CN108620752A

CN108620752A - 测量设备和激光焊接设备

Info

Publication number: CN108620752A
Application number: CN201810208580.1A
Authority: CN
Inventors: 杉野弘宜
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2018-10-09
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: DE102018105093A1; JP2018153842A; US20180264600A1; CN108620752B

Abstract

本发明涉及测量设备和激光焊接设备。激光焊接设备包括：测量单元，测量单元通过干涉测量法来测量熔池的穿透深度；和控制器，控制器控制测量单元。测量单元包括：光源，光源射出用于测量的激光光束；分束器，分束器将激光光束分成测量光束和参照光束；光接收元件，光接收元件接收由从熔池反射的测量光束和从参照镜反射的参照光束合成的干涉光束；扫描机构，扫描机构改变朝向熔池行进的测量光束的施加位置；和图像捕捉单元，图像捕捉单元捕捉熔池的图像。控制器基于由图像捕捉单元捕捉到的图像来确定熔池的最深部分，并且控制扫描机构，使得朝向熔池行进的测量光束被施加到最深部分。

Description

测量设备和激光焊接设备

技术领域

本发明涉及一种测量设备和一种激光焊接设备。

背景技术

存在一种激光焊接设备，该激光焊接设备被构造成通过将激光光束施加到工件来执行焊接(例如，参见日本未审专利申请公报No.2012-236196(JP 2012-236196 A))。

在JP 2012-236196 A中描述的激光焊接设备包括：激光振荡器，激光振荡器被构造成射出用于焊接的激光光束；和光学干涉仪，光学干涉仪被构造成测量工件的焊接部的穿透深度。该激光焊接设备被构造成基于穿透深度来评估焊接部的品质。从光学干涉仪射出的物体光束被同轴地叠加在来自激光振荡器的激光光束上并且然后被施加到焊接部。物体光束的光斑直径被设定成比激光光束的光斑直径大。因此，物体光束被施加到在激光焊接期间形成的熔池的小孔，小孔的深度能够被测量为穿透深度。

发明内容

然而，利用如上所述的常规激光焊接设备，物体光束的光斑直径较大，且因此在宽的区域中检测深度。因此难以提高穿透深度的测量的精度。

本发明提供被构造成以更高的精度来测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度的测量设备和激光焊接设备。

本发明的第一方面涉及一种测量设备，所述测量设备被构造成测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度。所述测量设备包括：测量单元，所述测量单元被构造成通过干涉测量法来测量所述熔池的穿透深度；和控制器，所述控制器被构造成控制所述测量单元。所述测量单元包括：光源，所述光源被构造成射出用于测量的激光光束；分束器，所述分束器被构造成将用于测量的激光光束分成朝向所述熔池行进的测量光束和朝向参照镜行进的参照光束；光接收元件，所述光接收元件被构造成使得干涉光束入射在所述光接收元件上；扫描机构，所述扫描机构被构造成改变朝向所述熔池行进的测量光束的施加位置；和图像捕捉单元，所述图像捕捉单元被构造成捕捉所述熔池的图像。所述干涉光束由从所述熔池反射的测量光束和从所述参照镜反射的参照光束合成。所述控制器被构造成：i)基于由所述图像捕捉单元执行的图像捕捉的结果来确定所述熔池的最深部分；和ii)控制所述扫描机构，使得朝向所述熔池行进的测量光束被施加到所述最深部分。

