JP2004525382A - 溶接可能なプラスチックから成る工作物における溶接継目を監視する方法及びこの方法を実施するための装置 - Google Patents

Abstract

溶接継目（１５）の品質の監視方法において、２つのプラスチック部分（１１，１２）から成る工作物（１０）において、所定の周波数の電磁ビーム（３０）に対して透明な材料が使用される。溶接継目を確実に監視できるようにするため、電磁監視ビーム（３０）を工作物（１０）の内部へ入れることが提案される。その際工作物（１０）にある境界面の間に生じる反射と、工作物（１０）から出る監視ビーム（３３，３３′）の部分は、形成される溶接継目（１５）の品質に関係する。従って外出ビーム（３３，３３′）の測定により、工作物（１０）に欠陥のあるか又は許容可能な継目（１５）が存在するか否かを一義的に確認することができる。

Description

【０００１】
本発明は、まず請求項１の上位概念に示されている種類の監視方法に関する。
２つの材料の間の溶接継目はレーザビームにより形成され、工作物の一方のプラスチックは、このレーザビームのために、実質的に透明であり、他方のプラスチックは吸収性である。
【０００２】
この種の公知の方法では、監視のために高温計が使用され、形成される溶接継目から出る熱線に反応する。できるだけ高い温度が高温計へ達するようにするため、溶接中に測定を行わねばならない。更に一方のプラスチックの材料は、熱線に対して透過性でなければならない。プラスチックを溶融するため、レーザビームの使用が非常に有効なことがわかった。レーザビームのための２つの溶接方法、即ちいわゆる帯溶接及び同時溶接がある。溶接継目の高温計による監視は、帯溶接においてのみ可能であり、同時溶接が、帯溶接に対して時間的に利点をもたらすけれども、この同時溶接では適用不可能である。溶接品質の監視は、同時法で形成される溶接製品では、工作物の寸法変化を介して間接的にのみ行うことができ、工作物の特定の形状寸法においてのみ適用可能である。同時溶接の品質は一般に監視不可能であった。
【０００３】
なお帯溶接において可能な高温計による溶接監視は、欠陥を持ち、一方のプラスチック部分の材料がレーザビームに対してのみならず、熱線に対しても透過性である時にのみ、適用可能である。従って多くの場合、完成した工作物における溶接監視は全く不可能である。
【０００４】
別の種類の公知の方法（ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９６０３６７５号明細書）では、互いに重なる２つのプラスチック部分の接触溶接により溶接結合が行われ、これらのプラスチック部分から袋が製造される。両方のプラスチック部分の各々は、２つの層、即ち溶融しない透明な外側担体層及び内側の着色した封印層から成っている。加熱されかつ互いに押付けられる２つの封印顎片により、両方の箔の互いに接触する封印層が互いに溶接される。着色した封印層における溶接結合によって、全く又は不充分にしか溶接されなかった個所に対する溶接継目の明るさが変化する。この明るさの相違は、通過光法において検出され、溶接継目の品質の監視に利用される。両方の箔は、溶接継目の範囲で光源により照らされ、箔の他方の側から出る光がセンサにより検出され、評価される。この公知の方法は、レーザビームにより形成される溶接継目には適用不可能である。なぜならば、この溶接製品の一方のプラスチック部分は吸収性であり、従って光を通さないからである。
【０００５】
２つの箔から製造されてばら物品をつめ込まれる袋における溶接継目を監視する別の方法（米国特許出願第５，２６０，７６６号明細書）において、多数のガラス繊維を介して、透明な材料から成る加熱工具へレーザ光を供給することが公知である。それにより光が、相手工具を持つこの加熱工具の接触個所の所まで達し、これらの工具の間に両方の箔があって溶接されるようにする。この接触個所から反射される光は、カメラへ達し、そこで評価されるようにするため、加熱工具の透明な材料を横断せねばならない。それにより溶接継目の品質が推論される。
この方法は、直線的な溶接継目が生じる薄い平らな箔にのみ使用可能である。この方法は、二次元的又は三次元的に延びる溶接継目を持つ立体的なプラスチック部分のレーザ溶接には適用不可能である。
