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JP2023032065A - Laser welding apparatus and control method thereof - Google Patents

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JP2023032065A
JP2023032065A JP2021137949A JP2021137949A JP2023032065A JP 2023032065 A JP2023032065 A JP 2023032065A JP 2021137949 A JP2021137949 A JP 2021137949A JP 2021137949 A JP2021137949 A JP 2021137949A JP 2023032065 A JP2023032065 A JP 2023032065A
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JP
Japan
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welding
laser
intensity detection
detection sensor
light intensity
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Pending
Application number
JP2021137949A
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Japanese (ja)
Inventor
克典 椎原
Katsunori Shiihara
翔太 荒木
Shota Araki
崇史 濱田
Takashi Hamada
吉延 牧野
Yoshinobu Makino
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp, Toshiba Energy Systems and Solutions Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP2021137949A priority Critical patent/JP2023032065A/en
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Abstract

【課題】レーザ溶接施工における溶接品質を安定化できること。【解決手段】母材1の表面にレーザ光2を集光して照射する溶接ヘッド11と、レーザ光が照射されるレーザ照射部3及び溶接ビードを、撮像を含めて観察する観察手段(レーザ照射部モニタリング機器14、ビードモニタリング機器15、溶接中ビード撮像カメラ16)と、レーザ照射部及び溶接ビードからの光信号を取得する光度検出センサ17と、レーザ照射部及び溶接ビードにおける溶融金属量を事前に予測して記憶する判定補助手段18と、判定補助手段からの溶融金属量の予測データ、並びに溶接中の観察手段からの撮像データ、溶接入力条件、及び光度検出センサからの取得データを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する溶接状態判定手段19とを有し、溶接品質判定基準が、光度検出センサが取得する光信号に対する閾値として設定されたものである。【選択図】図1An object of the present invention is to stabilize welding quality in laser welding. An observing means (laser Irradiation part monitoring equipment 14, bead monitoring equipment 15, welding bead imaging camera 16), light intensity detection sensor 17 for acquiring light signals from the laser irradiation part and the weld bead, and the amount of molten metal in the laser irradiation part and the weld bead Judgment auxiliary means 18 that predicts and stores in advance, prediction data of the amount of molten metal from the judgment auxiliary means, imaging data from the observation means during welding, welding input conditions, and acquired data from the light intensity detection sensor are used. and welding state determination means 19 for calculating a welding quality criterion for determining the welding state, and the welding quality criterion is set as a threshold for the light signal acquired by the light intensity detection sensor. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本発明の実施形態はレーザ溶接装置、及びレーザ溶接装置の制御方法に関する。 An embodiment of the present invention relates to a laser welding device and a control method of the laser welding device.

レーザ溶接は、特定波長のレーザ光を集光光学系等により、母材の表面に任意の形状で集光させて母材を溶融接合する技術である。レーザ溶接は、高エネルギー密度が得られる利点から、アーク溶接と比較して高速度で且つ溶け込みの深い溶接が可能であり、その適用が拡大している。このレーザ溶接の施工中に行う品質モニタリングが、制御を行う取り組みとして従来から様々に検討されている。 Laser welding is a technique in which a laser beam of a specific wavelength is focused on the surface of a base material in an arbitrary shape by a focusing optical system or the like to melt and join the base material. Laser welding has the advantage of obtaining a high energy density, so that welding can be performed at a higher speed and with a deeper penetration than arc welding, and its application is expanding. Quality monitoring performed during the execution of this laser welding has conventionally been variously studied as an approach for control.

特開2010-52009号公報Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2010-52009 特開2020-163413号公報JP 2020-163413 A

特許文献1では、レーザ照射部を観察するカメラを有し、このカメラで事前に撮像した映像から、溶接前に溶接異常要素を検出するためのニューラルネットワークモデルを構築し、その後の溶接中に、光度検出センサにより取得したデータを教師データと比較して、異常要素を検出している。 Patent document 1 has a camera that observes a laser irradiation part, builds a neural network model for detecting welding abnormal elements from images captured in advance by this camera, and during subsequent welding, Abnormal elements are detected by comparing the data acquired by the light intensity detection sensor with the teacher data.

また、特許文献2では、レーザ照射部を撮像する撮像手段により得られた画像を溶接状態ごとに教示画像として機械学習させ、一致度を判定基準としてフィードバック制御することで溶接品質を維持する対策がなされている。 Further, in Patent Document 2, there is a measure to maintain welding quality by subjecting an image obtained by an imaging means for imaging a laser irradiation part to machine learning as a teaching image for each welding state, and performing feedback control using the degree of matching as a judgment criterion. is done.

