(57)【要約】  本発明は、特にレーザビーム１２による接合中に、接合継ぎ目を監視するための方法であって、処理点の前において、接合部位が、その位置および幾何学的形状を検出するために処理方向に測定され、接合継ぎ目の少なくとも１つの位置が、接合点の位置から決定され、処理点の後ろにおいて、接合継ぎ目は、決定された位置においてその幾何学的形状を検出するために処理方向に測定される、方法に関する。本発明は、さらに、前記方法を実施するための装置、およびそのような装置が装備されたレーザ処理ヘッド１０に関する。
2019507686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にレーザ放射による接合中に、接合継ぎ目を監視するための方法であって、
接合部が、その位置および幾何学的形状を検出するために、処理点の前において処理方向に測定され、
少なくとも前記処理点の前の前記接合部の前記位置から、接合継ぎ目の位置が、前記処理点の後ろで決定され、
前記処理点の後ろにおいて、前記接合継ぎ目が、前記決定された位置において、前記処理方向に測定されて、その幾何学的形状を検出することを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記処理点の前記位置が検出され、前記接合継ぎ目の前記位置が、前記接合部の前記位置および前記処理点の前記位置から決定されることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記接合継ぎ目の幅が、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成されるキーホールまたは溶融浴の幅から決定されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成される前記キーホールまたは溶融浴の前記幅からの前記接合継ぎ目の前記幅の前記決定が、材料、速度、および／または出力依存パラメータを考慮に入れることを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成される前記キーホールまたは溶融浴の前記幅からの前記接合継ぎ目の前記幅の前記決定が、前記接合線を横断して迅速に振動する作用レーザビームによるレーザビーム振動の振幅を考慮に入れることを特徴とする、方法。
【請求項６】
請求項３または４または５に記載の方法であって、位置および継ぎ目幅にしたがって知られる前記接合継ぎ目が、品質制御のために前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を決定するために測定されることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の方法であって、前記接合線および前記接合継ぎ目を測定するために、いずれの場合も、光切断線が、前記接合線または接合継ぎ目上を横断して投射され、前記光切断線の画像が、画像処理によって評価されて、処理場所の前において前記接合線の前記位置および幾何学的形状、ならびに前記処理場所の後ろにおいて前記接合継ぎ目の前記位置、幅および幾何学的形状を検出することを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、継ぎ目高さ、継ぎ目幅、継ぎ目面積、溶接ビードのビード長さ、凹度、凸度、および／または脱落部、溶接されていない穴および／または縁切欠部が、前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を検出するために測定されることを特徴とする、方法。
【請求項９】
特にレーザ放射による接合中に、接合継ぎ目を監視するための装置であって、
処理方向に処理点の前に接合線上を横断して位置する光切断線を生成するための第１の光切断装置と、
前記処理方向に前記処理点の後ろに接合継ぎ目上を横断して位置する光切断線を生成するための第２の光切断装置と、
前記２本の光切断線および前記処理点の画像を記録するカメラと、
前記接合継ぎ目を監視するための請求項１から８のいずれか１項に記載の方法によって前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を検出する、画像処理装置とを有することを特徴とする、装置。
【請求項１０】
作用レーザビームを接合される加工対象物上に焦点合わせするための焦点合わせ光学系と、処理点の先行部または後続部において接合線または接合継ぎ目上に光切断線をそれぞれ投射するための第１および第２の光切断装置と、前記加工対象物表面上の前記２つの光切断線および前記処理点の画像を記録し、これらを、前記接合継ぎ目を監視するための請求項１から７のいずれか１項に記載の方法によって前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を検出する画像処理装置に出力するカメラとを備える、レーザ処理ヘッド。
【請求項１１】