【０００６】
最後に、透射技術により、溶接により形成される板の重なり突合わせ継目にある亀裂を検出することも公知である（ドイツ連邦共和国実用新案第２９８１６４０１号）。そのため溶接継目が送光器と受光器との間へもたらされる。測定精度を高めるため、極めて低い粘度を持つ液体中で透射技術が実施される。この方法は、一方が吸収性である２つのプラスチック部分の間にレーザビームにより生じる溶接継目の監視には適していない。
【０００７】
従来技術の前述した欠点を回避する、請求項１の上位概念に示した種類の確実な監視方法を開発するという課題が、まず本発明の基礎になっている。
これは、本発明によれば、請求項１の特徴に示され、かつ次の特別な意義を持つ手段により達せられる。
【０００８】
溶接製品の内部において、工作物の両方のプラスチック部分の間のすべての材料境界面において、従って溶接継目の範囲においても、監視ビームの反射が行われる。工作物から出るビー厶は、溶接継目が先に検出された理想状態に対して異なる結果になり、従って欠陥を持っていると、著しく変化される。その結果溶接継目の品質を一義的に推論することができる。評価装置は、溶接の完了した工作物から出る監視ビームを検出し、欠陥のある継目のため測定された監視ビームの障害が生じると、適当な反応を開始する。
【０００９】
本発明は、監視ビームとして２つの異なる手段を提案し、これらの手段の各々にその独立した創造的意義がある。１つの可能性は、請求項２によれば、監視のため、レーザビームとは全く無関係なビームを使用することである。その際監視ビームのために、両方のプラスチック部分の少なくとも１つがこの監視ビームに対して透明であるような電磁周波数を選ぶように、注意すれば充分である。この手段は、溶接過程中のみならず、完成した溶接製品に後で適用される。この監視方法は、溶接継目がレーザビームによるのではなく別のやり方で形成されている時にも、利用可能である。
【００１０】
しかし請求項３により、監視ビー厶として、溶接継目の形成のために使用されるレーザビーム自体を用いると、特に有利である。測定の際、生じる溶接継目の既に凝固した個所から出る外出ビームを検出する。これは可能である。なぜならば、工作物へ達するレーザビームは、工作物の内部で散乱され、検出器の適当なずれにより、レーザビームの焦点から離れている個所が検出されるからである。レーザ溶接される工作物において既に数回散乱されるレーザビームが監視のために利用される。こうして溶接の非常に近くで経過することについての結果が得られる。満足できない結果の場合、直ちに反応することができる。
【００１１】
本発明は、更に方法を実施するための装置にも向けられている。この装置を構成するために用いられる手段は、請求項１１からわかる。この装置は多様に使用可能であり、特にレーザ光の調整に特によく適している。
【００１２】
本発明のそれ以外の手段及び利点は、従属請求項、以下の説明及び図面からわかる。
【００１３】
図面には、本発明が複数の実施例で示されている。
【００１４】
図２に示されている工作物１０は２つの板状プラスチック部分１１，１２から成り、これらのプラスチック部分はその間に少なくとも所々に接触面１３を持ち、この接触面に溶接継目１５が生じる。このような完成した溶接製品は、例えば図１に示されている。
【００１５】
一層よくわかるようにするため、図１には上のプラスチック部品１１が透明に示され、従ってその接触面１３をその下にある別のプラスチック部分１２と共に一見するのを可能にしている。この第２のプラスチック部分１２には、電子データを受信し、記憶しかつ送信することができる薄片状トランスポンダ１６のための受入れ部１４がある。このようなトランスポンダは温度に敏感であり、湿気のような環境の影響に対して保護されねばならない。挿入されるトランスポンダ１６は、ここでは閉じた環状溶接継目１５により包囲され、この溶接継目１５が接触面１３の範囲で両方のプラスチック部分１１，１２を互いに結合する。この溶接継目１５は、工作物１０の内部においてトランスポンダ１６の媒質に対して密な封入を行う。
【００１６】