しかしながら、レーザ溶接は高速度な工法であるため、特許文献1または2の技術では、溶接施工中の画像と教師データまたは教示画像とを比較し演算判定してフィードバック制御する場合、溶接速度が1000mm/min、処理時間が0.1秒と仮定しても、画像の取得タイミングからフィードバックまでには約2mm溶接が進行してしまう。このため、レーザ溶接の逐次処理及びフィードバック制御が非常に困難になる。また、レーザ溶接の逐次処理を連続して実施する場合、レーザ出力や溶接速度等を常に変化させる必要が生じ、安定した溶接状態を維持するのが困難である。 However, since laser welding is a high-speed construction method, in the technique of Patent Document 1 or 2, when the image during welding is compared with the teaching data or the teaching image and feedback control is performed, the welding speed is 1000 mm. /min, and even if the processing time is assumed to be 0.1 seconds, the welding progresses by about 2 mm from the image acquisition timing to the feedback. This makes sequential processing and feedback control of laser welding very difficult. In addition, when successive laser welding processes are performed continuously, it is necessary to constantly change the laser output, welding speed, etc., and it is difficult to maintain a stable welding state.

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、レーザ溶接施工における溶接品質を安定化できるレーザ溶接装置及びその制御方法を提供することを目的とする。 The embodiments of the present invention have been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a laser welding apparatus capable of stabilizing welding quality in laser welding and a control method thereof.

本発明の実施形態におけるレーザ溶接装置は、被加工物の表面にレーザ光を集光または結像して照射する溶接ヘッドと、前記レーザ光が照射されるレーザ照射部及びその近傍を、撮像を含めて観察する観察手段と、前記レーザ照射部及びその近傍からの光信号を取得する光度検出センサと、前記レーザ照射部及びその近傍における溶融金属量を事前に予測して記憶する判定補助手段と、前記判定補助手段からの前記溶融金属量の予測データ、並びに溶接中の前記観察手段からの撮像データ、溶接入力条件、及び光度検出センサからの取得データを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する溶接状態判定手段と、を有し、前記溶接品質判定基準が、前記光度検出センサが取得する光信号に対する閾値として設定されたことを特徴とするものである。 The laser welding apparatus according to the embodiment of the present invention captures images of a welding head that irradiates a laser beam by condensing or forming an image on the surface of a workpiece, and a laser irradiation portion that is irradiated with the laser beam and its vicinity. a light intensity detection sensor that acquires optical signals from the laser irradiation section and its vicinity; and an auxiliary determination means that predicts and stores in advance the amount of molten metal in the laser irradiation section and its vicinity. , using the prediction data of the amount of molten metal from the determination auxiliary means, the imaging data from the observation means during welding, the welding input conditions, and the acquired data from the light intensity detection sensor, for determining the welding state and welding state determination means for calculating a welding quality criterion, wherein the welding quality criterion is set as a threshold for the light signal acquired by the light intensity detection sensor.

本発明の実施形態におけるレーザ溶接装置の制御方法は、被加工物の表面にレーザ光を集光または結像して照射する溶接ヘッドと、前記レーザ光が照射されるレーザ照射部及びその近傍を、撮像を含めて観察する観察手段と、前記レーザ照射部及びその近傍からの光信号を取得する光度検出センサと、前記レーザ照射部及びその近傍における溶融金属量を事前に予測して記憶する判定補助手段と、前記判定補助手段からの前記溶融金属量の予測データ、並びに溶接中の前記観察手段からの撮像データ、溶接入力条件、及び光度検出センサからの取得データを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する溶接状態判定手段と、を有するレーザ溶接装置を準備し、前記溶接品質判定基準を、前記光度検出センサが取得する光信号に対する閾値として設定し、前記光度検出センサからの取得データと前記閾値とを比較して溶接不良を予測し、この溶接不良を回避するために前記溶接入力条件を変更するよう制御を行うことを特徴とするものである。 A control method for a laser welding apparatus according to an embodiment of the present invention includes a welding head that irradiates a laser beam by condensing or forming an image on the surface of a workpiece, and a laser irradiation part that is irradiated with the laser beam and its vicinity. , an observation means for observation including imaging, a light intensity detection sensor for acquiring optical signals from the laser irradiation unit and its vicinity, and a determination that predicts and stores in advance the amount of molten metal in the laser irradiation unit and its vicinity Determining the welding state using auxiliary means, prediction data of the molten metal amount from the judgment auxiliary means, imaging data from the observation means during welding, welding input conditions, and acquired data from the light intensity detection sensor. and a welding state determination means for calculating a welding quality criterion for determining the welding quality criterion, setting the welding quality criterion as a threshold value for the light signal acquired by the light intensity detection sensor, and detecting the light intensity The data obtained from the sensor is compared with the threshold value to predict a welding failure, and control is performed to change the welding input conditions in order to avoid the welding failure.

本発明の実施形態によれば、レーザ溶接施工における溶接品質を安定化させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to embodiment of this invention, the welding quality in laser welding construction can be stabilized.

一実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the laser welding apparatus which concerns on one Embodiment. 図1の光度検出センサの機能を説明する斜視図。FIG. 2 is a perspective view for explaining the function of the light intensity detection sensor in FIG. 1; 図2のレーザ照射部及びその近傍の溶接ビードを示し、(A)が溶接後のビード形状を示す斜視図、(B)、(C)及び(D)が溶接中の溶接状況を示す模式図。FIG. 2 shows the laser irradiation part and the weld bead in the vicinity thereof, (A) is a perspective view showing the bead shape after welding, (B), (C) and (D) are schematic diagrams showing the welding situation during welding. . 溶接不良の形態を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the form of a welding defect.

