JP3579788B2 - 裏波溶接制御方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、裏波溶接制御方法及びその装置に係り、特に、被溶接部材の開先溶融部のうち溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の裏波溶接状態を撮像し、この撮像により得られた裏波画像を処理し、この処理結果を基に適正な裏波ビード形状が得られるように溶接条件を制御するに好適な裏波溶接制御方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、被溶接部材の溶接状況をカメラで監視するものとして、例えば、特開平8−150475号公報に記載されているものが知られている。この公報に記載されている発明では、被溶接部材の溶接状況をカメラで監視するに際して、溶融池、アーク、開先の状態を鮮明に撮像するために、600〜800nmを中心波長として、100nm以下の範囲の幅の波長の光を透過する干渉フィルタをCCDカメラの前面に配置し、溶融池、アーク、開先など、各対象に合わせて最適なシャッタスピードを設定し、設定されたシャッタスピードによって各対象を被写体として撮像し、この撮像によるアーク、溶融池、開先に関する画像情報と、予め画像処理装置に設定された画面のマスク位置とをそれぞれ合成して各対象の画像をモニタ出力することで、各対象の画像を鮮明に表示するとともに、開先線倣いを含めた溶接条件を制御する方法を採用している。
【0003】
上記従来技術では、各対象に合わせた最適なシャッタスピードによって各対象を撮像し、この撮像によるアーク、溶融池、開先内の画像情報と画像処理装置に設定された画面のマスク位置とをそれぞれ合成してモニタ出力しているため、各画像が時間的に同時性がなく、切り出したマスク画面では1画像のみしか鮮明に表示することができない。しかも、各マスク画面が画面垂直方向で不連続な画像となって表示されるため、必ずしも鮮明な画像とはならない。さらに、表側のアークや溶融池等の画像を取り込んで処理しているため、開先裏側の溶け込み状態(裏波溶接状態)を直接監視することができない。
【0004】
突き合わせ開先での溶接の作業では、被溶接部材の表側(溶接電極を臨む面側)から何層かに分けて重ねて溶接することが行なわれている。このときの初層溶接において、被溶接部材の裏側から溶接ができず、被溶接部材の表側から溶接を行なう場合、裏側の溶融状況がわからないため、裏波溶接ビードが溶け落ちたり、あるいは溶け込みが不十分で融合不良を生じたりすることがある。初層溶接の裏波ビードの良し悪しは、溶接品質を決定する重要なポイントであるが、表側からの初層溶接において、裏側の溶融状況がわからない状態で、溶け落ちや溶融不良のない良好な裏波ビードを得ることは、熟練した溶接士でも非常に困難である。
【0005】
そこで、被溶接部材の裏側の溶接状況をカメラで監視するものとして、例えば、特開平7−214316号公報に記載されているものが提案されている。この公報に記載された発明では、被溶接部材の表側から溶接を行なうに際して、被溶接部材の裏側から被溶接部材の溶接線に対して平行光線束のレーザスリット光を照射するとともに、この溶接線で反射したレーザスリット光を干渉フィルタを介してカメラに取り込み、このカメラで裏波ビードの画像を撮像し、この撮像による画像を画像処理装置で処理して裏波ビード高さを求めるとともに、裏波ビード高さと溶接姿勢に応じて片面溶接制御装置により溶接条件を制御する方法が採用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
被溶接部材の裏波溶接状況をカメラで監視するに際して、溶接直後の裏波ビードの形成状態を光切断像により監視しているため、溶接ビードの結果の良し悪しを判定することはできる。しかし、溶接直後の裏波ビードの形成状態を判定するのでは、あくまでも溶接後の結果を判定していることになり、既に欠陥裏波ビードとなったものに対して溶接条件を制御しても回復することはできない。
【0007】
