JP5357030B2 - 溶接時に溶接品質を光学的に判定するための方法および装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００６年９月６日付けにて提出されたスイス国特許出願第１４３１／０６号の優先権を主張し、これをもってその開示事項全体を引用するものである。

本発明は、溶接ゾーンの画像を撮影するようにした、特にレーザー溶接時の溶接品質を光学的に判定するための方法に関するものである。さらに本発明は、この方法を実施するための装置に関わる。

溶接継ぎ目を光学的に検査することは知られている。このため、特に２Ｄレーザースキャナーを用いて、継ぎ目上方に横方向にレーザー光ライン（レーザー三角測量線）を設定し、これから継ぎ目の幾何学的データを検出する。さらに、特許文献１からは、レーザー溶接時の金属溶融物の画像を撮影して、これを参照データと比較することが知られている。

特開２００５−１１１５３８号公報

本発明の課題は、溶接継ぎ目の光学的品質検査を改善することである。

これは、冒頭で述べた方法において、一方で、プロセス放射光を、他方で、凝固した溶接継ぎ目のグレーイメージまたはカラーイメージとレーザー三角測量線とを、異なる画像領域で撮影することによって達成される。

２つの画像領域を含んでいる画像の３つの異なる画像要素により、溶接の品質判定を溶接工程中に最適に実施することができる。

本発明の有利な実施態様では、異なる画像要素はただ１つのセンサで撮影される。このセンサは複数の画像領域を有しており、これらの画像領域で撮影することができる（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ，ＭＲＯＩ；多重興味範囲）。画像の３つの画像要素を含んでいるすべての画像領域を評価することができるようにするには、この１つのセンサのみを読み取ればよい。撮影の際には、プロセス放射光を含んでいる第１の画像領域を５μｓｅｃまたはこれ以下の露光時間で撮影するのが有利である。画像要素としてプロセス放射光が撮影される第１の画像領域は、有利には、前記センサの対数特性曲線で構成される。

さらに、第２の画像領域を設け、この第２の画像領域で、レーザー三角測量線の画像要素と継ぎ目のグレーイメージまたはカラーイメージの画像要素とを一緒に撮影するのが好ましい。この場合、たとえば第２の画像領域は約１０μｓｅｃの露光時間で、且つ閃光光源による１０μｓｅｃ以下の照射時間で照射される。さらに、有利には、第１および第２の画像領域の撮影のための撮影パラメータを撮影の間に変更するのがよい。有利な実施態様では、第１および第２のセンサ領域または画像領域に対し透過範囲が異なるフラット光学系が、特にセンサチップ上方にじかに設けられている。

さらに、有利には、溶接レーザーのレーザー光学系を通じて撮影を行なうのがよい。これは特にコンパクトな配置構成を生じさせる。アーク溶接またはミグ／マグ溶接の場合には、バーナーの横に配置される光学系を使用する。

本発明は、さらに、上記方法を実施するための装置を提供することを課題とする。この装置は、装置に関わる対応する請求項にしたがって構成されている。

本発明の他の構成、利点、適用例は、従属項と図面を用いた以下の説明とから明らかである。

カメラを配置した溶接ヘッドの概略図である。 本発明にしたがって撮影した、欠陥のない溶接部または溶接継ぎ目の画像である。 本発明にしたがって撮影した、溶接ワイヤーの欠陥によって生じた溶接欠陥部の画像である。

