(57)【要約】【課題】狭開先溶接におけるカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせを、溶接前に開先外で簡単に行うことが可能なカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置を提供する。【解決手段】溶接トーチ８先端のアーク発生部に取り付けて用いるカメラ１２の光軸・撮影位置・焦点合わせ装置１において、溶接トーチ８に取り付けるための溶接トーチ取り付け部５と、カメラ１２側に対向する面を有する第１の調整部２と、第１の調整部２のカメラ１２側に対向する面に垂直に取り付けた第２の調整部３を備える。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチ先端に形成される溶接部の状況を監視するカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置において、
前記溶接トーチに取り付けるための溶接トーチ取り付け部と、前記カメラと対向する面を有する第１の調整部と、その第１の調整部のカメラ側に対向する面に垂直に設けられた第２の調整部を備えることを特徴とするカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置。
【請求項２】
請求項１記載のカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置において、前記第１の調整部のカメラと対向する面のアーク発生位置に相当する箇所に目印を設けたことを特徴とするカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置。
【請求項３】
請求項２記載のカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置において、前記目印が水平方向に延びた複数本の目盛りであることを特徴とするカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接部を監視カメラ（以下、カメラと略称する）で撮影するための、カメラの光軸・撮影位置・焦点合わせ装置（以下、合わせ装置と略称する）に係り、特に溶接前に開先内に溶接トーチを設置することなく溶接方向とカメラの光軸方向の調整と、カメラの焦点、撮影位置の調整を正確に行うのに好適な合わせ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
発電用ボイラの主配管、原子力発電のＲＰＶ（Ｒｅａｃｔｏｒ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｖｅｓｓｅｌ）等の圧力容器は厚さ３０ｍｍ〜１５０ｍｍの厚板構造物であり、多数の溶接箇所がある。例えば発電用ボイラの一部を構成している主配管は、主蒸気管、高温再熱蒸気管、低温再熱蒸気管、主給水管等は高温あるいは高圧のため、大径で厚肉管の構造となっている。
【０００３】
主配管はコイルで加熱された高温、高圧の蒸気をボイラからタービンまで送り、タービンで仕事を終えた蒸気を再びボイラのコイルに還流するといった高温、高圧の配管構造である。
【０００４】
また、配管自身が高温、高圧であるためボイラの起動、停止時における伸縮量が大きく、溶接継手に応力が集中するため、ボイラからタービンまでの主配管には高品質の溶接部が要求される。この溶接には、母材に対する入熱量を抑えて溶接歪みや熱影響を少なくし、また効率的に溶接が行えることから、開先幅５ｍｍ〜１２ｍｍの狭開先アーク溶接法が適用される。
【０００５】
溶接法としてはステンレス鋼、高合金鋼の場合は、非消耗電極式ＴＩＧ（Ｔｕｎｇｓｔｅｎ　Ｉｎｅｒｔ　Ｇａｓ　Ａｒｃ）溶接法が、また低合金、軟鋼の場合は、消耗電極式ＧＭＡ（Ｇａｓ　Ｍｅｔａｌ　Ａｒｃ）溶接法が適用される場合が多い。
【０００６】
