JPS59150687A - 溶接深さのオンライン制御の方法と装置 - 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】 本発明Ｆｉパルスビームによる溶接の深さをオンライン
で■）制御する方法と装着に関するものである。

オンラインで制御するということは制御が溶接操作と同
時に行われるという意味である。本発明は特に戊い溶接
を制御する場合に適用される。

溶接深さを制御する方法は当業者に種々公知である。最
新の方法は超音波、フーコー電、流、電位差測定、スペ
クトル吸収測定のような技術を用いている。

超音波による方法では大きな損失無しに超音波を伝播す
るために「カップリング流体」といわれる流体を用いる
必要から特定の周波数を用いなければならない。従って
、超音波法で必要なカップリング流体が溶接ビームによ
って破損してしまうため、この超音波法はオンライン制
御に使用することはできない。

フーコー電流法 る方法で溶接の深さを制御するものは同じ欠点を有して
いる。これら２つの方法は溶接点の近くに感知器（フー
コー電流法の場合）や電極（電位差計法の場合）を接近
させる必要があるが、これらのピックアップを正確に位
置決めするのは困雌である」二に溶接のさまたげになる
。

スペクトル吸収によって溶接の深さを制御１する方法は
以下のように用いられる。すなわち被溶接部材と溶接ビ
ームが配置されている溶接区域内に単色光源をセットし
、この単色光を溶接プラズマへ向ける。この単色光源は
一般に中空陰極管である。出された単色光の成分は溶接
プラズマ中に存在する粒子によって吸収される。この粒
子は被溶接部材上に付着している（トレーサー法）か不
純物として被溶接部材内に存在（自動トレーサー法）し
、溶接ビームによって溶接プラズマ中に遊離してくる。

この遊離粒子の数、従って吸収された単色光の楡は溶接
の深さに比例する。東められた信号のレベルと基準信号
のレベルとを沈毅することによって溶接の深さが求めら
れる。

単色光源は連続的に使用できない。すなわち、この場合
、光学手段中に集められた信号は溶接プラズマから出る
光が軍さなった単色光の非吸収成分で構成されている。

溶接プラズマの発光レベルは単色光の発光レベルよりも
はるかに高い。従って、有効信号はバックの雑音に吸収
されて十分に利用できない。

この欠点を解決するために、単色光信号をパルスビーム
に分け、同期検出で処理する必要がある。

連続ビームによる溶接、例えば電子ビーム溶接の場合に
は、単色光信号の周波数は例えば５００出である。パル
スビームによる溶接の場合には、各溶接パルスのレベル
で単色光源が極めて大きな数のノ母ルスを出さなければ
ならない。１００　ｍｓ　　毎に４ｍｓ　　の長さのノ
量ルスを出すようなレーザービームのような溶接パルス
ビームでは、単色光源の・マルスの周波数は数ｋＨｚ程
度にして、溶接ビームの各ノ母ルスの間に単色光源が１
００のノＪ？ルスを出さねはならない。しかし、このよ
うな単色・マルスビームを作シうるような簡単な手段を
当業者は有しない。

すなわち、公知の方法ではノｆルスビームによる溶接の
深さのオンライン制御を簡単、正（１゛佑且つ確実に行
うことはできない。本発明の目的はこのような制御が実
行できる方法と装置とを提供することにある。

よシ正確には、本発明は被溶接部材上の衝突点の曲りに
溶接プラズマを作シうるような・母ルスビームで行われ
る溶接の深さをオンラインで制御する方法において、溶
接ビームの各・ぐルス毎に光学手段中に溶接プラズマの
出す少なくとも一つのスペクトル線を集め、そのエネル
ギーをアナログの電気信号に変換し、この信号を載置処
理し、数値処理後の信号を基準信号と比較することを特
徴とするものである。

本発明の第２の特徴は、融値処理後の信号のレベルと基
準信号レベルとの差に依存する信号で溶接・々ルスビー
ムの出力をオンラインで調節ループによって？ＩＩ］Ｉ
御することにある。

