JPH04127984A - レーザ溶接方法及び装置 - 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、レーザによる突合せ溶接に係り、被溶接材の
受入検査方法及び自動焦点合わせとその補正方法により
最適な溶接を行ない、溶接ビード幅と溶接ビード余盛高
を計測し、溶接品の合否判定を行なうレーザ溶接装置に
関する。

〔従来の技術〕

従来の集光レンズの焦点合わせは、第９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、接触式測長センサで集光レンズと２つ
の被溶接材のうち、一方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Ｚ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。また、この方
法では被溶接材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じやすかった。また、突合せ
ギャップの計測は、外段取で手動にて計測しているが、
レーザ溶接装置に被溶接材をセットした時に形成するギ
ャップとは異なり正確なギャップ計測ができなかった。

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いた。このリークテ
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、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
が発俊する問題があった。

本発明の目的は溶接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、突合わせ
する２つの被溶接材に対し、レーザビーム加工用集光レ
ンズとの距離を検出すること及び突合わせギャップを計
測し、自動焦点と溶接速度の補正を行ない溶接し、さら
に溶接時のビード幅を計測し、ビード幅の大小に応じて
、自動焦点の補正と溶接速度の補正を行うことにより、
高品質で高精度なレーザ溶接を行ない、さらに溶接ビー
ド余盛り高を精度よく計測し、溶接品の合否判定を行な
うことにある。

〔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Ｚ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は突合せ溶接する
２つの被溶接材に対し、レーザビーム用集光レンズとの
距離を計測し、そのセンサの２つのデータをＣＰＵて演
算し、被溶接材の受入検査をすること、また、２つの被
溶接材によって形成するギャップを計測するためには、
突合せ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ハーフミラ−と画像を撮像するＩＴ
Ｖ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って構成され、この突合せギャップ
の計測により被溶接材の受入検査を行なう。また、溶接
溶融部のビード幅計測は、上述のＩＴＶカメラの前方に
干渉フィルタをロータリソレノイド等により切り換え挿
入するようにしたものである。さらに、突合せギャップ
の大小に応じて、自動焦点の補正または、溶接速度の補
正を行なうようにしたものである。またビード余盛高を
非接触式測長センサにより計測し、先のビード幅計測結
果とのタイアップにより溶接品の合否判定をすることに
より被溶接品の受入検査から溶接完成検査まで行なうこ
とで達成される。

［作用］ ２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。２つの被溶接材によって形成する
ギャップを計測する手段は突合せ部の可視光を平行光線
にする集光レンズとハーフミラ−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
値化して突合せギャップを自動的に計測し、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。また突合せギャップのデジタル信
号データをパソコンの演算回路部に送る。一方測長セン
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２つの被溶接材までを測長する
。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２つの測長値の比較が行なわれ、それぞれの設定した
値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の演算回路部に送られる。

演算回路部では、デジタルに変換された測長を基にした
２つの信号と先に送られている被溶接材のギャップ計測
を基にした信号を演算し、被溶接材の受入検査を行ない
、溶接可能時は、自動焦点の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。

パルスモータドライバ制御による駆動信号に基づいてＺ
ステージのパルスモータを移動する。Ｚ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、Ｚステージを移動することで自動焦点に合
わすことができる。このようにして被溶接材の受入検査
をすること及び自動焦点をすることができる。また、溶
接速度の計測は、ロータリエンコーダにより行ない溶接
速度センサ信号は、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、設定した値と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
コンの演算回路部に送られる。また、溶接溶触部のビー
ド幅計測は、上述した突合せギャップ計測とは計測部の
輝度による作用の違いがあるだけであり、これは上述の
ＩＴＶカメラの前方に干渉フィルタをロータリソレノイ
ド等により切り換え挿入することで計測かできる。

