JP2012247381A

JP2012247381A - 溶接部の温度測定装置

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Publication number: JP2012247381A
Application number: JP2011121303A
Authority: JP
Inventors: Fumio Matsuzaka; 文夫松坂; Masato Yamada; 雅人山田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2012-12-13

Abstract

【課題】２色測温法に於いて画像間の較正を省略できる様に、又簡単な装置で而も簡便に温度測定を可能とした。
【解決手段】撮像素子１０を有し、溶接部２３を撮像するカメラ１１と、異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタ１９，２０，２１，２２を少なくとも１組備え、各光学フィルタが前記カメラの光軸１５を通過する様回転可能に支持されたフィルタテーブル１４と、該フィルタテーブルを回転させるモータ１７と、前記２つの光学フィルタを透して２波長で撮像した前記撮像素子からの２色の画像信号に基づき、２色測温法により画像中の任意の点についての温度を演算する制御演算部１３とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は溶接部の画像を取得し、取得した画像から溶接部の温度を測定する溶接部の温度測定装置に関するものである。

溶接部の温度を測定する方法として２色測温法があり、該２色測温法は、波長の異なる２つの光を用いて同一点の画像を取得し、光強度と測定対象物の放射率から温度を測定するものである。又、放射率は測定対象物の状態、固体、液体或は表面状態（表面酸化膜の有無）等で変化する。２色測温法では、２波長でそれぞれ温度と放射率の関係を示す関係式（関係式については後述）が２式得られ、又同時に同一点の画像を取得するので、２式に於ける放射率は同じである。２式に於ける放射率が同じであることを利用して、測定対象物の温度を測定するものである。

従来の２色測温法について説明する。

従来の２色測温法では２つのカメラで測定対象物の同一箇所を撮像するものであり、測定対象物の所定点、例えば溶融プールの中心で、２つのカメラの光軸が合致する様設定され、光軸の合致した点を中心とした画像を取得する様になっている。又、前記２つのカメラにはそれぞれ異なる波長を透過する波長フィルタが設けられ、前記２つのカメラによって測定対象物について２波長の画像の光強度分布を取得する。又、２つの画像の光強度分布から上記２色測温法により、測定対象物の温度が測定できる。

一方、上記従来の２色測温法では、２つのカメラにより画像を取得している為、視野のずれ等を補正する為のキャリブレーションが必要であり、又キャリブレーションは手間の掛る作業であった。

又、２色測温法により測定した温度を実際の温度に換算する為には、基準値となる値が必要であり、従来では熱電対等を測定対象物に取付け、実際の温度を測定して基準値としていた。この為、基準値を測定する為の準備、測定に手間が掛っていた。

尚、非特許文献１には、２色放射測温法を利用した溶滴温度測定方法が示され、更に非特許文献１には、入射光軸を光学的に２分割し、分割した各分割光軸毎に波長フィルタが設けられ、前記分割光軸を通して得られる２つの画像を撮像素子の異なる位置で取得し、取得した２つの画像に基づき２色放射測温法による温度測定を行うことが示されている。非特許文献１では複雑な光学系を有する撮像装置が必要となり、又異なる２画像間のキャリブレーションも必要となる。

溶接学会論文集第２６巻第３号Ｐ２１４〜２１９（赤外線二色放射測温法によるＧＭＡ溶接の溶滴温度測定）

本発明は斯かる実情に鑑み、２色測温法に於いて画像間の較正を省略できる様に、又簡単な装置で而も簡便に温度測定を可能としたものである。

本発明は、撮像素子を有し、溶接部を撮像するカメラと、異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタを少なくとも１組備え、各光学フィルタが前記カメラの光軸を通過する様回転可能に支持されたフィルタテーブルと、該フィルタテーブルを回転させるモータと、前記２つの光学フィルタを透して２波長で撮像した前記撮像素子からの２色の画像信号に基づき、２色測温法により画像中の任意の点についての温度を演算する制御演算部とを具備する溶接部の温度測定装置に係るものである。