図１は、溶接ヘッド１を極めて概略的に示した図であり、溶接ヘッド１は、本実施形態では２つの被溶接薄板２’と２”から成る溶接物２の上方に配置されている。この有利な実施形態では、溶接バーナーはレーザービーム３によって形成され、レーザービーム３は光学系４を通って溶接物２にあたり、そこで溶接を行なう。本発明によれば、レーザー溶接以外の他の溶接方式も判定でき、特に公知のすべてのアーク方式による溶接を判定できる。溶接は、好ましくは、適宜ガスを供給するようにしたミグ／マグ溶接として行なう。しかし、この点は図１の概略図には図示していない。カメラ６により溶接物２上の溶接領域が観察される。カメラは好ましくはハイダイナミックＣＭＯＳカメラであり、特に、一つの写真として出力される複数の画像をセンサチップ上に記録するよう構成されているカメラである（これはＭＲＯＩ（Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅｇｉｏｎｓ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ；多重興味範囲）としても知られている）。特に、スイス国、ＣＨ−８８５３ ラッヘン在、Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ ＡＧ社の型名 Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ Ｈｕｒｒｉｃａｎｅ，ＭＶ−１０２４ ＣＬ−８０／１６０のカメラを使用することができる。このカメラはＭＲＯＩを備えており、異なる範囲に対して異なる露出時間を可能にする。しかし、２つのカメラまたは２つのセンサを使用してもよい。しかし、撮影を１つのカメラ、特に溶接ヘッドにじかに配置されているカメラ６によって行なうのが好ましい。好ましくは、撮影を、図示の実施形態で示したように直接レーザービーム用の光学系４を通じて行なうのがよい。カメラ６によって観察される可視光用のビームスプリッター７により、溶接物２から出る光はカメラ光学系８を介してそのＣＭＯＳセンサ６’に達する。９は、好ましくはビームスプリッター７を介して溶接物２を照射する、撮影領域を照射するための照射部である。５は、照射部の対応する光路である。この照射部はキセノン閃光型照射部またはＬＥＤ型照射部であり、特に表面発光型レーザーダイオード（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｌａｓｅｒ／ＶＣＳＥＬ 垂直共振器表面発光ダイオードレーザー）を備えた照射部である。これらのダイオードは、実装密度が小さく且つビーム発散度が小さい状態で光パワーが高いという特性を持ち、溶接領域を十分な明度で照射することができる。本発明にしたがって撮影されるすべての領域に対し溶接光学系４を通じて溶接領域を撮影するには、非常に高い照射強度が必要である。というのは、非常に明るいプロセス放射光を撮影することができるように、ＣＭＯＳセンサのセンサパラメータは光に敏感でないように調整され、しかもレーザー光学系は可視光に対し優れた透過特性を有していないからである。しかしながら、図示した配置構成はカメラ６が溶接領域を溶接光学系４を通じて観察する構成であるが、このような配置構成は、もしカメラが溶接領域をレーザー光学系４を通じて観察しないような他の配置構成も同様に可能であるならば、有利な配置構成である。他のレーザーを備えた公知の配置構成１１を用いれば、次の図面で見て取れるように、凝固した溶接継ぎ目上を通る少なくとも１つの三角測量線が投影される。通常コンピュータにより形成される制御部および／または評価回路１０は、カメラから読み出した画像データを受信してそれを評価する。アーク溶接（ミグ／マグ溶接）の場合、撮影は、溶接バーナーの付近に光学系を配置したカメラを用いて行なわれる。この点に関しここではこれ以上説明しない。

図２は溶接領域を撮影した画像の一例を示す。これは欠陥のない溶接または溶接継ぎ目の例である。なお、図２は対象物視野が大きなカメラを用いた撮影を示しており、その結果プロセス放射光と、プロセス後にすでに凝固している継ぎ目とは、同一のセンサで画像として撮影し、一つの画像として読み出して次にチェックすることができる。なお、プロセス放射光またはプロセス光の評価とは、可視範囲で発光しているまだ液状の溶接材を含んでいる溶接領域の撮影および評価ということである。本発明によれば、３つの異なる画像要素が撮影される。その際、継ぎ目の局所的な欠陥部位の検知はそれ自体公知のレーザー三角測量法を用いて行い、このために継ぎ目上に適宜投影される三角測量線を撮影し、また、グレーレベルイメージ分析または場合によってはカラーイメージ分析を用いて行い、このために継ぎ目の像を撮影する。補助的にプロセス放射光を撮影する。このため、カメラのセンサ６’を２つの主領域ＡとＢに分割するようにしてよい。これらの主領域は、特に、同じカメラセンサ６’上にある別個に露光可能な２つの領域であってよい。プロセス放射光を可視化するための図２の主領域Ａでは、センサ領域を、対数特性曲線と、好ましくは５μｓ以下の露光時間とで作動させる。主領域Ｂでは、線形特性曲線または対数特性曲線と、１０μｓの範囲の露光時間とで作動させて、画像要素としての領域Ｂ１で三角測量線を撮影し、他の画像要素としての領域Ｂ２で継ぎ目の像を撮影する。この場合、露光時間は、評価用のＢ１領域の三角測量線が十分明るく表示されるように、しかしプロセス放射光による過剰照射が阻止されるように選定されている。この露光時間で、閃光光源を用いて、または、前述のＶＣＳＥＬ光源を用いて、光パルスを１０μｓより短い継続時間で照射させる。スイス国、ベルクディーティコン在、Ｓｏｕｄｒｏｎｉｃ ＡＧ社の光学的な継ぎ目検査装置ＳＯＵＶＩＳ ５０００で使用されているキセノン閃光光源を５μｓないし１０μｓのパルス時間で作動させてこのために使用することができ、溶接継ぎ目を十分明るく照射させる。この場合、短い閃光時間は動的ブレを阻止する。有利には、両領域を撮影するためのカメラパラメータを切換えて、撮影環境を領域ごとに最適化するのがよい。このために、スイス国、ベルクディーティコン在、Ｓｏｕｄｒｏｎｉｃ ＡＧ社のＳｏｕｄｒｏｎｉｃ Ｆａｓｔ Ｔｒａｃｋ カメラモジュールを使用することができる。このカメラモジュールはカメラパラメータの高速切換えを可能にするとともに、ＣＭＯＳセンサ６’の両領域の高速読み取りをも可能にし、Ｐｈｏｔｏｎｆｏｃｕｓ 社の前記Ｈｕｒｒｉｃａｎｅカメラと協働する。このカメラに対する適当な制御部を、図１で１０で示した。有利には、さらに、領域ＡとＢを撮影するために、センサチップ上にじかに或いは該センサチップから間隔をおいて配置されたフラット光学系を備えたセンサを、図２および図３の領域ＡとＢに対応する２つの異なる感応領域に分割してよい。フラット光学系は、透過度が異なる２つの領域を備えたカバーガラスから構成できる。この場合の透過度は、幾何学的形状及びグレーイメージを評価するための領域Ｂに対しては１００％であり、プロセスライトを評価するためには、すなわち領域Ａに対しては５０％以下である。

