JP5459922B2 - 材料加工プロセスのプロセス・パラメータを測定する方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、材料加工プロセスのプロセス・パラメータを測定する方法および装置に関する。

【従来の技術】
材料を加工する目的、例えばさまざまな種類の材料および加工物の幾何形状（ジオメトリ）を切断、穿孔、溶接する目的に、高エネルギー・ビーム、具体的にはレーザ・ビームがさまざまな方法で使用されている。全てのプロセスに共通しているのは、加工プロセスの前に加工物を溶融し、かつ／または部分的に蒸発させることである。加工する材料が別の凝集状態に転換すると、材料加工中にしばしば材料欠陥およびプロセス変化が生じる。材料が３つの全ての凝集状態、すなわち固体、液体および気体状態を経る特定のプロセスは複数のプロセス・パラメータの影響を受ける。

以下に、レーザ溶接中に溶接部の幾何形状に影響を及ぼすプロセス・パラメータの例を挙げる。
・溶接準備：
開先加工、材料のペアリング、継手の種類など。
・プロセス制御：
追加ワイヤの使用、供給速度、不活性および作用ガスなど。
・加工手段の特性：
レーザ・ビームの誘導、光集束装置、溶接トラックの再現性など。
・レーザ手段のプロセス・パラメータ：
レーザ性能、レーザ性能の安定性、ビーム品質など。

さらに自動車分野の開発では、高エネルギー放射の誘導が必要な、ますます複雑な加工幾何形状が必要となる。

再現可能な加工品質を保証するためには、関連したプロセス・パラメータを測定し、それらを使用して材料加工プロセスを制御する加工プロセスのオンライン監視が必要である。

ＤＥ１９７４１３２９Ｃに、加工プロセスを制御および監視する目的でキーホール（蒸気毛管）の領域を例えばＣＣＤカメラによって監視する、プラズマ誘導高エネルギー放射を使用した金属加工方法および装置が出ている。この点について、少なくとも２箇所の測定点でキーホール領域を監視してキーホールの異なる幾何寸法を得ることが考えられている。キーホール幾何寸法を決定するため、ＣＣＤカメラによって撮影した画像の特定の領域を評価する。最初に全ての画像データを評価手段に送信しなければならないので、高い監視頻度での測定は不可能である。さらにこの周知のプロセスでは、キーホールの周囲の状況を監視することができず、そのため、プロセス制御を最適化するためには独立した別の監視および制御システムが必要である。

【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、単一の監視手段を使用して複数のプロセス・パラメータを高監視頻度で同時に取得する、前述の種類の方法および装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】
本発明は、好適には、７０ｄＢを超えるダイナミック・レンジを有する光学センサを準備する。このようなセンサは、キーホールの領域、キーホールを取り囲む溶融ゾーン、および場合によっては溶融ゾーンを取り囲む境界ゾーンを同時に感知する能力を有し、生成される画像の広いコントラスト範囲にもかかわらず測定信号の評価を可能にする。これによって、画像フィールドの異なるセクション（区域）からの測定信号をプロセス・パラメータを決定する目的で同時に評価することができる。画像フィールドのセクションの測定信号だけを評価手段に送信するため、評価目的に使用する測定信号のデータ量が小さく維持されるので、１ｋＨｚを超える高い監視頻度が達成可能である。

光学センサによって感知された画像フィールド内で、自由に選択可能な異なる画像セクションを画定し、これらの画像セクションの測定信号のみを同時に評価して、監視対象である異なるプロセス・パラメータを決定することが好ましい。

画像セクションを自由に選択できることによって、監視システムの構成に関する柔軟性を最大化することができる。溶融ゾーンの特定の領域を監視することは、キーホールの周囲のより高温の領域から溶融ゾーンのより遠い末端に溶融物が供給される限りにおいて重要である。ここで前記溶融物は冷却され固化する。この高温材料が不規則な間隔で輸送されることは明らかであり、このことが溶融物の固化に影響し、溶接の不連続および欠陥につながる可能性がある。したがって、溶融ゾーンの末端の固化前線の監視は、材料の固化に関連して生じる欠陥、例えば表面の粗さ、溶接の膨らみ、穴、表面気孔などの検出に関して必要不可欠である。このような欠陥の検出は、キーホールだけを監視しても不可能であろう。