つまり、被溶接材をレーザ光で溶融すると同時に、その
時の溶接プールから出る可視光を集光レンズ及びハーフ
ミラ−さらに、干渉フィルタを通過後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
してビード幅を自動的に計測し、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
、ビード幅の大小に応じて先に設定した自動焦点、また
は、溶接速度の補正を行なう。このように被溶接材の受
入検査及び突合せギャップ計測ならびに自動焦点をして
、レーザ溶接を行なうが、他の要因で溶接ビード幅が変
化した時には、設定した自動焦点及び溶接速度の補正を
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。また、前述した測長セン
サによりビード余盛り高を計測することと溶接ビード幅
を計測し、それらをタイアップすることで溶接加工品の
合否判定を行なう。

［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Ｚス
テージ６があり、Ｚ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。

２つの被溶接材ＡＩ、Ｂ２によって形成する突合せギャ
ップを計測する手段は突合わせ部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、ＩＴＶ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では映像信号ｅの輝度信号のみを２値化し
て突合せギャップを自動的に計測し、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。また突合せギャップのデジタル信号デ
ータをパソコンの演算回路部１８に送る。また、この突
合せギャップの計測により被溶接材の受入検査を行なう
。一方、測長センサ１１はレーザビーム３の光軸と同軸
方向で１８０度違いに取り付けてあり、測長センサ１１
と２つの被溶接材Ａｌ、Ｂ２の溶接位置までを測長する
。その測長データは測長センサ信号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。測長センサ信号ａは、信号増＃
Ｓ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Ｉ３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、アナログデジタル変換器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れらる。パソコンの演算回路部］８
では測長を基にした２つのデジタル変換信号ｄにより被
溶接材の受入検査を行なう。また、デジタル変換信号ｄ
と先に演算回路部１８に送られている２つの被溶接材の
突合せギャップ計測を基にした幅信号ｆを演算し演算信
号ｇとなり、制御回路部１９により制御されアップダウ
ンパルス信号にとなりパルスモータドライバ制御２０に
送れら駆動信号１となりこの駆動信号ｌに基づいてＺス
テージ６のパルスモータ１０を移動する。Ｚ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の焦点位置を自動的に合わすことができる
。このようにして突合せギャップの大小に応じて予め設
定した自動焦点の補正を行うことができる。また、溶接
速度の計測は、ロータリエンコーダ２６により行ない、
溶接速度センサ信号には信号増幅部１２．比較回路部１
３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設定した値との差分がアナ
ログデジタル変換器１４によりアナログからデジタルに
変換され、パソコンの演算回路部１８に送られる。この
溶接速度を基にした信号と先に演算回路部１８に送られ
ている２つの被溶接材の突合せギャップ計測を基にした
信号を演算回路部１８により演算し、演算信号ｇとなり
制御回路１９により制御され、溶接速度信号Ｑとなり溶
接回転用モータ２７の制御を行なう。

このようにして突合せギャップの大小に応じて予め設定
した溶接速度の補正を行うことができ、これらの補正を
自動で行なった後にレーザ溶接加工を行なう。溶接時に
は溶接溶融部のビード幅Ｗを計測する。溶接溶融部のビ
ード幅計測は、上述した被溶接材ＡＩ、Ｂ２で形成する
突合せギャップ計測方法のうち、ＩＴＶカメラ１５の前
方にロータリソレノイド２４により干渉フィルタ２５を
挿入することで計測部の輝度の違いに対応でき計測が行
なえる。つまり、被溶接材ＡＩ、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
集光レンズ９及びハーフミラ−８、絞り、そして可視光
を単色光にする干渉フィルタ２５を通過後、ＩＴＶ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
値化してビード幅を自動的に計測する。第７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、ビードの幅信号ｆをパソコ
ンの演算回路部１８に送り、先に設定した自動焦点に対
し、ビード幅の大小に応じて補正を行なう。第８図に自
動焦点の補正の一例を示す。また、先に設定した溶接速
度に対し、ビード幅の大小に応じて溶接速度の補正を行
なう。このように設定したビード幅が設定した範囲を越
えた時には、自動焦点の補正または、溶接速度の補正を
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８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、コーヒレンツの高いビームであるの
で、回折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Ａｌ。

