DE112010003406T5

DE112010003406T5 - Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und -Vorrichtung

Info

Publication number: DE112010003406T5
Application number: DE112010003406T
Authority: DE
Inventors: Katsura Oowaki; Fumio Matsuzaka; Shuichi Fujita; Shinichi Ebina
Original assignee: IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Current assignee: IHI Inspection and Instrumentation Co Ltd
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2030-08-27
Also published as: JPWO2011024904A1; JP5819727B2; US10632570B2; DE112010003406B4; WO2011024904A1; US20120152916A1

Abstract

Die Schweißgüte eines Schweißabschnitts W, der durch Laserschweißen geschweißt wird, wird bestimmt durch Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts W und seines umgebenden Bereichs mittels einer Hochgeschwindigkeitskamera 11, Analysieren der Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit und der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte in dem erfassten Bild als Parameter mittels eines Analysators 12 und Vergleichen der analysierten Parameter mit jeweiligen zuvor erstellten Vergleichstabellen, um die Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa zu bestimmen. Informationen über die Schweißgüte des Schweißabschnitts Na werden auf einem Monitor 13 dargestellt. Nicht nur die Laserschweißgüte des Schweißabschnitts kann bestimmt werden, sondern es können auch prozessbegleitende Vorhersage der Scherfestigkeit sowie prozessbegleitende Vorhersage des Bruchmodus durchgeführt werden und so eine Qualitätskontrolle ermöglicht werden, die auf die Hochgeschwindigkeits- und Hochpräzisions-Laserschweißung abgestimmt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und eine -Vorrichtung, die benutzt werden, um zu bestimmen, ob die Güte eines Schweißabschnitts gut ist oder nicht, während Laserschweißen an Metallplatten, zum Beispiel verzinkten Stahlplatten, durchgeführt wird.
Technischer Hintergrund
Als herkömmliche Vorrichtung zum Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts war eine Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung bekannt, die zum Beispiel in der Patentschrift 1 offenbart ist.
Die Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung ist mit einer Lichtquelle, einer Kamera und einem Wellenlängenfilter ausgestattet. Die Lichtquelle emittiert Kurzpuls-Laserlicht hoher Leuchtdichte auf ein Schmelzbad, das während der Laserschweißung erzeugt wird. Die Kamera weist einen Hochgeschwindigkeitsverschluss auf und erfasst ein Bild des Schmelzbades und seines umgebenden Bereichs. Das Wellenlängenfilter ist an der Kamera angebracht und lässt nur die Wellenlänge des Kurzpuls-Laserlichts durch.
In der Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung bestrahlt die Lichtquelle das Schmelzbad mit dem Kurzpuls-Laserlicht, das eine höhere Leuchtdichte aufweist als Plasmalicht oder Laserstreulicht. Die Kamera der Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung ist eingerichtet, den Hochgeschwindigkeitsverschluss in Intervallen zu öffnen und zu schließen, die mit den Intervallen synchronisiert sind, in denen die Emission des Kurzpuls-Laserlichts aus der Lichtquelle gestartet und gestoppt wird. Wenn der Hochgeschwindigkeitsverschluss synchron zur Emission des Kurzpuls-Laserlichts aus der Lichtquelle geöffnet wird, wird das Schmelzbad fotografiert. Dabei werden das Plasmalicht und das Laserstreulicht durch das Wellenlängenfilter abgeschwächt, sodass das Schmelzbad auf dem Monitor betrachtet werden kann.
Literatur zum Stand der Technik
Patentschrift

Patentschrift 1: Japanische offenbarte Patentveröffentlichung Nr. 11-179578

Zusammenfassung der Erfindung
Durch die Erfindung zu lösende Aufgaben
In den letzten Jahren hat die Laserschweißtechnik dermaßen Fortschritte gemacht, dass das Laserschweißen bei hoher Geschwindigkeit und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Als Ergebnis des technologischen Fortschritts bestand ein Bedarf an einem Inspektionsverfahren, das eine schnelle und genaue Inspektion des Zustands der Schweißung ermöglicht, um die Güte des Schweißabschnitts zu bestimmen.
Die zuvor erwähnte herkömmliche Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung ist in der Lage, das Schmelzbad darzustellen, aber da das Schmelzbad Einzelbild für Einzelbild fotografiert wird, kann das Schmelzbad erst nach Abschluss des Schweißens betrachtet werden. Daher kann die Schweißgüte nicht schnell bestimmt werden. Außerdem kann mit der herkömmlichen Schmelzbad-Darstellungsvorrichtung der Zustand der Schweißung allein nicht betrachtet werden, und es ist schwierig, Schweißfehlstellen zu diagnostizieren und Scherfestigkeit und Bruchmodus vorherzusagen. Es wurde daher auf eine Lösung für die Aufgaben gewartet.
Die vorliegende Erfindung wurde angesichts der obigen Umstände geschaffen, und ein Ziel davon ist es, ein Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und eine -Vorrichtung zu schaffen, die es nicht nur ermöglichen, dass die Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts bestimmt wird, sondern auch eine prozessbegleitende Vorhersage der Scherfestigkeit sowie eine prozessbegleitende Vorhersage des Bruchmodus ermöglichen und es somit möglich machen, eine Qualitätskontrolle durchzuführen, die auf das Hochgeschwindigkeits-Hochpräzisions-Laserschweißen abgestimmt ist.