又本発明は、異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタの組を２組備え、一方の組の光学フィルタは他方の組の光学フィルタより光透過率が小さく設定された溶接部の温度測定装置に係るものである。

又本発明は、前記制御演算部は、任意の時点の２色の画像信号から該任意の時点の静止温度分布画像を作成する溶接部の温度測定装置に係るものである。

又本発明は、前記制御演算部は、前記フィルタテーブルを回転することで得られる時系列の２色の画像信号から動的な温度分布の動画像を作成する溶接部の温度測定装置に係るものである。

又本発明は、前記制御演算部は、２色の画像信号に基づき溶接部の溶融部を通過する線上の光強度分布曲線を求め、該光強度分布曲線より光強度の２次ピークが形成される液相・固相の境界を求め、該境界の温度を２色の画像信号に基づき算出し、算出した境界温度と溶接部の母材融点の温度との関係から２色測温法により求めた測定温度を補正する溶接部の温度測定装置に係るものである。

本発明によれば、撮像素子を有し、溶接部を撮像するカメラと、異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタを少なくとも１組備え、各光学フィルタが前記カメラの光軸を通過する様回転可能に支持されたフィルタテーブルと、該フィルタテーブルを回転させるモータと、前記２つの光学フィルタを透して２波長で撮像した前記撮像素子からの２色の画像信号に基づき、２色測温法により画像中の任意の点についての温度を演算する制御演算部とを具備するので、簡単な構成で２色測温法による温度測定が可能であり、同一の光軸で同一の視野の２色画像を取得するので、画像間の較正が省略できるという優れた効果を発揮する。

本発明の実施例に係る溶接部の温度測定装置の概略構成図である。該温度測定装置の概略ブロック図である。（Ａ）はカメラとフィルタテーブル、波長フィルタとの関係を示し、（Ｂ）はフィルタテーブルを回転させて、画像を取得した場合の第１波長フィルタ、第２波長フィルタ、第３波長フィルタ、第４波長フィルタと画像との関係を示す図である。溶接部と該溶接部の光強度分布曲線と撮像素子からの出力信号の関係を示す説明図であり、（Ａ）は溶接トーチと溶接線、溶接部との関係を示す図、（Ｂ）は溶接線に沿った光強度分布曲線のグラフ、（Ｃ）〜（Ｅ）は、高温域、中温域、低温域での撮像素子からの出力信号の状態を示す説明図である。溶接時の溶融プールを中心とした温度分布図である。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明に係る実施例の概略構成を図１、図２を参照して説明する。

図１中、１１は支持部材１２に支持されたカメラであり、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサ等、多数の画素の集合体である撮像素子１０を具備し、静止画像、連続画像のデジタル画像信号を出力する。又、撮像素子１０の基準位置、例えば撮像素子１０の中央とカメラ１１の光軸１５（後述）とが合致しており、各画素の位置は前記基準位置に対して位置が特定される様になっている。１３は制御演算装置、例えばモニタ３を具備したパーソナルコンピュータ（ＰＣ）である。

該制御演算装置１３は、図２に示す様に主に演算処理部（ＣＰＵ）３１、記憶部３２、画像処理部３３、操作部３４を具備しており、前記記憶部３２には温度測定装置の作動を制御する為のシーケンスプログラム、前記撮像素子１０からの画像信号から各画素毎の光強度を算出し、算出した結果を該撮像素子１０内の画素の位置情報に関連付ける画像処理プログラム、算出した光強度に基づき２色測温法により放射率又は／及び温度を演算し、更に温度分布等を演算する為の演算プログラム、得られた温度、温度分布より温度分布の静止画像、温度分布の動画像を作成する映像プログラム等のプログラムが格納されている。