この調節ループによって一定深さの溶接を行うことがで
きる。

本発明はさらに被溶接部材とノ４ルスビームを出す溶接
手段が溶接区域内に収容されているような・（ルスビー
ムにより溶接の深さをオンラインで制御する装置におい
て、少なくとも一つの測定路を有し、各測定路が溶接区
域内に配置された溶接プラズマの出す光線を集める光学
手段と、伝達手段を介してこの光学手段に接続されたモ
ノクロメータと、このモノクロメータに接続された光増
倍管とで構成され、さらに上記の測定路の他に光増倍管
の出す電気信号を処理する手段と、この処理手段の出す
信号の目視手段と、この信号を基準信号と比較する比較
手段とを有していることを特徴としている。

その二次的特徴として、上記装置は溶接・母ルスビーム
の強度を制御するだめの上記比較手段の出力を出す信号
を用いたオンライン調節ループを有している。

さらに他の二次的特徴として、上記装置では各光学手段
が光ファイバーの端部を受けている。

プラズマの出す光の受信手段として光ファイバーの端部
な用いることによって溶接区域の占める空間を局限する
ことができる。

さらに他の二次的特徴として、上記装置では各光学手段
が光学レンズとミラーとを備えることができる。

この光学レンズとミラーとを備えた光学手段は寸法が大
きくはなるが光ファイバーの端部を備えた光学手段より
も容易に使用することができる。

さらに他の特徴として、上記装置では各光学手段がさら
にコリメータを有し、それによって光学手段の感度が増
大するという点がある。

さらに他の特徴として、複数の測定路を組合せた装置の
場合には、対を成す測定路の光電１子的効率を等しくす
る調節手段を有している点がある。

２つの測定路の光電子的効率を等しくすることによって
各測定路で受けた信号を比較し、各信号の相対関係を付
けて、集めた信号に含まれる情報の質を向、上させるこ
とができる。

特殊な一実施例によると、上記装置では調節手段が一対
の測定路の各々に同一光線を出す光源で構成されている
点を特徴としている。

この光源は処理手段が検出レベルの信号を受けるのに十
分な強度の光線を出す限シ、任意のものにすることがで
きる。

二次的特徴として、上記装置では処理手段が測定路より
受けた信号の正規化手段と、この信号を別に処理するだ
めの記録器と、帯域フィルターと、一時的フィルターと
、アナログ−デジタル変換器と、＝十ｇユニットとを有
している。

本発明のその曲の特徴および利点は添付図面を参照した
以下の説明からより良く理解できよう。

しかし、本発明はこれにのみ限定されるものではない。

第１図は単一測定路を有する制御装置の一実施例を示し
ている。溶接区域２中には被溶接部材４と溶接手段６と
が設けられており、溶接手段６は被溶接部材４上の衝突
点のまわりに溶接プラズマ８を作る・母ルスビームを出
す。この溶接プラズマ８から出る光線１０は測定路によ
って捕捉され、次いで電気信号に変換される。上記測定
路は溶接プラズマ８の出す光線１０を集める光学手段１
１と、上記溶接区域２の外側に於て上記のように捕捉さ
れた光、腺を測定路の他の要素へ送る伝達手段１４と、
モノクロメータ−１８と、光電増倍・θ２０とを有して
いる。

溶接プラズマ８の出す光１ｌｉｌｉ！１０を東める上記
光学手段１１は溶接プラズマ８の出す光線の一部のみを
集めることができるコリメータ１２を有しておシ、これ
によって感度が良くなる。すなわち、同一容積の２つの
溶接プラズマすなわちある深さと巾の溶接プラズマとそ
れよ＃）浅くて［１〕の広い溶接プラズマとは同一強度
の光線を出すが、上記のコリメータ１２を用いることに
よってプラズマの一定面の光を集めることができ、蛇っ
て２つのプラズマを区別することができる。すなわち、
ある深さのプラズマとそれよｈ　７％いプラズマとでは
前者の方が後者よシ果まるエネルギー強度が強くなる。

光学手段１１にはさらにコリメータ１２を通った光線を
伝達手段１４の入口へ向ける手段が設けられている。図
では伝達手段１４が光学ファイバーで構成されており、
上記の入口へ向ける手段１ は光学ファイバーの端部１３で構成されている。