キーホールの正面および側方の溶融ゾーンの領域を示す画像セクションの測定信号を、溶接準備中に生じた欠陥を検出する目的に使用することができる。

加工方向に見て加工ゾーンの上流の溶融ゾーンの領域またはこの溶融ゾーンの上流の境界領域を示す画像セクションの測定信号を、溶接位置を測定し、レーザ位置または加工物位置を制御する目的に使用することができる。キーホール監視、溶接ゾーン監視および溶接トラッキングの組合せは、単一の監視および制御システムで全ての監視および制御機能を実行することができるという利点を使用者に提供する。これによって制御ユニットの操作も容易になる。

キーホールの中心を示す画像セクションの限定（減量）された数の画素から、高エネルギー・ビームの侵入深さを決定することができる。

加工方向に見てキーホールの下流の溶融ゾーンおよび／または加工方向に見てこの溶融ゾーンの下流の境界領域を示す画像セクションの測定信号を、加工プロセスにかけられる加工物の表面形状（トポグラフィ）を測定する目的に使用することができる。

特殊な監視業務では、所定の波長の光をフィルタリングすることができるように、光学センサに加えてフィルタをビーム経路上に配置することができる。

光学センサとしてはＣＭＯＳカメラを使用することが好ましい。このＣＭＯＳ技術によれば、画像フィールドの画素を全体画像とは独立に評価することができ、これによって測定信号のデータ量を有利に最小化することができる。最初に全ての測定信号データを取得し、次いでそれらを選択的に評価する必要はない。こうすると、１ｋＨｚを超える高い監視頻度が達成可能である。

この目的のためには、１００ｄＢを超えるダイナミック・レンジを有する光学センサを使用することが好ましい。

キーホールおよび隣接する２つの溶融ゾーンを貫いて線形に延びる線形または長方形の画像セクション内の光の強度の変化を測定することによって、高エネルギー・ビームの焦点位置を決定することができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して詳細に説明する。

【発明の実施の形態】
図１に、反射鏡４および集束鏡６の助けを借りて加工物８上に集束させたレーザ・ビーム２を使用した金属加工物８の加工を示す。光学デバイス１２を有するＣＭＯＳカメラ１０が集束鏡６の上方に配置されている。このカメラは、集束されたレーザ光ビーム２と同じ軸上で集束鏡６を通して加工物８の加工ゾーンを監視する。この目的のため、集束鏡６は、ビームの通過を可能にする対応する貫通孔を備えるか、または監視対象の光波長に対して少なくとも部分的に透明である。この図には、加工物８中のキーホール１４をその放射光の強度に関して検知する測定ビーム光３がＣＭＯＳカメラ１０の測定円錐５の中に図解的に示されている。前記キーホール１４は、加工物８の材料の加熱および蒸発によって生み出され、加工物８中に深くなった部分を形成する。プロセス制御の目的でこのキーホールの幾何寸法値を、ＣＭＯＳカメラ１０および評価装置１８の助けを借りて評価する。ビーム３の経路を越えてＣＭＯＳカメラ１０の測定円錐５は、キーホール１４だけでなくキーホール１４を取り囲む溶融ゾーン２０ならびに溶融ゾーン２０の先の境界ゾーンも示す画像フィールドを、加工プロセス前かつ溶接部１７の領域内で感知する。考えられている測定の目的上、図１に示すプラズマ雲３１は透明である。

図１から分かるように、この図では加工物８が高エネルギー・ビーム２に対して矢印で指示した方向に移動することを想定している。当然ながら、加工物８は固定してもよいし、高エネルギー・ビームを生成する手段、例えばレーザ手段中に移動させてもよい。

