(57)【要約】本発明は、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置に関するものであり、該検査装置は少なくとも一つのガス吹きつけノズル（１）を備え、該ノズルは、前記ガスの流束を噴出する導管（５）と、前記噴出導管（５）の後ろに配置された少なくとも一つのフォトセンサ（３）を具備しており、前記噴出導管（５）の中に進入し、そして前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に出る少なくとも一つの発光信号を捉えることができるようになされている。本発明は、また、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査方法に関するものでもある。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置であり、該検査装置は少なくとも一つのガス吹きつけノズル（１）を備え、該ノズルは、前記ガスの流束を噴出する導管（５）と、前記噴出導管（５）の後ろに配置された少なくとも一つのフォトセンサ（３、３’）を具備しており、前記噴出導管（５）の中に、前記ガスの流束の噴出とは逆方向に進入し、そして前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間、前記レーザ・ビームと前記ワークピースの材料との間の相互作用に由来する少なくとも一つの発光信号を捉えることができるようになされている、検査装置。
【請求項２】
前記ガス吹きつけノズル（１）が、前記噴出導管（５）の延長部分に設置された導管（１１）を備え、そして前記フォトセンサ（３）が前記導管（１１）の中に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
【請求項３】
前記ガス吹きつけノズル（１）が、前記噴出導管（５）の延長部分に設置された導管（１１）と前記導管（１１）の中に通じる横の導管（１１’）とを備え、前記フォトセンサ（３’）は、前記横の導管（１１’）の中に配置されており、そして、反射板（１０）が導管（１１）と横の導管（１１’）の継目に配置され、前記発光信号をフォトセンサ（３’）の方向に屈折させるようになされていることを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
【請求項４】
前記反射板（１０）が半透明であることを特徴とする、請求項３に記載の検査装置。
【請求項５】
前記フォトセンサ（３、３’）が赤外線放射を感知することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の検査装置。
【請求項６】
前記フォトセンサ（３、３’）が紫外線放射を感知することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の検査装置。
【請求項７】
前記フォトセンサ（３、３’）が、少なくとも前記フォトセンサ（３、３’）の感知範囲内に、光学的に透明の気密性の仕切り（８）によって前記ガスの流束から分離されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つに記載の検査装置。
【請求項８】
前記フォトセンサ（３、３’）の出力信号の濾過、増幅、記録手段を備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つに記載の検査装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか一つの検査装置を用いることにより、前記噴出導管（５）の中に、前記ガスの流束の噴出とは逆方向に進入し、前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に、前記レーザ・ビームと前記ワークピースの材料との間の相互作用に由来する少なくとも一つの発光信号を捉え、少なくとも一つの前記発光信号の時間経過に応じた変化が、単位体積当たりまたは単位表面積当たりでの欠陥密度が、前記ワークピースに受入れ難い欠陥が全くないような条件で得られた少なくとも一つの基準信号と比較され、そして、溶接または加工されたワークピースの受入れまたは廃棄の決定が、前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に測定した前記発光信号と前記基準信号とを比較することによって行われることを特徴とする、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査方法。