外被１６で保護された光学ファイバー１４を介して伝達
される信号は基準信号と比較されるので、上記信号を取
る操作条件と基準ｆｇ号を取る操作条件とは同一にしな
ければならない。すなわち、これら２つの場合で光線１
０を果める光学手段１２の効率を同一にしなければなら
ない。従って、特に、光学ファイバー１４の端部１３は
これら２つの場合で完全に同−位置になけれＩｒｉなら
ないが、これは支持台２２を用いることによって可能と
なる。基準信号を捕捉する時と上記信号を捕捉する時で
光学ファイバー１４の端部１３の位置を同一にできない
場合には、ミラーやレンズのような従来の光学手段を用
いて上記端部１３の代りをさせることができるが、この
場合の光学手段１２の光学的効率は若干悪くなる。

伝達手段１４の端部に設けられたモノクロメータ−１８
は溶接プラズマの発光スペクトル線群の一つを選択する
ことができる。このスペクトル線は強度の強いスペクト
ル光の中から被溶接部材４２ の主構成発光スペクトル線を選択するのが好ましい。被
溶接部材４の主構成スペクトル光の強度方測定手段を飽
和させる場合には、被溶接部材４の他の構成スペクトル
光を利用することができる。

例えば、被溶接部材４が屑でできている場合には、鉄、
ニッケルまたはクロムのスペクトル狛！　ノーツをモノ
クロメータ１８で選択することができる。

モノクロメータ１８の出す単一光信号は次いで光増暗管
２０に加えられ、そこで増幅されて電気信号に変換され
る。

この電気信号は次いで処理手段２４０人力に加えられる
。この処理手段の入力２６にはパルスビームの出力に比
例した強度を有する信号が入れられ、他のアクティブ入
力２８には各溶接パルスの前方立上がり部で出る信号が
入れられる。人力２６に加わる信号は例えば溶接手段６
の電源または適当な手段によｈｕｂ出された溶接ビーム
の一成分から与えられる。人力２８に加わる信号はこの
測定路から出る信号の処理を同期させる同１υ」信号と
して利用される。

上紀娯理手段２４は第４図の説明時に明らかになる光増
倍管２０が受けた信号の各種処理を行い、その出力とし
て出される一つ以上の信号は例えば監視スクリーン、プ
ロッター、等の公知方法で構ＩｊＭされる目視手段３０
へ直接送られるか、比較手段３２へ送られる。すなわち
、この比較手段３２の複数の人力の中の一つ３４には処
理手段２４から出た前記信号が入れられ、その他の入力
３６には基準信号が入れられる。これらの信号を比較し
た後に、比較器３２は生じた溶接部の深さを出す。

この結果は目視手段３０へ送ることができる。

第２図は本発明装置ａの池の実施例を示している。

この図においては第１図で既に示した要素についての説
明は省略する。この図と第１図との大きな相違点は２つ
ある。すなわち、この図では２つの測定路があり、比較
手段３２は溶接手段６の出力を調節する信号をオンライ
ンで出している。測定路を２つ使用することによって溶
接プラズマ８の２つのスペクトルを選択でき、それによ
ってよシ高品質の情報を得ることができる。すなわち、
各測定路で集めた情報を１いに関係付けることが可能と
なる。各測定路で染めた信号を処理手段２４で比較でき
るようにするためには、２つの測定路が同一の光電子的
効率を有していなければならない。これは調節手段３８
によって測定され且つ疹正される。

この調節手段３８の操作法は次のようなものである。す
なわち、この調節手段３８は各光学ファイバー４０８．
４０ｂに例えばキセノンランプによって作られる強力な
照明光線を出す。この光線は外被１６ａ中のファイバー
４０８の経路を介してその端部１３ａへ送られる。この
光線は次いでコリメータ１２ａを通り、次いでコリメー
タ１２ｂを通って端部１３ｂを介して外被１６ｂ中のフ
ァイバー１４ｂ中に入る。この信号は次いでモノクロメ
ータ１８ｂを通り、光増倍管２０ｂを’７３って処理手
段２４の人力の一つに入る。同様に、ファイバー４０ｂ
を通って送られる照明信号はファイバー１４ａ中に再入
射し、モノクロメータ１８ａを通って光増倍管２０ａに
送られ、処理手段２４５ の入力の一つに加えられる。処理手段２４に加えられる
これら２つの信号のレベルすなわち差は例えば目視手段
３０上で操作者に表示される。従って、操作者は処理手
段２４で受けた２つの信号が同一強度になるようにモノ
クロメータまたは光増倍管のダインを調節したり、光学
ファイバーの端部１３ａ、１３ｂの位置を調節する。各
測定路の光電子的効率が同一になった後に、調節手段３
８を止め、溶接を開始すればよい。