請求項９に記載のレーザ処理ヘッドであって、前記カメラが、前記作用レーザビーム路内の前記焦点合わせ光学系を通じて前記加工対象物表面を観察することを特徴とする、レーザ処理ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、品質保証のために、特にレーザ放射によって接合するときに、接合継ぎ目を監視するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特に全自動製造の場合、接合中に生じる接合継ぎ目、すなわち溶接ビードの１００％検査および測定が、接合プロセス、特にレーザ溶接またはろう付けにおいて必要とされる。
【０００３】
溶接継ぎ目の検査は、通常、下流側の検査区画において、接合継ぎ目、特に溶接またはろう継ぎ目を検査する目的で専ら働くセンサシステムによって「オフライン」で実施される。
【０００４】
溶接およびろう継ぎ目は、Ｐｒｅｃｉｔｅｃ  ＧｍｂＨ  ＆  Ｃｏ．ＫＧからの継ぎ目検査システムＳＯＵＶＩＳ（登録商標）５０００によって全自動で監視され得る。この目的のために、互いに平行な２本の光線が、継ぎ目を横断する三角測量線としてこの継ぎ目上に斜めに投射され、継ぎ目に本質的に垂直なカメラによって観察される。加えて、継ぎ目の高解像度グレー画像が、同時に記録される。継ぎ目縁は、三角測量線に沿った幾何学的形状の変更により、三角測量線の輝度変更により、およびグレー画像内の輝度相違によって決定される。さらに、グレー画像も評価される。こうして、穴などの最小欠陥および溶融浴噴出を検出することができる。
【０００５】
別の光学オフライン試験方法が、ＤＥ２０１１０１２７２９Ａ１から知られており、ここでは、レーザ三角測量線が、その強度形状を考慮に入れながら、誤差検出および品質監視のために評価される。
【０００６】
しかし、溶接プロセスの下流側システムでは、溶接またはろう継ぎ目しか検査することができず、接合部、すなわち接合前の接合される点に対する継ぎ目の正確な場所、および接合部および溶接プロセスについての情報は、欠如している。しかし、すべての幾何学的特徴に関する接合部および溶接またはろう継ぎ目の測定、表面に関する欠陥の調査（たとえば開気孔、穴）および内部欠陥の調査（たとえば、連結不良、溶け込みの欠如）は、可能であれば、接合プロセス中、すなわち溶接またはろう付け中に行われなければならない。
【０００７】
接合部および加工対象物を評価するための方法および装置が、ＷＯ０３／０４１９０２Ａ１から知られている。ここでは接合または溶接プロセスの前および後において、いずれの場合も、レーザ光線が接合線または接合継ぎ目を横断して加工対象物上に投射され、カメラによって観察される。グレー画像が同時に撮られる。先行部において、接合線の経路が、レーザ光線およびグレー画像から決定される。溶接継ぎ目を検査するために、グレー画像およびレーザ光線の画像は、後続部において評価される。
【０００８】
溶接中に溶接品質を光学的に査定するための方法および装置が、ＷＯ２００８／０２８５８０Ａ１から知られている。ここでは、プロセスのカメラによって撮られた画像および下流側三角測量線、すなわち溶接継ぎ目を横断して延びる光線が、溶接継ぎ目の品質を査定するために使用される。
【０００９】
接合部を評価するための別の方法および別の装置が、ＷＯ２００７／０５３９７３Ａ１から知られている。ここでは、接合継ぎ目の場所および品質を評価するために、光パターンを用いた接合継ぎ目の組み合わされた画像およびグレー画像が、同じセンサ内に、ただし２つの異なる領域内に記録される。三角測量線およびグレー画像評価は、したがって、センサを用いてすばやく実施されて、三角測量線（光パターン）から場所を決定し、グレー画像から溶接または接合継ぎ目の品質を決定することができる。
【００１０】
接合継ぎ目を監視するための光学測定装置、それを有する接合ヘッドおよびレーザ溶接ヘッドが、ＤＥ１０２０１１１０４５５０Ｂ４から知られている。ここでは、三角測量光線が、加工対象物上の接合領域の後ろに生成され、この光線は、接合継ぎ目を横切り、カメラによって検出される。第２のカメラが、接合継ぎ目自体の写真を撮る。光学測定装置は、接合継ぎ目の迅速な３Ｄ測定を同時に実施し、小さい局所的欠陥を検出することを可能にする。
【００１１】
ＤＥ１０２０１００１１２５３Ｂ４は、光線を接合領域の前の接合線上に投射する光切断装置と、光線および接合領域、すなわちレーザ放射によって生成される溶融浴を観察するカメラとを備えたレーザ処理ヘッドを説明する。ここでは、光切断法において決定された接合線の場所は、目標軌道として記憶され、レーザ処理プロセスを制御するために、関連付けられた溶融浴中心点の場所と比較される。
【００１２】
ＷＯ２００５／０９５０４３Ａ１は、レーザ接合ヘッドおよびレーザ接合方法を説明しており、ここでは、継ぎ目追跡のための接合部の測定および品質監視のための溶接ビードの測定が、先行部および後続部において接合ヘッド内の２つのセンサによって実施される。
【００１３】