図２は、このような溶接継目１５を製造及び監視するための第１の方法を示している。このため点で陰影をつけて示されるレーザビーム２０の発生及び伝導に役立つ組合わせ装置４０が使用される。レーザビーム２０は、ダイオードレーザモジュールにおいて発生される。レーザビーム２０は、発生について後述するように別の特別な電磁ビームを透過する転向鏡２２へ当たる。図２のビーム通路が示すように、レーザビーム２０は２つの可動ビーム転向鏡２３，２４へ達する。これら両方の鏡２３，２４は、θレンズによりレーザビーム２０を工作物１０の方へ転向するため、所定のやり方で動かされる。両方の鏡２３，２４により、最初に述べた同時溶接により溶接継目１５が形成され、この同時溶接は特に急速にかつ安価に実施可能である。この場合工作物の両方のプラスチック部分１１，１２は次の性質を持っている。
【００１７】
第１のプラスチック部分１１の材料は、レーザビーム２０に対して実質的に透明であるが、第２のプラスチック部分１２の材料１９はレーザビーム２０を吸収する。透明なプラスチックは無定形材料から成り、それにより僅かしか散乱しない。しかしプラスチック１８は半結晶質であってもよく、即ち強く散乱するように作用することができる。それにより接触面の１３の範囲において、両方のプラスチック材料１８，１９が所々で流動化する。その際工作物１０において起こることは、図４の拡大図においてわかる。生じる溶接継目１５の断面が図４に見られ、この溶接継目は両方の原材料１８，１９の混合物から成っている。最初の接触面１３に対し、図４からわかるように、溶接継目１５の所に、更に別の境界面２５が、これを包囲しかつ混合されないままである両方のプラスチック材料１８，１９に対して生じる。
【００１８】
工作物１０の横に、レーザビーム２０とは無関係な電磁ビーム３０の源３１があり、後述する理由から以下単に監視ビームと称する。監視ビーム３０は、図２からわかるように、組合わせ装置４０から到来するレーザビーム２０に対して適当な角で、工作物１０へ導入される。この場合上の層１１のプラスチック材料１８は、監視ビーム３０に対しても透明である。その場合何か起こるかについて、図３及び図４について説明する。
【００１９】
図３は、極端な場合接触面１３においてプラスチック材料１１，１２の溶接が起こらない時、工作物１０の状態を示す。工作物１０の内部２７において、監視ビーム３０は、接触面１３と外面１７との間で数回反射３２を行う。外面１７へ当たる反射ビーム３２の一部は、図３に矢印３３で示すように、工作物から出て、図２の装置４０のθレンズ３５により集められる。図２に示すように、外出するこの監視ビーム３３は、装置３３において、レーザビーム２０を導くのに用いられる光路の２８，２９で示す部分を経過する。しかし外出する監視ビームは、このビームを透過する転向鏡２２のため通過せしめられ、レンズ３４を経て、評価装置３７に接続されているセンサ３６へ達する。評価装置３７は、測定された監視ビーム３３を検出し、それに関係して、後に接続される装置３８において、所望の反応を開始する。この場合装置は、工作物１０に生じる溶接継目１５の品質を画面に再現する監視器３８である。
【００２０】
監視される個所において、工作物１０に溶接継目が存在すると、その性質に応じて、図４からわかる特別な状態が生じる。監視ビーム３０の入射方向に関連して、溶接継目１５の前に、監視ビームの既に述べた反射３２及び外出３３が生じるが、これらは溶接継目１５の後の反射３２′及び外出３３′に対して著しく相違している。これには溶接継目１５の範囲における粗い境界面２５も寄与し、そこに拡散散乱３２″が起こる。
【００２１】
その結果、図２の装置４０により検出される個所において、総和の外出ビーム３３′が生じ、図４において、図３において工作物１０に生じる溶接継目のない個所に生じるものとは著しく相違している。透明なプラスチック１１において、場合によっては溶接継目１５の範囲でも、数回の反射が起こる。光学系の調節によって、外出ビーム３３′の関心のある範囲が検出される。そのためセンサ３６が用いられ、その後に評価装置３７が接続されている。測定結果は、表示装置３８においてわかるようにされる。本発明による方法の適用により、溶接継目１５の構成において目標値からの小さい偏差も一義的に検出されることがわかった。従ってまだ許容される溶接継目１５を持つ工作物を、不良とみなされるものから、明確に区別することができる。