又該記憶部３２には前記カメラ１１から入力される画像信号、或は各画素毎の光強度、演算された温度、温度分布等のデータを格納するデータ格納領域を具備している。

前記操作部３４からは、測定作業に必要な条件、例えば母材の融点、モータ１７の回転速度等が入力される。

１４はフィルタテーブルであり、該フィルタテーブル１４は前記カメラ１１の光軸１５と平行な回転軸１６を介して回転自在に設けられている。該回転軸１６はモータ１７に設けられ、該モータ１７によって前記フィルタテーブル１４が定速回転される、或は間欠回転される様になっている。又、前記モータ１７の回転速度、回転角はエンコーダ１８によって検出される様になっている。

前記フィルタテーブル１４には円周を４等分した位置に光学フィルタである第１波長フィルタ１９、第２波長フィルタ２０、第３波長フィルタ２１、第４波長フィルタ２２が設けられており、前記第１波長フィルタ１９〜前記第４波長フィルタ２２は同一円周上に配設され、前記フィルタテーブル１４の回転により各波長フィルタ中心が前記光軸１５を通過する様になっている。尚、前記カメラ１１の光軸１５が前記第１波長フィルタ１９〜前記第４波長フィルタ２２を通過する様に前記フィルタテーブル１４の回転中心を設定すればよく、該フィルタテーブル１４の回転軸１６は必ずしも前記カメラ１１の光軸１５と平行である必要はない。

又、前記第１波長フィルタ１９と前記第３波長フィルタ２１は同一波長λ1 を透過し、又前記第３波長フィルタ２１は減光作用を有しており、波長フィルタ自体の光透過率が調整されるか、或は波長フィルタと減光フィルタが組合されて構成される。該第３波長フィルタ２１の光透過率は、前記第１波長フィルタ１９の光透過率の、例えば１／１０となっている。

前記第２波長フィルタ２０と前記第４波長フィルタ２２は同一波長λ2 （≠λ1 ）をそれぞれ透過し、又前記第４波長フィルタ２２は減光作用を有しており、波長フィルタ自体の光透過率が調整されるか、或は波長フィルタと減光フィルタが組合されて構成される。該第４波長フィルタ２２の光透過率は、前記第２波長フィルタ２０の光透過率の、例えば１／１０となっている。

測定対象２３は図示では隅肉溶接部を示しており、又図中、２４は溶接トーチ、２５は溶融プール、６は母材、７はレーザ光線を示している。

前記カメラ１１からの撮像データは、前記制御演算装置１３に送出され、又前記カメラ１１の撮像作動は前記制御演算装置１３によって制御される。又、前記モータ１７の回転は前記制御演算装置１３によって設定された回転速度に制御され、前記エンコーダ１８からの回転速度信号、回転角度信号は、前記制御演算装置１３に送出される。

前記カメラ１１と前記モータ１７（即ち前記フィルタテーブル１４）とは、前記制御演算装置１３によって同期駆動され、前記光軸１５が前記第１波長フィルタ１９〜前記第４波長フィルタ２２の中心と合致した時点で、前記カメラ１１によって前記隅肉溶接部２３の画像が取得される様、制御される。

ここで、前記フィルタテーブル１４が１回転する速度（周期）は、溶接状態での前記隅肉溶接部２３の温度変化の速度に対して充分早く、前記フィルタテーブル１４が１回転する間に生じる温度変化が測定上無視できる様に設定する。即ち、前記フィルタテーブル１４の回転速度（周期）は、前記隅肉溶接部２３の温度変化の状態、要求される測定精度によって決定される。

以下、作動について説明する。

図３（Ａ）、（Ｂ）は前記フィルタテーブル１４を回転させて、画像を取得した場合の前記第１波長フィルタ１９、第２波長フィルタ２０、第３波長フィルタ２１、第４波長フィルタ２２と画像との関係を示している。