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか一つの検査装置を用いることにより、前記噴出導管（５）の中に、前記ガスの流束の噴出とは逆方向に進入し、前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に、前記レーザ・ビームと前記ワークピースの材料との間の相互作用に由来する、少なくとも一つの発光信号を捉え、少なくとも一つの前記発光信号の時間経過に応じた変化が、単位体積当たりまたは単位表面積当たりでの欠陥密度が、前記ワークピースに受入れ難い欠陥が全くないような条件で得られた少なくとも一つの基準信号と比較され、そして、溶接、肉盛りまたは加工のパラメータが、少なくとも二つの前記信号の比較に応じてクローズドループ制御されることを特徴とする、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高密度のエネルギー・ビームを用いることは、この二十年で特に発展したものであり、以下のような良好な特性の理由により、剥き出しのまたはメッキされた自動車用金属板の溶接の分野においてとりわけ発展している。その良好な特性は、
・メッキの蒸発が抑制されているため、腐食に対する電気化学的保護がより良好であり、
・接合加工の際の変形がほとんどなく、
・精度が高く、迅速な溶接が行え、
・溶着ビードの外観に、はつりが不要であり、
・接合部のプレス加工や疲労に対する堅牢性が良好である。
【０００３】
しかしながら、準備の状態が適切でなかったり（例えば圧接が不完全であることなど）、溶融浴が不安定であったり、噴出が過剰であったりするというような理由から、特に巣や、アライメントの欠陥のような様々な欠陥が生じやすい。この点について、主に亜鉛を基礎とするメッキを備える鋼板を溶接する際は、そのような個別の難題のすべてが待ち構えている。よって、溶融浴の不安定さが偶発的な欠陥を生じさせる可能性があるため、完成度の高い方法の検査システムを配置する必要がある。
【０００４】
リアルタイム、オンラインでの、この検査は、様々な物理的な変数によって行われうる：レーザ・ビームの活用は、それが保護ガスや金属蒸気との相互作用から生まれるプラズマの形成を引き起こす。このようなプラズマは、進入を減少させるので、このプラズマの形成を最小限にすることを目的に、口径が小さく、溶接ヘッドの後ろに縦長に吹き流したようになっているノズルから構成される吹き付けシステムを用い、該吹き付けシステムは、不活性ガスの噴射をワークピースの表面の数ミリメートル上に吹きつけることができる。
【０００５】
紫外線と可視光線の領域で感度を示すフォトダイオードのような、様々な光学的センサが、溶接作業の安定性を反映するこのプラズマの安定性を分析するために有利に用いられる。
【０００６】
同様に、ビームの背後にその進行方向に向けて配置された赤外線光検出器を、溶融金属から出る赤外線強度を測定するために用いることも可能である。一般的に赤外線の強度は、ワークピースへの熱の伝達量を物語るものである。例えば、溶け込みの増大は、赤外線の発光の増大を物語る。
【０００７】
しかしながら、これらの様々なセンサを実際に活用するのは難しい：実際、エネルギー源からセンサへの距離の二乗に反比例して信号が小さくなるため、捉えられるエネルギーは僅かである。これに対して、二つの解決法が考えられる：
・口径の大きな光学的センサを用いる：しかしながら、この方法は、信号対雑  音比が小さくなる欠陥がある。事実、キャピラリチューブから出る光エネル  ギーが来る立体角は小さく、光学系は他の望ましくない信号を捉えてしまう  。実際、その場合には、非常に雑音の多い信号の中、生じた欠陥を検出する  のは非常に困難である。
・そのセンサを溶接区域に接近させる：この場合には、周期的な排出や、濃縮  された金属蒸気は、かなり急速にセンサの光学系を劣化させる可能性がある  。局部の温度の上昇は、センサを溶融金属の至近距離に置くことをもはや不  可能とする。一時しのぎの手法は考えられているが、それは、センサを守る  ためにセンサの前に側面からガス噴射を吹きつけるか、あるいは、定期的に  取り替えることのできる使いきりの透明な薄板で光学系を保護するというこ  とである。しかしながら、このような解決法は、経済的にも、信号の信頼性  からも、満足のいくものではない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、以上に提起した問題を解決することを目指すものである。