図３は、図２で説明した態様と同じようにして行なった撮影の写真を示している。ただし、ここでは、溶接の際に溶接ワイヤーの欠陥によって生じる溶接欠陥が生じている。明らかに、一方では主領域Ｂの領域Ｂ１において三角測量法は凝固領域での継ぎ目欠陥を際立たせている。他方、主領域Ｂの領域Ｂ２でのグレーイメージ撮影でも、対応的に溶接継ぎ目の粗さが認められる。それ故、同様に制御部１０で行うことのできる評価、または、別個のコンピュータで行なうことのできる評価により、溶接継ぎ目欠陥を確認することが難なく可能である。さらに、プロセス放射光が撮影された領域Ａでは、同様に、図２に図示したような標準画像とは明らかに相違があることが認められる。これも画像評価によって難なく確認でき、溶接工程の品質管理に使用することができる。プロセス放射光の場合、カメラは、図２でよく認められるような可視範囲での典型的な光分布を観察する。この典型的な光分布は、図３で認められるように、溶接に欠陥がある場合に阻害される。さらに、領域Ｂでのレーザーラインおよびグレーイメージの撮影により、公知のように継ぎ目幅および継ぎ目位置を測定でき、凸状率、凹状率、および場合によっては目違いのような幾何学的データを測定することができる。また、公知のように継ぎ目体積も測定できる。なお、幾何学的データの測定は、レーザー三角測量法により行い、局所的、広域的欠陥部位の検知はグレーイメージ分析およびレーザー三角測量法によって行なう。

この場合、溶接継ぎ目およびグレーイメージ分析による幾何学的測定とともに、プロセス放射光を強度および幾何学的特徴に関し評価することにより、溶接継ぎ目の品質に関し信頼性のある情報が得られる。センサ領域ＡとＢの高速切換えにより、両センサ領域での両撮影の異なる対象に対する最適なセンサ特性曲線またはカメラパラメータが可能になる。すべての撮影はただ１つのセンサを用いて実施すると有利であり、装置コスト、操作コスト、保守コストをかなり低減させる。センサまたはカメラを溶接バーナーにじかに配置することで、別個の溶接検査で別個に処理するためのコストよりも、必要なコストは著しく少ない。本発明は溶接継ぎ目の品質管理、特にあらゆる種類のミグ／マグ溶接継ぎ目の品質管理に適用できる。さらに、表面の幾何学的形状監査を行ないながら同時に表面特性の検査および溶接工程の監査を行なうためにも適用できる。

本出願では、本発明の有利な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、以下の請求の範囲の範囲内で他の態様でも実施できることをはっきりと指摘しておく。

４ 溶接光学系、６ カメラ、６’ センサ、７ ビームスプリッター、１１ 光三角測量線を生成させるための装置、Ａ，Ｂ 画像領域、Ｂ１，Ｂ２ 下位領域。

Claims (16)

