JPH08276270A

JPH08276270A - 倣い溶接方法

Info

Publication number: JPH08276270A
Application number: JP7099793A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Maeda; 剛前田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高出力パルスレーザ線状光に対してアーク光
を相対的に低減させることができ、且つ、アーク光及び
スパッタの影響を完全に回避することができ、さらに、
溶接条件を細かく制御することができ、極めて精密な溶
接倣いを行うことができる倣い溶接方法を提供する。【構成】溶接電圧の低下を検出した時に、高出力パル
スレーザ線状光の照射と高速電子シャッタを開放とを同
期させることにより、干渉フィルタ１４を透して光切断
像及び溶融池画像を撮像し、光切断像から開先特徴点座
標を抽出すると共に、溶融池画像の重心点からワイヤ先
端位置を算出し、これらに基づいて、溶接倣いを行うも
のである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、横向き姿勢や下向き姿
勢の継手開先を倣いながら溶接する倣い溶接方法及び装
置に係り、特にレーザ光及び光学系等を利用して溶接倣
いを自動で行う倣い溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高炉の炉体強度は鉄皮強度に依存してい
るため、高炉改修工事において、鉄皮溶接を高品質に行
うことが要望される。しかし、近年、熟練溶接工の確保
は難しく、且つ高炉鉄皮は厚板であるので、溶接品質を
均一化し、溶接能率を向上させるため、鉄皮溶接の自動
化が図られている。

【０００３】従来より、この種の自動化技術として、レ
ーザ光及び光学系等を利用して溶接倣いを自動で行う技
術が種々提案されており、例えば、特開平２−３４２８
０号公報（以下、「引用例１」という。）に開示されて
いる「アーク溶接撮影方法」に関する発明と、特公平３
−１６２２６号公報（以下、「引用例２」という。）に
開示されている「溶接位置検出装置」に関する発明が挙
げられる。

【０００４】引用例１には、「溶接電源からの電流を１
／２０００〜１／１０秒間遮断する動作を繰り返し行
い、上記時間に同期させて電流遮断時間中にテレビカメ
ラのシャッタを開閉する操作を行う。」旨が開示されて
いる。

【０００５】即ち、引用例１は、溶接電流を短時間遮断
することにより、アーク光が減光している間に撮影して
アーク，プール，ビードおよび開先を良好に撮影しよう
とするものである。

【０００６】また、引用例２には、「アークを観測用光
学系で観測する一方で、アーク点近傍の開先面に線状集
光光線を照射させ、その反射光を上記観測用光学系でア
ーク観測と同時に観測するように光学系を配置すること
で、アーク画像と開先光切断画像を１つの観測用光学系
の２次元光位置検出器の視野内に直接入るようにし、上
記両画像が同時に検出される。」旨が開示されている。

【０００７】即ち、引用例２は、線状集光光線照射用及
び観測用のそれぞれの光学系を配置し、アーク画像と開
先光切断像を観測用光学系の視野に直接検出させること
により、溶接の倣い精度の向上と装置の小型化を図るも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、引用例１に
あっては、溶接トーチのワイヤ先端位置を正確に検出す
ることができないため、溶接熱による開先の形状変形や
ワイヤ先端の曲がり等に対応し難く、精密な倣い溶接を
行うことができないという問題があった。

【０００９】また、引用例２にあっては、アーク光をフ
ィルタにより遮断しているが、依然としてその影響を完
全に取り除くことは困難であった。さらに、画像処理を
行う際にも、溶接スパッタが画像内に散乱し、その影響
を取り除くことが困難であった。

【００１０】従って、アーク光及びスパッタの影響を回
避するために、レーザ照射部と溶接部とをある程度離す
必要があり、その反面、これらの間の距離が増大すると
開先の熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対応し難くな
り、精密な倣い溶接を行うことができないという問題が
あった。

【００１１】本発明の目的は、上記課題に鑑み、高出力
パルスレーザ線状光に対してアーク光、溶融池放射光を
相対的に低減させることができ、且つ、開先の熱変形や
ワイヤ先端の曲がり等に対応させるべくレーザ照射部と
溶接部とを近接させても、アーク光及びスパッタの影響
を完全に回避することができ、極めて精密な溶接倣いを
行うことができる倣い溶接方法を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明に係る倣い溶接方法は、溶接電圧の低下を検出し
た時に、高出力パルスレーザを発生するレーザ光照射装
置から上記溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する
開先にレーザ線状光を照射すると共に、撮像装置の高速
電子シャッタを開放して、干渉ファイルタを透して光切
断像及び溶融池画像を撮像し、光切断像を近似処理して
開先特徴点座標を抽出すると共に、溶融池画像の重心点
に初期設定値を加えてワイヤ先端位置を算出し、これら
に基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正するよう
にしたものである。

【００１３】上記構成において、上記溶接電圧の低下
は、短絡アーク溶接の溶滴短絡移行時又はパルスアーク
溶接の電源電流遮断時に生じるものである。

【００１４】好ましくは、上記高出力パルスレーザが、
１〜２００Ｗの出力に設定されているものである。

【００１５】また、好ましくは、上記レーザ線状光が、
溶接トーチの進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する
開先に照射されるものである。

【００１６】さらに、好ましくは、上記高速電子シャッ
タのシャッタ速度が、０．１〜１ｍｓｅｃに設定されて
いるものである。

【００１７】そして、好ましくは、上記干渉フィルタ
が、当該レーザ光の波長±１０ｎｍ以下に設定されるも
のである。

【００１８】加えて、好ましくは、上記光切断像及び溶
融池画像を複数回撮像し、各画像を２値化後、論理積演
算処理により開先特徴点座標を抽出するようにしたもの
である。