本発明が特に活用することを目指す検査装置は、レーザ・ビーム／材料間の相互作用から出て、溶接、肉盛りや加工の質を物語る光信号を、信号対雑音比を高め、レーザ・ビームとの位置関係を精確にして、捉えることのできるものであり、前記検査装置は、溶接、肉盛りまたは加工の際に、どのような産業環境にも付き物の、様々な汚染にもほとんど左右されないものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そのような目標を念頭に置いて、本発明は第一に、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置を目指すものであり、該検査装置は少なくとも一つのガス吹きつけノズルを備え、該ノズルは、前記ガスの流束を噴出する導管と、前記噴出導管の後ろに配置された少なくとも一つのフォトセンサを具備しており、前記噴出導管の中に進入し、そして前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に発信される少なくとも一つの発光信号を捉えることができるようになされている。
【００１０】
本発明の一つの望ましい実施態様によると、ガス吹きつけノズルが、噴出導管の延長部分に設置された導管を備え、そしてフォトセンサが前記導管の中に配置されている。
【００１１】
もう一つの望ましい実施態様によると、ガス吹きつけノズルが、噴出導管の延長部分に設置された導管と前記導管の中に通じる横の導管とを備え、前記フォトセンサは、前記横の導管の中に配置されており、そして、反射板が導管と横の導管の継目に配置され、発光信号をフォトセンサの方向に屈折させるようになされている。
【００１２】
この反射板は、好ましくは半透明のものである。
【００１３】
本発明の検査装置は、以下の特徴の一つまたは幾つかを、単独でか、あるいは組み合わせて備えていると有利なものとなりうる：
・少なくとも一つのフォトセンサが赤外線放射を感知すること、
・少なくとも一つのフォトセンサが紫外線放射を感知すること、
・少なくとも一つのフォトセンサが、少なくともこのフォトセンサの感知範囲  内に、光学的に透明の気密性の仕切りによってガス流束から分離されている  こと、
・検査装置が、フォトセンサの出力信号の濾過および増幅の手段を備えている  こと
・検査装置が、フォトセンサの出力信号の記録手段を備えていること。
【００１４】
本発明は第二に、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査方法を目指すものであり、これにおいて、本発明による検査装置を用いることにより、溶接、肉盛りまたは加工作業から引き起こされた少なくとも一つの発光信号を捉え、これは、この発光信号の時間経過に応じた変化が、単位体積当たりまたは単位表面積当たりでの欠陥密度が、ワークピースに受入れ難い欠陥が全くないような条件で得られた少なくとも一つの基準信号と比較され、そして、溶接、肉盛りまたは加工されたワークピースの受入れまたは廃棄の決定が、これらの二つの信号を比較することで行われる。
【００１５】
本発明は第三に、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の検査方法を目指すものであり、これにおいて、本発明による検査装置を用いることにより、前記溶接、肉盛りまたは加工作業から引き起こされた少なくとも一つの発光信号を捉え、これは、前記発光信号の時間経過に応じた変化が、単位体積当たりまたは単位表面積当たりでの欠陥密度が、前記ワークピースに受入れ難い欠陥が全くないような条件で得られた少なくとも一つの基準信号と比較され、そして、溶接、肉盛りまたは加工のパラメータが少なくとも二つの前記信号の比較に応じてクローズドループ制御される。
【００１６】
本発明にかなうよう想定された、溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置には幾つかの利点がある：センサが、それ自身がビーム／材料間の相互作用区域の間近に配置することができるガス吹きつけ装置の内部に内蔵されているため、信号対雑音比は高くなる。それゆえ、溶接、肉盛りまたは加工作業に起因する偶発的な擾乱信号が生じても、より容易に観察することができるものである。また、ガス（この場合には例えば不活性ガス）をもたらす装置自体の内部にセンサの位置を局限することによって、このセンサをどのような劣化からも保護する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は以下の添付の図面を参照により詳細に説明していくが、限定するという趣旨のものではない。
・図１は、本発明による第一の実施態様を概略的に示した断面図である。
・図２は、本発明による第二の実施態様を概略的に示した断面図である。
