JP4403881B2

JP4403881B2 - 溶接部可視化装置

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Publication number: JP4403881B2
Application number: JP2004159546A
Authority: JP
Inventors: 武人八木; 輝行島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005334957A

Description

本発明は、レーザ溶接、プラズマ溶接、アーク溶接等の溶接を行う際に溶接部を観察するために用いる溶接部可視化装置に関するものである。

溶接を行う場合、発生する溶融池及びその周辺部、たとえば、溶接進行方向前方に位置する開先の状態や溶接後に形成されるビードの状態等を含んだ溶接部を観察することは、溶接品質の管理、安定化のために重要なことである。

しかし、溶接時における溶接部からは、溶接に用いるレーザ、プラズマ、アークの散乱光等の光が強烈に発せられ、特に、レーザ溶接やプラズマ溶接では、溶融池の発光よりもレーザやプラズマの散乱光の方が強いため、たとえば、光学的な減光フィルタを装備したカメラで撮影しようとしても、溶融池の部分が過度の光量によりハレーションを引き起こすようになるため、溶融池の観察を行なうことは極めて困難である。

そのために、レーザ溶接における溶接部を監視する手法の一つとしては、強力（高輝度）な照明光源を用いてカメラにより直接観測する手法が従来提案されている。かかる手法に用いる装置として、本出願人は、図３に示す如き溶接部可視化装置を提案している。

これは、レーザ溶接による溶融池１へ該溶融池１よりも高輝度な短パルスレーザ光３を照射するための短パルスレーザ光源２と、溶融池１付近を撮影する高速度シャッタ５を具備したカメラ４と、上記短パルスレーザ光源２による短パルスレーザ光３の照射タイミングを上記カメラ４の高速度シャッタ５の開閉に同期させるタイミング装置６とを備え、更に、上記短パルスレーザ光３の波長を透過させると同時に、レーザ溶接に用いる連続的なレーザ光の散乱光における所要の波長領域をカットしてレーザ散乱光を減光させるためのフィルタ７を上記カメラ４に装備させた構成を有している。

なお、８はミラー９及びレンズ１０等からなる高輝度照明用の光学系であり、上記短パルスレーザ光源２より出射される短パルスレーザ光３を、上記ミラー９及びレンズ１０を経て溶接部、すなわち、溶融池１及びその周辺部へ所要の広がりをもって照射できるようにしてある。又、１１はレーザ溶接トーチ、１２は溶接対象となる母材、１３はカメラ４の画像を表示するモニタを示す。

これにより、上記溶接部可視化装置によれば、レーザ溶接トーチ１１により母材１２に形成される溶融池１に向けて、上記短パルスレーザ光源２より溶融池１よりも高輝度な短パルスレーザ光３を照明用として照射することにより、溶融池１及びその周辺部にレーザ散乱光以上の発光強度を与え、同時に、上記フィルタ７及び短パルスレーザ光源２の照射タイミングと同期する高速度シャッタ５により、上記高輝度照明された溶融池１からの光はカメラ４に入射させる一方、それ以外のレーザ散乱光等の有害光をほとんどカットして入射光量を大幅に減らすことにより、モニタ１３上にて、ハレーションを生じることなく溶接部における溶融池１及びその周辺部の可視観察を行なうことが可能になる（たとえば、特許文献１参照）。

ところで、上記溶接部可視化装置における短パルスレーザ光源２としては、Ｎｄ−ＹＡＧレーザが用いられている。かかるＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波は、波長１０６４ｎｍの赤外領域の光である。しかし、上記カメラ４に用いられているＣＣＤは、その光学的な特性上、波長１０６４ｎｍの光に対する感度は、可視光に対する感度の１０％程度しか得られないものとなっている。一方、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波（波長１０６４ｎｍの光）を波長変換して得られる波長５３２ｎｍの第２高調波は、上記基本波からの変換効率は５０％強程度にしか過ぎないものであるが、可視光（グリーンの光）であるために、ＣＣＤにおける検出感度は基本波に比して１０倍程度得ることができる。そのため、従来は、上記カメラ４のＣＣＤにおける検出効率を高めることができるようにするために、上記溶接部の高輝度照明に用いる短パルスレーザ光３としては、Ｎｄ−ＹＡＧレーザとして発振させた波長１０６４ｎｍの基本波を短パルスレーザ光源２内で波長変換してなる波長５３２ｎｍの第２高調波を用いるようにしてある。なお、上述したように、上記Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波から第２高調波への波長変換は、変換効率が５０％強程度に過ぎないため、上記短パルスレーザ光源２から出射される短パルスレーザ光３には、波長変換されずに残存する基本波が第２高調波とともに含まれている。

