JP2009125790A - アーク溶接の監視装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビードの形状などの様々な溶接状況を確実に把握できるようにする。
【解決手段】アーク溶接の周囲を撮像する２つの撮像手段１０Ａ、１０Ｂと、赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて一方の撮像手段１０Ａの撮像領域に設けられた第１バンドパスフィルタ３と、紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて撮像手段１０Ｂの撮像領域に設けられた第２バンドパスフィルタ４と、紫外線波長領域の発光スペクトルを有する照明手段５と、両撮像手段１０Ａ、１０Ｂで撮像した画像を合成する画像合成手段６と、画像合成手段６で合成された画像を表示する画像表示手段８とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク溶接の監視装置に関するものである。

従来より、２つの部材同士を溶接して結合するアーク溶接は、様々な分野で利用されており、適切な溶接を行うために、アークの発生状態、アークスポット点付近で溶け出した溶融金属の状態（言い換えれば、金属が溶け出した溶融池の状態）、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することは、必要不可欠なものとされている。アーク溶接の溶接状況を把握するものとして特許文献１に開示されているものがある。
この特許文献１の溶接領域の監視装置は、溶接領域を撮像する撮像手段と、撮像手段の中又は前方に設けられたフィルタと、紫外線を放射可能で溶接領域を照明する照明手段と、紫外線の波長範囲内の波長をフィルタリングするバンドバスフィルタとを備えているものである。
特表２００５−５２２３３２号公報

特許文献１の技術では、紫外線領域におけるアークの発生状態を撮像することができるものの、溶接時の溶融池における溶融金属のスペクトル強度をプランクの放射則から考えると、そのスペクトル強度は紫外線領域では非常に小さいため、溶融池の状態をコントラストよく撮像することができないという問題がある。
しかも、特許文献１の技術では、輝度の非常に高いアーク（輝線スペクトルが高い部分）を撮像しているだけであって、溶接後のビード形状など、アークや溶融池以外の周囲を見ることができない。

そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することができるアーク溶接の監視装置を提供するようにしたものである。

前記目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
即ち、本発明における課題解決のための技術的手段は、アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、前記アーク溶接の周囲を撮像する２つの撮像手段と、赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記一方の撮像手段に対して設けられた第１バンドパスフィルタと、紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記他方の撮像手段に対して設けられた第２バンドパスフィルタと、前記第２バンドパスフィルタの透過帯域の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、前記２つの撮像手段で撮像した画像を合成する画像合成手段と、前記画像合成手段で合成された画像を表示する画像表示手段とを備えている点にある。

前記第１バンドパスフィルタの透過帯域は、アーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第２バンドパスフィルタの透過帯域は、アークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることが好ましい。
本発明における課題解決のための他の技術的手段は、アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、前記アーク溶接の周囲を撮像する１つの撮像手段と、赤外線波長領域をバンドパスする第１特性及び紫外線波長領域をバンドパスする第２特性をそれぞれ備えた１つのバンドパスフィルタと、前記第２特性内の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、前記撮像手段で撮像した画像を表示する画像表示手段とを備えている点にある。

前記第１特性は、その透過帯域がアーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第２特性は、その透過帯域がアークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることが好ましい。
前記バンドパスフィルタの中心部が第１特性とされ、前記中心部の回りが第２特性とされていることが好ましい。
前記撮像手段は、赤外線の波長領域の強度が紫外線の波長領域の強度よりも大となるスペクトル分布を備えたアーク溶接の状況を撮像することが好ましい。

本発明によれば、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を確実に把握することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るアーク溶接の監視装置１（１Ａ）は、アークの発生状態、溶融池の状態、溶接後のビード形状などの様々な溶接状況を把握するもので、２台の撮像装置２、２と、第１バンドパスフィルタ３と、第２バンドパスフィルタ４と、照明手段５と、画像合成手段６を有する制御装置７と、画像表示手段８とを備えている。

