JP6376963B2 - 開先部監視装置を有するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接する開先部を直接監視する開先部監視装置を有し、高精度で溶接するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法に関する。

レーザビームをウイービングさせて溶接するレーザ溶接装置において、開先部を検出す
る誤差検出手段を備えたものが特許文献１に提案されている。この誤差検出手段は、レー
ザビームの照射位置よりも前方に配置され、レーザセンサなどの光学系センサから構成さ
れる。

特開２００３−１７０２８４号公報

例えば厚みが５０ｍｍを超えて２００ｍｍまでの溶接材（厚板）を突合せ溶接する場合、その狭開先幅は数ｍｍであるのに対して、レーザ溶接のビームスポットが小さいため、ビームスポットを高速でかつ高精度でウイービングさせる必要がある。上記特許文献１では、レーザビームの照射位置より前方で、開先部をレーザセンサにより検出しているが、ビームスポットが小さいため、レーザ溶接装置や母材の僅かな変動や変位に影響を受けやすい。また、レーザビームをウイービングさせて溶接している際、母材が熱によって僅かに変形し、開先幅が正規の値よりも僅かに縮小したり或いは拡大することがある。このようなことから、従来のレーザ溶接装置では、開先壁の位置を検出する際の検出精度を高めることは困難であるという問題があった。

本発明は、開先壁の位置を高精度で検出することが可能な開先部監視装置を有するレーザ溶接装置およびレーザ溶接装置の開先部監視方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置は、開先溶接部を監視しながら開先溶接部の溶接ラインに沿って溶接するレーザ溶接装置であって、
レーザビームの光軸上に揺動自在に配置されたウイービング用ミラーと、
当該ウイービング用ミラーを揺動させてビームスポットを、山部と谷部を有する形状にウイービングさせるウイービング駆動装置と、
前記開先溶接部の画像を撮像する撮像装置と、
前記ウイービング駆動装置にウイービング波形信号を出力するとともに、前記撮像装置に撮像トリガー信号を出力する操作出力部および画像処理・判断部を有する制御装置と、を具備し、
前記撮像トリガー信号に基づいて操作される前記撮像装置は、ビームスポットが前記山部又は谷部の近傍位置にあり、且つビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、
前記画像処理・判断部は、前記プラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断して開先幅および開先中心を求めることを特徴とする。

請求項２記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置は、操作出力部は、ビームスポットが前記山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に撮像装置のシャッタが駆動されるように撮像トリガー信号を出力することを特徴とする。

請求項３記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置は、画像処理・判断部は、撮像画像のビームスポットよりも前方で且つビームスポットを含まないがプラズマ光を含む画像領域を選択し、この画像領域に基づいて開先壁の位置を判断することを特徴とする。

請求項４記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置は、画像処理・判断部は、溶接ラインに沿う画素列のうち、光度の大きい画素列をプラズマ光と判断し、プラズマ光の溶接ラインの外側で隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を開先壁と判断することを特徴とする。

請求項５記載のレーザ溶接装置の開先部監視方法は、光軸に沿って照射されたレーザビームを、ウイービング用ミラーを介して開先溶接部に照射し、前記ウイービング用ミラーを揺動させて開先溶接部に照射されるビームスポットを、山部と谷部を有する形状にウイービングさせ、
ビームスポットが前記山部又は谷部の近傍位置で、且つビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、
前記プラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断して開先幅および開先中心を求めることを特徴とする。

請求項６記載のレーザ溶接装置の開先部監視方法は、ビームスポットが前記山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に、プラズマ光を撮像することを特徴とする。

請求項１によれば、ビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、このプラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断することにより、開先壁の位置を高精度で検出して、開先幅および開先中心を精度良く求めることができる。このため、加工の誤差や熱の影響等によって開先幅の値が僅かに変化しても、検出された開先幅に基づいてウイービング駆動装置を制御することにより、レーザビームの振幅を開先幅の変化に応じて精度良く調整することができる。
請求項２によれば、ビームスポットが山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に、ビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光が発生するため、撮像装置でプラズマ光を確実に撮像することができる。

