WO2009128231A1

WO2009128231A1 - レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法

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Publication number: WO2009128231A1
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Inventors: 穂積久士; 戸賀沢裕; 松崎謙司; 島村光明; 岡田敏; 河野渉; 依田正樹
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Filing date: 2009-04-10
Publication date: 2009-10-22
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Abstract

　レーザ溶接装置は、外枠（９）内に、内部が透光性および反射性を備えた仕切り部材（１５）によって、光源側（１ａ）と照射側（１ｂ）とに分割されて、照射側（１ｂ）の先端部に開口部（１９）が形成されたレーザ照射ヘッド（１）を有する。開口部（１９）に直列に連結されて溶接施工部位（３１）にレーザ光を照射すると共に、溶接施工部位（３１）に不活性ガスを噴射するように形成されたガス噴射ノズル（２１）と、溶接ワイヤ（１１）の先端部が溶接施工部位（３１）と接触するように、溶接ワイヤ（１１）を順次送り込む溶接ワイヤ送り管（２３）とを有する。照射側（１ｂ）の先端部と溶接ワイヤ（１１）の先端部との距離を計測する計測手段を備えて、弾性部材（３３）により溶接ワイヤ（１１）の先端部を溶接施工部位（３１）に押し付けながら接触するように形成された溶接ワイヤ接触機構（１３）を有する。

Description

レーザ溶接装置およびレーザ溶接方法

　本発明は、レーザ溶接装置およびその装置を用いたレーザ溶接方法に関する。

　一般に、原子炉の構造物などの部材に欠陥が発生した場合に、健全性回復のためにレーザ溶接による補修が行われていることが知られている。

　このようなレーザ溶接としては、水中で溶融部近傍に大量のガスを噴き付け部分的に乾き状態を実現し、この乾いた金属表面にレーザ光を照射し、母材および溶接ワイヤの先端部を溶融させて、欠陥部を補修するというものがある。

　レーザ溶接装置は、例えば特許文献１および特許文献２に開示されているように、水中でレーザ溶接を行うことができるレーザ溶接装置が知られている。

特開２００２－１０３０７７号公報特開２００５－２７９７２０号公報

　上述したレーザ溶接においては、既設の溶接構造物は図面と誤差が大きい場合、溶接施工部位に曲面が形成されている場合、および溶接施工部位に段差が形成されている場合などには、レーザ溶接ヘッドと溶接施工部位との間隔を一定に保つことが困難になることがある。これらの場合には、安定したレーザ溶接ヘッドと溶接施工部位との位置関係が得られなくなり高品質な溶接を行うことができないという課題があった。

　本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、その目的は、レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と溶接施工部位との距離を一定に保ち、さらに溶接ワイヤの先端部と溶接施工部位とが接触した状態を保ちながら溶接を行うことである。

　上記目的を達成するための本発明に係るレーザ溶接装置は、外枠と、この外枠内に配置された管状であって、その内部が透光性および反射性を備えた仕切り部材によって、レーザ光を集光する光学部材が配置された光源側とこのレーザ光を照射する照射側とに分割されて、この照射側の先端部に開口部が形成されたレーザ照射ヘッドと、前記照射側の側面に連結されて、前記照射側の内部に不活性ガスを供給するガス供給管と、前記照射側の先端部の開口部に直列に連結されて、溶接施工部位に前記レーザ光を照射すると共に、この溶接施工部位に前記不活性ガスを噴射するように形成されたガス噴射ノズルと、溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、この溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送り管と、前記照射側の先端部と前記溶接ワイヤの先端部との距離を計測する計測手段を備えて、弾性部材により前記溶接ワイヤの先端部を前記溶接施工部位に押し付けながら接触するように形成された溶接ワイヤ接触機構と、を有することを特徴とする。

　また、本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接対象物の溶接施工部位に沿ってレーザ溶接装置を駆動装置により走行させて、前記レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測するプレ走行工程と、前記プレ走行工程の後に、前記プレ走行工程で計測した前記距離に基づいて、前記距離が一定になるようにレーザ溶接装置の移動経路を補正する移動経路補正工程と、前記移動経路補正工程の後に、前記移動経路補正工程の補正結果に基づいて駆動装置を制御しながら前記レーザ溶接装置により前記溶接施工部位にレーザ光を照射して溶接を行うレーザ照射工程と、を有することを特徴とする。

　また、本発明に係るレーザ溶接方法は、溶接対象物の溶接施工部位に沿ってレーザ溶接装置を走行させて、前記レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測する距離計測工程と、前記計測された距離に基づいて前記距離が一定になるようにレーザ溶接装置の移動経路を補正する移動経路補正工程と、を有し、前記距離計測工程および移動経路補正工程は、前記移動経路補正工程の補正結果に基づいて駆動装置を制御しながら前記レーザ溶接装置により前記溶接施工部位に対してレーザ光を照射して溶接を行うレーザ照射工程と、並行して行うことを特徴とする。