図１０により狭開先ＴＩＧ溶接法を説明する。対向する母材２１ａと母材２１ｂの間に幅５ｍｍ〜１２ｍｍの狭開先２２を加工し、開先幅より薄い長尺の溶接トーチ８とワイヤトーチ９を狭開先２２に挿入する。溶接トーチ８の先端にはタングステンからなる非消耗電極１７が取り付けられ、トーチ先端から吹き出す不活性ガス（例えばアルゴンガス）により溶接部を空気からシールドしながら、電極１７を負極、母材２１ａ、２１ｂを正極としてアーク１９を形成する。
【０００７】
ワイヤトーチ９により導かれた添加ワイヤ１８を溶接部に送給して加熱溶融し、狭開先２２をこの溶着金属により埋めることにより母材２１ａと母材２１ｂの接合を行う。
【０００８】
本図は、溶接装置が台車等の移動装置（図示せず）により矢印方向に移動しながら溶接している状態を示している。添加ワイヤ１８はワイヤリール２５に巻かれており、ワイヤフィーダ２４によりコンジットライナー２６とワイヤトーチ９を経由して溶接部に導かれる。また、溶接トーチ８の先端から吹き出すシールドガスだけでは、溶接トーチ８周辺の空気を巻き込み溶接部のシールドが不完全なため、溶接トーチ８上部の狭開先２２外にシールドボックス１１を設置し、狭開先２２方向に対してシールドガスを流して、狭開先２２内全体を不活性ガス雰囲気にする方法が一般に採用されている。図中の２０は溶接ビードである。
【０００９】
本溶接法は１層１パスの多層溶接であり、１層２ｍｍ〜４ｍｍの積層になることから、板厚が厚くなると数時間に及ぶ長時間連続溶接になる。また、溶接品質を確保するためには非常に狭い開先内でのアーク溶接状況の監視が必要になり、特に開先内での電極位置の調整が非常に重要になる。
【００１０】
電極１７がどちらかの開先に片寄ると片寄った側の壁は溶け過ぎ、反対側の壁は融合不良を起こしてしまう。このことにより溶接士に掛ける負担が非常に大きく、従来よりカメラにより溶接状況を撮影して遠隔操作を行ったり、あるいはカメラより得られた画像を画像処理装置で解析し、電極位置の自動制御や溶接条件の自動調整が行われている。
【００１１】
図７は板の長手狭開先溶接状況とカメラの設置状況ならびに画像処理による開先左右倣い機器の構成を示す側面図、図８は長手狭開先溶接状況を示す正面図である。溶接状況監視装置は、溶接部を撮影するカメラ１２とモニタテレビ１３から構成されている。画像処理による自動制御、例えば電極位置の開先左右倣いを行う場合は、画像処理装置１４、溶接制御装置１５、電動の左右スライダー１６などを備えている。溶接トーチ８ならびにワイヤトーチ９などは取付け台１０を介して左右スライダー１６に取付けられている。
【００１２】
狭開先溶接の場合は開先幅が狭いため、図７に示すようにカメラ１２は開先外に設置し、溶接部を斜め前方から撮影する場合が多い。また、溶接トーチ８等の溶接装置にカメラ１２が固定され、溶接トーチ８とカメラ１２は一体で移動する。図７では溶接装置を溶接方向に移動をする走行装置は図示されていないが、例えば溶接線近傍にレールを設置し、溶接線に沿って溶接装置を走行させる。この場合、溶接トーチ８の走行軌跡と溶接線が一致するようにレールを設置するが、多少の誤差が出るため溶接中に溶接トーチ８の位置を調整する必要がある。
【００１３】
カメラ１２の光軸は溶接線に合わせた方が溶接状況を監視し易く、左右の開先２２と電極１７との位置関係を正確に捉えることができる。つまり、カメラ１２の光軸は走行装置の進行方向（レールの設置方向）に合わせるのではなく、溶接方向に合わせた方が、開先２２と電極１７の位置関係を正確に計測することができる。
【００１４】
狭開先内溶接部の画像の一例を図９に示す。溶接部は拡大して撮影した方が良く、電極１７、添加ワイヤ１８、アーク１９の状況を監視することができる。また、アーク１９は非常に輝度が高いため、アーク光を減光する必要があり、特殊なフィルターが使用される。そのため、アーク光の周辺部は暗くなり、通常開先部は見えにくくなる。図９ではアーク１９と開先壁の境界を開先境界２３ａ、２３ｂの直線で表しているが、通常はこのような明確な線はモニタテレビには映らない。
【００１５】