請求項３および請求項４によれば、何らかの外的要因等によって万一、ビームスポットが開先壁から振幅方向における外側へはみ出した場合であっても、開先壁に沿ってプラズマ光が発生していれば、ビームスポットの光の影響を除外し、プラズマ光のみの光度の勾配に基づいて、開先壁の位置を高精度で検出することができる。

請求項５によれば、ビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、このプラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断することにより、開先壁の位置を高精度で検出して、開先幅および開先中心を精度良く求めることができる。このため、加工の誤差や熱の影響等によって開先幅の値が僅かに変化しても、検出された開先幅に基づいて、レーザビームの振幅を開先幅の変化に応じて精度良く調整することができる。
請求項６によれば、ビームスポットが山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に、ビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光が発生するため、撮像装置でプラズマ光を確実に撮像することができる。

本発明の第１の実施の形態における開先部監視装置を有するレーザ溶接装置の構成図である。 同、レーザ溶接装置の撮像装置による開先部の画面を示す図である。 同、レーザ溶接装置の制御装置の操作出力部を示すブロック図である。 図３の操作出力部の出力波形図である。 同、レーザ溶接装置のウイービング時のビームスポットの移動経路を示す模式図である。 同、開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は一方の折り返し点とこの折り返し点を通過したビームスポットとの距離Ａがレーザビームの振幅Ｅの１２．５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 同、開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は他方の折り返し点とこの折り返し点を通過したビームスポットとの距離Ａがレーザビームの振幅Ｅの１２．５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 同、レーザ溶接装置による開先部監視方法を示すフロー図である。 参考例としての開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）はビームスポットが一方の折り返し点に移動したときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 参考例としての開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は前記距離Ａが前記振幅Ｅの２５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 参考例として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの５．９％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 参考例として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの６．５％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 本発明の第１の実施の形態として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの７．１％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 同、前記距離Ａが前記振幅Ｅの７．８％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 同、前記距離Ａが前記振幅Ｅの８．５％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 同、前記距離Ａが前記振幅Ｅの９．２％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 同、前記距離Ａが前記振幅Ｅの１３．１％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 同、前記距離Ａが前記振幅Ｅの１４．９％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 参考例として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの１５．８％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 参考例として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの１６．７％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 参考例として、前記距離Ａが前記振幅Ｅの１７．７％の値のときの開先溶接部の撮像画像である。 本発明の第２の実施の形態におけるレーザ溶接装置で撮像した開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は一方の折り返し点とこの折り返し点を通過したビームスポットとの距離Ａがレーザビームの振幅Ｅの１２．５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 同、開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は他方の折り返し点とこの折り返し点を通過したビームスポットとの距離Ａがレーザビームの振幅Ｅの１２．５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 参考例としての開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）はビームスポットが一方の折り返し点に移動したときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。 参考例としての開先溶接部の撮像画像であり、（ａ）は前記距離Ａが前記振幅Ｅの２５％の値のときの画像であり、（ｂ）は同画像の画素列の光度を示すグラフである。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態を図１〜図２１に基づいて説明する。
［レーザ溶接装置］
図１〜図４に示すように、このレーザ溶接装置は、レーザ共振器１１で発信されたレーザビーム（ＣＯ_２レーザやＹＡＧレーザなど）ＬＢを、ファイバケーブル１２およびコリメーションレンズ１３を介して導入し、その水平方向の光軸Ｏｈ上に配置された反射ミラー（ウイービング用ミラー）１４で反射させて９０°屈折させ、垂直方向の光軸Ｏｖ上に導入する。そしてフォーカスレンズ１５で集光してビームスポットＢＳを開先溶接部１６に照射する。前記反射ミラー１４は、ウイービング用駆動装置（電動モータ等）１７により揺動可能に支持されており、反射ミラー１４を所定の振幅および周波数で揺動させることにより、ビームスポットＢＳを溶接ラインＷＬに交差（直交）する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせる。ここでウイービング波形は、振幅が開先溶接部１６の開先幅Ｗに対応して設定される。またビームスポットＢＳの出力や大きさに対応して、ウイービング波形の周波数（周期）が数１０〜数１００Ｈｚの範囲で設定される。

