくない。

本発明は、上述の問題の１つ又はそれ以上を克服しようとするものである。

〔発明の開示〕

本発明の１態様では、加工片に隣接する位置のプラズマから放射される所定の波長の光を選択し、選択した光の強度を表す信号を発生し、これらの信号を溶接の断面積と関連付けることを含む溶接工程をモニターする方法が開示されている。

本発明の他の態様では、加工片の溶接をモニターする装置が、加工片の溶接中プラズマから放射される所定の波長の光を選択するフィルター、選択した光の強度を表す信号を発生するフォトダイオード又は他の信号発生器、及び信号を溶接の断面積と関連付ける手段を含む。

〔図面の簡単な説明〕

図１は、本発明のレーザービームモニター装置の実施例の概略図である。

図２は、本発明のモニター装置の概略図と断面図の組み合わせ図である。

図３Ａと３Ｂは、溶接速度分速６０インチと２０インチのときの溶接断面積と集積光強度の図である。

〔発明実施のための最良の形態〕

図１は、図式的に一対のサブ加工片１２．１４に隣接した操作位置に配置されたレーザー溶接装置１０を示し、これらは溶接後は加工片１６と溶接モニター装置１８を構成する。溶接装置１０は、加工片】６を溶接するのに十分な出力の高出力レーザーであるのが好ましい。溶接装置ｌＯの詳細は、本発明の目的とは関係しないが、本発明は容易に従来の非レーザーの溶接装置と協働して機能することができると考えられる。サブ加工片１２．１４は、溶接に先立って通常の方法で「調整され」、適所に固定される。（サブ加工片１２．１４の間の）加工片１６の溶接領域２０は、その厚さ全体にわたり、溶接後に連続性と十分な強度を確保するのが好ましい。例示した加工片１６は観察者から離れる方向に例示したＺ方向に延び、溶接装置１０が加工片ｌ６に対し作動中はぼこのＺ方向に動くことが分かるであろう。従って、ここに述べる溶接速度は、このＺ方向に測定され、溶接位置の表示はこのＺ方向の位置を意味することが理解されるであろう。

モニター装置１８は一般にセンサー装置２２及び、１つまたはそれ以上の導体２６により電気的にセンサー装置２２に結合され、１つまたはそれ以上の導体２８により溶接装置ｌＯに結合された制御装置２４を含む。制御装置２４は、溶接装置の速度、出力、加工片１６に対する位置を制御するのに使えるプロセッサーであるのが好ましいが、ここではセンサー装置２２との電気的接続との関連でのみ述べる。センサー装置２２は、溶接領域２０に近接して作動するような配置で例示し述べているが、多くの要因によっては、センサー装置２２を溶接領域２０から離して配置し、溶接領域２０から放射されるプラズマ放射光をセンサー装置２２へ運ぶように光学繊維の束を接続するのがより好ましい場合もある。

図２に詳しく示す溶接センサー装置２２は、一般に好ましくは管状のセンサーハウジング３０．３ｎｍの狭帯域の光学フィルター３２、及びフォトダイオード３４を含む。溶接センサー装［２２は、図１によく示すように、使用中溶接領域２０に比較的近くに配置された先受容体端部３６、及び使用中溶接領域２０に比較的遠くに配置された信号端部３８を有する。ハウジング３０は、フィルター３２、レンズ３３、フォトダイオード３４を取り囲む内側表面４０を有する。１セントのスペーサー／配置器４２，４４．４６がセンサーハウジングの内側表面４０と係合し、それぞれフィルター３２、フィルター３２とレンズ３３、レンズ３３と係合し、溶接モニター装置１８の運転中、ハウジング３０内の同じ位置に固定する。内側表面４０は、通例比較的大きい直径４８から比較的小さい直径５０へ集束し、その直径はそれぞれ先受容体端部３６と信号端部３８に位置している。

