CN109791042A - 用于光学测量焊接深度的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种尤其在借助工作激光束(36)进行焊接、钻孔或刻蚀时用于测量焊接深度的方法，其中，传感器***(10)的测量光射束(28)在激光加工头(26)中耦入到工作激光束(36)的加工光束路径(30)中并且由加工光束路径(30)的聚焦光具(42)在工件(44)表面上集聚或聚焦成测量光斑。在工件表面上反射的测量光射束(28)反馈给传感器***(10)的测量和分析评价单元(12)，以便求取关于工件(44)表面距激光加工头(26)的距离的信息。为了得到工件在蒸发毛细管(54)区域中的表面形貌，根据该表面形貌求取蒸发毛细管(54)相对于工作激光束照射点的位置，不仅沿焊接方向、而且在该焊接方向的横向上在工件(44)表面上将测量光斑的位置引导到蒸发毛细管(54)上方。在激光加工时为了测量焊接深度而使测量光斑运动到所求取的蒸发毛细管(54)位置。

Description

用于光学测量焊接深度的方法
技术领域
本发明涉及一种用于尤其在借助激光束进行焊接、打孔和刻蚀时光学测量焊接深度的方法。
背景技术
众所周知，为了焊接深度的光学测量，使用用于距离测量的光学传感器，该光学传感器基于光学短相干干涉测量法工作，在这种情况下，测量光被***成测量光射束(下面也简称测量射束)和参考光射束(下面也简称参考射束)。从测量臂和参考臂反射回来的测量光射束和参考光射束相互叠加，以便由测量臂和参考臂之间的行程差求取所需的距离信息。
应用领域延伸到这样的加工过程：这些加工过程需要将测量光射束精确且自动地定位到工作激光束和工件之间相互作用的区域中的位置上，特别是定位到由工作激光束在其照射点处产生的蒸发毛细管上，即所谓匙孔(keyhole)，例如具有焊接深度在线监测功能的激光焊接，以便进行焊接深度调节。
在激光焊接时用于精确定位光学测量光射束的已知技术方案以基于相机的用于求取相对于工作激光束的测量光射束位置的方法为基础。这些方法涉及间接求取测量光射束在工件表面上的位置，这对焊接深度测量是必须的。
然而，测量射束相对于加工光束的对于可靠的焊接深度测量而言优化的位置取决于不同的工艺参数，如进给速度和焊接物材料，因此，借助用于求取位置的间接方法不能足够精确地确定该位置。
DE 101 55 203 A1描述了一种具有观察装置的激光加工装置，该观察装置构造为用于感测表面测量数据的短相干干涉仪。通过在加工位置进行测量，例如还可以监测和调节焦点深度。没有描述测量位置、即测量射束的照射点应如何相对于加工位置定向，以便可靠和精确地测量焦点深度或匙孔深度。
DE 10 2015 012 565 B3涉及一种用于提高用于激光材料加工的OCT测量***的精度的装置和方法，并且描述了在加工期间借助空间分辨传感器、例如照相机对由光学相干断层扫描仪产生的测量射束相对于激光束的位置进行定位。在此，在考虑工件上的测量射束位置的情况下，根据由传感器提供的空间分辨信息确定加工射束和测量射束之间的相对偏移。没有描述测量射束相对于蒸发毛细管、即匙孔的定位。
DE 10 2013 015 656 B4涉及一种用于测量焊接深度的方法，其中，两个测量射束被引导通过加工光具。第一测量射束对准匙孔底部，用于测量到匙孔底部的距离，第二测量射束对准构件表面，用于测量到构件表面的距离。由这两个距离可以确定焊接深度。没有描述测量射束如何对准匙孔位置。
如上所述，所有已知方法基于间接求取测量射束在工件上的位置，用于焊接深度测量。然而，通过这种方式不能确定相对于蒸发毛细管、也就是相对于匙孔的准确位置，因为凭借成像方法感测匙孔在加工区域中、即在工作激光束的照射区域中的准确位置是困难的。
发明内容
在此基础上，本发明的目的是，提供一种用于光学测量焊接深度的方法，该方法使得在激光加工时能够将测量光射束精确定位到匙孔位置上，从而能够可靠地测量焊接深度。
该目的通过根据权利要求1的方法实现。在从属权利要求中说明了本发明有利的实施例和改进方案。