このために、上記溶融部可視化装置においては、通常、短パルスレーザ光源２の出射側の直後に設けるミラー９を波長分離型のミラーとして、上記短パルスレーザ光源２より出射される短パルスレーザ光３を、該波長分離型のミラー９に照射して第２高調波より基本波を分離した後、該基本波の分離除去された第２高調波のみからなる短パルスレーザ光３を、以降の高輝度照明用光学系８を経て溶融池１とその周辺部へ向けて照射させるようにしてある。

なお、上記波長分離型のミラー９において第２高調波より分離された基本波は、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン製のダンパープレート（図示せず）へ向けて照射させること等によりエネルギーを散逸させるようにしてある。

又、溶接部の周辺部を観察するために従来提案されている別の手法としては、平面状の光線を溶接部に投射して光切断像を得ることにより形状計測を行なう光切断法がある。かかる光切断法を採用した装置としては、たとえば、図４に示す如きアーク溶接監視装置が従来提案されている。

これは、上記光切断法による形状計測を行なうために、鋼板の如き被溶接材１４同士の突き合せ溶接部における或る時点の溶接位置よりも溶接進行方向前方に所要寸法離隔した溶接予定位置の開先部１５にスリット状の光線（スリット光）１７を投射するスリット光投光器１６と、該スリット光１７が投射された位置を撮影する断面形状測定用カメラ１８と、該カメラ１８の映像より上記スリット光１６の投射により被溶接材１４の表面に生じる輝線、すなわち、断面プロフィール（光切断像）１９を溶接部断面形状の情報として抽出する画像処理装置２０とを備えた構成としてある。更に、上記アーク溶接監視装置は、溶接トーチ２１にて発生させる溶接アーク２２及び発生する溶着金属のプール（溶融池）２３を撮影するアークカメラ２４を設けると共に、上記画像処理装置２０にて得られた図５（イ）に示す如き被溶接材１４と開先部１５の光切断像１９と、上記アークカメラ２４により撮影される図５（ロ）に示す如き溶接アーク２２及び溶融池２３の画像とを合成して図５（ハ）に示す如き合成画像としてモニタ２５へ表示させる画像合成装置２６とを備えてなる構成としてある。

なお、２７は各カメラ１８，２４ごとに設けてあるカメラコントローラ、２８は上記画像処理装置２０で光切断像１９として抽出した溶接部断面形状の情報を一時記憶するためのメモリ、２９はタイミングコントローラであり、該タイミングコントローラ２９により、或る時点における溶接位置よりも溶接進行方向の所要寸法前方に設定してあるスリット光１７の投射位置と、アークカメラ２４により撮影される溶接位置とのずれを考慮して、断面形状測定用カメラ１８により撮影されて予め得られている光切断像１９を、アークカメラ２４により撮影される溶接部のアーク画像の表示タイミングに合わせて合成させるようにしてある。

これにより、上記アーク溶接監視装置では、溶接部における溶接アーク２２及び溶融池２３と、被溶接材１４同士の間に形成されている開先部１５の断面形状の光切断像１９を、同時に１つのモニタ２５上で観察することが可能になるようにしてある（たとえば、特許文献２参照）。

なお、上記光切断法における計測対象物に投射する平面状の光線として、上記スリット光１７に代えて、点状のレーザ光をスキャンさせて用いたり、レーザ光をレンズを通して拡大して作ったファンビーム（レーザストライプ）によって行なうようにすることも考えられてきている。