该构造允许测量光束被施加到熔池的最深部分，从而抑制测量光束被施加到熔池的最深部分以外的区域。因此能够提高熔池的穿透深度的测量的精度。

本发明的第二方面涉及一种激光焊接设备，所述激光焊接设备包括：激光焊接单元，所述激光焊接单元包括第一光源和第一扫描机构，所述第一光源被构造成射出用于测量的激光光束，所述第一扫描机构被构造成改变用于焊接的激光光束的施加位置；测量单元，所述测量单元被构造成通过干涉测量法来测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度；和控制器，所述控制器被构造成控制所述激光焊接单元和所述测量单元。所述测量单元包括：第二光源，所述第二光源被构造成射出用于测量的激光光束；分束器，所述分束器被构造成将用于测量的激光光束分成朝向所述熔池行进的测量光束和朝向参照镜行进的参照光束；光接收元件，所述光接收元件被构造成使得干涉光束入射在所述光接收元件上；第二扫描机构，所述第二扫描机构被构造成改变朝向所述熔池行进的测量光束的施加位置；和图像捕捉单元，所述图像捕捉单元被构造成捕捉所述熔池的图像。所述干涉光束由从所述熔池反射的测量光束和从所述参照镜反射的参照光束合成。所述控制器被构造成：i)基于由所述图像捕捉单元执行的图像捕捉的结果来确定所述熔池的最深部分；ii)控制所述第二扫描机构，使得朝向所述熔池行进的测量光束被施加到所述最深部分，并且测量所述最深部分的穿透深度；和iii)基于所述最深部分的穿透深度来控制所述第一光源的功率。

该构造允许测量光束被施加到熔池的最深部分，从而抑制测量光束被施加到熔池的最深部分以外的区域。因此能够提高熔池的穿透深度的测量的精度。另外，基于最深部分的穿透深度来控制第一光源的功率允许在激光焊接期间适当地调节穿透深度。因此能够减少不良结合的发生。

根据本发明的测量设备和激光焊接设备提高在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度的测量的精度。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，其中相同的附图标记表示相同的元件，并且其中：

图1是示意性地图示根据第一实施例的激光焊接设备的示图；

图2是图示图1中的激光焊接设备的框图；

图3是示意性地图示在激光焊接期间的工件的熔池的截面图；

图4是示意性地图示在激光焊接期间的工件的熔池的平面图；

图5是图示根据第一实施例的激光焊接设备的操作的流程图；并且

图6是图示根据第二实施例的激光焊接设备的操作的流程图。

具体实施方式

下文中，将参考附图描述本发明的示例实施例。

第一实施例

首先，参考图1至图4，将示意性地描述根据本发明的第一实施例的激光焊接设备100。

如在图1中所示，激光焊接设备100被构造成通过将激光光束L1施加到例如包括两个钢板151、152的工件150来执行焊接。此外，激光焊接设备100被构造成测量在激光焊接期间的工件150的熔池150b的穿透深度。激光焊接设备100包括激光焊接单元1、测量单元2和控制器3。

设置激光焊接单元1以便在工件150上执行激光焊接(即，将钢板151、152焊接到彼此)。激光焊接单元1包括激光振荡器11、扫描机构12、准直器13和调焦机构14。

激光振荡器11被构造成射出用于焊接的激光光束L1。例如，基于例如工件150的材料来设定在射出激光光束L1期间的激光振荡器11的功率，使得工件150的钢板151、152能够被焊接到彼此。应注意，激光振荡器11是本发明中的“第一光源”的示例。

设置扫描机构12以便相对于工件150改变激光光束L1被施加到的位置(下文中，称为“激光光束L1的施加位置”)。扫描机构12包括一对检流计镜12a。所述检流计镜12a中的每个检流计镜均被可枢转地设置。应注意，为方便起见，图1仅图示被构造成相对于工件150在X方向上改变激光光束L1的施加位置的检流计镜12a，而未图示被构造成相对于工件150在Y方向上(即，与图1画在其上的纸张垂直的方向上)改变激光光束L1的施加位置的检流计镜12a。能够通过调节扫描机构12的两个检流计镜12a的角度来改变激光光束L1的施加位置。另外，扫描机构12被构造成改变测量光束L2(稍后描述)被施加到的位置(下文中，称为“测量光束L2的施加位置”)和改变图像捕捉单元26(稍后描述)的成像范围。应注意，扫描机构12是根据本发明中“第一扫描机构”的示例。

准直器13被布置在激光振荡器11和调焦机构14之间。设置准直器13以便使从激光振荡器11射出的激光光束L1准直。调焦机构14被布置在准直器13和扫描机构12之间。调焦机构14包括透镜14a，透镜14a能够在激光光束L1的光轴的方向上移动。调焦机构14被构造成调节透镜14a的位置，由此调节激光光束L1的焦点距离。