本発明の目的は、溶接時の裏波溶接状態を検出しこの検出結果にしたがって溶接条件を制御することができる裏波溶接制御方法及びその装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明は、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールを被写体として撮像し、この撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御する裏波溶接制御方法を採用したものである。
【0009】
前記裏波溶接制御方法を採用するに際しては、開先溶融部裏側の溶融プールを被写体として撮像するときに、開先溶融部裏側の溶融プールに光を照射することができる。
【0010】
また、本発明は、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールを被写体として撮像する撮像手段と、この撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出する形状特徴量抽出手段と、この形状特徴量抽出手段の抽出による形状特徴量を基に溶接条件を制御する溶接条件制御手段とを備えてなる裏波溶接制御装置を構成したものである。
【0011】
前記裏波溶接制御装置を構成するに際しては、複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面と反対側となる裏側の溶融プールに光を照射する照射手段を設けることができる。
【0012】
上記各裏波溶接制御装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【0013】
(1)前記複数の被溶接部材が互いに接触する溶接ラインに沿って前記照射手段と前記撮像手段を移動指令に従って移動させる移動手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの画像の中心位置を検出する位置検出手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を表示する表示手段と、前記位置検出手段の検出値と前記表示手段の表示画像の中心位置との偏差を算出する偏差算出手段と、この偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するための移動指令を前記移動手段に出力する移動指令手段とを備えてなる。
【0014】
(2)前記照射手段は、溶融プールにレーザ光を照射するレーザ投光手段で構成され、前記撮像手段は、レーザ光のみを透過する干渉フィルタを介して前記溶融プールを撮像してなる。
【0015】
(3)前記レーザ投光手段は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバの伝送によるレーザ光を前記溶融プールに向けて照射するレーザ投光器とを備えて構成されてなる。
【0016】
(4)前記レーザ発振器は半導体レーザダイオードを備えて構成されてなる。
【0017】
(5)前記レーザ投光手段から前記溶融プールに向けて照射されるレーザ光の伝送路中にビーム整形板が配置されてなる。
【0018】
(6)前記形状特徴量抽出手段は、前記溶融プールの幅、長さ、面積のいずれかを前記溶融プールの形状特徴量として抽出してなる。
【0019】
前記した手段によれば、溶融プールの画像を処理して溶融プールの形状特徴量、例えば、溶融プールの長さ、幅、面積を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件、例えば、溶接電流、アーク電圧等を制御することが可能である。溶接時の溶融プールの状態を検出し、この検出結果にしたがって溶接条件を制御することで、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は本発明に係る裏波溶接制御装置が採用された溶接システムの全体構成図である。図1において、被溶接部材10、12は円筒形状に形成されており、各被溶接部材10、12の軸方向端面には開先加工が施されている。そして各被溶接部材10、12は軸方向端面が互いに接触した状態で重ね合わせられた状態で配置されている。各被溶接部材10、12が互いに接触するラインは溶接ラインQとして設定されており、被溶接部材10、12の表面側には溶接電極14が配置されている。この溶接電極14は電極位置駆動部16と一体となって配置されている。