・図３〜５は、本発明による検査装置を用いてのレーザ溶接を行っている間に  記録された信号の例を示したものである：それらの信号は、欠陥のない溶接  箇所、単一の欠陥が発生した溶接箇所、あるいは不安定な箇所が多数ある溶  接箇所にそれぞれ対応している。
【００１８】
図１に示された第一の実施態様において、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置は、ガス吹き付けノズル１で構成され、そのガス吹き付けノズル１の後面１２に配置された測定ヘッド２を具備している。
【００１９】
ノズル１は、ガス噴出導管５と、導管５に通じるガス供給導管４を備えている。この導管５は、ノズル１の軸心に配置されており、それは一方では、ノズル１の前面１３に通じ、これはノズル１からガスの流束が噴出されるところの面で、他方では、ノズル１の後面１２に面して通じている。
【００２０】
測定ヘッド２は、ノズル１の後面１２に連結されている測定ヘッド２の前面に通じる導管１１と、導管５を介して入り込む光の放射を捉えるように方向づけられている導管１１の軸心に配置された、フォトセンサ３を備えている。フォトセンサの方向付けは、ガスの流束の通る方向と同軸心であるため、これによって観察された区域が、ガスと相互作用をする区域であることが正しく確保される。
【００２１】
フォトセンサ３は、有利には、特に溶融区域に由来する光線を記録する赤外線検出器（例えばＧｅ＋Ｓｉフィルタ・フォトダイオード、ＩｎＧａＡｓ・フォトダイオード）、または紫外線検出器（例えばＧａＰ・フォトダイオード、シリコンフォトダイオード）である。このフォトセンサから出力される信号は、有利には、濾過そして増幅される。
【００２２】
測定ヘッド２の前面は、ノズル１の後面１２に押しつけるように配置され、そして、導管１１がガス噴出導管５と同軸心となるように、例えば軸心合わせ用のボルト６及び７のような軸心合わせ手段によって維持される。
【００２３】
測定ヘッド２の前面とノズル１の後面１２との継目において、導管５は、仕切り８によって導管１１と隔てられており、この仕切りは、少なくともフォトセンサ３の感知範囲内において光線に対して透明であり、そして、測定したいと思う物理現象と釣り合ったものである。例えば、レーザ溶接でプラズマに由来する信号を記録しようとする場合、有利には、少なくとも紫外線に対して光学的に透明な仕切りを用いる。この仕切り８は、ノズル１または測定ヘッド２の中の加工された台座の上に据えられる。仕切り８は、有利にはノズル１と測定ヘッド２との間の気密性を確保するよう、リング状のパッキン９によって仕上げられる。
【００２４】
図２に示された第二の実施態様において、本発明による検査装置は、横の導管１１’の中に配置され、導管１１に通じるセンサ３’を備えている。半透明のものでもありうる反射板１０は、噴出導管５に由来し、横の導管１１’を通り、センサ３’に至ることができるよう導管１１を通過する光線を屈折させるように、導管１１と横の導管１１’との間の継目に配置される。
【００２５】
溶接、肉盛りまたは加工作業を検査するために本発明による検査装置を用いたい場合には、ノズル１の前面１３が、例えばプラズマまたは溶融金属が形成される区域に向かって方向づけられるように配置し、そして、ガスを吹きつける。
【００２６】
レーザ溶接の場合には、プラズマの発生を減少させるためのガスを吹きつけるのに用いるノズルが有利となりうる。溶接、肉盛りまたは加工作業の際に出される光線は、噴出導管５の中に軸心方向に進入し、仕切り８を通り抜け、そして、導管１１によってそのまま突き進む。そこで、フォトセンサ３または３’に受け止められて、フォトセンサが光線の強度を測定するのに用いられる信号を発信する。
【００２７】
一つまたは複数のセンサのおかげで、溶接、肉盛りまたは加工作業に由来する一つまたは複数の発光信号を、時間経過に応じて、記録することができる。好ましくは、これらのセンサは、光源（プラズマ、溶融金属）から非常に近い距離に位置するものであり、それは、センサが熱、噴射または金属蒸気によって損なわれるおそれが、それらのセンサの位置をガス吹きつけノズルの内部に局限すると減少するためである。このように、捉えられた発光信号は、非常に強度の高いものとなる。そこで、これらの発光信号の変化を、単位体積当たりまたは単位表面積当たりの欠陥密度が、ワークピースに受入れ難い欠陥が全くないような条件で得られた一つまたは複数の基準信号と比較してもよい。このような比較は、溶接、肉盛りまたは加工されたワークピースの受入れまたは廃棄の決定を可能にし、または更には、そのような様々な溶接のパラメータをクローズドループ制御することにより、欠陥の形成を避けることができる。
【００２８】
