DE102018105093A1

DE102018105093A1 - Messvorrichtung und laserschweissvorrichtung

Info

Publication number: DE102018105093A1
Application number: DE102018105093.3A
Authority: DE
Inventors: Hiroki Sugino
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-06
Publication date: 2018-09-20
Also published as: CN108620752B; CN108620752A; US20180264600A1; JP2018153842A

Abstract

Eine Laserschweißvorrichtung (100) umfasst eine Messeinheit (2), die eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze (150b) durch Interferometrie misst, und eine Steuereinheit (3), welche die Messeinheit (2) steuert. Die Messeinheit (2) umfasst eine Lichtquelle (21), die einen Laserstrahl zur Messung aussendet, einen Teiler (22), der den Laserstrahl in einen Messstrahl (L2) und einen Referenzstrahl (L3) teilt, ein Lichtempfangselement (24) zum Empfangen eines Interferenzstrahls, der aus dem von der schmelzflüssigen Pfütze (150b) reflektierten Messstrahl (L2) und dem von dem Referenzspiegel (23) reflektierten Referenzstrahl (L3) synthetisiert wird, einen Abtastmechanismus (25), der eine Auftreffposition des Messstrahls (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, variiert, und eine Bildaufnahmeeinheit (26), die ein Bildes der schmelzflüssigen Pfütze (150b) aufnimmt. Die Steuereinheit (3) bestimmt einen tiefsten Abschnitt (150d) der schmelzflüssigen Pfütze (150b) anhand des durch die Bildaufnahmeeinheit (26) aufgenommenen Bildes und steuert den Abtastmechanismus (25) dergestalt, dass der Messstrahl (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, auf den tiefsten Abschnitt (150d) gerichtet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und eine Laserschweißvorrichtung.
Beschreibung des Standes der Technik
Es gibt eine Laserschweißvorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, Schweißen durch Richten eines Laserstrahls auf ein Werkstück auszuführen (siehe zum Beispiel die japanische ungeprüfte Patentanmeldungspublikation Nr. 2012-236196 ( JP 2012-236196 A )).
Die in JP 2012-236196 A beschriebene Laserschweißvorrichtung umfasst einen Laseroszillator, der dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zum Schweißen auszusenden, und ein optisches Interferometer, das dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe eines Schweißnahtabschnitt eines Werkstücks zu messen. Die Laserschweißvorrichtung ist dafür ausgestaltet, die Qualität des Schweißnahtabschnitts anhand der Einbrandtiefe zu beurteilen. Ein von dem optischen Interferometer ausgesendeter Objektstrahl wird koaxial auf einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator überlagert und anschließend auf den Schweißnahtabschnitt gerichtet. Der Punktdurchmesser des Objektstrahls wird so eingestellt, dass er größer ist als der Punktdurchmesser des Laserstrahls. Somit wird der Objektstrahl auf ein Stichloch einer schmelzflüssigen Pfütze gerichtet, die während des Laserschweißens entsteht, und die Tiefe des Stichlochs kann als die Einbrandtiefe gemessen werden.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Jedoch ist bei der oben beschriebenen herkömmlichen Laserschweißvorrichtung der Punktdurchmesser des Objektstrahls groß, und somit wird die Tiefe in einer breiten Region detektiert. Es ist daher schwierig, die Genauigkeit der Messung einer Einbrandtiefe zu verbessern.
Die Erfindung stellt eine Messvorrichtung und eine Laserschweißvorrichtung bereit, die dafür ausgestaltet sind, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens mit einem höheren Grad an Genauigkeit zu messen.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Messvorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens zu messen. Die Messvorrichtung umfasst: eine Messeinheit, die dafür ausgestaltet ist, die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze durch Interferometrie zu messen; und eine Steuereinheit, die dafür ausgestaltet ist, die Messeinheit zu steuern. Die Messeinheit umfasst: eine Lichtquelle, die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zur Messung auszusenden; einen Teiler, der dafür ausgestaltet ist, den Laserstrahl zur Messung in einen Messstrahl, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, und einen Referenzstrahl, der in Richtung eines Referenzspiegels verläuft, zu teilen; ein Lichtempfangselement, das so ausgestaltet ist, dass ein Interferenzstrahl auf das Lichtempfangselement fällt; einen Abtastmechanismus, der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Messstrahls, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, zu variieren; und eine Bildaufnahmeeinheit, die dafür ausgestaltet ist, ein Bild der schmelzflüssigen Pfütze aufzunehmen. Der Interferenzstrahl wird aus dem von der schmelzflüssigen Pfütze reflektierten Messstrahl und dem von dem Referenzspiegel reflektierten Referenzstrahl synthetisiert. Die Steuereinheit ist für Folgendes ausgestaltet: i) Bestimmen eines tiefsten Abschnitts der schmelzflüssigen Pfütze anhand eines Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit ausgeführten Bildaufnahme, und ii) Steuern des Abtastmechanismus dergestalt, dass der Messstrahl, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, auf den tiefsten Abschnitt gerichtet wird.
