CN109689277A - 用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置和方法。本发明的目的在于提供一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的进一步优化的装置，并且可以可靠地避免可能影响产品质量的处理偏差。令人惊奇的是，现有技术中已知的用于在沉积焊接中过程监控的装置可以改进成为基本上优化的过程监控，其中所述装置增加用于检测时间段的装置和用于自由中止沉积焊接处理的装置，在所述时间段中，所检测的所述表面区域比预定的最小值大，所述用于自由中止沉积焊接处理的装置在所检测的表面区域的时间段比预定的时间值大的时间段的情况下自动中止沉积焊接处理。

Description

用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置

技术领域

本发明涉及根据权利要求1的前序部分的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置和根据权利要求5的前序部分的一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法。

背景技术

在从单层一直到3D结构的增材制造领域中，除了其他方面，使用属于沉积焊接制造方法(或者也称为包层)的激光粉末沉积焊接。因此，工件表面的熔化在工件上通过局部热效应发生，而同时应用粉末状的几乎任何类型的金属材料。因此，现在主要使用高效能的二极管激光器或纤维激光器作为热源。

为了获得所需的质量与表面特性，需要连续的过程监控。使用相机系统可以创建待监控的区域的图像，相机系统光学对准熔化发生的点。因此，一般情况下，由熔化发生的点产生的温度值和温度强度可以在后面用于监测和控制该过程。

从DE102007032190A1已知一种通过加热进行工件表面的表面处理的装置。因此，有效范围的处理转换为图像信号，然后图像信号处理为控制信号以便根据有效范围的热量的状态控制工件的表面上的加热效果。控制信号引起一个或多个致动器的致动以改变加热效果。因此，为了处理图像信号，使用逐像素分析，其中图像根据灰度梯度显示，图像被分成具有较高热量的热区和具有较低热量的热区。因此，评估过程的进展和质量仅基于这两个热区的区域尺寸彼此的逐像素比较来进行。

从DE102004051876A1已知一种用于激光处理方法的局部解析温度测量的装置。因此，可以在以局部解析方式测量的光检测器上描述工件的指定处理区域。此外，滤光器布置在处理区域与光检测器之间的光路上，滤光器阻挡一个或多个激光处理光束的电磁辐射。其中，检测器所捕捉的图像可以用于确定处理区域的温度分布。为了评估所捕捉的图像，仅考虑超过指定的最大温度值的区域的形状和位置。

US2008/0296270A1公开了一种沉积焊接的实时控制系统，其中温度通过高温计监控，而熔池的形状通过相机监控。

从US6423926B1已知一种方法，其中喷嘴的温度在激光沉积焊接方法的过程中通过布置在处理头内的热元件监控。

US6940037B1公开了一种用于沉积焊接处理的控制系统，其中焊接参数根据包层点和测定几何因子来调整。

EP1600247A2示出了一种用于监控激光束机的喷嘴的装置，其中该装置与处理头分开布置进行监控，且使用电荷耦合器件(CCD)相机进行喷嘴的光学监控。

从US2004/0133298A1已知一种装置，其中激光沉积焊接方法通过光学检测沉积材料的粗糙度、包层尺寸和硬化速度来控制包层处理。

发明内容

本发明的目的是提供一种装置，其中沉积焊接方法中的过程监控被进一步优化，并且会影响产品质量的处理偏差被可靠地避免。

通过根据权利要求1所述的一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置以及通过权利要求5所述的一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法来实现该目的。