Ｂ２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Ａｌ、Ｂ２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、レーザビーム出力、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Ｈ２焦点位置と
ビード幅Ｗとの関係を示し、この時の溶接条件は、レー
ザビーム呂カニ４５０ワット 集光レンズ：　Ｚｎ５ｅ、Ｆ＝１２７ｍｍシールドガス
：アルゴンガス 被溶接部：５ＵＳ３０４．板厚６Ｍ である。溶込み深さＨは焦点距離がマイナス０．５胴の
時、すなわち、母材表面より０．５ｍｍ入ったところに
集光レンズ３の焦点を合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０．５ｍ
ｍ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及び突合せギャップの大
小により自動焦点の補正をする。焦点の自動補正の方法
は、たとえばビード幅Ｗを大にしたい時は、焦点位置を
マイナス０．５晒にする。すなわち、母材表面より０．
５ｍｍ入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、焦点位置をプラス
０．５　ｍｍにする。このように自動焦点または、溶接
速度Ｖの補正をした後に溶接を行なう。溶接時には、溶
融プール５のビード幅Ｗを計測し、先に設定した自動焦
点または、溶接速度Ｖをビード幅Ｗの大小に応じて補正
を行なう。第４図は、被溶接材Ａｌ、Ｂ２をレーザビー
ム３で突合せ溶接した時の溶接部の断面図である。この
とき、突合せ溶接における突合せギャップと溶込み特性
の関係は第５図のようにあることが実験により判明した
。

つまり、突合せギャップが大きくなるにつれ、ビード幅
Ｗ、溶込み深さＨ，ビード余盛り高Ｐが小さくなる。こ
の時の溶接条件は、 レーザビーム出カニ　３１０ワット 集光レンズ：Ｚｎ５ｅ、ｆ＝１２７ｒＭｌシールドガス
：アルゴンガス 被溶接材：　５ＵＳ３１６ 焦点位置：被溶接材表面、溶接速度：　６００ｎｕｎ／
ｍｉｎ である。また第６図に溶接速度とビード幅との関係を示
す。溶接速度Ｖを上げるとビード幅Ｗは小さくなり、こ
れらを突合せ溶接に適用する。突合せギャップが大きい
被溶接品においては予め設定した溶接速度を遅らせる補
正をし制御を行なう。

このようにレーザによる突合せ溶接では、突合せギャッ
プ、ビード幅Ｗ、ビード余盛り高Ｐを計測することが最
も大切である。通常溶造み深さＨ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。溶融部のビード計測を行なう本方法はリアルタ
イムに溶接品の合否判定ができ、また合わせて非接触の
測長センサによりビード余盛り高Ｐの計測を行うことで
溶接品の評価を行うことができる。また、被溶接品で形
成する段差及び突合せギャップの計測さらに突合せギャ
ップの大小に対応した自動焦点の補正、または、溶接速
度の補正による溶接加工そして、溶接時の溶融部のビー
ド幅計測と計測に基づいた自動焦点の補正または、溶接
速度の補正を行なうことにより、ビード幅Ｗと溶込み深
さＨ及びビード余盛り高Ｐを安定にすることができるた
め高品質で高精度なレーザ溶接加工ができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザビーム加工の良否を大きく左右
する集光レンズの焦点を測長センサによリ測長し被溶接
材の受入検査が行なえる。また２つの被溶接材で形成す
る突合せギャップを計測し受入検査を行ない、その突合
せギャップの大小により予め設定した自動焦点の補正及
び溶接速度Ｃ補正をすることができる。また溶接中に溶
接溶剤部ビード幅を計測し、そのビード幅が設定範囲を
外れた時には、先に設定した集光レンズの自動焦点を補
正する。あるいは溶接速度を補正することにより溶接ビ
ード幅を安定にできる。こられ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。こ
れらは被溶接品の加工バラツキ等に対し簡単にしかも瞬
時にレーザ溶接加工の微調整ができるため今後の高精度
で高品質のニーズにマツチングする方法である。さらに
溶接部ビード幅を有効に測定することができるとともに
溶接ビード余盛り高さ計測とタイアップすることにより
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
。本発明によれば、被溶接材の受入検査さらに最良な溶
接そして溶接品の完成検査まで行うことができる。