【００１９】また、好ましくは、上記溶融池画像の重心
点と中心点との座標差を算出し、この算出値に基づいて
溶接条件を制御するようにしたものである。

【００２０】さらに、好ましくは、上記開先手前および
開先奥における溶接電流の平均値の比が所定値以上にな
った場合にワイヤ先端位置が開先奥にあると判定し、こ
れに基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正するよ
うにしたものである。

【００２１】

【作用】上記倣い溶接方法の構成によれば、溶接電圧の
低下を検出した時に、高出力パルスレーザを発生するレ
ーザ光照射装置からレーザ線状光を照射すると共に、撮
像装置の高速電子シャッタを開放して光切断像及び溶融
池画像を撮像している。これは、極めて短時間にレーザ
光を発光させて、その瞬間のみ電子シャッタを開放する
ことにより、レーザ光の強度を上げて、強烈なアーク
光、溶融池放射光等を相対的に低減させ、その影響を取
り除くものである。

【００２２】上記溶接電圧の低下は、短絡アーク溶接の
溶滴短絡移行時又はパルスアーク溶接の電源電流遮断時
に生じ、アーク光は低減する。

【００２３】また、高出力パルスレーザのレーザ線状光
を溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する開先に照
射している。これは、溶接熱による開先の形状変形等に
対応させるべく、レーザ光照射部と溶接部とを近接させ
るためである。このようにレーザ光照射部と溶接部とを
近接させても、溶接電流が低下してアーク光が低減した
時に、高出力パルスレーザと高速電子シャッタとを同期
させることによりレーザ光の相対強度を上げており、且
つ、レーザ光の相対強度を上げる干渉フィルタを透して
撮像装置で光切断像及び溶融池画像を撮像するので、ア
ーク光、溶融池放射光等の影響を完全に回避することが
できる。

【００２４】このようにして撮像した光切断像から近似
処理、即ち、直線近似及び／又は曲線近似により開先特
徴点座標を抽出すると共に、上記溶融池画像の重心点に
初期設定値を加えてワイヤ先端位置を算出し、この算出
値を上記開先特徴点座標と比較して、そのずれ分を補正
値としてトーチ狙い位置に加えれば、精密な溶接倣いを
行うことができるものである。

【００２５】特に、パルスレーザの出力を１〜２００Ｗ
に設定したのは、パルス幅にもよるが、高速電子シャッ
タで十分撮像可能な高出力が必要だからである。即ち、
１Ｗ未満であると高速電子シャッタによる撮像が困難で
あり、２００Ｗを超えると実用的でないからである。

【００２６】また、上記レーザ線状光を、溶接トーチの
進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射す
るようにすれば、開先の熱変形等に確実に対応すること
ができる。溶接進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定し
たのは、３０ｍｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎ
るからであり、１００ｍｍを超えると溶接熱による開先
の形状変形等に対応し難くなるからである。

【００２７】さらに、上記高速電子シャッタのシャッタ
速度を０．１〜１ｍｓｅｃに設定するのは、パルスレー
ザの出力との関係を考慮して、高品質な撮像を行うため
である。即ち、０．１ｍｓｅｃ未満のシャッタ速度を有
する電子シャッタは現実的ではなく、１ｍｓｅｃを超え
るとパルスレーザとの関係で撮像時間が長過ぎるからで
ある。

【００２８】そして、上記干渉フィルタを当該レーザ光
の波長±１０ｎｍ以下に設定するのは、半導体レーザの
波長は±１０程度の変動があるため、フィルタにも同様
の半値幅が必要だからである。

【００２９】また、光切断像及びアーク光画像を複数回
撮像し、各画像を２値化後、論理積演算処理により開先
特徴点座標を抽出するのは、溶接中における光切断像は
スパッタ等のノイズ画像成分を多く含んでいるため、複
数面の２値化画像間において論理積演算処理を行うこと
により不特定箇所に現れるこれらのノイズを除去するた
めである。

【００３０】さらに、上記溶融池画像の重心点と中心点
との座標差を算出し、この算出値により溶融池形状の変
形を知ることができ、溶融池の面積、幅により溶け込み
深さを算出することによって、細かい溶接条件制御を行
うことが可能となる。

【００３１】そして、開先手前および開先奥における溶
接電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイ
ヤ先端位置が開先奥にあると判定している。即ち、開先
手前から奥に移動する際の溶接電流の平均値及び標準偏
差を取り、標準偏差がある設定値以内であれば、平均値
を記録する。次に、開先奥での溶接電流の平均値及び標
準偏差を取り、標準偏差がある設定値以内のときに記録
してある平均値と開先奥での平均値とを比較し、その比
率がある設定値以内であればワイヤ先端位置が開先奥に
あると判定する。この判定に基づいて、精密な溶接倣い
が行われることになる。

【００３２】

【実施例】以下、本発明に係る倣い溶接方法の好適実施
例を添付図面に基づいて詳細に説明する。本実施例の倣
い溶接方法は、図１に示すような倣い溶接装置を使用し
て行われる。図示するように、倣い溶接装置１の溶接台
車２は、溶接トーチ３を支持しながら走行レール４に沿
って走行移動するように成っている。

【００３３】上記走行レール４は、被溶接物（図示せ
ず）の横向き姿勢や下向き姿勢の継手開先と略平行に設
置される。従って、溶接台車２は、走行レール４の長手
方向に沿って略水平に走行移動することになる。この走
行レール４には直状走行レールと円弧状走行レールとを
使用することができ、曲面を有する被溶接物をも溶接対
象にすることができる。従って、円弧状走行レールを使
用すれば、本実施例の倣い溶接装置１を高炉鉄皮の周方
向継手の溶接に適用することができる。