レーザ処理プロセス中に誤差を検出するための方法およびレーザ処理装置が、ＤＥ１０２０１１０７８２７６Ｂ３から知られており、ここでは、空間分解された評価のために特有の波長において発せられたおよび／または反射された放射が、加工対象物側で検出されて、接合追跡または継ぎ目追跡および誤差検出を可能にする。
【００１４】
レーザ溶接プロセスを準備し、実施するための方法もまた、ＥＰ２０６２６７４Ａ１から知られており、ここでは、先行部内の接合線および後続部内の接合継ぎ目が、光切断法によって観察され、処理領域自体は、それによって発せられたまたは反射された放射に基づいて、検出される。レーザ溶接プロセスは、接合線、処理領域および接合継ぎ目の決定された場所に基づいて制御される。
【００１５】
レーザ溶接プロセス中に継ぎ目品質を確認するための方法が、ＥＰ２５６７７７３Ａ１から知られており、ここでは、焦点前後の２つのレーザ光線が、ＣＭＯＳカメラによって監視され、処理領域および溶融浴が、ＩｎＧａＡｓカメラによって監視される。
【００１６】
接合部の場所は、したがって、たとえばレーザ焦点の前の光切断によって決定することができ、一方で形成された継ぎ目の場所および形状、特に継ぎ目上側ビードの曲率または幾何学的形状は、レーザ焦点の後ろの光切断によって検出することができる。測定結果の組み合わせられた評価は、品質保証のためにいくつかの継ぎ目特性を同時に使用する働きをする。
【００１７】
ＤＥ１０２００６００４９１９Ａ１は、第１の線投射器を有するレーザ溶接ヘッドに関し、この第１の線投射器は、レーザ線を、先行部内の測定位置において、画像処理手段の観察軸に対して傾斜させて溶接継ぎ目の横方向に投射する。この光切断線は、継ぎ目追跡に使用される。生成される溶接継ぎ目を制御するために、別の線投射器が設けられ、この投射器は、レーザ線を、第２の測定位置において溶接方向に対して横方向に溶接継ぎ目上に投射する。
【００１８】
先行部および後続部の両方において、接合される場所の幾何学的形状および接合された場所の幾何学的形状を検出するために、光線を、継ぎ目形状を横断して、接合される場所にわたって、または接合された場所にわたって、すなわち接合継ぎ目にわたって発射することが、ＤＥ１０２００９０４２９８６Ｂ３から知られている。次いで、接合される場所の幾何学的形状および接合された場所の幾何学的形状を互いに比較することができ、それにより、接合継ぎ目、したがって溶接継ぎ目の幾何学的形状を、接合される場所の幾何学的形状に関係無く決定することができる。
【００１９】
カメラ技術および光学系を備えたレーザ処理または溶接ヘッドは、溶接プロセスを先導する点灯装置によって接合位置を溶接中に検出することを可能にする。溶接継ぎ目は、結果として生じた溶接ビードに基づいて幾何学的に測定され、溶接プロセスの下流側において点灯装置によって欠陥に関して調査され得る。しかし、溶接ビードの正確な位置、特にその中心位置、およびその縁点は、溶接ビードの検査および測定に関して極めて重要である。
【００２０】
継ぎ目の縁点が不正確に決定された場合、その後の継ぎ目幅の算出もまた不正確となる。端点から溶接ビードまでの連結直線から算出される、継ぎ目の上方または下方曲率も不正確となる。継ぎ目の決定された端点が、実際の継ぎ目内または継ぎ目隣の板上において遠すぎる場合、幾何学的データのすべての算出は不正確となる。これらの点は、したがって、信頼高い監視および検査結果を得るために、できるだけ正確に決定されなければならない。加えて、絶対測定値は、センサに対する加工対象物の場所が知られている場合にのみ算出することができる。特に、溶接ビードのみが後続部内の三角測量線によって光切断法にしたがって査定されるだけの場合、継ぎ目内の小さい欠陥の検出は難しい。
【００２１】
疑似誤差を僅かにして、小さい欠陥の高い検出割合を保証するために、溶接継ぎ目に関する確かな品質記述を行うには、溶接ビードのみの測定は不十分であり、その理由は、たとえば、実際の接合位置に対する検出された溶接ビードの小さいオフセットの結果、すでに連結不良が生じている可能性があるためである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】独国特許出願公開第２０１１０１２７２９号明細書
【特許文献２】国際公開第０３／０４１９０２号明細書
【特許文献３】国際公開第２００８／０２８５８０号明細書
【特許文献４】国際公開第２００７／０５３９７３号明細書
【特許文献５】独国特許第１０２０１１１０４５５０号明細書
【特許文献６】独国特許第１０２０１００１１２５３号明細書
【特許文献７】国際公開第２００５／０９５０４３号明細書
【特許文献８】独国特許第１０２０１１０７８２７６号明細書
【特許文献９】欧州特許出願公開第２０６２６７４号明細書
【特許文献１０】欧州特許出願公開第２５６７７７３号明細書
【特許文献１１】独国特許出願公開第１０２００６００４９１９号明細書
【特許文献１２】独国特許第１０２００９０４２９８６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