尚、レーザ溶接装置は、母材として約１５ｍｍ〜約１５０ｍｍの厚さの金属板に使用でき、開先幅Ｗが約３ｍｍ〜約１５ｍｍの狭開先に使用できる。
［開先部監視装置］
光軸Ｏｖに、レーザ光の波長を透過するダイクロイックミラーからなる入口側ダイクロイックミラー（検出用ミラー）１８および出口側ダイクロイックミラー（照明用ミラー）１９がそれぞれ配置されている。これらダイクロイックミラー１８,１９は、レーザビームＬＢを透過するとともに、可視光や近赤外光を所定の反射率で反射させるもので、光軸Ｏｖに対して４５°傾斜して配置される。

出口側ダイクロイックミラー１９に対応して、開先溶接部１６に照明光を照射する照明光源２０が設置されている。また、入口側ダイクロイックミラー１８に対応して、１台の撮像装置２１と２つのフォトセンサ２２,２３がそれぞれ配置されている。

すなわち、入口側ダイクロイックミラー１８から入射される分岐光軸Ｏｓ１上に、撮像用ダイクロイックミラー２４、センシング用集光レンズ２５、センシング用ダイクロイックミラー２６が順に配置されている。撮像用ダイクロイックミラー２４の分岐光軸Ｏｓ２上に、レーザビームＬＢと同一波長の光をカットするための帯域遮断フィルタ２７を介して撮像装置２１が設置される。撮像装置２１は、光軸Ｏｖから開先溶接部１６の画像を撮像するものであり、４０〜２００フレーム／秒の撮像が可能な高速シャッタを具備している。また、照明光源２０から、選択された単一波長の照明光を開先溶接部１６に照射し、反射光から照明光を優先的に通過させる光学フィルタを、帯域遮断フィルタ２７と併用して使用することにより、コントラストに優れた画像を得ることができる。なお、出口側ダイクロイックミラー１９は、光軸Ｏｈ，Ｏｖ上で任意位置に設定することができ、照明光源２０の設置位置は、図１に示した位置に限るものではない。

[制御装置]
レーザ溶接装置に備えられている制御装置４１は、ウイービング用駆動装置１７を制御するウイービング制御部１７ａと、撮像装置２１を制御するシャッタ制御部２１ａと、ウイービング用駆動装置１７にウイービング波形信号を出力して制御する操作出力部４２と、撮像装置２１の画像出力部２１ｂから撮像データが入力される画像処理・判断部５１と、画像処理・判断部５１から開先壁３２Ｒ，３２Ｌの検出データがそれぞれ入力される信号比較判断部５４とを有している。

操作出力部４２は、図３に示すように、発信器４３、分周器４４、アドレスカウンタ４５、波形テーブル４６（Sinテーブル）、ＤＡ変換器４７、Ｒ位置比較器４８Ｒ，Ｌ位置比較器４８Ｌ、シャッタ位置設定器４９およびＯＲ演算器５０を具備している。発信器４３は、ウイービング周波数を設定する例えば電圧制御形発信器で、外部から発信周波数を調節可能なものである。分周器４４は、発信器４３から発信された周波数を、１／ｎにするものである。アドレスカウンタ４５は、たとえばSin波形の１周期をｍ等分して、その計算値を波形テーブル４６のメモリに書き込み、この波形テーブル４６のメモリの値に、１周期を繰り返するためのアドレス（番地）を指定する。そしてこのアドレスが繰り返される周期毎にSin波形がウイービング波形信号として、ＤＡ変換器４７を介してウイービング用駆動装置１７のウイービング制御部１７ａに出力される。

したがって、発信器４３の発信周波数を変更したり、分周器４４における分割数を変更することにより、ウイービングの周波数（周期）を変更することができる。
尚、ここで波形テーブル４６におけるウイービング波形をSin波形としたが、電流制御可能なガルバノメータなどを使用したウイービング用駆動装置１７を制御することにより、三角形波形や台形波形をウイービング波形として出力することができる。

また、前記操作出力部４２はシャッタ制御部２１ａに撮像トリガー信号を出力し、これにより、撮像装置２１のシャッタが高速で操作される。
また、信号比較判断部５４は、画像処理・判断部５１から入力される開先壁３２Ｒ，３２Ｌの検出データを比較して、それぞれの位置のずれ量が、所定の閾値より大きい時に警告信号を出力することができる。