Diese Ausgestaltung erlaubt es, den Messstrahl auf den tiefsten Abschnitt der schmelzflüssigen Pfütze zu richten, so dass verhindert wird, dass der Messstrahl auf eine andere Region der schmelzflüssigen Pfütze gerichtet wird als den tiefsten Abschnitt. Es ist somit möglich, die Genauigkeit der Messung der Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze zu verbessern.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Laserschweißvorrichtung, die Folgendes umfasst: eine Laserschweißeinheit, die eine erste Lichtquelle umfasst, die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zum Schweißen auszusenden, und einen ersten Abtastmechanismus, der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Laserstrahls zum Schweißen zu variieren; eine Messeinheit, die dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens durch Interferometrie zu messen; und eine Steuereinheit, die dafür ausgestaltet ist, die Laserschweißeinheit und die Messeinheit zu steuern. Die Messeinheit umfasst: eine zweite Lichtquelle, die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zur Messung auszusenden; einen Teiler, der dafür ausgestaltet ist, den Laserstrahl zur Messung in einen Messstrahl, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, und einen Referenzstrahl, der in Richtung eines Referenzspiegels verläuft, zu teilen; ein Lichtempfangselement, das so ausgestaltet ist, dass ein Interferenzstrahl auf das Lichtempfangselement fällt; einen zweiten Abtastmechanismus, der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Messstrahls, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, zu variieren; und eine Bildaufnahmeeinheit, die dafür ausgestaltet ist, ein Bild der schmelzflüssigen Pfütze aufzunehmen. Der Interferenzstrahl wird aus dem von der schmelzflüssigen Pfütze reflektierten Messstrahl und dem von dem Referenzspiegel reflektierten Referenzstrahl synthetisiert. Die Steuereinheit ist ausgestaltet zum: i) Bestimmen eines tiefsten Abschnitts der schmelzflüssigen Pfütze anhand eines Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit ausgeführten Bildaufnahme, ii) Steuern des zweiten Abtastmechanismus dergestalt, dass der Messstrahl, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze verläuft, auf den tiefsten Abschnitt gerichtet wird, und Messen einer Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts, und iii) Steuern einer Leistung der ersten Lichtquelle anhand der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts.
Diese Ausgestaltung erlaubt es, den Messstrahl auf den tiefsten Abschnitt der schmelzflüssigen Pfütze zu richten, so dass verhindert wird, dass der Messstrahl auf eine andere Region der schmelzflüssigen Pfütze gerichtet wird als den tiefsten Abschnitt. Es ist somit möglich, die Genauigkeit der Messung der Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze zu verbessern. Außerdem erlaubt es das Steuern der Leistung der ersten Lichtquelle anhand der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts, die Einbrandtiefe während des Laserschweißens zweckmäßig einzustellen. Es ist somit möglich, das Auftreten minderwertiger Fugen zu reduzieren.
Die Messvorrichtung und die Laserschweißvorrichtung gemäß der Erfindung verbessern die Genauigkeit der Messung einer Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens.
Figurenliste
Merkmale, Vorteile sowie technische und industrielle Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen Folgendes zu sehen ist:

1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Laserschweißvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform veranschaulicht;
2 ist ein Blockschaubild, das die Laserschweißvorrichtung in 1 veranschaulicht;
3 ist eine Schnittsansicht, die schematisch eine schmelzflüssige Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens veranschaulicht;
4 ist eine Grundrissansicht, die schematisch die schmelzflüssige Pfütze des Werkstücks während des Laserschweißens veranschaulicht;
5 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb der Laserschweißvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht; und
6 ist ein Flussdiagramm, das einen Betrieb einer Laserschweißvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform veranschaulicht.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Weiteren werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführungsform
Zuerst wird anhand von 1 bis 4 eine Laserschweißvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch beschrieben.
Wie in 1 veranschaulicht, ist die Laserschweißvorrichtung 100 dafür ausgestaltet, durch Anlegen eines Laserstrahls L1 beispielsweise an ein Werkstück 150, das zwei Stahlplatten 151, 152 umfasst, ein Schweißen auszuführen. Des Weiteren ist die Laserschweißvorrichtung 100 dafür ausgestaltet, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 während des Laserschweißens zu messen. Die Laserschweißvorrichtung 100 umfasst eine Laserschweißeinheit 1, eine Messeinheit 2 und eine Steuereinheit 3.
Die Laserschweißeinheit 1 dient dem Zweck, Laserschweißen an dem Werkstück 150 auszuführen (d. h. die Stahlplatten 151, 152 miteinander zu verschweißen). Die Laserschweißeinheit 1 umfasst einen Laseroszillator 11, einen Abtastmechanismus 12, einen Kollimator 13 und einen Fokussiermechanismus 14.
Der Laseroszillator 11 ist dafür ausgestaltet, den Laserstrahl L1 zum Schweißen auszusenden. Zum Beispiel wird die Leistung des Laseroszillators 11 während des Aussendens des Laserstrahls L1 beispielsweise auf der Grundlage des Materials des Werkstücks 150 dergestalt eingestellt, dass die Stahlplatten 151, 152 des Werkstücks 150 miteinander verschweißt werden können. Es ist zu beachten, dass der Laseroszillator 11 ein Beispiel der „ersten Lichtquelle“ in der Erfindung ist.