Mittel zum Lösen der Aufgaben
Es war bekannt, dass, wenn Metallplatten, zum Beispiel aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten, unter Verwendung eines Lasers zusammengeschweißt werden, nur die Zinkbeschichtung der verzinkten Stahlplatten geschmolzen wird und Gruben gebildet werden, wenn der Spalt zwischen den Stahlplatten zu klein ist oder die Laser-Ausgangsleistung aufgrund reduzierter Transparenz des optischen Systems niedrig ist. Es war auch bekannt, dass im Falle des miteinander Verschweißens gestapelter verzinkter Stahlplatten unter Verwendung eines Lasers Durchbrennen aufgrund Mangels an Schweißmetall verursacht wird, wenn der Spalt zwischen den Stahlplatten zu groß ist, wenn die Laser-Ausgangsleistung zu hoch ist oder wenn die Schweißgeschwindigkeit niedrig ist.
Die Erfinder des Vorliegenden haben aus langen Jahren der Erfahrung die Erkenntnis gewonnen, dass, wenn Gruben, die ein Fehler beim Laserschweißen sind, gebildet werden, die Anzahl von Schweißspritzern groß ist, und wenn Durchbrennen, das auch ein Schweißfehler ist, verursacht wird, der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte groß ist. Die Erfinder sind sich auch bewusst, dass, wenn solche Schweißfehler auftreten, sich nicht nur die Parameter verändern, zu denen die Schweißspritzeranzahl und die Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte gehören, sondern sich die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern verringert.
Somit führten die Erfinder tatsächlich einen Schweißvorgang durch Einstrahlen von Laserlicht aus einem Laserkopf mit einer Brennweite von 1000 mm auf aufeinandergestapelte verzinkte Stahlplatten mit einer Dicke von jeweils 1,0 mm aus, um die Beziehung zwischen Parametern, wie etwa der Menge an Schweißspritzern, dem Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte und der Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern, sowie der Häufigkeit von Schweißfehlern, wie etwa den zuvor erwähnten Gruben und dem Durchbrennen, zu untersuchen.
Weiter führten die Erfinder ähnlich den Schweißvorgang an verzinkten Stahlplatten, jeweils mit einer Dicke von 0,7 mm, und verzinkten Stahlplatten, jeweils mit einer Dicke von 2,0 mm, durch, um die Beziehung zwischen der Menge an Schweißspritzern und der Häufigkeit von Schweißfehlern bezüglich der Tatsache zu untersuchen, dass jeder Stapel von Stahlplatten unterschiedliche Dicke aufwies.
Die 9 bis 11 zeigen die Beziehung zwischen den Parametern, nämlich der Menge an Schweißspritzern, dem Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte und der Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern, sowie der Häufigkeit von Schweißfehlern, wie etwa den zuvor erwähnten Gruben und dem Durchbrennen, die beobachtet wurde, als der Schweißvorgang an den aufeinander gestapelten 1,0 mm dicken verzinkten Stahlplatten durchgeführt wurde. Die 12 und 13 zeigen die Beziehung zwischen der Menge an Schweißspritzern und der Häufigkeit von Schweißfehlern, die beobachtet wurde, als der Schweißvorgang an den 0,7 mm dicken verzinkten Stahlplatten bzw. den 2,0 mm dicken verzinkten Stahlplatten durchgeführt wurde.
Aus den in den 9, 12 und 13 gezeigten Ergebnissen konnte bestätigt werden, dass, wenn sich die Häufigkeit von Schweißfehlern erhöht, die Anzahl von Schweißspritzern pro Längeneinheit bestrebt ist, sich linear zu erhöhen, unabhängig von der Dicke der Stahlplatten. Es konnte auch aus dem in 10 gezeigten Ergebnis bestätigt werden, dass, wenn sich die Häufigkeit von Schweißfehlern erhöht, der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte bestrebt ist, sich zu erhöhen, und aus dem in 11 gezeigten Ergebnis bestätigt werden, dass, wenn sich die Häufigkeit von Schweißfehlern erhöht, die Erkennungshäufigkeit von Stichlochern die Tendenz hat, sich zu verringern.
Auf diese Weise wiesen die Erfinder nach, dass die Häufigkeit von Laserschweißfehlern in einem Schweißabschnitt vorausgesagt werden konnte, indem der Laserschweißabschnitt unter Verwendung der Parameter analysiert wurde, wie etwa der Menge von Schweißspritzern, des Streuwerts der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte und der Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern. Nach dem Durchführen einer weiteren Untersuchung schufen die Erfinder die vorliegende Erfindung.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich zum Bestimmen der Schweißgüte eines Schweißabschnitts, der Laserschweißen unter Verwendung von Laserlicht aus einem CO₂-Laser oder YAG-Laser unterworfen wurde, wobei ein Bild des Schweißabschnitts und eines den Schweißabschnitt umgebenden Bereichs unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera erfasst wird, ein Parameter, wie etwa eine Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit, eine Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte oder eine Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern in dem erfassten Bild analysiert wird, die Schweißgüte des Schweißabschnitts durch Vergleichen des analysierten Parameters mit einer zuvor erstellten Vergleichstabelle bestimmt wird und ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung auf einem Monitor dargestellt wird (Anspruch 1).
