JPH02104484A - レーザ溶接用の接合継目の位置の測定方法及び装置 - 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 本発明は請求範囲１の上位概念による、所定の規定、設
定位置に対して相対的な接合継目の、位置の測定方法及
びこの方法を実施するための、請求範囲５に記載の装置
に関する。

従来の技術 溶接技術にレーザを適用する際−直線状の溶接接合継目
の場合−有利に上記接合継目の始点及び終点が、レーザ
主ビーム又は溶接ビームの軸方向に精確に挿入された測
定ビームを用（八て検出される。この検出された始点な
いし終点のデータはレーザ主ビーム用の制御プログラム
中に組込入力され、当該接合継目は所定のプログラムに
従って一本事例では直線的に一上記の検出された始点、
終点間に溶接形成される。

溶接の際生起する問題は準備状態ｔζおかれた溶接接合
継目が必ずしもその規定通ジの規定（設定〕−接合継目
経路、経過に相応、合致しなＡことである。このことは
例えば接合細目Ｏ誤った準備的処理に起因および／又は
例えば非直線的な継目経過、経路の精確でないプログラ
ミングに起因する。従ってプログラムにより制御される
レーザ主ビームによって、そのような場合に、部分的に
位装置不整合ないし非心合せ状態で接合継目が形成され
て、それにより重大な誤った溶接ｇ果を来たすおそれが
ある。

自動化アーク溶接用の公知の接合継目探知方式（Ｔθｃ
ｈｎｉｓｃｈθｓ　Ｍｅｓｓｅｎ　（テヒニツシエスメ
ツセン）５１．１９８４年第７７８巻、第２５９〜２６
３頁）では、準備処理された接合継目が集束されたレー
ザ測定ビーム（これは最大限１３Ｈｚの測定周波数で接
合継目を交番的に横断する集束されたレーザ測定ビーム
である〕で走査され、接合継目に対しての相対的なレー
ザ溶接ビームないし溶接バーナの位置が、当該の接合継
目の、設定、規定位置からの偏差の際相応に補正される
。この公知の接合継目探知方式ではセンサとしてフォト
ダイオード列が使用される。多数の測定個所と、評価て
必要な時間により、上記接合継目探知方式ではたんにｉ
ｔぼ０．２・・・０．５Ｈの測定精度しか得られない。

他方では表面プロフィール−及び表面粗さ測定技術の領
域から並びに光学的記憶技術（ＣＤ−技術〕の領域から
公知の測定系ではほぼ１μｍの高い測定精度が可能であ
るが、勿論上記」り定系企やはり、測定対徽物に著しく
接近して近寄らさなければならない。この種測定系の間
隔は一般にせいぜｒ　ｉ　Ｈｚである。

集束されるレーザ加工ビーム又は溶接ビームの照射スポ
ットの直径が部分的にたんに０．１・・・０．２Ｂであ
る。レーザ浴接のため設定される接合継目は照射スポッ
トの著しくわずかな寸法のため同様に著しく小さい横断
面寸法を有する。

その種接合継目の溶接のためには照射スポットの直径の
半分のオーダ、即ちほぼ０−０５ｍの測定精度が必要で
ある。従って、アーク溶接に用いられる公知の接合継目
探知方式により達成可能な測定精度はもはや十分でない
。

レーザ溶接の際の送ジ速度は１００　ｍｘ、／　ｓ含６
　ｍ　／　ｍｉｎのオーダのところまで及び得、よって
、一般に、アーク溶接の際の速度より１０倍まで大であ
る。この理由からアーク溶接上公知の測定系の測定周波
数も不十分であることが明らかである。そｔとＡうのは
、見損する測定ビームから得られる測定信号では所与の
送り速度のもとでレーザ主ビームを精確に追従制御し得
るのに十分な高速性の測定が行なわれないからでちる。

発明の目的 本発明の課題ないし目的とするところは１［ＪＯ朋／Ｓ
の送り速度ないし溶接速度のもとでも、レーザ溶接のた
め準備処理石れたカーブ状の接合継目を可能にする、冒
頭に述べた形式の方法及びごの方法を実施する装置を提
供することにある。その場合、６十分な精度を以て”の
意味するのは、当該測定Ｍ度、り；、レーザ加工ビーム
の照射スポットの直径の半分の値に少なくとも相応する
ということでめる。

