JP5186914B2 - Welding state detection device and welding state detection method - Google Patents
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Description
本発明は、レーザーを用いて溶接される板材の溶着状態を検出することができる溶着状態検出装置および溶着状態検出方法に関する。 The present invention relates to a welding state detection device and a welding state detection method capable of detecting a welding state of a plate material to be welded using a laser.
従来、複数枚の板材をレーザーで溶接した場合、その溶接の品質はたとえば下記特許文献1に示されているようにして検査される。 Conventionally, when a plurality of plate materials are welded with a laser, the quality of the welding is inspected, for example, as shown in Patent Document 1 below.
すなわち、溶接時にキーホールから発生されるプラズマ光を2つのセンサによって検出し、検出したプラズマ光の周波数分布を求め、求めた周波数分布を基準となる周波数分布と比較することによって、溶接の品質を検査している。
しかしながら、従来の溶接の品質の検査方法では、プラズマ光の周波数分布に基づいて溶接の品質を検査しているので、重ね合わせた複数の板材のうち、レーザー光の照射側にある板厚が厚い場合は、薄い板厚の場合に比べ、検査精度が若干低下する場合がある。 However, in the conventional welding quality inspection method, the welding quality is inspected based on the frequency distribution of the plasma light. Therefore, the thickness on the laser beam irradiation side is thick among the plurality of stacked plate materials. In some cases, the inspection accuracy may be slightly lower than in the case of a thin plate thickness.
すなわち、プラズマ光の周波数分布は、レーザー光の照射部に生じる溶融池の形状などの状態変化に起因する固有振動数の変化から得られるもので、溶融池の固有振動数の変化は、正常な溶接が行なわれている場合には複数枚の板材の総板厚に依存する。ところが、溶融池の固有振動数の変化は、板材間に隙間が生じて溶融池がそれぞれの板材に分離してしまった場合(未溶着が発生した場合)には、レーザー光の照射側に位置される板材の板厚に大きく依存するようになる。したがって、レーザー光の照射側に位置される板材の板厚が厚い場合には、未溶着の発生が検出しづらくなる傾向にあり、特にレーザー光の照射側の裏側にある板厚が、照射側の板厚よりも薄い場合には顕著となる。 That is, the frequency distribution of the plasma light is obtained from the change in the natural frequency caused by the state change such as the shape of the molten pool generated in the laser light irradiation part, and the change in the natural frequency of the molten pool is normal. When welding is performed, it depends on the total thickness of a plurality of plate members. However, the change in the natural frequency of the molten pool is caused by the gap between the plate materials, and when the molten pool is separated into the respective plate materials (when non-welding occurs), it is located on the laser beam irradiation side. It depends greatly on the thickness of the plate material. Therefore, when the plate thickness of the plate located on the laser beam irradiation side is thick, it tends to be difficult to detect the occurrence of unwelding. In particular, the plate thickness on the back side of the laser beam irradiation side is difficult to detect. It becomes remarkable when it is thinner than the plate thickness.
たとえば、2枚の板材をレーザー光で溶接する場合、レーザー光の照射側に位置される板材(上板)の厚みa(たとえば1.4mm)がレーザー光の照射側とは反対側に位置される板材(下板)の厚みb(たとえば0.65mm)と大きく異なると、未溶着が発生しても、プラズマ光の周波数分布に大きな変化が生じない。未溶着が発生した場合、プラズマ光の周波数分布の変化は、両板厚の和であるa+bの値が上板の板厚aに近づくほど小さくなる。つまり、上板の厚みが下板の厚みに対して厚くなればなるほど検出精度が低下する傾向にあるので、より高精度なセンサや解析装置が求められる。 For example, when two plate members are welded with laser light, the thickness a (for example, 1.4 mm) of the plate member (upper plate) positioned on the laser beam irradiation side is positioned on the side opposite to the laser beam irradiation side. If the plate material (lower plate) has a thickness b (for example, 0.65 mm) that is significantly different from the thickness b (for example, 0.65 mm), even if non-welding occurs, the frequency distribution of the plasma light does not change significantly. When unwelding occurs, the change in the frequency distribution of the plasma light becomes smaller as the value of a + b, which is the sum of both plate thicknesses, approaches the plate thickness a of the upper plate. That is, since the detection accuracy tends to decrease as the thickness of the upper plate becomes larger than the thickness of the lower plate, a highly accurate sensor and analysis device are required.