４、図面の簡単説明 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〜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、焦光レンズの焦点位置と溶込み深さ及びビート幅
の関係を示す図、第４図は２つの被溶接材を突合せ溶接
した時の溶接部の断面図、第５図は突合せギャップと溶
込み特性を示し、突合せギャップに対しビード幅、溶込
み深さ、ビード余盛り高との関係を示す図、第６図は溶
接速度とビード幅の関係を示す図、第７図は輝度信号と
２値化信号の関係を示す図、第８図は自動焦点の補正の
一例を示す図、第９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。

■・・・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、１訃・・演算回
路部、１９・・・制御回路部、２０・・・パルスモータ
ドライバ制御、２１・・ダミー被溶接材Ａ、２２・・・
ダミー被溶接部Ｂ、２３・・・接触式測長センサ、２４
・・・ロータリソレノイド、２５・・・干渉フィルタ、
２６・・・ロータリエンコーダ、２７・・・溶接回転用
モータ、Ｈ・・・溶込み深さ、Ｐ・・・ビード余盛高、
■・・・溶接速度、Ｗ・・・ビード幅、ａ・・・測長セ
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・
・・幅信号、ｇ・・・演算信号、ｈ・・・アップダウン
信号、ｌ・・・駆動信号、ｊ・・・フィルタ挿出入信号
、ｋ第２図 藻 濱 哀 ヒ′−ド輻Ｗ（π口λ） 豪

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、突合せする２つの被溶接材に対し、レーザビーム加
   工用集光レンズとの距離を非接触の測長センサにより検
   出すること及びＩＴＶカメラで突合せギャップを計測し
   ギャップの大小により予め設定した自動焦点と溶接速度
   を補正し、溶接時は、前述のＩＴＶカメラの前方に干渉
   フィルタを挿入し、ＩＴＶカメラで溶融部の画像をとら
   え、輝度信号を２値化処理しビード幅を計測し、ビード
   幅の大小に応じて、自動焦点の補正または、溶接速度の
   補正を行ない、最適なレーザ溶接を行なうことを特徴と
   するレーザ溶接方法。 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突合せ溶接する
   ２つの被溶接材のそれぞれの高さ位置の計測であり、２
   つの計測値の違いで段差を検査し、溶接する位置を１８
   ０度手前で非接触で検出し、該距離を予め定められた距
   離になるように自動焦点を行うことを特徴とするレーザ
   溶接装置。 ３、請求項第１項記載において、２つの被溶接材によっ
   て形成するギャップを計測する手段は、突合せ部の可視
   光を平行光線にする集光レンズと、その可視光を偏光さ
   せるハーフミラーと画像を撮像する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面像処理と
   によって構成され、また溶接溶融部のビード幅計測は、
   上述のＩＴＶカメラの前方に干渉フィルタをロータリソ
   レノイド等により切り換え挿入することにより行うこと
   を特徴とするレーザ溶接装置。 ４、請求項第２記載において、２つの被溶接材のそれぞ
   れの高さ位置の検出の手段は超音波ビームセンサ等の超
   音波を利用した素子または、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
   つて行い、またこれらにより２つの被溶接材の段差を検
   査し、突合せギャップの計測と合わせて、被溶接材の受
   入検査を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。 ５、請求項第１項記載において、溶接品の評価を行なう
   手段は、非接触の測長センサ等により溶接ビードの余盛
   り高さを計測すること及び請求項第３項記載のビード幅
   の計測を行うことで溶接品の合否判定を行うことを特徴
   とするレーザ溶接装置。