発明の構成 上記課題は請求範囲１の特徴部分にて規定された構成要
件により解決される。少なくとも１００　Ｈ２の方向変
換〔偏向〕されたレーザビーム件により、上述の送り速
度のもとて当該継目経過、経路がなお１龍−”網目（単
位〕”の精度にて検出てれることが保証される。

レーザダイオードビームの変調及び加工物により付加的
に振幅変調されたセンサ信号の後続の復調により、レー
ザ溶接プラズマ及び溶融物浴（池〕のブランク（定数〕
の特性経過のビームの側での障害作用、影響が除かれる
。

本発明の有利な発展形態は引用請求項に記載されている
。

請求範囲２にて規定された偏向周波数は有利な１例を示
すものである。

し〜ヂ源として設けられるレーザダイオードは小型の安
価な量産品であり、これは、少なくともその点で、（そ
の限ジで）、装置全体のコンパクトなコスト上有利な構
成法を可能にすや。

請求範囲５に規定された方法の発展形態ではレーザ測定
ビームは常にレンズ製置の中央領域を通り、それにより
、集束素子としてアクロマートの使用の際、ひずみ補正
のための高価なスキャナレンズを省くことができる。

図には１実施例が示してあり、以下詳述する。

実施例 レーザ測定ビームにより接合継目の位置を測定するため
の第１．第２図の装置（以下”レーザ測定装置”とも略
称する）はレーザ溶接ヘッド２上に取付けられており、
このヘッドではコリメートされた（均一な横断面を有す
るル−プ加工ビーム３か、凹面の集束ミラー４にて方向
変換され集束される。レーザ溶接ヘッド２は接合継目６
を形成する加工物７，８の表面５から次のような間隔を
おいて配置される、即ち、集束されるレーザ加工ビーム
３′の焦点な込し照射スポット９が加工物１．８の表面
５の高さのところに当るような間＠をおいて配置される
。

接合継目の位置を測定する装置１は変調可能なレーザダ
イオード１４と、ガルバノメータースキャナ１２（以下
たんに６スキヤ丈”と略称する）（このスキャナは周期
的に旋回軸線１３全中心として可動の平坦に形成された
方向変換ミラー１４に対する駆動装置としてＤ・・・２
５０Ｈｚの周波数領域を有する）と、集束光学系１５と
を有する。方向変換ミラー１４は次のような１正規の（
通常の〕”位置を有する、即ちレーザダイオード１４か
ら送信されるコリメートされたレーザ測定ビーム１４が
、表面５に対して垂直の平面１８（この平面は旋回軸１
３を通る）内で、集束されるレーザ加工ビーム３′の照
射スポット９の前で小さな角度をなしたところに方向変
換される正規位置を有する。その場合、集束光学系１５
により集束されるレーザ測定ビーム１７′はレーザ溶接
ヘッド２の上方開口１９と、上記ヘッド２の下方に取付
けられた保護管２１の出口開口２０とを通って侵入通過
走行する。

レーザ加工ビーム３，３′が存在する間はこのレーザ加
工ビーム３，３′をも貫＾てレーザ測定ビーム１７．１
７’が貫通走行する。

レーザダイオード１４にて生ぜしめられるレーザビーム
１４はその強度１の点で高周波的に、給電電流の変化に
よって変調される。その場合適用される変調周波数ｆＭ
は２００・・・４５０　ＫＨｚになる。

方向変換ミラー１４の旋回軸１３を通り加工物の表面５
に垂直の仮想上の平面１８内に上記装Ｒ１は別の集束光
学系２３を有し、この別の光学系は集束されたレーザ測
定ビーム１４の照射スポット２４を基点とする円錐状の
レーザビーム束２５を 一加工物表面５上の照射スポット２４から分散して反射
される光全体の一部として− 集め、フォトダイオードとして構７戎された光電デテク
タ又はセンサ２６上に結像する。

レーザダイオード１４及びミラー付きガルバノメーター
スキャカ１２は溶接ヘッド２上に配置されたケーシング
２γ上に配置されている。

第２の集束光学系２３及びフォトダイオード２δは別の
ケーシング２８中に収容されており、この別のケーシン
グは溶接ヘッド２の端面に配置されている。加工物７，
８に対して相対的なレーザ測定装置１及びレーザ溶接ヘ
ッド２の送ジ方向は第１図中矢印２９で示しである。位
置固定（定置）の測定−及び溶接機構部に対する移動加
工物の送り方向は相応して逆に示され得る。