これに基づいて、本発明の目的は、特にレーザ放射によって接合するときに、接合継ぎ目を監視するための方法および装置であって、接合継ぎ目または溶接ビードの縁が信頼高く検出され、それによって接合継ぎ目の品質を信頼高く査定できる、方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本目的は、請求項１による方法および請求項９による装置によって達成される。本発明の有利な開発および実施形態は、それぞれの副請求項において説明される。
【００２５】
したがって、本発明によれば、処理点の前において接合継ぎ目を処理方向に監視するための方法において、接合部または接合線が、その位置および幾何学形状を検出するために測定され、次いで、接合継ぎ目の少なくとも１つの位置が、接合部の位置から決定され、処理方向において処理点の後ろで、接合継ぎ目が測定されて、前記の決定された位置においてその幾何学的形状を検出する。
【００２６】
したがって、ここでは、接合経路に沿っておよび接合経路に対して横方向に接合部の場所を検出する先行部内の位置から、接合された場所の位置が、接合経路に沿ってのみならず、接合経路に対して横方向にも決定される。したがって、接合された位置、したがって接合継ぎ目がどこでどのように、接合経路に対して横方向に、またはこれを横断して、すなわち継ぎ目の長手方向を横断して位置するかが、知られる。したがって、従来技術のように、接合継ぎ目、したがって溶接ビードの幾何学的形状を後続部内に記録された光切断から、したがって光切断自体の幾何学的形状から接合継ぎ目の場所を決定するようには試みられず、これは反対となり、接合継ぎ目の横方向場所を少なくとも先行部内で決定された位置から決定し、次いで、処理前の接合部に対応する領域内の光切断の経路から決定する。
【００２７】
このようにして、溶接ビードの幾何学的形状を、光切断形状から溶接ビードの場所を決定することが難しい溶接ビードの幾何学的形状においても信頼高く検出できることが確実にされ、その理由は、先行部内で検出された接合部の横方向位置から、継ぎ目長手方向に対する溶接ビードの横方向場所が決定されるためである。特に、板金表面が平坦部を過ぎて溶接ビード内に入る溶接ビードの幾何学的形状の場合でも溶接ビードの縁を信頼高く決定することが可能である。したがって、接合継ぎ目または接合ビードの寸法を見ることが難しい場合でも、接合継ぎ目の幾何学的形状の信頼高い検出を得ることができ、これは、溶接またはろう付け品質の信頼高い査定に必須である。
【００２８】
本発明の有利な実施形態では、処理点の位置が検出され、接合継ぎ目の位置が接合部の位置および処理点の位置の両方から決定されることがもたらされる。その結果、位置決定の精度がさらに向上する。
【００２９】
本発明の有利な開発では、接合継ぎ目の幅が、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成されたキーホールまたは溶融浴の幅から決定されることがもたらされ、この場合接合継ぎ目の幅の決定は、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成されたキーホールまたは溶融浴の幅から、材料、速度および／または出力依存パラメータを考慮して実施される。接合線を横断して迅速に振動する作用レーザビームの場合、接合継ぎ目の幅は、レーザビーム振動の振幅を考慮して決定される。画像内でキーホールを測定する代替策として、先行位置においてキーホールを仮定し、撮像光学系によってサイズを仮定することによって、理論値を仮定することができる。
【００３０】
特に、位置および継ぎ目幅から知られる接合継ぎ目は、品質監視のために、接合継ぎ目の幾何学的形状を決定するために測定される。その結果、信頼高い品質評価のために調査される加工対象物表面の領域は、実際の接合継ぎ目に合わせてより一層正確に制限され得る。
【００３１】
本発明の実用的な実施形態では、接合線および接合継ぎ目を測定するために、各光切断線が、接合線または接合継ぎ目上を横断して投射され、光切断線の画像が、画像処理によって評価されて、処理場所の前において接合線の位置および幾何学的形状を検出し、処理場所の後ろにおいて接合継ぎ目の位置、幅、および幾何学的形状を検出することが、もたらされる。
【００３２】
特に、継ぎ目高さ、継ぎ目幅、継ぎ目面積、溶接ビードのビード長さ、凹度、凸度、および／または脱落部、溶接されていない穴および／または縁切欠部が、測定されて接合継ぎ目の幾何学的形状を決定する。
【００３３】
本発明による方法は、有利には、接合継ぎ目を監視するための装置を用いて実施することができ、この装置は：接合線上を横断して処理方向に処理点の前に位置する光切断線を生成するための第１の光切断装置と、接合継ぎ目上を横断して処理点の後ろに位置する光切断線を生成するための第２の光切断装置と、２本の光切断線および処理点の画像を記録するカメラと、接合継ぎ目を監視するために上記で説明したように接合継ぎ目の幾何学的形状を検出する画像処理装置とを有する。
【００３４】