ある光波長を測定から除外する場合にはＣＭＯＳカメラ１０と集束鏡６の間にフィルタ１５を配置することができる。

ＣＭＯＳカメラ１０は約１２０ｄＢのダイナミック・レンジを有し、そのため加工プロセス中に、加工物８の気相と溶融相の両方、場合によってはさらに固相も同時に監視し測定することができる。

このＣＭＯＳ技術では、画像フィールドの全体情報とは独立に個々の画素を評価すること、すなわちカメラが走査したカメラ１０が生成した画像の画像フィールド内の自由に選択可能なある画像セクションだけを評価目的で評価手段１８に送信することができる。少なくとも１ｋＨｚの監視頻度での監視および制御に必要な全プロセス変数のオンライン決定および評価のために、データの減量が実行される。これは、対応するプロセス変数に特有の特定の特徴に基づいて実施される。

例えば、加工物８に入射したレーザ・ビーム２の侵入深さは、キーホール１４の中心からの放射が投射されたいくつかの画素に基づいて決定することができる。

図２に、キーホール領域１４の領域、溶融ゾーン２０の領域および溶融ゾーン２０を取り囲む境界領域を含む、ＣＭＯＳカメラ１０が監視する画像フィールドを示す。この画像は、蒸気、液体および固化領域を明瞭に示している。図１を見ると最もよく分かるとおり、キーホール１４の領域はプラズマ雲３１を含む可能性がある。

材料の固化に関連して生じる欠陥の検出に、溶融ゾーン２０の末端の固化前線の監視が重要であることがある。このような欠陥には例えば、表面の粗さ、溶接の膨らみ、穴または表面気孔などがある。

このような加工欠陥は、加工プロセスの溶融池中での材料の固化中に生じる。これらの欠陥は一般に、レーザ・ビーム２と加工物８とが直接に相互作用するゾーンで生じるが、前記欠陥の出現をこのゾーンで監視することは普通できない。その限りにおいて、溶融ゾーン２０または溶融ゾーン２０の特定の画像セクションの同時監視は非常に重要である。

図２に、加工プロセスの異なるプロセス・パラメータを監視するように設計されたさまざまな画像セクション２３〜３０を示す。例えば画像セクション２７は、溶接準備中に生じた欠陥の検出に役立つ。この場合には監視を画像セクション２５に限定することができる。迅速なオンライン監視を可能にするためには、対応して選択した領域の画素だけを、その領域の全体強度あるいは２画素間の強度差などの単純なアルゴリズムによって分析する。画像セクション２６および２８の助けを借りてレーザ・ビームの侵入深さを監視することができる。画像セクション２８を使用すると、例えば加工方向を横切る方向にキーホール１４の領域を監視している１列の画素によってデータ量をかなり減らすことができる。画像セクション２４を使用すると、図４の右下に示すような位置決めエラーを検出することができる。

画像セクション３０によって、溶融ゾーン２０の下流側の固化した加工ゾーンの表面形状を監視することができる。

画像セクション２３を例えば、加工プロセス中に所定のトラックを走査し、これに対応してレーザ・ビーム２を制御することによって複雑な輪郭をトラッキングする溶接トラッキングに使用することができる。

画像セクション２８と合同だが、画像セクション２８とはある角度をなして延びる画像セクション２９によって、レーザ・ビームの焦点位置を監視することができる。この目的には、キーホール１４を横断して延びる幅の狭い画像セクションが選択される。

図３に、４つの異なる焦点位置を示す。図の上方には画像セクション２９の長さにわたって測定信号が示されている。画像セクション２９に沿った光の強度の変化率である、測定信号値の第１微分を、焦点位置の評価に使用する。図３の右端の画像は、２つの顕著な最大値を特徴とする最適な焦点位置を示す。この関係で、最大値への到達が監視される。

図４に、記載のプロセスの４つの応用を示す。図４の左上の画像は、溶接する２つの加工物８、９の正しい位置を示す。第２の加工物９の下方には第３の感熱性部品１１が配置されている。この場合には、レーザ光ビーム２の侵入深さを正確に監視することが重要である。

