JP2009039773A - レーザ溶接検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で保護ガラスに付着する異物の影響を抑制して溶接品質の評価を良好に行うことができるレーザ溶接検出装置を提供する。
【解決手段】カメラ１１とワークＷの間にワークＷに対する第１結像点１５を設けた。ワークＷの像は、第１結像点１５で結ばれてカメラ１１に撮像される一方、保護ガラス１２に対する像は、第１結像点１５で結像されずに拡散されてカメラ１１に撮像される。このため、保護ガラス１２の汚れに起因する写りこみは拡散され、これに伴い、カメラ１１が得る画像は、汚れ写りこみ画像が少なくて相対的にワークＷに基づく画像が多くなり、ワークＷの品質評価の精度を向上できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ溶接状況を把握し、溶接品質を検査するレーザ溶接検査装置に関する。

従来のレーザ溶接検査装置の一例として、特許文献１に示される装置（以下、特許文献１の装置という。）がある。特許文献１の装置は、レーザ発信器が発生したレーザをワークに対して照射し、同ワークを溶接するレーザ照射ヘッドを備えている。このレーザ照射ヘッドは、レーザ発振器が発生したレーザを集光してワークに対して照射するレンズ（集光レンズ）と、溶接時に発生する飛散物（ワークに含まれる物質が蒸発したもの等）から集光レンズを保護する保護カバーと、を備えている。特許文献１の装置は、さらに、レーザ照射ヘッドから照射されるレーザの光路上から若干ずれた位置に配置された光ファイバと、この光ファイバの先端に対向する位置に配置され光エネルギーを電気エネルギー（電圧）に変換する太陽電池と、を備えている。

特許文献１の装置では、保護カバーに汚れ等がないか又は少ない場合には、汚れ等により散乱するレーザがないか又は少なくなり、その結果、太陽電池に照射されるレーザの光量が少なくなり、ワークに有効なレーザが照射される。一方、保護カバーに汚れ等が増加した場合には、該汚れ等により散乱するレーザが増加し、従って、多量の散乱光（レーザ）が光ファイバを介して太陽電池に照射され、溶接に寄与するレーザが少なくなってワークに有効なレーザが照射されなくなる。
そして、特許文献１の装置は、保護カバーに汚れ等がないか又は少ない場合には、ワークに有効なレーザが照射されていることから、溶接は良であると判定し、保護カバーに汚れ等が増加した場合にはワークに有効なレーザが照射されていないことから、溶接は不良であると判定する。
特開平１１−３２０１４４号公報

ところで、上記従来技術では、光ファイバ及び太陽電池を備え、太陽電池を光ファイバの先端に対向する位置に配置し、太陽電池にハーネスを接続しそのハーネスの先端に波形計測器を接続している。上記従来技術では、上述したように、溶接の良否判定を行う上でハーネス及び太陽電池を採用しており、装置の複雑化を招き、さらに、太陽電池をレーザの光路からずれて配置する分、装置の大型化を招いてしまうという問題があった。また、一般に太陽電池が高価であることに伴ない、装置コストの増加を招いてしまうことになり、その改善を図ることが望まれているというのが実情であった。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で保護ガラスに付着する異物の影響を抑制して溶接品質の評価を良好に行うことができるレーザ溶接検出装置を提供することを目的とする。

（発明の形態）
本願の発明は、レーザ光の照射に対して溶接部で反射されるレーザ反射光を、レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して受光し、この受光したレーザ反射光により前記溶接部を撮像する撮像手段を有し、該撮像手段の撮像により得られる溶接部画像を用いて溶接品質を検査するレーザ溶接検査装置において、前記保護ガラスに対する結像点が前記撮像手段に一致しないように、前記撮像手段と前記溶接部の間に前記溶接部に対する結像点を１つ以上設けたことを特徴とする。
本発明によれば、溶接部の像は、撮像手段と溶接部の間に設けた溶接部に対する結像点で結ばれて撮像手段に撮像される一方、保護ガラスに対する像は、前記結像点で結像されずに拡散されるため、撮像手段が得る画像には、保護ガラスの汚れに起因する写りこみが相対的にが少なくなり、その分、良否判定精度を向上できる。