【００３４】また、溶接台車２の下方には、溶接アーム
５に支持されて、溶接トーチ３が配置されている。溶接
アーム５は、溶接台車２に配置されている前後移動手段
６、上下移動手段７及び水平回動手段８を介して溶接台
車２と接続されている。

【００３５】前後移動手段６は溶接トーチ３を被溶接物
の板厚方向に移動させ、上下移動手段７は溶接トーチ３
を上下方向に移動させ、水平回動手段８は溶接トーチ３
を水平面内で回動させる手段であり、それぞれ溶接機制
御装置９に接続されている。

【００３６】よって、前後移動手段６、上下移動手段７
及び水平回動手段８は、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。特に、水平
回動手段８は、被溶接物の曲率軸と溶接トーチ３の軸と
が常に平行になるようにモータの回転速度・位置の制御
が行われる。

【００３７】即ち、前後移動手段６により溶接トーチ３
を前後に、上下移動手段７により溶接トーチ３を上下に
動作させることができ、さらに、これらを溶接機制御装
置９によって制御することにより、溶接トーチ３の狙い
を上下左右自由に決定することができる。

【００３８】また、水平回動手段８により、溶接トーチ
３を水平面内で回動することができる。従って、走行レ
ール４と被溶接物との曲率が違う場合には、水平回動手
段８を動作させることで、溶接トーチ３の向きを被溶接
物に対して常に一定方向に保つことができる。これによ
って、被溶接物の曲率に合わせて数種類の走行レール４
を準備する必要がなく、１種類の走行レール４で異なっ
た曲率を有する被溶接物の溶接が可能である。

【００３９】そして、溶接アーム５のトーチ取付部に
は、円弧状を呈する鉛直回動手段１０が設けられてい
る。この鉛直回動手段１０は溶接トーチ３を鉛直面内で
回動させる手段であり、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。この鉛直回
動手段１０により、溶接トーチ３が、溶接ワイヤ先端
（溶接アーク点）を中心に円弧を描いて回動するので、
溶接アークが振れることなく、鉛直面内で溶接トーチ３
の傾き角度を変化させることができる。

【００４０】また、溶接台車２には、図２に示すセンサ
ユニット１１が連結装備され、上記継手の開先形状や上
記溶接トーチ３のワイヤ先端位置を検出するように成っ
ている。図示するように、センサユニット１１内には、
継手開先に向けてレーザ線状光を照射するレーザ照射装
置１２と、レーザ線状光の光切断像及び溶融池画像を撮
像する撮像装置１３とが収納されている。

【００４１】レーザ照射装置１２は、波長６８０±１０
ｎｍ、出力１〜２００Ｗの半導体パルスレーザによって
構成されており、レーザ光を線状にするためのコリメー
トレンズ、シリンドリカルレンズが使用されている。

【００４２】本実施例において、レーザ光の波長を６８
０ｎｍに設定したのは、次のような理由による。即ち、
アーク光のスペクトルは、Ｆｅやシールドガス（Ａｒ
等）の特性スペクトル強度分布に近く、６００〜７００
ｎｍ近辺の波長において強度が減少する。また、溶融池
放射光のスペクトルは、可視光から赤外光波長域にかけ
て波長が長くなるにしたがって強度が増加する。そこ
で、本実施例では、計測に用いるレーザ光の波長を、ア
ーク光や溶融池放射光の影響を受けにくい６８０ｎｍに
設定することとした。

【００４３】上記パルスレーザの出力を１〜２００Ｗに
設定したのは、パルス幅にもよるが、後述する高速電子
シャッタで十分撮像可能な高出力が必要だからである。
尚、倣い溶接には、通常３５〜５０ｍＷの出力が使用さ
れている。

【００４４】また、撮像装置１３は、光切断像及び溶融
池画像を撮像するが、外部からのトリガ信号に対して約
１μＳの遅れ後、極めて短時間で開閉動作する高速電子
シャッタ（図示せず）を備えたＣＣＤカメラが採用され
ている。

【００４５】撮像装置１３としてＣＣＤカメラを採用す
るのは、ＣＣＤカメラは撮像管カメラに比べ、小型かつ
取扱いが容易であり、焼き付け等の不具合が無いという
利点があり、また２次元ＣＣＤ素子を使用した場合に
は、１次元のものに比して、機械式のレーザ光スキャン
が不要であるため故障が少なく、２次元情報を扱うた
め、形状認識等の画像処理を行うことが容易であるとい
う利点があるからである。

【００４６】さらに、高速電子シャッタのシャッタ速度
は、０．１〜１ｍｓｅｃに設定されている。シャッタ速
度を０．１〜１ｍｓｅｃに設定するのは、パルスレーザ
の出力との関係を考慮して、高品質な撮像を行うためで
ある。

【００４７】この撮像装置１３の撮像レンズ１３ａの手
前には、レーザ光の波長（６８０ｎｍ）±１０ｎｍの波
長を有する干渉フィルタ１４が備えられている。干渉フ
ィルタ１４の波長をレーザ波長±１０ｎｍに設定したの
は、レーザ光の相対強度を上げるために干渉フィルタを
使用しているが、半導体レーザの波長には±１０ｎｍ程
度の変動があるため、干渉フィルタ１４にも同様の半値
幅が必要だからである。

【００４８】また、撮像装置１３は、撮像した光切断像
や溶融池画像を演算処理する画像処理装置１５と接続さ
れている。この画像処理装置１５は、光切断像から開先
特徴点座標を近似処理、即ち、直線近似及び／又は曲線
近似により抽出すると共に、溶融池画像の重心点に初期
設定値を加えてワイヤ先端位置を算出する演算手段であ
る。また、画像処理装置１５は、溶接電圧が設定しきい
値より低下するか否かを監視して画像取り込み位置を制
御する画像取り込み制御装置１６と接続されている。