设置测量单元2以便通过干涉测量法来测量工件150的熔池150b的穿透深度。测量单元2包括扫频光源21、光束分束器22、参照镜23、光接收元件24、扫描机构25、图像捕捉单元26、准直器27和调焦机构28。

扫频光源21被构造成射出用于测量的激光光束。扫频光源21被构造成在时间上改变要被射出并且用于测量的激光光束的波长。应注意，扫频光源21是根据本发明的“光源”和“第二光源”中的每一个的示例。

光束分束器22被构造成将从扫频光源21射出并且用于测量的激光光束分成朝向工件150的熔池150b行进的测量光束L2和朝向参照镜23行进的参照光束L3。应注意，光束分束器22是根据本发明的“分束器”的示例。

设置参照镜23以便反射来自分束器22的参照光束L3并且将参照光束L3发送到光接收元件24。

测量光束L2穿过扫描机构25、12以被施加到工件150的熔池150b。从熔池150b的底部反射的测量光束L2穿过扫描机构12、25以被发送到光接收元件24。光接收元件24被构造成使得干涉光束入射在光接收元件24上，所述干涉光束由从熔池150b的底部反射的测量光束L2和从参照镜23反射的参照光束L3合成。与在测量光束L2和参照光束L3之间的光路长度中的差异对应的干涉光束入射在光接收元件24上。因此，能够基于干涉光束来测量熔池150b的穿透深度。将干涉光束聚焦在光接收元件24上的透镜24a被设置在光接收元件24和光束分束器22之间。

扫描机构25被布置在光束分束器22和扫描机构12之间。设置扫描机构25以便修正测量光束L2的施加位置。具体地，扫描机构25被构造成相对于通过扫描机构12改变的激光光束L1的施加位置来调节测量光束L2的施加位置。扫描机构25包括一对检流计镜25a。检流计镜25a中的每个检流计镜均被可枢转地设置。应注意，为方便起见，图1仅图示被构造成相对于工件150在X方向上改变测量光束L2的施加位置的检流计镜25a，而未图示被构造成相对于工件150在Y方向上改变测量光束L2的施加位置的检流计镜25a。能够通过调节扫描机构25的两个检流计镜25a的角度来调节测量光束L2的施加位置。应注意，扫描机构25是根据本发明的“扫描机构”和“第二扫描机构”中的每一个的示例。

图像捕捉单元26具有捕捉在激光焊接期间的工件150的熔池150b的图像的功能。设置图像捕捉单元26以便确定最深部分150d，所述最深部分150d是熔池150b的最深部分(见图3和图4)。图像捕捉单元26是区域传感器，诸如电荷耦合器件(CCD)图像传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。图像捕捉单元26被构造成捕捉在从扫描机构12朝向工件150行进的激光光束L1的光轴周围的区域的图像。具体地，图像捕捉单元26被设置成通过扫描机构12捕捉熔池150b的图像。因而，成像范围随着扫描机构12改变激光光束L1的施加位置而被改变。将来自工件150的光束聚焦在图像捕捉单元26上的透镜26a和将不必要的频带中的光束移除的滤光器26b被设置在图像捕捉单元26和扫描机构12之间。

准直器27被布置在扫频光源21和调焦机构28之间。设置准直器27以便使从扫频光源21射出的激光光束准直。调焦机构28被布置在准直器27和光束分束器22之间。调焦机构28包括透镜28a，透镜28a能够在来自扫频光源21的激光光束的光轴的方向上移动。调焦机构28被构造成调节透镜28a的位置，由此调节测量光束L2的焦点距离。

控制器3被构造成控制激光焊接设备100，如图2中所示。控制器3包括中央处理单元(CPU)31、只读存储器(ROM)32、随机存取存储器(RAM)33和输入-输出接口34。应注意，控制器3是根据本发明的“控制器”的示例。

CPU31被构造成基于例如存储在ROM32中的程序和数据来执行计算处理。ROM32存储例如用于控制的程序和数据。设置RAM33以便临时地存储例如由CPU31执行的计算的结果。激光焊接单元1和测量单元2被连接到输入-输出接口34。