以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。各態様は請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。
本発明は、次の（１）〜（５）項の態様で構成される。（１）〜（３）項の態様が夫々請求項１〜３に相当している。

（１）レーザ光の照射に対して溶接部で反射されるレーザ反射光を、レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して受光し、この受光したレーザ反射光により前記溶接部を撮像する撮像手段を有し、該撮像手段の撮像により得られる溶接部画像を用いて溶接品質を検査するレーザ溶接検査装置において、前記保護ガラスに対する結像点が前記撮像手段に一致しないように、前記撮像手段と前記溶接部の間に前記溶接部に対する結像点を１つ以上設けたことを特徴とする。
（２） （１）項に記載のレーザ溶接検査装置において、前記撮像手段と前記保護ガラスの間に、前記保護ガラスから入る光線の方向範囲を限定するしぼりを設けたことを特徴とすることを特徴とする。
（３） （２）項に記載のレーザ溶接検査装置において、前記溶接部に対する結像点及び前記しぼりを同等位置に配置したことを特徴とする。
（４） （１）〜（３）項のいずれかに記載のレーザ溶接検査装置において、レーザの光学系における前記保護ガラスに対面するレンズ（以下、保護ガラス対向レンズという。）及び前記溶接部の距離〔以下、保護ガラス対向レンズ−溶接部距離という。〕をａとし、保護ガラス対向レンズ及び保護ガラスの距離（以下、保護ガラス対向レンズ−保護ガラス距離という。）をｂとしたとき、ａ／ｂは１を超える数値ｔ〔但し、ｔ＞１〕以上であるとされていることを特徴とする。
（５） （４）項に記載のレーザ溶接検査装置において、１を超える数値ｔは１０とされることを特徴とする。
（１）〜（５）項に記載のレーザ溶接検査装置によれば、溶接部の像は、撮像手段と溶接部の間に設けた溶接部に対する結像点で結ばれて撮像手段に撮像される一方、保護ガラスに対する像は、前記結像点で結像されずに拡散されて撮像手段に撮像される。このため、保護ガラスの汚れに起因する写りこみは拡散され、また、しぼりを設けることにより、撮像手段が得る画像は、汚れ写りこみ画像成分が不鮮明でかつ少量となる一方、溶接部に基づく画像成分は鮮明で多量のため、その分、良否判定精度を向上できる。

請求項１記載の発明によれば、溶接部の像は、撮像手段と溶接部の間に設けた溶接部に対する結像点で結ばれて撮像手段に撮像される一方、保護ガラスに対する像は、前記結像点で結像されずに拡散されるため、撮像手段が得る画像には、保護ガラスの汚れに起因する写りこみが相対的にが少なくなり、その分、良否判定精度を向上できる。
請求項２記載の発明によれば、保護ガラスの汚れに起因する写りこみ画像成分が少量となる一方、溶接部に基づく画像成分は多量のため、良否判定精度を向上できる。
請求項３記載の発明によれば、溶接部に対する結像点及びしぼりを同等位置に配置したので、溶接部に基づく画像成分に対するしぼりの影響が小さくなり、その分、良否判定精度を向上できる。

以下、本発明の第１実施の形態を図１及び図２に基づいて説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態に係るレーザ溶接検査装置１を示したものである。同図において、２は溶接用トーチであり、溶接用トーチ２内には２つのレンズユニット５，６（光学系）が内蔵されている。溶接用トーチ２は、レーザ発振器７から光ファイバ８を通して送られたレーザ光（溶接用レーザ光）を、ミラー９を介して２つのレンズユニット５，６を通して、その先端部からワーク（溶接部）Ｗへ向けて照射し、ワークＷに対してレーザ溶接を施すようにしている。ミラー９は、レーザ光線を反射し、後述するカメラ１１による撮影に係る画像（可視光）については透過し得るようになっている。

溶接用トーチ２の先端部には保護ガラス１２が設けられている。保護ガラス１２は、レーザ溶接によって生じるスパッタ（溶融金属の飛散）やヒューム（煙状のガス）から２つのレンズユニットひいては２つのレンズユニット５，６を保護するようにしている。以下、便宜上、２つのレンズユニット５，６のうち溶接用トーチ２の先端部側に配置されたものを第１レンズユニット５、溶接用トーチ２の後端部側に配置されたものを第２レンズユニット６という。
溶接用トーチ２の後端部には、カメラ１１が配置されており、ワークＷで反射されたレーザ反射光を、第１、第２レンズユニット５，６を通して、溶接用レーザ光と同軸で受光するようにしている。