Das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird auf das Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts von aufeinander gestapelten Stahlplatten angewendet, und die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit und die Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte in dem erfassten Bild werden als Parameter analysiert. Wenn die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit größer ist als ein durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegebener Referenzwert, wird geurteilt, dass Gruben aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den Stahlplatten gebildet sind, und wenn ein Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte größer ist als ein durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegebener Referenzwert, wird geurteilt, dass Durchbrennen aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den Stahlplatten verursacht ist. Die Laserschweißgüte wird als gut beurteilt, wenn die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit und der Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte beide kleiner als oder gleich den jeweiligen Referenzwerten sind, die durch die entsprechenden Vergleichstabellen angegeben sind. Ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung wird auf dem Monitor dargestellt (Anspruch 2).
Vorzugsweise wird eine Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern in dem erfassten Bild als Parameter analysiert. Wenn die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern höher als oder gleich einer Referenzhäufigkeit ist, die durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegeben ist, wird geurteilt, dass die Schweißgüte gut ist, und wenn die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern niedriger als die Referenzhäufigkeit ist, die durch die Vergleichstabelle angegeben ist, wird geurteilt, dass die Schweißgüte schlecht ist. Ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung wird auf dem Monitor dargestellt (Anspruch 3).
Das Verfahren wird vorzugsweise auf das Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts von aufeinander gestapelten verzinkten Stahlplatten angewendet, und eine Menge an Rauch in dem erfassten Bild wird als ein Parameter analysiert. Wenn die Menge an Rauch kleiner als oder gleich einem Referenzwert ist, der durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegeben ist, wird geurteilt, dass die Schweißgüte gut ist, und wenn die Menge an Rauch größer als der Referenzwert ist, der durch die Vergleichstabelle angegeben ist, wird geurteilt, dass die Schweißgüte schlecht ist. Ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung wird auf dem Monitor dargestellt (Anspruch 4).
Weiter sieht die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts beispielsweise von aufeinander gestapelten Stahlplatten vor, wobei das Laserschweißen unter Verwendung von Laserlicht aus einem CO₂-Laser oder YAG-Laser durchgeführt wird. Die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung umfasst: eine Hochgeschwindigkeitskamera, die eingerichtet ist zum Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts und eines Bereichs, der den Schweißabschnitt umgibt; einen Analysator, der eingerichtet ist, einen Parameter in dem erfassten Bild zu analysieren und die Schweißgüte des Schweißabschnitts zu bestimmen; und einen Monitor, der eingerichtet ist, Informationen über die Schweißgüte des Schweißabschnitts darzustellen, die durch den Analysator bestimmt sind (Anspruch 5).
Bei dem Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und der -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung, wobei die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit als ein Analyseparameter benutzt wird, wird eine Vergleichstabelle auf Grundlage der Korrelation zwischen der Schweißspritzeranzahl und der Häufigkeit von Schweißfehlern vorbereitet, und ein Referenzwert zum Bestimmen der Schweißgüte wird in die Vergleichstabelle eingetragen. Der Referenzwert wird gemäß dem Niveau der erforderlichen Güte bestimmt.
Ähnlich wird, wo der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte als ein Analyseparameter benutzt wird, eine Vergleichstabelle auf Grundlage der Korrelation zwischen dem Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte und der Häufigkeit von Schweißfehlern vorbereitet, und ein Referenzwert zum Bestimmen der Schweißgüte wird in die Vergleichstabelle eingetragen. Andererseits wird, wo die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern als ein Analyseparameter benutzt wird, eine Vergleichstabelle auf Grundlage der Korrelation zwischen der Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern und der Häufigkeit von Schweißfehlern vorbereitet, und eine Referenzhäufigkeit zum Bestimmen der Schweißgüte wird in die Vergleichstabelle eingetragen. Die Referenzhäufigkeit wird auch gemäß dem Niveau der erforderlichen Güte bestimmt.
Im Falle des Bestimmens der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts von aufeinander gestapelten verzinkten Stahlplatten kann die Menge des als Ergebnis des Schmelzens der Zinkbeschichtung erzeugten Rauchs als Parameter benutzt werden. In diesem Fall wird eine Vergleichstabelle auf Grundlage der Korrelation zwischen der Menge an Rauch und der Häufigkeit von Schweißfehlern vorbereitet, und ein Referenzwert zum Bestimmen der Schweißgüte wird in die Vergleichstabelle eingetragen. Dieser Referenzwert wird auch gemäß dem Niveau der erforderlichen Güte bestimmt.
Wo das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und die -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf Schweißen von aufeinander gestapelten Stahlplatten angewendet werden, ist es wünschenswert, dass die Schweißspritzeranzahl und der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte, die linear mit der Fehlerhäufigkeit korreliert sind, und mit denen die Fehlerhäufigkeit leicht abgeschätzt werden kann, als Analyseparameter benutzt werden sollten.