ミラー１４の旋回の際、集束されたレーザ測定ビーム１
４′は加工物表面５上で、準備状態におかれた接合継目
６の延在方向に対して横断方向に往復運動される。その
場合加工物表面５上のスキャン領域は方向変換ミラー１
４の旋回−又はスキャン角度ψ８に相応する（ミラー１
４はその場合−ψｓ／２〜十ψＳ／２だけ旋回され、ま
たもとに戻り旋回される〕。スキャン領域Ｓ０ないしス
キャン又は旋回角度領域ψ３ｏの設定、規定値は場合に
より集積化される設定値発生器３１により設定可能であ
る。

レーザダイオード１４及び方向変換ミラー１４付きのス
キャナ１２が、上記装置１内で、（図示してない手段、
例えば調整ねじによって〕そのつど位置と方向に応じて
可調整である。可能な限シにおいて、上記装置１は全体
として次のよりに位置定めされる、すなわち、ミラー１
４がその”中心位置”に位置するとき、集束されたレー
ザ測定ビーム１４′の軸が、準備状態におかれた接合継
目６と一致する、会うように位置定めされる。

上記スキャナ１２は第３図に別個に示した場合により集
積化される角度検出器ないし変位量検出器を有し、この
検出器によっては上記ミラー１４の、当該“正規（基？
＃Ａ）”位置に対するそのつどの旋回−又はスキャン位
置が、また、−旋回軸１３上のミラー１４の中心点から
集束されたレーザ測定ビーム１４′の照射スポット２４
１での間隔が既知である場合− 上記ビーム１７′の軸の、そのつどの中心位置なＡし規
定位置（第４図及び第５図の平面１８ないし点Ｏに相応
〕からのそのつどの間＠Ｘが、検出され得る。技術的生
成物において生じる常圧幾らか粗い表面状態により、レ
ーザ測定ビーム１４′により生ぜしめられる反射された
分散光が現われ、そのうちの一部が（第１図中ではレー
ザビーム束２５として図示）フォトダイオード２６中に
入る。分散光によりフォトダイオード２６にて生ぜしめ
られる出力信号は変調周波数ｆＭに同調された、復調器
としてのフィルタ３３と、スキャナ１２の周波数及び肌
０５ａ＋ｍの所望の局部分解能に同調ないし整合された
ローパスフィルタ３４とを介して供給される。ローパス
フィルタ３４の出力側に現われる信号は強度１を有する
。

第４図には当該表面により反射される分散光により惹起
される強度の特性経過を、中心ないし規定位置からのレ
ーザ測定ビーム１４′のそのつどの照射スポット２４の
偏差Ｘに依存した関係性として示す。図示の領域は 一スキャンーないし横座標一方向で−スキャン幅Ｓない
しスキャン領域− −Ｘ８〜＋Ｘ８に相応する。この領域はスキャン角度領
域ψ８に相応する、即ち、ミラー１４の中心位置からの
角度偏差−―〜十蚊 に相応する。

ローパスフィルタ３４の出力側にて測定された分散ビー
ム強度１は加工物表面５のマ・ｆクロ構造とマクロ構造
との双方に依存する。本来の加工物表面５の走査の際、
分散光即ち加工物表面の粗さによりよジ多く又はより少
なく惹起される分散光が得られる。分散光強度１は一加
工物の表面ｙ糸わる限り一値１４と土２間（幾らか簡単
化して〕の領域間で変動する。表面５のマクロ構造には
位置の点で測定さるべき接合継目６が属する。はぼ６０
μｍの集束されたレーザ測定ビーム１４′の照射スポッ
ト２４と、相互につ＠会される加工物におりても接合継
目の多くの個、所に存在する同等の大きな残留ギャップ
（スロット）幅とに基づき、接合継目６によっテハレー
ザ測定ビーム１４′なめしこのビームにより惹起される
分散光の完全な吸収が生ぜしめられる。要するに、準備
状態におかれた接合継目６中への集束されたレーザ測定
ビーム１４の入射の際、当該継目を越えるとき照射スポ
ット２４によっては実際上レーザ光が反射ないし分散さ
れず、強度１に対して、極めて低い直１゜までのローパ
スフィルタ３４の出力側における短時間の信号凹入（落
込み〕状態（インデックス”Ｆ”は６継目″（Ｆｉｇθ
〕の頭文字Ｆ）が生じる。