レーザ接合プロセスを監視するために、作用レーザビームを溶接されるまたはろう付けされる加工対象物上に焦点合わせするための焦点合わせ光学系を有するレーザ処理ヘッドには、さらに、光切断線を、処理点の先行部または後続部において接合線または接合継ぎ目上にそれぞれ投射するための第１および第２の光切断装置が設けられ、また、カメラが設けられ、このカメラは、加工対象物表面上の２本の光切断線および処理点の画像を記録し、これらを、接合継ぎ目を監視するために上記で説明したように接合継ぎ目の幾何学的形状を検出する画像処理装置に出力する。
【００３５】
カメラは、作用レーザビーム路内の焦点合わせ光学系を通じて加工対象物表面を好都合に観察する。
【００３６】
本発明は、たとえば図を参照して、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】接合継ぎ目を監視するための本発明による装置を備えた、レーザ処理ヘッドの簡単な概略図である。
【図２Ａ】接合継ぎ目（溶接ビード）上に投射された光切断線（光切断）の記録のスクリーンショットである。
【図２Ｂ】図２Ａによる、光切断線の概略図である。
【図３Ａ】加工対象物表面と継ぎ目との間の移行を検出することが難しい、平坦部を有する接合継ぎ目（溶接ビード）の光切断の図である。
【図３Ｂ】図３Ａによる、光切断線の概略図である。
【図４Ａ】先行部および後続部内の光切断線およびレーザ処理領域内のキーホールまたは溶融浴の記録のスクリーンショットである。
【図４Ｂ】図４Ａによる、光切断およびキーホールまたは溶融浴の概略図である。
【図５ａ】すみ肉溶接部の溶接中の先行部および後続部内の光切断、および加工対象物上のキーホールまたは溶融浴の概略図であり、先行部および後続部内の幾何学的データおよびキーホールまたは溶融浴の位置の検出を示す。
【図５ｂ】継ぎ目の幾何学的形状の検出を示すための、図５ａによる光切断およびキーホールの概略図である。
【図６ａ】突き合わせ継手の溶接中の先行部および後続部内の光切断、および加工対象物上のキーホールまたは溶融浴の概略図であり、先行部および後続部内の幾何学的データおよびキーホールまたは溶融浴の位置の検出を示す。
【図６ｂ】継ぎ目の幾何学的形状の検出を示すための、図６ａによる光切断およびキーホールの概略図である。
【図６ｃ】振動作用レーザビームによるキーホールまたは溶融浴の位置の検出を示すための、図６ａによる光切断およびキーホールの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
さまざまな図において、互いに対応する構成要素および要素には、同じ参照番号が与えられる。
【００３９】
図１に示すように、レーザ処理ヘッド１０は、処理レーザビーム１２が導かれて通るハウジング１１を有し、このレーザビームは、焦点合わせレンズ１４によって加工対象物１５上に焦点合わせされる。この場合の焦点（ｆｏｃａｌ  ｐｏｉｎｔ）または焦点（ｆｏｃｕｓ）１６は、所望の溶接部の要求事項に応じて、加工対象物表面上、またはそのすぐ上もしくはすぐ下に特定の距離を離して位置し、２つの板などを溶接するために加工対象物材料を溶融する。この場合、蒸発細管が、通常、レーザ焦点１６、すなわち、キーホールとも称され、処理領域の中心に位置するいわゆる工具中心点（ＴＣＰ）の領域内に構成される。カメラ１８が、キーホールまたは溶融浴を観察するために設けられ、このカメラは、プロセス放射、戻り反射、および加工対象物表面において反射される他の光を、焦点合わせレンズ１４、作用ビーム路内に配置された部分的に透過性の鏡１９、および加工対象物表面を観察するためのカメラ対物レンズ２０を介して受け入れる。部分的に透過性の鏡１９は、作用レーザ放射を実質的に透過させるが、他の波長範囲は反射する。
【００４０】
先行部内で、すなわち処理方向にＴＣＰの前において、加工対象物の表面幾何学的形状、接合線の位置を、また、後続部内で、すなわち処理方向にＴＣＰの後ろにおいて接合継ぎ目または溶接ビードの位置および幾何学的形状を検出することができるように、第１および第２の光切断装置２１、２２が設けられ、そのそれぞれのレーザ光源２３、２４はレーザ光線を投射し、このレーザ光線は、以下では、光切断線２５、２６または簡単に光切断と称される。先行部または後続部内で光切断線２５、２６を生成するために、レーザ光源２３、２４は、レーザビーム２７、２８を発し、このレーザビームは、図示しない方法で扇形状に構成されるか、または加工対象物の表面を、接合線または接合継ぎ目を横断して高速で走査する。
【００４１】
カメラ１８によって記録された画像は、画像処理装置３０に送られ、この画像処理装置は、先行部内の光切断線２５から、接合線の場所または位置、縁ずれ、および溶接される加工対象物間、たとえば２つの板間の割れを測定する。接合継ぎ目または溶接ビードの形状および位置は、後続部内の光切断線２６から検出される。特に、継ぎ目高さ、継ぎ目幅、継ぎ目面積、継ぎ目の横断方向の溶接ビード表面の長さ、継ぎ目の凹度または凸度が、検出され、それによって継ぎ目内の脱落部および穴ならびに縁切欠部も特定する。
【００４２】
キーホールまたはＴＣＰの場所または位置を決定するために、作用レーザ放射および／または作用レーザビーム１２と加工対象物１５との間の相互作用領域から反射されて戻るプロセス光が、カメラ１８によって記録される。