特開平１１−１７９５７８号公報特開平１０−６００６号公報

ところが、上記図３に示した溶接部可視化装置によれば、溶融池１及びその周辺部の溶接部全体の観測を行なうことができて有効である。しかし、凹凸形状、たとえば、突き合せ溶接部における開先のずれ等の凹凸形状の実測が難しいというのが実状である。

一方、光切断法は、計測対象物表面の凹凸形状の計測には適しているが、溶接部全体、たとえば、溶融池の情報やその周辺部の情報を同時取得することが困難である。

なお、上記図４に示した如きアーク溶接監視装置では、アークカメラ２４による溶接アーク２２及び溶融池２３の観測データの画像と、断面形状測定用カメラ１８により得られる開先部１５の光切断像１９とを重ね合わせて同時に観察することができるようにしてあるものであるが、上記スリット光１７により形成される光切断像１９の視覚情報が、溶接アーク２２の光によって打ち消されないようにするために、溶接アーク２２を撮影するためのアークカメラ２４とは別に、光切断像１９を得るための断面形状測定用カメラ１８を設けなければならず、２台のカメラを設置するためコストが嵩むという問題がある。

更に、上記光切断像１９の視覚情報が溶接アーク２２の光に打ち消されないようにするために、スリット光１７の投射位置は、溶接アーク２２よりも溶接進行方向の前方へ所要寸法離れた位置に設定する必要がある。このため、光切断像１９と、溶接アーク２２及び溶融池２３の観察データでは時間的なずれが生じることから、溶接直前の開先部１５の凹凸形状に関する情報を得ることができないという問題もある。

更に、上記特許文献２に記載されたものは、アーク溶接における溶接部の観察を行なうための装置であって、前述したように、溶融池よりも高輝度なレーザやプラズマの散乱光が生じるレーザ溶接やプラズマ溶接では、カメラにより溶融池自体の撮影が困難になることから、レーザ溶接やプラズマ溶接にそのまま適用できるものではない。

そこで、本発明者等は、短パルスレーザ光による強力な照明光源を用いてカメラにより直接観測する従来の溶接部可視化装置を更に拡張、発展させて、短パルスレーザ光源による高輝度照明の下で溶接部の撮影を行うと同時に光切断像による溶接部の凹凸形状の情報取得も同時に行なえるようにするための工夫、研究を重ねた結果、本発明をなした。

したがって、本発明の目的とするところは、大幅なコストの増加を招くことなく、一台のカメラによってレーザ溶接、プラズマ溶接、アーク溶接等の各種溶接時における溶接部の全体の直接観測と同時に、光切断計測手法による溶接部の凹凸形状の情報取得をも行なうことができる溶接部可視化装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に係る発明に対応して、溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度な短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、該高輝度照明用光学系とは異なる波長の短パルスレーザ光を上記溶接部より発せられる光よりも高輝度なファンビーム状にして上記高輝度照明用光学系の短パルスレーザ光と同期したタイミングで上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記各光学系からの短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とする。

又、請求項２に係る発明に対応して、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源の出射側に、該短パルスレーザ光源より出射される短パルスレーザ光を各波長ごとに分離するための波長分離部を設け、且つ該波長分離部にて波長分離される一方の波長の短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、他方の波長の短パルスレーザ光をファンビーム状にして上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とする。

更に、上記構成において、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、レーザ発振による基本波及び該基本波を波長変換してなる各高調波のうちの２つの波長を同時に出射する機能を有するものとした構成とする。

上記構成において、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波を内部で所要の変換効率で波長変換して、該基本波と第２高調波を同時に出射するものとした構成とする。

上記各構成における光切断計測用光学系を、波長分離部より入射する短パルスレーザ光を複数のファンビームとして、溶融池及びその周辺部からなる溶接部の複数個所に投射する機能を有するものとした構成とする。

