JPH09225666A - レーザ溶接のモニタリング装置 - Google Patents

レーザ溶接のモニタリング装置

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JPH09225666A
JPH09225666A JP8034961A JP3496196A JPH09225666A JP H09225666 A JPH09225666 A JP H09225666A JP 8034961 A JP8034961 A JP 8034961A JP 3496196 A JP3496196 A JP 3496196A JP H09225666 A JPH09225666 A JP H09225666A
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JP
Japan
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laser
welding
ccd camera
torch
flash lamp
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JP8034961A
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Takashi Kurosawa
隆 黒沢
光昭 ▲吉▼川
Mitsuaki Yoshikawa
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Sumitomo Heavy Industries Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 レーザ光の光軸上から、直接溶融状態を観察
して溶接ビードの良否をリアルタイムで判定することの
できるモニタリング装置を提供すること。 【解決手段】 レーザ照射時に被溶接部から発生する光
よりも高輝度の光をレーザ光のパルスに同期させて溶融
池近傍に照射するフラッシュランプ13と、前記フラッ
シュランプの波長に適した干渉フィルターを装着し、前
記レーザ光のパルスに同期させてシャッタの開閉を行う
CCDカメラ14とを備え、該CCDカメラからレーザ
溶接中の溶融池及びその近傍の画像を取得してリアルタ
イムで溶融状態の監視を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被溶接部にレーザ
トーチからパルス状のレーザ光を照射して溶接を行うレ
ーザ溶接装置に関し、特に、レーザ溶接中の溶融状態の
監視をリアルタイムで行うためのレーザ溶接のモニタリ
ング装置に関する。
【0002】
【従来の技術】最近、レーザの高出力化に伴って溶接へ
の適用が広がっている。その対象とされる被溶接加工物
は小型量産品から大型製品までの広範囲にわたるもので
ある。一方、その溶接品質の良否の判定を自動的に行っ
たり、溶接施工中の条件の制御することが可能な溶接モ
ニタリング装置を望む声が大きくなり、これに対応する
開発が急がれる。
【0003】溶接品質を確保する観点からは、溶接中の
モニタリングを完全に実施できることが望ましい。特
に、従来のアーク溶接に比較して、レーザ溶接において
はビームエネルギーを用い、レーザ光のビームスポット
径が1mm以下と非常に小さいために、次のような問題
点が挙げられる。
【0004】精密な溶接狙い位置の設定が不可欠であ
り、溶接線をはずすと溶込み不良の欠陥を生じる。
【0005】溶融池が小さく溶接ビード幅が非常に狭
いので、溶接部を拡大しないと正確な情報が得難く、良
否の判定が難しい。
【0006】比較的高速で溶接が行われるので、追尾
も高速でかつ正確に行われる手法を採用しないと問題点
のある箇所を見落とす。
【0007】現在、溶接中の音やレーザが照射された際
に発生するプラズマ光の高さを検出して、溶接中のビー
ドの良否を判定するものが報告されている。しかし、そ
れらの手法は間接的な情報を基にしており、完全なもの
であるとは言い難い。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のアーク溶接で採
用されている溶接線検出手法(光切断法、渦電流法等)
の検出精度は1mm程度であり、溶接線に対し正確な位
置にビーム状のレーザ光を照射するには、それらの方法
は不適当である。
【0009】また、CCDカメラがレーザ溶接加工を行
う機種に装備されるケースがある。その利用方法は、溶
接前に溶接線を確認するために用いられ、溶接作業時に
は使用されない。その理由は、レーザ光が照射されてい
る溶融池状態を観察しようとした場合、レーザ光照射時
に被溶接部から発生するプラズマや溶融に伴う発光によ
りハレイションが生じるためである。
【0010】その対策として、アーク溶接等の観察に用
いられる遮光ガラス(黒い溶接用のガラス)の利用が考
えられるが、レーザ溶接のビード幅が狭く局所的な光で
あるため観察範囲が著しく狭く、かつレーザ光がパルス
照射の場合は鮮明な観察は期待できない。従って、通常
のCCDカメラによっては溶接中の監視はできず、溶接
に伴う変形で溶接線が変動しても、その溶接線の追尾は
不可能である。
【0011】溶接条件の変動に関しては、音やプラズマ