控制器3被构造成控制激光焊接单元1在工件150上执行焊接，并且被构造成控制测量单元2测量工件150的熔池150b的穿透深度。测量单元2和控制器3构成根据本发明的“测量设备”。

接下来，将描述在激光焊接期间发生的现象。参考图3和图4，以下将描述在X1方向上改变用于焊接的激光光束L1的施加位置的情形。

首先，如在图3中所示，当用于焊接的激光光束L1被施加到工件150时，工件150被局部地熔融以形成熔池150b。此时，工件150由于激光光束L1的施加而局部地蒸发，并且金属蒸气的反作用力生成凹部，该凹部发展成小孔150c。然后在X1方向上改变激光光束L1的施加位置。当熔融金属凝固时，形成焊接部(焊道)150a。焊接部150a的深度与结合强度相关联，焊接部150a的最深部分的深度等于熔池150b的最深部分150d的深度。

当激光光束L1的施加位置如上所述在X1方向上改变时，熔池150b的最深部分150d在X2方向(与X1方向相反的方向)上从由于激光光束L1的施加而形成小孔150c的位置偏置，如图3和图4所示。因此，如果用于测量熔池150b的穿透深度的测量光束L2被与激光光束L1同轴的施加，则检测到比最深部分150d浅的部分的深度，且因此不能合适地测量熔池150b的穿透深度。如果测量光束L2的焦点直径被增大以便覆盖最深部分150d，则在宽的区域中检测深度。因此难以以高的精度来测量熔池150b的穿透深度。最深部分150d从激光光束L1偏置的量根据在激光光束L1的射出期间的激光振荡器11的功率、扫描速度、工件150的材料等而改变。

鉴于此，在第一实施例中，控制器3被构造成基于由图像捕捉单元26执行的图像捕捉的结果来确定熔池150b的最深部分150d，并且控制扫描机构25，使得朝向熔池150b行进的测量光束L2被施加到最深部分150d。应注意的是，控制器3能够基于由图像捕捉单元26捕捉的图像中的明暗来确定熔池150b的最深部分150d。

激光焊接期间的操作

接下来，将参考图5描述根据第一实施例的激光焊接设备100的操作。控制器3执行以下步骤。

首先，控制器3在图5中的步骤S1中判定是否将开始焊接。当控制器3判定将开始焊接时，开始焊接，并且控制器3进行到步骤S2。另一方面，当控制器3判定不将开始焊接时，重复执行步骤S1。即，激光焊接设备100被保持在待机模式直至开始焊接。

当开始焊接时，从激光振荡器11射出用于焊接的激光光束L1。激光光束L1穿过准直器13、调焦机构14和扫描机构12施加到工件150。从激光振荡器11射出的激光光束L1被控制器3控制。在控制器3控制调焦机构14时，激光光束L1的焦点距离被调节。在控制器3控制扫描机构12时，激光光束L1的施加位置相对于工件150被改变。焦点距离和光束施加路径基于例如预先存储的教导数据来设定。

当焊接开始时，开始在激光焊接期间的工件150的熔池150b的穿透深度的测量。具体地，从扫频光源21射出用于测量的激光光束。用于测量的激光光束穿过准直器27和调焦机构28入射在光束分束器22上，并且然后被光束分束器22分成测量光束L2和参照光束L3。从扫频光源21射出的激光光束被控制器3控制。在控制器3控制调焦机构28时，测量光束L2的焦点距离被调节。焦点距离基于例如预先存储的教导数据来设定。

测量光束L2然后穿过扫描机构25、12施加到工件150的熔池150b。测量光束L2从熔池150b的底部反射以穿过扫描机构12、25返回到光束分束器22。另一方面，参照光束L3从参照镜23反射以返回到光束分束器22。然后，由从熔池150b的底部反射的测量光束L2和从参照镜23反射的参照光束L3合成的干涉光束入射到光接收元件24上。基于入射在光接收元件24上的干涉光束，控制器3测量熔池150b的穿透深度。