【００２２】
前記の方法は、レーザ溶接継目がレーザビームによって生じる工作物１０において適用可能であるのみならず、任意のほかのやり方で形成される溶接継目例えば摩擦溶接又は超音波溶接によって形成される溶接継目においても、適用可能である。更に本発明による方法は、溶接過程には時間的に関係なく実施することができる。なぜならば、従来技術とは異なり、溶接継目から出る放射熱が測定に利用されないからである。この方法では、前述したように、それとは完全に無関係で常に使用可能な監視ビーム３０が使用される。これは例えば図５に示す別の本発明による方法で行なうことができる。
【００２３】
図５では、類似な部材を示すために先の実施例と同じ符号が使用され、従って今までの説明が当てはまる。ここでは相違点のみを説明すれば充分である。
【００２４】
図５において、図１において既に説明した工作物１０が、そこに形成される溶接継目１５の品質に関して監視される。監視ビーム３０は、複数の側から工作物１０へ作用することができる。従って図５に示すように、複数のビーム源３１を使用することができる。図５において、監視ビーム３０による工作物１０の各側面の照射が行われる。溶接継目の性質に応じて、工作物１０から出るビーム３３が異なる結果になる。このビームは図５においてＣＣＤカメラ３９により検出され、このカメラが溶接継目１５の画像を受信する。画像は、付属する評価装置３７において、画像処理ソフトウエアにより分析される。それからそこにある表示装置３８に、工作物１０中に以前に生じた溶接継目１０の適当に増幅されかつ拡大された画像４１が現われる。それから画像４１の結果に応じて、監視者又は自動監視装置の適当な反応を行うことができる。
【００２５】
図６は、工作物１０に対して両方の矢印４２の向きに移動可能な処理頭部５０を示している。詳細には示してないダイオードモジュールがレーザビー厶２０を発生し、このレーザビーム２０は、入口６１即ち導波管を介して処理頭部５０へ達し、図６において実線矢印により示されている。レーザビー厶２０はレンズ４５により平行に向けられ、２つの鏡４３，４４を貫通し、コリメータ４６により集束されて、所定の個所４７において焦点を結ぶ。焦点４７は、図７の拡大図に示すように、図３及び４に関して既に説明した両方のプラスチック部分１１，１２の間の接触面１３にある。両方のプラスチック部分のうち上のものが、透明であるか又は僅か又は強く散乱するプラスチック材料１８から成っている。重要なことは、プラスチック部分１２が、レーザビーム２０を吸収するプラスチック材料１９から成っていることである。このレーザビー厶２０の波長は約８００〜９４０ｎｍの所にある。
【００２６】
焦点４７の範囲に、両方の材料１８，１９からの溶融物４８が生じる。処理頭部５０に対する工作物１０の相対運動中に、焦点４７は更に移動し、溶融物が次第に凝固４９する。こうして溶接継目１５が生じる。同時にレーザビーム２０は、第１のプラスチック部分１１の透明又は僅かしか散乱しない材料１８の内部で、図２又は４と同じように散乱される。散乱ビームは実線矢印５２により示されている。数回の反射により、散乱ビーム５２は、焦点４７から所定の間隔５１だけ離れている。特定の監視個所５７の所まで達する。数回の散乱５２後、図６及び７に細い破線により示す外出ビー厶５３が生じる。監視個所５７から出る外出ビーム５３は、光学部材４６により検出され、平行に向けられる。外出ビーム５３は下の鏡４４を貫通するが、上の鏡４３では反射され、最後に検出器５５へ達する。この検出器５は、光路を決定する図示しない中心軸線に対してずれ５４をもって存在する。このずれ５４は、溶融個所４８から、観察される監視個所５７の前述した間隔５１を考慮している。検出器５５において、第１の実施例に関連してセンサ３６に続いて説明したことが、起こる。
【００２７】