Wenn zum Beispiel aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden, wird ein auf Zinkdampf zurückzuführender Fehler, wie etwa Gruben, verursacht, weil das Schweißmetall durch den Zinkdampf weggeblasen wird. Das so weggeblasene Schweißmetall bildet vermutlich Schweißspritzer. Somit wird auch vom Gesichtspunkt her, dass es leicht ist, Schweißspritzer mit einem Fehlererzeugungsphänomen zu korrelieren, die Schweißspritzeranzahl vorzugsweise als Analyseparameter benutzt.
Das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und die -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung können nicht nur auf gewöhnliches Laserschweißen, sondern auch auf Laser-Remote-Schweißen und Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen angewendet werden. Laser-Remote-Schweißen ist Schweißen, bei dem ein Laser unter Verwendung eines optischen Systems, wie etwa eines Galvanometerspiegels, und mit einer langen Brennweite mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird.
Es gibt keine besonderen Einschränkungen zur Installationsposition der Hochgeschwindigkeitskamera zum Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts und seines umgebenden Bereichs. Wo die vorliegende Erfindung bei Laser-Remote-Schweißen angewendet wird, ist die Hochgeschwindigkeitskamera vorzugsweise so positioniert, dass sie mit dem Laserlicht ausgerichtet ist, und in diesem Fall ist es möglich, zuverlässig ein Bild des sich mit hoher Geschwindigkeit bewegenden Schweißabschnitts zu erfassen.
Bei dem Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und der -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung beginnt die Hochgeschwindigkeitskamera mit dem Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts zur selben Zeit, wie das Schweißen durch Bestrahlen der Metallplatten mit Laserlicht, zum Beispiel aus einem CO₂-Laser, begonnen wird, und Parameter, wie etwa die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit, die Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte und die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern in dem erfassten Bild, werden nacheinander analysiert. Die analysierten Parameter werden mit den jeweiligen zuvor erstellten Vergleichstabellen verglichen, um die Schweißgüte des Schweißabschnitts zu bestimmen, und Informationen über die Schweißgüte des Schweißabschnitts, die auf Grundlage der einzelnen Parameter bestimmt sind, werden auf dem Monitor dargestellt.
Das heißt, mit dem Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und der -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann die Schweißgüte eines Schweißabschnitts, der nicht visuell überprüft werden kann, bestimmt werden, während der Schweißvorgang im Gange ist. Außerdem können Zugscherfestigkeit und Bruchmodus auf Grundlage der Fehlerhäufigkeit und der Menge an Fehlern vorausgesagt werden, die im Schweißabschnitt verursacht werden.
Wo das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und die -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf Schweißen von aufeinander gestapelten Stahlplatten angewendet werden, können die Schweißspritzeranzahl und der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte als Analyseparameter benutzt werden. In diesem Fall können die Bildung von Gruben aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den Stahlplatten, korrektes Schweißen sowie das Auftreten von Durchbrennen aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den Stahlplatten voneinander unterschieden werden.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Mit dem Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und der -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann die Schweißgüte eines Schweißabschnitts bestimmt werden, während der Schweißvorgang im Gange ist, und es ist daher möglich, einen bemerkenswerten Vorteil zu schaffen, dass eine Qualitätskontrolle, die auf die Hochgeschwindigkeits-Hochpräzisions-Laserschweißung abgestimmt ist, zur Verfügung steht.
Auch können mit dem Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Bildung von Gruben aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den Stahlplatten, korrektes Schweißen sowie Durchbrennen aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den Stahlplatten alle voneinander unterschieden werden, und es ist daher möglich, einen bemerkenswerten Vorteil zu schaffen, dass eine Qualitätskontrolle noch höheren Niveaus zur Verfügung steht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 stellt die Anordnung einer Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines in 1 durch einen Kreis gekennzeichneten Teils.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine durch die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung von 1 unter Verwendung einer Schweißspritzeranzahl als Analyseparameter durchgeführte genaue Schweißgütebestimmung darstellt.
4 ist eine Fotografie, die ein Beispiel zeigt, wie die Schweißspritzeranzahl gemäß dem in 3 dargestellten Flussdiagramm der genauen Schweißgütebestimmung analysiert wird.
5 ist ein Flussdiagramm, das eine durch die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung von 1 unter Verwendung des Streuwerts der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte als Analyseparameter durchgeführte Schweißgütebestimmung darstellt.
6 ist ein Flussdiagramm, das eine durch die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung von 1 unter Verwendung einer Erfassungshäufigkeit von Stichlöchern als Analyseparameter durchgeführte Schweißgütebestimmung darstellt.
7 ist eine Fotografie, die ein Beispiel zeigt, wie eine Analyse gemäß den Flussdiagrammen der 5 und 6 durchgeführt wird.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine durch die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung von 1 unter Verwendung der Schweißspritzeranzahl als Analyseparameter durchgeführte vereinfachte Schweißgütebestimmung darstellt.
9 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Schweißfehlern und der Schweißspritzeranzahl zeigt, die zu beobachten ist, wenn 1,0 mm dicke aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden.
10 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Schweißfehlern und dem Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte zeigt, der zu beobachten ist, wenn 1,0 mm dicke aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden.
11 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Schweißfehlern und einer Erfassungshäufigkeit von Stichlöchern zeigt, die zu beobachten sind, wenn 1,0 mm dicke aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden.