各撮像装置２、２は溶接を行うための溶接トーチ９の近傍に配置されていて、その内部に結像レンズ１４と、フレーム画像を撮像するための撮像手段１０とを備えている。この撮像手段１０は各撮像装置２、２内に具備されたＣＣＤ素子から構成されている。
以降、説明の便宜上、２台の撮像装置２、２のうち、一方の撮像装置２Ａのことを第１ＣＣＤカメラと言い、他方の撮像装置２Ｂを第２ＣＣＤカメラという。
第１ＣＣＤカメラ２Ａの撮像中心と第２ＣＣＤカメラ２Ｂの撮像中心とは略同一の位置に向けられていて、第１ＣＣＤカメラ２Ａは、アークＡの発生状態や溶融池Ｂの状態を撮像するためのもの、第２ＣＣＤカメラ２Ｂは、溶接後のビードＣや部材同士の接合線（溶接予定線Ｄ）を撮像するためのものとされている。

第１ＣＣＤカメラ２Ａ（第１ＣＣＤ素子１０Ａ）で撮像したアークＡの発生状態や溶融池Ｂの状態のフレーム画像は、制御装置７に入力されると共に、第２ＣＣＤカメラ２Ｂ（第２ＣＣＤ素子１０Ｂ）で撮像した溶接後のビードＣの形状や溶接予定線Ｄのフレーム画像は、制御装置７に入力されるようになっている。
第１バンドパスフィルタ３は、赤外線波長領域のバンドパス特性を有するものであって第１ＣＣＤ素子１０Ａに対応して設けられている。即ち、第１バンドパスフィルタ３は、第１ＣＣＤ素子１０Ａに入射される入射光の範囲に亘って配置されていて、例えば、入射光が通過する第１ＣＣＤカメラ２Ａの結像レンズ１４の前方に配置されている。

第２バンドパスフィルタ４は、紫外線波長領域のバンドパス特性を有するものであって第２ＣＣＤ素子１０Ｂに対応して設けられている。即ち、第２バンドパスフィルタ４は、第２ＣＣＤ素子１０Ｂに入射される入射光の範囲に亘って配置されていて、例えば、入射光が通過する第２ＣＣＤカメラ２Ｂの結像レンズ１４の前方に配置されている。
なお、第１バンドパスフィルタ３は、第１ＣＣＤ素子１０Ａに入射される入射光の範囲内であれば、第１ＣＣＤカメラ２Ａの前方だけでなく第１ＣＣＤ素子１０Ａの前方に配置されていてもよい。同様に、第２バンドパスフィルタ４は、第２ＣＣＤ素子１０Ｂに入射される入射光の範囲であれば、第２ＣＣＤカメラ２Ｂの前方だけでなく第２ＣＣＤ素子１０Ｂの前方に配置されていてもよい。

第１バンドパスフィルタ３、第２バンドパスフィルタ４について説明する。図２は２つの部材同士をアーク溶接した際の発光スペクトルの分布（分光特性）を示したものである。
図２に示すように、アーク溶接時には、赤外線領域（７００ｎｍ）以上においては、強度の高い輝線スペクトルＳ１が存在すると共に、スペクトル強度が紫外線領域（４００ｎｍ）よりも高い領域Ｓ２が存在する。
アークは、溶接時において放電電流自身、放電電流によるシールドガスの励起、電離、再結合に伴って特定のピーク波長を有する発光をするため、赤外線領域における輝線スペクトルＳ１が発生する。また、アーク溶接時の金属の溶融温度は約１８００Ｋであり、プランクの放射則に従う赤外線領域にピークをもつ連続スペクトルであることを考慮すると、スペクトル強度が高い部分Ｓ２の主成分は溶融金属（溶融池Ｂの溶融金属）の放射によるものである。