処理頭部５０は更に、レーザ光に無関係な電磁監視ビーム３０用のビーム源３１を持ち、監視ビームの波長は例えば７５０〜８００ｎｍの所にある。従ってこの処理頭部５０により、溶接ビーム２０の外出ビーム５３による前述した検査の代わりに又はこれらに加えて、これとは無関係な監視を行うことが可能である。この検査は、工作物１０における前述した監視個所５７を検出する検出器５５を介して同様に行うことができる。外出ビーム５３又は監視ビーム３０の平行化又は集束のために、光学部材５６が用いられる。
【００２８】
最後に処理頭部５０に高温計５８もまとめられ、図６に点線矢印６０で示す熱線を、光学部材５９を介して検出する。熱線６０は溶接個所４７から出る。これは溶融温度の調整に利用される。検査ビーム３０を介して溶接結果の監視も同時に行うことができ、この検査ビーム３０の外出ビーム３３，３３′は検出器５５において検出される。それにより処理ヘッド５０は、生じる溶接継目１５又は溶接個所４７を監視する前述した３つのすべての方法を実施することができる。この測定結果は、接続される装置において一緒に又は個々の分析される。
【００２９】
高温計５８は、レーザビーム２０の源を持つ調整回路にまとめられることができる。溶接個所４７から出る熱線は高温計５８により検出され、後に接続される装置において評価される。所望の目標値からの偏差があると、評価の結果により、レーザビーム２０の強さが調整される。
【００３０】
処理頭部５０にまとめられる前述した部材は、個別装置に収容されることができる。その場合これらの個別装置は、群毎に並べて設けられる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】溶接製品の例即ち２層の工作物にまとめられるトランスポンダを概略斜視図で示す。
【図２】形成される溶接継目の品質用の第１の測光監視方法を示す。
【図３】工作物の両方のプラスチック部分の間に溶接継目が存在しない時、図２において実施される方法の作用原理を示す。
【図４】両方のプラスチック部分の間に溶接継目が形成された時、その状態を図３に類似な図で示す。
【図５】溶接継目の品質を求めるための本発明による別の監視方法を示す。
【図６】本発明による監視方法の別の実施例のための装置を縦断面で概略的に示す。
【図７】この方法の特別な作用を説明するための図６に示す工作物の一部を拡大して示す。
【符号リスト】
【００３２】
１０ 工作物
１１ １０の第１のプラスチック部分
１２ １０の第２のプラスチック部分
１３ １１と１２との間の接触面
１４ １０のため１２にある受入れ部
１５ １１と１２との間の溶接継目
１６ トランスポンダ
１７ １１の外面
１８ １１の第１のプラスチック材料
１９ １２の第２のプラスチック材料
２０ レーザビーム
２１ １０用のダイオードモジュール
２２ ２１のための転向鏡又は３３のための通過鏡
２３ ２０，３３のための第１のビーム転向鏡
２４ ２０，３３のための第２のビーム転向鏡
２５ １１（図４）に対する１５の粗い境界面
２６ ２０と３３（図２）とのなす角
２７ １０の内部
２８ ４０における２０の第１の部分
２９ ４０における２０の第２の部分
３０ 電磁ビーム，監視ビーム
３１ ３０のためのビーム源
３２ （溶接継目なしの）２７における３０の反射
３２′ 溶接継目１５の後における監視ビームの反射
３２″ １５の２５における拡散散乱
３３ （溶接継目なしの）１７からの外出ビーム
３３′ 溶接継目（図４）における外出ビーム
３４ ３３のためのレンズ
３５ ４０のθレンズ
３６ ３３のためのセンサ
３７ ３３のための評価装置
３８ 表示装置、監視器
３９ ＣＣＤカメラ
４０ 組合わせ装置
４１ ３８（図５）における１５の写像
４２ １０（図６）に対する５０の相対移動
４３ 上の半透明鏡
４４ 下の半透明鏡
４５ レンズ、光学部材
４６ コリメータ、光学部材
４７ 溶接個所、１０における２０の焦点
４８ １８，１９（図７）の溶融部
４９ ４８の凝固
５０ 処理頭部（図６）
５１ ４７と５７との間隔（図７）
５２ １８における散乱ビーム（図７）
５３ １８（図６，７）からの外出ビーム
５４ ５５からのずれ
５５ ５３のための検出器
５６ ３０，５３のための光学部材
５７ １５における監視個所
５８ 高温計
５９ 光学部材
６０ ４７（図６）からの熱線
６１ ２０（図６）のための入口

Claims (13)