電極位置駆動部16は、電極位置制御装置20からの信号に応答して、被溶接部材10または12の外周に、溶接ラインQと平行に取り付けられた走行軸(図示省略)上を走行するようになっており、電極位置駆動部16の走行により溶接電極14が溶接ラインQに沿って移動するとともに、溶接ラインQと直交する二方向に移動できるようになっている。そして溶接電源18からのアーク電圧、溶接電流にしたがって溶接電極14による溶接が被溶接部材10、12に施されると、被溶接部材10、12の開先の部分が溶融され、この溶融部のうち溶接電極14を臨む面とは反対側となる裏側に溶融プール22が形成されるようになっている。このとき被溶接部材10、12の表側の溶接状態、すなわちアーク状態はITVカメラ、例えば、CCDカメラ24によって撮像されるようになっている。すなわち、CCDカメラ24には、フィルタ26を介して被溶接部材10、12の表側の状況を示す光信号が入力されており、CCDカメラ24の撮像による画像がモニタTV27の画面上に表示されるようになっている。なお、このCCDカメラ24も溶接電極14の移動に合わせて走行軸上を移動できるようになっている。
【0021】
一方、被溶接部材10、12の裏波溶接状態を監視するために、被溶接部材10、12の裏側には、レーザ投光器28、ビーム整形板30、干渉フィルタ32、ITVカメラとしてのCCDカメラ34、遠隔監視位置駆動部36などが配置されている。レーザ投光器28は光ファイバケーブル38を介してレーザ発振器40に接続されている。CCDカメラ34はアナログ制御回路42、映像分配器44、画像処理装置46を介して全体制御装置48に接続されている。遠隔監視位置駆動部36はCCDカメラ34に一体となって配置され、遠方監視位置制御装置50を介して全体制御装置48に接続されている。
【0022】
レーザ発振器40は、例えば、He−Neレーザ発振器で構成されており、このレーザ発振器40の発振によるレーザ光が光ファイバケーブル38を介してレーザ投光器28に受光されるようになっている。レーザ投光器28は、受光したレーザ光を、例えば、すりガラスで構成されたビーム整形板30を介して、溶融プール(溶融池)22に照射するようになっている。すなわち、レーザ発振器40、光ファイバケーブル38、レーザ投光器28は照射手段として構成されており、ビーム整形板30はレーザ投光器28の前面側に、レーザ投光器28と一体となって配置(図示省略)されている。このレーザ投光器28は、レーザ光を適切な広がりを持たせて溶融プール22に照射するために、レンズ系(図示省略)を備えて構成されている。またビーム整形板30は、スペックルパターンによる見づらい画像を解消するために設けられている。すなわち、ビーム整形板30を挿入しない状態でレーザ光を溶融プール22に向けて照射した際の反射画像をCCDカメラ34で撮像した際には、被溶接部材(溶接ワーク)10、12がランダムな表面凹凸形状を形成し、しかもレーザ光がコヒーレント(干渉性)な光であるため、通常スペックルパターンと呼ばれる斑点模様が観測される。この現象は、コヒーレントな照射光が溶接ワークの表面の拡散物体によってランダムに拡散され、各点からの散乱波が観測面の各点で重ね合わさって生じる干渉現象によるものである。このときに、CCDカメラ34によって観測されるスペックルパターンの映像は、部分的にギラギラ輝く点が無数に発生し非常に見づらいものとなる。しかし、レーザ光をビーム整形板30を介して溶融プール22に照射すると、スペックルパターンによる見づらい画像を解消することができる。
【0023】
干渉フィルタ32はレーザ投光器28から照射されるレーザ光のみを透過するフィルタとして構成されており、CCDカメラ34の前面側に、CCDカメラ34と一体となって配置されている。CCDカメラ34とレーザ投光器28は遠隔監視位置駆動部36と一体となって配置されており、遠隔監視位置駆動部36は、遠隔監視位置制御装置50からの信号に応答して、溶接ラインQと直交する二方向に移動できるようになっている。さらに被溶接部材10または12の内周に、溶接ラインQと平行に取り付けられた走行軸(図示省略)上を走行できるようになっている。CCDカメラ34は、干渉フィルタ32を介して溶融プール22からのレーザ光を取り込み、溶融プール22を被写体として撮像する撮像手段または二次元受光手段として構成されており、CCDカメラ34の撮像によるアナログ映像信号は制御回路42、映像分配器44を介して画像処理装置46に入力されるようになっている。