CN114025908A - 用于确定激光加工中的飞溅物特征的方法以及相关联的加工机和计算机程序产品 - Google Patents

用于确定激光加工中的飞溅物特征的方法以及相关联的加工机和计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

一种用于确定在通过加工射束、尤其是激光射束(3)来加工工件(2)期间从该工件(2)的熔融区(9)逸出的飞溅物(8)的至少一个飞溅物特征(M)的方法，该方法具有以下方法步骤：记录飞溅物(8)在该工件(2)的加工期间飞行通过的空间区域(7)的图像(111‑113)，通过分析处理所记录的图像(111‑113)来确定该至少一个飞溅物特征(M)，其中，根据本发明，分别跨越在时间上依次记录的多个图像(111‑113)跟踪所述飞溅物(8)，并且通过该多个图像(111‑113)的跨图像分析处理来确定该至少一个飞溅物特征(M)。

Description

用于确定激光加工中的飞溅物特征的方法以及相关联的加工 机和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种用于确定在借助加工射束、尤其是激光射束来加工工件期间从工件的熔融区逸出的飞溅物(Spritzer)的至少一个飞溅物特征(Spritzermerkmals)的方法，该方法具有以下方法步骤：
-记录飞溅物在工件的加工期间飞行通过的空间区域的图像，以及
-通过分析处理所记录的图像来确定该至少一个飞溅物特征，
并且本发明还涉及一种适合于执行此方法的加工机，该加工机具有：加工头，该加工头用于将加工射束、尤其是激光射束引导到要加工的工件上；摄像机，该摄像机指向从工件熔融区逸出的飞溅物在工件的加工期间飞行通过的空间区域；以及图像处理单元，该图像处理单元用于分析处理由摄像机记录的图像中的飞溅物。
背景技术
这种方法和这种设备例如披露在DE 10 2014 107 716B3中。
在借助激光进行的焊接过程期间，在激光射束入射在要接合的工件上的地方出现了熔池(Schmelzbad)。在深度焊接中，需要约1兆瓦/平方厘米的极高功率密度。于是，激光射束不仅使金属熔融，而且还产生蒸气。在金属熔体中形成又深又窄的填充有蒸气的孔，其被称为蒸气毛细管(也称为孔隙(Keyhole))。蒸气毛细管是蒸发的材料的压力与作用在熔体上的表面张力和重力之间的平衡的结果，表面张力和重力反作用于蒸气压力以关闭蒸气毛细管。蒸气毛细管因此被液态金属围绕。此液态区域通常被称为熔池。熔池的形状(宽度、长度)由激光射束与材料之间的相对移动速度、热源的形式表征决定(characterize)并且在很大程度上由部件本身表征决定。均一的(homogen)焊接进程通常导致均匀熔池的形成，即，熔池在该过程期间具有恒定大小。然而，焊接进程中的变化(间隙、速度、散热)具有使熔池的大小改变的效果。这可能具有以下结果：取决于熔池的大小，熔池的表面上的确定点处的自然振荡叠加并形成所谓的“熔波”。这些熔波可能在所有方向上移动穿过熔池。因此，熔波形成了另外的可能干扰所描述的使蒸气毛细管得以维持的平衡的因素。蒸气毛细管的持续泵送具有以下效果：流出的蒸气以过程排放物的形式持续夹带微量熔体。如果此过程受到“熔波”干扰，那么蒸气毛细管瓦解。包括在内的气体与新蒸气毛细管的同时的产生导致熔融材料的飞溅物，这些飞溅物在焊缝附近沉积在工件的表面上。喷出的材料在焊缝中缺失，这在最坏情况下需要后期处理。另外，必须移除所沉积的金属飞溅物，这需要昂贵的后期处理。
由开篇引述的文献DE 10 2014 107 716 B3披露一种用于在借助激光射束进行焊接期间减少焊接飞溅的方法，其中，在焊接期间，激光射束执行在平行于或垂直于接头(Fügestoβ)的、与进给运动叠加的空间振荡运动。此振荡的振荡参数在焊接过程期间被动态匹配，使得减少焊接飞溅的出现。作为对振荡参数的匹配的基础，实时分析处理在借助摄像机以高重复率从激光焦点和接头记录的图像的图像片段中所记录的焊接飞溅物的数量和大小。然而，相同的飞溅物可能在多个图像中被多次检测到，这导致所记录的焊接飞溅物的数量失真。
在这种背景下，本发明的目的是开发一种开篇所提及类型的方法，以使得可以尽可能真实地确定飞溅物特征(比如，飞溅物的数量)，并且还可以确定动态飞溅物特征(比如，飞溅物的产生速率、速度和飞行曲线(Flugkurve))。本发明的目的还在于提供一种适合于执行该方法的加工机。
发明内容
根据本发明，此目的是通过以下方式实现的：分别跨越(über...hinweg)在时间上依次记录的多个图像跟踪飞溅物，以及借助多个图像的跨图像分析处理来确定该至少一个飞溅物特征。