12 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Schweißfehlern und der Schweißspritzeranzahl zeigt, die zu beobachten ist, wenn 0,7 mm dicke aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden.
13 ist eine Grafik, welche die Beziehung zwischen der Häufigkeit von Schweißfehlern und der Schweißspritzeranzahl zeigt, die zu beobachten ist, wenn 2,0 mm dicke aufeinander gestapelte verzinkte Stahlplatten miteinander verschweißt werden.
Ausführungsweise der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die begleitende Zeichnung beschrieben.
Die 1 bis 7 stellen eine Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Die Ausführungsform wird mit Bezug auf einen beispielhaften Fall erläutert, in dem die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf das Laserschweißen von aufeinander gestapelten verzinkten Stahlplatten angewendet wird.
Wie in 1 dargestellt, ist an einer Laserschweißvorrichtung 1 zum Durchführen von Laserschweißen an aufeinander gestapelten verzinkten Stahlplatten W, W ein Halbspiegel 2, der Bestandteil eines optischen Pfades für Bearbeitungs-Laserlicht L ist, und eine Lichtfokussierungseinheit 3 vorgesehen. Die Lichtfokussierungseinheit 3 weist eine eingebaute Lichtfokussierungslinse zum Bündeln des Bearbeitungs-Laserlichts L von dem Halbspiegel 2 her auf, sodass die verzinkte Stahlplatte W mit dem Bearbeitungs-Laserlicht L mit einer geeigneten Punktgröße bestrahlt werden kann.
Die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung 10, die bestimmt, ob die Güte eines durch die Laserschweißvorrichtung 1 geschweißten Schweißabschnitts gut ist oder nicht, ist mit einer Hochgeschwindigkeitskamera 11, einem Analysator 12 und einem Monitor 13 ausgestattet. Die Hochgeschwindigkeitskamera 11 ist so positioniert, dass eine optische Achse davon mit dem Bearbeitungs-Laserlicht L ausgerichtet ist, und erfasst ein Bild des Schweißabschnitts Wa und seines umgebenden Bereichs. Der Analysator 12 analysiert als Parameter die Anzahl von Schweißspritzern P (in 2 dargestellt) oder eine Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit und eine Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte in dem durch die Hochgeschwindigkeitskamera 11 erfassten Bild und vergleicht die analysierten Parameter mit entsprechenden, zuvor vorbereiteten Vergleichstabellen, um zu bestimmen, ob die Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa gut oder schlecht ist. Der Monitor 13 stellt Informationen über die Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa dar, die durch den Analysator 12 bestimmt sind.
Wenn die Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit einen durch die zuvor vorbereitete Vergleichstabelle angegebenen Referenzwert überschreitet, urteilt der Analysator 12, dass Gruben (Schweißfehler) gebildet sind, weil der Abstand zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W zu gering ist. Wenn andererseits ein Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte größer ist als ein durch die zuvor vorbereitete Vergleichstabelle angegebener Referenzwert, urteilt der Analysator 12, dass Durchbrennen (Schweißfehler) verursacht ist, weil der Abstand zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W zu groß ist. Wenn die Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit und der Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte beide kleiner als oder gleich den jeweiligen Referenzwerten sind, die durch die entsprechenden Vergleichstabellen angegeben sind, urteilt der Analysator 12, dass die Schweißgüte gut ist.
Die Betriebsweise der wie oben beschrieben gestalteten Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung 10 wird nun beschrieben. Wenn ein Laser-Oszillator (nicht gezeigt) der Laserschweißvorrichtung 1 gestartet wird, breitet sich das durch den Laser-Oszillator erzeugte Bearbeitungs-Laserlicht L entlang dem optischen Pfad über den Halbspiegel 2 zu der Lichtfokussierungseinheit 3 fort.
Das so verbreitete Bearbeitungs-Laserlicht L wird durch die in der Lichtfokussierungseinheit 3 eingebaute Lichtfokussierungslinse auf eine geeignete Größe konzentriert und auf die verzinkte Stahlplatte W gestrahlt. Gleichzeitig damit wird ein Tisch (nicht gezeigt), auf den die verzinkten Stahlplatten W gelegt sind, in einer horizontalen Richtung bewegt, sodass sich der Schweißabschnitt Wa der verzinkten Stahlplatten W bewegt.
Wenn so das Schweißen durch die Laserschweißvorrichtung 1 gestartet wird, beginnt die Hochgeschwindigkeitskamera 11, deren optische Achse mit dem Bearbeitungs-Laserlicht L ausgerichtet ist, ein Bild des Schweißabschnitts Wa zu erfassen. Zuerst wird, wie in 3 dargestellt, in Schritt S1 ein dargestelltes Bild in den Analysator 12 eingegeben. Dann erhält der Analysator 12 in Schritt S2 einen Kontrastunterschied zwischen den Bildern zweier aufeinanderfolgender Einzelbilder, und wenn der Kontrastunterschied größer als oder gleich einem voreingestellten Schwellwert ist, geht das Verfahren zu Schritt S3 über. Wenn in Schritt S3 beurteilt wird, dass die Fläche von Pixeln (Bildelementen), die einen Kontrastunterschied größer als oder gleich dem Schwellwert zeigen, größer als oder gleich 0,2 mm² ist, geht der Ablauf zu Schritt S4 über, wo die erkannte Fläche als ein Objekt (sich bewegendes Objekt) definiert wird und der Schwerpunkt des Objekts berechnet wird.