この場合、制御回路42で生成されたアナログ映像信号は映像分配器44で二つのアナログ映像信号に分配され、一方のアナログ映像信号がモニタTV52に入力され、他方のアナログ映像信号が画像処理装置46で処理されるようになっている。そして画像処理装置46の処理による画像がモニタTV54の画面上に表示されるようになっている。この場合、モニタTV52の画面上には、図2に示すように、CCDカメラ34の撮像による画像として、溶融プール像Pが表示されるとともに、周辺の開先像K、溶融プール22が凝固した後の溶融ビード像Bが表示される。なお、図2のX、Yはそれぞれ画面上の座標軸を示す。
【0024】
ここで、本実施形態においては、溶融プール22に向けて光を照射するに際して、レーザ光を用いるとともに、レーザ光による反射光をCCDカメラ34で受光しているため、以下に示すような特徴を有する。すなわちレーザ光の大きな特徴は、単色性が良いことにある。すなわち発振周波数の幅が極めて狭いことにある。このため、溶融プール22を含む溶融プール22周辺を被写体としてCCDカメラ34で撮像する際に、干渉フィルタ32として、透過波長半値幅が極度に小さいものを使用することができる。一方、干渉フィルタ32の前面に入射するレーザ光の観測角度が90度(垂直入射)を中心に小さくあるいは大きくなると、透過中心の波長は、干渉フィルタ32の特性により低波長側にシフトする。すなわち、CCDカメラ34の前面に干渉フィルタ32を配置して溶融プール22を撮像するときには、画面中央部と周辺部で入射される像の視野角度が異なるため、透過中心波長がCCDカメラ34の撮像素子の位置、すなわち画面の位置で若干異なる。この場合、所望とする観測視野角度でこの影響がでないように考慮して、透過波長半値幅の小さい干渉フィルタを使用すれば良いことになる。この透過波長半値幅の大きさとしては、5nm以下が好ましい。この透過波長半値幅が狭いほど、高輝度の溶融プール像Pの明るさを相対的に弱めて観測することが可能となる。すなわち、溶融プール像Pのみでなく、周辺の開先像K、溶融ビード(固相)像Bも鮮明に撮像することが可能になる。なお、図2において、周辺の開先像Kとして横縞の像が表示されているが、この像は、開先加工面の凹凸によるもので、画面垂直方向に明るい部分と暗い部分が交互に表れている場合を示している。
【0025】
画像処理装置46は、映像分配器44からのアナログ映像信号にしたがって溶融プール22の画像を処理して溶融プール22の形状特徴量として、例えば、図3に示すように、溶融プール22の幅B、長さL、面積Sを抽出する形状特徴量抽出手段として構成されており、処理結果による画像を表示手段としてのモニタTV54の画面上に表示するとともに、処理結果を全体制御装置48に出力するようになっている。全体制御装置48は、画像処理装置46の処理による形状特徴量を基に溶接電極14に関する溶接条件を制御するための制御信号を生成し、この制御信号を溶接電源18に出力する溶接条件制御手段として構成されているとともに、電極位置駆動部16、遠隔監視位置駆動部36を駆動するための信号を生成し、この信号をそれぞれ遠隔監視位置制御装置50と電極位置制御装置20に出力するようになっている。
【0026】
ここで、本実施形態においては、溶接電極14に関する溶接条件を制御するに際しては、以下のことが考慮されている。すなわち、溶接条件と溶融プール22の形状との間には以下の関係がある。
【0027】
(1)溶接電流を増加すると、溶融プール22の幅(溶接方向と直交方向の長さ)と長さ(溶接方向の長さ)が大きくなる。
【0028】
(2)アーク電圧を小さくすると、溶融プール22の幅Bと長さLが大きくなる。
【0029】
(3)アーク電圧を小さくするほど裏波ビードの形状が凸形となる。
【0030】
(4)溶接電極を臨む面から溶融プール22に挿入する溶接ワイヤ(図示省略)の送給速度を上げると、裏波ビードの形状が凸型となる。
【0031】
以上のことから、溶融プール22の溶け込み状態、すなわち溶融プール22の幅B、長さL、面積Sの形状情報を監視し、アーク電圧、溶接電流、溶接速度、あるいは溶接ワイヤの送給速度を制御することで、適切な裏波ビードを得ることが可能になる。
【0032】