　本発明によれば、レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と溶接施工部位との距離を一定に保ち、さらに溶接ワイヤの先端部と溶接施工部位とが接触した状態を保ちながら溶接を行うことが可能となる。

本発明に係る第１の実施形態のレーザ溶接装置本体を示す一部切欠の部分正断面図である。本発明に係る第２の実施形態のレーザ溶接装置本体を示す一部切欠の部分正断面図である。本発明に係る第３の実施形態のレーザ溶接装置本体を示す一部切欠の部分正断面図である。本発明に係る第４の実施形態のレーザ溶接装置本体を示す一部切欠の部分正断面図である。液体レンズの構成を示す概略側縦断面図である。液体レンズに印加する印加電圧と検出距離との関係を示すグラフである。本発明に係る第５の実施形態のレーザ溶接装置本体を示す概略正断面図である。本発明に係る第６の実施形態の構成を示すブロック図である。溶接が正常に行われている状態を内蔵カメラで撮影した画像の例を示した図である。溶接が正常に行われていない状態を内蔵カメラで撮影した画像の例を示した図である。図９に示す画像を画像解析手段によって二値化処理した図である。図１０に示す画像を画像解析手段によって二値化処理した図である。図９に示す画像を画像解析手段によってＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。図１０に示す画像を画像解析手段によってＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。図１０のXV-XV線上の各ポイントそれぞれについてＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。

　以下、本発明に係るレーザ溶接装置の実施形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第１の実施形態について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態のレーザ溶接装置の主要部であるレーザ溶接装置本体１００を示す一部切欠の部分正断面図である。先ずは、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００の構成について説明する。

　本実施形態のレーザ溶接装置本体１００は、レーザ照射ヘッド１と、このレーザ照射ヘッド１にレーザ光を供給する光ファイバー３と、レーザ照射ヘッド１に不活性ガスを供給するガス供給配管５と、溶接ワイヤ１１を溶接施工部位３１に送り込む溶接ワイヤ送り機構７と、これらを覆って内部に水が流入しないように形成された外枠９と、を有する。さらに、このレーザ溶接装置本体１００は、溶接ワイヤ１１を溶接施工部位３１に所定の押付け力を作用させながら接触させる溶接ワイヤ接触機構１３を有している。

　レーザ照射ヘッド１は、例えば筒形状で、その内部はガラスなどの透光性および反射性を有する平板状の仕切り部材１５によって、光源側１ａと照射側１ｂとに仕切られている。この仕切り部材１５は、その面がレーザ光軸方向に対して所定の傾きを有するように固定されている。

　このレーザ照射ヘッド１の光源側１ａの端部には、レーザ光を供給する光ファイバー３が接続されている。レーザ照射ヘッド１の内部の光源側１ａには、例えばレンズ等の複数の光学素子１７が配置されている。これらの光学素子１７は、例えば溶接対象物の溶接施工部位３１におけるレーザ光の焦点等を調整する機能を有しており、光ファイバー３から供給されたレーザ光のうち所定の波長帯域が透過されるように構成されている。

　照射側１ｂの端部には、レーザ光を照射する開口部１９が形成されている。この開口部１９の外側には、ガス噴射ノズル２１が直列に連結されている。

　ガス供給配管５は、レーザ溶接装置本体１００の外部から外枠９の内部を通ってレーザ照射ヘッド１の照射側１ｂの側面に接続されている。不活性ガスは、このガス供給配管５から供給されて、照射側１ｂに配置された仕切り部材１５に吹き付けられて、ガス噴射ノズル２１から溶接施工部位３１に向かって噴射される。仕切り部材１５は、レーザ照射ヘッド１の側面からレーザ光軸にほぼ垂直方向に流通して供給された不活性ガスを、レーザ光軸方向に流通方向を変化させながらガス噴射ノズル２１側に供給するように傾いている。

　ガス噴射ノズル２１は、レーザ光が照射されると共に、不活性ガスが噴射されるように構成されている。

　溶接ワイヤ送り機構７は、外枠９内でレーザ照射ヘッド１に隣接して配置されて、溶接ワイヤ１１の先端部を所定の速度で溶接施工部位３１に送り出すように構成されている。この溶接ワイヤ送り機構７から溶接対象物の溶接施工部位３１近傍まで、溶接ワイヤ送り管２３が延びている。溶接ワイヤ１１の先端部は、この溶接ワイヤ送り管２３の内部を通って、溶接ワイヤ送り管２３のワイヤ出口部１２から溶接ワイヤ送り管２３の外部に送り出されて、溶接施工部位３１に接触するように形成されている。

　なお、溶接ワイヤ送り機構７で溶接ワイヤ１１を送り出す速度は、レーザ溶接装置本体１００が溶接しながら走行する速度（Ｖ）の７割増程度の速度（１．７Ｖ）で送り出すとよい。