フォトダイオード３４は、通常のいずれかの方法で内側表面４０の小さい直径５０に収容されている。

フィルター３２は、プラズマ、及び加工片１６に隣接する他の光源から放射されるＦＥ　（１）　４５２．８６１　ｎｍ以外の原子遷移の光線を全て遮るように選定されている。その原子遷移線を選定した理由は、他の原子遷移波長からよく分離できる、他の原子遷移線と比較して強度が強い、電子シェルジャンプが起こる確率（アインシュタイン係数）が高い、溶接する材料は殆どが主成分としてＦＥ酸成分有するということである。例示した実施例では、レンズ３３は１５０ｍｍの焦点距離を有し、フォトダイオード５０は低ノイズ特性と大きい活動領域を有する。もし例示したフォトダイオード５０より広い活動領域を有するフォトダイオードが使われるなら、レンズ３３は削除することができることが分かる。

〔産業上の適用性〕

図面を参照すると、溶接センサー２２に向かって動く溶接領域２０に近接して存在するプラズマから放射される光は、最初にこの場合４５２．８６１　ｎｍの選択した波長の光のみを透過させるフィルター３２に遭遇する。透過光は次に、フォトダイオード５０の上に光線の焦点を結ぶレンズ３３に遭遇し、該フォトダイオード５０は衝突する光の強度の関数であるような大きさの電流を発生する。フォトダイオードにより発生する電流信号は、導体２６を通って、制御装置２４へ伝達され、該制御装置２４は信号を溶接の断面積と関連付ける。

溶接の断面形状は、加工片の材料、加工片１６に対する溶接ビームの方向、溶接装置ＩＯの溶接即ち送り速度等の多くのパラメーターにより変化するが、溶接の断面の数学的形状を決定することができる。その後、溶接部内の１つの垂直位置（Ｙ方向）の最小の位置で溶接の幅（Ｘ方向）を測定し、（Ｙ方向）の侵入深さを計算し、溶接品質の指標として同様に使うことができる。例えば、多くのレーザー溶接の適用では、（ＸとＹ方向で定義される平面で）３角形の形状の溶接断面を有し、３角形の底辺が溶接装置１０に隣接した加工片表面であるようになる。従って、溶接機】０に隣接した加工片表面で溶接モニター装置１８を使って、溶接の幅（Ｗ）を測定し、（Ｚ方向）のその位置で溶接の断面積（Ａ）を決めると、溶接（Ｐ）の侵入深さは式Ｐ　＝　２　Ａ／Ｗを使って決定することができる。侵入深さＰは、溶接操作の後に種種の測定技術のどれを使っても測定することができるが、制御装置２４により前述の計算を行うことは、非常に直接的で、例えば溶接機１０のパラメーターを調整して侵入深さを所望の限度内に保持するようにするのに使用することができる。しかし、このような制御方法の詳細は本発明の範囲外であり、ここでは述べない。

光の強度／溶接断面積の相関は、Ｚ方向の溶接領域２０に沿って色々な位置で選択した波長の光の強度を測定し、その後、これらＺ方向の位置でＸＹ平面の断面積を測定し、規定の相関関係を明らかにすることにより、経験的に決めなければならない。相関関係は、溶接機ＩＯの送り速度とレーザーの焦点位置のそれぞれの組み合わせについて明らかにしなければならないことが分かるであろう。従って、所定のレーザー出力、溶接機送り速度、レーザー焦点位置、加工片材料での溶接の断面積は、単一の原子遷移線のプラズマ放射光強度と関連させることができる。ここで選択した光の波長が最適であると信じられるが、本発明中では他の光の波長でも同じように容易に使用することができることが分かるであろう。