根据本发明，为了测量焊接深度，特别是在借助激光束进行焊接、钻孔或刻蚀时，使传感器***、特别是基于OCT工作的传感器***的测量光射束在激光加工头中耦入到工作激光束的加工光束路径中。测量光射束被加工光束路径的聚焦光具集聚或聚焦到工件的表面上，以便在那里形成测量光斑。在工件表面上在测量光斑中反射的测量光射束被反馈给传感器***的测量和分析评价单元，以便获得关于工件表面距任意参考位置、尤其距激光加工头的距离的信息。为了得到蒸发毛细管区域中的工件表面形貌，测量光斑的位置在工件表面上沿着焊接方向以及横向于焊接方向被引导到蒸发毛细管上方。根据蒸发毛细管区域中的工件表面形貌求取蒸发毛细管相对于工作激光束照射点的位置。在随后进行的激光加工过程中，使用于测量焊接深度的测量光斑运动到所求取的蒸发毛细管位置，使得测量光射束精确对准蒸发毛细管，即匙孔，借此确保对匙孔深度并从而对焊接深度的可靠且准确的测量。
在有利的构型中规定，求取蒸发毛细管的最低点作为蒸发毛细管相对于工作激光束照射点的位置。由此进一步提高焊接深度测量的精度，因为蒸发毛细管的深度、即匙孔的深度基本上相当于工作激光束和工件之间的相互作用区中的焊接熔池的深度。
符合目的地规定，测量光斑在线性轨迹上被引导到蒸发毛细管上方，其中，根据沿着所述线性轨迹的测量数据通过曲线拟合确定表面形貌。由此实现了特别简单和快速的确定。
特别是，根据沿着横向于焊接方向的线性轨迹的测量数据通过按照高斯分布进行的曲线拟合确定表面形貌，而根据沿着在焊接方向上的线性轨迹的测量数据通过按照麦克斯韦-玻尔兹曼分布进行的曲线拟合确定表面形貌。
本发明的替代实施方式的特点在于，测量光斑在螺线形轨迹上被引导到蒸发毛细管上方，以便随后根据距离测量数据求取最佳的测量光斑位置。
原则上也可能的是，在焊接过程中根据表面形貌沿着焊缝求取焊接深度。然而这会导致沿着焊缝间断地监测焊接深度。因此，根据本发明规定，在测试加工期间针对预给定的、加工过程的工艺参数求取蒸发毛细管相对于工作激光束照射点的位置，并且将所述位置作为该加工过程的测量光斑位置来存储。通过这种方式实现了，在通过工艺参数(针对该加工过程已确定了测量光斑位置)分类的加工过程中，可以几乎连续地监测焊接深度并且在必要时进行补充调整。因此，通过补充调节焊接深度，本发明不仅能够实现高质量的激光加工，尤其是焊接，而且能够可靠地记录整个焊缝上的焊接深度，用于质量控制和质量安全。
本发明的一个有利改进方案的特点在于，在测试加工期间分别针对不同加工过程的预给定工艺参数求取蒸发毛细管相对于工作激光束照射点的对应位置，并且将所述位置作为该加工过程的测量光斑位置来存储。
因而，根据本发明，针对不同过程测量理想的测量射束位置并且随后将所述位置例如直接存储在传感器***中。由此现在可以在一个设备上彼此相继地以不同的工艺参数执行焊接，其中，通过相应的促动器分别移动到先前求取的位置处。
在本发明一个有利改进方案中规定，对于在加工过程中进给方向随着加工走向而改变的情况，使针对相应的工艺参数所存储的测量光斑位置适配于对应的进给方向。因而，在进给方向随着焊缝走向而改变的加工过程中，相应的促动器可以使之前针对用于焊接深度测量的测量光射束求取并存储的理想位置适配于进给方向。
根据本发明的方法符合目的地通过尤其在借助工作激光束进行焊接、钻孔或刻蚀时用于测量焊接深度的装置来实施，该装置具有：激光加工头，带有聚焦光具的加工光束路径被引导穿过该激光加工头，所述聚焦光具用于将工作激光束聚焦到工件上；用于产生测量光射束的传感器***，所述测量光射束能在激光加工头中耦入到加工光束路径中，并且，所述测量光射束能被加工光束路径的聚焦光具在工件表面上集聚或聚焦成测量光斑；和促动器，所述促动器具有用于测量光射束的偏转单元。在此，所述传感器***和所述促动器这样配置，使得它们能够实施用于测量焊接深度的本发明方法。
附图说明
下面示例性地参考附图更详细地解释本发明。在图中示出：
图1根据本发明的用于测量焊接深度的装置的简化示意图；
图2激光加工头的简化示意图，具有用于耦合来自用于焊接深度测量的传感器***的测量光射束的光学***；
图3工件的示意性剖视图，用于展示在焊接过程中的蒸发毛细管(Keyhole)；