1. 溶接中に、溶接品質を光学的に判定するための方法であって、溶接ゾーンを光学センサにより観察し、溶接継ぎ目のすでに凝固した部分に関してレーザー三角測量線を設定するようにした前記方法において、
   一方で、可視範囲で発光しているまだ液状の溶接材のプロセス放射光を、他方で、凝固した溶接継ぎ目のグレーイメージまたはカラーイメージとレーザー三角測量線とを、異なる画像領域（Ａ，Ｂ）において撮影し、
   前記異なる画像領域をただ１つのセンサ（６’）で撮影して１つの画像として読み取り、
   プロセス放射光を含んでいる第１の画像領域（Ａ）の撮影を、前記三角測量線とグレーイメージまたはカラーイメージとを含んでいる第２の画像領域（Ｂ）の撮影とは別個に行ない、
   前記異なる画像領域（Ａ，Ｂ）を異なる露光時間で読み取り、第２の画像領域（Ｂ）を１０μｓｅｃの露光時間で撮影し、その際閃光光源により１０μｓｅｃより短い照射時間で照射する、
   ことを特徴とする方法。
2. プロセス放射光に対する第１の画像領域（Ａ）の撮影を、５μｓｅｃまたはそれ以下の露光時間で行なうことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. プロセス放射光に対する第１の画像領域（Ａ）の撮影を、前記センサの対数特性曲線を用いて行なうことを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 第２の画像領域（Ｂ）が、レーザー三角測量線を含んでいる下位領域（Ｂ１）と、グレーイメージまたはカラーイメージを含んでいる下位領域（Ｂ２）とを包含しており、これら領域を一緒に撮影することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか一つに記載の方法。
5. 前記異なる画像領域（Ａ，Ｂ）の撮影のための撮影パラメータを、撮影の間に変化させることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか一つに記載の方法。
6. 撮影を、溶接レーザーの光学系（４）を通じて行なうことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
7. アーク溶接時の撮影を、バーナーに配置したカメラまたはバーナーの付近に配置したカメラによって行なうことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか一つに記載の方法。
8. 前記領域（ＡとＢ）に対応する異なる感応領域に分割されたカバーガラスが、センサチップの上にじかに設けられていることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の方法。
9. 請求項１から８までのいずれか一つに記載の方法を実施するための装置において、
   少なくとも１つの光三角測量線を生成させるための装置（１１）を備えた溶接装置と、
   該溶接装置に配置されるカメラ（６）であって、溶接領域に対し閃光を発し、プロセス放射光およびこれに続く凝固した溶接継ぎ目領域の撮影用に配置され構成されている前記カメラ（６）と、
   前記異なる画像領域（Ａ，Ｂ）をただ１つのセンサ（６’）で撮影して１つの画像として読み取り、
   プロセス放射光を含んでいる第１の画像領域（Ａ）の撮影を、前記三角測量線とグレーイメージまたはカラーイメージとを含んでいる第２の画像領域（Ｂ）の撮影とは別個に行ない、
   前記カメラ（６）は前記異なる画像領域（Ａ，Ｂ）を異なる露光時間で読み取ることができ、第２の画像領域（Ｂ）を１０μｓｅｃの露光時間で撮影し、その際閃光光源により１０μｓｅｃより短い照射時間で照射する、
   ことを特徴とする装置。
10. カメラがビームスプリッター（７）を介して溶接光学系（４）を通じて溶接領域に対し閃光を発することを特徴とする、請求項９に記載の装置。
11. 表面発光型レーザーダイオードを備えた閃光照射部が設けられていることを特徴とする、請求項９または１０に記載の装置。
12. グレーフィルタがセンサ（６’）上にじかに配置され、グレーフィルタは異なるセンサ領域（Ａ，Ｂ）に対し異なる透過範囲を有し、前記透過範囲は、それぞれ、前記三角測量線とグレーイメージまたはカラーイメージとを撮影可能な領域（Ｂ）に対しては１００％の透過度を有し、プロセス放射光を撮影可能な領域（Ａ）に対しては５０％以下の透過度を有していることを特徴とする、請求項９から１１までのいずれか一つに記載の装置。
13. プロセス放射光に対する第１の画像領域（Ａ）の撮影を、５μｓｅｃまたはそれ以下の露光時間で行なうことを特徴とする、請求項９から１２までのいずれか一つに記載の装置。
14. プロセス放射光に対する第１の画像領域（Ａ）の撮影を、前記センサの対数特性曲線を用いて行なうことを特徴とする、請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。
15. 第２の画像領域（Ｂ）が、レーザー三角測量線を含んでいる下位領域（Ｂ１）と、グレーイメージまたはカラーイメージを含んでいる下位領域（Ｂ２）とを包含しており、これら領域を一緒に撮影することを特徴とする、請求項９から１３までのいずれか一つに記載の装置。
16. 前記異なる画像領域（Ａ，Ｂ）の撮影のための撮影パラメータを、撮影の間に変化させることを特徴とする、請求項９から１５までのいずれか一つに記載の装置。
    

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