また入力データに基づいて、開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置や開先幅Ｗ、開先中心Ｃを表示する表示装置５５と、警報を発する警報装置５６が設けられている。
（撮像トリガー信号）
操作出力部４２は、ビームスポットＢＳがウイービングの山部又は谷部の折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過した位置から、ウイービングの振幅Ｅの７％から１５％の範囲内を移動している時に撮像装置２１のシャッタが駆動されるように、撮像トリガー信号をシャッタ制御部２１ａに出力する。

尚、前記ビームスポットＢＳがウイービングの山部又は谷部の折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過した位置から、ウイービングの振幅Ｅの７％から１５％の範囲内を移動している時とは、換言すると、図５に示すように、折り返し点５７Ｒ，５７Ｌとこの折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過したビームスポットＢＳとの振幅方向における距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれている時のことである。

すなわち、図３に示すように、前記操作出力部４２に設けられたＲ側位置比較器４８ＲとＬ側位置比較器４８Ｌは、Ｓｉｎ信号の角度に対応するカウンタアドレス値をそれぞれ比較値として保有しており、アドレスカウンタ４５から出力されるＳｉｎ信号の累積値と、Ｌ側シャッター設定値又はＲ側シャッター設定値とが一致した時に撮像位置と判断する。Ｌ側シャッター設定値とＲ側シャッター設定値とは、折り返し点５７Ｒ，５７Ｌと折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過したビームスポットＢＳとの距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれたときに、撮像トリガー信号がＯＲ演算器５０を介して撮像装置２１のシャッタ制御部２１ａに出力されるように、設定されている。

（撮像装置および画像処理・判断部）
図２は、撮像装置２１の非溶接時の画面を示すもので、左右の母材３１Ｒ，３１Ｌ間に開先壁３２Ｒ，３２Ｌを有する開先溶接部１６が形成されている。３３はシールド用ガスノズル、３４は開先溶接部１６に充填されるフィラーである。

画像処理・判断部５１は、撮像装置２１により撮影された画像から、溶接方向に沿う所定範囲の画素列ｉ１〜ｉ２の画素ｊ１〜ｊ２の光度の平均値を求める。そして、隣接する画素列の画素の光度に対して、光度の勾配が大きい画素列Ｌ（ｉ），Ｒ（ｉ）を溶接開先部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置と判断するように構成されている。

例えば、図６（ａ）は、一方の折り返し点５７Ｒとこの折り返し点５７Ｒを通過したビームスポットＢＳとの振幅方向における距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの約１２．５％の値になったときに、撮像装置２１で撮像した開先溶接部１６の画像であり、振幅方向(左右方向)の画素ｉ１〜ｉ２、高さ方向(溶接線方向)の画素ｊ１〜ｊ２の領域に撮像されている。

また、図６（ｂ）に示すように、Ｐ（ｉ，ｊ）を画素（ｉ，ｊ）の明るさとすると、

（１）式により、各画素列ｉ１〜ｉ２における画素ｊ１〜ｊ２の明るさの平均値ｆ（ｉ）が表される。

また隣接する画素ｉ＋２〜ｉ−２列において、
Ｒ（ｉ）＝{ｆ（ｉ−２）＋ｆ（ｉ−１）}−{ｆ（ｉ＋１）＋ｆ（ｉ＋２）}…(２)式で表されるＲ（ｉ）が、最大値となるｉＲに、右の開先壁３２Ｒがあると判断する。

また、図７（ａ）は、他方の折り返し点５７Ｌとこの折り返し点５７Ｌを通過したビームスポットＢＳとの振幅方向における距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの約１２．５％の値になったときの開先溶接部１６の画像であり、前記と同様に、（１）式により、各画素列ｉ１〜ｉ２における画素ｊ１〜ｊ２の明るさの平均値ｆ（ｉ）が求められ（図７（ｂ）参照）、
Ｌ（ｉ）＝{ｆ（ｉ＋２）＋ｆ（ｉ＋１）}−{ｆ（ｉ−１）＋ｆ（ｉ−２）}…(３)式で表されるＬ（ｉ）が、最大値となるｉＬに、左の開先壁３２Ｌがあると判断する。