【００４９】そして、画像処理装置１５及び画像取り込
み制御装置１６は、画像処理装置１５の算出値に基づい
て溶接トーチ３を制御し、ワイヤ先端位置を補正する溶
接機制御手段９とそれぞれ接続されている。

【００５０】また、上記レーザ照射装置１２は、上記溶
接トーチ３の進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する
開先に対して垂直にレーザ線状光を照射するように、セ
ンサユニット１１内で位置設定されている。さらに、撮
像装置１３は、光切断像及び溶融池画像を溶接トーチ３
の斜め前方からそれぞれ撮像するように、センサユニッ
ト１１内で位置設定されている。

【００５１】次に、上記倣い溶接装置１を使用して行う
本実施例の倣い溶接方法は以下のように行われる。本実
施例の倣い溶接方法は、例えば、高炉鉄皮の開先を溶接
する際に採用され、１パス・１レア・トーチ角度変化の
横向き溶接法により行う。その際、倣い溶接装置１は、
溶接台車２を走行レール４に沿って走行移動させ、溶接
機制御装置９で前後移動手段６、上下移動手段７、水平
回動手段８及び鉛直回動手段１０を４軸制御して溶接ト
ーチ３をウィービング動作させることにより、自動倣い
溶接を行うものである。

【００５２】本実施例の倣い溶接方法は、１パス・１レ
ア溶接中に、画像取り込み制御装置１６によって溶接電
圧を監視し、その低下を検出したときにトリガパルスを
レーザ照射装置１２及び撮像装置１３へ出力する。

【００５３】この溶接電圧の低下は、短絡アーク溶接の
溶滴短絡移行時又はパルスアーク溶接の電源電流遮断時
に生じ、アーク光は低減する。例えば、マグ溶接の場
合、溶接電流が２００Ａを超えると溶接ワイヤの溶滴が
スプレー移行状態となり、アーク光が低減しない。従っ
て、図３に示すように、ウィービング軌跡Ｗが開先手前
部Ａ〜Ｂの位置（Ａは溶接電流低下開始点、Ｂは溶接電
流低下終了点）で溶接電流を２００Ａ以下に落とすこと
により、アーク光は低減させて計測を可能としている。
尚、開先手前部Ａ〜Ｂの位置で溶接電流を低下させるの
は、溶接品質に比較的影響の無い部位だからである。

【００５４】溶滴短絡移行状態になることによって、
Ａ’の位置近辺でアーク光が低減する瞬間、すなわち画
像取り込み制御装置１６で溶接電圧を監視し、設定しき
い値より低下した瞬間にトリガパルスをレーザ照射装置
１２及び撮像装置１３へ出力し、パルスレーザ線状光を
開先に照射すると共に、干渉フィルタ１４を備えた撮像
装置１３の高速電子シャッタを開いて光切断像及び溶融
池画像を撮像する。干渉フィルタ１４の波長は、強烈な
アーク光の影響を避けるべく、レーザ光の波長（６８０
ｎｍ）±１０ｎｍ以下に設定されており、撮像装置１３
で撮像した光切断像及び溶融池画像は画像処理装置１５
に入力される。

【００５５】即ち、図４に示すように、開先手前電圧設
定値をＶａ、しきい値を０．６Ｖａとすると、溶接電圧
Ｖ≦０．６Ｖａとなる信号の立ち下がりに同期してトリ
ガパルスＴＰ（１ｍｓ以上負論理）を出力する。このト
リガパルスＴＰに対して約１μＳの遅れ後、撮像装置１
３の高速電子シャッタが設定時間内において開くことに
なる。

【００５６】さらに詳述すると、図５に示すように、短
絡期間は溶接電流を低下させる開先手前部においてであ
るが、撮像装置１３が溶接方向に対して停止している期
間を撮像取り込み可（イネーブル）とする。

【００５７】そして、図６に示すように、画像取り込み
制御装置（外部トリガコントローラ）１６で溶接電源１
７の溶接電圧Ｖを監視し、溶接電圧Ｖがしきい値０．６
Ｖａまで低下したら、その立ち下がりに同期してトリガ
パルスＴＰを発生する。

【００５８】トリガパルスＴＰはカメラコントローラ１
８のＲ．Ｒ．入力（リセット・リスタート）に入り、高
速電子シャッタを切ると同時にホストコンピュータ１９
において割り込みを発生し、それがイネーブル期間なら
ば画像処理装置１５に画像取り込みを指令するものであ
る。尚、溶接電源１７は、溶接機制御装置（ロボットコ
ントローラ）９を介して、ホストコンピュータ１９と接
続されている。

【００５９】一方、パルスアーク溶接は、脈流を加える
ことにより溶滴移行状態をスプレー移行状態にしている
が、その電流遮断時に溶接電圧の低下が生じる。従っ
て、パルスアーク溶接を採用した場合にも、画像取り込
み制御装置１６によって溶接電圧を監視し、その低下を
検出したときにトリガパルスをレーザ照射装置１２及び
撮像装置１３へ出力することが可能である。

【００６０】次に、画像取り込み制御装置１６からトリ
ガパルスを受信したレーザ照射装置１２は、溶接トーチ
３の進行方向前方の直近に位置する開先に高出力パルス
レーザのレーザ線状光を照射する。

【００６１】具体的には、レーザ照射装置１２は、溶接
トーチ３の溶接点から溶接進行方向前方に３０〜１００
ｍｍ程度離れた位置の開先に対して垂直に、１〜２００
Ｗの出力のパルスレーザ線状光を照射する。パルスレー
ザの出力を１〜２００Ｗに設定したのは、１Ｗ未満であ
ると高速電子シャッタによる撮像が困難であり、２００
Ｗを超えると実用的ではないからである。