本発明は、このような従来の問題を解消するために成されたものであり、特にレーザー光の照射側に位置される板材の板厚に影響されることなく、溶着状態を高精度に検出することができる溶着状態検出装置および溶着状態検出方法の提供を目的とする。 The present invention has been made to solve such conventional problems, and in particular, detects the welding state with high accuracy without being affected by the thickness of the plate located on the laser beam irradiation side. An object of the present invention is to provide a welding state detection device and a welding state detection method that can be performed.
上記目的を達成するための本発明は、レーザーを用いて溶接される板材の溶着状態を検出する溶着状態検出装置である。 The present invention for achieving the above object is a welding state detection device for detecting a welding state of a plate material to be welded using a laser.
すなわち、複数枚の板材の重なる部分に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、レーザー照射部に形成されるキーホールが反射したレーザー光を受光するレーザー光受光手段と、受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する溶着状態検出手段と、を有し、固定した複数枚の板材は、前記レーザー光が照射される側に板厚の厚い板材を、前記レーザー光が照射される側とは反対側に前記レーザー光が照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を、少なくとも一部が重なるように固定され、前記溶着状態検出手段は、前記レーザー光の経時的な強度変化を示す波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取る比較手段を有する溶着状態検出装置である。 That is, a laser beam irradiating unit that irradiates a laser beam toward an overlapping portion of a plurality of plates, a laser beam receiving unit that receives a laser beam reflected by a keyhole formed in the laser irradiating unit, and a received laser beam A welding state detecting means for detecting a welding state of the plate material based on the intensity waveform of the plate, and the plurality of fixed plate materials are formed of a plate material having a large plate thickness on the side irradiated with the laser beam, A plate material having a thickness smaller than that on the side irradiated with the laser beam is fixed to the side opposite to the side irradiated with the light so that at least a part thereof overlaps , and the welding state detection means includes the laser welding shape that having a comparing means for comparing the model waveform representing temporal change in intensity of the laser light that is prepared in advance a waveform indicating a temporal change in light intensity correlating relationship between the two waveforms A detection device.
また、上記目的を達成するための本発明は、レーザーを用いて溶接される板材の溶着状態を検出する溶着状態検出方法である。 Moreover, this invention for achieving the said objective is the welding state detection method of detecting the welding state of the board | plate material welded using a laser.
すなわち、複数枚の板材を準備する段階と、準備した複数枚の板材を少なくとも一部が重なるように固定する段階と、固定した複数枚の板材が重なる部分に向けてレーザー光を照射する段階と、前記レーザー光を移動させる段階と、レーザー照射部に形成されるキーホールが反射したレーザー光を受光する段階と、受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する段階と、を含み、準備した複数枚の板材を少なくとも一部が重なるように固定する段階は、前記レーザー光が照射される側に板厚の厚い板材を、前記レーザー光が照射される側とは反対側に前記レーザー光が照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を、少なくとも一部が重なるように固定し、受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する段階は、前記レーザー光の経時的な強度変化を示す波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取ることによって、前記板材の溶着状態を検出することを特徴とする溶着状態検出方法である。 That is, a step of preparing a plurality of plate members, a step of fixing the prepared plurality of plate members so that at least a part thereof overlaps, and a step of irradiating a laser beam toward a portion where the plurality of fixed plate members overlap each other Moving the laser beam; receiving a laser beam reflected by a keyhole formed in the laser irradiation unit; detecting a welding state of the plate material based on an intensity waveform of the received laser beam; The step of fixing the prepared plurality of plate members so as to at least partially overlap each other is performed by using a thick plate member on the side irradiated with the laser beam and opposite to the side irradiated with the laser beam. the thin plate thickness of the plate material than the plate thickness of the side in which the on the side the laser beam is irradiated, and fixed so that at least partially overlap, welding shaped the plate based on the intensity waveform of the laser light received In the step of detecting the waveform, the waveform indicating the change in intensity of the laser beam with time is prepared in advance by comparing the two waveforms with a model waveform indicating the change in intensity of the laser beam with time. A welding state detection method , wherein the welding state of the plate material is detected .