Anschließend bestimmt der Analysator 12 in Schritt S5, ob das sich bewegende Objekt radial von einem Laser-Einstrahlungspunkt La im Schweißabschnitt Wa weg spritzt, wie in 4 dargestellt, und auf einer sich radial erstreckenden Geraden LL um eine Anzahl von Malen liegt, die größer oder gleich einer gegebenen Zahl ist. Wenn das sich bewegende Objekt radial weg spritzt und auf der radialen Geraden LL um die gegebene Anzahl von Malen oder mehr liegt, wird das sich bewegende Objekt in Schritt S6 als Schweißspritzer gezählt.
Nachdem es als Schweißspritzer gezählt ist, kann das sich bewegende Objekt möglicherweise innerhalb eines Analysebereichs (in 4, angegeben durch einen Kreis C, dessen Mittelpunkt mit dem Laser-Einstrahlungspunkt La zusammenfällt) verbleiben. Um zu verhindern, dass das so innerhalb des Analysebereichs verbleibende sich bewegende Objekt erneut gezählt wird, wird in Schritt S6 jedes sich bewegende Objekt, das auf derselben Geraden LL liegt und sich weiter weg von dem Laser-Einstrahlungspunkt La befindet als der Zählpunkt, an dem das sich bewegende Objekt gezählt wurde, nicht gezählt und wird verworfen.
Wenn in Schritt S7 geurteilt wird, dass ein sich bewegendes Objekt vorhanden ist (oder neu erzeugt wurde), das auf derselben Geraden LL liegt, auf der das sich bewegende Objekt bereits als ein Schweißspritzer P gezählt wurde, sich aber näher am Laser-Einstrahlungspunkt La befindet als der Zählpunkt, beginnt der Analysator 12 wieder mit dem Zählen von Schweißspritzern P.
Der Analysator 12 schließt in Schritt S8, dass das sich bewegende Objekt kein Schweißspritzer P ist, wenn in Schritt S2 geurteilt ist, dass der Kontrastunterschied zwischen den Bildern zweier aufeinanderfolgender Einzelbilder kleiner ist als der voreingestellte Schwellwert, wenn in Schritt S3 geurteilt ist, dass die Fläche der Pixel, die einen Kontrastunterschied größer als oder gleich dem Schwellwert zeigen, kleiner als 0,2 mm² ist, oder wenn in Schritt S5 geurteilt ist, dass das sich bewegende Objekt nicht radial vom Laser-Einstrahlungspunkt La weg spritzt oder nicht auf einer sich radial erstreckenden Geraden LL um die gegebene Anzahl von Malen liegt.
Auf diese Weise wird die Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit in dem erfassten Bild nacheinander durch den Analysator 12 analysiert, und wenn die abgeleitete Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit schließlich größer wird als der durch die zuvor vorbereitete Vergleichstabelle angegebenen Referenzwert, wird geurteilt, dass Gruben (Schweißfehler) aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W gebildet sind. Wenn andererseits die Schweißspritzeranzahl P pro Längeneinheit kleiner bleibt als der Referenzwert, wird geurteilt, dass die Schweißgüte gut ist. In beiden Fällen werden Informationen über die bestimmte Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa auf dem Monitor 13 dargestellt.
Sobald die Hochgeschwindigkeitskamera 11 mit dem Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts Wa beginnt, wird das dargestellte Bild in den Analysator 12 in Schritt S21 von 5 eingegeben, die das Flussdiagramm der Laserschweißgütebestimmung unter Verwendung des Streuwerts der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte als Analyseparameter darstellt. Anschließend zählt der Analysator 12 in Schritt S22 die Anzahl von Pixeln in einem Bereich Hi, der einen Leuchtdichtewert von „230” oder mehr aufweist, und der sich innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von 30 Pixeln und einem Mittelpunkt befindet, der mit dem Laser-Einstrahlungspunkt La zusammenfällt, wie in 7 dargestellt, und dann wird in Schritt S23 die Anzahl solcher Pixel bezüglich jedes Einzelbilds gezählt und nacheinander in eine Textdatei geschrieben. Der obere Grenzwert des Leuchtdichtewerts ist durch die 8-Bit-Information („256”) gegeben.
Somit wird der Streuwert der Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte in dem erfassten Bild ebenfalls nacheinander durch den Analysator 12 analysiert, und wenn der abgeleitete Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte schließlich größer wird als der durch die zuvor vorbereitete Vergleichstabelle angegebene Referenzwert, wird geurteilt, dass Durchbrennen (Schweißfehler) aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W verursacht ist. Wenn andererseits der Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte kleiner als der Referenzwert bleibt, der durch die Vergleichstabelle angegeben ist, wird geurteilt, dass die Schweißgüte gut ist. In beiden Fällen werden Informationen über die bestimmte Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa auf dem Monitor 13 dargestellt.