溶接用トーチ２は、第１レンズユニット５の一方の焦点ｆ１１がワークＷの加工点Ｗｋと一致し、第２レンズユニット６の一方の焦点ｆ２１がカメラ１１と一致するように位置設定されている。また、第１、第２レンズユニット５，６は、第１レンズユニット５の他方の焦点ｆ１２及び第２レンズユニット６の他方の焦点ｆ２２が同等の位置（以下、第１、第２レンズユニット５，６の焦点一致位置１５という。）になるように設定されている。第１、第２レンズユニット５，６が上述したように配置され、かつ上述したように溶接用トーチ２が、カメラ１１及びワークＷに対して位置設定されていることにより、溶接用トーチ２は、ワークＷに対する像を第１、第２レンズユニット５，６の焦点一致位置１５で結合する。このようにワークＷに対する像を結合する第１、第２レンズユニット５，６の焦点一致位置１５を以下、適宜、第１結像点１５（請求項１の溶接部に対する結像点に相当する。）という。また、上述したように溶接用トーチ２が、カメラ１１及びワークＷに対して位置設定されていることにより、カメラ１１は、ワークＷに対する像を第１結像点１５を介して撮像（結像）する。ここで、カメラ１１の結像点を便宜上、第２結像点１６という。
また、第１レンズユニット５及びワークＷの加工点Ｗｋの距離（第１レンズユニット−ワーク距離）、換言すれば第１レンズユニット５の焦点距離はａとされ、第１レンズユニット５及び保護ガラス１２の距離（第１レンズユニット−保護ガラス距離）はｂとされ、両距離については、「ａ／ｂ≧１０」の関係が成立するようにされている。

カメラ１１は、第１、第２レンズユニット５，６を通して受光するレーザ反射光によりワークＷ（ワークＷの加工点Ｗｋ）を撮像し、ワークＷの画像（可視化画像）〔溶接部画像〕を得る。一般に、レーザ溶接を繰返し行うと、保護ガラス１２には上述したようにスパッタ等（以下、便宜上、汚れという。）が付着する。そして、保護ガラス１２に汚れが付着していた場合、溶接部画像には汚れの写りこみに係る画像（以下、汚れ写りこみ画像という。）が含まれている。

また、別途、信号処理装置２０が設けられており、信号処理装置２０には、カメラ１１で撮像された画像を解析する画像解析手段２１と、この画像解析手段２１の解析結果に基づいてワークＷの溶接品質の良否を判定する良否判定手段２２と、を備えている。

上述したように構成されたレーザ溶接検査装置１では、第１レンズユニット−ワーク距離ａ及び第１レンズユニット−保護ガラス距離ｂについて、上述したように設定し（ａ／ｂ≧１０）、かつ、カメラ１１とワークＷとの間に第１結像点１５を配置したことにより、保護ガラス１２に対する像は、第１結像点１５では結ばれず、図２に点線２３で示すように、第１結像点１５より第２レンズユニット６側の部分（以下、保護ガラス対応結像点２６という。）で結像される。そして、保護ガラス対応結像点２６で結像される像に関しては、カメラ１１では結像されず、拡散されてカメラ１１に撮像される。
一方、ワークＷに対する像は、第１結像点１５で結ばれ、さらに図２に実線２４で示すように、第２結像点１６で、即ちカメラ１１に撮像される。
このため、保護ガラス１２の汚れに起因する写りこみは拡散され、これに伴い、溶接部画像は、相対的に汚れ写りこみ画像の影響が小さくワークＷに基づく画像が鮮明になり、その分、良否判定精度が向上され、ひいてはワークＷの溶接の品質を良好に評価できる。

太陽電池を光ファイバの先端に対向する位置に配置し、太陽電池にハーネスを接続した上記従来技術では、太陽電池を採用したことにより装置の複雑化及び装置コストの増加を招くことが起こり得た。これに対して、レンズの配置を調整してワークＷの溶接の品質を良好に評価することにより、上記従来技術で必要とされた太陽電池を不要としたことにより構成の簡易化及び装置の低廉化を達成できる。