本発明によれば、キーホールの状態に応じて変化するキーホールからのレーザー光の強度波形から溶接される板材の板厚に影響されることなく、溶着状態を高精度に検出することができる。 According to the present invention, the welding state can be detected with high accuracy without being affected by the thickness of the plate material to be welded from the intensity waveform of the laser beam from the keyhole that changes in accordance with the state of the keyhole. .
以下、添付した図面を参照して本発明を適用した最良の実施形態を説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, exemplary embodiments to which the invention is applied will be described with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明に係る溶着状態検出装置を適用したリモートレーザー溶接システムの概略構成図である。 FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a remote laser welding system to which a welding state detection apparatus according to the present invention is applied.
本発明に係る溶着状態検出装置は、レーザーを用いて溶接される板材の溶着状態をリアルタイムかつ高精度に検出することができる。また、リモートレーザー溶接システムは、ある溶接箇所から次の溶接箇所までの移動が極めて速いという特徴を有していることから、自動車の溶接工程に急速に用いられるようになった溶接システムである。 The welding state detection apparatus according to the present invention can detect the welding state of a plate material to be welded using a laser in real time and with high accuracy. In addition, the remote laser welding system is a welding system that is rapidly used in the welding process of automobiles because it has a feature that the movement from one welding point to the next welding point is extremely fast.
リモートレーザー溶接システムは、スキャナー100と、レーザー光受光部200と、アンプ300と、コンピュータ400とを備えている。
The remote laser welding system includes a
スキャナー100は、レーザー光照射手段として機能するものであって、レーザー光Lを異なる板厚を持つ2枚の板材10A、10Bの重なる部分に向けて照射する。レーザー光受光部200は、レーザー光受光手段として機能するものであって、レーザー照射部20に形成されるキーホールが反射したレーザー光を受光する。アンプ300は、受光したレーザー光に基づいてレーザー光受光部200が出力する電気信号を増幅する。コンピュータ400は、溶着状態検出手段として機能するものであって、アンプ300が増幅した電気信号を取り込んで2枚の板材10A、10Bの溶着状態を検出する。
The
スキャナー100は図示されていないロボットハンドに取り付けられる。スキャナー100は図示白抜き矢印の方向に移動され、2枚の板材10A、10Bに設定されている溶接箇所を溶接する。
The
なお、本実施形態では、本発明の内容の理解を容易にするために、レーザー光を照射する対象として2枚の板材10A、10Bを例示して説明するが、本発明は、レーザー光を照射する対象として3枚以上の板材であっても適用可能である。また、本実施形態では2枚の板材10A、10Bとして異なる厚みを有する板材を例示しているが同一の厚みを有する板材であっても良い。
In this embodiment, in order to facilitate understanding of the contents of the present invention, two
スキャナー100は、YAGレーザーダイオード110と、第1光学系120と、第2光学系130とを備えている。
The
YAGレーザーダイオード110は、YAGレーザー光を発生して外部に放射する。第1光学系120は、YAGレーザーダイオード110から出力されたレーザー光を平行光に変換する。第2光学系130は、第1光学系120から出力されたレーザー光を、ハーフミラー132、YAG光透過フィルター134、減衰フィルター136を介して、複数回反射させながら焦点を絞り込んで2枚の板材10A、10Bのレーザー照射部20に照射する。
The
レーザー光Lが照射される2枚の板材10A、10Bは、レーザー光Lが照射される側(上板)に板厚の厚い板材10Aを、レーザー光Lが照射される側とは反対側(下板)にレーザー光Lが照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を、少なくとも一部が重なるように固定されている。具体的には、上板となる板材10Aは1.4mmの厚みを有しており、下板となる板材10Bは0.65mmの厚みを有している。
The two
レーザー光受光部200は、反射ミラー210と、凸レンズ220と、レーザー光入力部230と、光ファイバー240と、反射ミラー250と、光学フィルター260と、フォトダイオード270とを備えている。
The laser