図４の右上の画像は、溶接準備中に生じた欠陥を示す。すなわち相互に接合する加工物８と９がレーザ光ビーム２の軸に対して角度αをなして延びている。この場合には焦点位置の監視が、焦点位置が変化したこと、したがって加工物８、９が不正確に固定されていることを検出するのに役立つ。

図４の左下の画像は、望ましくない完全溶込み溶接が加工ゾーンで生じる可能性がある第１の加工物８と第２の加工物９の間の望ましくないオフセットを示す。このような加工欠陥は例えば画像セクション２７を用いて検出することができる。

図４の右下の画像は、レーザ光ビームが誤って第２の加工物９に接触した加工欠陥を示す。このような加工欠陥は、図２に示した画像セクション２４を介して検出することができる。

本発明の好ましい実施形態を本明細書に具体的に図示し説明してきたが、添付の請求項に定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、これらの装置および方法に小さな変形を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に基づく装置を概略的に表す図である。
【図２】
選択された画像セクションを示すＣＭＯＳカメラによって生成された画像フィールドを示す図である。
【図３】
レーザ光ビームの焦点位置決定の一例を示す図である。
【図４】
さまざまな加工欠陥の例を示す図である。
【符号の説明】
２ レーザ・ビーム
３ 測定ビーム
４ 反射鏡
５ 測定円錐
６ 集束鏡
８ 金属加工物
９ 金属加工物
１０ ＣＭＯＳカメラ
１１ 感熱性部品
１２ 光学デバイス
１４ キーホール（蒸気毛管）
１５ フィルタ
１７ 溶接部
１８ 評価装置
２０ 溶融ゾーン
３１ プラズマ雲
２３ 画像セクション
２４ 画像セクション
２５ 画像セクション
２６ 画像セクション
２７ 画像セクション
２８ 画像セクション
２９ 画像セクション
３０ 画像セクション

Claims (19)

1. 加工ゾーン内の高エネルギー・ビーム（２）によって生み出されたキーホール（１４）の領域の光の強度を、画像フィールドを感知し測定信号を評価手段（１８）に送信する光学センサ（１０）の助けを借りて前記高エネルギー放射と同じ軸上で測定することによって、加工物（８）の加工ゾーン上に集束させた高エネルギー・ビーム（２）、具体的にはレーザ・ビームを使用した材料加工プロセスのプロセス・パラメータを測定する方法であって、
   ７０ｄＢを超えるダイナミック・レンジを有する光学センサ（１０）を使用し、
   キーホール（１４）の領域、およびキーホール（１４）を取り囲む溶融ゾーン（２０）の少なくとも１つの領域を示す、前記画像フィールド内の、評価目的に応じて選択された複数のセクションの測定信号を、該目的の評価をするために光学センサ（１０）から評価手段（１８）に同時に送信する方法。
   
2. 光学センサ（１０）が感知した画像フィールド内の異なる画像セクション（２４〜３０）を自由に選択でき、これらの画像セクションの測定信号だけを使用して、監視すべき異なるプロセス・パラメータを同時に決定する、請求項１に記載の方法。
   
3. 加工方向に見てキーホール（１４）の下流または側方の溶融ゾーン（２０）の領域を示す画像セクション（２７、２４）の測定信号を、溶接準備中に生じた欠陥を検出する目的に使用する、請求項２に記載の方法。
   
4. 加工方向に見て加工ゾーンの上流の溶融ゾーン（２０）、または前記溶融ゾーン（２０）の上流の境界領域を示す画像セクション（２３）の測定信号を、溶接位置を測定し、レーザ位置または加工物位置を制御する目的に使用する、請求項２に記載の方法。
   
5. 加工方向に見てキーホール（１４）の下流の溶融ゾーン（２０）、および／または加工方向に見て前記溶融ゾーン（２０）の下流で撮影した画像セクション（３０）の測定信号を、固化した加工ゾーンの表面形状を測定する目的に使用する、請求項２に記載の方法。
   