さらに開先幅Ｗ＝ｉＲ−ｉＬ、開先溶接部１６の中心Ｃ＝（ｉＲ＋ｉＬ）／２で表される。
画像処理・判断部５１では、上記画像処理により、開先溶接部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置や開先幅Ｗ、開先溶接部１６の開先中心Ｃが求められる。

以下、上記構成における作用を説明する。
制御装置４１は以下のような制御を行う。
図５，図８に示すように、先ず、開先溶接部１６の誤差を含まない正規の開先幅Ｗに対応する正規の振幅ＥでレーザビームＬＢのウイービングを開始する（Ｓ−１）。そして、ビームスポットＢＳが一方の折り返し点５７Ｒを通過して折り返した後、折り返し点５７ＲとビームスポットＢＳとの振幅方向における距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれているかを以下のようにして判断する（Ｓ−２）。すなわち前記Ｓ−２の判断はアドレスカウンタ設定値とＲ側シャッター設定値とが一致しているか否かに基づいて行われ、アドレスカウンタ設定値とＲ側シャッター設定値とが一致すれば、前記距離Ａが前記振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれていると判断し、開先溶接部１６を撮像装置２１で撮像する（Ｓ−３）。

このとき、一方の開先壁３２ＲとビームスポットＢＳとの間隔が一方の開先壁３２Ｒと一方の折り返し点５７Ｒとの間隔よりも大きいため、プラズマが、発光しながら、一方の開先壁３２ＲとビームスポットＢＳとの間を、一方の開先壁３２Ｒに沿って溶接ラインＷＬの長手方向前方Ｆへ流れる。このような現象により、図６（ａ）に示すように、ビームスポットＢＳから一方の開先壁３２Ｒに沿って長手方向前方Ｆへ伝わるプラズマ光６０が発生し、撮像装置２１で開先溶接部１６のビームスポットＢＳとプラズマ光６０とを含む領域を撮像する。

そして、前述したように、画像処理・判断部５１において、撮影された画像から光度の平均値ｆ（ｉ）を求め、図６（ｂ）に示すように、溶接ラインＷＬに沿う画素列のうち、光度の大きい画素列をプラズマ光６０と判断し、プラズマ光６０の溶接ラインＷＬの外側で隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列Ｒ（ｉ）を溶接開先部１６の一方の開先壁３２Ｒの位置と判断する（Ｓ−４）。

その後、前記Ｓ−２〜Ｓ−４と同様に、ビームスポットＢＳが反対側の他方の開先壁３２Ｌを通過して折り返した場合、折り返し点５７ＬとビームスポットＢＳとの振幅方向における距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれているかを以下のように判断する。すなわち、この判断はアドレスカウンタ設定値とＬ側シャッター設定値とが一致しているか否かに基づいて行われ、アドレスカウンタ設定値とＬ側シャッター設定値とが一致すれば、前記距離Ａが前記振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれていると判断し、開先溶接部１６を撮像装置２１で撮像する。

このとき、他方の開先壁３２ＬとビームスポットＢＳとの間隔が他方の開先壁３２Ｌと他方の折り返し点５７Ｌとの間隔よりも大きいため、プラズマが、発光しながら、他方の開先壁３２ＬとビームスポットＢＳとの間を、他方の開先壁３２Ｌに沿って溶接ラインＷＬの長手方向前方Ｆへ流れる。このような現象により、図７（ａ）に示すように、ビームスポットＢＳから他方の開先壁３２Ｌに沿って長手方向前方Ｆへ伝わるプラズマ光６０が発生し、撮像装置２１で開先溶接部１６のビームスポットＢＳの光とプラズマ光６０とを含む領域を撮像する。

そして、画像処理・判断部５１において、撮影された画像から光度の平均値ｆ（ｉ）を求め、図７（ｂ）に示すように、溶接ラインＷＬに沿う画素列のうち、光度の大きい画素列をプラズマ光６０と判断し、プラズマ光６０の溶接ラインＷＬの外側で隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列Ｌ（ｉ）を溶接開先部１６の他方の開先壁３２Ｌの位置と判断する。