Der Abtastmechanismus 12 dient dazu, eine Position zu variieren, auf die der Laserstrahl L1 mit Bezug auf das Werkstück 150 gerichtet wird (im Weiteren als „Auftreffposition des Laserstrahls L1“ bezeichnet). Der Abtastmechanismus 12 umfasst ein Paar Galvanometerspiegel 12a. Jeder der Galvanometerspiegel 12a ist schwenkbar ausgebildet. Es ist zu beachten, dass 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur den Galvanometerspiegel 12a veranschaulicht, der dafür ausgestaltet ist, die Auftreffposition des Laserstrahls L1 in einer X-Richtung mit Bezug auf das Werkstück 150 zu variieren, und nicht den Galvanometerspiegel 12a veranschaulicht, der dafür ausgestaltet ist, die Auftreffposition des Laserstrahls L1 in einer Y-Richtung (d. h. in einer Richtung senkrecht zu der Seite, auf der 1 gezeichnet ist) mit Bezug auf das Werkstück 150 zu variieren. Die Auftreffposition des Laserstrahls L1 kann durch Einstellen des Winkels der zwei Galvanometerspiegel 12a des Abtastmechanismus 12 variiert werden. Außerdem ist der Abtastmechanismus 12 dafür ausgestaltet, eine Position zu variieren, auf die ein Messstrahl L2 (später beschrieben) gerichtet wird (im Weiteren als „Auftreffposition des Messstrahls L2“ bezeichnet), und einen Abbildungsbereich für die Bildaufnahmeeinheit 26 (später beschrieben) zu variieren. Es ist zu beachten, dass der Abtastmechanismus 12 ein Beispiel des „ersten Abtastmechanismus“ gemäß der Erfindung ist.
Der Kollimator 13 ist zwischen dem Laseroszillator 11 und dem Fokussiermechanismus 14 angeordnet. Der Kollimator 13 dient dazu, den von dem Laseroszillator 11 ausgesendeten Laserstrahl L1 zu kollimieren. Der Fokussiermechanismus 14 ist zwischen dem Kollimator 13 und dem Abtastmechanismus 12 angeordnet. Der Fokussiermechanismus 14 umfasst eine Linse 14a, die in einer Richtung der optischen Achse des Laserstrahls L1 beweglich ist. Der Fokussiermechanismus 14 ist dafür ausgestaltet, eine Position der Linse 14a einzustellen, wodurch eine Brennweite des Laserstrahls L1 eingestellt wird.
Die Messeinheit 2 dient dazu, eine Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 durch Interferometrie zu messen. Die Messeinheit 2 umfasst eine Bestreichungslichtquelle 21, einen Strahlteiler 22, einen Referenzspiegel 23, ein Lichtempfangselement 24, einen Abtastmechanismus 25, eine Bildaufnahmeeinheit 26, einen Kollimator 27 und einen Fokussiermechanismus 28.
Die Bestreichungslichtquelle 21 ist dafür ausgestaltet, einen Laserstrahl zur Messung auszusenden. Die Bestreichungslichtquelle 21 ist dafür ausgestaltet, eine Wellenlänge des Laserstrahls, der auszusenden und zur Messung zu verwenden ist, zeitlich zu variieren. Es ist zu beachten, dass die Bestreichungslichtquelle 21 ein Beispiel einer jeden der „Lichtquelle“ und der „zweiten Lichtquelle“ gemäß der Erfindung ist.
Der Strahlteiler 22 ist dafür ausgestaltet, den Laserstrahl, der von der Bestreichungslichtquelle 21 ausgesendet und zur Messung verwendet wird, in einen Messstrahl L2, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 verläuft, und einen Referenzstrahl L3, der in Richtung des Referenzspiegels 23 verläuft, zu teilen. Es ist zu beachten, dass der Strahlteiler 22 ein Beispiel eines „Teilers“ gemäß der Erfindung ist.
Der Referenzspiegel 23 dient dazu, den Referenzstrahl L3 von dem Strahlteiler 22 zu reflektieren und den Referenzstrahl L3 zu dem Lichtempfangselement 24 zu senden.
Der Messstrahl L2 durchquert die Abtastmechanismen 25, 12, um auf die schmelzflüssige Pfütze 150b des Werkstücks 150 gerichtet zu werden. Der Messstrahl L2, der von einem Bodenabschnitt der schmelzflüssigen Pfütze 150b reflektiert wird, durchquert die Abtastmechanismen 12, 25, um zu dem Lichtempfangselement 24 gesendet zu werden. Das Lichtempfangselement 24 ist so ausgestaltet, dass ein Interferenzstrahl, der aus dem Messstrahl L2, der von dem Bodenabschnitt der schmelzflüssigen Pfütze 150b reflektiert wird, und dem Referenzstrahl L3, der von dem Referenzspiegel 23 reflektiert wird, synthetisiert wurde, auf das Lichtempfangselement 24 fällt. Der Interferenzstrahl, der einer Differenz der Länge des optischen Pfades zwischen dem Messstrahl L2 und dem Referenzstrahl L3 entspricht, fällt auf das Lichtempfangselement 24. Daher kann die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand des Interferenzstrahls gemessen werden. Eine Linse 24a, die den Interferenzstrahl auf das Lichtempfangselement 24 fokussiert, ist zwischen dem Lichtempfangselement 24 und dem Strahlteiler 22 angeordnet.