本发明的优选实施例和进一步实施例可以通过在附属权利要求涉及的特征来实现。

根据本发明的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置包括一光学检测器，其光学地集成在激光束的一光路中，其中所述激光束以定向的方式从激光束源发射以熔化待沉积的材料，所述激光束通过光学系统引导至工件上，从而对准于待处理的所述工件的一表面上，而且所述光学系统被设置为在与所述激光束相反的方向上将检测器信号发送到所述光学检测器，所述检测器信号取决于所述工件的温度和喷嘴几何形状，所述检测器信号通过所述光学检测器捕捉且转换为电子检测器信号，所述装置包括一转换单元，其将所述电子检测器信号转换为图像，所述图像再现由所述光学检测器所捕捉的所述检测器信号的与温度有关的强度分布，以及所述装置包括一评估单元，其被设置为进一步处理所述图像，其中，为了该目的，所述评估单元还包括：确定所述图像的监控区域的装置，用于重复检测所述监控区域的表面区域的装置，其中所述强度超过指定的最小值，检测一时间段的装置，在所述时间段中，所检测的所述表面区域比指定的最小值大，以及在所检测的所述表面区域的所述时间段比指定的时间值大的情况下，中止所述沉积焊接处理的装置。

令人惊奇的是，上述与现有技术中已知的用于在沉积焊接中过程监控的装置可以改进成为基本上优化的过程监控，其中所述装置增加用于检测时间段的装置和用于自由中止沉积焊接处理的装置，在所述时间段中，所检测的所述表面区域比预定的最小值大，所述于自由中止沉积焊接处理的装置在所检测的所述表面区域比预定的时间值大的时间段的情况下自动中止所述沉积焊接处理。

这是发明人以所述情况为基础而意识到，以这种方式，可以产生一种装置，使其可以在其发生期间利用可靠且及时的方式检测来自所述沉积焊接处理的喷嘴粘合剂物质残留物。

如果在沉积焊接处理中，粉末已经开始在供应粉末的喷嘴的出口处熔化，且随着时间的推移在激光束的通道开口的方向上扩散，且限制或封闭的气泡在所述工件中释放，通过该方式，熔化在所述工件上的材料喷射且粘附至所述激光束的所述通道开口的边缘上，那么这种粘合剂物质残留物会发生。具有这种粘合剂物质残留物的问题在于，当投射到激光束的通道中时，这导致将所述激光束(意思是施加至所述工件上的能量低于所计划的能量)或激光束的反射限制在喷嘴内，反之，其可以导致喷嘴的过渡加热。此外，粘合剂物质残留可以形成在喷嘴的粉末材料的出口处，且强烈地影响所述粉末材料的对准。

为了尽可能早地检测在粉末锥的对准中的可能故障，需要进行连续的过程监控。它允许及时检测任何变化，无论多么小的变化，关于所熔化的材料的粘合剂物质残留，这显著地稳定了产品的质量。

本发明由此产生了一种装置，可以通过该装置可靠地检测这种粘合剂物质残留物，且进一步确保了在检测到喷嘴开口处的污物的连续粘合剂物质残留物的情况下，该处理自动结束。

根据本发明的装置能够有利地被进一步开发，使得所述监控区域为沿所述喷嘴开口(喷嘴边缘)的内圆周的环形边缘区域，其特别有利地用于检测粘合剂物质残留物，其通过可以在喷嘴边缘上形成。

通过该方式，确保了通过所述装置能够可靠地检测在喷嘴的边缘上形成的喷嘴粘合剂物质残留物。

根据本发明的所述装置可以有利地被进一步开发，使得所述装置被设置为在所检测的所述表面区域的所述时间段比指定的时间值大的情况下以自动的方式中止所述沉积焊接处理，以便中止所述沉积焊接处理。

通过自动处理，可以对监测区域中的任何变化进行快速响应，并且如果需要，在粘合剂物质残留物的光学检测超过先前确定的极限值的情况下，可以及时地停止该处理。这提高了处理顺序的可靠性。

此外，根据本发明的所述装置可以有利地被进一步开发，使得待沉积是所述材料通过所述喷嘴引导，从而对准于待处理的所述工件的所述表面上。

借助于此，应该被沉积在所述工件上的所述材料可以以选择性的方式引导至所述激光束的焦点中，其中它连接至所述工件的已经熔化的基材。此外，这种对准的供应是有利的，因为通过增加粉末材料的对准可以产生越来越小的结构。