このようにして検出された一方の開先壁３２Ｒの位置と他方の開先壁３２Ｌの位置とに基づいて開先溶接部１６の開先幅Ｗと開先中心Ｃとを求め、求められた開先幅Ｗおよび開先中心Ｃに応じてレーザビームＬＢの振幅Ｅを補正し、補正された振幅ＥでビームスポットＢＳを揺動させて順次前記Ｓ−２〜Ｓ−５を繰り返しながら、開先溶接部１６を溶接する。

これにより、両開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を高精度で検出することができ、検出された両開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置に基づいて、開先幅Ｗと開先中心Ｃとを精度良く検出することができるため、加工の誤差や熱の影響等によって実際の開先幅Ｗの値が僅かに変化しても、検出された開先幅Ｗに基づいてウイービング駆動装置１７を制御することにより、レーザビームＬＢの振幅Ｅを開先幅Ｗの変化に応じて精度良く補正（調整）することができる。

尚、図６は、一方の折り返し点５７Ｒとこの折り返し点５７Ｒを通過したビームスポットＢＳとの振幅方向における距離Ａ（図５参照）がレーザビームＬＢの振幅Ｅの約１２．５％の値になったときの開先溶接部１６の画像であり、プラズマ光６０が鮮明に写し出されている。

これに対して、参考例として、図９は、前記距離Ａが０の場合すなわちビームスポットＢＳが一方の折り返し点５７Ｒに移動したときの開先溶接部１６の画像であり、プラズマ光６０の発生は明確には認められず、このため、プラズマ光６０に基づいて一方の開先壁３２Ｒの位置を高精度で検出することは困難である。

また、別の参考例として、図１０は、前記距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの約２５％の値になったときの開先溶接部１６の画像であり、この場合においてもプラズマ光６０の発生はほとんど認められず、このため、プラズマ光６０に基づいて一方の開先壁３２Ｒの位置を高精度で検出することは困難である。

尚、図６，図７，図９，図１０に示した画像に関する溶接条件は、レーザ出力：６０００Ｗ、溶接速度：２００ｍｍ／秒、レーザ光揺動周波数：２０Ｈｚであり、撮影条件は、使用カメラ：Photonfocus製 MV1-D1312-160-CL（モノクロCMOSカメラ）、撮影速度：１３．３frames／秒、露光時間：０．２ｍｓ、外部照明は無しである。

さらに、図１１〜図２１は、前記距離Ａ（図５参照）がレーザビームＬＢの振幅Ｅの５．９％〜１７．７％の値になったときの開先溶接部１６の画像である。これによると、図１３〜図１８に示す画像は、前記距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７．１％、７．８％、８．５％、９．２％、１３．１％、１４．９％の値である場合であり、一方の開先壁３２Ｒに沿ってプラズマ光６０が発生しているのが認められる。これに対して、残りの図１１、図１２、図１９〜図２１に示す画像は、前記距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの５．９％、６．５％、１５．８％、１６．７％、１７．７％の値である場合であり、プラズマ光６０の発生が認められない。このようなことから、前記距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれている場合、プラズマ光６０が発生していると考えられる。

尚、図１１〜図２１に示した画像に関する溶接条件は、レーザ出力：６０００Ｗ、溶接速度：１５０ｍｍ／秒、レーザ光揺動周波数：２０Ｈｚであり、撮影条件は、使用カメラ：ナックイメージテクノロジー社ＧＸ−８（ハイスピードカメラ）、撮影速度：５０００frames／秒、外部照明：４０Ｗ半導体レーザ（波長９４０ｎｍ）であり、撮影時に９４０ｎｍ付近を透過波長とするバンドパスフィルタを使用した。

（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態を図２２〜図２５に基づいて説明する。
先に説明した第１の実施の形態では、図６，図７に示すように、画像処理・判断部５１は、ビームスポットＢＳとプラズマ光６０との撮像画像に基づいて開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を判断しているが、第２の実施の形態では、図２２，図２３に示すように、画像処理・判断部５１は、ビームスポットＢＳよりも長手方向前方Ｆで且つビームスポットＢＳを含まないがプラズマ光６０を含む画像領域６３を選択し、この画像領域６３の画像に基づいて、第１の実施の形態と同様に、光度の勾配から開先溶接部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を判断する。尚、画像領域６３は図２２，図２３に示した白線で囲まれた長方形の領域である。