Der Abtastmechanismus 25 ist zwischen dem Strahlteiler 22 und dem Abtastmechanismus 12 angeordnet. Der Abtastmechanismus 25 dient dazu, die Auftreffposition des Messstrahls L2 zu korrigieren. Genauer gesagt, ist der Abtastmechanismus 25 dafür ausgestaltet, die Auftreffposition des Messstrahls L2 mit Bezug auf die Auftreffposition des Laserstrahls L1, die durch den Abtastmechanismus 12 variiert wird, einzustellen. Der Abtastmechanismus 25 umfasst ein Paar Galvanometerspiegel 25a. Jeder der Galvanometerspiegel 25a ist schwenkbar ausgebildet. Es ist zu beachten, dass 1 aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit nur den Galvanometerspiegel 25a veranschaulicht, der dafür ausgestaltet ist, die Auftreffposition des Messstrahls L2 in der X-Richtung mit Bezug auf das Werkstück 150 zu variieren, und nicht den Galvanometerspiegel 25a veranschaulicht, der dafür ausgestaltet ist, die Auftreffposition des Messstrahls L2 in der Y-Richtung mit Bezug auf das Werkstück 150 zu variieren. Die Auftreffposition des Messstrahls L2 kann durch Einstellen des Winkels der zwei Galvanometerspiegel 25a des Abtastmechanismus 25 variiert werden. Es ist zu beachten, dass der Abtastmechanismus 25 ein Beispiel eines jeden des „Abtastmechanismus“ und des „zweiten Abtastmechanismus“ gemäß der Erfindung ist.
Die Bildaufnahmeeinheit 26 hat eine Funktion des Aufnehmens eines Bildes der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 während des Laserschweißens. Die Bildaufnahmeeinheit 26 dient dazu, einen tiefsten Abschnitt 150d zu bestimmen, welcher der tiefste Abschnitt der schmelzflüssigen Pfütze 150b ist (siehe 3 und 4). Die Bildaufnahmeeinheit 26 ist ein Flächensensor, wie zum Beispiel ein Charge-Coupled Device (CCD)-Bildsensor oder ein Complementary Metal Oxid Semiconductor (CMOS)-Bildsensor. Die Bildaufnahmeeinheit 26 ist dafür ausgestaltet, ein Bild aus einem Bereich um die optische Achse des Laserstrahls L1 herum aufzunehmen, der von dem Abtastmechanismus 12 in Richtung des Werkstücks 150 verläuft. Genauer gesagt, dient die Bildaufnahmeeinheit 26 dem Aufnehmen eines Bildes der schmelzflüssigen Pfütze 150b durch den Abtastmechanismus 12. Somit wird der Abbildungsbereich variiert, wenn der Abtastmechanismus 12 die Auftreffposition des Laserstrahls L1 variiert. Eine Linse 26a, die den Strahl von dem Werkstück 150 auf die Bildaufnahmeeinheit 26 fokussiert, und ein Filter 26b, der Strahlen in einem nicht-benötigten Band entfernt, sind zwischen der Bildaufnahmeeinheit 26 und dem Abtastmechanismus 12 angeordnet.
Der Kollimator 27 ist zwischen der Bestreichungslichtquelle 21 und dem Fokussiermechanismus 28 angeordnet. Der Kollimator 27 dient dazu, den von der Bestreichungslichtquelle 21 ausgesendeten Laserstrahl zu kollimieren. Der Fokussiermechanismus 28 ist zwischen dem Kollimator 27 und dem Strahlteiler 22 angeordnet. Der Fokussiermechanismus 28 umfasst eine Linse 28a, die in einer Richtung der optischen Achse des Laserstrahls von der Bestreichungslichtquelle 21 beweglich ist. Der Fokussiermechanismus 28 ist dafür ausgestaltet, eine Position der Linse 28a einzustellen, wodurch eine Brennweite des Messstrahls L2 eingestellt wird.
Die Steuereinheit 3 ist dafür ausgestaltet, die Laserschweißvorrichtung 100 zu steuern, wie in 2 veranschaulicht. Die Steuereinheit 3 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 31, einen Nurlesespeicher (ROM) 32, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 33 und eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 34. Es ist zu beachten, dass die Steuereinheit 3 ein Beispiel einer „Steuereinheit“ gemäß der Erfindung ist.
Die CPU 31 ist dafür ausgestaltet, Berechnungsprozesse beispielsweise auf der Grundlage von Programmen und Daten auszuführen, die in dem ROM 32 gespeichert sind. Der ROM 32 speichert zum Beispiel Programme und Daten, die zur Steuerung verwendet werden. Der RAM 33 dient dazu, zum Beispiel Ergebnisse von Berechnungen, die durch die CPU 31 ausgeführt werden, vorübergehend zu speichern. Die Laserschweißeinheit 1 und die Messeinheit 2 sind mit der Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle 34 verbunden.
Die Steuereinheit 3 ist dafür ausgestaltet, die Laserschweißeinheit 1 zu steuern, so dass sie ein Schweißen auf dem Werkstück 150 ausführt, und ist dafür ausgestaltet, die Messeinheit 2 zu steuern, um eine Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 zu messen. Die Messeinheit 2 und die Steuereinheit 3 bilden eine „Messvorrichtung“ gemäß der Erfindung.
Als Nächstes wird ein Phänomen beschrieben, das während des Laserschweißens auftritt. Unter Bezug auf 3 und 4 wird unten der Fall beschrieben, dass die Auftreffposition des Laserstrahls L1 zum Schweißen in einer X1-Richtung variiert wird.