発生状態等の間接的な情報を基に、経験や実験データを
織り込んだもので判別されるために、不確定要素が多分
に紛れ込む恐れがある。一方、レーザ発振装置の機種、
被溶接加工物等の変更に対しての対応が遅延することも
考えられる。
【0012】そこで、本発明の課題は、上記のような間
接的なモニタリングシステムではなく、CCDカメラ
で、レーザ光の光軸上から、直接溶融状態を観察して溶
接ビードの良否をリアルタイムで判定することのできる
モニタリング装置を提供しようとするものである。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被溶接
部にレーザトーチからパルス状のレーザ光を照射して溶
接を行うレーザ溶接装置において、レーザ照射時に前記
被溶接部から発生する光よりも高輝度の光を前記レーザ
光のパルスに同期させて溶融池近傍に照射するフラッシ
ュランプと、前記フラッシュランプの波長に適した干渉
フィルターを装着し、前記レーザ光のパルスに同期させ
てシャッタの開閉を行うCCDカメラとを備え、該CC
Dカメラからレーザ溶接中の溶融池及びその近傍の画像
を取得してリアルタイムで溶融状態の監視を行うことを
特徴とするレーザ溶接のモニタリング装置が得られる。
【0014】なお、前記CCDカメラは、その光軸が前
記レーザ光の照射軸と同一になるように前記レーザトー
チに配置して、前記レーザトーチの三次元的な動きに対
し、常に溶融状態を同一状況で観察可能にすることが好
ましい。
【0015】また、前記レーザトーチはシールドガスを
噴出する機能を有し、前記フラッシュランプは、前記シ
ールドガスが噴出される前記レーザトーチのノズル近傍
に設置することが好ましい。
【0016】
【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の好ましい実施の形態について説明する。図1は、本発
明によるモニタリング装置の構成を示し、レーザ発振器
11からのレーザ光をファイバを通してレーザトーチ1
2に導き、被溶接部に照射して溶接を行うレーザ溶接装
置に組み合わされる。なお、レーザ発振器11からのレ
ーザ光は、制御装置10の制御下で定周期のパルス状に
て出力される。
【0017】レーザトーチ12には、フラッシュランプ
13とCCDカメラ14とが組み合わされる。フラッシ
ュランプ13は、制御装置10の制御下で、レーザ照射
時に被溶接部から発生される光よりも高輝度の光を前記
レーザ光のパルスに同期させて溶融池近傍に照射する。
また、CCDカメラ14は、フラッシュランプ13の波
長に適した干渉フィルターを装着し、制御装置10の制
御下で、前記レーザ光のパルスに同期させてシャッタの
開閉を行いながら被溶接部を撮像する。このようなシャ
ッタ機能は、CCDカメラの持つ周知の電子シャッタ機
能により実現できる。撮像された画像はモニタ15で表
示される。
【0018】図2は、レーザトーチ12とフラッシュラ
ンプ13との間の好ましい組み合わせ関係を示し、レー
ザトーチ12は、その先端のノズル12−1からシール
ドガスを噴出する機能を有するので、フラッシュランプ
13は、前記シールドガスが噴出されるノズル12−1
近傍に設置することが好ましい。その理由は、レーザト
ーチ12においては、レーザ光の反射を抑制するため
に、各種光学系レンズ、例えば加工レンズ12−2に表
面コーティングを施したり、カバーガラス12−3が組
み合わされている。しかし、現状においては、レーザ光
およびフラッシュランプ13の波長に最適なコーティン
グ層を設けるには非常にコストがかかる。このために、
図2に示すように、フラッシュランプ13を、ノズル1
2−1近傍に一体的に設置した。そして、フラッシュラ
ンプ13の光はノズル12−1先端の開口部から被溶接
部に投影される。その結果、光源の先端はシールドガス
により保護され、溶接時に発生するヒューム等で汚染さ
れることがない。
【0019】図3は、レーザトーチ12とCCDカメラ
14との間の好ましい組み合わせ関係を示し、CCDカ
メラ14は、その光軸14−1がレーザ光の照射軸20
と同一になるようにレーザトーチ12に一体的に配置さ
れる。これは、レーザトーチ12は、ワーク21(被溶
接加工物)の形状に応じて設定される様々な溶接線に対
応した姿勢制御が行われるからであり、フラッシュラン
プ13及びCCDカメラ14がレーザトーチ12の三次
元的な動きを妨げることがなく、しかもレーザトーチ1
2の三次元的な動きに対し、常に溶融状態を同一状況で
観察することができるようにするためである。なお、レ
ーザトーチ12は、ファイバからのレーザ光を全反射鏡
12−4、半透過鏡12−5を経由して、ワーク21に
照射する。一方、CCDカメラ14は、半透過鏡12−
5を通してワーク21の溶融状態を撮像する。
【0020】上記のような構成により、レーザ光照射中
に被溶接部から発生される光よりも高輝度の光をフラッ
シュランプ13からレーザ光のパルス周期と同期させて
溶融池近傍に照射する。その時、CCDカメラ14は、
フラッシュランプ13と同様にレーザのパルス周期と同
期させてシャッターの開閉を行う。
【0021】その結果、レーザ照射中に発生するプラズ
マや溶融に伴う発光によるハレイションを防ぎ、溶融状
態の直接観察が可能となる。また、CCDカメラ14に
適切なレンズを装着することにより、希望する大きさ