第４図に示す測定特性図から明らかなように、接合継目
６は精確にスキャン領域Ｓの中心に、即ちその規定、設
定位置に位置する。従ってこの場合において、レーザ溶
接ヘッド２に対してないしレーザ加工ビーム３′の照射
スポットに対して相対的な、接合継目を形成する加工物
１゜８の位置の調整、適合操作全追従′ｒｒＪ＋Ｊ卿袈
Ｒ３Ｂにより行なわせることは必要でなＡ０ 第５図に示す測定特性図にて示されているように、準備
状態におかれた接合継目６に相応する強度信号１　がス
キャン角＝、＞０に対応づけられている。従って接合継
目６はレーザ加工ビーム３′の軸に対して相対的位置関
係でその規定位置に位置していない。従って上記相対位
置はスキャン角ψ、に相応して、追従制御−又は調整移
＠装置３６により補正されなければならな込。

ローパスフィルタ３４及び角度検出器３２の出力側は夫
々別個に評価コンピュータ３１に接続されており、この
コンピュータでは強度信号１の特性経過は、複数の測定
サイクルのスキャン角ψとの関係性として（方向変換ミ
ラー１４の複数振動に相応して）記憶される。

評価コンピュータ３１において、各信号特性経過１が、
所謂限界値操作なｈし処理を受ける。

当該信号特性経過のすべてのディスクリートな乙 値１が、所定の限界値１ｗと比較される（第Ｎ図参照〕
。すべての値ｉ　＞　ｉｗが信号値Ｏに変換される、す
なわち、すべての値は評価の論考慮外におかれ、すべて
の値１≦１ｗが、一定の値工に移し換えられる（第６図
には第５図の信号経過から得られた信号工が縦座標方向
に著しく強調して示しである〕。結合関係式１−ｆ（ψ
）ないしψ＝　Ｆ（１）から２つの限界角ψ、とψ１が
定められ、その際それら角度間に信号工が位置する。そ
の際接合継目６の中心が角度 ψ、＝（ψ、−ψｒ）／２に対応づけられる。上記装置
１の具体的な技術的条件及び釉から相応の偏差ＸＦが生
じる。

当該信号特性経過１が所謂局部フィルタリング処理を受
けるようにすれ・ハ、接合継目６の位置の別の測定手段
の可能性が得られる。その場合、当該信号特性経過の各
々の個別的（ディスクリート〕値１に対して、値１と、
この値の前及び後に存在する夫々ｎの値の平均値が形成
される（ｎ：任意）。それにより、比較的に小さい各信
号差の平坦化が行なわれ得、−万、信号凹入部ＩＦは維
持される。計算容量の節減のため局部的フィルタリング
が、有利に、限界値操作ないし処理と関連して行なわれ
る。その場合、局部フィルタリングによって求められた
、当該限界値１ｗを越える値−は一定の限界値に移し換
えられ得る。そのようにして得られた信号経過１ｍは第
７図上方に（縦座標方向に著しくひずんで示しである〕
示しである。この信号経過はひきつづめて微分され、例
えば、第７図下方に示す信号経過が生ぜしめられる。そ
の際継目信号炸が微分曲線の零通過点として生じる。

この方法は殊に次の際有利である、すなわち、継目信号
ＩＦが、限界値操作ないし処理により生じるコーナ値（
ないし端点値）　ｉ（ψ、〕と１（９９間に中心の位置
に位置する場合殊に有利である。

加工物１，８の表面５上のｔり傷（掻＠偽）により惹起
された信号凹入部を継目信号と誤認しないようにするた
め、継目信号として求められた値が、先行の値と比較さ
れる。求められた値が先行の値と著しく偏差する場合、
溶接過程全遮断するように設計される。

接合継目６の、規定継目からの偏差糠は相応の角度偏差
ψＦを介して、有利に少なくとも２００　Ｈ２で測定さ
れる。

就中、レーザ溶接プラズマから発する障害ビームを十分
抑圧するため、前述の実施例に対して補足的構成として
、狭帯域干渉フィルタ３９（これはレーザダイオード１
４の波長に合されている〕が、第２集束光学系２３の前
に配置される。