そこで、本発明では、発光スペクトルの分布から第１ＣＣＤカメラ２ＡによってアークＡの発生状態や溶融池Ｂの状態をコントラスト良く撮像するために、第１バンドパスフィルタ３の透過帯域Ｐ１を、アーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルＳ１から外れるように設定している。
具体的には、第１バンドパスフィルタ３は、その透過帯域Ｐ１が輝線スペクトルＳ１とオバーラップしないで、且つ、溶融池Ｂの放射によるスペクトル強度が高い部分Ｓ２に位置するように、例えば、８１０ｎｍ（半値幅１０ｎｍ）の光を透過するものとされている。ここで、第１バンドパスフィルタ３は、スペクトル強度が高い部分Ｓ２の領域内において、スペクトル強度が低くなる部分に配置することが好ましい。

なお、第１バンドパスフィルタ３の透過帯域Ｐ１が輝線スペクトルＳ１とオバーラップしない領域であれば、発光を抑えた状態でアークＡの発生状態を撮像することができるため、第１バンドパスフィルタ３は上記に限らず、輝線スペクトルから外れ且つ溶融池Ｂの放射の波長内であれば、例えば、９５０ｎｍであってもよい。
一方で、紫外線領域においては、アーク放電による輝線スペクトルＳ１は殆ど存在せず、スペクトル強度も高くないことから、当該紫外線領域にて溶接後のビードＣの形状や溶接予定線Ｄを撮像することにしている。即ち、第２ＣＣＤカメラ２Ｂによって溶接後のビードＣ形状や溶接予定線Ｄをコンストラスト良く撮像するために、第２バンドパスフィルタ４の透過帯域Ｐ２を、アークの輝線スペクトルＳ１から外れた紫外線領域に設定している。第２バンドパスフィルタ４は、例えば、４３６ｎｍ（半値幅ｎｍ）の光を透過するものとされている。

なお、紫外線領域においても、アーク放電による若干の発光が存在することがあるが、そのスペクトル強度が赤外線に比べて非常に小さく、且つ、溶融金属の放射も小さいので、第２バンドパスフィルタ４を紫外線領域に設定することは、アーク放電以外を観察するために非常に有効である。また、紫外線領域にアーク発光による輝線スペクトルＳ１が存在する場合は、紫外線領域において、第２バンドパスフィルタ４の透過帯域Ｐ２が、輝線スペクトルＳ１とオバーラップしない領域にするのが好ましい。
上述したように、本発明では、赤外線の波長領域の強度が紫外線の波長領域の強度よりも大となる図２に示すようなスペクトル分布を備えたアーク溶接の状況を撮像している。

照明手段５は、第２ＣＣＤカメラ２Ｂで撮像する際に撮像した画像を鮮明にするためのものであって、紫外線波長領域の発光スペクトルを有している。具体的には、照明手段５は、輝線スペクトルが存在する水銀灯や紫外線ランプであって、その中心波長は、第２バンドパスフィルタ４の透過帯域Ｐ２内（例えば、４３６ｎｍ）に設定されている。
制御装置７は、第１ＣＣＤカメラ２Ａ、第２ＣＣＤカメラ２Ｂ、溶接トーチ９、照明手段５等を制御するものであって、例えば、パソコンやワークステーション等から構成されている。この制御装置７は、例えば、第１ＣＣＤカメラ２Ａや第２ＣＣＤカメラ２Ｂの絞りや照明手段５のＯＮ／ＯＦＦ等の制御を行う。制御装置７には、第１ＣＣＤカメラ２Ａで撮像したフレーム画像と、第２ＣＣＤカメラ２Ｂで撮像したフレーム画像とを合成する画像合成手段６が設けられている。画像合成手段６は、例えば、第１ＣＣＤカメラ２Ａと第２ＣＣＤカメラ２Ｂの画像内で共通した基準点（オフセット点）を設定しておき、第１ＣＣＤカメラ２Ａのフレーム画像の基準点と第２ＣＣＤカメラ２Ｂのフレーム画像の基準点とを一致させることで両者の画像の合成を行う。