　溶接施工部位３１近傍に配置されている溶接ワイヤ送り管２３は、レーザ光軸方向に対して、所定の傾きを有する方向に延びている。

　溶接ワイヤ接触機構１３は、回転角度を検出できる回転センサ２５、溶接ワイヤ送り管２３を支持する例えば金属材料で形成される第１支持部材２７、一方の端部が第１支持部材２７に接続された第１弾性部材３３を有している。

　回転センサ２５は、ガス噴射ノズル２１の近傍の外枠９に配置され、その回転軸２９がレーザ光軸に垂直な方向に延びるように配置されている。

　この回転軸２９の例えば端部には、先端が溶接施工部位３１付近まで延びた溶接ワイヤ送り管２３を支持する第１支持部材２７が接続されている。この第１支持部材２７は、例えば長方形状の平板であって、この第１支持部材２７の一方の短辺側は、回転軸２９の端部に回転軸２９方向に垂直に取り付けられている。他方の短辺側は、溶接ワイヤ送り管２３と連結されて、溶接ワイヤ送り管２３を支持している。

　回転センサ２５の回転軸２９が回転することによって、この回転に伴い第１支持部材２７が回動するように構成されている。すなわち、この回転軸２９を中心として、溶接施工部位３１近傍で溶接ワイヤ送り管２３の先端が回動する。よって、この回転軸２９の回転に伴って、溶接ワイヤ送り管２３から送り出された溶接ワイヤ１１の先端部が回動する。この溶接ワイヤ１１の先端部は、回転センサ２５の回転軸２９方向に対して垂直で且つレーザ光軸を含む平面上に沿って動作する。

　溶接ワイヤ１１の先端部は、厳密には回転軸２９の回転に伴って回動するが、回動量（移動量）が少ないため、レーザ光軸方向に沿って揺動するように移動するものとして捉えてもよい。以後、本実施形態においては、溶接ワイヤ１１の回動動作を揺動動作と捉えて説明する。

　溶接施工部位３１近傍の溶接ワイヤ送り管２３は、回転センサ２５の近傍の外枠９に、例えば、ばねやゴム等の圧縮された第１弾性部材３３によって連結されている。溶接ワイヤ１１の先端部は、溶接対象物の溶接施工部位３１に、圧縮された第１弾性部材３３の反力によって所定の押付け力を作用させながら接触している。この押付け力によって、溶接ワイヤ１１の先端部は、溶接施工部位３１から離れることがなく常に接触状態を保持することが可能である。

　また、この溶接ワイヤ接触機構１３は、回転センサ２５によって、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１付近に配置された溶接ワイヤ１１の先端部との距離を計測することが可能である。

　また、この溶接ワイヤ接触機構１３は、回転センサ２５で検出された回転角度および幾何学計算に基づいて、レーザ照射ヘッド１の先端と溶接ワイヤ１１の先端部（溶接施工部位３１）までの距離を計測することが可能である。

　なお、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００が溶接中に走行する方向は、例えば図１の矢印５０に示す方向に向かって走行する。溶接施工部位３１付近の溶接ワイヤ１１が溶接施工部位３１から離れる方に延びる方向と矢印５０の方向とが、例えば鋭角となるように設定されている。このため、溶接施工部位３１に想定外の例えば凸形状の段差部などがあった場合には、この段差部が溶接ワイヤ１１の側部に接触することになる。

　溶接ワイヤ１１の先端部が溶接施工部位３１に作用する押付け力は、溶接ワイヤ１１の側部に段差部が接触した場合などには、溶接ワイヤ１１の先端部が段差部形状に追従し、溶接ワイヤ１１の先端部と溶接施工部位３１との接触が維持される。

　なお、このレーザ溶接装置本体１００の駆動装置（図示せず）は、図１に示す矢印５０の方向に駆動する横方向駆動部とレーザ光軸方向に沿って駆動させる縦方向駆動部を有する。

　続いて、レーザ光の光路および不活性ガスの流路について説明する。

　光ファイバー３から供給されたレーザ光は、レーザ照射ヘッド１の光源側１ａに供給される。このレーザ光は、光源側１ａに複数配置された光学素子１７を透過する。これらの光学素子１７を透過したレーザ光は、仕切り部材１５を透過して照射側１ｂに供給されて、ガス噴射ノズル２１に送られる。一方、不活性ガスは、ガス供給配管５を流通してレーザ照射ヘッド１の照射側１ｂに供給される。照射側１ｂに供給された不活性ガスは、仕切り部材１５に吹き付けられながら、ガス噴射ノズル２１に送られる。

　このときガス噴射ノズル２１では、レーザ光の照射および不活性ガスの噴射が並行して行われている。これによりレーザ溶接装置本体１００は、溶接施工部位３１に対して溶接を行う。

　次に、本実施形態のレーザ溶接装置による溶接方法について説明する。

　溶接作業前の段取りとして、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離において、予め溶接に最適な距離を設定しておく。さらに、この溶接に最適な距離に対して、レーザ照射ヘッド１の先端部が溶接施工部位３１に近づく方向および離れる方向における溶接可能な距離、すなわち溶接可能な距離の変動範囲も設定しておく。このときの溶接可能な変動範囲内とは、溶接施工部位３１にレーザ光が照射されたときに、溶接ワイヤ１１の先端部が溶融して溶接可能な状態を保つことができる変動範囲内であることをいう。

