JPS61199577A - 溶接部の観察方法およびその観察装置 - 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】 〔発明の技術分野〕 本発明はアーク溶接等の溶接部の溶接状態を観察する溶
接部の観察技術に係り、特に溶融池や溶接線にｇｌｌ″
ｒｊる溶接情報を、強力なアーク光等に妨げられずに検
出する溶接部の観察方法およびその観察装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

溶接の自動化や遠隔操作により溶接を行なう場合には、
溶接部の溶融池や溶接線に関する溶接情報をセンサによ
り自動的に検出し、フィードバックコントロールする必
要がある。

実際のアーク溶接では、第６図に示すように、消耗電極
または非消耗電極１と母材２との間に点弧されたアーク
３により母材２の開先４内に溶融池５を形成し、この溶
融池５を介して両母材２゜２を接合している。しかし、
このアーク溶接においては、溶接に用いるアーク自体と
溶融池５が強烈な光を放射し、溶接熱でａ温になる。し
かもアーク光や溶接熱は時々刻々変化しているため、溶
接部の状況を適確に把握することが困難である。

従来は、溶接部を少し離れた上方あるいは側方から、溶
接作業者が遮光フィルタを通して観察することが行なわ
れている。しかし、遮光フィルタを通しての観察ではア
ークやアーク近傍しか観察できず、アーク近傍の溶融池
や溶接線、あるいは開先形状等の溶接情報を詳細に観察
することが非常に困難である。このことから、溶接部全
体を観察するために、外部光源から強力な光を溶接部全
体に照射し、アーク光の影響を相対的に弱める試みもな
されているが、成功していない。

また、特公昭５９−４５９６４号公報に示すように、レ
ーザ発振器からコヒーレントなレーザ光を溶接部近傍に
照射し゛、その反射散乱光を観察側に設けられた狭帯域
フィルタを通して観察する方法も開発されているが、こ
の狭帯域フィルタではアーク光の妨害を遮断することが
できず、溶接部を精度よく観察することが困難であった
。特に、フィルタの透過帯域が半値幅で１００人程度の
狭帯域フィルタでは、アーク光の妨害を遮断することが
不可能であった。このことから、溶接部近傍に照射した
光をアーク光に妨げられることなく検出でき、溶接部の
溶接状態をＭＯｌｔよく検出できる観察装置の開発が強
く望まれていた。

（発明の目的〕 本発明は、上述した事情を考慮してなされたもので、溶
接部近傍に照射した単色光の反射散乱光をアーク光や溶
融池光から充分に区別できる強さで検出し、溶接部の溶
融池や溶接線等の溶接情報を精度よく正確に観察するこ
とができる溶接部の観察方法およびその観察装置を提供
することを目的とする。

〔発明の概要〕

上述した目的を達成するために、本件第１番目の発明に
係る溶接部の観察方法は、外部光源から溶接部近傍にレ
ーザ光等の特定波長の単色光を照射し、その反射散乱光
を光学フィルタ系を通して観察域に案内し、溶融池や溶
接線等の溶接情報を検出する方法において、前記溶接部
近傍からの反射散乱光を、照射単色光の特定波長を中心
とする半値幅１Å〜３０人の狭帯域干渉フィルタを通す
ことにより、溶接情報を検出することを特徴とする方法
である。

また。本件第２番目の発明に係る溶接部の観察装置は、
上述した目的を達成するために、溶接部近傍にレーザ光
等の特定波長の単色光を照射する外部光源と、照射され
た単色光の反射散乱光を案内する光学レンズ系と、この
光学レンズ系内を走査された反射散乱光を入射するＣＣ
Ｄカメラ等の検出装置とを有し、この検出装置により溶
融池や溶接線等の溶接情報を検出するものにおいて、前
記光学レンズ系は単色光の特定波長を中心とする半値幅
１Å〜３０人の狭帯域干渉フィルタを備えたことを特徴
とするものである。