具体的には、図4に示すように、予め決められた裏波ビードが適切となる裏側溶融プール22の幅Bが形成されるアーク電圧指令に対して、実際の溶融プール幅Bmを画像処理装置46で検出し、溶融プール22の幅目標値Bcと実際の溶融プール幅Bmとの差に基づいて溶接電源18によるアーク電圧を制御する。この場合、例えば、初層溶接パスにおける溶融プール22の幅目標値Bcをオペレータ56の操作により、全体制御装置48に溶接開始前に設定する。そして全体制御装置48の比較器58で溶融プール22の幅目標値Bcと画像処理装置46の処理による実際の溶融プール幅Bmとを比較し、この比較結果をアーク電圧修正量指令値発生部60に出力する。アーク電圧修正量指令値発生部60には、目標値Bcと検出された溶融プール幅Bmとの差に応じたアーク電圧修正量指令値が予め設定されており、比較器58の比較結果に応じたアーク電圧修正量指令値が溶接電源18に入力され、アーク電圧修正量指令値にしたがって溶接電源18の溶接時におけるアーク電圧が修正される。この場合、アーク電圧修正量指令値は、目標値Bcと検出された溶融プール幅Bmとの差から求まるアーク電圧修正量指令値よりも十分小さい一定割合の値とし、この値を用いて溶接電源18を制御することもできる。このとき、一定割合の値を外部から自在に変更可能にすることもできる。この場合、アーク電圧を急激に変化させることなく安定した状態で溶接制御を行なうことができる。
【0033】
また溶融プール幅を基にアーク電圧を修正する場合に限らず、溶融プール幅の代わりに溶融プール22の長さや面積を基にアーク電圧を修正したり溶接電流を修正したりすることもできる。このような制御を行なうことで、極めの細かい溶接条件の設定、制御を行なうことができる。また溶融プールの幅目標値Bcを溶接位置や全姿勢溶接での下向き、上向き、下進または上進などの各溶接姿勢ごとに独立して予め設定することもできる。
【0034】
次に、溶融プール画像の形状特徴量を抽出するための処理を図5のフローチャートにしたがって説明する。まず、CCDカメラ34の撮像により溶融プール22の画像を画像処理装置46に取り込み(ステップS1)。このあと入力した画像から不要画像を除去するための処理を行なう(ステップS2)。このとき、本実施形態では、図3に示す画面を構成する画素のうち垂直方向の画素に対してそれぞれ微分処理を施すこととしている。この場合、原画像は、輝度の二次元配列であり、これをF(Xi,Yi)と表わすものとすると、F(Xi,Yi)は画像Fの(Xi,Yi)なる画素を表わすとともに、その点の輝度を表現することになる。そして画面の垂直方向に沿って相隣接する画素から得られた輝度データに対して順次微分処理を施し、この微分処理後の画像をG(Xi,Yi)と表わすと、画面の垂直方向における微分処理後の画像は次式で表わされる。
【0035】
【数1】
【0036】
ここで、図3のa−a’ラインに沿った輝度データを抽出すると、図6に示すような画像が表示されることになる。この場合、Y2の範囲は溶融プール22の輝度の特性を示し、Y1は溶融プール22よりも上側の開先部分の輝度特性を示し、Y3は溶融プール22よりも下側の開先部分の輝度特性を示す。この輝度データ(図3のa−a’ラインに沿った輝度データ)を微分処理すると、図7に示すように、Y1、Y3の範囲では、輝度が低い点から高い点に変化する極小値と、逆に輝度が高い点から低い点に変化する極大値が交互に発生している特性となっている。これに対して、Y2の範囲では、溶融プール22の輝度として相隣接する垂直方向の画素の輝度があまり変化していない特性を示していることになる。
【0037】
また、図3に示すb−b’に沿った輝度データを微分処理すると、図8に示すような特性となる。この場合、溶融ビード表面の微分値は、Y2の範囲内に示されているが、溶接ビード表面の凹凸により微分値の変動が大きい特性を示している。このように、輝度データを微分処理することで、微分値の変動が小さい領域を溶融プール22の画像とし、他の領域を溶接ビードや溶融プール周辺の開先の領域とし、裏波溶接画像から溶融プール22の画像のみを切り出すことができる。
【0038】
上述したように、画面垂直方向ラインでの微分値が小さい領域を溶融プール22とすることを利用し、画面の垂直方向ラインの微分値をさらに水平方向にずらしながら、溶融プール22以外の不要な画像を検出し、この画像を除去する。すなわち輝度を0レベルとする。
【0039】
このあと、ステップS3に移り、次の(2)式にしたがって、しきい値Ithを用いた二値化処理を行ない、画面から溶融プール22の画像のみを切り出す。