图4在工作激光束与工件之间的相互作用区的区域中的工件表面的示意性俯视图，用于展示用于感测表面形貌的线性扫描线；
图5a在横向于焊接方向的线性轨迹上的焊接运行的距离测量数据；
图5b在焊接方向上的线性轨迹上的焊接运行的距离测量数据；和
图6在工作激光束与工件之间的相互作用区的区域中的工件表面的示意性俯视图，用于展示用于感测表面形貌的螺线形扫描线。
在附图的各个图中，相应的构件和元件设置有相同的参考符号。
具体实施方式
如图1所示，用于测量焊接深度的装置包括传感器***10，该传感器***基于光学相干断层扫描原理工作，其借助干涉仪利用光的相干特性。传感器***10包括测量和分析评价单元12，测量和分析评价单元具有宽带光源(超辐射发光二极管SLD，扫描光源(光谱可调光源)等)，它们的测量光耦入到光波导体14中。在优选具有光纤耦合器的分束器16中，测量光***到参考臂18和测量臂20中，测量臂包括光波导体22和穿过激光加工头26的测量光射束路径24。测量光射束路径24包括用于将测量光射束28耦入到激光加工头26中的加工光束路径30中的光学***。尤其在图2中可以看出，用于将测量光射束28耦合到加工光束路径30中的光学***包括准直光具32，该准直光具对从光波导体22射出的测量光射束28进行准直，使得它在加工激光头26中经由部分可穿透的镜34耦入到加工光束路径30中并且可以叠加到工作激光束36上。工作激光束36例如通过相应的光波导体38输送给激光加工头26，该工作激光束被准直光具40准直并且经由部分可穿透的镜34转向到聚焦光具42，聚焦光具将工作激光束36与测量光射束28一起集聚或聚焦到工件44的表面上。为了保护聚焦光具42防止来自工作激光束36和工件44之间的相互作用区的飞溅物或类似物，在聚焦光具42和工件44之间布置有保护玻璃46。
为了可以在工件的表面上方不仅在焊接方向上而且在其横向上引导测量光射束28和由测量光射束28在工件44表面上产生的测量光斑，设置了具有偏转单元48的促动器，该偏转单元可以使测量光射束28在两个相交的方向上、例如在x和y方向上在工件表面上方运动，以便扫描工件44的表面轮廓并感测相应的表面形貌。偏转单元48可以构造为电流式扫描器(Galvano Scanner)，其具有两个相互基本垂直的扫描方向，构造有反射光具或透射光具，例如棱镜。偏转单元48的另一个可能的构造是一种具有可在两个方向上移动的光具的装置。偏转单元48由控制单元50以这种方式控制，使得该偏转单元在测试焊接运行或测量焊接运行期间使测量光射束28为了感测表面形貌而在工件44的表面上方运动，或者该偏转单元在加工焊接过程期间将测量光射束38并从而将测量光斑偏转到为焊接过程的工艺参数所求取的匙孔位置上。控制单元50可以被设置为独立单元，其与传感器***10、尤其与传感器***的测量和分析评价单元12连接，如通过测量和分析评价单元12以及控制单元50的输入和输出口A示意性所示，或者集成到传感器***10中。
如图3和图4所示，工作激光束36和工件44之间的相互作用区具有液态熔体区域52，即焊接熔池，其围绕蒸发毛细管54，该蒸发毛细管位于工作激光束36在工件44上的照射区域56中。如在图3中可以看出，除了修正系数外，蒸发毛细管54的深度基本上相当于焊接熔池的深度。在进给方向上(图3中进给方向V；图4中x方向)，制成的焊缝的凝结溶体58位于激光束36和工件44之间的相互作用区的后面。
激光加工过程可以通过其工艺参数如进给速度、激光功率、工作激光束36在z方向(即垂直于工件表面方向)上的焦点位置、焊接物(即工件44)材料和/或焊缝几何形状来分类，为了针对特定的激光加工过程求取蒸发毛细管54相对于工作激光束36的照射区域56的相对位置，在测试焊接运行或测量焊接运行期间，借助偏转单元48，使测量光射束28的位置、因而使由此产生的在焊接过程中在工件44上的测量光斑的位置在沿着焊接方向的以及与垂直于焊接方向的线性轨迹60，62上运动到蒸发毛细管54上方，即匙孔上方。