（発明の実施例） 以下、本発明の一実施例について添付図面を参照して説
明する。

第１図は本発明に係る溶接部の観察装置を概略的に示す
もので、図中符号１０は特定波長の単色光としてのレー
ザ光を発振されるＨｅ−ＮｅレーザＲ振装置である。こ
のレーザ発振装置１０は外部光源を構成しており、発振
されるレーザ光は光学レンズ１１にて絞られ、母材とし
ての被溶接物１２の開先溶接部１３近傍に、直接あるい
は光ファイバ（図示せず）を介してスポット状あるいは
線状に照射される。上記被溶接物１３に対向して消耗電
極あるいは非消耗電極１４が設置され、この電極１４と
被溶接物１３との間に点弧されるアークにより開先溶接
部１３に溶融池が形成され、アーク溶接されるようにな
っている。溶接部１３の周辺はシールドガスノズル１５
から噛出されるガスによりシールドされる。

一方、被溶接部材１２の溶接部近傍に照射されたレーザ
光の反射散乱光は光学フィルタ系１７を介して検出装置
としてのＣＣＤカメラ１８に入射される。光学フィルタ
系１７は複数枚の干渉フィルタからなる狭帯域の干渉フ
ィルタ群１９と、可視光全域に均一な透過減衰率を有す
るＮＯフィルタ２０とを組み合せることにより構成され
、この光学フィルタ系１７によりＣＣＤカメラ１８に入
射される光量を適当に調節している。干渉フィルタ１９
はｌ−（ｅ　−Ｎ　ｅレーザ光の波長６４２８人を中心
波長とする半値幅１Å〜３０人のフィルタであり、半値
幅は例えば１０人程度の干渉フィルりが使用される。

また、ＣＣＤカメラ１８は画像処理装置としてのイメー
ジプロセッサ２２に接続され、ＣＣＤカメラ１８に入射
された光は画像情報としての電気信号に変換され、イメ
ージプロセッサ２２に送られて記録され、画像処理され
る。処理された画像はモニタ２３により観察することが
できる。さらに、イメージプロセッサ２２はコンピュー
タ２４に接続され、このコンピュータ２４でイメージプ
ロセッサ２２からの画像信号が演算処理され、この処理
信号は制御装置２５に入力される。制御装置１２５はア
ーク溶接の溶接条件を制御するようになっている。

次に、溶接部の観察装置の作用について説明する。

被溶接物１２の開先溶接部１３の溶融池や溶接線、開先
形状等の溶接情報を検出するために、ト１ｅ−Ｎｅレー
ザ発振装［１０から発振されたレーザ光は光学レンズ１
１を介して溶接部近傍（溶融池や溶接線）に照射させる
。照射されるレーザ光はエネルギ密度を高くする必要上
、光学レンズ１１によりスポット状あるいは線状にされ
、アーク光や溶融池光等の輻射光と明確に区別できる照
度を確保している。

しかして、レーザ光が照射された場合、その反射散乱光
の一部は光学フィルタ系１７を通って検出装置としての
ＣＣＤカメラ１８に入射される。

ＣＣＤカメラ１８で搬像された画像情報は、イメージプ
ロセッサ２２に送られて画像処理される。

この処理画像はモニタ２３により確認することができる
。一方、イメージプロセッサ２２からの画像情報は、コ
ンピュータ２４を介して制御装置ｉ！２５に送られ、こ
の制御装置２５によりアーク溶接の溶接状態がリアルタ
イムにフィードバック−御される。