根据本发明的所述装置可以有利地被进一步开发，使得所述激光束通过通过所述喷嘴的中央区域引导至待处理的所述工件的所述表面上。

该进一步实施例的优点在于，所述激光束在所述锥体内，该锥体由待沉积的粉末材料的供应形成，从而材料锥体和激光束能够彼此靠近。这具有的优点是，在所述工件上移动并将材料沉积在工件上的处理头可以是相对紧凑的，这对于在处理头难以到达的区域中的结构的产生具有特别的优势。

根据本发明的所述装置可以有利地设计，使得所述装置被设置为使得所述监控区域的最小尺寸相对于包括所述监控区域的总区域为20％，优选至少30％，尤其优选至少40％，而最大为70％。

此外，所述装置特别有利地被设置为使得用于检测时间段的所述指定的最小值相对于所述监控区域的范围为10％，优选15％，尤其优选20％。

借助于此，可以考虑所述喷嘴的不同几何形状，且所述装置可以适于关于各个处理参数和要求(例如焊接质量等等)的沉积焊接。

本发明还包括一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法，使用具有光学检测器的光学整体系统，所述光学检测器光学地集成在激光束的一光路中，其中所述激光束以定向的方式从激光束源发射以熔化待沉积的材料，所述激光束通过光学系统引导至工件上，从而对准于待处理的所述工件的一表面上，而且所述光学系统被设置为在与所述激光束相反的方向上将检测器信号发送到所述光学检测器，所述检测器信号取决于所述工件的温度和喷嘴几何形状，所述检测器信号通过所述光学检测器捕捉且转换为电子检测器信号，以及一转换单元，其将所述电子检测器信号转换为图像，所述图像再现由所述光学检测器所捕捉的所述检测器信号的与温度有关的强度分布，其中所述方法包括以下步骤：确定所述图像的监控区域，重复检测所述监控区域的表面区域，其中所述强度超过指定的最小值，检测时间段，在所述时间段中，所检测的所述表面区域比指定的最小值大，以及在所检测的所述表面区域的所述时间段比指定的时间值大的情况下，中止所述沉积焊接处理。

本发明将所述处理区域的强度的所捕捉的图像划分为多个区域，使得至少一个区域适合于监控喷嘴粘合剂物质残留物并监控先前确定的区域尺寸、区域尺寸存在的强度与时间的极限值。如果以特定顺序超过这些限制值，则中止该处理。

根据本发明的所述方法可以有利地被进一步开发，使得所述监控区域被确定为围绕所述处理区域(喷嘴边缘)的用于检测粘合剂物质残留物的环形边缘区域。

借助于此，确保了通过所述方法能够可靠地检测在喷嘴的边缘上形成的喷嘴粘合剂物质残留物。

根据本发明的所述方法可以有利地被进一步开发，使得所述时间段优选为一秒、三秒或者尤其优选为五秒。

因此，可以给予所述过程监控足够的时间来反应在监控区域内的变化。因此，以这样的方式选择时间是非常重要的，使得所述处理被快速中止，因为在监控区域的图像变化的情况下，其也可以仅在短时间内处理变化。反之，这不会强制性地指示喷嘴边缘上的粘合剂物质残留并且该处理可以继续。

根据本发明的所述方法可以有利地被进一步开发，使得所述监控区域的最小尺寸相对于包括所述监控区域和所述处理区域的总区域至少为20％，优选至少30％，尤其优选至少40％，而最大为70％。

借助于此，可以考虑所述喷嘴的开口的不同形状和直径，以及对图像处理至关重要的其他因素(例如图像比例、像素数量等等)。

根据本发明的所述方法可以有利地被进一步开发，使得用于检测时间段的所述指定的最小值相对于所述监控区域的最小范围为一最大值10％，优选最大值15％，尤其优选最大值20％。