次に画像処理による開先倣いの一例を図７と図８を用いて説明する。カメラ１２で撮影した溶接部の画像を画像処理装置１４のメモリーに取込み、画像処理装置１４で電極１７の中心位置とアーク１９の両端から開先２２の中心位置を計測し、そのずれ量を演算し、そのずれ量を溶接制御装置１５に送信し、溶接制御装置１５により溶接トーチ８を左右に移動させる左右スライダー１６を駆動して、電極１７の中心位置と開先２２の中心位置のずれが無くなるように自動制御を行う。
【００１６】
このようにカメラ１２により溶接部を撮影し、その画像を基に解析を行うため、溶接部の画像は鮮明で溶接部と開先２２の位置関係が正確に撮影されなければならない。そのためには、カメラ１２の光軸・撮影位置・焦点合わせを正確に行う必要がある。
【００１７】
具体的には、アーク１９は画像の中心に映るようにし、電極１７は画像のＹ軸方向に平行にし、カメラ１２の光軸と溶接方向を合わせる必要があり、当然ながらカメラ１２の焦点も正確に合わせる必要がある。これらの調整が正確に行われていないと、自動制御による正確な位置合わせを行うことができない。
【００１８】
これらの調整は、溶接前に溶接トーチ８を狭い開先２２内に設置して、電極１７先端を対象にして行うか、実際にアーク１９を出しながら行う必要があった。アーク１９を出しながら調整する作業では、溶接機器の監視とカメラ１２の調整を同時に行うことになるので、非常に煩雑になり時間が掛かる作業になるのと、カメラ１２で得られた画像では溶接部周辺が暗く見えにくいため、カメラ１２の光軸と溶接進行方向を合わせることが難しい。また、溶接前にこれらの作業を行う場合でも、電極１７の先端を対象にして行うため正確に合わせることが難しく、特にカメラ１２の光軸と溶接進行方向を合わせる場合に開先線として明確な目印が無いため、光軸合わせが難しいのが現状だった。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術では、狭開先の溶接部をカメラで撮影し、遠隔操作により溶接位置を調整する、あるいは撮影した画像を画像処理装置により解析し、溶接位置を自動制御する場合にカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせが正確でないと制御の性能が保証できない、しかしその調整作業は煩雑で時間を要するといった問題があった。
【００２０】
本発明の目的は、このような従来技術の欠点を解消し、カメラの光軸・撮影位置・焦点合わせを、溶接前に開先外で簡単に行うことが可能な合わせ装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、溶接トーチ先端に形成される溶接部の状況を監視するカメラの合わせ装置において、前記溶接トーチに取り付けるための溶接トーチ取り付け部と、前記カメラと対向する面を有する第１の調整部と、その第１の調整部のカメラ側に対向する面に垂直に設けられた第２の調整部を備えることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記第１の調整部のカメラと対向する面のアーク発生位置に相当する箇所に目盛りなどの目印を設けたことを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第３の手段は前記第２の手段において、前記前記目印が水平方向に延びた複数本の目盛りであることを特徴とするものである。
【００２４】
前述のように、合わせ装置を溶接トーチ取り付け部により溶接トーチ先端に取り付ける。ＴＩＧ溶接の場合は、溶接トーチ取り付け部は電極径と同径の丸棒形状とし、この丸棒を電極の取り付け部に差込み、合わせ装置を溶接トーチ先端に取り付ける。これにより電極先端のアーク発生位置に、前記第１の調整部と第２の調整部を位置させることができる。
【００２５】
次にカメラと対向する面を有する第１の調整部を溶接線とは直角に、第２の調整部を溶接面と平行になるように、溶接トーチ取り付け部を回転させて調整する。第１の調整部のカメラと対向する面のアーク発生位置に予め目盛りなどの目印を印刷や刻印などにより設けておく。モニターテレビを見ながらこの目印が、モニターテレビの中央に位置するようにカメラ位置とカメラの焦点を調整する。そして目印がモニタタレビのＸ軸に平行になるように、第２の調整部がＹ軸と平行になるようにカメラの回転を調整する。