画像表示手段８は、画像合成手段６で合成された画像を表示するもので、例えば、ワークステーションに接続されたモニタで構成されている。
以上、アーク溶接の監視装置１によれば、第１ＣＣＤカメラ２Ａ及び第１バンドパスフィルタ３によって、アークスポット点の周辺の状況（アークＡの発生状態や溶融池Ｂの状態）を精度良く撮像することができ、これらの状況をモニタ８により監視することができる。
また、第２ＣＣＤカメラ２Ｂ、第２バンドパスフィルタ４及び水銀灯によって、溶接後の状況及び溶接前の状況（ビードＢの形状や溶接予定線Ｄの状態）を精度良く撮像することができ、これらの状況をモニタ８により監視することができる。
［第２実施形態］
図３は、第２実施形態に係るアーク溶接の監視装置１（１Ｂ）の構成図を示したものである。この監視装置１Ｂは、第１実施形態と比べ撮像装置の構成が異なるものである。なお、第１実施形態と同様の構成であるものは同一符号を付して説明を省略する。

監視装置１Ｂは１台の撮像装置１８を備えたものであって、この撮像装置１８はアークＡの発生状態や溶融池Ｂの状態を撮像でき、且つ、溶接後のビードＣの形状や溶接予定線Ｄを撮像することができる位置（アーク溶接の全体を取りこめる位置）に設定されている。
撮像装置１８は、アーク溶接の全体を取り込む結像レンズ１５と、ビームスプリッタ１６、第１ＣＣＤ素子１０Ａと、第２ＣＣＤ素子１０Ｂとを備えている。
ビームスプリッタ１６は、結像レンズ１５から取り込まれた撮像を２方向に分離するもので、ハーフミラーから構成されている。第１ＣＣＤ素子１０Ａは、第１バンドパスフィルタ３を通過した入射光（撮像）を取り込むもので、アークＡ及び溶融池Ｂ周辺の撮像が取り込まれる。第２ＣＣＤ素子１０Ｂは、第２バンドパスフィルタ４を通過した入射光（撮像）を取り込むもので、溶接後のビードＣの形状及び溶接予定線Ｄの周辺の撮像が取り込まれる。

第２実施形態によれば、１台の撮像装置１８によって、アークＡ及び溶融池Ｂ周辺とビードＣ及び溶接予定線Ｄの周辺との両方を撮像することができる。
［第３実施形態］
図４は、第３実施形態に係るアーク溶接の監視装置１（１Ｃ）の構成図を示したものである。この監視装置１Ｃでは、第１実施形態及び第２実施形態と比べ撮像装置、撮像手段、バンドパスフィルタの構成が異なるものである。
監視装置１Ｃは、第２実施形態と同様に１台の撮像装置１９を備えたものであって、この撮像装置１９はアーク溶接の全体を取りこめる位置に設定されている。

撮像装置１９は、アーク溶接の全体を取り込む結像レンズ１５と、この結像レンズ１５から取りこまれた撮像部分を取り込む１つのＣＣＤ素子（撮像手段）１０と、バンドパスフィルタ２０とを備えている。
図５に示すように、バンドパスフィルタ２０は、第１実施形態及び第２実施形態における第１バンドパスフィルタ３と第２バンドパスフィルタ４とを一体化したものであって、第１バンドパスフィルタ３に対応する赤外線波長領域のバンドパス（透過帯域）を有する第１特性２０Ａと、第２バンドパスフィルタ４に対応する紫外線波長領域のバンドパス（透過帯域）を有する第２特性２０Ｂとを備えている。

バンドパスフィルタ２０は矩形状に形成されたもので、バンドパスフィルタ２０の中心部に円形状の第１特性２０Ａが設けられ、第１特性２０Ａの回りに第２特性２０Ｂが設けられている。このバンドパスフィルタ２０の第１特性２０Ａは、上述した第１バンドパスフィルタ３と同様に、第１特性２０Ａの透過帯域Ｐ１がアーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルＳ１から外れるように設定されている。また、バンドパスフィルタ２０の第２特性２０Ｂは、第２バンドパスフィルタ４と同様に、第２特性２０Ｂの透過帯域Ｐ２がアークの輝線スペクトルＳ１から外れるように設定されている。