本発明の溶接部可視化装置によれば、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度な短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、該高輝度照明用光学系とは異なる波長の短パルスレーザ光を上記溶接部より発せられる光よりも高輝度なファンビーム状にして上記高輝度照明用光学系の短パルスレーザ光と同期したタイミングで上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記各光学系からの短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成としてあるので、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を用いて、溶接部を該溶接部の発光強度よりも高輝度に照明できると同時に、溶接部に光切断像を形成させることができ、この高輝度照明されたときの溶接部全体の映像と、同時に形成される光切断像を、高速度シャッタを装着したカメラにより溶接部より発生する散乱光等の有害光の影響を抑制した状態で撮影することができる。したがって、溶接部の直接観察と、光切断像に基づく凹凸形状の情報を同時に得ることができる。
（２）上記のように溶接部の直接観察と、凹凸形状の情報取得を、一台のカメラを備えた構造で実現できるため、装置に要するコストを抑えることができる。
（３）２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源の出射側に、該短パルスレーザ光源より出射される短パルスレーザ光を各波長ごとに分離するための波長分離部を設け、且つ該波長分離部にて波長分離される一方の波長の短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、他方の波長の短パルスレーザ光をファンビーム状にして上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成とすることにより、上記（１）及び（２）と同様の効果を得ることができ、更に、同じ短パルスレーザ光源より出力される２つの異なる波長の短パルスレーザ光を用いて、溶接部の高輝度照明と該溶接部における光切断像の形成を行わせることができるため、短パルスレーザ光源は１つでよく、したがって、該短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングをカメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置も１つでよいため、装置に要するコストを更に抑制することが可能となる。
（４）又、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、レーザ発振による基本波及び該基本波を波長変換してなる各高調波のうちの２つの波長を同時に出射する機能を有するものとした構成とすることにより、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を出力する短パルスレーザ光源を容易に得ることができる。
（５）更に、２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波を内部で所要の変換効率で波長変換して、該基本波と第２高調波を同時に出射するものとした構成とすることにより、高輝度照明として波長５３２ｎｍの可視光領域のＮｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波による短パルスレーザ光を用いることができると共に、赤外領域である波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波による光切断像を得ることができるようになることから、ＣＣＤカメラでの撮影に適した像を得ることができる。
（６）光切断計測用光学系を、波長分離部より入射する短パルスレーザ光を複数のファンビームとして、溶融池及びその周辺部からなる溶接部の複数個所に投射する機能を有するものとした構成とすることにより、溶接部の複数個所における凹凸形状の情報を同時に得ることが可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１（イ）（ロ）は本発明の溶接部可視化装置の実施の一形態を示すもので、以下のような構成としてある。

すなわち、図３に示したと同様に、溶融池１よりも高輝度の短パルスレーザ光を出力する短パルスレーザ光源２と、該短パルスレーザ光源２より出射される短パルスレーザ光のうち、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波による短パルスレーザ光３を、溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系８ａと、溶接部を撮影するための高速度シャッタ５を備えてなるカメラ（ＣＣＤカメラ）４と、上記短パルスレーザ光源２の照射タイミングを上記カメラ４の高速度シャッタ５の開閉に同期させるタイミング装置６とを備えてなる構成において、上記短パルスレーザ光源２の出射側の直後位置に、上記短パルスレーザ光源２より出射される短パルスレーザ光に含まれるＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波と第２高調波を分離して、第２高調波からなる短パルスレーザ光（以下、第２高調波短パルスレーザ光という）３は上記高輝度照明用光学系８ａへ向けて射出でき、且つ上記基本波からなる短パルスレーザ光（以下、基本波短パルスレーザ光という）３１を別方向へ放射する波長分離ミラー３０を設ける。更に、該波長分離ミラー３０より放射される基本波短パルスレーザ光３１を溶接部まで導くと共に、該基本波短パルスレーザ光３１を、平面状のファンビーム３２として上記カメラ４とは所要角度ずれた位置より該カメラ４の視野内となる溶接部の所要位置へ投射して該位置における光切断像を得るための光切断計測用光学系３３を設ける。