【００２６】
次に、第１の調整部のカメラ側に対向する面に垂直に取り付けた第２の調整部が両側面が見えなくなるように、カメラの光軸を調整する。以上の調整により、溶接前に開先外でカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせを正確に行うことができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。図１は一実施形態に係る合わせ装置の斜視図である。図３はカメラの光軸と溶接線が一致した場合に、カメラが取り込んだ、溶接トーチ先端に取り付けた合わせ装置の画像の一例を示す図である。図４はカメラの光軸と溶接線が傾斜した場合に、カメラが取り込んだ、溶接トーチ先端に取り付けた合わせ装置の画像の一例を示す図である。図５は溶接トーチ先端に合わせ装置を取り付けた状態を示す側面図で、カメラのＹ方向の傾きを調整する様子を示す図である。図６は溶接トーチ先端に合わせ装置を取り付けた状態を示す正面図で、カメラのＸ方向の傾きを調整する様子を示す図である。
【００２８】
図１において、１は合わせ装置、２は第１の調整部、２ａはカメラに対向する面となる第１の調整部正面、３は第１の調整部正面２ａを２等分して垂直に取り付けている第２の調整部、３ａは第２の調整部側面、４は第１の調整部正面２ａに印刷された目印となる水平方向に延びた目盛り、５は電極１７の径と同径の丸棒形状の溶接トーチ取り付け部である。
【００２９】
目盛り４は合わせ装置１を溶接トーチ８の先端に取り付けたときにアーク発生部の位置になるように調整部正面２ａに水平に印刷あるいは刻印されている。溶接トーチ取り付け部５は、溶接法がＴＩＧ溶接のため溶接トーチ８の先端に取り付け易くするために、電極１７の径とほぼ同径の丸棒形状になっている。
【００３０】
図５と図６において、８は溶接トーチ、９はワイヤトーチ、１０は溶接トーチ８とワイヤトーチ９を取り付け固定する取り付け台、１１はシールドガスを開先内に吹き込むためのシールドボックス、１２は溶接部を撮影するためのカメラ、１３はカメラ１２で撮影した画像をモニタするためのモニタテレビである。なお、取り付け台１０、カメラ１２、モニタテレビ１３、画像処理装置１４、溶接制御装置１５、左右スライダー１６の結合関係は図７と同様である。
【００３１】
狭開先ＴＩＧ溶接方法の溶接手順は従来の方法と同様であるのでその説明は省略し、合わせ装置１について図１ないし図６を用いて説明する。
【００３２】
図５と図６に示すように合わせ装置１を溶接トーチ８の先端に取り付ける。溶接トーチ８の先端に設置されている電極１７を抜き取り、代わりに溶接トーチ取り付け部５を差し込むことにより、簡単に合わせ装置１を溶接トーチ８に取り付けることができる。これにより電極１７先端のアーク発生位置に、合わせ装置１の第１の調整部２と第２の調整部３を設置することができる。
【００３３】
次に、第１の調整部２のカメラ１２に対向する面と第１の調整部正面２ａを溶接線とは直角に、第２の調整部３の第２の調整部側面３ａが溶接線と平行になるように、溶接トーチ取り付け部５を軸にして、合わせ装置１を回転させて調整する。
【００３４】
図５と図６に示すように、溶接トーチ８の先端に取り付けた合わせ装置１をカメラ１２で撮影可能なように、モニタテレビ１３に映った画像を見ながら、カメラ１２を移動させて撮影位置を調整する。図７に示すように、カメラ１２は開先外の溶接部の前方に設置される。カメラ１２で合わせ装置１を撮影した画像の例を図３と図４に示す。
【００３５】
まず、図５に示すように画像のＹ軸方向の位置と、図６に示すように画像のＸ軸方向の位置を調整して、第１の調整部正面２ａに印刷してある目盛り４が画像の中央に位置するように、カメラ位置とカメラの焦点を調整する。そして目盛り４が画像のＸ軸に平行になるように、第２の調整部３がＹ軸と平行になるようにカメラ１２の回転を調整する。この操作によりアークを出さずに溶接前にカメラの撮影位置と焦点を合わせることができる。なお、目盛り４は例えば、１ｍｍ間隔の目盛りを複数本入れておけば、画像撮影範囲の大きさを測定する目安となり便利である。