Zuerst wird, wie in 3 veranschaulicht, wenn der Laserstrahl L1 zum Schweißen auf das Werkstück 150 gerichtet wird, das Werkstück 150 teilweise geschmolzen, um die schmelzflüssige Pfütze 150b zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Werkstück 150 unter der Wirkung des Laserstrahls L1 teilweise verdampft, und eine Reaktionskraft von Metalldampf erzeugt eine Aussparung, die sich zu einem Stichloch 150c entwickelt. Die Auftreffposition des Laserstrahls L1 wird dann in der X1-Richtung variiert. Wenn sich das schmelzflüssige Metall verfestigt, entsteht ein Schweißnahtabschnitt (Schweißraupe) 150a. Die Tiefe des Schweißnahtabschnitts 150a ist mit einer Verbindungsfestigkeit korreliert, und die Tiefe des tiefsten Abschnitts des Schweißnahtabschnitts 150a ist gleich der Tiefe des tiefsten Abschnitts 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b.
Wenn die Auftreffposition des Laserstrahls L1 in der X1-Richtung variiert wird, wie oben beschrieben, so wird der tiefste Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b in einer X2-Richtung (einer Richtung, die der X1-Richtung entgegengesetzt ist) aus einer Position versetzt, wo das Stichloch 150c aufgrund der Einwirkung des Laserstrahls L1 gebildet wird, wie in 3 und 4 veranschaulicht. Wenn also der Messstrahl L2 zum Messen der Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b koaxial mit dem Laserstrahl L1 angewendet wird, so wird die Tiefe eines Abschnitts, der flacher ist als der tiefste Abschnitt 150d, detektiert, und daher kann die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b nicht richtig gemessen werden. Wenn ein Brennpunktdurchmesser des Messstrahls L2 vergrößert wird, so dass er den tiefsten Abschnitt 150d bedeckt, so wird die Tiefe in einer breiten Region detektiert. Es ist daher schwierig, die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b mit einem hoher Grad an Genauigkeit zu messen. Ein Betrag, um den der tiefste Abschnitt 150d von dem Laserstrahl L1 versetzt wird, variiert in Abhängigkeit von der Leistung des Laseroszillators 11 während des Aussendens des Laserstrahls L1, der Abtastgeschwindigkeit, dem Material des Werkstücks 150 und so weiter.
Angesichts dessen ist die Steuereinheit 3 in der ersten Ausführungsform dafür ausgestaltet, den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand des Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit 26 ausgeführten Bildaufnahme zu bestimmen und den Abtastmechanismus 25 so zu steuern, dass der Messstrahl L2, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze 150b verläuft, auf den tiefsten Abschnitt 150d gerichtet wird. Es ist zu beachten, dass die Steuereinheit 3 in der Lage ist, den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand der hellen und dunklen Stellen in einem durch die Bildaufnahmeeinheit 26 aufgenommenen Bild zu bestimmen.
Betrieb während des Laserschweißens
Als Nächstes wird ein Betrieb der Laserschweißvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform unter Bezug auf 5 beschrieben. Die Steuereinheit 3 führt die folgenden Schritte aus.
Zuerst bestimmt die Steuereinheit 3 in Schritt S1 in 5, ob das Schweißen begonnen werden soll. Wenn die Steuereinheit 3 bestimmt, dass das Schweißen begonnen werden soll, so wird das Schweißen begonnen, und die Steuereinheit 3 schreitet zu Schritt S2 voran. Wenn die Steuereinheit 3 andererseits bestimmt, dass das Schweißen nicht begonnen werden soll, so wird Schritt S1 wiederholt ausgeführt. Das heißt, die Laserschweißvorrichtung 100 wird in einem Bereitschaftsmodus gehalten, bis das Schweißen gestartet wird.
Wenn das Schweißen gestartet wird, so wird ein Laserstrahl L1 zum Schweißen von dem Laseroszillator 11 ausgesendet. Der Laserstrahl L1 wird durch den Kollimator 13, den Fokussiermechanismus 14 und den Abtastmechanismus 12 auf das Werkstück 150 gerichtet. Der von dem Laseroszillator 11 ausgesendete Laserstrahl L1 wird durch die Steuereinheit 3 gesteuert. Wenn die Steuereinheit 3 den Fokussiermechanismus 14 steuert, so wird die Brennweite des Laserstrahls L1 eingestellt. Wenn die Steuereinheit 3 den Abtastmechanismus 12 steuert, so wird die Auftreffposition des Laserstrahls L1 mit Bezug auf das Werkstück 150 variiert. Die Brennweite und der Strahlverlaufspfad werden beispielsweise auf der Grundlage von im Voraus gespeicherten Lehrdaten eingestellt.
Wenn das Schweißen gestartet wird, so wird das Messen einer Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 während des Laserschweißens gestartet. Genauer gesagt, wird ein Laserstrahl zum Messen von der Bestreichungslichtquelle 21 ausgesendet. Der Laserstrahl zum Messen fällt durch den Kollimator 27 und den Fokussiermechanismus 28 auf den Strahlteiler 22 und wird dann durch den Strahlteiler 22 in einen Messstrahl L2 und einen Referenzstrahl L3 geteilt. Der von der Bestreichungslichtquelle 21 ausgesendete Laserstrahl wird durch die Steuereinheit 3 gesteuert. Wenn die Steuereinheit 3 den Fokussiermechanismus 28 steuert, so wird die Brennweite des Messstrahls L2 eingestellt. Die Brennweite wird beispielsweise auf der Grundlage von im Voraus gespeicherten Lehrdaten eingestellt.