詳述すると、上記短パルスレーザ光源２は、その内部でＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波を所要の変換効率で第２高調波に波長変換して、該波長変換された第２高調波と、変換されずに残存する基本波とからなる２つの異なる波長の短パルスレーザ光３，３１を、同時に出射するものとしてある。

上記波長分離ミラー３０は、短パルスレーザ光源２より出射される短パルスレーザ光の光路上に、たとえば、斜め４５°に傾斜配置してあり、上記短パルスレーザ光源２より入射する短パルスレーザ光のうち、第２高調波短パルスレーザ光３は入射方向とは直角の方向へ出射できるようにしてあると共に、基本波短パルスレーザ光３１は、入射方向に沿う方向のまま裏面側へ通過させて出射できるようにしてある。

上記高輝度照明用光学系８ａは、上記波長分離ミラー３０より出射される第２高調波短パルスレーザ光３が入射する位置に入射側端部となる一端部を配設し、且つ出射側となる他端側が溶接部近傍に達するよう配置した光ファイバ３４と、該光ファイバ３４の出射側端部に取り付けたレンズ部３５とからなり、上記波長分離ミラー３０より入射して光ファイバ３４を経て伝送される上記第２高調波短パルスレーザ光３を、上記レンズ部３５で広げて溶接部における溶融池１とその周辺部へ向けて溶融池１よりも高輝度な照明光として照射できるようにしてある。

上記光切断計測用光学系３３は、上記波長分離ミラー３０より出射される基本波短パルスレーザ光３１が入射する位置に入射側端部となる一端部を配設し、且つ出射側となる他端側が溶接部近傍に達するよう配置した光ファイバ３６と、該光ファイバ３６の出射側端部に取り付けたレンズ部３７とからなり、上記波長分離ミラー３０より入射して上記光ファイバ３６を経て伝送される基本波短パルスレーザ光３１を、上記レンズ部３７にて扇状に広げて溶融池１よりも高輝度なファンビーム３２として、上記カメラ４の視野内となる溶融池１よりも溶接進行方向の直前位置に、溶接進行方向と直交する方向に沿って、すなわち、突き合せ溶接における開先の延びる方向とほぼ直交する方向に沿って投射できるようにしてある。なお、上記ファンビーム３２として投射するＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波による波長１０６４ｎｍの短パルスレーザ光３１は、カメラ４のＣＣＤにおける検出感度が上記溶接部の高輝度照明用に用いる第２高調波による波長５３２ｎｍの短パルスレーザ光３に比して低いものであるが、上記基本波短パルスレーザ光３１はファンビーム３２として平面内で広げるのみでよいため、上記第２高調波短パルスレーザ光３により照明された領域を撮影するカメラ４に対して十分検出可能な強度として母材１２上に投射させることが可能である。

更に、上記カメラ４には、図１（イ）に示す如く、４６０ｎｍよりも長波長側を選択的に透過させるシャープカットフィルタ３８を装着させるようにしてもよい。かかるシャープカットフィルタ３８を装着すると、上記第２高調波短パルスレーザ光３及び基本波短パルスレーザ光３１による視覚情報を減じることなく、溶接部で生じるプラズマ光等の散乱光を選択的にカットできる。又、カメラ４として、カラーＣＣＤを備えているカメラ４を使用している場合には、上記Ｎｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波短パルスレーザ光３の照射により高輝度照明される溶融池１及びその周辺部の画像を緑色の画像として得ることができると同時に、本来、白色光である光を、得られる画像上で黄色の像として表示させることが可能となる。

その他の構成は図３に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。

上記本発明の溶接部可視化装置を使用すると、レーザ溶接トーチ１１により母材１２に形成される溶融池１に向けて、上記第２高調波短パルスレーザ光３が、溶融池１よりも高輝度な照明としてパルス状に照射される。この第２高調波短パルスレーザ光３の照射によって溶融池１及びその周辺部にレーザ散乱光以上の発光強度が与えられるタイミングと同期するようタイミング装置６によりカメラ４の高速度シャッタ５が開閉されることから、図３に示した如き従来の溶接部可視化装置と同様に、上記高輝度照明された溶融池１からの光はカメラ４に入射される一方、それ以外のレーザ散乱光等の有害光はカットされて入射光量が大幅に減じられ、更に、上記シャープカットフィルタ３８によっても、有害光がカットされることから、図１（ロ）に示す如く、モニタ１３上にて、ハレーションを生じることなく溶接部における溶融池１及びその周辺部の可視観察が行なわれるようになる。