　続いて、このレーザ溶接装置本体１００を溶接しない状態、例えばレーザ光を照射していない状態で、溶接施工部位３１に沿ってプレ走行させる。このとき、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離を、回転センサ２５等を用いて求めておく。

　このプレ走行で求めた当該距離に基づいて、レーザ溶接装置本体１００の最適な走行動作を算出する。すなわち、当該距離が溶接可能な距離を保ちながら走行できるように、レーザ溶接装置本体１００の移動経路を補正する。算出された当該走行動作に基づいて、レーザ溶接装置本体１００は、レーザ光軸方向に対して溶接に最適な距離を保ちながら走行して溶接を行う。例えば、溶接施工部位３１がレーザ光軸方向に対して凹凸を有する場合には、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離を溶接可能な範囲に保つように縦方向駆動部を制御する。

　レーザ溶接装置本体１００は、上記の通り溶接方向に沿って溶接を行いながら移動するように構成されている。プレ走行のときおよび溶接しているときの溶接ワイヤ１１の先端部は、常にレーザ光軸と所定の角度を保って、溶接施工部位３１に所定の押付け力を作用させながら接触している。

　溶接施工部位３１が平坦な面の場合には、レーザ溶接装置本体１００は平坦面に沿って移動する。このとき、溶接ワイヤ１１の先端は、ほぼ一定の押付け力を作用させながら溶接施工部位３１に接触しながら、離れることなく移動する。

　溶接施工部位３１が、レーザ光軸に対して凹凸を有する面である場合であっても、平坦面の場合と同様に、レーザ溶接装置本体１００は、凹凸を有する溶接施工部位３１に沿って離れることなく、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離を溶接可能な距離を保ちながら溶接するように構成されている。

　溶接施工部位３１の凹凸形状において、レーザ光軸方向に対する最高部と最低部との距離の差、すなわち凹凸形状のＰＶ値が溶接可能な距離の変動範囲内であれば、レーザ溶接装置本体１００が凹凸形状に倣って走行しなくとも、溶接することが可能である。

　この場合には、第１弾性部材３３による押付け力によって、溶接ワイヤ１１の先端部は、凹凸形状に倣うようにレーザ光軸方向に沿って揺動動作を行いながら、溶接施工部位３１から離れることなく接触を保持して溶接を行うことが可能である。したがって、レーザ溶接装置本体１００ごと移動するよりも、制御を容易に行うことが可能である。

　また、このレーザ溶接装置本体１００は、プレ走行により予め溶接施工部位３１の表面形状を測定する必要は必ずしもない。例えば、レーザ照射ヘッド１の先端部および溶接ワイヤ１１の先端部の距離と、回転センサ２５で検出する角度との関係を予め設定しておけば、当該距離を測定しながら、溶接を行うことも可能である。すなわち、このレーザ溶接装置本体１００は、当該距離の測定結果に基づいて、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離を常に所定の範囲となるように補正しながら溶接を行うことができる。

　なおこの場合、仮にレーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離が、溶接可能な範囲から外れたと判断された場合には、溶接ワイヤ１１の先端部を溶接施工部位３１から離れる方向に移動するように制御する。このとき、溶接ワイヤ１１の先端部のみを溶接施工部位３１から離してもよいが、レーザ溶接装置本体１００ごと溶接施工部位３１から離れるように制御してもよい。

　溶接施工部位３１から溶接ワイヤ１１の先端部を離した後に、再度レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接ワイヤ１１の先端部との距離を計測して、最適な溶接距離となるようにレーザ溶接装置本体１００を移動させて、溶接を再開させてもよい。

　また、このレーザ溶接装置本体１００は、仕切り部材１５に向けて、乾いた不活性ガスを吹き付けるため、仕切り部材１５に付着した水を吹き飛ばすことが可能である、よって、水中下においても、仕切り部材１５の表面を乾いた状態に保つことが可能であるため、このレーザ溶接装置本体１００は、水中下でも溶接することが可能である。

　以上の説明からわかるように本実施形態によれば、レーザ溶接装置は、溶接施工部位３１とレーザ照射ヘッド１の先端部との距離が変動している場合においても、溶接施工部位３１との接触状態を保持したまま溶接を行うことが可能である。

　なお、本実施形態では水中における施工を想定した装置構成となっているが、気中でも運用可能である。気中で運用する場合、外枠９は水が流入しない構造でなくともよい。

［第２の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第２の実施形態について、図２を用いて説明する。図２は、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００を示す一部切欠の部分正断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には同一符号を付して、重複説明を省略する。