【００４３】
カメラによって見られるときの画像が、図４Ａに示される。先行部内の接合線の位置が使用されて、その位置が追跡に使用される接合線の点にレーザ焦点１６が到達したときに接合線上のレーザ焦点１６を追跡する。ここでは、レーザ焦点１６の前の光切断線２５からレーザ焦点１６までの距離およびレーザ処理ヘッド１０が接合線に沿って案内される送り速度が、考慮に入れられる。送り速度は、好ましくは、レーザ処理ヘッド１０の動きを制御する、図示しない機械制御装置から読み取られる。
【００４４】
また、レーザ処理ヘッド１０と加工対象物１５との間の距離を、光切断線２５、２６とレーザ焦点１６との間の距離から推定することも可能であり、その理由は、光切断線２５、２６とレーザ焦点１６との間の距離は、レーザ処理ヘッド１０が加工対象物１５に近づくときに増大し、レーザ処理ヘッド１０が加工対象物１５から離れるときに低減するためである。加工対象物表面の形状、および場合によっては、加工対象物表面に垂直方向の、レーザ処理ヘッド１０の傾きもまた、光切断線の互いに対する角度およびその全体的形状から検出することができる。
【００４５】
図２Ａおよび２Ｂは、凸状溶接ビード上に投射された光切断線２６の例を示す。
【００４６】
光切断線２６の弧状領域は、溶接ビードの表面を表し、その縁は、垂直線ｌおよびｒによってマークされている。線ｌおよびｒと光線２６の交差点間の距離Ａ、すなわち左縁点と右縁点との間のユークリッド（Ｅｕｃｌｉｄｅａｎ）距離は、継ぎ目の幅を表し、溶接ビードの継ぎ目高さＨは、連結線Ａと光切断線２６の弧状領域との間の距離によって与えられる。溶接ビードの長さは、マーキング線ｌ、ｒとの間の光線２６の長さによって与えられる。
【００４７】
図３Ａおよび３Ｂは、後続部内の光切断線２６の例を示し、ここでは、左の加工対象物の表面は、平坦部を通り過ぎて継ぎ目領域内に入り、それにより、溶接ビードの左縁を検出することは難しい。図３Ａ（ｂ）、（ｃ）および３Ｂ（ｂ）、（ｃ）では、溶接ビードの縁は、線ｌ、ｒによってマークされ、または継ぎ目の幅は、距離Ａによって示される。
【００４８】
図４Ａ（ａ）および（ｂ）は、カメラ画像、したがってカメラ１８が加工対象物表面を記録した画像のスクリーンショットを示す。上側の光切断線２５は、先行部内の光切断を表し、縁ずれおよび加工対象物間の割れを空隙３０として見ることができる。先行部内の接合線の位置は、この空隙３０から決定される。画像の中央部では、作用レーザビーム１２と加工対象物１５間の相互作用領域、特に作用レーザビームによって生成されるキーホールまたは溶融浴を点３１として見ることができる。ＴＣＰの位置は、点３１の中心、すなわちキーホールまたは溶融浴の中心に対応する点３１の場所から決定することができる。
【００４９】
下側の光切断線２６は、後続部内の光切断を表し、これから、溶接の品質を決定するために必要とされる溶接ビードの個々のパラメータが、決定される。
【００５０】
図４Ａ（ａ）および図４Ｂ（ａ）では、キーホールまたは溶融浴の画像を表す点３１は、左方向に偏向され、図４Ａ、Ｂ（ｂ）では、キーホールまたは溶融浴は、右に偏向される。
【００５１】
キーホールはまた、高速の振動レーザビームによって、レーザ処理ヘッド、特に溶接ヘッド内で接合部を横断方向にすばやく振動させる。点の幅に加えて、振動の振幅は、継ぎ目幅の一部となり、これは、図６ｃを参照して以下でより詳細に説明される。
【００５２】
したがって、図４は、同時に記録された加工対象物表面の３つの領域の画像を示す。
【００５３】
光切断線２５内の空隙３０によって表される先行部内の接合線の場所を使用してレーザ焦点１６を追跡するために、ＴＣＰが、図４の中央部内に示す、点３１の場所に対応するその位置から、先行部内の接合線のそれぞれ測定された位置に到達するのに必要とされる時間を考慮に入れなければならない。先行部内の接合線の位置および／または点３１から決定される工具中心点またはレーザ焦点１６の位置が、以下でより詳細に説明するように、継ぎ目中心位置、すなわち接合線および／または継ぎ目幅の長手方向を横断する継ぎ目中心の場所を決定するために使用される場合、点３１からのキーホールの位置が決定された位置に光切断線２６が到達するのに必要とされる時間を考慮に入れることも必要である。時間遅延が、工具中心点と光切断との間の距離、および一定または可変であることができるそれぞれの送り速度の結果生じる。
【００５４】
図５ａに示すように、接合位置、すなわち接合線の場所または位置、加工対象物間の割れ、位置からの縁ずれ、および空隙３０の幾何学的形状が、先行部内の光切断線２５の幾何学的形状から決定される。加えて、加工対象物表面の３Ｄ点が検出され、これは、十字として図に示される。キーホールまたは溶融浴の場所およびサイズは、点３１から決定される。最後に、加工対象物表面の幾何学的形状、特に後続部内の溶接ビードの幾何学的形状が、次に、光切断線２６から決定される。さらに、空間内の板金または加工対象物の幾何学的形状の３Ｄ点が検出され、これもまた十字として示される。