Auf diese Weise können die Schweißgütemerkmale des Schweißabschnitts Wa, die nicht visuell überprüft werden können, nämlich die Bildung von Gruben aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W, korrekte Schweißung sowie das Auftreten von Durchbrennen aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den verzinkten Stahlplatten W, W alle voneinander unterschieden werden, während der Laser-Schweißvorgang durchgeführt wird. Außerdem können Zugscherfestigkeit und Bruchmodus auf Grundlage der Fehlerhäufigkeit im Schweißabschnitt und der Menge an Fehlern vorausgesagt werden, die im Schweißabschnitt verursacht werden.
Weiter wird in dieser Ausführungsform auch die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern als Analyseparameter benutzt. Sobald die Hochgeschwindigkeitskamera 11 mit dem Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts Wa beginnt, wird das dargestellte Bild in Schritt S31 von 6, die das Flussdiagramm der Schweißgütebestimmung unter Verwendung der Erfassungshäufigkeit von Stichlöchern darstellt, in den Analysator 12 eingegeben. Anschließend wird in Schritt S32 bestimmt, ob es einen Bereich Lo gibt, der einen Leuchtdichtewert von „100” oder weniger aufweist, und der sich innerhalb eines Kreises mit einem Durchmesser von 10 Pixeln und einem Mittelpunkt befindet, der mit dem Laser-Einstrahlungspunkt La zusammenfällt, wie in 7 dargestellt. wenn es einen Bereich mit einem Leuchtdichtewert von „100” oder weniger gibt, wird „1” ausgegeben; wenn es keinen solchen Bereich gibt, wird „0” ausgegeben. Dann wird in Schritt S33 das Vorhandensein oder Fehlen des Bereichs Lo mit einem Leuchtdichtewert von „100” oder weniger bezüglich jedes Einzelbilds überprüft, und das Ergebnis wird nacheinander in eine Textdatei geschrieben.
Auf diese Weise wird die während des Schweißens beobachtete Erfassungshäufigkeit von Stichlöchern ebenfalls durch den Analysator 12 auf Grundlage der Pixel analysiert, die das erfasste Bild zeigen. Wenn die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern höher als oder gleich einer zuvor festgelegten Referenzhäufigkeit ist, wird die Schweißgüte als gut beurteilt, und wenn die Erfassungshäufigkeit von Stichlöchern niedriger als die Referenzhäufigkeit ist, wird die Schweißgüte als schlecht beurteilt. Informationen über die bestimmte Güte werden auf dem Monitor 13 dargestellt.
Im Vorstehenden wurde eine genaue Analyse des in den Analysator 12 eingegebenen dargestellten Bildes beschrieben. Stattdessen kann eine relativ einfache Analyse durchgeführt werden, wie in 8 dargestellt.
In Schritt S11 wird das dargestellte Bild in den Analysator 12 eingegeben. Dann erkennt der Analysator 12 in Schritt S12 Pixel mit Leuchtdichte höher als oder gleich einem Schwellwert, die innerhalb eines angegebenen Analysebereichs liegen.
Wenn in Schritt S13 geurteilt wird, dass eine Fläche der Pixel mit einer Leuchtdichte größer als oder gleich dem Schwellwert größer als oder gleich 0,2 mm² ist, wird in Schritt S14 die Anzahl von Schweißspritzern P innerhalb des Standbilds gezählt, wird das Zählen von Schweißspritzern bezüglich angegebener Bilder ausgeführt und wird eine Gesamtsumme der Schweißspritzeranzahlen P durch die Anzahl der analysierten Bilder geteilt, um eine mittlere Schweißspritzeranzahl zu erhalten.
Wenn andererseits in Schritt S13 geurteilt wird, dass die Fläche der Pixel mit einer Leuchtdichte größer als oder gleich dem Schwellwert kleiner als 0,2 mm² ist, wird in Schritt S15 geschlossen, dass das erkannte Objekt kein Schweißspritzer P ist.
Auf diese Weise wird die mittlere Schweißspritzeranzahl durch den Analysator 12 auf Grundlage der vielfachen Bilder während des Schweißvorgangs berechnet. Wenn die mittlere Schweißspritzeranzahl kleiner als oder gleich einem Referenzwert ist, der durch eine zuvor vorbereitete Vergleichstabelle angegeben ist, wird die Schweißgüte als gut beurteilt, und wenn die mittlere Schweißspritzeranzahl größer als der Referenzwert ist, wird die Schweißgüte als schlecht beurteilt. In beiden Fällen werden Informationen über die bestimmte Schweißgüte auf dem Monitor 13 dargestellt.
Auch kann mit der vereinfachten Analyse die Schweißgüte des Schweißabschnitts Wa, der nicht visuell überprüft werden kann, bestimmt werden, während der Schweißvorgang im Gange ist. Außerdem können die Zugscherfestigkeit und der Bruchmodus auf Grundlage der Fehlerhäufigkeit und der Menge an Fehlern vorausgesagt werden, die im Schweißabschnitt verursacht werden.
Wo die Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf das Laser-Stapelschweißen von verzinkten Stahlplatten angewendet wird, wie in der zuvor erwähnten Ausführungsform, kann die Menge an Rauch, der erzeugt wird, wenn die Zinkbeschichtung geschmolzen wird, als ein Parameter benutzt werden.