在此，借助于传感器***10沿着扫描轨迹记录距离数据。为此，耦入到加工光束路径30中的测量光射束28被聚焦光具42集聚或聚焦成工件44表面上的测量光斑，并且被偏转单元48根据所选择的扫描轨迹而引导到工件44表面上方。在包括光波导体耦合器的分束器16中，在工件44表面上反射的测量光射束28与来自于参考臂18的参考光射束叠加并且反馈给测量和分析评价单元20，该测量和分析评价单元由关于参考臂18和测量臂20的行程差的信息求取关于工件44表面距工件44上方任意参考位置的距离、即例如距激光加工头26位置的距离或距激光加工头中的聚焦光具42的位置的距离的信息。为了在测量焊接深度期间求取测量光斑的最佳位置，根据在图5a和5b中作为沿对应的轨迹的点云画出的距离数据分布，通过相应的曲线拟合求取工件44的表面轮廓在工作激光束36和工件44之间的相互作用区中沿着轨迹60和62的变化。
在此，工件44的沿轨迹62的表面形貌(该表面形貌在蒸发毛细管54区域中表示蒸发毛细管的垂直于进给方向V的深度形貌)是对称的。为了求取蒸发毛细管54的最低点的位置(该位置对于测量光斑、即对于测量光射束28在工件44上的照射点的最佳位置)，通过距离数据设置用于曲线拟合的对称曲线。有利地，曲线拟合在此可以借助高斯分布执行。
在此，y是工件上的测量光斑在y方向上、即垂直于进给方向V(参见图3)的位置，其中，μ表示期望值，σ2表示该分布的方差。
如在图5b中可见，蒸发毛细管54在进给方向上的深度形貌是不对称的，大致相当于麦克斯韦-玻尔兹曼分布的走向。
其中，x表示测量光射束28在工件表面上在进给方向上的位置，k1和k2是该分布的参数。根据这些参数可以确定该分布的最大值。
因此，蒸发毛细管54最低点相对于加工光束36的照射区域56的位置是已知的，使得在后续通过以与测量焊接运行相同的工艺参数执行的激光加工过程加工工件44期间，测量光射束28能够被精确对准到匙孔中，即蒸发毛细管中，以便实现可靠、精确地测量焊接深度。
符合目的地，匙孔54相对于工作激光束36的照射区域56的位置与对应于它的工艺参数一起被存储。每当在要借助激光加工头36以还没有针对其求取测量光斑相对于蒸发毛细管54的最佳定位的工艺参数执行焊接过程时就执行该过程，即蒸发毛细管54的位置的求取。在此，每次将匙孔的位置与工艺参数一起存储，使得随着时间的推移用于匙孔的位置对于大量不同的激光加工过程而言是已知的，使得当从一个激光加工过程转换到另一个激光加工过程时，在该激光加工过程还没有被激光加工头执行过的情况下才需要重新进行测试焊接。
视在偏转单元48中使用的扫描光具而定，可能必须重复求取蒸发毛细管的位置，即使该过程已经以给定的焊接参数被执行和存储过。特别是外部干扰因素例如温度变化可以导致漂移，即导致偏转单元48扫描位置、即测量光斑位置的变化，使得测量光射束28不再照射到蒸发毛细管54中。由于这种漂移，可能需要以确定的时间间隔，例如每天一次或每周一次，重复求取蒸发毛细管54的位置。
针对不同激光加工过程的蒸发毛细管位置的存储有利地在集成到控制单元50中的存储器中进行或在传感器***10中的存储器中进行。控制单元50也可以是传感器***10的整体组成部分；因此，可以在一个设备上相继地以不同的工艺参数执行焊接，其中，每次通过偏转单元48将测量光斑、即测量光射束28调整到先前求取的蒸发毛细管54位置上。
如果在焊接过程中进给方向沿着焊缝走向而变化，即进给方向偏离假定为x方向的原始进给方向，则使先前求取并存储的测量光斑理想位置适配于改变后的进给方向。
代替借助沿两个相交的线性轨迹60和62求取的距离数据求取蒸发毛细管54的位置，即蒸发毛细管54最低点的位置，也可以是，在工作激光束36和工件44之间的相互作用区中在螺线形轨迹64上引导测量光斑，以便求取蒸发毛细管54相对于工作激光束36的照射区域56的位置。在此可以沿着相对较宽的螺线形轨迹64首先从三维的漏斗形表面形貌或者说深度形貌求取蒸发毛细管54的近似位置，以便然后在第二测量步骤中借助工作激光束36的照射区域56中的较窄的螺线形轨迹确定表面形貌或者深度形貌，然后可以根据该表面形貌或者深度形貌确定蒸发毛细管54的准确位置。