　図２に示すように、本実施形態の溶接ワイヤ接触機構１３は、レーザ光軸方向に伸縮するばねやゴム等の第２弾性部材３５と、この第２弾性部材３５の溶接施工部位３１に近い方の端部からレーザ光軸方向に延びて溶接施工部位３１付近の溶接ワイヤ送り管２３に連結されて溶接ワイヤ送り管２３を支持する第２支持部材３７と、この第２支持部材３７がレーザ光軸方向に沿って揺動するように構成されたスライド軸３９と、揺動動作に伴うスライド軸３９の位置変動を検出する位置センサ４１と、を有する。

　溶接ワイヤ送り管２３の先端部から溶接施工部位３１に延びる溶接ワイヤ１１の先端部は、第１の実施形態と同様に、第２弾性部材３５の作用による押付け力によって溶接施工部位３１から離れることなく接触状態を保持することが可能となる。

　本実施形態では、第２弾性部材３５がレーザ光軸方向に伸縮するために、溶接ワイヤ１１の先端部を押し付ける力は、溶接施工部位３１に対してレーザ光軸方向に作用する。

　第１の実施形態では、溶接ワイヤ１１の先端部の動作は、回動動作を揺動動作に置き換えている。よって、厳密には、溶接ワイヤ１１の先端部は、レーザ光軸上から若干ずれることがある。

　これに対して本実施形態では、第２支持部材３７がレーザ光軸方向に沿って揺動するため、溶接ワイヤ１１の先端部は、レーザ光軸上を揺動させることが可能である。

　また、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接ワイヤ１１の先端部との距離の変動は、位置センサ４１により読み取ることが可能である。したがって、プレ走行で行う当該距離の計測を、第１の実施形態に比べて、より正確に行うことが可能となる。

［第３の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第３の実施形態について、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００を示す一部切欠の部分正断面図である。本実施形態は第１の実施形態の変形例であって、第１の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。

　本実施形態では、図３に示すように、溶接施工部位３１を観察するために内蔵カメラ４３がレーザ照射ヘッド１の近傍に取り付けられている。また、レーザ照射ヘッド１の仕切り部材１５は、例えば可視光などの特定波長を反射して、例えば赤外光の溶接用のレーザ光を透過するように形成されている。この仕切り部材１５と内蔵カメラ４３との光路間には、光学フィルタ４７等を設けてもよい。

　溶接施工部位３１の溶接状態は、先ずレーザ照射ヘッド１に配置された仕切り部材１５に映し出される。仕切り部材１５に映し出された画像は、この仕切り部材１５を反射して、反射板４４に映し出され、その後に、光学フィルタ４７を介して内蔵カメラ４３に取り込まれる。この内蔵カメラ４３に取り込まれた画像データは、内蔵カメラ４３に接続されて外枠９の外部に延びたカメラケーブル４５を介して例えば画像処理装置（図示ぜず）に伝送される。この画像処理装置により解析されて出力された画面等によって、溶接作業者が溶接状態の良否を判断することができる。

　なお、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接施工部位３１との距離が、溶接可能な距離の変動範囲であるときに、内蔵カメラ４３の溶接施工部位３１に対する焦点が合うように設定しておくことが望ましい。

　以上の説明からわかるように本実施形態によれば、レーザ照射点（溶接施工部位３１）をレーザ照射方向と同じ方向から監視することができる。これによって、例えば溶接ビードの状態、溶接ワイヤ１１の先端部の溶融状態、および溶融池の状態などを容易に確認することができるため、溶接状態の異常診断を容易に行うことが可能となる。

　また、例えば溶接ワイヤ１１の先端が溶接施工部位３１から離れている場合には、溶接ワイヤ１１の先端部は焦点が合わない画像データが、画像処理装置等に伝送される。このとき溶接ワイヤ１１の先端部の焦点が合うように、溶接ワイヤ１１を送り出すように溶接ワイヤ送り機構７を制御する。溶接ワイヤ１１の先端部の焦点が合うように、溶接ワイヤ１１を送り出した後は、溶接可能な状態となる。

　よって、内蔵カメラ４３の画像に基づいて、溶接作業者は、溶接ワイヤ１１の先端部が溶接可能な位置にあるかどうかを容易に確認でき、さらに溶接可能な位置にない場合には、溶接ワイヤ１１の先端部を当該位置に容易に移動させることができる。

　レーザ溶接に用いるレーザ光の波長は、通常、赤外光である。したがって、溶接雰囲気が暗い場合などは内蔵カメラ４３で溶接施工部位３１を観察しようとしても、溶接作業者が確認しやすい画像を得ることが困難な場合がある。

　このときには、レーザ照射ヘッド１によって溶接用のレーザ光に重なるように可視領域の波長を有する可視レーザ光を照射させればよい。これにより、溶接施工部位３１の観察をより容易に行うことができる。

　なお、この可視レーザ光は、溶接施工部位３１の観察を容易にするためのものであって、溶接の例えば溶融工程に影響を与えるものではない。

［第４の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第４の実施形態について、図４～図６を用いて説明する。図４は、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００を示す一部切欠の部分正断面図である。図５は、液体レンズ４９の構成を示す概略側縦断面図である。図６は、液体レンズ４９に印加する印加電圧とこの液体レンズ４９の焦点を検出したときの距離（検出距離）との関係を示すグラフである。本実施形態は、第３の実施形態の変形例であって、第３の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して、重複説明を省略する。