同時に、上記カメラ４の視野内における溶融池１の溶接進行方向直前位置では、基本波短パルスレーザ光３１によるファンビーム３２が投射されることに伴い、溶接部における母材１２の表面に、輝線として光切断像３９が形成される。この光切断像は、上記短パルスレーザ光源２の照射タイミングと、カメラ４の高速度シャッタ５が同期されていることに伴い、上記カメラ４によって撮影される。この際、該光切断像３９を形成する基本波短パルスレーザ光３１の波長は１０６４ｎｍであって、上記溶接部の高輝度照明に用いている波長５３２ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波とは波長が異なるようにしてあるため、カメラ４のＣＣＤがカラーＣＣＤの場合には、図１（ロ）に示す如く、上記光切断像３９は、モニタ１３上にて上記第２高調波短パルスレーザ光３により緑色に高輝度照明された状態で得られる溶融池１及びその周辺部の画像中に、異なる色で、すなわち、上記カラーＣＣＤの波長１０６４ｎｍの赤外領域の光に対する特性上、白色として表示されるようになる。

又、カメラ４のＣＣＤが白黒のＣＣＤである場合には、上記光切断像３９は、モニタ画像中に輝線として表示されるようになる。

このように、本発明の溶接部可視化装置によれば、一台のカメラ４で撮影する画像を用いて、高輝度照明の下での溶融池１及びその周辺部からなる溶接部全体を直接観察できると同時に、溶接部における溶接直前個所の光切断像３９を得ることができる。よって、該光切断像３９を画像解析することにより上記溶接部の凹凸形状に関する情報取得をも行なうことが可能になる。

又、上記光切断像３９としては、溶融池１の発光に阻害されることなく、該溶融池１の溶接進行方向直前位置における光切断像３９を得ることができることから、該光切断像３９を基に得られる開先部の形状に関する情報と、該情報の得られた開先部が実際に溶接されるまでの間のタイムラグをなくすことが可能になる。

更に、本発明の溶接部可視化装置の構成は、短パルスレーザ光源２としては、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波と基本波からなる２つの異なる波長の短パルスレーザ光３，３１を出射できるようにしてある短パルスレーザ光源２が一台あればよく、又、カメラ４は一台でよく、更に、該カメラ４の高速度シャッタ５の開閉に上記短パルスレーザ光源２の照射タイミングを同期させるためのタイミング装置６も一台あればよいことから、図３に示した如き本出願人が従来提案している溶接部可視化装置に比して大幅なコスト増を招くことなく製造することが可能となる。

更に又、溶接部は、可視光領域である波長５３２ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザの第２高調波による短パルスレーザ光３により高輝度照明されると同時に、赤外領域である波長１０６４ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザの基本波短パルスレーザ光３１による光切断像を得ることができることから、ＣＣＤカメラによる撮影に適した像を得ることができる。

次に、図２（イ）（ロ）は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１（イ）（ロ）に示したと同様の構成において、光ファイバ３６とレンズ部３７とからなり基本波短パルスレーザ光３１をファンビーム３２として溶接部の母材１２表面の一個所に投射するようにしてある光切断計測用光学系３３を設けることに代えて、上記基本波短パルスレーザ光３１を複数に分けて溶接部における母材１２表面の複数個所にファンビーム３２を投射できるようにした光切断計測用光学系３３ａを設けるようにしたものである。