上記各図の実施例に示すように、各測定路から出るモノ
クロ信号が処理手段２４の人力の一つに加えられ、この
処理手段２４の人力２６にはさらに溶接手段６の・臂ル
スビームの出力に比例した信号が、他の人力２８には溶
接手段６のパルスビームの各ビームの前方立上シ部で作
動される信号がそれぞれ加えられる。

処理手段２４はこれら各信号を用いて第４図の説明時に
詳細に説明する操作を行う。目視手段３０は第１図の実
施例と同じものである。比較手段３２は第１図の実施例
と同様にその人力３４に６ 処理手段２４から出る信号を受け、その人力３６には基
準信号を受け、その出力に目視手段３０へ向う信号が出
される。比較手段３２はさらにその出力４２にその各人
力で受けた信号に対して行った比較結果に応じて溶接手
段６のパルスビームの出力を制御する信号を出す。この
信号は戻りループを構成し、溶接手段６のノ母ルスビー
ムの出力をオンラインで変更させることができる。

第３図は４つの測定路を有する装置の特殊実施例を示し
ている。測定路の数を増すことによって捕捉される情報
の品質をより良いものにすることができる。しかし、測
定路の数を増すことによって装置のコストは上昇し溶接
区域２が狭くなる。

従って測定路の数は他とのかね合いで顆択され、必要な
精度によって決められる。４つの測定路の全てが同一に
なるように各測定路の効率を調節するのは不可能である
。すなわち、照明光線を集める各光学手段１１を照明光
線を集める他の光学手段全部に対向するようにしなけれ
ばならないが、それは小町「止で、いくつかの測定路を
簡単に咀合せることしかできない。第３図に示す配置で
は測定路Ａと８＠びに測定路Ｃと０を同一の光電子的効
率レベルに調節することが可能である。６対の測定路に
対して調節手段３８のような一つの調節手段を用いるこ
とができる。しかし、２対の測定路さらに一般的にはＮ
対の測定路に対して単に一つの調節手段３８で調節した
方がコストは安くなる。これは、図示したように、光学
ファイバー４０　Ｂ　ｓ　４０　ｃを同一調節手段３８
に結合し、光学ファイ／＜−４ｏｂ、４０ｄも同様にす
ることによって達成することができる。この取付は法は
測定路の数と同じ数の調節手段３８を必要とするものよ
シ簡単ではあるが、組合された２つの測定路、例えば４
０ａ、４０ｂが調節手段３８から同一照明強度を受けな
ければならないので、実施化するのが離しい。

第４図は処理手段２４の要部を示す図で、この処理手段
は２つの測定路を有する装置に対応している。この処理
手段２４の２つの入力には測定路から来る各信号Ｓ１と
Ｓ２が入る。さらにその入力２６には溶接手段６のノｆ
ルスビームの出力に比例した信号が入る。さらに、その
人力２８には溶接手段６の各・ぐルスの前方立上シ部で
作動する信号が入る。この最後の信号は同ルＪ信号とし
て用いられる。前者の６つの信号は正規化回路４４の人
力に加えられる。これら６つの信号は次いで他の処理を
行うためにレコーダー４６へ送って、例えば磁気テープ
上に同時に記録することができる。オンライン制御を行
いたい場合には、上記回路４４から出た信号を可変帯域
フィルタで構成されるフィルター回路４８の入力に加え
る。フィルター４８を出た信号は次いで他の回路５０の
２つの人力に加えられる。この回路は溶接手段６の・ぐ
ルスビームのパルス期間中に存在する信号の一部のみを
取出すことができる一時的な窓である。よシ正確にいえ
ば、溶接ノ母ルスビームの一つのパルスの初めと終シの
時間をｔｌおよびｔ２とすると、この一時的窓は回路５
０の入力に加えられた信号をｔ３とｔ４　　の時間の間
だけ通過させて、Ｈ（ｔ３　（ｔ４りｔ２　　にする。