　本実施形態では、内蔵カメラ４３内に液体レンズ４９が配置されている。図５に示すように、液体レンズ４９は、例えば円筒状の容器であって、両側の端面は、第１透明窓５１および第２透明窓５３が形成されている。さらに、この容器の内部には、水溶液５５およびオイル５７が封入されている。当該容器の側面部の外周には、円筒の軸方向に沿って例えばリング状の第１電極５９および第２電極６１が配置されている。これらの電極間には、絶縁材６０が配置されている。

　この第１電極５９および第２電極６１に異なる電圧を印加することによって、水溶液５５が片側の電極、例えば第１電極５９側に集まろうとする。これに伴いオイル５７と水溶液５５との接する面（境界面５６）の形状が変わり、屈折率等の光学特性を自在に変えることができる。

　例えば図６に示すように、印加電圧を高くするにしたがって、この液体レンズ４９の焦点を検出する距離（検出距離）が短くなる傾向が認められる。この特性を用いることで、レーザ照射ヘッド１の先端部と溶接ワイヤ１１の先端部との距離を、液体レンズ４９に印加する印加電圧に基づいて計測することが可能となる。

　また、液体レンズ４９を用いて焦点を調整することによって、複雑なズーム機構を設ける必要がなくなる。よって、内蔵カメラ４３の部品点数等を少なくすることができるため、構造をより簡素化することが可能でとなる。

　また、第３の実施形態でも説明したように、溶接雰囲気が暗い場合には、溶接用のレーザ光に重なるように可視領域の波長を有する可視レーザ光を照射させてもよい。

［第５の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第５の実施形態について、図７を用いて説明する。図７は、本実施形態のレーザ溶接装置本体１００を示す一部切欠の部分正断面図である。本実施形態は第３の実施形態の変形例であって、第３の実施形態と同一部分または類似部分には、同一符号を付して重複説明を省略する。

　図７に示すように、溶接施工部位３１に可視レーザ光を照射させる手段として、例えば外枠９の外側に可視光領域の波長帯を照射させる可視レーザ光照射装置６３を取り付けて、溶接用のレーザ光軸とは別の方向から、可視レーザ光を照射させてもよい。

　本実施形態によれば、可視レーザ光の焦点を、溶接用のレーザ光の照射装置とは別の装置で調整することができる。このため、第３および第４の実施形態で述べたように、溶接用のレーザ光に重畳させる場合に比べて、可視レーザ光の光量や焦点等を調整しやすくなり、溶接施工部位３１をより鮮明に撮影することが可能になる。

［第６の実施形態］
　本発明に係るレーザ溶接装置の第６の実施形態について、図８～図１４を用いて説明する。本実施形態は、内蔵カメラ４３を備えた例えば第３の実施形態のレーザ溶接装置本体１００に画像解析システム８９などを組み合わせた例である。

　図８は、本実施形態のレーザ溶接装置の構成を示すブロック図で、レーザ溶接装置本体１００、レーザ光等の制御を行うレーザ制御盤６５、このレーザ溶接装置本体１００を駆動する駆動システム９１、および内蔵カメラ４３で取り込んだ画像データを解析する画像解析システム８９を組み合わせた構成の例を示している。レーザ溶接装置本体１００の構成は、例えば第３の実施形態（図３）のものである。

　レーザ溶接装置本体１００の駆動システム９１は、ドライバ６７および駆動制御装置６９を有している。駆動制御コントローラは、回転センサ２５等で計測した値をセンサアンプ７１を介して取り込んで、レーザ溶接装置本体１００の移動経路を補正する。この駆動制御コントローラは、移動経路を補正した後に、この補正結果に基づいてドライバ６７等にレーザ溶接装置本体１００の駆動指令を伝送する。レーザ溶接装置本体１００は、この駆動指令に基づいてドライバ６７等により駆動される。

　画像解析システム８９は、カメラコントローラ７１、操作ペンダント７５、および異常監視モニタ７７を有している。カメラコントローラ７１は、溶接施工部位３１の画像の焦点を合わせるように内蔵カメラ４３の例えば焦点合わせ動作等を制御する。このとき、操作ペンダント７５などを用いて操作してもよい。異常監視モニタ７７は、内蔵カメラ４３から取り込んだ画像データや解析した画像等を表示する。

　これらの他に画像解析システム８９は、内蔵カメラ４３により取り込んだ画像データを保存する画像保存手段７９と、この画像データを二値化処理およびＲＧＢ輝度解析などの解析を行う画像解析手段８１と、を有する。

　図９は、溶接が正常に行われている状態を内蔵カメラで撮影した画像の例を示した図である。図１０は、溶接点と溶接ワイヤ１１の先端部とが離れた状態であって、溶接が正常に行われていない画像の例を示した図である。