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図1は、一実施形態に係るレーザ溶接装置の構成を示すブロック図である。この図1に示すレーザ溶接装置10は、被加工物としての母材1にレーザ光2を照射して母材1を溶接するものであり、レーザ照射系としての溶接ヘッド11、レーザ発振器12及びレーザ発振器制御手段13と、観察手段としてのレーザ照射部モニタリング機器14、ビードモニタリング機器15及び溶接中ビード撮像カメラ16と、光度検出センサ17と、判定補助手段18と、溶接状態判定手段19とを有して構成される。
EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated based on drawing.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a laser welding device according to one embodiment. A laser welding apparatus 10 shown in FIG. 1 irradiates a base material 1 as a work piece with a laser beam 2 to weld the base material 1. A welding head 11 as a laser irradiation system, a laser oscillator 12 and A laser oscillator control means 13, a laser irradiation portion monitoring device 14 as observation means, a bead monitoring device 15, a bead imaging camera 16 during welding, a light intensity detection sensor 17, an auxiliary determination means 18, and a welding state determination means 19. configured with

溶接ヘッド11は、レーザ発振器12に光ファイバ20を用いて接続される。レーザ発振器12は、出射したレーザ光2を光ファイバ20を経て溶接ヘッド11に伝送する。溶接ヘッド11は、図示しない内部の光学系によりレーザ光2を集光または結像して、このレーザ光2を母材1の表面に任意のビーム径に設定して照射する。また、溶接ヘッド11は、図示しないシールドガスノズルを備え、このシールドガスノズルから、母材1の表面の酸化を防止するための不活性ガスが、レーザ光2が照射される母材1のレーザ照射部3に供給される。 Welding head 11 is connected to laser oscillator 12 using optical fiber 20 . The laser oscillator 12 transmits the emitted laser light 2 to the welding head 11 through the optical fiber 20 . The welding head 11 converges or forms an image of the laser beam 2 by an internal optical system (not shown), and irradiates the surface of the base material 1 with the laser beam 2 with an arbitrary beam diameter. In addition, the welding head 11 is provided with a shield gas nozzle (not shown), from which an inert gas for preventing oxidation of the surface of the base material 1 is applied to the laser-irradiated portion of the base material 1 irradiated with the laser beam 2. 3.

溶接ヘッド11は図示しないヘッド保持装置に保持され、母材1は図示しない母材固定ステージに固定されている。レーザ溶接時に溶接ヘッド11を溶接方向Pに移動させるために、ヘッド保持装置のみが移動してもよく、あるいは母材固定ステージのみが移動してもよく、またはヘッド保持装置と母材固定ステージが同調して移動してもよい。 The welding head 11 is held by a head holding device (not shown), and the base material 1 is fixed to a base material fixing stage (not shown). In order to move the welding head 11 in the welding direction P during laser welding, only the head holding device may move, or only the base material fixing stage may move, or the head holding device and the base material fixing stage may move. You can move in sync.

レーザ発振器制御手段13は、レーザ発振器12に接続されると共に、溶接状態判定手段19を介してレーザ照射部モニタリング機器14及びビードモニタリング機器15に接続されて、レーザ光2を出射するレーザ発振器12を制御する。つまり、レーザ発振器制御手段13は、レーザ発振器12に変動があったり、母材1におけるレーザ照射部3の状態に変動があったりした場合に、レーザ出力等の溶接入力条件が所望の値を満たすようにレーザ発振器12を制御する。 The laser oscillator control means 13 is connected to the laser oscillator 12 and is also connected to the laser irradiation portion monitoring device 14 and the bead monitoring device 15 via the welding state determination means 19, and controls the laser oscillator 12 that emits the laser beam 2. Control. That is, when the laser oscillator 12 fluctuates or the state of the laser irradiation portion 3 on the base material 1 fluctuates, the laser oscillator control means 13 ensures that the welding input conditions such as the laser output satisfy the desired values. The laser oscillator 12 is controlled as follows.

レーザ照射部モニタリング機器14は、溶接ヘッド11に設置され、この溶接ヘッド11からレーザ光2が照射される母材1のレーザ照射部3をモニタリングする。このレーザ照射部モニタリング機器14は、カメラ、温度計測器、レーザ出力計測器、輝度測定器等を有して構成される。また、レーザ照射部モニタリング機器14は、溶接状態判定手段19に接続されて、レーザ照射部モニタリング機器14にてモニタリングしたレーザ照射部3の輝度や温度等を溶接状態判定手段19へ出力する。このレーザ照射部モニタリング機器14は、溶接ヘッド11から照射されるレーザ光2の光軸と同軸に設置されても、非同軸に設置されてもよい。 The laser irradiation part monitoring device 14 is installed in the welding head 11 and monitors the laser irradiation part 3 of the base material 1 irradiated with the laser beam 2 from the welding head 11 . This laser irradiation unit monitoring device 14 is configured by including a camera, a temperature measuring device, a laser output measuring device, a brightness measuring device, and the like. Also, the laser irradiation part monitoring device 14 is connected to the welding state determination means 19 and outputs the brightness, temperature, etc. of the laser irradiation part 3 monitored by the laser irradiation part monitoring device 14 to the welding state determination means 19 . This laser irradiation unit monitoring device 14 may be installed coaxially with or non-coaxially with the optical axis of the laser beam 2 emitted from the welding head 11 .