1. 工作物（１０）の溶接可能な材料（１８，１９）から成る２つのプラスチック部分（１１，１２）の間の溶接継目（１５）を監視する方法であって、
   溶接継目（１５）がレーザビーム（２０）により形成され、
   工作物（１０）の一方のプラスチック部分（１１）は、レーザビーム（２０）に対して実質的に透明であるが、他方のプラスチック部分（１２）は吸収性であり、
   形成される溶接継目（１５）の品質が光学的方法で求められるものにおいて、
   両方のプラスチック部分（１１，１２）の一方が監視ビーム（３０）に対しても透明であり、
   監視ビーム（３０）が、両方のプラスチック部分（１１，１２）の間の接触面（１３）及び継目（１５）の境界面（２５）において反射され（３２）、一部工作物（１０）から再び出て行き、
   反射（３２′，３２″）後工作物（１０）に生じる外出ビーム（３３′）が測定され、測定過程が評価装置（３７）へ供給され、
   欠陥のある継目（１５）により測定された外出ビーム（３３′）に生じる障害が評価装置（３７）により確認され、かつ反応（３８）を開始する、
   ことを特徴とする方法。
2. 監視ビームとして、レーザビーム（２０）に無関係なビーム（３０）が使用されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 監視ビームとして、溶接継目（１５）の形成のために使用されるレーザビーム（２０）自体が用いられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 測定の際、生じる溶接継目（１５）の既に凝固（４９）した個所（５７）から出る外出ビーム（５３）が検出されることを特徴とする、請求項１〜３の１つに記載の方法。
5. 測定される外出ビーム（５３）は、工作物（１０）において散乱（５２）されるレーザビーム（２０）自体であるが、現在の液状溶融個所（４８）が存在するレーザビーム（２０）の焦点（４７）に対して離れている個所（５７）から出ることを特徴とする、請求項３又は４に記載の方法。
6. 工作物（１０）への監視ビーム（３０）の入射方向が、レーザビーム（２０）の入射方向に対して角（２６）をなしていることを特徴とする、請求項１又は２又は４に記載の方法。
7. 工作物への監視ビーム（３０）の入射方向が、レーザビーム（２０）の入射方向に対して同軸的であることを特徴とする、請求項１又は２又は４に記載の方法。
8. 工作物（１０）から出る監視ビーム（３３；５３）は、測定個所（３６，５５）までの行程において、逆の方向でレーザビーム（２０）が工作物（１０）中の溶接個所（１５；４７）の所まで導かれる光路の部分（２９，２８）にあることを特徴とする、請求項１〜７の１つに記載の方法。
9. 工作物（１０）がまず完全に溶接（１５）され、それから溶接製品がＣＣＤカメラ（３９）の下へもたらされ、
   ＣＣＤカメラ（３９）の下にある溶接製品が監視ビー厶（３０）で照らされ、
   ＣＣＤカメラ（３９）より検出された溶接製品の画像が、後に接続された評価装置（３７）において、画像処理ソフトウエアにより分析される
   ことを特徴とする、請求項１〜８の１つに記載の方法。
10. 透明なプラスチック（１８）が僅かに又は強く散乱性であることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の方法。
11. 共通な処理頭部（５０）に、レーザビーム（２０）を発生（２１）及び制御（４３，４４，４５，４６）する装置、及び監視ビーム（３０）を発生（３１）しかつ外出ビーム（３３，３３′）を測定する装置が設けられていることを特徴とする、請求項１〜９の１つに記載の方法を実施するための装置。
12. 監視ビーム（５３）がレーザビーム（２０）であり、処理頭部にまとめられてレーザビーム（２０）を発生しかつ制御する装置から出ることを特徴とする、請求項１１に記載の装置。
13. 処理頭部（５０）が、溶接個所（４７）から出る熱線を検出する高温計を持ち、処理頭部（５０）に調整器が付属して、高温計（５８）の測定結果に応じて、溶接に用いられるレーザビーム（２０）の強さを調整することを特徴とする、請求項１１又は１２に記載の装置。