これによると、第１の実施の形態のものと同様な効果が得られ、特に、図２２（ａ），図２３（ａ）に示すように画像領域６３はビームスポットＢＳを含んでいないため、図２２（ｂ），図２３（ｂ）に示すように、画像領域６３の画像から得られる光度のグラフは、ビームスポットＢＳの光度がほとんど含まれず、大部分がプラズマ光６０のみの光度になるため、開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を高精度で判断することができる。

また、何らかの外的要因等によって万一、ビームスポットＢＳが一方の開先壁３２Ｒから外側へはみ出した場合であっても、一方の開先壁３２Ｒに沿ってプラズマ光６０が発生していれば、ビームスポットＢＳの光の影響を除外し、画像領域６３内のプラズマ光６０の光度の勾配に基づいて、一方の開先壁３２Ｒの位置を高精度で判断することができる。また、他方の開先壁３２Ｌの位置についても同様に高精度で判断することができる。

尚、第１の実施の形態では、ビームスポットＢＳとプラズマ光６０との両者の光度の勾配に基づいて、一方の開先壁３２Ｒの位置を検出しているため、何らかの外的要因等によってビームスポットＢＳが一方の開先壁３２Ｒから外側へはみ出した場合、光度の勾配が大きくなる画素位置が実際の一方の開先壁３２Ｒの位置よりも外側にずれてしまうことがあり、一方の開先壁３２Ｒの位置の検出精度が低下する虞がある。尚、このことは他方の開先壁３２Ｌの位置を検出する場合についても同様である。

図２２は、一方の折り返し点５７Ｒとこの折り返し点５７Ｒを通過したビームスポットＢＳとの振幅方向における距離Ａ（図５参照）がレーザビームＬＢの振幅Ｅの約１２．５％の値になったときの開先溶接部１６の画像であり、画像領域６３内にプラズマ光６０が鮮明に写し出されている。

これに対して、参考例として、図２４は、前記距離Ａが０の場合すなわちビームスポットＢＳが一方の折り返し点５７Ｒに移動したときの開先溶接部１６の画像であり、画像領域６３内においてプラズマ光６０は明確には認められない。

また、別の参考例として、図２５は、前記距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの約２５％の値になったときの開先溶接部１６の画像であり、この場合も画像領域６３内においてプラズマ光６０の発生は明確には認められない。

尚、図２２〜図２５に示した画像に関する溶接条件は、レーザ出力：６０００Ｗ、溶接速度：２００ｍｍ／秒、レーザ光揺動周波数：２０Ｈｚであり、撮影条件は、使用カメラ：Photonfocus製 MV1-D1312-160-CL（モノクロCMOSカメラ）、撮影速度：１３．３frames／秒、露光時間：０．２ｍｓ、外部照明は無しである。

前記各実施の形態では、図５に示すように、ビームスポットＢＳが折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過した後、折り返し点５７ＲとビームスポットＢＳとの距離Ａを指標とし、この距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれている場合、開先溶接部１６を撮像装置２１で撮像しているが、距離Ａの代りに時間を指標とし、ビームスポットＢＳが折り返し点５７Ｒ，５７Ｌを通過してから所定時間が経過した時に開先溶接部１６を撮像装置２１で撮像してもよい。

尚、画像に関する溶接条件および撮影条件については、前記各実施の形態に記載した具体例に限らず、レーザ溶接装置や撮像装置２１の性能等に応じて、プラズマ光６０を鮮明に撮像することができる最適な溶接条件および撮影条件を適宜選択すればよい。また、図５に示した距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれる場合に撮像するという条件は、実施の形態１および実施の形態２に示した溶接条件および撮影条件において、開先壁３２Ｒ，３２Ｌに沿って伸びるプラズマ光６０を鮮明に撮像したものであり、他の溶接条件および撮影条件においてプラズマ光６０を鮮明に撮像することができるのであれば、距離ＡがレーザビームＬＢの振幅Ｅの７％〜１５％の範囲内に含まれていない場合や、ビームスポットＢＳがウイービング波形の山部又は谷部の近傍位置にある時点であっても、開先溶接部１６のプラズマ光６０を撮像して、その画像から開先溶接部１６の開先壁３２Ｒ，３２Ｌの位置を判断して開先幅Ｗおよび開先中心Ｃを求めることもできる。