ビードモニタリング機器15は、溶接ヘッド11に設置され、母材1におけるレーザ照射部3の近傍の溶接ビード4をモニタリングする。このビードモニタリング機器15は、カメラ、ビード高さ計測器、ビード幅測定器及び温度測定器を有して構成される。また、ビードモニタリング機器15は、溶接状態判定手段19に接続されて、ビードモニタリング機器15にてモニタリングしたビード幅及びビード高さ等を溶接状態判定手段19へ出力する。 A bead monitoring device 15 is installed on the welding head 11 and monitors the weld bead 4 in the vicinity of the laser irradiation portion 3 on the base material 1 . This bead monitoring device 15 comprises a camera, a bead height gauge, a bead width gauge and a temperature gauge. The bead monitoring device 15 is also connected to the welding state determining means 19 and outputs the bead width, bead height, etc. monitored by the bead monitoring device 15 to the welding state determining means 19 .

溶接中ビード撮像カメラ16は、溶接ヘッド11に設置され、溶接ヘッド11からレーザ光2が照射される母材1のレーザ照射部3と、このレーザ照射部3の近傍、即ちレーザ照射部3における溶接方向P後方の溶接ビード4とを、共に溶接中に撮像する。図3(B)、(C)及び(D)は、溶接中ビード撮像カメラ16による溶接中の画像を模式的に示すものである。また、溶接中ビード撮像カメラ16は、溶接状態判定手段19に接続されて、溶接中ビード撮像カメラ16にて撮像した画像データを溶接状態判定手段19へ出力する。 The welding bead imaging camera 16 is installed in the welding head 11, and the laser irradiation part 3 of the base material 1 irradiated with the laser light 2 from the welding head 11 and the vicinity of this laser irradiation part 3, that is, in the laser irradiation part 3 The weld bead 4 behind the welding direction P is also imaged during welding. 3(B), (C) and (D) schematically show images during welding by the bead imaging camera 16 during welding. In addition, the bead-in-welding imaging camera 16 is connected to the welding state determination means 19 , and outputs image data imaged by the bead-in-welding imaging camera 16 to the welding state determination means 19 .

光度検出センサ17は、溶接ヘッド11に設置され、母材1のレーザ照射部3及びその近傍の溶接ビード4の表面からの光信号(例えば輝度)を検出して取得する。この光度検出センサ17は、溶接状態判定手段19に接続され、光度検出センサ17にて取得した光信号の取得データを溶接状態判定手段19へ出力する。 The light intensity detection sensor 17 is installed in the welding head 11, and detects and acquires light signals (for example, luminance) from the surface of the laser irradiation portion 3 of the base material 1 and the weld bead 4 in the vicinity thereof. The light intensity detection sensor 17 is connected to the welding state determination means 19 and outputs acquired data of the light signal acquired by the light intensity detection sensor 17 to the welding state determination means 19 .

この光度検出センサ17は、図2にも示すように複数個、例えば6個並設される。また、光度検出センサ17の前面に設置されて観察範囲を変更するための観察光学系21も複数個、例えば6個並設される。これらの光度検出センサ17と観察光学系21のいずれかの配置を変更することで、母材1におけるレーザ照射部3及び溶接ビード4の任意の位置が光度検出センサ17により検出されて、光信号が取得可能に構成される。 As shown in FIG. 2, a plurality of, for example, six, light intensity detection sensors 17 are arranged side by side. In addition, a plurality of observation optical systems 21, for example, six observation optical systems 21, which are installed in front of the light intensity detection sensor 17 and used to change the observation range, are arranged side by side. By changing the arrangement of either the light intensity detection sensor 17 or the observation optical system 21, arbitrary positions of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 on the base material 1 are detected by the light intensity detection sensor 17, and an optical signal is configured to be retrievable.

図2では、レーザ照射部3及び溶接ビード4における溶融金属Aの範囲を4分割とし、溶接ビード4における凝固金属Bの範囲を2分割として光度検出センサ17により観察し、レーザ照射部3及び溶接ビード4からの光信号を検出しているが、上記分割数及び分割位置は変更可能である。また、複数の光度検出センサ17と観察光学系21との組み合せの調整によって、レーザ照射部3及び溶接ビード4から取得目的に適合した取得データ(例えば輝度データ)を取得可能である。更に、レーザ照射部3及び溶接ビード4に対する上記分割数を増加して変更することで、光度検出センサ17により、レーザ照射部3及び溶接ビード4から詳細な光信号データ(例えば輝度データ)を得ることが可能になる。 In FIG. 2, the range of the molten metal A in the laser irradiation part 3 and the weld bead 4 is divided into four parts, and the range of the solidified metal B in the weld bead 4 is divided into two parts and observed by the light intensity detection sensor 17. Although the optical signal from the bead 4 is detected, the division number and division position can be changed. Further, by adjusting the combination of the plurality of light intensity detection sensors 17 and the observation optical system 21, acquisition data (for example, luminance data) suitable for acquisition purposes can be acquired from the laser irradiation section 3 and the weld bead 4. FIG. Further, by increasing and changing the number of divisions for the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4, the light intensity detection sensor 17 obtains detailed optical signal data (for example, luminance data) from the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4. becomes possible.