【００６２】また、パルスレーザ線状光の照射位置を溶
接トーチ３の進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定した
のは、３０ｍｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎる
からであり、１００ｍｍを超えると高炉鉄皮のような極
厚板長尺の開先では溶接熱による形状変形等に対応し難
くなるからである。

【００６３】一方、レーザ照射装置１２と同期してトリ
ガパルスを受信した撮像装置１３は、高速電子シャッタ
を開閉作動させ、干渉フィルタ１４を透して光切断像及
び溶融池画像を撮像する。上記高速電子シャッタのシャ
ッタ速度は、上述したように０．１〜１ｍｓｅｃに設定
される。シャッタ速度を０．１〜１ｍｓｅｃに設定する
のは、０．１ｍｓｅｃ未満のシャッタ速度を有する電子
シャッタは現実的ではなく、１ｍｓｅｃを超えるとパル
スレーザとの関係で撮像時間が長過ぎるからである。例
えば、パルスレーザの出力を１Ｗに設定した場合、高速
電子シャッタのシャッタ速度は５００μｓｅｃに設定さ
れる。

【００６４】また、干渉フィルタ１４は、強烈なアーク
光及び溶融池放射光の影響を避けるべく、レーザ光の波
長（６８０ｎｍ）±１０ｎｍ以下の波長に設定されてお
り、撮像装置１３で撮像した光切断像及び溶融池画像は
画像処理装置１５に入力される。

【００６５】このように本実施例は、溶接電流が低下し
てアーク光が低減した時に、高出力パルスレーザと高速
電子シャッタとを同期させることによりレーザ光の相対
強度を上げており、且つ、レーザ光の相対強度を上げる
干渉フィルタ１４を透して撮像装置で光切断像及び溶融
池画像を撮像するので、アーク光、溶融池放射光等の影
響を完全に回避することができる。従って、１台の撮像
装置１３により、光切断像及び溶融池画像とを同一視野
内に取り込んで撮像することができる。

【００６６】次に、干渉フィルタ１４や高速電子シャッ
タによる撮像のみでは画像計測には不十分であるため、
画像処理による画質改善を行う。即ち、撮像装置１３に
より光切断像及び溶融池画像を複数回撮像する。光切断
像及び溶融池画像を複数回撮像するのは、溶接中におけ
る光切断像及び溶融池画像は、画像内にスパッタ等のノ
イズ画像成分を多く含んでいるため、複数面の２値化処
理（白黒・濃淡処理）した画像間において論理積演算処
理を行うことにより不特定箇所に現れるこれらのノイズ
を除去するためである。

【００６７】具体的には、１回目に撮像した光切断像及
び溶融池画像を画像メモリに記録しておき、２回目に撮
像した光切断像及び溶融池画像を取り込み、記録した画
像と共に２値化処理及び平滑化処理を行った後、２つの
画像間で画素毎の論理積（ＡＮＤ）処理を行い、ノイズ
画像を除去する。必要であれば、３回目に撮像した光切
断像及び溶融池画像とも同様の論理積演算を行う。

【００６８】次に、ＡＮＤ処理画像に対して、孤立点・
端点除去を行う。即ち、２値化画像に対して３×３平滑
化フィルタ処理（平滑化オペレータ）を施した後、２回
目の２値化処理を行う。平滑化後の２値化画像に対して
Ｘ方向微分処理（差分オペレータ）を行い線画像変換を
行う。そして、直線近似法を用いて図７（ａ）に示す開
先内特徴点（初層）を抽出し、これを３次元座標変換す
ることにより、所望の座標値を得る。第２層目以降につ
いては、図７（ｂ）に示すように直線部の延長線上にあ
る点を特徴点として抽出する。

【００６９】具体的には、開先特徴点を検出するため
に、分割・合成法（始点・終点近似）および追跡法（コ
ーン交差法）と呼ばれる直線近似法及び／又は曲線近似
法を用いて算出する。尚、この近似処理の詳しい内容
は、大沢裕ほか著作の「図面の認識と理解」（株）昭晃
堂に記述されている。

【００７０】即ち、図８に示す特徴点抽出フローに基づ
いて、開先特徴点の抽出を行う。図示するように、ま
ず、ステップ（ＳＴ）１でサーチウインドウを設定し、
ウインドウ内始点・終点を検出する（ＳＴ２）。

【００７１】具体的には、図９に示すように、追跡法に
よってＰ１，Ｐ２，Ｐ２’を検出する場合、Ｐｓ（始
点）、Ｐｅ（終点）を決定し、図１０に示すサーチウイ
ンドウによって画素を追跡する。即ち、Ｐｓからは図１
０（ａ）に示す下向きサーチウインドウを使用し、Ｐｅ
からは図１０（ｂ）に示す上向きサーチウインドウを使
用する。

【００７２】そして、画素Ｃから見た近傍における画素
連結状態を調べ、最も優先度の高いものを次の追跡画素
とする。下向き優先順位はＰＤ＞ＰＲＤ＞ＰＬＤ＞ＰＲ
＞ＰＬであり、上向き優先順位はＰＵ＞ＰＲＵ＞ＰＬＵ
＞ＰＲ＞ＰＬである。

【００７３】また、連結が途切れた場合は、図１１に示
すように、サーチウインドウをシフトする。即ち、ウイ
ンドウ中心画素ＣをＣ１，Ｃ２，Ｃ３の位置にシフト
し、そこを新たに中心Ｃとしたウインドウを生成する。
この場合の優先順位は、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３である。シフ
トしても連結が見つからない場合は、元の中心画素を特
異点とする。