前記フィルタテーブル１４を回転させつつ、前記カメラ１１で画像を取得することで、前記波長フィルタ１９，２０，２１，２２を通して順次、波長λ1 の画像ａ、波長λ2 の画像ｂ、減光した波長λ1 の画像ｃ、減光した波長λ2 の画像ｄが順次取得され、これら４の画像が１周期として繰返し取得される。即ち、１周期の画像群により、前記隅肉溶接部２３の所定の瞬間の画像が取得され、連続的に画像群を取得することで前記隅肉溶接部２３の連続画像が取得できる。

次に、温度Ｔと光強度Ｉと前記撮像素子１０からの出力信号Ｓとの関係を説明する。

図４（Ａ）は溶接部の進行方向を示すものであり、溶接トーチ２４は溶接線２７に沿って図中右から左に移動する。溶融プール２５は、前記溶接トーチ２４の移動と共に移動し、前記溶融プール２５の後方にはビード８が形成される。

前記カメラ１１の画像の撮像範囲の設定は、広範囲の温度分布を取得したい場合、例えば図４（Ａ）の様に、溶接後のビード８の温度変化を知りたい場合等は、前記カメラ１１の倍率を低くして広画角とし、又溶融プール２５及びその周辺の温度分布、温度変化を取得したい場合は、前記カメラ１１の倍率を高くして狭画角とする。尚、前記カメラ１１の画像の撮像範囲の設定は、画角を調整せず、前記カメラ１１と測定点迄の距離を調整してもよい。

又、溶融プール２５及びその周辺の温度分布、温度変化を取得する場合は、前記溶接トーチ２４と連動して前記カメラ１１及び前記フィルタテーブル１４を移動させる様にしてもよい。

図４（Ｂ）は、前記溶接線２７に沿った光強度分布を示しており、前記溶融プール２５中心（即ち、レーザ光線７の照射点）が光強度の最大値Ｉmax を示し、後方に向って漸次光強度が低下している。尚、光強度の最大値（１次ピーク）Ｉmax の後方に、光強度の２次ピークＩp が現れるが、これは、溶融金属が固体化することで、放射率が増大することに起因するものである。従って、光強度分布曲線より、光強度のピークＩp を検出することで、前記溶融プール２５と固体部との境界、即ち液相部と固相部との境界を求めることができる。

図４（Ｃ）〜図４（Ｅ）は、光強度Ｉと前記撮像素子１０からの出力信号の関係を示している。前記撮像素子１０のダイナミックレンジは限られており、強強度の光が入射すると、前記撮像素子１０は飽和状態に達し、光強度Ｉに対応した信号が出力できなくなる。本実施例では、前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０に対して前記第３波長フィルタ２１、前記第４波長フィルタ２２の光透過率を減少させているので、前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透して撮像した画像が飽和状態であっても、前記第３波長フィルタ２１、前記第４波長フィルタ２２を透して撮像した画像は、光強度Ｉを反映した画像となる。

図４（Ｃ）は高温域の前記撮像素子１０の出力信号を示している。尚、出力信号は図中太線で示している。前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透した波長λ1 の画像ａ、波長λ2 の画像ｂの信号（Ｓａ，Ｓｂ）は飽和しており、前記第３波長フィルタ２１、前記第４波長フィルタ２２を透し減光した波長λ1 の画像ｃ、減光した波長λ2 の画像ｄの信号（Ｓｃ，Ｓｄ）は光強度Ｉに対応した出力信号となっている。

図４（Ｄ）は中温域の前記撮像素子１０の出力信号を示している。前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透した波長λ1 の画像ａ、波長λ2 の画像ｂの信号、減光した波長λ1 の画像ｃ、減光した波長λ2 の画像ｄの信号共には光強度Ｉに対応した出力信号Ｓとなっている。いずれの信号を用いてもよいが、Ｓ／Ｎを考慮すると信号値の高い前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透した波長λ1 の画像ａ、波長λ2 の画像ｂの信号を用いることが好ましい。尚、精度を向上させる為に、減光しない画像信号、減光した画像信号を用いてそれぞれ測定し、平均化してもよい。