Der Messstrahl L2 wird dann durch die Abtastmechanismen 25, 12 auf die schmelzflüssige Pfütze 150b des Werkstücks 150 gerichtet. Der Messstrahl L2 wird von dem Bodenabschnitt der schmelzflüssigen Pfütze 150b reflektiert, um durch die Abtastmechanismen 12, 25 zu dem Strahlteiler 22 zurückgeführt zu werden. Andererseits wird der Referenzstrahl L3 von dem Referenzspiegel 23 reflektiert, um zu dem Strahlteiler 22 zurückgeführt zu werden. Dann fällt ein Interferenzstrahl, der aus dem Messstrahl L2, der von dem Bodenabschnitt der schmelzflüssigen Pfütze 150b reflektiert wird, und dem Referenzstrahl L3, der von dem Referenzspiegel 23 reflektiert wird, synthetisiert wurde, auf das Lichtempfangselement 24. Anhand des auf das Lichtempfangselement 24 fallenden Interferenzstrahls misst die Steuereinheit 3 eine Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b.
Als Nächstes nimmt die Bildaufnahmeeinheit 26 in Schritt S2 ein Bild auf. Somit wird ein Bild der schmelzflüssigen Pfütze 150b des Werkstücks 150 aufgenommen. Wenn der Abtastmechanismus 12 die Auftreffposition des Laserstrahls L1 variiert, wird ein Abbildungsbereich für die Bildaufnahmeeinheit 26 durch den Abtastmechanismus 12 variiert. Das heißt, der Abtastmechanismus 12 kann die optische Achse des Laserstrahls L1 mit Bezug auf das Werkstück 150 und eine Aufnahmeachse der Bildaufnahmeeinheit 26 koaxial variieren. Anhand des Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit 26 ausgeführten Bildaufnahme bestimmt die Steuereinheit 3 den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b.
Dann steuert die Steuereinheit 3 den Abtastmechanismus 25, wodurch in Schritt S3 die Auftreffposition des Messstrahls L2 korrigiert wird. Genauer gesagt, wird der Abtastmechanismus 25 dergestalt gesteuert, dass der Messstrahl L2 auf den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b gerichtet wird. Wenn die Auftreffposition des Messstrahls L2 nicht durch den Abtastmechanismus 25 korrigiert wird, so stimmt die optische Achse des Messstrahls L2, der von dem Abtastmechanismus 12 in Richtung des Werkstücks 150 verläuft, mit der optischen Achse des Laserstrahls L1 überein, der von dem Abtastmechanismus 12 in Richtung des Werkstücks 150 verläuft. Daher korrigiert der Abtastmechanismus 25 die Auftreffposition des Messstrahls L2 um einen Betrag, um den der tiefste Abschnitt 150d von dem Laserstrahl L1 versetzt ist. Somit wird der Messstrahl L2 richtig auf den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b gerichtet, ohne dass der Brennpunktdurchmesser des Messstrahls L2 vergrößert werden muss. Es ist daher möglich, eine Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b mit einem hohen Grad an Genauigkeit zu messen.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 3 in Schritt S4, ob das Schweißen beendet werden soll. Wenn die Steuereinheit 3 bestimmt, dass das Schweißen nicht beendet werden soll, so kehrt die Steuereinheit 3 zurück zu Schritt S2. Wenn andererseits die Steuereinheit 3 bestimmt, dass das Schweißen beendet werden soll, so schreitet die Steuereinheit 3 zu Schritt S5 voran.
Als Nächstes beurteilt die Steuereinheit 3 in Schritt S5 die Qualität des Schweißnahtabschnitts 150a. Die Steuereinheit 3 bestimmt zum Beispiel, ob die während des Laserschweißens gemessene Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. Der vorgeschriebene Bereich wird dafür verwendet zu bestimmen, ob die Einbrandtiefe stimmt. Der vorgeschriebene Bereich wird im Voraus beispielsweise auf der Grundlage einer erforderlichen Verbindungsfestigkeit eingestellt. Wenn die Einbrandtiefe innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegt, so bestimmt die Steuereinheit 3, dass der Schweißnahtabschnitt 150a in einem zufriedenstellenden Verbindungszustand ist, wohingegen die Steuereinheit 3, wenn die Einbrandtiefe außerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegt, bestimmt, dass der Schweißnahtabschnitt 150a in einem schlechten Verbindungszustand ist. Dann beendet die Steuereinheit 3 die Routine.
Vorteilhafte Auswirkungen
In der ersten Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, der tiefste Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand des Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit 26 ausgeführten Bildaufnahme bestimmt, und der Abtastmechanismus 25 wird so gesteuert, dass der Messstrahl L2 auf den tiefsten Abschnitt 150d gerichtet wird. Diese Steuerung erlaubt es, den Messstrahl L2 auf den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b zu richten, so dass verhindert wird, dass der Messstrahl L2 auf eine andere Region der schmelzflüssigen Pfütze 150b gerichtet wird als den tiefsten Abschnitt 150d. Es ist somit möglich, die Genauigkeit der Messung der Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b zu verbessern. Infolge dessen ist es möglich, die Genauigkeit der Beurteilung der Qualität des Schweißnahtabschnitts 150a des Werkstücks 150 zu verbessern.
Zweite Ausführungsform
Als Nächstes wird eine Laserschweißvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung beschrieben. Die Ausgestaltung der zweiten Ausführungsform ist im Wesentlichen die gleiche wie die der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Daher werden in der folgenden Beschreibung die gleichen Bezugssymbole wie die in der ersten Ausführungsform verwendet.