借助于此，所述方法能够适于不同的多个喷嘴/喷嘴几何形状，此外，所述方法能够适于关于各个处理参数和要求(例如焊接质量等等)的沉积焊接。

附图说明

现在基于示例性实施例来更详细地解释本发明。附图为：

图1是根据本发明的一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置的示意图，

图1a是根据图1所示的根据本发明的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置的评估单元的具体示意图，

图1b示出了根据图1所示的根据本发明的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置的光路，

图2是具有激光束穿过且供应至待被施加的材料的喷嘴的剖面图，

图3是根据本发明的一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法的示意图，

图4是根据本发明的具有确定的监控区域的沉积焊接处理的所检测的图像(左)和具有对喷嘴的附有识别的粘合剂物质残留的图像(右)。

具体实施方式

图1示出了用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置100的一示例性实施例的示意图，装置100具有光学地集成在激光束21的一光路中的光学检测器10。有利地，如图1b所示，这可以通过分束器进行，分束器设计为分束器立方体或半透镜。通过该布置，激光束21从激光束源20引导至工件50，待沉积的材料31可以通过激光束21熔化，与检测器信号11叠加，在与激光束21相反的方向上通过待处理的表面51发送至光学检测器10。然而，也可以通过其他实施例叠加激光束和检测器信号。

一光学传感器芯片用作检测器10，检测器10可以检测红外波长。红外波长形成产生具有与温度有关的强度的图像61的基础。为此，一般使用具有CCD或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的相机。它们将所捕捉到的检测器信号11转换为发送到评估单元60的电子检测器信号12。

在转换单元70自身中，电子检测器信号12可以被转换为具有与温度有关的强度的图像61，并且被发送到评估单元60的集成装置60a、60b、60c、60d以作进一步处理。

这样的图像61可以粗略地分成三个区域，这在图4中可以很明确地识别。

第一区域为处理区域。在此，在图像61中可以预期特别高的强度(高温)，因为激光束21在此击中工件50的表面51，因此特别高的热量供应在此发生。该区域可以在图4中识别为最内部的区域。这不用于评估之后的喷嘴的粘合剂物质残留物的监控。

第二区域为监控区域，其由装置60a所确定且用于关于监控喷嘴粘合剂物质残留物的后面的评估，将在后面更详细地解释。如图4中的该示例性实施例所选择的，该区域以环形的方式在处理区域的外边缘上延伸。换句话说，这意味着处理区域可以与喷嘴开口并列，因此，监控区域沿喷嘴开口的边缘延伸。这里一般仅应该预期平均强度(平均温度值)，因为通过激光束21输入至工件50中的热量自然而然地优选地由于热传导在材料中扩散。

第三区域为中性区。如图4所示，该区域包括除了第一区域和第二区域之外的所有区域。在此，除了例如从喷嘴内表面的反射产生的一些伪影之外，将期望比较低的强度(低温)。同第一监控区域一样，该区域从关于喷嘴的粘合剂物质残留物的监控中排除。

图1a示出了根据本发明的评估单元的具体示意图，评估单元的装置将根据下面的实施例更详细地解释。

图1a中的装置60a确定监控区域61a，监控区域61a和关于之后的喷嘴的粘合剂物质残留物的监控的进一步评估有关。因此，监控区域可以假设像圆形环或矩形环的任意形状或已知的几何形状。因此，模具的尺寸(例如，直径、长度延伸等等)可以变化。这取决于各自的参数和所使用的喷嘴30的几何形状，这将在后面更详细地解释。也可以相对于包括监控区域61a和处理区域的总区域来描述监控区域61a的最小范围的尺寸。因此，监控区域61a的最小范围相对于总区域的最小范围的值至少为20％已经表现出是有利的。

图1a中的装置60b用于重复检测监控区域61a的表面区域61b。因此，在强度超过指定最小值62的情况下检测表面区域61b。所述检测本身由于光学传感器芯片10的特性而逐像素发生，且所述检测本身包括在检测后评估表面区域61b的尺寸。