その際、光学フィルタ系１７には半値幅１０人程度の狭
帯域干渉フィルタが１枚〜数枚重ね合された干渉フィル
タ群１９が用いられ、この干渉フィルタ群１９とＮＤフ
ィルタ２０とが組み合せ使用される。狭帯域干渉フィル
タは、第２図に示される半値幅とＳ／Ｎ比（信号対雑音
比）の関係を有するすこのｌ係曲線ＡからＳ／Ｎ比を好
ましい判別基準Ｗ１Ｂ（例えば３．０）以上に保つため
には狭帯域干渉フィルタの半値幅は３０Å以下であるこ
とが望ましい。しかも、狭帯域干渉フィルタは枚数を重
ねるほど、透過域外の光ｍが絞られ、カットされる。こ
のため、狭帯域干渉フィルタは半値幅が狭い程アーク光
や溶融池光を遮断させることができ、照射レーザ光の検
出を鋭（することができる。しかしながら、アーク溶接
の場合、多量の熱を伴うため、狭帯域干渉フィルタの半
値幅を１Å以下にすると、フィルタを恒温としなければ
ならず、実用性が失なわれる。狭帯域干渉フィルタの温
度は例えば５０℃以下であれば透過光の中心波長の変化
を防ぐことが可能であるので、フィルタの下限半値幅は
１程度度である。

一方、溶接アーク光等の輻射光のスペクトル分布は、各
アークの種類に応じて第３図（Ａ）〜（Ｄ）で示される
分布曲線で表わされる。このうち、第３図（Ａ）はＴＩ
Ｇアーク溶接の場合のアーク光および溶融池光のスペク
トル分布曲線Ｃを、第３図（Ｂ）はＣＯ２アーク溶接の
場合のスペクトル分布曲線りを、第３図（Ｃ）はＭＩＧ
アーク溶接の場合のスペクトル分布曲線Ｅを、第３図（
Ｄ）はＡｒ＋ＣＯ２アーク溶接の場合のスペクトル分布
曲線Ｆをそれぞれ示す。これらのスペクトル分布曲線か
らもわかるように、溶接アークの光程度は６０００Å〜
７０００人の帯域で共通して弱いことが分かる。したが
って、使用するレーザ光は６３２８人の波長を有するＨ
ｅ−Ｎｅレーザが適している。

また、第４図および第５図は直流ＴＩＧアーク溶接にお
いて、狭帯域干渉フィルタとＮＤフィルタとを組み合せ
た光学フィルタ系を用いた場合の溶融池およびその近傍
の照射レーザ光の強度分布を示す実験例である。いずれ
の干渉フィルタも透過帯域の中心波長が６３２８人で、
Ｈｅ　−Ｎ　ｅのレーザ光およびその波長近傍の光のみ
を透過させるようになっている。このうち、第４図は半
値幅が１４２人の狭帯域干渉フィルタを使用した例を、
第５図は半値幅が１０人の狭帯域干渉フィルタを使用し
た例をそれぞれ示す。

半値幅が１４２人の狭帯域干渉フィルタを用いた場合、
照射レーザ光の反射光による強度分布曲１１Ｇ１は第４
図に示すようにＴＩＧアーク溶接のアーク光や溶融池光
の輻射光の強度分布曲線Ｈ１より強度が相対的に小さい
。このことから、光学フィルタ系１７に半値幅１４２人
の狭帯域干渉フィルタを用いたものでは、溶融池やその
近傍の溶接線、開先形状等の溶接情報の検出が困難であ
り、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光がアーク光等の輻射光と明瞭に
区別できないことを示している。なお、符号Ｗは溶融池
（ビード）の幅である。

他方、第５図に示すように、中心波長６３２８人で半値
幅１０人の狭帯域干渉フィルタを用いた場合には、照射
レーザ光の反射光による強度分布曲線Ｇ２は、アーク光
等の輻射光の強度分布曲線Ｈ２に比べ、溶融池（ビード
）の中心部で光の相対強度に著しい差が生じ、反射レー
ザ光の強度が輻射光の強度より非常に大きい。このため
、反射レーザ光をアーク光等の輻射光から明瞭に区別し
てピックアップすることができ、溶接部のＷＩＦｍ池や
溶接線等の溶接情報を、アークや溶融池からの強烈な輻
射光の妨害を受けることな（取り出し、検出することが
できる。したがって、半値幅１０人の狭帯域干渉フィル
タを使用する場合には、発振レーザ光の強さを適宜選択
し、ＣＣＤカメラ１８に入射される入射光ｍをＮＤフィ
ルタ２０で適当に調節することにより、レーザ光を溶融
池やそのごく近傍、すなわち溶接部近傍に照射すること
により、溶接情報を正確にかつ確実に測定することがで
きる。