此外还可以想到，在工作激光束36和工件44之间的相互作用区中行式地感测工件44的表面，其中，这些行或轨迹分别各自垂直于它们的纵长延伸地在工件上移动，以便由感测的表面形貌或深度形貌求取匙孔的准确位置。

Claims (11)

1.用于测量焊接深度的方法，尤其在借助工作激光束(36)进行焊接、钻孔或刻蚀时，其中，
-传感器***(10)的测量光射束(28)在激光加工头(26)中耦入到工作激光束(36)的加工光束路径(30)中并且由加工光束路径(30)的聚焦光具(42)在工件(44)表面上集聚或聚焦成测量光斑，
-在工件(44)表面上反射的测量光射束(28)反馈给传感器***(10)的测量和分析评价单元(12)，以便得到关于工件(44)表面距激光加工头(26)的距离的信息，
-不仅沿焊接方向、而且在该焊接方向的横向上在工件(44)表面上将测量光斑的位置引导到蒸发毛细管(54)上方，以便得到工件在蒸发毛细管(54)区域中的表面形貌，
-根据工件在蒸发毛细管(54)区域中的表面形貌求取蒸发毛细管(54)相对于工作激光束照射点的位置，并且，
-在进行激光加工时为了测量焊接深度而使测量光斑运动到所求取的蒸发毛细管(54)位置。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，求取蒸发毛细管(54)的最低点作为蒸发毛细管(54)相对于工作激光束(36)照射点(45)的位置。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，测量光斑在线性轨迹(60，62)上被引导到蒸发毛细管(54)上方。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于，根据沿着所述线性轨迹(60，62)的测量数据通过曲线拟合确定所述表面形貌。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，根据沿着横向于焊接方向的线性轨迹(62)的测量数据通过按照高斯分布进行的曲线拟合确定所述表面形貌。
6.按照权利要求4或5所述的方法，其特征在于，根据沿着在焊接方向上的线性轨迹(60)的测量数据通过按照麦克斯韦-玻尔兹曼分布进行的曲线拟合确定所述表面形貌。
7.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在螺线形轨迹(64)上将测量光斑引导到蒸发毛细管(54)上方。
8.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在测试加工期间针对预给定的、加工过程的工艺参数求取蒸发毛细管(54)相对于工作激光束(36)的照射点(56)的位置并且将所述位置作为用于该加工过程的测量光斑位置存储。
9.按照权利要求8所述的方法，其特征在于，在测试加工期间分别针对不同加工过程的预给定工艺参数求取蒸发毛细管(54)相对于工作激光束(36)的照射点(56)的对应位置并且将所述位置作为用于这些加工过程的测量光斑位置来存储。
10.按照权利要求8和9所述的方法，其特征在于，对于在加工过程中进给方向随着加工走向而改变的情况，使针对相应的工艺参数所存储的测量光斑位置适配于对应的进给方向。
11.用于测量焊接深度的装置，尤其在借助工作激光束(36)进行焊接、钻孔或刻蚀时，该装置具有：
-激光加工头(26)，带有聚焦光具(42)的加工光束路径(30)被引导穿过该激光加工头，所述聚焦光具用于将工作激光束(36)聚焦到工件(44)上，
-用于产生测量光射束(28)的传感器***(10)，所述测量光射束能在激光加工头(26)中耦入到加工光束路径(30)中，并且，所述测量光射束能被加工光束路径(30)的聚焦光具(42)在工件(44)表面上集聚或聚焦成测量光斑，和
-促动器，其具有用于测量光射束(28)的偏转单元(48)，
-其中，所述传感器***(10)和所述促动器配置成，用于实施根据上述权利要求之一所述的用于测量焊接深度的方法。
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