【0040】
【数2】
【0041】
次に、切り出された溶融プール22の画像に対して、収縮と膨張による処理を施し、小成分のノイズ、小孔などを消滅するための処理を行なう(ステップS4)。この収縮は、次の(3)式に示すように、与えられた範囲の境界点を取り除いて1層分を小さくする処理である。膨張は、次の(4)式に示すように、逆に1層分太らせる処理である。収縮処理と膨張処理を組み合わせて行なうことで、二値化画像中の小成分や小さい孔を取り除くことが出来る。
【0042】
【数3】
【0043】
【数4】
【0044】
次にステップS5では、溶融プール22周辺の輪郭の各座標位置を検出する。すなわち溶融プール22の輪郭を示す画素の位置座標を検出する。この場合、ステップS4までの処理により、溶融プール22の部分が白(1のレベル)、溶融プール22の外側が黒(0レベル)となる。したがって、画像の水平あるいは垂直方向の外側から検索し、黒(0レベル)から白(1レベル)に変化する点を検出することによって輪郭位置を見つけることができる。
【0045】
次に、ステップS6では、ステップS5で得られた溶融プール22の輪郭座標から、画面水平方向の左右境界位置を検出する。このとき左側の境界をG1(x1、y1)、右側の境界をG2(x2,y2)とする。
【0046】
次に、ステップS7では、ステップS6と同様に、ステップS5で得られた溶融プール22の輪郭座標から、画面の垂直方向における上下境界位置を検出する。このとき上側の境界をG3(x3,y3)、下側の境界をG4(x4,y4)とする。次に、ステップS8では、ステップS6とステップS7で求めた溶融プール22の左右境界位置と上下境界位置から、溶融プール22の幅B、長さL、および中心位置G0(x0,y0)を次の(5)式〜(7)式にしたがって計算する。
【0047】
【数5】
【0048】
【数6】
【0049】
【数7】
【0050】
以上までの処理で求めた溶融プール22の幅Bと長さLは、画面上での値である。そこでステップ9において、画面上の値に、カメラ分解能(1画素当たりの視野の大きさ)を乗算して実際の値に換算する。これにより溶融プール22の幅、長さとして実際の値を求めることができる。
【0051】
次に、図1に示すシステムの溶接条件制御動作を図9のフローチャートにしたがって説明する。この場合、被溶接部材10、12の溶接中に、溶融プール22を撮像し、この撮像による画像から溶融プール22の幅を検出し、この検出情報を基に溶接条件を制御する場合について説明する。そしてこの動作において、全体制御装置48はシステム全体の動作を管理する主局となり、溶接電源18、電極位置制御装置20、画像処理装置46は従局の関係にある。すなわち、従局の溶接電源18、電極位置制御装置20および画像処理装置46は、主局である全体制御装置48の指令によって所定の動作を実行する。
【0052】
具体的には、全体制御装置48の動作開始後、ステップF1では、まず、全体制御装置48が溶接電極14の現在位置を電極位置制御装置20に対して問い合わせ、その位置情報の報告を受ける(ステップF17)。次に、ステップF2では、全体制御装置48が溶接電極14を引き上げるための移動指令を電極位置制御装置20に対して発行し、溶接電極14を開先面から引き離す(ステップF18)。
【0053】
ステップF3では、溶接電極14が溶接を開始する基準位置までの移動指令を全体制御装置48が電極位置制御装置20に対して発行し、溶接電極14を基準位置まで移動させる(ステップF19)。ステップ4では、溶接電極14がアークスタートできる所定の位置まで溶接電極14を移動させる指令を全体制御装置48が電極位置制御装置20に対して発行し、溶接電極14をアークスタートできる所定位置まで移動させる(ステップF20)。
【0054】
ステップF5では、全体制御装置48が溶接電源18に対してアークスタート(ON)指令を発行し、アークONを開始する(ステップF22)。ステップ6では、溶接電極14が溶接ラインQ方向の走行を開始する指令を全体制御装置48が電極位置制御装置20に対して発行し、Q方向の走行をスタートする(ステップF21)。Q方向の走行動作においては、後述する走行停止指令が発生するまで溶接電極14の走行動作が継続される。
【0055】