レーザ測定ビーム１７′はアクロマートとして構成され
た集束光学系１５（これは両レンズ４１．４２から成る
）により、照射スポット２４に集束される。

準備状態におかれた接合継目δを介しての集束されたレ
ーザ測定ビーム１７′の入射の際の信号凹入部ｆＦをで
きるだけ明瞭化するため、シリンダ状要素ないし構成部
分を有する付加的レンズ４３が集束光学系１５が配属さ
れている。

その場合シリンダ状レンズ４３の軸は接合継目６の方向
に次のように向けられている、すなわち、レーザ測定ビ
ームの照射スポット２４が”照射−楕円体″（その比較
的長い軸が接合継目に対して平行に向けられている〕と
して構成されるように向けられている。シリンダ状レン
ズの厚さは有利に次のように選定される、即ち、”照射
−楕円体”において１０：１の軸比が調整されるように
選定されて−る。この手段にょジ、縫合せ接合ざるべき
加工物７，８からの起り得るノイズ信号（ひっかき傷、
筋とか溝）を低減する。

発明の効果 本発明によれば１００ｍ／ｓの送り速度ないし溶接速度
のもとでも、レーザ溶接のため準備処理されたカーブ状
の接合継目を可能にする、冒頭に述べた形式の方法及び
装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は接合継目の位置の測定装置の縦断面図、第２図
は第１図の■−■線により切断して強調して示す断面図
、第６図は本発明の装置の一部分を示すブロック接続図
、第４図及び第５図はスキャン角度と、測定状態の分散
ビーム強度との関係を示す％注図、第６図は限界値処理
を用いての信号凹入部の変換処理の説明図、第７図は局
部フィルタリング及び微分により得られた、規定位置に
おける継目偏差の特注図である。 ３・・・レーザ加工ビーム、４・・集束ミラー、５・・
・加工物表面、６・・・接合継目、：＜Ｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、接合継目に対するレーザビームの相対位置を補正し
   得るため所定の規定位置に対する接合継目の相対位置の
   測定を行なう方法であつて、コリメートされたレーザ測
   定ビームを接合継目経路経過に対して方向変換して集束
   レ接合継目を形成する加工物装置にて反射後光電センサ
   により受信し追従制御装置に伝送するようにした方法に
   おいて −方向変換されたレーザ測定ビーム（１７′）の偏向周
   波数を少なくとも１００Ｈｚとし、−レーザ測定ビーム
   （１７′）をその強度（ｉ）の点で少なくとも２００Ｋ
   Ｈｚで変調し、 −レーザ測定ビーム（１７′）をレーザ加工ビーム（３
   ′）の軸からせいぜい１０ｍｍの間隔をおいて加工物装
   置（７，８）に照射し、 さらに光電センサとしてたんに唯１の光電 素子を使用することを特徴とするレーザ溶 接用の接合継目の位置の測定方法。 ２、方向変換されるレーザ測定ビーム（１７′）の偏向
   周波数を少なくとも２００Ｈｚとする請求項１記載の方
   法。 ３、上記レーザ測定ビーム（１７′）をレーザ加工ビー
   ム（３′）の軸線からせいぜい５ｍｍの間隔をおいて加
   工物装置（７，８）に照射させる請求項１又は２記載の
   方法。 ４、上記光電センサ（２６）の出力信号のうち強さ（１
   ）の限界値（ｉ＿ｗ）を下回る所定の測定信号のみを評
   価のために伝送する請求項１から３までのうちいずれか
   に記載の方法。 ５、コリメートされるレーザ測定ビームを送信するレー
   ザ源と、当該角度位置の点で周期的に可変の偏向ミラー
   と、当該レーザ測定ビームを集束する少なくとも１つの
   素子と、これに対して固定的に配置された光電センサと
   、追従制御装置とを有するレーザ溶接機用装置において
   、 −上記レーザ源（１４）は変調されるように構成されて
   おり） 一当該集束ユニット（２３）は少なくとも１つの凸面及
   び凹面のレンズ（４１，４２） を有するアクロマートとして構成されてお り、 −上記偏向ミラー（１４）は角度検出器（３２）と接続
   されており、 −上記光電センサ（２６）の出力側に復調フィルタ（３
   ３）と低域通過（ローパス）フ ィルタ（３４）が後置接続されており、 −ローパスフィルタ（３４）及び角度検出器（３２）の
   後ろおよび追従制御装置（３６）の前に評価コンピュー
   タ（３１）が設けら れている請求項１から４までのいずれかに 記載の方法を実施する装置。