図４（Ｅ）は低温域の前記撮像素子１０の出力信号を示している。前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透した波長λ1 の画像ａ、波長λ2 の画像ｂの信号は光強度Ｉに対応した出力信号となっているが、前記第３波長フィルタ２１、前記第４波長フィルタ２２で撮像した画像では、信号強度が低く、有効な信号値が得られていない状態となっている。

前記制御演算装置１３は、撮像素子からの出力信号値に基づき前記第１波長フィルタ１９、前記第２波長フィルタ２０を透して撮像した画像信号を用いるか、或は前記第３波長フィルタ２１、前記第４波長フィルタ２２を透して撮像した画像信号を用いるかを選択して、２色測温法により温度を測定する。

従って、本実施例の様に、減光フィルタと波長フィルタを組合せることで、実質的に前記撮像素子１０のダイナミックレンジを拡大することができる。尚、広いダイナミックレンジが必要ない場合は、減光フィルタを省略し、第１波長フィルタ１９、第２波長フィルタ２０を２組設けてもよい。又、更にダイナミックレンジを拡大する場合は、光透過度の異なる減光フィルタを２組以上設けてもよい。

尚、前記撮像素子１０からの出力信号（光強度信号）は、１つの信号と次の信号との間に１周期分の時間間隔が生じる。例えば、図４（Ｃ）に於いて、最初の画像ｃの信号ｓを取得して次の画像ｃの信号ｓ′を取得する迄に、１周期分の時間間隔を生じる。上記した様に、信号ｓと信号ｓ′との信号の間に時間差に対応した偏差が生じ、得られる信号は階段状になるが、信号ｓと信号ｓ′との間を内挿補完することで、時間の経過に対応した連続した信号出力を得ることができる。

前記撮像素子１０は、画素の集合体であり、各画素全てから光強度信号が出力される。又、各画素の位置は画像上位置（点）と対応しているので、画像上の任意な点について対応する画素からの信号に基づき２色測温法による温度測定を行うことができる。即ち、画像全体に亘る温度測定が可能であると共に温度分布を求めることができる。尚、各画素からの信号に含まれるノイズの影響を低減する為に、隣接する複数の画素からの光強度信号を平均化して２色測温法による温度測定を行ってもよい。

上記した様に、本実施例では、２色の画像信号が簡単に得られるが、２色の画像は、同一の光軸で同一範囲を撮像し、波長の相違を無視できる時間差を除けば全く同一条件であるので、２つの画像間の較正は必要なくなる。

以下に、２色で撮像した画像から温度を測定する場合の、温度の導出式を示す。又、該温度の導出式は、前記演算プログラムに組込まれている。

物体が放出する電磁波の強度は温度、波長に対して以下のプランクの放射則に従う。

Ｉ＝ε（２Ｃa ／λ⁵）×（１／［ｅｘｐ（Ｃb ／λＴ）−１］）・・・（式１）

ここで、Ｉ：光強度、ε：放射率、λ：波長、Ｔ：温度、Ｃa 、Ｃb ：プランク定数とする。

２つの波長λ1 、λ2 により光強度Ｉ1 、Ｉ2 を求めることで、以下の式２で温度Ｔを求めることができる。

Ｔ＝［Ｃb （λ1 −λ2 ）／λ1 ・λ2 ］×［１／ｌｎ（Ｉ1 λ1 ⁵／Ｉ2 λ2 ⁵）］・・・（式２）

尚、式１は放射率εについても解くことが可能であり、放射率εを求める様にすれば、本装置を放射率測定装置として使用することも可能である。

正確な温度測定値を得るには、得られた温度を実際の温度（仮に絶対温度と称す）に補正する必要がある。

基準となる絶対温度を測定するには、前記ビード８が形成される近傍に熱電対等を設置して測定してもよい。熱電対の位置は、画像上で特定でき、又画像上の各点での温度は対応する画素からの光強度で求められる。従って、熱電対で得られた測定結果を基に２色測温法で得られた温度を較正することができる。