また、前記各実施の形態では、図１に示すように、撮像装置２１を用いて、レーザビームＬＢの光軸Ｏｖから開先溶接部１６の画像を撮像しているが、開先溶接部１６が観察可能であれば、光軸Ｏｖ以外から撮像することも可能である。

また、前記各実施の形態では、図５に示すように、ビームスポットＢＳを、溶接ラインに直交する方向に山部と谷部を有する波形状にウイービングさせているが、例えば、円を描きながら前方Ｆに移動させるウイービングや、或いは、∞記号を描きながら前方Ｆに移動させるウイービングであっても、適宜撮像の条件を設定することで監視可能である。

また、撮像装置２１による画像は、レーザ溶接時に発生する可視光から近赤外領域程度の波長の範囲で、溶接条件に応じて適宜選択すればよく、偏向フィルターなどのフィルターを通して撮像することもできる。

１４ 反射ミラー（ウイービング用ミラー）
１６ 開先溶接部
１７ ウイービング用駆動装置
２１ 撮像装置
３２Ｒ，３２Ｌ 開先壁
４１ 制御装置
４２ 操作出力部
５１ 画像処理・判断部
５７Ｒ，５７Ｌ 折り返し点
６０ プラズマ光
６３ 画像領域
ＢＳ ビームスポット
Ｃ 開先中心
Ｅ レーザビームの振幅
ＬＢ レーザビーム
Ｏｈ，Ｏｖ 光軸
Ｗ 開先幅
ＷＬ 溶接ライン

Claims (6)

1. 開先溶接部を監視しながら開先溶接部の溶接ラインに沿って溶接するレーザ溶接装置であって、
   レーザビームの光軸上に揺動自在に配置されたウイービング用ミラーと、
   当該ウイービング用ミラーを揺動させてビームスポットを、山部と谷部を有する形状にウイービングさせるウイービング駆動装置と、
   前記開先溶接部の画像を撮像する撮像装置と、
   前記ウイービング駆動装置にウイービング波形信号を出力するとともに、前記撮像装置に撮像トリガー信号を出力する操作出力部および画像処理・判断部を有する制御装置と、を具備し、
   前記撮像トリガー信号に基づいて操作される前記撮像装置は、ビームスポットが前記山部又は谷部の近傍位置にあり、且つビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、
   前記画像処理・判断部は、前記プラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断して開先幅および開先中心を求める
   ことを特徴とする開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
2. 操作出力部は、ビームスポットが前記山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に撮像装置のシャッタが駆動されるように撮像トリガー信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
3. 画像処理・判断部は、撮像画像のビームスポットよりも前方で且つビームスポットを含まないがプラズマ光を含む画像領域を選択し、この画像領域に基づいて開先壁の位置を判断する
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
4. 画像処理・判断部は、溶接ラインに沿う画素列のうち、光度の大きい画素列をプラズマ光と判断し、プラズマ光の溶接ラインの外側で隣接する画素列の光度の勾配が大きい画素列を開先壁と判断する
   ことを特徴とする請求項３記載の開先部監視装置を有するレーザ溶接装置。
5. 光軸に沿って照射されたレーザビームを、ウイービング用ミラーを介して開先溶接部に照射し、前記ウイービング用ミラーを揺動させて開先溶接部に照射されるビームスポットを、山部と谷部を有する形状にウイービングさせ、
   ビームスポットが前記山部又は谷部の近傍位置で、且つビームスポットから開先溶接部の開先壁に沿って前方に伸びるプラズマ光を撮像し、
   前記プラズマ光を含む画像から開先溶接部の開先壁の位置を判断して開先幅および開先中心を求める
   ことを特徴とするレーザ溶接装置の開先部監視方法。
6. ビームスポットが前記山部又は谷部の折り返し点を通過した位置から、ウイービングの振幅の７％から１５％の範囲内を移動している時に、プラズマ光を撮像する
   ことを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接装置の開先部監視方法。