根据本发明，在与加工质量相关的飞溅物特征方面对这些图像进行跨图像分析处理。飞溅物特征可以涉及飞溅物的数量和大小，也可以是飞溅物的产生速率、产生密度、速度和飞行曲线。可以由飞溅物的所确定的数量和大小来确定通过飞溅物导致的熔融区的材料体积损失，以及在已知颗粒密度的情况下还确定熔融区的相关的质量损失。加工激光射束涉及热加工射束，比如，激光射束或电子射束。
所分析处理的图像优选涉及所记录的视频序列的单个图像，因此确保了各个飞溅物在单个图像中的清晰的跨图像的分配。
当对飞溅物进行计数时，有利地，通过跨图像分析处理，仅在该多个图像中的一个图像中对同一个飞溅物进行计数，尤其是仅当该飞溅物在一个图像中首次出现时进行计数。通过此措施防止了相同飞溅物在多个图像中被多次计数，这原本将导致所确定的飞溅物数量的失真。
特别优选地，当飞溅物首次出现在一个图像中时，为飞溅物分配一个自己的标识符，该飞溅物也在这些后续图像中被标记有该标识符。接着，跨图像分析处理在与加工质量相关的特性方面对图像中用同一标识符标记的飞溅物进行分析处理。
特别优选地，在工件的加工期间，基于所确定的该至少一个飞溅物特征来设置或改变至少一个加工参数，确切地讲，有利地朝向以下方向设置或改变至少一个加工参数：减小飞溅物的数量和/或大小。当借助激光射束加工该工件时，该至少一个加工参数优选地包括以下激光焊接参数中的至少一个：该激光射束的总功率、该激光射束的脉冲频率、该激光射束的激光功率调制、该激光射束的焦点位置、以及激光功率在二重光纤(Doppelfaser)的芯光纤和环光纤上的划分，该激光射束在二重光纤中向工件引导。当使用具有芯光纤和环光纤的二重光纤时，焊接的质量受多个不同过程参数影响。主要因素之一是激光功率在芯光纤与环光纤(2合1光纤)上的划分，这必须被匹配成满足焊接过程的要求。为了与焊接过程并行地获得关于过程的稳定性或焊接飞溅出现的信息，通过合适的过程摄像机记录在加工区(Prozesszone)或熔融区中的飞溅形成。取决于出现的飞溅物的数量和大小，匹配或调节二重光纤的功率分布、也就是说芯光纤与环光纤之间的激光功率分布。也可设想调节与该过程相关的其他参数，比如，激光脉冲频率和激光功率调制。
优选地，基于所确定的该至少一个飞溅物特征来确定该工件的加工质量。因此，例如，在工件的加工期间确定的飞溅物的总数可以用作质量保证的标准。
另一方面，本发明还涉及一种加工机，该加工机具有：加工头，该加工头用于将加工射束、尤其是激光射束引导到要加工的工件上；摄像机，该摄像机指向从工件的熔融区逸出的飞溅物在工件的加工期间飞行通过的空间区域；以及图像处理单元，该图像处理单元用于分析处理由摄像机记录的图像中的飞溅物，该图像处理设备根据本发明具有跨图像分析处理装置，该跨图像分析处理装置分别跨越时间上依次记录的多个图像跟踪这些飞溅物、并且由该多个图像确定至少一个飞溅物特征。跨图像分析处理装置尤其能够实现飞溅物的定量和定性。具有足够好的时间和空间分辨率的CMOS摄像机可以例如用作该摄像机。通过根据本发明的加工机，获得了与根据本发明的方法相同的优点。
优选地，加工机具有控制单元，该控制单元被编程为在工件的加工期间基于所确定的至少一个飞溅物特征来设置或改变至少一个加工参数。
为了检测由飞溅物飞行通过的空间区域，摄像机可以平行于或同轴于入射在工件上的加工射束或者与工件表面、尤其是与熔融区成一角度地、或者平行于工件表面地定向。
特别有利地，摄像机实施为视频摄像机。基于所记录的视频序列，可以特别容易且简单地跨图像跟踪或辨别单个图像中的飞溅物。
最后，本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品具有代码单元，当程序在加工机的控制器上运行时，该代码单元匹配用于执行根据本发明的方法的所有步骤。
可以从说明书、附图和权利要求获得本发明的主题的进一步优点和有利构型。类似地，上文提及的特征和仍待阐述的特征可以各自单独使用或以任何期望的组合一起使用。所示出和描述的实施例不应被理解为穷举列表，而是针对本发明的描述的示例性特征。
附图说明
附图示出，
图1示意性地示出根据本发明的用于工件的激光射束焊接的加工机；以及
图2a至图2c示出在激光射束焊接期间产生的焊接飞溅物的、在时间上依次记录的图像。
具体实施方式
图1中示意性地示出的加工机1用于借助激光射束3来焊接工件2。