図３Ａ、３Ｂは、それぞれ分速６０インチと２０インチの送り速度に対して、曲線の適合を、従ってプラズマ放射光の強度とレーザー溶接の断面積の相関を例示している。図３Ａ、３Ｂには、それぞれ実線（−）と破線（−・・・−）があり、それぞれ（図１で見て）加工片１６の上側表面からレーザー焦点位置が２ｍｍ下と上に対応し、　「・Ｊと「＋」て表されるデータの点と結びつけられる。図３Ａ、３Ｂでは、レーザー溶接装置１０は、３ｋＷと５ｋＷの出力で運転され、５ＡＥＩＯ１８鋼と５ＡＥ１５Ｂ２２で加工片１６を作成した。図３Ａ、３Ｂを調べるとわかるように、集積光強度と溶接断面積の所望の関係を、レーザー焦点位置に係わらず、所定の溶接送り速度について得ることができる。例えば、分速６０インチの送り速度では、２０ｍｍ２の溶接断面積は、レーザーの焦点位置が上側表面の下２ｍｍで１．４刈０６の光強度、レーザーの焦点位置が上側表面の上２ｍｍで１．０５ＸｌＯ’の光強度と対応する。このような相関はまた、レーザー出力と加工片材料によらない。

溶接機の入ノＪエネルギーにより励起されるプラズマから放射される光の原子遷移線の強度を測定し、それを得られた溶接の断面積と関連付けることにより、各種溶接品質パラメーターをモニターすることができることが明らかである。本発明のある好適な構成を述へたが、本発明の範囲から離れずに、その代わりとして他の装置で置き換えられることが分かるであろう。

溶接断面積　（ｍｍ＾２）溶接断面積　（ｍｍＡ２１

Claims

【特許請求の範囲】１．溶接中加工片（１６）に隣接する所望の位置でプラズマから放射される所定の波長の光を選択し、前記選択した光の強度を表す信号を発生し、所望の領域で前記信号を溶接の断面積と関連付けることを特徴とする加工片（１６）の溶接をモニターする方法。２．前記選択することは、前記所定の波長の光以外のプラズマから放射される光を遮ることを特徴とする第１項記載の方法。３．さらに所望の溶接位置で溶接の幅を測定し、所望の溶接位置で溶接侵入距離を次式を使用して計算することを特徴とする第１項記載の方法。Ｐ＝２Ａ／Ｗここに、Ｐ＝溶接侵入距離Ａ＝所望の位置での溶接断面Ｗ＝所望の溶接位置での溶接幅４．前記光の選択は、個々の所望の溶接位置から一定の距離で行われることを特徴とする第１項記載の方法。５．さらに、前記信号を発生する前に選択した光を集光することを特徴とする第１項記載の方法。６．加工片（１６）に隣接した所望の溶接位置で、所定の波長の選択した光以外のプラズマから放射される光を遮る手段（３２）、前記選択した光の強度を表す信号を発生する手段（３４）、及び、所望の溶接領域で前記信号を溶接の断面積と関連付ける手段（２４）を備えることを特徴とする加工片（１６）の溶接をモニターする装置（１８）。７．さらに、所望の溶接位置で溶接侵入深さを次式を使用して計算する手段を備えることを特徴とする第６項記載の装置（１８）。ｐ＝２Ａ／Ｗここに、Ｐ＝溶接侵入距離Ａ＝所望の位置での溶接断面Ｗ＝所望の溶接位置での溶接幅８．さらに、前記光を遮る手段（３２）を個々の溶接位置から所定の距離だけ離れるように保持する手段を備えることを特徴とする第６項記載の装置（１８）。９．さらに、加工片（１６）を溶接する手段（１０）、及び、溶接の侵入（Ｐ）を選択した範囲内に保持するように前記溶接手段（１０）を制御する手段を備えることを特徴とする第７項記載の装置（１８）。１０．前記信号発生手段（３４）は、フォトダイオード（３４）であることを特徴とする第６項記載の装置（１８）。１１．さらに、選択した光を前記フォトダイオード（３４）上へ集光するレンズ（３３）を備えることを特徴とする第１０項記載の装置（１８）。