Die Laserschweißvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform ist für Folgendes ausgestaltet: i) Bestimmen des tiefsten Abschnitts 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand des Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit 26 ausgeführten Bildaufnahme, ii) Steuern des Abtastmechanismus 25 dergestalt, dass der Messstrahl L2, der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze 150b verläuft, auf den tiefsten Abschnitt 150d gerichtet wird, und Messen der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts 150d, und iii) Steuern der Leistung des Laseroszillators 11 anhand der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts 150d.
Als Nächstes wird ein Betrieb der Laserschweißvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform unter Bezug auf 6 beschrieben. Die Steuereinheit 3 führt die folgenden Schritte aus.
Die Schritte S11 bis S13 in 6 sind die gleichen wie die oben beschriebenen Schritte S1 bis S3 und werden daher unten nicht mehr beschrieben.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 3 in Schritt S14, ob die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b innerhalb eines vorgeschriebenen Bereichs liegt. Der vorgeschriebene Bereich wird dafür verwendet zu bestimmen, ob die Einbrandtiefe stimmt. Der vorgeschriebene Bereich wird im Voraus beispielsweise auf der Grundlage einer erforderlichen Verbindungsfestigkeit eingestellt. Wenn die Steuereinheit 3 bestimmt, dass die Einbrandtiefe innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegt, so schreitet die Steuereinheit 3 zu Schritt S16 voran, da die Einbrandtiefe stimmt. Wenn andererseits die Steuereinheit 3 bestimmt, dass die Einbrandtiefe nicht innerhalb des vorgeschriebenen Bereichs liegt (d. h. die Einbrandtiefe liegt außerhalb des vorgeschriebenen Bereichs), die so schreitet Steuereinheit 3 zu Schritt S15 voran, da die Einbrandtiefe nicht stimmt.
Als Nächstes wird die Leistung des Laseroszillators 11 korrigiert, der den Laserstrahl L1 zum Schweißen aussendet. Wenn zum Beispiel die Einbrandtiefe geringer ist als eine untere Grenze des vorgeschriebenen Bereichs, so wird die Leistung des Laseroszillators 11 auf einen höheren Wert korrigiert, wohingegen, wenn die Einbrandtiefe größer ist als eine obere Grenze des vorgeschriebenen Bereichs, die Leistung des Laseroszillators 11 auf einen niedrigeren Wert korrigiert wird. Es ist zu beachten, dass ein Korrekturbetrag der Leistung anhand eines Betrages eingestellt werden kann, um den die Einbrandtiefe von der oberen Grenze oder der unteren Grenze von dem vorgeschriebenen Bereich der Einbrandtiefe abweicht, oder ein fester Wert sein kann, der im Voraus eingestellt wird. Dann schreitet die Steuereinheit 3 zu Schritt S16 voran.
Als Nächstes bestimmt die Steuereinheit 3 in Schritt S16, ob das Schweißen beendet werden soll. Wenn die Steuereinheit 3 bestimmt, dass das Schweißen nicht beendet werden soll, so kehrt die Steuereinheit 3 zu Schritt S12 zurück. Wenn andererseits die Steuereinheit 3 bestimmt, dass das Schweißen beendet werden soll, so beendet die Steuereinheit 3 die Routine.
Vorteilhafte Auswirkungen
In der zweiten Ausführungsform wird, wie oben beschrieben, der tiefste Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b anhand des Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit 26 ausgeführten Bildaufnahme bestimmt, und der Abtastmechanismus 25 wird so gesteuert, dass der Messstrahl L2 auf den tiefsten Abschnitt 150d gerichtet wird. Diese Steuerung erlaubt es, den Messstrahl L2 auf den tiefsten Abschnitt 150d der schmelzflüssigen Pfütze 150b zu richten, so dass verhindert wird, dass der Messstrahl L2 auf eine andere Region der schmelzflüssigen Pfütze 150b gerichtet wird als den tiefsten Abschnitt 150d. Es ist somit möglich, die Genauigkeit der Messung der Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze 150b zu verbessern. Außerdem erlaubt das Steuern der Leistung des Laseroszillators 11 anhand der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts 150d es, die Einbrandtiefe während des Laserschweißens zweckmäßig einzustellen. Es ist somit möglich, das Auftreten minderwertiger Fugen zu reduzieren.
Weitere Ausführungsformen
Es ist zu beachten, dass die Ausführungsformen, die in der Spezifikation offenbart wurden, in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht als einschränkend anzusehen sind. Der technische Geltungsbereich der Erfindung wird durch die Ansprüche definiert und nicht allein durch die Ausführungsformen, und alle Änderungen, die unter die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen daher in diesen Geltungsbereich aufgenommen sein.
Zum Beispiel wird in der ersten und der zweiten Ausführungsform das Werkstück 150 beschrieben, das die zwei Stahlplatten 151, 152 umfasst. Jedoch ist ein Werkstück nicht auf das Werkstück 150 beschränkt, und es kann auch ein Werkstück verwendet werden, das drei oder mehr Stahlplatten umfasst. Es kann auch ein Werkstück verwendet werden, das andere Elemente als Stahlplatten umfasst.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem die Auftreffposition des Laserstrahls L1 zum Schweißen in der X1-Richtung variiert wird, beschrieben. Jedoch schränkt dieses Beispiel nicht den Geltungsbereich der Erfindung ein, und der Anwendungspfad kann auch eine andere Form haben, wie zum Beispiel eine runde Form.