ところで、図3は、(A)が溶接後の溶接ビード4を示し、(B)、(C)及び(D)が溶接中の溶接状況を溶接中ビード撮像カメラ16にて撮像した画像を模式的に示している。溶接後の溶接ビード4では、図3(A)に示すように、一定範囲に溶接不良としての溶け落ち5が発生している。これに対し、溶接中におけるレーザ照射部3及び溶接ビード4では、図3(B)に示す溶接中初期に溶け落ち5が発生しておらず、その後に溶け落ち5が発生し(図3(C))、更にその後に、溶接方向P後方の溶融金属Aが溶け落ちて広範囲に溶け落ち5が伝播したこと(図3(D))が確認される。なお、図3(B)の符号Cは、金属蒸気(プルーム)を示す。 By the way, in FIG. 3, (A) shows the weld bead 4 after welding, and (B), (C) and (D) are schematic images of the welding situation during welding taken by the welding bead imaging camera 16. clearly shown. In the weld bead 4 after welding, as shown in FIG. 3(A), burn-through 5 as a welding defect occurs in a certain range. On the other hand, in the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 during welding, the burn-through 5 does not occur in the early stage of welding shown in FIG. C)), and after that, it is confirmed that the molten metal A behind the welding direction P burns down and the burn down 5 propagates over a wide range (Fig. 3(D)). In addition, the symbol C in FIG. 3B indicates a metal vapor (plume).

上述の溶融金属Aの溶け落ち5は、溶融金属Aの重量が溶融金属Aの表面張力よりも大きくなって、溶融金属Aを保持できなくなったときに発生する。従って、図2に示す光度検出センサ17により溶融金属Aの範囲を検出することで溶融金属Aの表面積が計測可能になり、母材1の板厚を考慮して溶融金属Aの体積、即ち溶融金属Aの重量が予測可能になる。これにより、溶け落ち5の発生が予測可能になる。 The burn-through 5 of the molten metal A described above occurs when the weight of the molten metal A becomes greater than the surface tension of the molten metal A and the molten metal A cannot be retained. Therefore, the surface area of the molten metal A can be measured by detecting the range of the molten metal A with the light intensity detection sensor 17 shown in FIG. The weight of metal A becomes predictable. This makes the occurrence of burn-through 5 predictable.

そこで、図1に示す判定補助手段18は、母材1のレーザ照射部3及び溶接ビード4における溶融金属Aの重量(溶融金属量)を事前に予測して記憶しておく。つまり、判定補助手段18は、まず、レーザ発振器制御手段13からの溶接入力条件と母材1の材料情報とを用いて、例えば熱伝導解析等によるシミュレーションによって、レーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融形状(表面溶融幅、裏面溶融幅、溶融面積、溶融体積及び溶融深さ)を算出する。次に、判定補助手段18は、算出した上記溶融形状と溶接中ビード撮像カメラ16により撮像されたレーザ照射部3及び溶接ビード4の表面形状とを照合して整合させることで、溶接入力条件と母材1の板厚に依存するレーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融金属Aの重量(溶融金属量)を、事前に予測して記憶しておく。 Therefore, the determination assisting means 18 shown in FIG. 1 predicts and stores in advance the weight of the molten metal A (amount of molten metal) in the laser-irradiated portion 3 of the base material 1 and the weld bead 4 . That is, first, the determination assisting means 18 uses the welding input conditions from the laser oscillator control means 13 and the material information of the base material 1 to perform a simulation such as a heat conduction analysis to determine the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4. The melt shape (surface melt width, back melt width, melt area, melt volume and melt depth) is calculated. Next, the determination assisting means 18 compares and matches the calculated molten shape with the surface shapes of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 captured by the bead imaging camera 16 during welding, thereby matching the welding input conditions. The weight of the molten metal A (amount of molten metal) of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4, which depends on the plate thickness of the base material 1, is predicted and stored in advance.