反射ミラー210は、レーザー照射部20に形成されるキーホールが反射したレーザー光を、第2光学系130に備えられている減衰フィルター136、YAG光透過フィルター134、ハーフミラー132を介して、ほぼ90°角度を変えて反射する。
The
凸レンズ220は、反射ミラー210で反射されたキーホールからのレーザー光を絞り込んでレーザー光入力部230に入力させる。レーザー光入力部230に入力されたレーザー光は光ファイバー240を介して反射ミラー250に向けて出力される。
The
反射ミラー250は、光ファイバー240から出力されるレーザー光をほぼ90°角度を変えて反射させ、光学フィルター260に向けて出力する。光学フィルター260は、レーザー光に含まれるノイズとなる波長領域の光をカットするものである。
The
フォトダイオード270は、入力したレーザー光の強度に応じた電気信号を出力する。
The
アンプ300は、フォトダイオード270から出力される電気信号をある一定のレベルまで増幅する。
The
コンピュータ400は、溶着状態検出手段として機能するものであって、アンプ300によって増幅された電気信号を入力し、この電気信号をA/Dコンバータによってディジタル化し、ディジタル化された電気信号に基づいて、現在行なわれている溶接が正常に行われているか、未溶着状態が発生しているかを検出する。コンピュータ400は、経時的な電気信号のレベルの強度変化の波形と等価なレーザー光の経時的な強度変化を示す波形を、あらかじめ準備してあるレーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取る比較部を有する。なお、レーザー光の経時的な強度変化を示す波形は、受光した生波形または受光した生波形をウェーブレット変換した後の波形のいずれかの波形である。
The
図2は、コンピュータ400の内部を機能別に分けたブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram in which the inside of the
コンピュータ400は、レーザー光強度変化波形記憶部410と、レーザー光強度変化モデル波形記憶部420と、ウェーブレット変換部430と、比較部440と、表示部450とを備えている。
The
レーザー光強度変化波形記憶部410は、アンプ300から出力されディジタル化された電気信号の生波形を経時的に記憶するものである。換言すれば、図3(A)または図3(B)に示すような、フォトダイオード270で捕らえられたレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形を記憶するものである。
The laser light intensity change
レーザー光強度変化モデル波形記憶部420は、未溶着状態の発生を検出するために、未溶着状態の発生時に生じるモデル波形を記憶するものである。換言すれば、図4(A)または図4(B)に示すような、フォトダイオード270で捕らえられた未溶着状態の発生時にレーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形を記憶するものである。なお、レーザー光強度変化モデル波形記憶部420は、レーザー光強度変化波形記憶部410に記憶されているレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形をそのまま用いて(ウェーブレット変換せずに)未溶着状態の発生を検出する場合には、図4(A)に示すような生のモデル波形を記憶させておく。これに対して、レーザー光強度変化波形記憶部410に記憶されているレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形をウェーブレット変換してから未溶着状態の発生を検出する場合には、図4(B)に示すようなウェーブレット変換後のモデル波形を記憶させておく。
The laser light intensity change model
ウェーブレット変換部430は、レーザー光強度変化波形記憶部410に記憶されているレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形をウェーブレット変換するものである。ウェーブレット変換は、ウェーブレット関数を用いた周波数解析手法の1つである。現在では、ウェーブレット変換は、一般的に知られている解析手法であるので、ここでの詳細な説明は省略する。なお、レーザー光強度変化波形記憶部410に記憶されているレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形をそのまま用いて未溶着状態の発生を検出する場合には、ウェーブレット変換部430は不要になる。
The
比較部440は、比較手段として機能するものであって、ウェーブレット変換部430によって変換されたウェーブレット変換後の波形とレーザー光強度変化モデル波形記憶部420に記憶されている未溶着状態の発生時に生じるモデル波形(ウェーブレット変換されている)とを比較しその相関関係を見て、相関関係が強ければ、未溶着の発生があると判断するものである。なお、ウェーブレット変換部430を設けていない場合には、比較部440は、レーザー光強度変化波形記憶部410に記憶されているレーザー光の経時的な強度変化を示す生波形とレーザー光強度変化モデル波形記憶部420に記憶されている未溶着状態の発生時に生じるモデル波形(ウェーブレット変換されてない)とを比較しその相関関係を見て、相関関係が強ければ、未溶着の発生があると判断する。なお、相関関係が強いか否かの判断は、モデル波形と類似している波形が存在しているか否かを数学的手法によって求める。相関関係の強弱を求める手法には様々なものがあるが、現在一般的に使用されているものであれば、どのような手法を用いても良い。
The
表示部450は、比較部440によって判断された未溶着の発生の有無を表示する。
以上のように構成された本発明に係る溶着状態検出装置は、概略次のように動作する。 The welding state detection apparatus according to the present invention configured as described above generally operates as follows.