具体的に説明すると、上記光切断計測用光学系３３ａは、図１（イ）に示したと同様に波長分離ミラー３０より入射する基本波短パルスレーザ光３１を伝送するための光ファイバ３６の出射側端部に、ビームスプリッタ４０を介して２本の分岐光ファイバ４１ａ，４１ｂの入射側端部を接続し、且つ該各分岐光ファイバ４１ａ，４１ｂの出射側端部に、図１（イ）に示したレンズ部３７と同様のレンズ部３７ａ，３７ｂをそれぞれ取り付けてなる構成としてあり、上記光ファイバ３６を伝送される基本波短パルスレーザ光３１を、上記ビームスプリッタ４０にて二分して各分岐光ファイバ４１ａ，４１ｂへ導くと共に、該各分岐光ファイバ４１ａ，４１ｂのそれぞれ対応するレンズ部３７ａ，３７ｂにてファンビーム３２ａ，３２ｂとして、カメラ４の視野内における、たとえば、溶融池１の溶接進行方向の直前位置と直後位置に、それぞれ溶接進行方向とほぼ直交する方向に沿わせて投射できるようにしてある。

その他の構成は図１（イ）（ロ）に示したものと同様であり、同一のものには同一符号が付してある。

本実施の形態によれば、図１（イ）（ロ）に示した実施の形態と同様に第２高調波短パルスレーザ光３によって高輝度照明された溶接部全体をモニタ１３の画像上にて直接観測することができると同時に、溶融池１の溶接進行方向の直前位置に投射されたファンビーム３２ａによる光切断像３９ａから溶接直前個所の開先部の形状に関する情報を得ることができ、更に、溶融池１の溶接進行方向直後位置に投射されたファンビーム３２ｂによる光切断像３９ｂにより、溶接直後に形成されるビードの凹凸形状に関する情報も同時に得ることができる。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、図１（イ）（ロ）の実施の形態における基本波短パルスレーザ光３１によるファンビーム３２を投射する位置は、溶融池１の真上や、溶融池１の溶接進行方向直後位置に設定してもよい。この場合、それぞれ溶融池１や、溶接直後に形成されるビードの凹凸形状に関する情報を得ることが可能となる。又、図２（イ）（ロ）の実施の形態では、基本波短パルスレーザ光３１によるファンビーム３２ａ，３２ｂを溶融池１の溶接進行方向の直前位置と直後位置の２個所に投射するものとして示したが、光切断計測用光学系にて上記基本波短パルスレーザ光３１を３分割以上に複数分割して、カメラ４の視野内となる３個所以上にファンビームを投射して該各個所における光切断像を得るようにするようにしてもよい。この場合、各ファンビームを投射する位置は、カメラ４の視野内であれば、溶融池１の溶接進行方向の前方や後方、あるいは、溶融池１の真上等、任意の位置に設定できる。

短パルスレーザ光源２としては、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波を所要の変換効率で第２高調波へ波長変換して、該第２高調波と変換されずに残存する基本波による短パルスレーザ光３，３１を出力するものとして示したが、溶接時に溶融池１より発せられる散乱光よりも光輝度な２つの異なる波長の短パルスレーザを出力することができれば、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ以外のレーザ光源を使用してもよく、又、所要のレーザの基本波と該基本波を波長変換して得られる各高調波のうち、任意の２つの波長の短パルスレーザ光を同時に出力するレーザ光源を使用してもよい。更には、高輝度照明用光学系８ａより照射させるための短パルスレーザ光３と、光切断計測用光学系３３，３３ａよりファンビームとして照射させるための短パルスレーザ光３１は、装置に要するコストを抑制する観点からすると同じ短パルスレーザ光源２より出力させることが好ましいが、照射タイミングの同期した個別の短パルスレーザ光源よりそれぞれ出力させるようにしてもよい。