このバンドパスフィルタ２０はＣＣＤ素子１０の前方に配置されている。
図６に示すように、撮像装置１９で撮像した際に第１特性２０Ａ内にアーク及び溶融池Ｂの周囲がくるように、第１特性２０Ａ内の領域の大きさ及び当該バンドパスフィルタ２０のＣＣＤ素子１０に対する位置が設定される。また、撮像装置１９で撮像した際に第２特性２０Ｂ内にビードＣ及び溶接予定線Ｄの周辺の周囲がくるように、第２特性２０Ｂ内の領域の大きさ及び当該バンドパスフィルタ２０のＣＣＤ素子１０に対する位置が設定される。

照明手段５の発光スペクトルは、上述した第２バンドパスフィルタ４と同様に第２特性２０Ｂの透過帯域内に設定されている。
第３実施形態によれば、１枚のバンドパスフィルタ２０と１台のＣＣＤ素子によって、アークＡ及び溶融池Ｂ周辺と、ビードＣ及び溶接予定線Ｄの周辺との両方を撮像することができ、画像合成手段は不要である。

本発明の第１実施形態に係るアーク溶接の監視装置の構成図である。 アーク溶接時における発光スペクトルの分布図である。 本発明の第２実施形態に係るアーク溶接の監視装置の構成図である。 第３実施形態に係るアーク溶接の監視装置の撮像手段の構成図である。 バンドパスフィルタの構成図である。 撮像状態を示した撮像図である。

符号の説明

１ 監視装置
２ 撮像装置
２Ａ 第１ＣＣＤカメラ
２Ｂ 第２ＣＣＤカメラ
３ 第１バンドパスフィルタ
４ 第２バンドパスフィルタ
５ 照明手段
６ 画像合成手段
１０ 撮像手段
１０Ａ 第１ＣＣＤ素子
１０Ｂ 第２ＣＣＤ素子

Claims (6)

1. アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、
   前記アーク溶接の周囲を撮像する２つの撮像手段と、
   赤外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記一方の撮像手段に対して設けられた第１バンドパスフィルタと、
   紫外線波長領域のバンドパス特性を有していて前記他方の撮像手段に対して設けられた第２バンドパスフィルタと、
   前記第２バンドパスフィルタの透過帯域の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、
   前記２つの撮像手段で撮像した画像を合成する画像合成手段と、
   前記画像合成手段で合成された画像を表示する画像表示手段とを備えていることを特徴とするアーク溶接の監視装置。
2. 前記第１バンドパスフィルタの透過帯域は、アーク及び溶融金属の発光スペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第２バンドパスフィルタの透過帯域は、アークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載のアーク溶接の監視装置。
3. アーク溶接の状況を監視するアーク溶接の監視装置において、
   前記アーク溶接の周囲を撮像する１つの撮像手段と、
   赤外線波長領域をバンドパスする第１特性及び紫外線波長領域をバンドパスする第２特性をそれぞれ備えた１つのバンドパスフィルタと、
   前記第２特性内の発光スペクトルを有し且つアーク溶接の周囲を照明する照明手段と、
   前記撮像手段で撮像した画像を表示する画像表示手段とを備えていることを特徴とするアーク溶接の監視装置。
4. 前記第１特性は、その透過帯域がアーク及び溶融金属のスペクトル領域内で且つアークの輝線スペクトルから外れるように設定され、第２特性は、その透過帯域がアークの輝線スペクトルから外れるように設定されていることを特徴とする請求項３に記載のアーク溶接の監視装置。
5. 前記バンドパスフィルタの中心部が第１特性とされ、前記中心部の回りが第２特性とされていることを特徴とする請求項３又は４に記載のアーク溶接の監視装置。
6. 前記撮像手段は、赤外線の波長領域の強度が紫外線の波長領域の強度よりも大となるスペクトル分布を備えたアーク溶接の状況を撮像することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のアーク溶接の監視装置。

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