【００３６】
次に図４に示すように、第２の調整部側面３ａが画像で見える場合は、カメラ１２の光軸と溶接線がずれていて、斜めから溶接部を監視することになるので、図３に示すように、第２の調整部側面３ａが両面とも見えなくなるよう、図６に示すように、カメラ１２の光軸を調整する。この操作により、カメラ１２の光軸と溶接線を簡単に、しかも正確に合わせることが可能になる。
【００３７】
図２は、本発明の他の実施形態に係る合わせ装置の斜視図である。同図において、１は本実施形態に係る合わせ装置、２は第１の調整部、２ａは第１の調整部正面、３は第２の調整部、３ａは第２の調整部、３ａは第２の調整部側面、４は目盛り、６は溶接トーチ取り付け部、７は板バネである。
【００３８】
図１に示した合わせ装置１と溶接トーチ取り付け部６の構造だけが違う。溶接法が違う場合、例えば消耗電極式狭開先ＧＭＡ溶接法では、溶接トーチ取り付け部６の構造が丸棒形状では、合わせ装置１を溶接トーチ８に取り付けることができない。そこで、溶接トーチ取り付け部６をほぼＵ形状にし、その内面に板バネ７を取り付け、その板バネ７の弾性を利用して薄い板状の狭開先ＧＭＡ溶接トーチに簡単に取り付けられるようにしている。
【００３９】
なお、この合わせ装置１は狭開先溶接だけではなく、一般的な溶接の場合でも、溶接トーチ取り付け部６を溶接トーチ８に合わせた構造にするだけで適用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明による合わせ装置によれば、溶接前に開先外でカメラの光軸・撮影位置・焦点合わせを正確・簡便に行うことが可能になる。このことにより、狭開先の溶接部をカメラで撮影し、画像を画像処理装置により解析し、溶接位置等を自動制御する場合の性能が保証され、溶接品質の安定化、溶接士の作業軽減、自動化による効率向上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る合わせ装置の斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態に係る合わせ装置の斜視図である。
【図３】カメラの光軸と溶接線が一致した場合に、カメラが取り込んだ、溶接トーチ先端に取り付けた合わせ装置の画像の一例を示す図である。
【図４】カメラの光軸と溶接線が傾斜した場合に、カメラが取り込んだ、溶接トーチ先端に取り付けた合わせ装置の画像の一例を示す図である。
【図５】溶接トーチ先端に合わせ装置を取り付けた状態を示す側面図である。
【図６】溶接トーチ先端に合わせ装置を取り付けた状態を示す正面図である。
【図７】板の長手狭開先溶接状況とカメラの設置状況と画像処理による開先左右倣い機器の構成を示す側面図である。
【図８】板の長手狭開先溶接状況を示す正面図である。
【図９】カメラが取り込んだ、狭開先内溶接部の画像の一例を示す図である。
【図１０】狭開先溶接の溶接法の説明図である。
【符号の説明】
１：合わせ装置、２：第１の調整部、２ａ：第１の調整部正面、３：第２の調整部、３ａ：第２の調整部側面、４：目盛り、５：溶接トーチ取り付け部、６：溶接トーチ取り付け部、７：板バネ、８：溶接トーチ、９：ワイヤトーチ、１０：取り付け台、１１：シールドボックス、１２：カメラ、１３：モニタテレビ、１４：画像処理装置、１５：溶接制御装置、１６：左右スライダー、１７、非消耗電極、１８：添加ワイヤ、１９：アーク、２０：溶接ビード、２１，２１ａ，２１ｂ：母材、２２：開先、２３ａ，２３ｂ：開先境界、２４：ワイヤフィーダ、２５：ワイヤリール、２６：コンジットライナー
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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