高輝度照明用光学系８ａ及び光切断計測用光学系３３，３３ａは、いずれも光ファイバ３４，３６，４１ａ，４１ｂをレーザ光の伝送経路として用いたものを示したが、対応するレーザ光をそれぞれ所望する照射個所まで導くことができれば、ミラーを用いたり、ミラーと光ファイバを併用する等、いかなる構成としてもよい。波長分離部としては、１つの波長分離ミラー３０を示したが、短パルスレーザ光源２より出射される２つの異なる波長の短パルスレーザ光を、それぞれ波長ごとに分離することができれば、複数の波長分離ミラーを組み合わせたり、波長分離ミラー３０以外の波長分離装置を用いるようにしてもよい。カメラ４にはシャープカットフィルタ３８を装着することが好ましいが、設けなくてもよい。

本発明の溶接部可視化装置は、ＹＡＧレーザあるいはＣＯ_２レーザ等、溶接に用いるレーザ光の種類に限定されることなく各種レーザ溶接における溶接部の観察に適用できる。
更に、プラズマ溶接、アーク溶接等の各種溶接方法による溶接部の観察に適用できる。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の溶接部可視化装置の実施の一形態を示すもので、（イ）は全体の概要を示す斜視図、（ロ）はモニタに表示される画像を示す図である。本発明の実施の他の形態を示すもので、（イ）は全体の概要を示す斜視図、（ロ）はモニタに表示される画像を示す図である。本出願人が従来提案している溶接部可視化装置を示す概要図である。従来提案されている光切断法を採用したアーク溶接監視装置の概要を示す斜視図である。図４の装置にて得られる画像情報を示すもので、（イ）は断面形状測定用カメラにて撮影される光切断像を、（ロ）はアークカメラにて撮影される溶接アーク及び溶融池を、（ハ）は（イ）及び（ロ）の画像を合成して得られる画像をそれぞれ示すものである。

符号の説明

１溶融池（溶接部）
２短パルスレーザ光源
３第２高調波短パルスレーザ光（短パルスレーザ光）
４カメラ
５高速度シャッタ
６タイミング装置
８ａ高輝度照明用光学系
３０波長分離ミラー（波長分離部）
３１基本波短パルスレーザ光（短パルスレーザ光）
３２，３２ａ，３２ｂファンビーム
３３，３３ａ光切断計測用光学系
３９，３９ａ，３９ｂ光切断像

Claims

溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度な短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、該高輝度照明用光学系とは異なる波長の短パルスレーザ光を上記溶接部より発せられる光よりも高輝度なファンビーム状にして上記高輝度照明用光学系の短パルスレーザ光と同期したタイミングで上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記各光学系からの短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成を有することを特徴とする溶接部可視化装置。
２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源の出射側に、該短パルスレーザ光源より出射される短パルスレーザ光を各波長ごとに分離するための波長分離部を設け、且つ該波長分離部にて波長分離される一方の波長の短パルスレーザ光を上記溶接部へ照明用として照射するための高輝度照明用光学系と、他方の波長の短パルスレーザ光をファンビーム状にして上記溶接部へ照射する光切断計測用光学系とを備え、更に、上記高輝度照明用光学系と光切断計測用光学系より照射された２つの異なる波長の短パルスレーザ光により高輝度照明と光切断像の形成が行われた上記溶接部を撮影するための高速度シャッタを備えてなるカメラと、上記短パルスレーザ光源による短パルスレーザ光の照射タイミングを上記カメラの高速度シャッタの開閉に同期させるタイミング装置を備えてなる構成を有することを特徴とする溶接部可視化装置。
２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、レーザ発振による基本波及び該基本波を波長変換してなる各高調波のうちの２つの波長を同時に出射する機能を有するものとした請求項２記載の溶接部可視化装置。
２つの異なる波長の短パルスレーザ光を溶融池及びその周辺部からなる溶接部より発せられる光よりも高輝度となるよう同時出力する短パルスレーザ光源を、Ｎｄ−ＹＡＧレーザの基本波を内部で所要の変換効率で波長変換して、該基本波と第２高調波を同時に出射するものとした請求項３記載の溶接部可視化装置。
光切断計測用光学系を、波長分離部より入射する短パルスレーザ光を複数のファンビームとして、溶融池及びその周辺部からなる溶接部の複数個所に投射する機能を有するものとした請求項２、３又は４記載の溶接部可視化装置。