　図１１は、図９に示す画像を画像解析手段によって二値化処理した図である。図１２は、図１０を同様に二値化処理した図である。

　内蔵カメラ４３によって取り込まれた画像は、例えば図９に示すように、溶接が正常に行われている場合には、溶接点と溶接ワイヤ１１の先端部がほぼ一箇所に円を描くように表示される。図１１に示すように二値化処理すると、円を描いている部位が、白く明確に表示される。

　これに対して、図１０に示すように、溶接施工部位３１と溶接ワイヤ１１の先端部が離れた場合には、溶融点を表示する部位と溶接ワイヤ１１の先端部を表示する部位が別々に表示されている。二値化処理すると、溶接点および溶接ワイヤ１１の先端部それぞれを表示する部位が、白く明確に表示される。

　上記のように内蔵カメラ４３から取り込んだ画像データを二値化処理することで、溶接状態の異常判断を容易に行うことが可能となる。

　また、内蔵カメラ４３から取り込んだカラー画像のデータについて画像解析手段８１によりＲＧＢの輝度を解析することで、溶接状態の異常診断を行うことも可能である。

　図１３は、図９に示す正常な溶接状態を示す画像についてＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。Ｒｅｄ特性を示す線８３、Ｇｒｅｅｎ特性を示す線８５、およびＢｌｕｅ特性を示す線８７は、それぞれが１つの山を描くように表示されている。

　図９に示す矢印Ａの方向に画像を複数分割して、そのうちの１つの領域内のＲｅｄ特性データの平均値を算出する。複数に分割されている全ての領域について同様に平均値を算出する。次に、矢印Ｂの方向に沿って、各領域について計算した平均値をグラフ上にプロットしていく。その結果、画像の矢印Ｂ方向に対するＲｅｄ特性が得られる。この処理をＧｒｅｅｎおよびＢｌｕｅについて同様に行う。

　これに対して、図１４は、図１０の画像についてＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。図１４の解析方法は、図１３で行った解析方法と同様である。図１４に示すように、図１３に示した正常な状態の解析結果に比べて、Ｒｅｄ特性を示す線８３、Ｇｒｅｅｅｎの特性を示す線８５、およびＢｌｕｅの特性を示す線８７は、それぞれ２つの山を描くように表示されている。

　上記のように内蔵カメラ４３から取り込んだ画像データについてＲＧＢ輝度解析を行うことで、溶接状態の異常判断を容易に行うことが可能となる。

［その他の実施形態］
　上記実施形態の説明は、本発明を説明するための例示であって、特許請求の範囲に記載の発明を限定するものではない。また、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

　例えば、第６の実施形態で、ＲＧＢ輝度解析は上記の方法に限らない。図１５に示すように、図１０中のXV-XV線上の各ポイントそれぞれについてＲＧＢ輝度解析を行った結果を示すグラフである。このように、内蔵カメラ４３から取り込んだ画像において、図１０中のXV-XV線のような特徴的な部位を抽出して、ＲＧＢ輝度解析を行ってもよい。

　また、内蔵カメラ４３の映像信号は奇数フィールドと偶数フィールドを有し、通常はこれら両方のデータを異常監視モニタ７７等の画像表示装置に入力して画像を表示している。この奇数フィールドのデータと、偶数フィールドのデータとを交互に異常監視モニタ７７等に入力することで、画像表示を倍速処理してもよい。

１…レーザ照射ヘッド、１ａ…光源側、１ｂ…照射側、３…光ファイバー、５…ガス供給配管、７…溶接ワイヤ送り機構、９…外枠、１１…溶接ワイヤ、１２…ワイヤ出口部、１３…溶接ワイヤ接触機構、１５…仕切り部材、１７…光学素子、１９…開口部、２１…ガス噴射ノズル、２３…溶接ワイヤ送り管、２５…回転センサ、２７…第１支持部材、２９…回転軸、３１…溶接施工部位、３３…第１弾性部材、３５…第２弾性部材、３７…第２支持部材、３９…スライド軸、４１…位置センサ、４３…内蔵カメラ、４４…反射板、４５…カメラケーブル、４７…光学フィルタ、４９…液体レンズ、５１…第１透明窓、５３…第２透明窓、５５…水溶液、５６…境界面、５７…オイル、５９…第１電極、６０…絶縁材、６１…第２電極、６３…可視レーザ光照射装置、６５…レーザ制御盤、６７…ドライバ、６９…駆動制御装置、７１…センサアンプ、７３…カメラコントローラ、７５…操作ペンダント、７７…異常監視モニタ、７９…画像保存手段、８１…画像解析手段、８３…Ｒｅｄ特性を示す線、８５…Ｇｒｅｅｎ特性を示す線、８７…Ｂｌｕｅ特性を示す線、１００…レーザ溶接装置本体