図３〜５は、レーザ溶接作業中に、本発明による検査装置で記録した信号の例である：１．５ｍ／分の速度で、６ｋＷのＣＯ2レーザによって１．２ｍｍの厚みの電気メッキ亜鉛鋼板を溶接した。センサは、４５０〜１１００ｎｍの放射領域を感知するシリコンフォトダイオードであり、レーザ・ビームの後ろに溶接方向に配置されたアルゴン吹きつけノズルの内部に内蔵したものである。ノズルは、レーザ・ビームによって溶融された金属に方向付けられる。ビームが鋼板に衝突する点とノズルの先端との間の距離は、４０ｍｍである。
【００２９】
図３は、満足のいく条件で実施された溶接箇所を示すものである：溶融金属が反射する光エネルギーに対応するセンサによって記録された信号は、溶接作業開始（図の左側）から、顕著な変化をしていない。実際、各溶接箇所の調査では全く欠陥が判明していない。
【００３０】
図４は、信号に特徴的な変化を示している。この不安定性は、単発的に発生する欠陥に対応するものである。
【００３１】
図５は、亜鉛メッキされた鋼板で行われる溶接作業を示すものである。本発明によるセンサによって記録された信号の多くの擾乱は、プラズマ、溶融金属の噴出の不安定性に対応するものであり、したがって、その溶接箇所には多くの欠陥があることになる。
【００３２】
このように、溶接、肉盛りまたは加工中の作業区域から近距離に設置することのできる本発明による検査装置は、接合加工の質に係る極めて特徴的な強力な信号を記録することができる。コンパクトで持ち運び可能な本検査装置は、レーザ設備の既存の構成要素の良好な作動を害することなく、一つもしくは複数の溶接または加工ヘッド、または複数のガスのノズルによって占められている、限られたスペースの内部に容易に挿入することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る検査装置の第一の実施態様の概略的な断面図
【図２】本発明に係る検査装置の第二の実施態様の概略的な断面図
【図３】欠陥のない溶接箇所の場合の記録された信号
【図４】単一の欠陥を含む溶接箇所の場合の記録された信号
【図５】不安定性を多く含む溶接箇所の場合の記録された信号
【符号の説明】
【００３４】
１  ノズル
２  測定ヘッド
３、  ３’    フォトセンサ
４  ガス供給導管４
５  導管、ガス噴出導管
６、７  軸心合わせ手段、ボルト
８  仕切り
９  リング状のパッキン
１０  反射板
１１  導管
１１’  横の導管
１２  ノズルの後面
１３  ノズルの前面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年9月24日(2003.9.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置であり、該検査装置は少なくとも一つのガス吹きつけノズル（１）を備え、前記ノズルは、前記レーザ・ビームの後方で、前記作業の方向に向けられており、前記ノズルは、前記ガスの流束を噴出する導管（５）と、前記噴出導管（５）の後ろに配置された少なくとも一つのフォトセンサ（３、３’）を具備しており、前記噴出導管（５）の中に、前記ガスの流束の噴出とは逆方向に進入し、そして前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間、前記レーザ・ビームと前記ワークピースの材料との間の相互作用に由来する少なくとも一つの発光信号を捉えることができるようになされている、検査装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
そのような目標を念頭に置いて、本発明は第一に、ワークピースのレーザ・ビームによる溶接、肉盛りまたは加工作業の質の検査装置を目指すものであり、該検査装置は少なくとも一つのガス吹きつけノズルを備え、該ノズルは、前記ガスの流束を噴出する導管を具備し、前記ノズルは、前記レーザ・ビームの後方で、前記作業の方向に向けられ、前記噴出導管の後ろに配置された少なくとも一つのフォトセンサを具備しており、前記噴出導管の中に進入し、そして前記溶接、肉盛りまたは加工作業の間に発信される少なくとも一つの発光信号を捉えることができるようになされている。


【国際調査報告】
2005536359.tif 000008
2005536359.tif 000009
2005536359.tif 000010
2005536359.tif 000011
2005536359.tif 000012
2005536359.tif 000013
2005536359.tif 000014
2005536359.tif 000015
2005536359.tif 000016
2005536359.tif 000017