溶接状態判定手段19には、前述のようにレーザ照射部モニタリング機器14、ビードモニタリング機器15、溶接中ビード撮像カメラ16及び光度検出センサ17が接続されている。従って、溶接状態判定手段19には、これらのレーザ照射部モニタリング機器14、ビードモニタリング機器15、溶接中ビード撮像カメラ16及び光度検出センサ17から溶接中のデータが、それぞれ溶接中に連続して入力されて保存される。ここで、上記溶接中のデータとしては、例えば、レーザ照射部モニタリング機器14からのレーザ照射部3の輝度及び温度、ビードモニタリング機器15からの溶接ビード4の幅及び高さ、溶接中ビード撮像カメラ16からのレーザ照射部3及び溶接ビード4の画像データ、光度検出センサ17からのレーザ照射部3及び溶接ビード4の輝度データである。この結果、溶接状態判定手段19の保存データを用いることで、いずれの溶接箇所においても、実際の溶接箇所を検査することなくその溶接品質を管理することが可能になる。 The welding state determination means 19 is connected to the laser irradiation portion monitoring device 14, the bead monitoring device 15, the bead imaging camera 16 during welding, and the light intensity detection sensor 17 as described above. Therefore, data during welding from the laser irradiation monitoring device 14, the bead monitoring device 15, the bead imaging camera 16 during welding, and the light intensity detection sensor 17 are continuously input to the welding state determination means 19 during welding. saved. Here, as the data during welding, for example, the brightness and temperature of the laser irradiation part 3 from the laser irradiation part monitoring device 14, the width and height of the weld bead 4 from the bead monitoring device 15, the bead imaging camera during welding image data of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 from 16, and luminance data of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 from the light intensity detection sensor 17. FIG. As a result, by using the data stored in the welding state determining means 19, it is possible to manage the welding quality of any welding point without inspecting the actual welding point.

また、溶接状態判定手段19は、判定補助手段18及びレーザ発振器制御手段13に接続されて、判定補助手段18にて予測された母材1のレーザ照射部3及び溶接ビード4における溶融金属Aの重量(溶融金属量)を入力すると共に、レーザ発振器制御手段13から溶接中の溶接入力条件を入力する。そして、溶接状態判定手段19は、上記レーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融金属Aの重量と溶接中ビード撮像カメラ16からの溶接中の画像データとを用いて、溶け落ち5の予測に必要な溶融金属Aの重量変動量である溶接ビード4の幅変動量を算出する。 In addition, the welding state determination means 19 is connected to the determination assistance means 18 and the laser oscillator control means 13, and the molten metal A at the laser irradiation portion 3 of the base material 1 and the weld bead 4 predicted by the determination assistance means 18 Along with inputting the weight (amount of molten metal), the welding input conditions during welding are input from the laser oscillator control means 13 . Then, the welding state determination means 19 uses the weight of the molten metal A of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 and the image data during welding from the bead imaging camera 16 during welding to predict the burn-through 5. The width fluctuation amount of the weld bead 4, which is the weight fluctuation amount of the molten metal A, is calculated.

この溶接状態判定手段19は、上記溶接ビード4の幅変動量と、レーザ発振器制御手段13からの溶接中の溶接入力条件と、光度検出センサ17からの溶接中の光信号取得データ(例えば輝度データ)と、溶接後の溶接品質確認試験結果とを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を、光度検出センサ17が取得する光信号(例えば輝度)に対する閾値として算出し設定する。ここで、上記溶接品質確認試験結果は、溶接ビード4の外観及び断面観察等から予め取得された試験結果である。 The welding state determination means 19 receives the width fluctuation amount of the weld bead 4, welding input conditions during welding from the laser oscillator control means 13, and light signal acquisition data during welding from the light intensity detection sensor 17 (e.g., luminance data). ) and the result of the post-welding welding quality confirmation test, the welding quality criterion for determining the welding state is calculated and set as a threshold for the light signal (for example, luminance) acquired by the light intensity detection sensor 17. Here, the welding quality confirmation test result is a test result acquired in advance from observation of the appearance and cross section of the weld bead 4 and the like.

更に、溶接状態判定手段19は、溶接中における光度検出センサ17からの光信号の取得データ(例えば輝度データ)と上記閾値とを溶接中に常時比較し、上記取得データが上記閾値以下になったときに、溶接不良としての溶け落ち5の発生を予測する。この溶け落ち5の発生を回避するために、溶接状態判定手段19はレーザ発振器制御手段13を介して、溶接入力条件を変更させるようにレーザ発振器12をフィードバック制御する。 Furthermore, the welding state determination means 19 constantly compares the acquired data (e.g., luminance data) of the light signal from the light intensity detection sensor 17 during welding with the threshold during welding, and the acquired data becomes equal to or less than the threshold. Occasionally, the occurrence of burn through 5 as a weld defect is predicted. In order to avoid the occurrence of the burn-through 5, the welding state determination means 19 feedback-controls the laser oscillator 12 via the laser oscillator control means 13 so as to change the welding input conditions.

以上のように構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果(1)~(3)を奏する。
(1)溶接状態判定手段19は、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を、光度検出センサ17が取得する光信号(例えば輝度)に対する閾値として設定したことから、溶接品質判定基準を容易に設定できる。更に、溶接状態判定手段19は、溶接中に光度検出センサ17の取得データと閾値とを比較するだけで、画像処理のような複雑な信号処理を行なうことなく、溶接不良である溶け落ち5を即座に予測できる。この溶け落ち5の即座な予測の結果、溶接状態判定手段19は、レーザ発振器制御手段13によりレーザ発振器12を制御して、レーザ光2の出力を調整するための溶接入力条件を迅速に変更できるので、溶接不良(溶け落ち5)の発生を回避して、レーザ溶接施工における溶接品質を安定化させることができる。
With the configuration as described above, the present embodiment has the following effects (1) to (3).
(1) The welding state determination means 19 sets the welding quality determination standard for determining the welding state as a threshold value for the light signal (for example, luminance) acquired by the light intensity detection sensor 17. Therefore, the welding quality determination standard can be easily determined. can be set to Further, the welding state determination means 19 simply compares the data acquired by the light intensity detection sensor 17 with a threshold value during welding, without performing complicated signal processing such as image processing. immediately predictable. As a result of this immediate prediction of the burn-through 5, the welding state determination means 19 can control the laser oscillator 12 by the laser oscillator control means 13 to quickly change the welding input conditions for adjusting the output of the laser beam 2. Therefore, it is possible to avoid the occurrence of welding defects (burn-through 5) and stabilize the welding quality in laser welding.