【００５５】
図５ｂに示すように、矢印３４によって示すような、接合線を横断する溶接ビードの場所は、空隙３０の場所から決定される接合位置、および接合位置と、その後に記録された点３１の位置との間のずれの結果から得られる。矢印３５によって示す溶接ビードの幅は、二重矢印３３によって示される点３１の幅、ならびに送り速度、加工対象物の材料、作用レーザビームの出力、および先行部内の加工対象物表面の幾何学的形状によって決まる別の要因の結果から得られる。
【００５６】
溶接ビードの横方向場所、および先行部内で測定された接合部の位置および／または点の場所およびサイズから決定された幅から、この領域により、記録された光切断線２６が結果として得られ、これは、継ぎ目の幾何学的形状、ならびに脱落部、穴、および縁切欠部を検出するために、溶接部の品質制御のために調査されなければならない。
【００５７】
図５ａおよび５ｂは、すみ肉溶接による状況を示し、図６ａおよび６ｂは、突き合わせスプライスの溶接における、すなわち２つの加工対象物または板がそれらの縁と共に、ずれることなく互いの真向かいに直立する継ぎ目の溶接における対応する要素を示す。
【００５８】
継ぎ目幅および継ぎ目位置は、すみ肉溶接の溶接に関して図５ａおよび５ｂを参照して説明したような方法で突き合わせスプライス溶接において決定される。
【００５９】
接合線を横断してすばやく振動する作用レーザビームが溶接に使用される場合、キーホールもまた、接合部を横断してすばやく振動する。振動作用レーザビームによる突き合わせ継手溶接の状況に関して図６ｃに示すように、点３１の位置、すなわちキーホールまたは溶融浴の位置は、レーザビーム偏向の振幅にしたがって変動する。点３１の対応する偏向は、二重矢印４０によって図６ｃに示される。継ぎ目幅では、加えて、振動の振幅は、点３１の幅の一部になる。
【００６０】
先行部内の接合線の位置、先行部内の接合線の位置とキーホール、すなわち点３１との間のずれ、ならびにキーホールの位置およびキーホールまたは点の幅から、接合継ぎ目の位置（継ぎ目中心位置）および幅を決定することは特に重要であり、その理由は、理想的な場合では、後続部内の光切断線２６は途切れまたは逸脱がなく、接合継ぎ目はこのとき、溶接される２つの加工対象物と理想的に位置合わせされる表面を有するためである。先行部および処理領域内の測定によって決定された、後続部内の光線２６の領域を確認することにより、突き合わせスプライス溶接においても信頼高い品質監視を達成することができる。
【００６１】
先行部、ずれ、およびキーホールの位置、接合位置、すなわちＴＣＰに対する溶接ビードのずれからの溶接ビードの位置に加えて、先行部および後続部からの３Ｄデータおよびレーザ処理ヘッドの位置から、空間内の加工対象物の場所上の傾斜角度を決定することも可能である。
【００６２】
本発明によれば、溶接ビード端点の正確な決定は、先行部および点（ＴＣＰ）によって決定される、後続部内の光切断線の画像検索領域において可能にされる。この結果、継ぎ目の幾何学的形状の絶対データ（下方曲率、幅、凹度など）が信頼高く決定される。さらに、溶接ビード上方の光切断線の輝度を使用して表面欠陥を調査することも可能である。最後に、上記で説明したデータすべての相関付けによって確かな品質記述を得るために、レーザ出力を測定し、輝度および幾何学的データとの相関付けに使用することができる。
【００６３】
接合位置、板金または加工対象物の幾何学的形状、溶接ビードの幾何学的形状および表面データ、ならびにレーザ出力データの相関付けの結果、接合プロセスの総合的な信頼高い品質監視がこうして得られる。
【図１】
2019507686.tif 000003
【図２Ａ】
2019507686.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2019507686.tif 000007
【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2019507686.tif 000009
【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
2019507686.tif 000013
【図６ｃ】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年11月17日(2017.11.17)
【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】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特にレーザ放射による接合中に、接合継ぎ目を監視するための方法であって、
接合部が、その位置および幾何学的形状を検出するために、処理点の前において処理方向に測定され、
少なくとも前記処理点の前の前記接合部の前記位置から、接合継ぎ目の位置が、前記処理点の後ろで決定され、