【００７４】サーチウインドウで画素を検出した後、そ
れが直線に当てはまるか否かを調べるが、最初にＰｓよ
り下向きに画素を追跡し、次のようにＰ１を求める（Ｓ
Ｔ３）。まず、ステップ３は、図１２に示すように、
始点画素Ｐｓと次に追跡する画素Ｑ１を選択する。この
場合、Ｑ１は次に連結している画素とは限らない。ま
た、中心がＱ１で半径ｒの円に対してＰｓより２本の接
線を引き、その囲まれた領域をＳ１とする。尚、Ｑ１は
半径ｒの値によって決定し、線分ＰｓＱ１＞ｒである。
そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のステップ３
へ進む。

【００７５】ステップ３は、Ｑｉの次に連結する画素
Ｑｉ＋１をサーチウインドウで検索し、これが領域Ｓｉ
の中にあればステップ３へ進む。一方、Ｑｉ＋１が存
在しないか、或いは領域Ｓｉの中に無ければ、Ｑｉを特
徴点Ｐ１とする。

【００７６】ステップ３は、中心Ｑｉ＋１で半径ｒの
円に対してＰｓより２本の接線を引く。そして、これら
に囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１の共通
領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとしてステップ３に戻
る。

【００７７】同様に、Ｐｅより上向きに画素を追跡し、
Ｐ２を求める（ＳＴ４）。この処理は、上記ステップ３
〜と同様のステップを繰り返す。但し、サーチウイ
ンドウは、上向きのものを使用する。

【００７８】次に、図１３に示すように、Ｐ０の検出を
行うが、開先奥部分は線画像が途切れる場合が多く追跡
法が使えないため、分割・合成法（始点・終点近似法）
を用いる。追跡法で求めたＰ１，Ｐ２を始点・終点とし
た線分に対するユークリッド距離が最大となる画素を求
め、これをＰ０とする（ＳＴ５，ＳＴ６）。即ち、Ｐ
１，Ｐ２の座標を各々（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）
とすると、画素Ｐｊ（Ｘｊ，Ｙｊ）からの線分Ｐ１Ｐ２
への距離Ｅｊは、次式で表される。

【数１】

【００７９】また、図１４に示すように、Ｘ方向はＷＸ
１からＷＸ２まで、Ｙ方向はＹ１からＹ２までの距離計
算を行う。そして、ノイズ等の影響を避けるため、画素
検出を順方向と逆方向から行い、座標が一致したものだ
けを有効とする。この場合、Ｘ方向微分により、１画素
／１ＬＩＮＥとなっている。

【００８０】次に、初回溶接であれば（ＳＴ７）、半径
ｒを大きめに設定し、Ｐｅを始点として追跡法によりＰ
２’を検出する（ＳＴ８）。点Ｐｓ（Ｘｓ，Ｙｓ）から
点Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）を中心とする半径ｒの円への接線
の式は以下の通りである。

【数２】また、点（ａ，ｂ）が上記接線の式で囲まれた領域の中
にあるためには、以下の式が成立する。

【数３】

【００８１】次に、図１５に示すように、Ｐ０’の検出
を行う。即ち、変形追跡法により、線分Ｐ１Ｐ２とＰ
２’Ｐ０に対する近似直線（Ｐ１，Ｐ２’を通る）を求
め、その交点をＰ０’とする（ＳＴ９，ＳＴ１０）。即
ち、Ｐ１を始点とし、Ｐ０まで画素を検出し（分割・合
成法と同様に順方向・逆方向で行い、サーチウインドウ
は使用しない。）、次のように直線上に当てはまるか否
かを調べる。

【００８２】まず、ステップ９は、Ｐ０を中心とした
半径ｒ０の円を描き、Ｐ１からこの円に対して２本の接
線を引く。そして、Ｐ１の次の画素Ｑ１が接線で囲まれ
た領域Ｓ０の中に入っているか否かを調べる。これをＱ
１が検出されるまで繰り返す。ただし、線分Ｐ０Ｑ１＞
ｒであり、ステップ９で使用する。

【００８３】ステップ９は、中心がＱ１で半径ｒの円
にＰ１より２本の接線を引き、その囲まれた領域をＳ１
とする。そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のス
テップ９へ進む。

【００８４】ステップ９は、Ｑｉの次の画素Ｑｉ＋１
を探し、これが領域Ｓｉの中にあればステップ９へ進
む。一方、領域Ｓｉの中に入っていなければ、このステ
ップ９を繰り返す。そして、Ｙ方向がＹ０（Ｐ０のＹ
座標）となったら、後述するステップ９へ進む。

【００８５】ステップ９は、Ｑｉ＋１を中心として半
径ｒの円を描き、Ｐｓよりこの円へ２本の接線を引く。
これらに囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１
の共通領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとして、ステップ９
に戻る。

【００８６】ステップ９は、線分Ｐ１Ｑｉの直線式を
求める。同様に、Ｐ２を始点とし、線分Ｐ２Ｑｉ’の直
線式を求め、線分Ｐ１Ｑｉと線分Ｐ２Ｑｉ’の交点をＰ
０’とする（ＳＴ１０）。

【００８７】そして、座標データを送信した後（ＳＴ１
１）、ステップ２に戻る。また、上記ステップ７におい
て、初回溶接でない場合は、直ちに座標データが送信さ
れる（ＳＴ１１）。

【００８８】また、撮像装置１３は、光切断像とともに
溶融池画像を撮像している。溶接電圧が低下してアーク
光が低減した時に、高速シャッタを使用し、パルスレー
ザ光の強度を上げて、さらにアーク光及び溶融池画像を
相対的に低減させており、且つ、レーザ光の相対強度を
上げる干渉フィルタ１４を透して光切断像及び溶融池画
像を撮像しているので、溶融池の形状を明確に撮像する
ことができる。