なお、本発明の一実施例では、Ｈｅ−Ｊｌｅレーザを使
用した例を説明したが、必ずしもＨｅ−Ｎｅのレーザ光
に限定されない。直接肉眼で溶接状態を観察しない場合
には、レーザ光は必ずしも可視光である必要がなく、赤
外領域の光であってもよい。その際、照射側は第１図に
破線で示すように観察側と同じ側に設けるようにしても
よい。“照射される単色光がレーザ光で直線偏光となっ
ている場合には、照射側に偏光フィルタを特に設ける必
要はないが、照射される特定波長の単色光が偏光光でな
い場合には、照射側に偏光フィルタを設けて単色光を偏
光させ、直線偏光または円偏光の偏光スポット光あるい
はスリット光として照射させることが望ましい。観察側
には照射側に設けられた偏光フィルタと対をなす偏光フ
ィルタを取付けて、偏光照射光による反射光のみを通過
させ、アーク光等の輻射光の妨害を取り除くようにして
もよい。

さらに、照射側に設置される光学フィルタ系に狭帯域干
渉フィルタに代えて偏光フィルタを用いるようにしても
よいが、溶接情報の検出をより完全に行なうためには、
光学フィルタ系に狭帯域干渉フィルタと偏光フィルタと
を組み合せて両フィルタを重ねて使用し、Ｓ／Ｎ比をよ
り一層向上させることが望ましい。

また、本発明の他の実施例として、溶接部の観察を立体
的に行なうため、観察側を複数系統にし、複数台のＣＣ
Ｄカメラを用いて画像処理を行なうようにしてもよい。

この場合には、溶接部の開先深さ方向の溶接情報も適確
に把握することができる。

さらに、光学フィルタ系に必要なＳ／Ｎ比を得るため、
複数種のフィルタを組み合せて使用する場合、高価な狭
帯域干渉フィルタ（半値幅の小さなもの）を用いなくて
も、半値幅が比較的大きく、低価格の狭帯域干渉フィル
タと廉価な偏光フィルタとを組み合せて使用してもよく
、この場合には経済性を向上させることができる。また
、Ｓ／Ｎ比を向上させた場合には、照射にスポット光し
か適用し得ない観察装置でもスリット光を利用すること
が可能になり、開先形状や溶融池等の溶接情報の画像処
理（時間）や画像処理システムが大幅に簡素化され、安
価になる。

さらにまた、一実施例では、アーク溶接を例にとり、溶
接中にアーク光が存在することを前提としたが、アーク
光のない溶接の検出にも適用することができる。

〔発明の効果〕

以上に述べたように本発明は、溶接部近傍に照射した特
定波長の単色光による反射散乱光を、アーク光や溶融池
光などの強い輻射光から充分に区別できる強さで検出す
ることができるので、溶接部の溶融池の形状や溶接線の
位置、すでに溶接したビード形状と開先部との相対位置
等の溶接情報を精度よく正確に、アーク光等の悪影響を
受けることなく観察することができる。

また、本発明は溶接箇所の溶接情報を検出装置としてＣ
ＣＤカメラで検出した場合には、この撮像画像を画像処
理並びに演算処理することにより、溶接位置や溶接条件
等をリアルタイムでフィードバックコントロールするこ
とができ、溶接部の溶接性能（質）の向上を図ることが
できる。

