JP3579788B2

JP3579788B2 - 裏波溶接制御方法及びその装置

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Publication number: JP3579788B2
Application number: JP19828999A
Authority: JP
Inventors: 信雄柴田; 昇斎藤; 光明羽田; 武和田; 康方玉井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 1999-07-13
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2019-07-13
Also published as: JP2001025867A

Description

【０００１】
【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
２４ＣＣＤカメラ
２８レーザ投光器
３０ビーム整形板
３２干渉フィルタ
３４ＣＣＤ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

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。