尚、本実施例では、上記した様に光強度分布曲線から、前記溶融プール２５と固体部との境界を検出できる。この境界では、溶融金属が固化している状態にあると考えられる。従って、光強度分布曲線の前記境界温度は、母材の融点と見なされる。母材（金属）の融点は、母材の固有の値であり、この固有の融点の温度に基づき前記光強度分布曲線から得られる境界の温度を補正することで、本実施例の２色測温法により測定した温度を絶対温度に較正することができる。尚、融点の温度については事前に調査、或は測定しておく。

即ち、本実施例では、別途熱電対等の温度検出器を取付けなくても、２色測温法で得られた測定結果のみで、絶対温度迄求めることができる。

前記撮像素子１０の各画素について、２色測温法で温度測定し、更に絶対温度に較正することで、画像全範囲に亘る温度と絶対温度が測定できる。前記制御演算装置１３は得られた測定結果を基に、例えば図５に示される様な温度分布図を作成し、モニタ３に表示することができる。

又温度分布は、所定の瞬間の静的な温度分布が得られると共に瞬間の温度分布の画像を時系列に連続的に作成し、作成した静止画像を連続画像として合成することで、動的な温度分布の動画像としても表示することができる。

又、１画像（１フレーム）毎の、各画素の光強度の偏差を求め、更に１周期の時間を求めることで当該画素と対応する点での温度変化の速度が得られ、ビード８の冷却速度、溶接影響部等各部位の冷却速度が実測値として得られ、或は冷却状態、加熱状態をリアルタイムで観察することができる。

尚、上記実施例では、溶接線２７に沿った光強度分布曲線から、液相と固相の境界を検出したが、別途画像上から前記溶融プール２５を通過する直線状の光強度分布曲線を作成し、該光強度分布曲線より液相と固相の境界を検出してもよい。

３モニタ
６母材
７レーザ光線
８ビード
１０撮像素子
１１カメラ
１２支持部材
１３制御演算装置
１４フィルタテーブル
１５光軸
１６回転軸
１７モータ
１８エンコーダ
１９第１波長フィルタ
２０第２波長フィルタ
２１第３波長フィルタ
２２第４波長フィルタ
２３隅肉溶接部
２４溶接トーチ
２５溶融プール

Claims

撮像素子を有し、溶接部を撮像するカメラと、異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタを少なくとも１組備え、各光学フィルタが前記カメラの光軸を通過する様回転可能に支持されたフィルタテーブルと、該フィルタテーブルを回転させるモータと、前記２つの光学フィルタを透して２波長で撮像した前記撮像素子からの２色の画像信号に基づき、２色測温法により画像中の任意の点についての温度を演算する制御演算部とを具備することを特徴とする溶接部の温度測定装置。
異なる波長をそれぞれ透過する２つの光学フィルタの組を２組備え、一方の組の光学フィルタは他方の組の光学フィルタより光透過率が小さく設定された請求項１の溶接部の温度測定装置。
前記制御演算部は、任意の時点の２色の画像信号から該任意の時点の静止温度分布画像を作成する請求項１又は請求項２の溶接部の温度測定装置。
前記制御演算部は、前記フィルタテーブルを回転することで得られる時系列の２色の画像信号から動的な温度分布の動画像を作成する請求項１〜請求項３のいずれかの溶接部の温度測定装置。
前記制御演算部は、２色の画像信号に基づき溶接部の溶融部を通過する線上の光強度分布曲線を求め、該光強度分布曲線より光強度の２次ピークが形成される液相・固相の境界を求め、該境界の温度を２色の画像信号に基づき算出し、算出した境界温度と溶接部の母材融点の温度との関係から２色測温法により求めた測定温度を補正する請求項１〜請求項４のいずれかの溶接部の温度測定装置。