他方、放射線被曝環境下のように、人が接近できない作
業環境においても、検出装置にＣＣＤカメラを用いる場
合には、遠隔操作により溶接部の溶融池や溶接線などの
溶接情報が得られ、観察できるため、この溶接情報に基
づいて溶接条件をマニュアルまたは自動制御することが
でき、作業者の健康や安全性を向上させることができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る溶接部の観察装置の一実施例を示
す系統図、第２図は上記Ｉ１２察装置に用いられる狭帯
域干渉フィルタの半値幅とＳ／Ｎ比との関係を示すグラ
フ、第３図（Ａ、）　、、、　（８）。 （Ｃ）および（Ｄ）は各アーク溶接におけるアーク光や
溶融池光のスペクトル分布を示すグラフ、第４図は半値
幅１４２人の狭帯域干渉フィルタを用いた場合のアーク
光等′の輻射光とスポットレーザ光の反射光との相対的
な光強度分布を示すグラフ、第５図は、半値幅１０人の
狭帯域干渉フィルタを用いた場合の相対的な光強度分布
を示す第４図と同様なグラフ、第６図は一般的なアーク
溶接の原理を示す図である。 １０・・・Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振装置、１２・・・被溶
接物、１３・・・開先溶接部、１４・・・電極、１７・
・・光学レンズ系、１８・・・ＣＣＤカメラ（検出装置
）、１９・−・狭帯域干渉フィルタ（群）、２ｏ・・・
ＮＤフィルタ、２２・・・イメージプロセッサ、２４・
・・コンピュータ、２５・・・ｔ、ｌＪ　ｍｌ装置。 出願人代理人　　　波　多　野　　　久′ｉ１図 半−ｆａ’１１ｉｉ（Ａ） 第３図 （Ａ） （Ｂ） 第３図 （Ｃ） 波長　　　　　　　　　　（入） 第４図 コ゛−ト中−（：、よｑｎＴＥｊ！Ｉ区　　　（ｍｍ）
第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、外部光源から溶接部近傍にレーザ光等の特定波長の
   単色光を照射し、その反射散乱光を光学フィルタ系を通
   して観察域に案内し、溶融池や溶接線等の溶接情報を検
   出する溶接部の観察方法において、前記溶接部近傍から
   の反射散乱光を、照射単色光の特定波長を中心とする半
   値幅１Å〜３０Åの狭帯域干渉フィルタを通すことによ
   り、溶接情報を検出することを特徴とする溶接部の観察
   方法。 ２、溶接部近傍に照射する単色光に直線偏光または円偏
   光の偏光光を用いる特許請求の範囲第１項に記載の溶接
   部の観察方法。 ３、観察域に少なくとも２台のＣＣＤカメラを用いて溶
   接情報を立体的に観察する特許請求の範囲第１項に記載
   の溶接部の観察方法。 ４、溶接部近傍にレーザ光等の特定波長の単色光を照射
   する外部光源と、照射された単色光の反射散乱光を案内
   する光学レンズ系と、この光学レンズ系内を走査された
   反射散乱光を入射するＣＣＤカメラ等の検出装置とを有
   し、この検出装置により溶融池や溶接線等の溶接情報を
   検出する溶接部の観察装置において、前記光学レンズ系
   は単色光の特定波長を中心とする半値幅１Å〜３０Åの
   狭帯域干渉フィルタを備えたことを特徴とする溶接部の
   観察装置。 ５、光学レンズ系は複数枚の狭帯域干渉フィルタと可視
   光全域にわたって均一な減衰透過率を有するＮＤフィル
   タとを組み合せて構成される特許請求の範囲第４項に記
   載の溶接部の観察装置。 ６、光学レンズ系は、複数枚の狭帯域干渉フィルタと、
   可視光全域にわたつて均一な減衰透過率を有するＮＤフ
   ィルタと、外乱を取り除く偏光フィルタとを組み合せて
   構成された特許請求の範囲第４項に記載の溶接部の観察
   装置。 ７、外部光源から照射される単色光に直線偏光あるいは
   円偏光の偏光特性を付与した特許請求の範囲第１項に記
   載の溶接部の観察装置。