接下来，在步骤S2中，图像捕捉单元26捕捉图像。因而，工件150的熔池150b的图像被捕捉。在扫描机构12改变激光光束L1的施加位置时，图像捕捉单元26的成像范围被扫描机构12改变。即，扫描机构12能够同轴地改变相对于工件150的激光光束L1的光轴和图像捕捉单元26的捕捉轴线。基于由图像捕捉单元26执行的图像捕捉的结果，控制器3确定熔池150b的最深部分150d。

然后，在步骤S3中，控制器3控制扫描机构25，由此校正测量光束L2的施加位置。具体地，控制扫描机构25，使得测量光束L2被施加到熔池150b的最深部分150d。如果测量光束L2的施加位置没有被扫描机构25校正，则从扫描机构12朝向工件150行进的测量光束L2的光轴与从扫描机构12朝向工件150行进的激光光束L1的光轴一致。因此，扫描机构25以最深部分150d从激光光束L1偏置的量来校正测量光束L2的施加位置。因而，测量光束L2被恰当地施加到熔池150b的最深部分150d，而不需要增大测量光束L2的焦点直径。因此能够以高精度来测量熔池150b的穿透深度。

接下来，控制器3在步骤S4中判定是否将结束焊接。当控制器3判定不将结束焊接时，控制器3返回到步骤S2。另一方面，当控制器3判定将结束焊接时，控制器3进行到步骤S5。

接下来，控制器3在步骤S5中评估焊接部150a的品质。例如，控制器3判定在激光焊接期间测量到的熔池150b的穿透深度是否处于规定范围内。所述规定范围被用于判定穿透深度是否合适。所述规定范围基于例如要求的结合强度预先设定。当穿透深度处于规定范围内时，控制器3判定焊接部150a处于令人满意的结合状态，然而当穿透深度处于规定范围外时，控制器3判定焊接部150a处于不良的结合状态。然后，控制器3结束例程。

有利效果

在第一实施例中，如上所述，基于由图像捕捉单元26执行的图像捕捉的结果来确定熔池150b的最深部分150d，并且控制扫描机构25，使得测量光束L2被施加到最深部分150d。该控制允许测量光束L2被施加到熔池150b的最深部分150d，从而抑制测量光束L2被施加到熔池150b的最深部分150d以外的区域。因此能够提高熔池150b的穿透深度的测量的精度。结果，能够提高工件150的焊接部150a的品质的评估的精度。

第二实施例

接下来，将描述根据本发明的第二实施例的激光焊接设备。第二实施例的构造与上述第一实施例的构造基本上相同。因此，在以下描述中将使用与第一实施例中的附图标记相同的附图标记。

根据第二实施例的激光焊接设备被构造成：i)基于由图像捕捉单元26执行的图像捕捉的结果来确定熔池150b的最深部分150d；ii)控制扫描机构25，使得朝向熔池150b行进的测量光束L2被施加到最深部分150d，并且测量最深部分150d的穿透深度；和iii)基于最深部分150d的穿透深度来控制激光振荡器11的功率。

接下来，将参考图6描述根据第二实施例的激光焊接设备的操作。控制器3执行以下步骤。

图6中的步骤S11至S13与上述步骤S1至S3相同，因此以下将不被描述。

接下来，控制器3在S14中判定熔池150b的穿透深度是否处于规定范围内。所述规定范围被用于判定穿透深度是否合适。所述规定范围基于例如要求的结合强度预先设定。当控制器3判定穿透深度处于规定范围内时，控制器3进行到步骤16，因为穿透深度是合适的。另一方面，当控制器3判定穿透深度没有处于规定范围内(即，穿透深度处于规定范围外)时，控制器3进行到步骤S15，因为穿透深度不是合适的。

接下来，对射出用于焊接的激光光束L1的激光振荡器11的功率进行校正。例如，当穿透深度小于规定范围的下限时，激光振荡器11的功率被校正成被增大，然而当穿透深度大于规定范围的上限时，激光振荡器11的功率被校正成被减小。应注意，功率的校正量可以基于穿透深度从穿透深度的规定范围的上限或下限偏离的量来设定，或者可以是预先设定的固定值。然后，控制器3进行到步骤S16。

接下来，控制器3在步骤S16中判定是否将结束焊接。当控制器3判定不将结束焊接时，控制器3返回到步骤S12。另一方面，当控制器3判定将结束焊接时，控制器3结束例程。