ここでｔ３とｔ４は０Ｔ変１直である＠９ 回路５０の出力では各信号を処理し且つ積分した値が回
路５２と回路５４で検出される。こうして得られた４つ
の値は次いでアナログ−デジタル変換器５６の人力に加
えられる。このようにデジタル化されたことによυ、こ
れら６値を平滑平均処理すなわち一つの信号のＮ個の値
の平均処理、信号の総和処理、２つの信号の比処理等を
行うことができる。これらの処理は計算ユニット５８で
行われ、この計算ユニットの出力には溶接深さを決める
ための基準信号との比較を行う信号作出される。

【図面の簡単な説明】

第１図は単一の測定路を有する第１実施例装置を示す図
。 第２図は２つの測定路と一つの制御ループを有する他の
実施例装置の図。 第３図は４つの測定路と一つの制御ループを有するさら
に他の実施例の図。 第４図は処理手段の要部を示す図。 ２・・・溶接区域、４・・・被溶接部材、６・・・溶接
手段、０ ８・・・溶接プラズマ、１１・・・光学手段、１２・・
・コリメータ、１４・・・光学ファイバー、１８・・・
モノクロメータ、２０・・・光増倍管、２４・・・処理
手段、３゜・・・目視手段、３２・・・比較手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　被溶接部材（４）上の衝突点の囲シに溶接プ
   ラズマ（８）を作るようなパルスビームにより行われる
   溶接の深さをオンラインで制御する方法であって、光学
   手段（１１）で溶接プラズマ（８）の少なくとも一つの
   スペクトル線を溶接ビームの各・やルス毎に集め、この
   スペクトル線のエネルギーをアナログ電気信号に変換し
   、この信号を数値処理し、その結果得られた信号を基準
   信号と比較することを特徴とする方法。 （２）　　数値処理で得られた信号のレベルと基準信号
   のレベルとの差に依存する信号で溶接パルスビームの出
   力をオンラインで調節ループによってさらに制御するこ
   とを特徴とする特許請求の範囲績１項記載の方法。 ＋３）溶接区域（２）中に被溶接部材（４）と・ぐルス
   ビームを出す溶接手段（６）とが収容されているような
   パルスビームによる溶接の深さをオンラインで制御する
   装置であって、少なくとも一つの測定路を有し、各測定
   路は溶接区域（２）中に設けられて溶接プラズマ（８）
   の出す光、腺を集める光学手段（１１）と、伝達手段（
   １４）を介して上記光学手段（１１）に接続されたモノ
   クロメータ（１８）と、このモノクロメータ（１８）に
   接続された光増倍管（２０）とを有し、さらに、上記測
   定！路の他に、上記光増倍管（２０）の出す電気信号の
   処理手段（２４）と、この処理手段（２４）の出す信号
   を目視可ｉ目にする手段（３０）と、上記信号を基準信
   号と比較する手段（３２）とを有することを特徴とする
   装置。 （４）上記比較手段（３２）の出力（４２）から出て溶
   接パルスビームの強度を朋）御する信号で構成されるオ
   ンライン調節ループを有することを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の装置。 （５）各光学手段（１１）が光学ファイバー（１３）の
   端部を受けていることを特徴とする特許請求の範囲第６
   ．４　ＪＡいずれか一項に記載の装置。 （６）　　各光学手段（１１）が光学レンズとミラーと
   を有することを特徴とする特許請求の範囲第６．４項い
   ずれか一項に記載の装置。 （７）　　各光学手段（１１）がさらにコリメータ（１
   ２）を有することを特徴とする特許請求のＩ威囲第５．
   ６瑣いずれか一項に記載の装置。 （８）　　測定路が対になっており、さらに同一対の測
   定路の光電子的効率を等しくできる調節手段（３８）を
   有していることを特徴とする特許請求の範囲第６〜７項
   いずれか一項に記載の装置。 （９）　　上記調節手段（３８）が同一対の測定路の各
   各に同一光線を出す光線源で構成されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第８項記載の装置。 （１（１上記処理手段（２４）が測定路の受けた信号の
   正規化手段（４４）と、この信号を別に処理するための
   記録器（４６）と、帯域フィルター（４Ｂ）と、一時的
   フィルター（５０）と、アナログ−デジタル変換器（５
   ６）と、計算ユニット（５８）とを有していることを特
   徴とする特許請求の範囲第６〜９項いずれか一項に記載
   の装着。