【００８９】撮像した溶融池画像を画像処理装置１５で
２値化処理した後、図１６に示すように、これの重心点
を検出する。この重心点にある初期設定値を加えること
により、アーク点であるワイヤ先端位置を算出し、これ
を３次元座標変換することにより、所望の座標値を得
る。

【００９０】ここで、アーク光画像に加える初期設定値
について説明する。図１７（ａ）に示すように、溶接開
始点における開先手前・奥に接触するワイヤ先端のカメ
ラ画像上の座標を各々（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）
とし、また図１７（ｂ）に示すように、溶接開始直後の
開先手前・奥における溶融池画像の重心点を各々（Ｘ
ａ’，Ｙａ’）、（Ｘｂ’，Ｙｂ’）とすると、初期設
定値は以下のようになる。

【００９１】即ち、開先手前初期設定値は、ＤＸａ＝Ｘ
ａ−Ｘａ’、ＤＹａ＝Ｙａ−Ｙａ’となる。一方、開先
奥初期設定値は、ＤＸｂ＝Ｘｂ−Ｘｂ’、ＤＹｂ＝Ｙｂ
−Ｙｂ’となる。

【００９２】このとき、図１８に示すように、溶融池画
像の最大径が５０画素程度になるように画像調整を行う
ため、これらの上下限は次の数式の通りとする。

【数４】このように溶接中（１回目ウィービング）において初期
設定値を算出し、２回目ウィービング以降に加えてゆ
き、所望の座標値を得る。

【００９３】そして、この算出座標値を光切断像より求
めた開先特徴点座標と比較して、そのずれ分を補正値と
してトーチ狙い位置に加え、その結果に基づいて、溶接
機制御装置９が溶接トーチ３のワイヤ先端位置を補正す
る。

【００９４】具体的には、溶接機制御装置９は、算出し
た開先特徴点座標を基に開先手前・奥におけるトーチ狙
い位置や揺動幅をオンラインで変更する。このとき、図
７（ａ）に示したように、ワイヤ先端位置座標と開先手
前Ｐ２点又は開先奥Ｐ０点とをそれぞれ比較し、ずれが
ある場合はその差を補正値として溶接トーチ３の制御を
行う。さらに、積層厚の変化分を次層溶接に反映させる
ため、ウィービングピッチを変更する。

【００９５】また、図１６に示した溶融池画像に基づい
て、画像処理装置１５により溶融池画像の重心点と中心
点との座標差を算出する。この算出値により溶融池形状
の変形を知ることができ、溶融池の面積、幅により溶け
込み深さを算出することによって、細かい溶接条件制御
を行うことができる。

【００９６】具体的には、図１６に示した溶融池画像の
最小Ｘ，Ｙ座標と最大Ｘ，Ｙ座標とからＸ，Ｙの各方向
の中心点を算出する。即ち、溶融池画像の中心点のＸ，
Ｙ座標は、最小Ｘ座標をＸ０、最大Ｘ座標をＸ１、最小
Ｙ座標をＹ０及び最大Ｙ座標をＹ１とした場合、（（Ｘ
０＋Ｘ１）／２，（Ｙ０＋Ｙ１）／２）と算出され
る。

【００９７】そして、この中心点座標（（Ｘ０＋Ｘ１）
／２，（Ｙ０＋Ｙ１）／２）と上記重心点座標を比較
して、溶融池形状異常を把握し、オンライン溶接プロセ
ス監視データとして記録する。また、溶融池面積Ａを計
測し、予め設定したテーブルデータと比較して、溶け込
み深さを推定することにより、溶接条件制御を行うこと
ができるものである。

【００９８】さらに、開先手前および開先奥における溶
接電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイ
ヤ先端位置が開先奥にあると判定する。具体的には、開
先手前から開先奥に移動する際の溶接電流・電圧の平均
値・標準偏差を取り、標準偏差がある設定値以内なら
ば、平均値を記録する。

【００９９】次に、開先奥での溶接電流・電圧の平均値
・標準偏差を取り、標準偏差がある設定値以内のとき記
録している平均値と開先奥での平均値を比較し、その比
率がある設定値以内であればワイヤ先端位置が開先奥に
あると判定する。

【０１００】具体的には、図１９に示す開先手前Ａ〜
Ａ’位置の溶接電流の平均値Ｉａは、次のような数式で
表される。

【数５】また、図１９に示す開先奥Ｂ〜Ｂ’位置の溶接電流の平
均値Ｉｂは、次のような数式で表される。

【数６】これら実績値（平均値）の比であるＫ（Ｋ＝Ｉｂ／Ｉ
ａ）が設定値ｋ（ｋ＝ｉｂ／ｉａ、ｉａ：開先手前電流
設定値、ｉｂ：開先奥電流設定値）の０．９倍以上のと
きに、ワイヤ先端位置が開先奥にあると判定する。

【０１０１】ワイヤ先端位置を判定した場合、溶接トー
チ３のワイヤ先端位置を次のように補正する。即ち、ワ
イヤ先端位置が開先奥でないと判定した場合、溶融池画
像重心からワイヤ先端座標点を算出するための初期設定
値に予め設定しておいた補正値を加え、これを次からの
ワイヤ先端位置の算出に使用することにより、極めて精
密な倣い溶接を行うことができるものである。

【０１０２】以上のように本実施例の倣い溶接方法は、
溶接電圧が低下してアーク光が低減した時に、高出力パ
ルスレーザのレーザ線状光の照射と高速電子シャッタの
開放とを同期させることにより、レーザ線状光の強度を
上げて、強烈なアーク光及び溶融池等を相対的に低減さ
せている。従って、１台の撮像装置１３の同一視野内に
光切断像と溶融池画像とを取り込んで撮像することがで
きるので、前述した引用例２と異なり、光学系の光軸合
わせを容易に行うことができる。