有利效果

在第二实施例中，如上所述，基于由图像捕捉单元26执行的图像捕捉的结果来确定熔池150b的最深部分150d，并且控制扫描机构25，使得测量光束L2被施加到最深部分150d。该控制允许测量光束L2被施加到熔池150b的最深部分150d，从而抑制测量光束L2被施加到熔池150b的最深部分150d以外的区域。因此能够提高熔池150b的穿透深度的测量的精度。另外，基于最深部分150d的穿透深度来控制激光振荡器11的功率允许在激光焊接期间合适地调节穿透深度。因而能够减少不良结合的发生。

其它实施例

注意，已经在说明书中公开的实施例在所有方面被认为是说明性的而不是限制性的。本发明的技术范围由权利要求限定，而不是仅由实施例限定，并且因此在权利要求的意义和等同范围内的所有修改旨在被包含在本发明的技术范围中。

例如，在第一和第二实施例中，描述了包括两个钢板151、152的工件150。然而，工件不限于工件150，并且可以使用包括三个或更多个钢板的工件。可以使用包括钢板以外的其它构件的工件。

在第一和第二实施例中，描述了在X1方向上改变用于焊接的激光光束L1的施加位置的示例。然而，该示例不限制本发明的范围，并且施加路径可以是其它形状，诸如圆形。

在第一和第二实施例中，描述了通过扫描机构12改变用于焊接的激光光束L1的施加位置的示例。然而，该示例不限制本发明的范围，并且用于焊接的激光光束的施加位置可以通过工件被固定到的平台(未示出)来改变。

在第一实施例中，描述了在焊接结束之后评估焊接部的品质的示例。然而，该示例不限制本发明的范围，并且焊接部的品质可以在焊接期间评估。

本发明能够应用到被构造成测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度的测量设备，并且还能够应用到包括该测量设备的激光焊接设备。

Claims

1.一种测量设备，所述测量设备被构造成测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度，所述测量设备的特征在于包括：

测量单元，所述测量单元被构造成通过干涉测量法来测量所述熔池的穿透深度；和

控制器，所述控制器被构造成控制所述测量单元，

其中，所述测量单元包括：

光源，所述光源被构造成射出用于测量的激光光束，

分束器，所述分束器被构造成将用于测量的激光光束分成朝向所述熔池行进的测量光束和朝向参照镜行进的参照光束，

光接收元件，所述光接收元件被构造成使得干涉光束入射在所述光接收元件上，所述干涉光束由从所述熔池反射的测量光束和从所述参照镜反射的参照光束合成，

扫描机构，所述扫描机构被构造成改变朝向所述熔池行进的测量光束的施加位置，和

图像捕捉单元，所述图像捕捉单元被构造成捕捉所述熔池的图像，并且

其中，所述控制器被构造成：

i)基于由所述图像捕捉单元执行的图像捕捉的结果来确定所述熔池的最深部分，并且

ii)控制所述扫描机构，使得朝向所述熔池行进的测量光束被施加到所述最深部分。

2.一种激光焊接设备，其特征在于包括：

激光焊接单元，所述激光焊接单元包括：

第一光源，所述第一光源被构造成射出用于焊接的激光光束，和

第一扫描机构，所述第一扫描机构被构造成改变用于焊接的激光光束的施加位置；

测量单元，所述测量单元被构造成通过干涉测量法来测量在激光焊接期间的工件的熔池的穿透深度；和

控制器，所述控制器被构造成控制所述激光焊接单元和所述测量单元，

其中，所述测量单元包括：

第二光源，所述第二光源被构造成射出用于测量的激光光束，

第二扫描机构，所述第二扫描机构被构造成改变朝向所述熔池行进的测量光束的施加位置，和

其中，所述控制器被构造成：

i)基于由所述图像捕捉单元执行的图像捕捉的结果来确定所述熔池的最深部分，

ii)控制所述第二扫描机构，使得朝向所述熔池行进的测量光束被施加到所述最深部分，并且测量所述最深部分的穿透深度，并且

iii)基于所述最深部分的穿透深度来控制所述第一光源的功率。