图1a中的装置60c用于检测时间段61c，在该时间段61c期间中，由装置60b所检测的表面区域61b比指定的最小值63大。这意味着，除了检测强度和区域尺寸之外，在超过强度限制(指定的最小值)62的情况下，如果除了强度限制(指定的最小值)62之外，所检测的表面区域61b存在的时间还发生区域尺寸的限制63也已超过。这是监控图像61的第三个标准。确定极限值63也可以关于监控区域61a的最小范围进行。因此，相对于监控区域61a的最小范围的最大值为10％的值已经表现出是有利的。

如果所检测的表面区域61b的时间段61c比指定的时间值64大，那么图1a中的装置60d用于中断沉积焊接处理。如果在监控图像61的情况下第三个标准也被超过，在所检测的区域61b情况中有很大的危险，其与在喷嘴30的边缘上的所熔化的材料上的更大粘合剂物质残留有关。由此，停止该处理。

用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置100的另一优选实施例在图2中示出。在此，待施加的材料31通过对准于待处理的工件50的表面51上的喷嘴30引导。通过该方式，可以将待沉积的材料31的对准和激光束21的对准聚集在一起，其导致特别有效地处理所供应的材料31。通过该方式，可以在包层过程中产生更好的结构。

此外，如图2所示，借助于激光束21被引导通过喷嘴30的中央区域至待处理的工件50的表面51上，用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置100能够有利地被进一步开发出来。由此可以实现处理头的非常紧凑的设计，这在工件50难以到达的区域的情况下是有利的。

在图3中示出了根据本发明的用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法的一示例性实施例的示意图。由此特别示出了评估单元60的方法步骤。

在步骤S60a中，确定了图像61的监控区域61a。该监控区域将所述图像限制在用于评估的相关范围内。因此，监控区域61a的最小范围相对去总区域的最小范围的至少20％的值已经表现出是有利的，总区域包括监控区域61a和处理区域。

在步骤S60b中，再次检测监控区域61a的表面区域61b，其中强度超过指定的最小值62。利用与评估相关的监控区域，搜索并检测超过先前确定的强度限制的区域，并开始逐像素检测它们的区域。

在步骤S60c中，检测时间段，在该时间段中，所检测的表面区域61b比预定的极限值63大。现在，在逐像素检测区域尺寸的情况下，考虑是否区域超过先前定义的像素极限值63，区域可以是相干和累积的。或者，极限值63的确定也可以相对于监控区域的最小范围进行。如果是这种情况，那么检测该区域存在的时间，并开始下一个步骤(S60d)。

步骤S60d在所检测的表面区域61b的时间段比指定的时间值64大的情况中中止沉积焊接处理。如果超过强度限制(指定的最小值)62和区域尺寸的限制63的区域的检测时间现在也超过时间限制64，那么沉积焊接处理中止，因为必须预期所熔化的材料的更大粘合剂物质残留到喷嘴30的边缘。

因此，对于时间限制64的选择，优选地，可以选择一秒或三秒的时间段。此外，在随机试验中，特别合适的是五秒的时间段，因为部分地，在处理的时间段太短的情况下，尽管喷嘴粘合剂物质残留即将改变，但该处理已经中止，以这种方式使得其不再影响沉积焊接处理。

为了确定所检测的表面区域61b的尺寸的限制63，根据喷嘴的几何形状以及图像比例和对图像处理至关重要的其他因素，相对于监控区域61a的最小范围的至少10％已经表现出是有利的。因此，可以考虑喷嘴的不同特性，以及可以考虑例如焊接质量的要求。

Claims (7)

1.一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置(100)，包括：

一光学检测器(10)，其光学地集成在激光束(21)的一光路中，其中所述激光束(21)以定向的方式从激光束源(20)发射以熔化待沉积的材料(31)，所述激光束(21)通过光学系统(40)引导至工件(50)上，从而对准于待处理的所述工件(50)的一表面(51)上，而且所述光学系统(40)被设置为在与所述激光束(21)相反的方向上将检测器信号(11)发送到所述光学检测器(10)，所述检测器信号(11)基于所述工件的温度和喷嘴几何形状，所述检测器信号(11)通过所述光学检测器(10)捕捉且转换为电子检测器信号(12)，