【０１０３】また、光切断像から開先特徴点座標を抽出
すると共に、溶融池画像からワイヤ先端位置を算出する
ことにより、開先の熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対
応し、極めて精密な溶接倣いを行うことができる。

【０１０４】さらに、溶融池画像の重心点と中心点との
ずれから溶融池形状の変形を把握すると共に、溶融池の
面積や幅から溶け込み深さを算出することによって、細
かい溶接条件制御をも行うことができるものである。

【０１０５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る倣い溶
接方法によれば、高出力パルスレーザのレーザ線状光に
対してアーク光及び溶融池放射光を相対的に低減させる
ことができる。また、開先の熱変形やワイヤ先端の曲が
り等に対応させるべくレーザ照射部と溶接部とを近接さ
せても、アーク光及びスパッタの影響を完全に回避する
ことができる。さらに、溶融池画像の重心点と中心点と
のずれから溶融池形状の変形を把握することにより、細
かい溶接条件制御をも行うことができる。従って、本発
明に係る倣い溶接方法によれば、極めて精密な溶接倣い
を行うことができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の倣い溶接方法に使用する倣い溶接装
置の全体構造を示す概略図である。

【図２】倣い溶接装置におけるセンサユニットの内部構
造を示す平面図である。

【図３】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グ状況及び溶接電流低下位置を示す概略図である。

【図４】本実施例の倣い溶接方法において、溶接電圧と
設定しきい値との関係を示す説明図である。

【図５】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グでの電子シャッタ作動期間を示す説明図である。

【図６】本実施例の倣い溶接方法において、トリガパル
スによる電子シャッタ作動の装置ブロックを示す概略図
である。

【図７】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特徴
点の抽出状況を示し、（ａ）はは初層特徴点の説明図、
（ｂ）は２層目以降の特徴点の説明図である。

【図８】本実施例の倣い溶接方法において、開先特徴点
の抽出フローを示す説明図である。

【図９】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特徴
点の抽出概念を示す説明図である。

【図１０】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウを示し、（ａ）
は上向きサーチウインドウの説明図、（ｂ）は下向きサ
ーチウインドウの説明図である。

【図１１】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウのシフト状況を
示す説明図である。

【図１２】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、追跡法によるＰ１の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１３】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、分割・合成法によるＰ０の検出状況を示す説明図
である。

【図１４】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、距離計算によるＰ０の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１５】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、変形追跡法によるＰ０’の検出状況を示す説明図
である。

【図１６】本実施例の倣い溶接方法において、溶融池形
状特徴量を示す説明図である。

【図１７】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、初期設定値の算出状況を示し、（ａ）は溶接前
ワイヤ先端位置の説明図、（ｂ）は溶接中溶融池画像重
心の説明図である。

【図１８】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、溶融池の最大径と画素との関係を示す説明図で
ある。

【図１９】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、開先奥と判定する溶接電流・電圧の平均値及び
標準偏差の範囲を説明するための図である。

【符号の説明】１倣い溶接装置２溶接台車３溶接トーチ４走行レール５溶接アーム６前後移動手段７上下移動手段８水平回動手段９溶接機制御装置（ロボットコントローラ）１０鉛直回動手段１１センサユニット１２レーザ照射装置１３第１の撮像装置１３ａ撮像レンズ１４干渉フィルタ１５画像処理装置１６画像取り込み制御装置（外部トリガコン
トローラ）１７溶接電源１８カメラコントローラ１９ホストコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接電圧の低下を検出した時に、高出力
パルスレーザを発生するレーザ光照射装置から上記溶接
トーチの進行方向前方の直近に位置する開先にレーザ線
状光を照射すると共に、撮像装置の高速電子シャッタを
開放して、干渉ファイルタを透して光切断像及び溶融池
画像を撮像し、光切断像を近似処理して開先特徴点座標を抽出すると共
に、溶融池画像の重心点に初期設定値を加えてワイヤ先
端位置を算出し、これらに基づいて溶接トーチのワイヤ
先端位置を補正するようにしたことを特徴とする倣い溶
接方法。
【請求項２】前記溶接電圧の低下が、短絡アーク溶接
の溶滴短絡移行時に生じる請求項１に記載の倣い溶接方
法。
【請求項３】前記溶接電圧の低下が、パルスアーク溶
接の電源電流遮断時に生じる請求項１に記載の倣い溶接
方法。
【請求項４】前記高出力パルスレーザが、１〜２００
Ｗの出力に設定されている請求項１乃至請求項３のいず
れかに記載の倣い溶接方法。
【請求項５】前記レーザ線状光が、溶接トーチの進行
方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射される
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の倣い溶接方
法。
【請求項６】前記高速電子シャッタのシャッタ速度
が、０．１〜１ｍｓｅｃに設定されている請求項１乃至
請求項５のいずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項７】前記干渉フィルタが、当該レーザ光の波
長±１０ｎｍ以下に設定される請求項１乃至請求項６の
いずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項８】前記光切断像及び溶融池画像を複数回撮
像し、各画像を２値化後、論理積演算処理により開先特
徴点座標を抽出するようにした請求項１乃至請求項７の
いずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項９】前記溶融池画像の重心点と中心点との座
標差を算出し、この算出値に基づいて溶接条件を制御す
るようにした請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の
倣い溶接方法。
【請求項１０】開先手前および開先奥における溶接電
流の平均値の比が所定値以上になった場合にワイヤ先端
位置が開先奥にあると判定し、これに基づいて溶接トー
チのワイヤ先端位置を補正するようにした請求項１乃至
請求項９のいずれかに記載の倣い溶接方法。