加工机1包括：激光射束发生器4，该激光射束发生器用于产生激光射束3；加工头5，该加工头用于将激光射束3引导到工件2上；摄像机6，该摄像机指向从工件2的由激光射束3熔融的熔融区9逸出的飞溅物8在工件的加工期间飞行通过的空间区域7；以及图像处理单元10，该图像处理设备用于分析处理由摄像机6记录的图像111-113中的飞溅物8(图2a至图2c)。如图1所示，激光射束3在二重光纤12向工件2引导，该二重光纤具有芯光纤13和围绕芯光纤13的环光纤14。
与所示的摄像机6以与工件表面15成一角度地指向熔融区9的实施例不同，替代地，摄像机6也可以平行于或同轴于入射在工件2上的激光射束3或者平行于工件表面12定向。摄像机6可以实施用于记录单个图像，但也可以实施为用于记录视频序列的视频摄像机。
图像处理设备10具有跨图像分析处理装置16，该跨图像分析处理装置可以分别跨越在时间上依次记录的多个图像111-113跟踪飞溅物8、并且由该多个图像111-113确定一个或多个飞溅物特征M。
加工机1还具有控制单元17，该控制单元被编程为在工件的加工期间基于所确定的飞溅物特征M来设置至少一个焊接参数P。在激光射束3的射束路径中布置有偏转单元18，该偏转单元由控制单元17操控、并且相应于所确定的飞溅物特征M来将激光射束3仅偏转到芯光纤13中、或仅偏转到环光纤14中、或者偏转到芯光纤13和环光纤14两者中。
在具有二重光纤12的激光射束焊接中，焊接的质量受到多个不同加工参数或过程参数的影响。主要的加工参数之一是焊接功率在芯光纤13与环光纤14上的划分，这种划分必须被匹配以满足焊接过程的要求，以便尽可能使飞溅物8的数量和大小最小化。为了与焊接过程并行地获得关于过程稳定性或飞溅物8出现的信息，借助摄像机6记录在熔融区9中的飞溅形成。为此，在工件的加工期间记录空间区域7的图像111-113，然后，图像处理单元10可以由所述图像以确定出现的飞溅物8的数量和大小。在此，为了不在各个图像111-113中将同一飞溅物8多次计数，由跨图像分析处理装置16分别跨越时间上依次记录的多个图像111-113跟踪飞溅物8，并且跨图像分析处理装置16由多个图像111-113确定飞溅物8的数量和大小。
如图2a至图2c所示，当飞溅物8首次出现在图像111-113中时，为该飞溅物分配一个自己的标识符ID1-ID6，此飞溅物8也在后续图像111-113中被标记有该标识符。取决于如此确定的、飞溅物5的数量和大小，匹配或调节焊接功率在芯光纤13与环光纤14上的划分。确切地说，在工件的加工期间，控制单元17由飞溅物8的所确定的数量和大小确定功率划分参数(Leistungsaufteilungsparameter)作为加工参数P，该功率划分参数作为操纵变量被进一步传递到偏转单元18，该偏转单元则使激光射束3相应地偏转。可以由飞溅物8的所确定的数量和大小来确定通过飞溅物8导致的熔融区9的材料体积损失，以及在已知颗粒密度的情况下还确定熔融区9的相关的质量损失。
作为飞溅物8的数量和大小的替代或补充，也可以由该多个图像111-113确定其他飞溅物特征M，例如，飞溅物8的产生速率和产生密度、飞溅物8的速度或飞溅物8的飞行曲线。
如图1所说明的，在工件的加工期间，控制单元17也可以由一个或多个飞溅物特征M匹配或调节其他加工参数P(例如激光射束3的总功率、脉冲频率或焦点位置)，并将这些加工参数作为操纵变量进一步传递到相应的部件，例如，进一步传递到激光射束发生器4或加工头5。
所确定的一个或多个飞溅物特征M也可以用作工件2的加工质量的标准。

Claims (16)

1.一种用于确定在借助加工射束、尤其是激光射束(3)来加工工件(2)期间从所述工件(2)的熔融区(9)逸出的飞溅物(8)的至少一个飞溅物特征(M)的方法，所述方法具有以下方法步骤：
-记录飞溅物(8)在所述工件(2)的加工期间飞行通过的空间区域(7)的图像(111-113)，以及
-通过分析处理所记录的图像(111-113)来确定所述至少一个飞溅物特征(M)，
其特征在于，
分别跨越在时间上依次记录的多个图像(111-113)跟踪所述飞溅物(8)，其中，通过所述多个图像(111-113)的跨图像分析处理来确定所述至少一个飞溅物特征(M)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述图像(111-113)是所记录的视频序列的各个图像。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，借助所述跨图像分析处理来确定以下飞溅物特征(M)中的至少一个飞溅物特征：所述飞溅物(8)的数量、所述飞溅物(8)的大小、所述飞溅物(8)的产生速率、所述飞溅物(8)的产生密度、所述飞溅物(8)的速度、以及所述飞溅物(8)的飞行曲线。