6. 光学センサ（１０）へ向かうビーム経路中のある波長の光をフィルタリングする、請求項１に記載の方法。
   
7. 光学センサ（１０）としてＣＭＯＳカメラを使用する、請求項１に記載の方法。
   
8. キーホール（１４）内の光の強度を測定することによってキーホールパラメータを、また溶融ゾーン（２０）の少なくとも１つの選択位置での光の強度を測定することによって溶融池パラメータを、同時に決定し、決定されたキーホールパラメータおよび決定された溶融池パラメータに応じて加工プロセスの制御を実行する、請求項１に記載の方法。
   
9. １００ｄＢを超えるダイナミック・レンジを有する光学センサ（１０）を使用する、請求項１に記載の方法。
   
10. キーホール（１４）および隣接する溶融ゾーン（２０）を貫いて延びる線形または長方形の画像セクション（２９）内の光の強度の変化を測定することによって高エネルギー・ビーム（２）の焦点位置を決定する、請求項１に記載の方法。
    
11. 選択した画素の測定信号を監視またはプロセス制御目的に使用する、請求項１に記載の方法。
    
12. 材料加工プロセスのプロセス・パラメータを測定する装置であって、高エネルギー・ビーム（２）、具体的にはレーザ・ビームを生成する手段と、高エネルギー・ビーム（２）を加工物（８）の加工ゾーン上へ集束させる集束手段（６）と、高エネルギー・ビーム（２）の方向と同じ軸上で加工物（８）の加工ゾーン上に焦点が合わせられ、加工ゾーン内に生成されたキーホール（１４）の光の強度を測定する光学センサ（１０）と、光学センサ（１０）によって供給された走査画像フィールドの測定信号を評価する評価手段（１８）を備え、
    光学センサ（１０）が７０ｄＢを超えるダイナミック・レンジを有し、キーホール（１４）の領域と、キーホール（１４）を取り囲む溶融ゾーン（２０）の少なくとも１つの領域を示す、前記画像フィールド内の、評価目的に応じて選択された複数のセクションの測定信号を、該目的の評価をするために評価手段（１８）に同時に送信する装置。
    
13. 評価手段（１８）が、キーホール（１４）の領域ならびにキーホール（１４）を取り囲む溶融ゾーン（２０）の少なくとも１つの領域をカバーする前記画像フィールドの画像セクションの測定信号だけを受け取る、請求項１２に記載の装置。
    
14. 光学センサ（１０）がＣＭＯＳカメラである、請求項１２に記載の装置。
    
15. 評価手段（１８）が、センサ（１０）が走査した画像フィールドの異なる複数の画像セクション（２４〜３０）の画像信号を所定のプロセス・パラメータに関して評価する、請求項１２に記載の装置。
    
16. 評価手段（１８）が、加工方向に見てキーホール（１４）の下流および側方の溶融ゾーン（２０）の領域を示す画像セクション（２４、２７）の測定信号を、溶接準備中に生じた欠陥を検出する目的で評価する、請求項１５に記載の装置。
    
17. 評価手段（１８）が、加工方向に見てキーホール（１４）の下流の溶融ゾーン（２０）、または加工方向に見て前記溶融ゾーン（２０）の下流で撮影した画像セクションの測定信号を、固化した加工ゾーンの表面形状を測定する目的で評価する、請求項１５に記載の装置。
    
18. 評価手段（１８）が、キーホール（１４）および隣接した溶融ゾーン（２０）を貫いて線形または長方形に延びる画像セクション（２９）の測定信号を、高エネルギー・ビーム（２）の焦点位置を決定する目的で評価する、請求項１５に記載の装置。
    
19. 受け取った特定の波長の光を遮断することができるフィルタ（１５）が、光学センサ（１０）へ向かうビーム経路上に配置された、請求項１２に記載の装置。
    

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