Claims

　外枠と、
　この外枠内に配置された管状であって、その内部が透光性および反射性を備えた仕切り部材によって、レーザ光を集光する光学部材が配置された光源側とこのレーザ光を照射する照射側とに分割されて、この照射側の先端部に開口部が形成されたレーザ照射ヘッドと、
　前記照射側の側面に連結されて、前記照射側の内部に不活性ガスを供給するガス供給管と、
　前記照射側の先端部の開口部に直列に連結されて、溶接施工部位に前記レーザ光を照射すると共に、この溶接施工部位に前記不活性ガスを噴射するように形成されたガス噴射ノズルと、
　溶接ワイヤの先端部が前記溶接施工部位と接触するように、この溶接ワイヤを順次送り込む溶接ワイヤ送り管と、
　前記照射側の先端部と前記溶接ワイヤの先端部との距離を計測する計測手段を備えて、弾性部材により前記溶接ワイヤの先端部を前記溶接施工部位に押し付けながら接触するように形成された溶接ワイヤ接触機構と、
　を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
　前記溶接ワイヤ接触機構は、
　前記ガス噴射ノズル近傍に配置された回転軸と、
　前記回転軸の回転角度を検出する回転センサと、
　一方の端部が前記回転軸に連結されて、もう一方の端部が前記溶接施工部位付近の前記溶接ワイヤ送り管を支持するように形成された第１支持部材と、
　を有し、
　前記弾性部材は、前記ガス噴射ノズル付近の前記外枠と前記第１支持部材とを連結するように形成されて、
　前記溶接ワイヤの先端部が回動する角度を前記回転センサによって検出して、この検出結果に基づいて前記照射側の先端部と前記溶接施工部位との距離を導き出すように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
　前記弾性部材は、前記レーザ光の光軸方向に伸縮するように形成されて、
　前記溶接ワイヤ接触機構は、
　前記弾性部材の前記溶接施工部位に近い方の端部から前記光軸方向に延びて溶接施工部位付近の前記溶接ワイヤ送り管を支持するように形成された第２支持部材と、
　前記第２支持部材が前記光軸方向に沿って揺動可能に構成されたスライド軸と、
　この揺動動作に伴うスライド軸の位置変動を検出する位置センサと、
　を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
　前記外枠の内部で前記レーザ照射ヘッドの近傍に配置されて前記溶接施工部位を撮影するように形成された内蔵カメラと、
　前記内蔵カメラで撮影された画像を解析する画像解析手段と、
　前記画像解析手段で処理された画像データを出力する画像出力手段と、
　を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　前記内蔵カメラには、印加電圧に応じて光学特性を変化させるように形成された液体レンズが配置されて、この液体レンズによって前記溶接施工部位の焦点を合わせるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載のレーザ溶接装置。
　前記計測手段は、前記内蔵カメラにより撮影した画像の焦点に基づいて、前記照射側の先端部と前記溶接施工部位との距離を計測可能に構成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載のレーザ溶接装置。
　前記レーザ照射ヘッドは、溶接用の前記レーザ光の光軸に重畳するように、可視光領域の波長帯を備えた可視レーザ光を照射する手段を有することを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　溶接用の前記レーザ光の光軸と所定の角度をなす方向から、前記可視レーザ光を前記溶接施工部位に照射するように構成された可視レーザ光照射手段を有することを特徴とする請求項４ないし請求項７のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　前記画像解析手段は、前記内蔵カメラで撮影した前記溶接施工部位の画像について二値化処理するように構成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項８のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　前記画像解析手段は、前記内蔵カメラで撮影した前記溶接施工部位の画像についてＲＧＢ輝度を解析するように構成されていることを特徴とする請求項４ないし請求項９のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　前記外枠は内部に水が流入しないよう形成され、
　前記ガス供給管は、前記照射側の内部に不活性ガスを供給して、前記レーザ照射ヘッド内のレーザ光路内の水を遮断して気相に保持するように形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか一項に記載のレーザ溶接装置。
　溶接対象物の溶接施工部位に沿ってレーザ溶接装置を駆動装置により走行させて、前記レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測するプレ走行工程と、
　前記プレ走行工程の後に、前記プレ走行工程で計測した前記距離に基づいて、前記距離が一定になるようにレーザ溶接装置の移動経路を補正する移動経路補正工程と、
　前記移動経路補正工程の後に、前記移動経路補正工程の補正結果に基づいて駆動装置を制御しながら前記レーザ溶接装置により前記溶接施工部位にレーザ光を照射して溶接を行うレーザ照射工程と、
　を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
　溶接対象物の溶接施工部位に沿ってレーザ溶接装置を走行させて、前記レーザ溶接装置のレーザ照射ヘッドの先端部と前記溶接施工部位との距離を計測する距離計測工程と、
　前記計測された距離に基づいて前記距離が一定になるようにレーザ溶接装置の移動経路を補正する移動経路補正工程と、
　を有し、
　前記距離計測工程および移動経路補正工程は、前記移動経路補正工程の補正結果に基づいて駆動装置を制御しながら前記レーザ溶接装置により前記溶接施工部位に対してレーザ光を照射して溶接を行うレーザ照射工程と、並行して行うことを特徴とするレーザ溶接方法。