(拡大された)の溶接近傍の画像がモニタ15で観察で
きる。
【0022】なお、レーザ光の照射軸とCCDカメラ1
4の光軸が常に同一になるように配慮されているので、
三次元的な溶接線に対して、レーザトーチ12も三次元
的な動きを行うが、溶融状態を観察するCCDカメラ1
4の設定位置の影響は生じない。また、CCDカメラ1
4で取り込んだ画像は、ビデオテープに収録することも
可能で、記録の機能を果たす。
【0023】
【発明の効果】本発明装置によれば、溶接中の溶融池近
傍の状態を直接画像で観察が可能となり、次に述べるよ
うな効果がある。
【0024】溶接品質のリアルタイムな判定 溶接線とレーザ光照射位置のズレの有無、溶融池形状の
良否及びスパッター、割れ、アンダーカット等の発生状
況の有無を把握することが可能となる。
【0025】溶接条件のリアルタイムな判定 レーザ発振器11の適正出力の確保や、レーザ溶接装置
{光学系(レンズ、ミラー、ファイバー等)}の異常の
有無、加工テーブルの移動速度管理、レーザ光照射位置
のズレ等の異常の有無、被溶接加工物の異常(表面処
理、変形等)の有無が判別可能となる。
【0026】レーザトーチが、被溶接加工物の形状に
応じて設定される様々な溶接線に対応した姿勢制御が行
われても、フラッシュランプ及びCCDカメラがレーザ
トーチの三次元的な動きを妨げることがなく、しかもレ
ーザトーチの三次元的な動きに対し、常に溶融状態を同
一状況で観察することができる。
【0027】また、その他の効果としては、 オペレータの安全環境の確保 レーザ光は人体に有害であり、特に目に対しては重大な
傷害を与える。本装置を用いれば、レーザ光に曝される
こと無く、完全に隔離された場所においても溶接状況の
管理・監視が行える。
【0028】溶接施工状況の記録 CCDカメラで得られた画像をビデオテープに容易に記
録として残すことが可能である。また、再生画像で不審
箇所の溶接状況を詳細に検討することができる。原子力
関係のような、厳しい品質管理が要求される分野で、レ
ーザ溶接を適用した際の記録物とすることもできる。
【0029】溶接後のビード表面検査 溶接終了後、通常のCCDカメラとして利用し、細いレ
ーザ溶接部のビード表面を拡大して観察でき、溶接の良
否を判断することも可能である。
【0030】リアルタイム制御 CCDカメラで溶接中の状況を取り込んだ画像を処理
し、溶接線の倣いや溶融池形状の変動に即応した溶接条
件の変更(レーザ発振器の出力、溶接速度、加工レンズ
の焦点位置等)により、欠陥発生の少ない溶接が可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるモニタリング装置をレーザ溶接装
置に組合わせた構成を示す図である。
【図2】図1に示されたレーザトーチとフラッシュラン
プとの間の好ましい組み合わせ関係を示した図である。
【図3】図1に示されたレーザトーチとCCDカメラと
の間の好ましい組み合わせ関係を説明するための図であ
る。
【符号の説明】
10 制御装置 11 レーザ発振器 12 レーザトーチ 12−1 ノズル 12−2 加工レンズ 12−3 カバーガラス 12−4 全反射鏡 12−5 半透過鏡 13 フラッシュランプ 14 CCDカメラ 14−1 CCDカメラの光軸 15 モニタ 20 レーザ光の照射軸 21 ワーク
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04N 5/225 H04N 5/225 C

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被溶接部にレーザトーチからパルス状の
    レーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接装置におい
    て、 レーザ照射時に前記被溶接部から発生する光よりも高輝
    度の光を前記レーザ光のパルスに同期させて溶融池近傍
    に照射するフラッシュランプと、 前記フラッシュランプの波長に適した干渉フィルターを
    装着し、前記レーザ光のパルスに同期させてシャッタの
    開閉を行うCCDカメラとを備え、 該CCDカメラからレーザ溶接中の溶融池及びその近傍
    の画像を取得してリアルタイムで溶融状態の監視を行う
    ことを特徴とするレーザ溶接のモニタリング装置。
  2. 【請求項2】 前記CCDカメラは、その光軸が前記レ
    ーザ光の照射軸と同一になるように前記レーザトーチに
    配置され、前記レーザトーチの三次元的な動きに対し、
    常に溶融状態を同一状況で観察可能にしたことを特徴と
    する請求項1記載のレーザ溶接のモニタリング装置。
  3. 【請求項3】 前記レーザトーチはシールドガスを噴出
    する機能を有し、前記フラッシュランプは、前記シール
    ドガスが噴出される前記レーザトーチのノズル近傍に設
    置したことを特徴とする請求項1あるいは2記載のレー
    ザ溶接のモニタリング装置。
JP8034961A 1996-02-22 1996-02-22 レーザ溶接のモニタリング装置 Withdrawn JPH09225666A (ja)

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