上記実施の形態では、第１レンズユニット−ワーク距離ａ及び第１レンズユニット−保護ガラス距離ｂについて、ａ／ｂ≧１０と設定しており、ａ／ｂ＜１０と設定した場合に比べて、保護ガラス１２がワークＷから離間した状態となり、その分、保護ガラス１２へのスパッタ等の付着を抑制できる。
なお、第１レンズユニット−ワーク距離ａ及び第１レンズユニット−保護ガラス距離ｂについて、上述した「ａ／ｂ≧１０」の設定に代えて、ａ／ｂ≧ｔ〔但し、ｔ＞１〕と設定してもよい。
上記実施の形態では、カメラ１１とワークＷとの間にワークＷに対する結像点を１つ設ける場合を例にしたが、これに限らず、レンズユニットをさらに設け、カメラ１１とワークＷとの間にワークＷに対する結像点を２以上設けるようにしてもよい。この場合、上記設定に加えて、保護ガラス１２に対する結像点がカメラ１１に一致しないように設定する。

上記実施の形態において、図３に示すように、第１結像点１５に保護ガラス１２（図１参照）から入る光線の方向範囲を限定するしぼり３０を設けてもよい（第２実施の形態）。
この第２実施の形態に係るレーザ溶接検査装置１Ｂによれば、しぼり３０を設けたことにより、保護ガラス１２からの像（汚れなどの像）２３のうち図３にハッチングで示す領域分２３ａについてはカメラ１１側に進むことが抑制され、汚れ写りこみ画像成分が少なくなる。
一方、ワークＷ（図１参照）からの像は図３に実線３１で示すように、しぼり３０による制限を受けることなく、カメラ１１（図１参照）側に進む。このため、溶接部画像は、相対的に汚れ写りこみ画像成分が少なくワークＷに基づく画像成分が多くなり、その分、良否判定精度を向上できる。
第２実施の形態では、第１結像点１５にしぼり３０を設けた場合を例にしたが、しぼり３０を第１結像点１５から離れた位置に設けるようにしてもよい。

上記第１、第２実施の形態では、レーザ照射方向とカメラ１１の撮影方向が同軸である場合を例にしたが、本発明はこれに限らない。
例えば、図４に示すように、カメラ１１の撮影については第１、第２実施の形態と同様に、ワークＷの表面と垂直方向に行う一方、レーザ照射についてはワークＷに対して約６０°の入射角で行うようにしてもよい。図４に示すレーザ溶接検査装置１Ｂは、レーザ照射の入射角が約６０°である場合を示しているが、他の入射角度でレーザ照射を行うようにしてもよい。

本発明の第１実施の形態に係るレーザ溶接検査装置を模式的に示す図である。 図１のワーク及び保護ガラスからの光の光路を合わせて示す図である。 図１のレーザ溶接検査装置にしぼりを設けた例（第２実施の形態）を示す図である。 本発明の第３実施の形態に係るレーザ溶接検査装置１を模式的に示す図である。

符号の説明

１、１Ａ，１Ｂ…レーザ溶接検査装置、５，６…第１、第２レンズユニット（光学系）、１１…カメラ（撮像手段）、１２…保護ガラス、１５…第１結像点（溶接部に対する結像点）、３０…しぼり、Ｗ…ワーク（溶接部）。

Claims (3)

1. レーザ光の照射に対して溶接部で反射されるレーザ反射光を、レーザの光学系を保護する保護ガラスを通して受光し、この受光したレーザ反射光により前記溶接部を撮像する撮像手段を有し、該撮像手段の撮像により得られる溶接部画像を用いて溶接品質を検査するレーザ溶接検査装置において、
   前記保護ガラスに対する結像点が前記撮像手段に一致しないように、前記撮像手段と前記溶接部の間に前記溶接部に対する結像点を１つ以上設けたことを特徴とするレーザ溶接検査装置。
2. 前記撮像手段と前記保護ガラスの間に、前記保護ガラスから入る光線の方向範囲を限定するしぼりを設けたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接検査装置。
3. 前記溶接部に対する結像点及び前記しぼりを同等位置に配置したことを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接検査装置。

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