まず、YAGレーザーダイオード110からレーザー光が出力される。レーザー光Lはスキャナー100によって板厚の異なる板材10A、10Bに照射される。レーザー光Lの照射によって照射部20に溶融池が形成されレーザー溶接が開始される。レーザー光Lは図1の白抜き矢印の方向に移動される。このとき、レーザー照射部20に形成されるキーホールより反射されたレーザー光はレーザー光受光部200に受光される。レーザー光受光部200から出力されるレーザー光の強弱に応じた電気信号は、アンプ300によって増幅される。増幅された電気信号はコンピュータ400でディジタル化されて時系列に記憶される。記憶された電気信号の波形はあらかじめ記憶されているモデル波形と比較され、モデル波形との相関が強い波形が存在すれば未溶着が発生していると判断し、モデル波形との相関が強い波形が存在しなければ正常に溶接が行われていると判断する。
First, laser light is output from the
このように動作する本実施形態の溶着状態検出装置によれば、次のような効果を得ることができる。 According to the welding state detection apparatus of this embodiment that operates in this way, the following effects can be obtained.
キーホールの状態に応じて変化するキーホールからのレーザー光の強度波形を観測すると、キーホールの挙動がわかり、異なる板厚の板材の溶着状態を検出することができる。したがって、異なる板厚の複数枚の板材が正常に溶着されているか、板材間の隙間に起因する未溶着状態が発生していないかを検出することができるようになる。 By observing the intensity waveform of the laser beam from the keyhole that changes according to the state of the keyhole, the behavior of the keyhole can be understood, and the welded state of the plate materials having different thicknesses can be detected. Accordingly, it is possible to detect whether a plurality of plate materials having different plate thicknesses are normally welded or whether an unwelded state caused by a gap between the plate materials has occurred.
また、一般的に、板材間の隙間に起因する未溶着状態が発生しているか否かは、レーザー光が照射される側に位置する板材の板厚が、レーザー光が照射される側の反対側に位置する板材の板厚よりも厚くなるにしたがって検出し難くなる。ところが、本発明のように、キーホールの状態に応じて変化するキーホールからのレーザー光の強度波形をモニターすることによって、異なる板厚の板材の溶着状態を検出することができる。したがって、異なる板厚の複数枚の板材が正常に溶着されているか、板材間の隙間に起因する未溶着状態が発生していないかを、リアルタイムで検出することができるようになる。 In general, whether or not an unwelded state due to the gap between the plate materials has occurred depends on whether the plate thickness of the plate material located on the side irradiated with the laser beam is opposite to the side irradiated with the laser beam. It becomes difficult to detect as the thickness of the plate located on the side increases. However, as in the present invention, by monitoring the intensity waveform of the laser light from the keyhole that changes according to the state of the keyhole, it is possible to detect the welded state of the plate materials having different thicknesses. Accordingly, it is possible to detect in real time whether a plurality of plate materials having different plate thicknesses are normally welded or whether an unwelded state caused by a gap between the plate materials has occurred.
そして、レーザー光の経時的な強度変化を示す波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較し両波形の相関関係を取るようにすると、波形の特徴をより明確に鮮明に表すことができることになり、異なる板厚の板材の溶着状態を精度良く検出することができる。したがって、異なる板厚の複数枚の板材が正常に溶着されているか、板材間の隙間に起因する未溶着状態が発生していないかを、リアルタイムかつ高精度で検出することができるようになる。 Then, a waveform showing the change in intensity of the laser beam with time is compared with the model waveform showing the change in intensity of the laser beam with time, and the correlation between both waveforms is obtained. It becomes possible to express more clearly and clearly, and it is possible to accurately detect the welding state of the plate materials having different plate thicknesses. Therefore, it becomes possible to detect in real time and with high accuracy whether a plurality of plate members having different plate thicknesses are normally welded or whether an unwelded state caused by a gap between the plate members has occurred.
さらに、レーザー光の経時的な強度変化を示す生波形またはウェーブレット変換した後の波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取るようにしたので、異なる板厚の板材の溶着状態を精度良く検出することができる。したがって、異なる板厚の複数枚の板材が正常に溶着されているか、板材間の隙間に起因する未溶着状態が発生していないかを、リアルタイムかつ高精度で検出することができるようになる。 Furthermore, the correlation between the two waveforms is compared with the model waveform showing the intensity change of laser light over time, which is prepared in advance for the raw waveform showing the intensity change of laser light over time or the waveform after wavelet transform. Since it was made to take, the welding state of the board | plate material of different board thickness can be detected accurately. Therefore, it becomes possible to detect in real time and with high accuracy whether a plurality of plate members having different plate thicknesses are normally welded or whether an unwelded state caused by a gap between the plate members has occurred.