ステップF7では、全体制御装置48が画像処理装置46に対して検出指令を発行し、画像処理装置46は、前述した処理で溶融プール22の幅を検出する(ステップF26)。ステップ8では、全体制御装置48が溶接電源18に対して、アーク電圧設定値を問い合わせ、その情報の報告を受ける(ステップF23)。
【0056】
ステップ9では、全体制御装置48が画像処理装置46に対して、溶融プール22の幅の検出結果を受けるための報告指令を発行し、画像処理装置46はその結果の報告を受ける(ステップF27)。ステップ10では、ステップ8のアーク電圧情報およびステップ9の溶融プール幅に関する検出結果情報を内部に記憶する。このあとステップF11は、溶融プール幅の検出結果と目標値との差にしたがってアーク電圧修正量を算出する。このあとステップF12では、ステップF11で演算した情報を溶接電源18に対して転送し、アーク電圧の修正を行なう(ステップF24)。
【0057】
ステップF13では、溶接電極14の現在位置情報を基に溶接作業の終了位置か否かを判断し、溶接電極14の位置がまだ終了位置(予め全体制御装置48内で決めて記憶した位置)でないときには、ステップF7の処理に戻り、上述の動作を繰り返す。
【0058】
一方、電極位置が終了位置を超えたと判断されたときには、ステップF14に進む。ステップF14では、全体制御装置48が溶接電源18に対してアーク終了(OFF)指令を発行し、アークONを停止する(ステップF27)。さらに、ステップF15では、全体制御装置48がQ方向の走行を停止する指令を電極位置制御装置20に対して発行し、溶接電極14の走行をストップする。
【0059】
以上の処理では、溶融プール22の幅を検出し、この検出情報を基にアーク電圧を制御するものについて述べたが、溶融プール22の幅以外に、溶融プール22の長さあるいは面積を用いてアーク電圧を制御したり、溶接電流を制御したりすることもできる。
【0060】
またレーザ投光器28とCCDカメラ34を溶接電極14による溶接の状況に合わせて移動させるに際しては、溶融プール22の形状特徴量を基に溶融プール22の中心位置を検出し、この溶融プール22の中心位置と画像の中心位置との偏差(ずれ)を求め、この偏差を零に抑制するための移動指令を生成し、この移動指令にしたがってレーザ投光器28とCCDカメラ34を溶接ラインQに沿って移動させることができる。この場合、図9で示したステップF26において、溶融プール22の画像の中心位置とモニタTV54の表示画像の中心位置との偏差を求め、この偏差を零に抑制するための移動指令、すなわち溶融プール22の中心がモニタTV54の画面の中心位置になるような移動指令を生成し、この移動指令にしたがってレーザ投光器28、CCDカメラ34の移動を制御する。このような制御を行なうことで、溶融プール22の画像は常に溶融プール22の中心がモニタTV54の画面の中心位置に配置されるように表示される。この場合、画像処理装置46は溶融プールの画像の中心位置を検出する位置検出手段を構成し、全体制御装置48は、位置検出手段の検出値とモニタTV54表示画像の中心位置との偏差を算出する偏差算出手段を構成するとともに、この偏差を零に抑制するための移動指令を移動手段に出力する移動指令手段を構成することになる。
【0061】
本実施形態によれば、溶融プール22の形状特徴量に基づいて溶接電源18による溶接条件を制御するようにしたため、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【0062】
また、本実施形態によれば、レーザ光を溶融プール22に照射し、このレーザ光の反射光をCCDカメラ34で撮像しているため、遠隔での溶接作業に必要とされる良好な裏波モニタ画像を得ることができる。また干渉フィルタ32の着脱やCCDカメラ34のシャッタ速度を切替ずに、溶接前、溶接中いずれでも良好な溶接部近傍のモニタ画像を得ることができる。
【0063】
前記実施形態では、照射光源にHe−Neレーザ発振器によるレーザ発振器を使用したものについて述べたが、レーザ発振器として半導体レーザダイオードを使用したものを用いることもできる。