(2)溶接中ビード撮像カメラ16及び光度検出センサ17は、母材1におけるレーザ照射部3及び溶接ビード4の表面状態を観察可能であるが、レーザ照射部3及び溶接ビード4の内部や裏面側を観察することができない。溶接状態判定手段19は、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する際に、判定補助手段18がレーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融形状をシミュレーションした後にレーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融金属Aの重量(溶融金属量)を予測した予測データを用いている。このため、溶接状態判定手段19は、溶接不良(溶け落ち5)の予測を精度よく実施することができる。 (2) The welding bead imaging camera 16 and the light intensity detection sensor 17 can observe the surface state of the laser irradiation part 3 and the weld bead 4 in the base material 1, but the inside and the back surface of the laser irradiation part 3 and the weld bead 4 Inability to observe the side. The welding state determination means 19 determines the laser irradiation portion 3 and the weld after the determination assisting means 18 simulates the molten shape of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 when calculating the welding quality criterion for determining the welding state. Prediction data for predicting the weight of the molten metal A (amount of molten metal) of the bead 4 is used. Therefore, the welding state determining means 19 can accurately predict the welding failure (burn-through 5).

(3)光度検出センサ17と観察光学系21のいずれかの配置を変更することで、母材1におけるレーザ照射部3及び溶接ビード4の任意の位置を光度検出センサ17が観察し光信号を検出して取得できる。このため、光度検出センサ17は、溶接入力条件に依存して変化するレーザ照射部3及び溶接ビード4の溶融金属Aの重量(溶融金属量)に対して容易に対応することができる。この光度検出センサ17からの取得データを用いることで、溶接状態判定手段19は、溶接入力条件の変化に拘わらず、溶接不良(溶け落ち5)の予測を確実に実施することができる。 (3) By changing the arrangement of either the light intensity detection sensor 17 or the observation optical system 21, the light intensity detection sensor 17 observes an arbitrary position of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4 on the base material 1 and outputs an optical signal. It can be detected and acquired. Therefore, the light intensity detection sensor 17 can easily cope with the weight of the molten metal A (amount of molten metal) of the laser irradiation portion 3 and the weld bead 4, which varies depending on the welding input conditions. By using the data obtained from the light intensity detection sensor 17, the welding state determination means 19 can reliably predict welding defects (burn-through 5) regardless of changes in welding input conditions.

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができ、また、それらの置き換えや変更は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiment of the present invention has been described above, this embodiment is presented as an example and is not intended to limit the scope of the invention. This embodiment can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. , is included in the scope and gist of the invention, and is included in the scope of the invention described in the claims and its equivalents.

例えば、本実施形態では、溶接不良が溶け落ち5の場合を述べたが、他の溶接不良に対しても適用できる。つまり、図4に示すブローホール(図4(A))、ピット(図4(B))、スラグ巻込(図4(C))、オーバーラップ(図4(D))、融合不良(図4(E))、溶込不良(図4(F))、アンダーカット(図4(G))などの溶接不良に対しても、本実施形態を適用することができる。 For example, in the present embodiment, the case where the weld defect is burn-through 5 has been described, but it can be applied to other weld defects. That is, the blowhole (Fig. 4 (A)), pit (Fig. 4 (B)), slag entrainment (Fig. 4 (C)), overlap (Fig. 4 (D)), fusion failure (Fig. 4 (D)) shown in Fig. 4 4(E)), poor penetration (FIG. 4(F)), and undercut (FIG. 4(G)).

1…母材(被加工物)、2…レーザ光、3…レーザ照射部、4…溶接ビード(レーザ照射部の近傍)、5…溶け落ち(溶接不良)、10…レーザ溶接装置、11…溶接ヘッド、16…溶接中ビード撮像カメラ(観察手段)、17…光度検出センサ、18…判定補助手段、19…溶接状態判定手段、21…観察光学系、A…溶融金属 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Base material (workpiece), 2... Laser beam, 3... Laser irradiation part, 4... Weld bead (near laser irradiation part), 5... Burn through (welding defect), 10... Laser welding device, 11... Welding head 16 Welding bead imaging camera (observation means) 17 Light intensity detection sensor 18 Judgment auxiliary means 19 Welding state judgment means 21 Observation optical system A Molten metal

Claims (5)