次に、本発明に係る溶着状態検出方法について詳細に説明する。 Next, the welding state detection method according to the present invention will be described in detail.
図5は、本発明に係る溶着状態検出方法の手順を示すフローチャートである。本発明に係る溶着状態検出方法は、レーザーを用いて溶接される板材の溶着状態を検出するものである。
ステップS1
まず、板厚の異なる2枚の板材を準備する。本実施形態では、図1に示すように、2枚の板材10A、10Bを準備する。なお、本実施形態では2枚の板材を準備する場合を例示する。板材は2枚に限らず3枚以上であっても良い。また、2枚の板材10A、10Bの厚みは異なる厚みであっても良いし、同一の厚みであっても良い。本実施形態では発明の理解を容易にするために異なる板材を例示して説明している。
ステップS2
次に、準備した2枚の板材10A、10Bを少なくとも一部が重なるようにして固定する。2枚の板材10A、10Bはレーザー光によって溶接されるため、レーザー光が照射される照射部20(図1参照)は2枚の板材10A、10Bが重なるようにしている。なお、レーザー光Lが照射される2枚の板材10A、10Bは、レーザー光Lが照射される側(上板)に板厚の厚い板材10Aを、レーザー光Lが照射される側とは反対側(下板)にレーザー光Lが照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を配置する。具体的には、上板となる板材10Aは1.4mmの厚みを有しており、下板となる板材10Bは0.65mmの厚みを有している。
ステップS3
固定した2枚の板材10A、10Bの重なる部分に向けてレーザー光を照射する。レーザー光Lは図1のスキャナー100から照射される。レーザー光が照射されると、図6(A)、図6(B)に示すように、レーザー照射部20に溶融池22が形成される。溶融池22は、レーザー照射部20において、重なり合っている2枚の板材10A、10Bの面方向に円状に広がり2枚の板材10A、10Bの厚み方向全体が溶けている部分である。また、溶融池22のレーザー光Lが直接当たっている部分にはキーホール24と言われる気体部が形成される。
ステップS4
次に、レーザー光Lを図6の白抜き矢印の方向に向けて移動させる。レーザー光Lの移動に伴ってレーザー照射部20が移動する。そのため、溶融池22であった部分が凝固して2枚の板材10A、10Bを溶着させる。
ステップS5
次に、レーザー照射部20に形成されるキーホール24が反射したレーザー光を受光する。キーホール24が反射したレーザー光は図1のレーザー光受光部200によって受光され、受光したレーザー光の強度に応じた電気信号に変換される。レーザー光を受光して電気信号に変換するのは図1に示すフォトダイオード270である。フォトダイオード270から出力された電気信号はアンプ300で増幅されコンピュータ400に入力される。
ステップS6
受光したレーザー光の強度波形に基づいて板材10A、10Bの溶着状態を検出する。溶着状態の検出はコンピュータ400が行なう。
FIG. 5 is a flowchart showing the procedure of the welding state detection method according to the present invention. The welding state detection method according to the present invention detects a welding state of a plate material to be welded using a laser.
