用于监控激光焊接过程的孔隙缺陷的方法和加工机器技术

本发明专利技术涉及一种用于监控激光焊接过程的孔隙缺陷的方法，该激光焊接过程用于借助于激光射束焊接由金属材料制成的两个工件，该方法尤其用于监控多个相同的激光焊接过程，所述多个相同的激光焊接过程用于分别以激光射束的相同的激光功率和相同的焊接持续时间来焊接两个相同的工件，在焊接两个工件时，激光射束对准所述工件的并排布置的端面，以便在两个端面上熔化熔珠，熔珠然后凝固成焊珠，根据本发明专利技术，在焊接两个工件时确定从关断激光射束直至熔珠凝固为止的凝固持续时间，将所确定的凝固持续时间与为无孔隙缺陷的焊接预给定的应有凝固持续时间进行比较，并且当所确定的凝固持续时间小于预给定的应有凝固持续时间时，将已凝固的焊珠分类为有缺陷。凝固的焊珠分类为有缺陷。凝固的焊珠分类为有缺陷。

【技术实现步骤摘要】
用于监控激光焊接过程的孔隙缺陷的方法和加工机器


[0001]本专利技术涉及一种用于监控激光焊接过程的方法，该激光焊接过程用于借助于激光射束焊接由金属材料、尤其由铜或铝制成的两个工件、优选棒状导体，该方法尤其用于监控多个相同的激光焊接过程，所述多个相同的激光焊接过程用于分别以激光射束的相同的激光功率和相同的焊接持续时间焊接两个相同的工件，其中，在焊接两个工件时，激光射束对准工件的并排布置的端面，以便在两个端面上熔化熔珠，该熔珠随后凝固成焊珠。优选地，加工激光射束所对准的工件端面并排布置在相同高度上。本专利技术还涉及一种适合于执行该方法的加工机器和一种所属的计算机程序产品。

技术介绍

[0002]在激光焊接中典型的缺陷是形成孔隙，所述孔隙降低了焊接的功能。通常从外部不能识别出在焊缝或者焊珠中是否已形成孔隙。只有通过破坏性的检验或通过计算机断层造影(CT)或X光技术才能事后检验是否形成有缺陷的连接。因此，在通常情况下由工人进行目视检查，或者周期性地通过CT或X光技术对样本进行分析评价。
[0003]含铜的弯曲的棒状导体、尤其是所谓的发夹(Hairpin)被安装在电子动力机器中，例如电动机或发电机。棒状导体相应于所设置的电布线来布置并且彼此焊接，以便由此构建电磁体。在此，电动机通常具有数十个、通常数百个弯曲的棒状导体，这些棒状导体必须成对地彼此焊接。在此重要的是，借助于焊接提供足够的横截面面积(“附接面”)，通过该横截面面积，电流可以从一个棒状导体流到另一棒状导体中。如果附接面太小，则在运行中将面临明显的电阻加热、效率损失或甚至电子动力机器不可用。
[0004]棒状导体的焊接借助于激光射束实现，激光射束为此通常对准两个并排布置的、大多彼此贴靠的棒状导体的端侧端面。这些端面被引入的热量熔化并且在凝固之后通过再次凝固的焊珠彼此连接。通常，激光射束总是以相同的功率在相同的时间上对准这些棒状导体，由此实现足够大的附接面。
[0005]然而，由于棒状导体的表面上的污物或粗糙度，棒状导体对于激光射束的反射率可能波动，并且由此实际的能量输入也可能波动。同样，由于棒状导体的错误定位、例如间隙或偏移，或者由于激光射束的不精确的定位，实际的能量输入可能变化。在能量输入过小时熔化过少的材料，从而产生过小的焊珠，该焊珠提供过小的附接面。在激光焊接中形成强烈飞溅的情况下，也可能产生具有过小的附接面的过小的焊珠。
[0006]特别地，在以数百个焊接部将棒状导体焊接在仅一个构件(电动机定子)上的情况下，由于形成孔隙而出现的焊接缺陷在其统计学总体上是有问题的。特别地，通常在大量的熔体以飞溅物的形式从过程区域中抛出时会出现大的孔隙，所述大的孔隙后续干扰棒状导体中的电流的功能。由于在仅一个构件上的大量焊接部，目视检查和对样品的分析评价都不能足够地提供以低废品率生产的可靠性。因此，例如在接受带有五百个焊接部的定子的例如为十万分之一的功能失效率的情况下，五千万个焊接部中仅允许一个焊接部有缺陷。为此，100％地检查和监控焊接过程是必不可少的。
[0007]例如，从DE 10 2004 016 669 B3中已知一种用于检查焊缝的方法，该焊缝借助于激光射束焊接引入一个或多个工件中。在此，从焊缝的区域借助于传感器接收特征信号并且将其与应有值进行比较，其中，仅考虑在激光射束焊接之后的、最早在焊缝固化之后开始的特征时间间隔内接收到的信号。