In der ersten und der zweiten Ausführungsform wird ein Beispiel, in dem die Auftreffposition des Laserstrahls L1 zum Schweißen durch den Abtastmechanismus 12 variiert wird, beschrieben. Jedoch schränkt dieses Beispiel nicht den Geltungsbereich der Erfindung ein, und die Auftreffposition des Laserstrahls zum Schweißen kann auch durch einen Tisch (nicht veranschaulicht) variiert werden, an dem das Werkstück befestigt ist.
In der ersten Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, in dem die Qualität des Schweißnahtabschnitts beurteilt wird, nachdem das Schweißen beendet ist. Jedoch beschränkt dieses Beispiel nicht den Geltungsbereich der Erfindung, und die Qualität des Schweißnahtabschnitts kann auch während des Schweißens beurteilt werden.
Die Erfindung kann auf eine Messvorrichtung angewendet werden, die dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze eines Werkstücks während des Laserschweißens zu messen, und ist auf eine Laserschweißvorrichtung anwendbar, welche die Messvorrichtung umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012236196 A [0002, 0003]

Claims

Messvorrichtung, die dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze (150b) eines Werkstücks (150) während des Laserschweißens zu messen, wobei die Messvorrichtung Folgendes umfasst: eine Messeinheit (2), die dafür ausgestaltet ist, die Einbrandtiefe der schmelzflüssigen Pfütze (150b) durch Interferometrie zu messen; und eine Steuereinheit (3), die dafür ausgestaltet ist, die Messeinheit (2) zu steuern, wobei die Messeinheit (2) umfasst: eine Lichtquelle (21), die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zur Messung auszusenden, einen Teiler (22), der dafür ausgestaltet ist, den Laserstrahl zum Messen in einen Messstrahl (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, und einen Referenzstrahl (L3), der in Richtung eines Referenzspiegels (23) verläuft, zu teilen, ein Lichtempfangselement (24), das so ausgestaltet ist, dass ein Interferenzstrahl auf das Lichtempfangselement (24) fällt, wobei der Interferenzstrahl aus dem von der schmelzflüssigen Pfütze (150b) reflektierten Messstrahl (L2) und dem von dem Referenzspiegel (23) reflektierten Referenzstrahl (L3) synthetisiert wird, einen Abtastmechanismus (25), der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Messstrahls (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, zu variieren, und eine Bildaufnahmeeinheit (26), die dafür ausgestaltet ist, ein Bild der schmelzflüssigen Pfütze (150b) aufzunehmen, und wobei die Steuereinheit (3) für Folgendes ausgestaltet ist: i) Bestimmen eines tiefsten Abschnitts (150d) der schmelzflüssigen Pfütze (150b) anhand eines Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit (26) ausgeführten Bildaufnahme, und ii) Steuern des Abtastmechanismus (25) dergestalt, dass der Messstrahl (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, auf den tiefsten Abschnitt (150d) gerichtet wird.
Laserschweißvorrichtung (100), die Folgendes umfasst: eine Laserschweißeinheit (1), die umfasst: eine erste Lichtquelle (11), die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zum Schweißen auszusenden, und einen ersten Abtastmechanismus (12), der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Laserstrahls zum Schweißen zu variieren; eine Messeinheit (2), die dafür ausgestaltet ist, eine Einbrandtiefe einer schmelzflüssigen Pfütze (150b) eines Werkstücks (150) während des Laserschweißens durch Interferometrie zu messen; und eine Steuereinheit (3), die dafür ausgestaltet ist, die Laserschweißeinheit (1) und die Messeinheit (2) zu steuern, wobei die Messeinheit (2) umfasst: eine zweite Lichtquelle (21), die dafür ausgestaltet ist, einen Laserstrahl zur Messung auszusenden, einen Teiler (22), der dafür ausgestaltet ist, den Laserstrahl zum Messen in einen Messstrahl (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, und einen Referenzstrahl (L3), der in Richtung eines Referenzspiegels (23) verläuft, zu teilen, ein Lichtempfangselement (24), das so ausgestaltet ist, dass ein Interferenzstrahl auf das Lichtempfangselement (24) fällt, wobei der Interferenzstrahl aus dem von der schmelzflüssigen Pfütze (150b) reflektierten Messstrahl (L2) und dem von dem Referenzspiegel (23) reflektierten Referenzstrahl (L3) synthetisiert wird, einen zweiten Abtastmechanismus (25), der dafür ausgestaltet ist, eine Auftreffposition des Messstrahls (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, zu variieren, und eine Bildaufnahmeeinheit (26), die dafür ausgestaltet ist, ein Bild der schmelzflüssigen Pfütze (150b) aufzunehmen, und wobei die Steuereinheit (3) für Folgendes ausgestaltet ist: i) Bestimmen eines tiefsten Abschnitts (150d) der schmelzflüssigen Pfütze (150b) anhand eines Ergebnisses der durch die Bildaufnahmeeinheit (26) ausgeführten Bildaufnahme, ii) Steuern des zweiten Abtastmechanismus (25) dergestalt, dass der Messstrahl (L2), der in Richtung der schmelzflüssigen Pfütze (150b) verläuft, auf den tiefsten Abschnitt (150d) gerichtet wird, und Messen einer Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts (150d), und iii) Steuern einer Leistung der ersten Lichtquelle (11) anhand der Einbrandtiefe des tiefsten Abschnitts (150d).