Step S1
First, two plate materials having different plate thicknesses are prepared. In this embodiment, as shown in FIG. 1, two
Step S2
Next, the two
Step S3
Laser light is irradiated toward the overlapping portion of the two fixed
Step S4
Next, the laser beam L is moved in the direction of the white arrow in FIG. As the laser beam L moves, the
Step S5
Next, the laser beam reflected by the
Step S6
Based on the intensity waveform of the received laser beam, the welding state of the
たとえば、正常な溶接が行われているときに、キーホール24から反射されるレーザー光は、図3(A)に示すように強度の低い安定した波形となる。ところが、板材10A、10Bの間に隙間が生じ、隙による未溶着が発生すると、図3(B)に示すように未溶着部分のみ強度の極端に高い不安定な波形となる。
For example, when normal welding is performed, the laser light reflected from the
コンピュータ400は、図3(A)、図3(B)のような、レーザー光の経時的な強度変化を示す波形を、図4(A)、図4(B)のような、あらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取ることによって、板材10A、10B同士の溶着状態を検出する。レーザー光の経時的な強度変化を示す波形は、受光した生波形または受光した生波形をウェーブレット変換した後の波形のいずれかの波形を用いる。図3(B)のような受光した生波形を用いて未溶着を検出する場合には、図4(A)に示すような生のモデル波形を用いて相関関係を取る。相関関係があれば未溶着が発生したと判断できる。また、図3(B)のような受光した生波形をさらにウェーブレット変換した波形を用いて未溶着を検出する場合には、図4(B)に示すようなウェーブレット変換後のモデル波形を用いて相関関係を取る。相関関係があれば未溶着が発生したと判断できる。
The
板材10A、10Bの間に隙間が生じ、隙による未溶着が発生した場合に、なぜキーホール24(図6(B)参照)からのレーザー光の反射が強くなるのかを、図7および図8に基づいて説明する。
FIG. 7 and FIG. 8 show why the reflection of the laser beam from the keyhole 24 (see FIG. 6B) becomes stronger when a gap is generated between the
図7(A)に示すように、板材10A、10Bにレーザー光Lが照射されると、照射部20に溶融池22が形成される。また、溶融池22のレーザー光Lが直接当たる部分にキーホール24が形成される。キーホール24は、溶融池22の金属が気化して気体となっている部分である。図7では、上板となる板材10Aと下板となる板材10Bとの間に隙間が開いており、両板が分離した状態でそれぞれにキーホールが発生する。このときにキーホール24から得られるレーザー光の反射強度は、図8のA部分で示される。
As shown in FIG. 7A, when the plate materials 10 </ b> A and 10 </ b> B are irradiated with the laser light L, a
この状態のまま溶接が進むと、図7(B)に示すように、キーホールより噴出したが上板となる板材10Aと下板となる板材10Bの隙間に充満する。このときにキーホール24から得られるレーザー光の反射強度は、図8のB部分で示される。
When welding proceeds in this state, as shown in FIG. 7 (B), it is ejected from the keyhole, but fills the gap between the
そして、図7(C)に示すように、上板となる板材10Aと下板となる板材10Bの隙間に充満した金属蒸気(プルーム)26によってレーザー光Lが遮断される。この結果、図7(D)に示すように、下板となる板材10Bからキーホール24が消える。次に、下板となる板材10Bに到達するレーザー光Lが減少し、キーホール24より発生する溶融池の大きさも減少する。そして、下板となる板材10Bから反射(金属反射)されるレーザー光が急激に増加する。このときにキーホール24から得られるレーザー光の反射強度は、図8のC部分で示される。この場合、上板となる板材10Aと下板となる板材10Bとは未溶着となる。
Then, as shown in FIG. 7C, the laser beam L is blocked by the metal vapor (plume) 26 filled in the gap between the
この状態が一旦生じた後、上板となる板材10Aと下板となる板材10Bの隙間に充満したプルーム26が減少し、図7(E)に示すように、再びレーザー光が下板となる板材10Bにキーホール24を生成させる。この結果、下板となる板材10Bから反射されるレーザー光が急激に減少する。このときにキーホール24から得られるレーザー光の反射強度は、図8のD部分で示される。
After this state once occurs, the
以上のように、上板となる板材10Aと下板となる板材10Bとの間に隙間があるときに、未溶着が発生すると、キーホール24から得られるレーザー光の反射強度が大きく変動する。反射強度の変動の仕方には一定の規則性があるので、本発明ではこれを利用してリアルタイムかつ高精度で未溶着の発生を検出している。
As described above, when unwelding occurs when there is a gap between the
本発明は、レーザー光を用いて行なう溶接に適用することができる。 The present invention can be applied to welding performed using laser light.