前記処理点の後ろにおいて、前記接合継ぎ目が、前記決定された位置において、前記処理方向に測定されて、その幾何学的形状を検出することを特徴とする、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記処理点の前記位置が検出され、前記接合継ぎ目の前記位置が、前記接合部の前記位置および前記処理点の前記位置から決定されることを特徴とする、方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載の方法であって、前記接合継ぎ目の幅が、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成されるキーホールまたは溶融浴の幅から決定されることを特徴とする、方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法であって、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成される前記キーホールまたは溶融浴の前記幅からの前記接合継ぎ目の前記幅の前記決定が、材料、速度、および／または出力依存パラメータを考慮に入れることを特徴とする、方法。
【請求項５】
請求項３に記載の方法であって、レーザ焦点内にレーザ放射によって生成される前記キーホールまたは溶融浴の前記幅からの前記接合継ぎ目の前記幅の前記決定が、前記接合線を横断して迅速に振動する作用レーザビームによるレーザビーム振動の振幅を考慮に入れることを特徴とする、方法。
【請求項６】
請求項３または４または５に記載の方法であって、位置および継ぎ目幅にしたがって知られる前記接合継ぎ目が、品質制御のために前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を決定するために測定されることを特徴とする、方法。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の方法であって、前記接合線および前記接合継ぎ目を測定するために、いずれの場合も、光切断線が、前記接合線または接合継ぎ目上を横断して投射され、前記光切断線の画像が、画像処理によって評価されて、処理場所の前において前記接合線の前記位置および幾何学的形状、ならびに前記処理場所の後ろにおいて前記接合継ぎ目の前記位置、幅および幾何学的形状を検出することを特徴とする、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、継ぎ目高さ、継ぎ目幅、継ぎ目面積、溶接ビードのビード長さ、凹度、凸度、および／または脱落部、溶接されていない穴および／または縁切欠部が、前記接合継ぎ目の前記幾何学的形状を検出するために測定されることを特徴とする、方法。
【請求項９】
特にレーザ放射による接合中に、接合継ぎ目を監視するための装置であって、
処理方向に処理点の前に接合線上を横断して位置する光切断線を生成するための第１の光切断装置と、
前記処理方向に前記処理点の後ろに接合継ぎ目上を横断して位置する光切断線を生成するための第２の光切断装置と、
前記２本の光切断線および前記処理点の画像を記録するカメラと、
請求項１から８のいずれか１項に記載の方法によって前記接合継ぎ目を監視するように構成された、画像処理装置とを有することを特徴とする、装置。
【請求項１０】
作用レーザビームを接合される加工対象物上に焦点合わせするための焦点合わせ光学系と、請求項９に記載の接合継ぎ目を監視するための装置とを備えることを特徴とする、レーザ処理ヘッド。
【請求項１１】
請求項１０に記載のレーザ処理ヘッドであって、前記カメラが、前記作用レーザビーム路内の前記焦点合わせ光学系を通じて前記加工対象物表面を観察することを特徴とする、レーザ処理ヘッド。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
先行部および後続部の両方において、接合される場所の幾何学的形状および接合された場所の幾何学的形状を検出するために、光線を、継ぎ目形状を横断して、接合される場所にわたって、または接合された場所にわたって、すなわち接合継ぎ目にわたって発射することが、独国特許第１０２００９０４２９８６Ｂ３号から知られている。次いで、接合される場所の幾何学的形状および接合された場所の幾何学的形状を互いに比較することができ、それにより、接合継ぎ目、したがって溶接継ぎ目の幾何学的形状を、接合される場所の幾何学的形状に関係無く決定することができる。
ＤＥ１０２００７０３０３９５Ａ１から、加工対象物のレーザ溶接のための方法および装置が知られており、ここでは、加工対象物上の溶接方向に溶接点の前において、加工対象物内の接合される空隙から離間された少なくとも１つのマーカが検出される。このマーカはまた、溶接方向に溶接点の後ろでも検出され、それによって溶接点の前後で検出される、溶接方向を横断するマーカの位置に基づいて、溶接方向を横断するレーザビームの最適な溶接位置を決定する。
【国際調査報告】
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