技术实现思路

[0008]本专利技术的任务在于，提供一种用于监控激光焊接过程、尤其是多个相同的激光焊接过程的方法，所述激光焊接过程用于分别焊接两个工件，该方法可以简单、快速且无损地执行。
[0009]该任务在开头所述的监控方法中根据本专利技术通过以下方式解决：在焊接两个工件时确定从关断激光射束直至熔珠凝固为止的凝固持续时间，将所确定的凝固持续时间与针对无孔隙缺陷的焊接预给定的应有凝固持续时间进行比较，并且当所确定的凝固持续时间少于预给定的应有凝固持续时间时，将凝固的焊珠分类为有缺陷(“存在孔隙缺陷”)。
[0010]在两个待连接的棒状导体的给定的端面横截面的情况下的焊接持续时间取决于可用的或所选择的焊接功率。如果限定了棒横截面和焊接功率，则在无孔隙缺陷的焊接的情况下得到限定的熔体体积。因为在实践中激光的作用时间、即焊接时间在重复焊接时不再改变，所以所有焊接事件具有相同的持续时间。在此实现了几毫秒的精度，这相当于典型地小于1％的时间偏差。这种处理方式保证了所有焊接的能量含量是相同的。由于待连接的棒状导体的质量和端面横截面也仅经受小的变化，在熔融的焊接区域冷却时，以在关断激光之后开始的始终相同的凝固持续时间得到重复精确的特性。
[0011]如果在焊接期间熔体从焊区被排出，则排出的熔体作用于冷却过程，使得与质量损失一起也出现焊区的能量损失。特别地，通常在大量的熔体以飞溅物的形式从过程区域中抛出时会出现大的孔隙，所述大的孔隙后续干扰棒状导体中的电流的功能。结果是，在凝固时，焊接区域的能量较少地流入到棒状导体的散热部中，从而在较短的时间内达到凝固温度。根据本专利技术，分析评价在关断激光器之后开始的凝固持续时间，并且在与应有凝固变化曲线有偏差的特性的情况下推断出焊接的定性状态(存在孔隙缺陷/不存在或仅不显著存在孔隙缺陷)。
[0012]特别优选地，从关断激光射束开始，借助于探测器、尤其是摄像机连续地拍摄熔珠的位置分辨的数字图像，并且由位置分辨的探测器图像产生强度等级像素图像、尤其是灰度像素图像。熔体或者说熔珠是否还处于液态状态的信息包含在单个图像的强度值或灰度值的标度中。随着熔珠的温度逐渐降低，灰度值从亮到暗变化。优选地，这些图像分别在一图像局部中、尤其在围绕熔珠的中心点的一环形图像局部中被分析评价。
[0013]在一种优选的方法变型中，针对每个像素图像求取在该像素图像的所有像素上取平均的强度等级值，并且基于该取平均的强度等级值的时间变化曲线确定凝固持续时间。优选地，探测器图像分别仅在所拍摄图像的一图像局部(“感兴趣区域”(ROI))中被分析评价。熔化区域或熔珠例如通过探测器来观察，并且从时间点“激光关断”开始评价在所谓的“感兴趣区域”(ROI)中的强度值的发展。一种算法以时间增量评估冷却过程持续多长时间，该时间增量对应于探测器的帧率(Frame Rate)。
[0014]优选地，探测器图像以至少100Hz、尤其至少1kHz的拍摄频率被拍摄为过程视频。
[0015]对于被分类为有缺陷(“存在孔隙缺陷”)的焊珠的情况，自动地对该焊珠进行再焊接，或者触发其他行动、尤其是警告通知，更确切地说，优选地根据所确定的凝固持续时间低于预给定的阈值多少而触发。
[0016]本专利技术还涉及一种加工机器，用于激光焊接由金属材料、尤其由铜或铝制成的两个工件、优选棒状导体，该加工机器具有：用于产生激光射束的激光射束发生器；加工镜组，用于将激光射束对准两个工件的并排的端面，以便在两个端面上熔化熔珠，该熔珠随后凝固成焊珠；位置分辨的探测器，用于以位置分辨的方式探测熔珠；图像处理单元，用于分析评价由探测器拍摄的、位本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于监控激光焊接过程的孔隙缺陷的方法，所述激光焊接过程用于借助于激光射束(3)焊接由金属材料、尤其由铜或铝制成的两个工件(2)、优选棒状导体，所述方法尤其用于监控多个相同的激光焊接过程，所述多个相同的激光焊接过程用于分别以激光射束(3)的相同的激光功率和相同的焊接持续时间焊接两个相同的工件(2)，其中，在焊接两个工件(2)时，所述激光射束(3)对准所述工件(2)的并排布置的端面(4)，以便在两个端面(4)上熔化熔珠(8)，该熔珠然后凝固成焊珠(8
’
)，其特征在于，在焊接两个工件(2)时确定从关断所述激光射束(3)直至所述熔珠(8)凝固为止的凝固持续时间(Δt)，将所确定的凝固持续时间(Δt)与针对无孔隙缺陷的焊接预给定的应有凝固持续时间(Δt
S
)进行比较，并且当所确定的凝固持续时间(Δt)小于所述预给定的应有凝固持续时间(Δt
S
)时，将已凝固的焊珠(8
’
)分类为有缺陷。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从关断所述激光射束(3)开始，借助于探测器(9)、尤其是摄像机连续地拍摄所述熔珠(8)的位置分辨的数字图像(17a
‑
17c)，并且从位置分辨的探测器图像(17a
‑
17c)中产生强度等级像素图像、尤其是灰度像素图像。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，针对每个像素图像求取在该像素图像的所有像素上或该像素图像的所确定的图像局部(18)上取平均的强度等级值并且基于所述取平均的强度等级值的时间变化曲线来确定所述凝固持续时间(Δt)。4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，以至少100Hz、尤其至少1kHz的拍摄频率拍摄所述探测器图像(17a
‑
17c)。5.根据权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测器图像(17a
‑
17c)分别在一图像局部(18)中、尤其在围绕所述熔珠(8)的中心点(M)的一环形图像局部中被分析评价。6.根据前述权利要求中任一项所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：N，
申请(专利权)人：通快激光与系统工程有限公司，
类型：发明
国别省市：