一转换单元(70)，其将所述电子检测器信号(12)转换为图像(61)，所述图像(61)再现由所述光学检测器(10)所捕捉的所述检测器信号(11)的与温度有关的强度分布，以及

一评估单元(60)，其被设置为进一步处理所述图像(61)，

其中，为了该目的，所述评估单元(60)还包括：

确定所述图像(61)的监控区域(61a)的装置(60a)，

用于重复检测所述监控区域(61a)的表面区域(61b)的装置(60b)，在所述表面区域中所述强度超过指定的最小值(62)，

其特征在于，

检测一时间段(61c)的装置(60c)，在所述时间段(61c)中，所检测的所述表面区域(61b)比指定的最小值(63)大，以及

中止所述沉积焊接处理的装置(60d)，其在所检测的所述表面区域(61b)的所述时间段(61c)比指定的时间值(64)大的情况下，中止所述沉积焊接处理。

2.根据权利要求1所述的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置(100)，其特征在于，中止所述沉积焊接处理的所述装置(60d)被设置为在所检测的所述表面区域(61b)的所述时间段(61c)比指定的时间值(64)大的情况下以自动的方式中止所述沉积焊接处理。

3.根据权利要求1或2所述的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置(100)，其特征在于，所述装置被设置为通过对准于待处理的所述工件(50)的所述表面(51)上的喷嘴(30)引导待沉积的所述材料(31)。

4.根据权利要求3所述的用于在沉积焊接方法中的过程监控的装置(100)，其特征在于，所述装置被设置为通过所述喷嘴(31)的中央区域将所述激光束(21)引导至待处理的所述工件(50)的所述表面(51)。

5.一种用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法(S100)，使用具有光学检测器(10)的光学整体系统，所述光学检测器(10)光学地集成在激光束(21)的一光路中，其中所述激光束(21)以定向的方式从激光束源(20)发射以熔化待沉积的材料(31)，所述激光束(21)通过光学系统(40)引导至工件(50)上，从而对准于待处理的所述工件(50)的一表面(51)上，而且所述光学系统(40)被设置为在与所述激光束(21)相反的方向上将检测器信号(11)发送到所述光学检测器(10)，所述检测器信号(11)基于所述工件的温度和喷嘴几何形状，所述检测器信号(11)通过所述光学检测器(10)捕捉且转换为电子检测器信号(12)，以及

一转换单元(70)，其将所述电子检测器信号(12)转换为图像(61)，所述图像(61)再现由所述光学检测器(10)所捕捉的所述检测器信号(11)的与温度有关的强度分布，

其中所述方法包括以下步骤：

确定(S60a)所述图像(61)的监控区域(61a)，

重复(S60b)检测所述监控区域(61a)的表面区域(61b)，在所述表面区域中所述强度超过指定的最小值(62)，

其特征在于，

检测(S60c)时间段(61c)，在所述时间段(61c)中，所检测的所述表面区域(61b)比指定的最小值(63)大，以及

在所检测的所述表面区域(61b)的所述时间段(61c)比指定的时间值(64)大的情况下，中止(S60d)所述沉积焊接处理。

6.根据权利要求5所述的用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法(S100)，其特征在于，用以下方式确定所述监控区域(61a)的最小尺寸，使其为相对于由所述喷嘴几何形状预定的总区域的至少20％，所述预定的总区域包括所述监控区域(61a)和处理区域。

7.根据权利要求6所述的用于在沉积焊接方法中的过程监控的方法(S100)，其特征在于，用于所述检测(S60c)时间段(61c)的所检测的所述表面区域(61b)的所述指定的最小值(63)是相对于所述监控区域(61a)的尺寸的10％。