In der vorhergehenden Ausführungsform werden das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und die -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung auf gewöhnliches Laserschweißen angewendet. Die vorliegende Erfindung kann auch auf Laser-Remote-Schweißen, bei dem ein Laser unter Verwendung eines optischen Systems, wie etwa eines Galvanometerspiegels, und mit einer langen Brennweite mit hoher Geschwindigkeit bewegt wird, oder auf Laser-Lichtbogen-Hybridschweißen angewendet werden.
Auch ist in der obigen Ausführungsform die Hochgeschwindigkeitskamera 11 so positioniert, dass ihre optische Achse mit dem Bearbeitungs-Laserlicht L ausgerichtet ist. Die Positionierung der Hochgeschwindigkeitskamera 11 ist nicht auf diejenige beschränkt, die in der Ausführungsform dargestellt ist, und die Hochgeschwindigkeitskamera 11 kann schräg auf den Schweißabschnitt gerichtet sein, um ein Bild des Schweißabschnitts zu erfassen.
Weiter wird die vorliegende Erfindung in der vorhergehenden Ausführungsform auf das Laserschweißen aufeinander gestapelter verzinkter Stahlplatten angewendet. Alternativ kann die vorliegende Erfindung auf Laserschweißen anderer Materialien angewendet werden, zum Beispiel aufeinander gestapelte Edelstahl- oder SN400-Platten.
Das Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren und die -Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung sind nicht auf die mit Bezug auf die Ausführungsform beschriebene Konstruktion beschränkt.
Bezugszeichenliste

10: Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung
11: Hochgeschwindigkeitskamera
12: Analysator
13: Monitor
L: Bearbeitungs-Laserlicht
P: Schweißspritzer
W: verzinkte Stahlplatte
Wa: Schweißabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 11-179578 [0005]

Claims

Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren zum Bestimmen der Schweißgüte eines Schweißabschnitts, der durch Laserschweißen geschweißt wird, umfassend: Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts und eines den Schweißabschnitt umgebenden Bereichs unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeitskamera; Analysieren eines Parameters, wie etwa einer Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit, einer Fläche eines Bereichs hoher Leuchtdichte oder einer Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern in dem erfassten Bild; Bestimmen der Schweißgüte des Schweißabschnitts durch Vergleichen des analysierten Parameters mit einer zuvor erstellten Vergleichstabelle; und Darstellen eines Ergebnisses der Schweißgütebestimmung auf einem Monitor.
Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei: das Verfahren auf das Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts von aufeinander gestapelten Stahlplatten angewendet wird, die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit und die Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte in dem erfassten Bild als Parameter analysiert werden, wenn die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit größer ist als ein durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegebener Referenzwert, beurteilt wird, dass Gruben aufgrund eines zu geringen Abstands zwischen den Stahlplatten gebildet sind, wenn ein Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte größer ist als ein durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegebener Referenzwert, beurteilt wird, dass Durchbrennen aufgrund eines zu großen Abstands zwischen den Stahlplatten verursacht ist, die Laserschweißgüte als gut beurteilt wird, wenn die Schweißspritzeranzahl pro Längeneinheit und der Streuwert der Fläche des Bereichs hoher Leuchtdichte beide kleiner als oder gleich den jeweiligen Referenzwerten sind, die durch die jeweiligen Vergleichstabellen angegeben sind, und ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung auf dem Monitor dargestellt wird.
Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei: eine Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern in dem erfassten Bild als Parameter analysiert wird, wenn die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern höher als oder gleich einer Referenzhäufigkeit ist, die durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegeben ist, beurteilt wird, dass die Schweißgüte gut ist, wenn die Erkennungshäufigkeit von Stichlöchern niedriger als die Referenzhäufigkeit ist, die durch die Vergleichstabelle angegeben ist, beurteilt wird, dass die Schweißgüte schlecht ist, und ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung auf dem Monitor dargestellt wird.
Laserschweißgütebestimmungs-Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei: das Verfahren auf das Bestimmen der Laserschweißgüte eines Schweißabschnitts von aufeinander gestapelten verzinkten Stahlplatten angewendet wird, eine Menge an Rauch in dem erfassten Bild als ein Parameter analysiert wird, wenn die Menge an Rauch kleiner als oder gleich einem Referenzwert ist, der durch eine zuvor erstellte Vergleichstabelle angegeben ist, beurteilt wird, dass die Schweißgüte gut ist, wenn die Menge an Rauch größer als der Referenzwert ist, der durch die Vergleichstabelle angegeben ist, beurteilt wird, dass die Schweißgüte schlecht ist, und ein Ergebnis der Schweißgütebestimmung auf dem Monitor dargestellt wird.
Laserschweißgütebestimmungs-Vorrichtung zum Bestimmen der Schweißgüte eines Schweißabschnitts, der durch Laserschweißen geschweißt wird, umfassend: eine Hochgeschwindigkeitskamera, die eingerichtet ist zum Erfassen eines Bildes des Schweißabschnitts und eines Bereichs, der den Schweißabschnitt umgibt; einen Analysator, der eingerichtet ist, einen Parameter in dem erfassten Bild zu analysieren und die Schweißgüte des Schweißabschnitts zu bestimmen; und einen Monitor, der eingerichtet ist, Informationen über die Schweißgüte des Schweißabschnitts darzustellen, die durch den Analysator bestimmt sind.