被加工物の表面にレーザ光を集光または結像して照射する溶接ヘッドと、
前記レーザ光が照射されるレーザ照射部及びその近傍を、撮像を含めて観察する観察手段と、
前記レーザ照射部及びその近傍からの光信号を取得する光度検出センサと、
前記レーザ照射部及びその近傍における溶融金属量を事前に予測して記憶する判定補助手段と、
前記判定補助手段からの前記溶融金属量の予測データ、並びに溶接中の前記観察手段からの撮像データ、溶接入力条件、及び光度検出センサからの取得データを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する溶接状態判定手段と、を有し、
前記溶接品質判定基準が、前記光度検出センサが取得する光信号に対する閾値として設定されたことを特徴とするレーザ溶接装置。
A welding head that condenses or forms an image of laser light on the surface of the workpiece and irradiates it;
Observation means for observing, including imaging, the laser irradiation portion irradiated with the laser beam and its vicinity;
a light intensity detection sensor that acquires optical signals from the laser irradiation unit and its vicinity;
a determination assisting means for predicting and storing in advance the amount of molten metal in the laser irradiation portion and its vicinity;
Welding for judging the welding state using the prediction data of the molten metal amount from the judgment auxiliary means, the imaging data from the observation means during welding, the welding input conditions, and the acquired data from the light intensity detection sensor Welding condition determination means for calculating quality criteria,
A laser welding apparatus according to claim 1, wherein said welding quality criterion is set as a threshold for the light signal acquired by said light intensity detection sensor.
前記溶接状態判定手段は、光度検出センサからの取得データと閾値とを比較して溶接不良を予測し、この溶接不良を回避するために溶接入力条件を変更させるよう制御を行うように構成されたことを特徴とする請求項1に記載のレーザ溶接装置。 The welding state determination means is configured to predict welding defects by comparing the data acquired from the light intensity detection sensor with a threshold value, and perform control to change welding input conditions in order to avoid the welding defects. The laser welding device according to claim 1, characterized in that: 前記判定補助手段は、溶接入力条件を用いてレーザ照射部及びその近傍における溶融形状をシミュレーションし、この溶融形状と観察手段からの画像データとを照合させて、溶接入力条件に依存する溶融金属量を事前に予測して記憶するよう構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載のレーザ溶接装置。 The determination assisting means simulates the molten shape at and near the laser irradiated portion using the welding input conditions, compares this molten shape with image data from the observation means, and determines the amount of molten metal depending on the welding input conditions. 3. The laser welding apparatus according to claim 1 or 2, which is configured to predict and store in advance. 前記光度検出センサと、この光度検出センサの前面に設置されて観察範囲を変更するための観察光学系とはそれぞれ複数設置され、これらの光度検出センサ及び観察光学系のいずれかの配置を変更することで、レーザ照射部及びその近傍の任意の位置が観察可能に構成されたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザ溶接装置。 A plurality of the luminous intensity detection sensors and observation optical systems installed in front of the luminous intensity detection sensors for changing the observation range are respectively installed, and the arrangement of either the luminous intensity detection sensors or the observation optical systems is changed. 4. The laser welding apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the laser irradiation part and any position in the vicinity thereof can be observed. 被加工物の表面にレーザ光を集光または結像して照射する溶接ヘッドと、
前記レーザ光が照射されるレーザ照射部及びその近傍を、撮像を含めて観察する観察手段と、
前記レーザ照射部及びその近傍からの光信号を取得する光度検出センサと、
前記レーザ照射部及びその近傍における溶融金属量を事前に予測して記憶する判定補助手段と、
前記判定補助手段からの前記溶融金属量の予測データ、並びに溶接中の前記観察手段からの撮像データ、溶接入力条件、及び光度検出センサからの取得データを用いて、溶接状態を判定するための溶接品質判定基準を算出する溶接状態判定手段と、を有するレーザ溶接装置を準備し、
前記溶接品質判定基準を、前記光度検出センサが取得する光信号に対する閾値として設定し、前記光度検出センサからの取得データと前記閾値とを比較して溶接不良を予測し、この溶接不良を回避するために前記溶接入力条件を変更するよう制御を行うことを特徴とするレーザ溶接装置の制御方法。
A welding head that condenses or forms an image of laser light on the surface of the workpiece and irradiates it;
Observation means for observing, including imaging, the laser irradiation portion irradiated with the laser beam and its vicinity;
a light intensity detection sensor that acquires optical signals from the laser irradiation unit and its vicinity;
a determination assisting means for predicting and storing in advance the amount of molten metal in the laser irradiation portion and its vicinity;
Welding for judging the welding state using the prediction data of the molten metal amount from the judgment auxiliary means, the imaging data from the observation means during welding, the welding input conditions, and the acquired data from the light intensity detection sensor Prepare a laser welding device having welding state determination means for calculating quality criteria,
The welding quality criterion is set as a threshold value for the light signal acquired by the light intensity detection sensor, and the data acquired from the light intensity detection sensor is compared with the threshold value to predict welding defects and avoid the welding defects. A control method for a laser welding apparatus, characterized in that control is performed so as to change the welding input conditions for the purpose.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2024190347A1 (en) * 2023-03-15 2024-09-19 パナソニックIpマネジメント株式会社 Laser processing apparatus

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