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，由所述飞溅物(8)的所确定的数量和大小确定通过所述飞溅物(8)导致的、所述熔融区(9)的材料体积损失。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，借助所述跨图像分析处理，仅在所述多个图像(111-113)中的一个图像中对同一个飞溅物(8)进行计数，尤其是仅当所述飞溅物在一个图像(2)中首次出现时进行计数。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当飞溅物(8)首次出现在图像(111-113)中时，为所述飞溅物分配一个自己的标识符(ID1-ID6)，所述飞溅物(8)也在所述后续图像(111-113)中被标记有所述标识符。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件(2)的加工期间，基于所确定的至少一个飞溅物特征(M)来设置或改变至少一个加工参数(P)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，朝以下方向来设置或改变所述至少一个加工参数(P)：减小所述飞溅物(8)的数量和/或大小。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，在借助激光射束(3)加工所述工件(2)时，所述至少一个加工参数(P)包括以下激光焊接参数中的至少一个：所述激光射束(3)的总功率、所述激光射束(3)的脉冲频率、所述激光射束(3)的激光功率调制、所述激光射束(3)的焦点位置、所述激光功率在二重光纤(12)的芯光纤(13)与围绕所述芯光纤(13)的环光纤(14)上的划分，所述激光射束(3)在所述二重光纤中朝所述工件(2)引导。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，基于所确定的至少一个飞溅物特征(M)来求取所述工件(2)的加工质量。
11.一种加工机(1)，所述加工机具有：加工头(5)，所述加工头用于将加工射束、尤其是激光射束(3)引导到要加工的工件(2)上；摄像机(6)，所述摄像机指向从所述工件(2)的熔融区(9)逸出的飞溅物(8)在所述工件的加工期间飞行通过的空间区域(7)；以及图像处理单元(10)，所述图像处理单元用于分析处理由所述摄像机(6)记录的图像(111-113)中的飞溅物(8)，
其特征在于，
所述图像处理设备(10)具有跨图像分析处理装置(16)，所述跨图像分析处理装置分别跨越在时间上依次记录的多个图像(111-113)跟踪所述飞溅物(8)，并且由所述多个图像(111-113)确定至少一个飞溅物特征(M)。
12.根据权利要求11所述的加工机，所述加工机包括控制单元(17)，所述控制单元被编程为，在所述工件的加工期间基于所确定的至少一个飞溅物特征(M)来设置或改变至少一个加工参数(P)。
13.根据权利要求12所述的加工机，其特征在于，所述激光射束(3)在二重光纤(12)中朝所述工件引导(2)，所述二重光纤具有芯光纤(13)和围绕所述芯光纤(13)的环光纤(14)，其中，在所述激光射束(3)的射束路径中布置有偏转单元(18)，所述偏转单元由所述控制单元(17)操控并且相应于所确定的至少一个飞溅物特征(M)来将所述激光射束(3)要么仅偏转到所述芯光纤(13)中，要么仅偏转到所述环光纤(14)中，要么偏转到不仅所述芯光纤(13)、而且所述环光纤(14)中。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的加工机，其特征在于，所述摄像机(6)平行于或同轴于入射在所述工件(2)上的加工射束定向，或者所述摄像机与工件表面(12)成一角度地、或者平行于所述工件表面(12)定向。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的加工机，其特征在于，所述摄像机(6)实施为视频摄像机。
16.一种计算机程序产品，所述计算机程序产品具有代码单元，所述代码单元匹配成当程序在加工机(1)的控制器(17)上运行时执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法的所有步骤。
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