10A 板材、
10B 板材、
20 レーザー照射部、
22 溶融池、
24 キーホール、
26 プルーム、
100 スキャナー、
110 レーザーダイオード、
120 第1光学系、
130 第2光学系、
132 ハーフミラー、
134 光透過フィルター、
136 減衰フィルター、
200 レーザー光受光部、
210 反射ミラー、
220 凸レンズ、
230 レーザー光入力部、
240 光ファイバー、
250 反射ミラー、
260 光学フィルター、
270 フォトダイオード、
300 アンプ、
400 コンピュータ、
410 レーザー光強度変化波形記憶部、
420 レーザー光強度変化モデル波形記憶部、
430 ウェーブレット変換部、
440 比較部、
450 表示部、
L レーザー光。
10A board,
10B board,
20 Laser irradiation part,
22 molten pool,
24 keyhole,
26 plumes,
100 scanner,
110 laser diode,
120 first optical system,
130 second optical system,
132 half mirror,
134 light transmission filter,
136 attenuation filter,
200 laser beam receiver,
210 reflection mirror,
220 convex lens,
230 Laser light input unit,
240 optical fiber,
250 reflection mirror,
260 optical filter,
270 photodiode,
300 amps,
400 computers,
410 Laser light intensity change waveform storage unit,
420 laser light intensity change model waveform storage unit,
430 wavelet transform unit,
440 comparison unit,
450 display section,
L Laser light.
Claims (4)
複数枚の板材の重なる部分に向けてレーザー光を照射するレーザー光照射手段と、
レーザー照射部に形成されるキーホールが反射したレーザー光を受光するレーザー光受光手段と、
受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する溶着状態検出手段と、を有し、
固定した複数枚の板材は、前記レーザー光が照射される側に板厚の厚い板材を、前記レーザー光が照射される側とは反対側に前記レーザー光が照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を、少なくとも一部が重なるように固定され、
前記溶着状態検出手段は、前記レーザー光の経時的な強度変化を示す波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取る比較手段を有することを特徴とする溶着状態検出装置。 A welding state detection device for detecting a welding state of a plate material to be welded using a laser,
A laser beam irradiation means for irradiating a laser beam toward an overlapping portion of a plurality of plate materials;
A laser beam receiving means for receiving the laser beam reflected by the keyhole formed in the laser irradiation section;
A welding state detection means for detecting the welding state of the plate material based on the intensity waveform of the received laser beam, and
The plurality of fixed plate members are thicker on the side irradiated with the laser beam, and the plate thickness on the side irradiated with the laser beam on the side opposite to the side irradiated with the laser beam. A thin plate is fixed so that at least part of it overlaps ,
The welding state detecting means compares the waveform of the laser light with a waveform indicating the temporal change in intensity of the laser light in advance, compared with a model waveform indicating the temporal change in intensity of the laser light. welding state detecting device according to claim Rukoto to have a means.
複数枚の板材を準備する段階と、Preparing a plurality of sheets,
準備した複数枚の板材を少なくとも一部が重なるように固定する段階と、Fixing a plurality of prepared plate materials so that at least part of them overlap,
固定した複数枚の板材が重なる部分に向けてレーザー光を照射する段階と、Irradiating a laser beam toward a portion where a plurality of fixed plate materials overlap; and
前記レーザー光を移動させる段階と、Moving the laser beam;
レーザー照射部に形成されるキーホールが反射したレーザー光を受光する段階と、Receiving the laser beam reflected by the keyhole formed in the laser irradiation part;
受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する段階と、Detecting the welding state of the plate material based on the intensity waveform of the received laser beam;
を含み、Including
準備した複数枚の板材を少なくとも一部が重なるように固定する段階は、前記レーザー光が照射される側に板厚の厚い板材を、前記レーザー光が照射される側とは反対側に前記レーザー光が照射される側の板厚よりも薄い板厚の板材を、少なくとも一部が重なるように固定し、The step of fixing the prepared plurality of plate materials so that at least part of them overlaps each other is performed by placing a thick plate material on the side irradiated with the laser beam and the laser on the side opposite to the side irradiated with the laser beam. Fix the plate material with a thickness smaller than the thickness on the side irradiated with light so that at least part of it overlaps,
受光したレーザー光の強度波形に基づいて前記板材の溶着状態を検出する段階は、前記レーザー光の経時的な強度変化を示す波形をあらかじめ準備してある前記レーザー光の経時的な強度変化を示すモデル波形と比較して両波形の相関関係を取ることによって、前記板材の溶着状態を検出することを特徴とする溶着状態検出方法。The step of detecting the welding state of the plate member based on the intensity waveform of the received laser beam indicates the intensity variation with time of the laser beam prepared in advance as a waveform indicating the intensity variation with time of the laser beam. A welding state detection method characterized by detecting a welding state of the plate material by taking a correlation between both waveforms in comparison with a model waveform.
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