【0064】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、溶融プールの画像を処理して溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御するようにしているため、安定した裏波ビードを得ることができ、溶接品質の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す装置が適用された溶接システムの全体構成図である。
【図2】溶融プール画像の構成説明図である。
【図3】溶融プールの形状特徴量を説明するための図である。
【図4】溶接条件の制御方法を説明するためのブロック図である。
【図5】溶融プールの形状特徴量を抽出するための処理方法を説明するためのフローチャートである。
【図6】図3のa−a’ラインに沿った輝度の模式図である。
【図7】図6に示す輝度データを微分処理したときの模式図である。
【図8】図3のb−b’ラインに沿った輝度データを微分したときの模式図である。
【図9】図1に示すシステムの溶接条件制御動作を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
10、12 被溶接部材
14 溶接電極
16 電極位置駆動部
18 溶接電源
20 電極位置制御装置
22 溶融プール
24 CCDカメラ
28 レーザ投光器
30 ビーム整形板
32 干渉フィルタ
34 CCDカメラ
36 遠隔監視位置駆動部
38 光ファイバケーブル
40 レーザ発振器
46 画像処理装置
48 全体制御装置
50 遠方監視位置制御装置
Claims (8)
- 複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールに光を照射するとともに、前記開先溶融部裏側の溶融プールを被写体として撮像し、この撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出し、この形状特徴量を基に溶接条件を制御する裏波溶接制御方法。
- 複数の被溶接部材が互いに接触しかつ溶接電極により溶融される開先溶融部のうち前記溶接電極を臨む面とは反対側となる裏側の溶融プールに光を照射する照射手段と、前記開先溶融部裏側の溶融プールを被写体として撮像する撮像手段と、この撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの形状特徴量を抽出する形状特徴量抽出手段と、この形状特徴量抽出手段の抽出による形状特徴量を基に溶接条件を制御する溶接条件制御手段とを備えてなる裏波溶接制御装置。
- 前記複数の被溶接部材が互いに接触する溶接ラインに沿って前記照射手段と前記撮像手段を移動指令に従って移動させる移動手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を処理して前記溶融プールの画像の中心位置を検出する位置検出手段と、前記撮像手段の撮像による溶融プールの画像を表示する表示手段と、前記位置検出手段の検出値と前記表示手段の表示画像の中心位置との偏差を算出する偏差算出手段と、この偏差算出手段の算出による偏差を零に抑制するための移動指令を前記移動手段に出力する移動指令手段とを備えてなることを特徴とする請求項2記載の裏波溶接制御装置。
- 前記照射手段は、溶融プールにレーザ光を照射するレーザ投光手段で構成され、前記撮像手段は、レーザ光のみを透過する干渉フィルタを介して前記溶融プールを撮像してなることを特徴とする請求項2または3記載の裏波溶接制御装置。
- 前記レーザ投光手段は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器からのレーザ光を伝送する光ファイバと、この光ファイバの伝送によるレーザ光を前記溶融プールに向けて照射するレーザ投光器とを備えて構成されてなることを特徴とする請求項4記載の裏波溶接制御装置。
- 前記レーザ発振器は半導体レーザダイオードを備えて構成されてなることを特徴とする請求項5記載の裏波溶接制御装置。
- 前記レーザ投光手段から前記溶融プールに向けて照射されるレーザ光の伝送路中にビーム整形板が配置されてなることを特徴とする請求項4または5記載の裏波溶接制御装置。
- 前記形状特徴量抽出手段は、前記溶融プールの幅、長さ、面積のいずれかを前記溶融プールの形状特徴量として抽出してなることを特徴とする請求項2記載の裏波溶接制御装置。
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