KR20210089750A - 유리 워크피스를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치 - Google Patents
유리 워크피스를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20210089750A KR20210089750A KR1020217018103A KR20217018103A KR20210089750A KR 20210089750 A KR20210089750 A KR 20210089750A KR 1020217018103 A KR1020217018103 A KR 1020217018103A KR 20217018103 A KR20217018103 A KR 20217018103A KR 20210089750 A KR20210089750 A KR 20210089750A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- workpiece
- defects
- workpieces
- process zone
- radiation
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 171
- 230000008569 process Effects 0.000 title claims abstract description 147
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 239000011521 glass Substances 0.000 title claims abstract description 64
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 80
- 230000007547 defect Effects 0.000 claims description 70
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 49
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 16
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 8
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 7
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 6
- 230000004807 localization Effects 0.000 claims description 6
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 4
- 238000009499 grossing Methods 0.000 claims description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 3
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 description 29
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 14
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 11
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 7
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 7
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 7
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 4
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 4
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 4
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 238000011511 automated evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000001678 irradiating effect Effects 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006060 molten glass Substances 0.000 description 2
- 239000012768 molten material Substances 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 206010024796 Logorrhoea Diseases 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000010339 dilation Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000004021 metal welding Methods 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000001429 visible spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
- B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
- B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
- B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses
- B23K26/0624—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses using ultrashort pulses, i.e. pulses of 1ns or less
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
- B23K26/244—Overlap seam welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
- B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
- B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
- B23K26/57—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece the laser beam entering a face of the workpiece from which it is transmitted through the workpiece material to work on a different workpiece face, e.g. for effecting removal, fusion splicing, modifying or reforming
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
- B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
- B23K31/125—Weld quality monitoring
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
- C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
- C03B23/00—Re-forming shaped glass
- C03B23/20—Uniting glass pieces by fusing without substantial reshaping
- C03B23/203—Uniting glass sheets
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
- G06T7/0004—Industrial image inspection
- G06T7/001—Industrial image inspection using an image reference approach
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/70—Determining position or orientation of objects or cameras
- G06T7/73—Determining position or orientation of objects or cameras using feature-based methods
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
- B23K2101/18—Sheet panels
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
- B23K2103/50—Inorganic material, e.g. metals, not provided for in B23K2103/02 – B23K2103/26
- B23K2103/54—Glass
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T2207/00—Indexing scheme for image analysis or image enhancement
- G06T2207/30—Subject of image; Context of image processing
- G06T2207/30108—Industrial image inspection
- G06T2207/30164—Workpiece; Machine component
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P40/00—Technologies relating to the processing of minerals
- Y02P40/50—Glass production, e.g. reusing waste heat during processing or shaping
- Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates
Abstract
본 발명은 적어도 하나의 유리 워크피스(110)를 다른 워크피스(120)에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법에 관한 것으로서, 상기 워크피스들(110, 120)은 가공 빔(20), 바람직하게는 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔에 노출되는 프로세스 존(200)에서 함께 용접되며, 본 발명에 따르면, 상기 프로세스 존(200)에 의해 방출되고 상기 워크피스(110, 120) 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선이 공간 분해 방식으로 검출된다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 유리 워크피스를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치에 관한 것이며, 모니터링은 예컨대, 레이저 용접 중에 유리 워크피스 내의 크랙 및/또는 결점(imperfections) 및/또는 결함(defects)을 검출하고 식별하기 위한 역할을 할 수도 있다.
유리 워크피스의 레이저 용접에서, 지금까지, 레이저 용접 프로세스는 수동으로 셋업되어 왔다. 상기 레이저 용접 프로세스에 의해 함께 용접된 워크피스 및 용접선(weld seam) 자체의 품질 제어 역시 지금까지 수동으로 수행되어 왔다.
이와 관련하여, 상기 품질 제어는, 실제 용접 프로세스가 완료된 후에, 결합된 워크피스의 용접선과 기타 영역의, 평면에서 그리고 횡단면의 검사에 의한 현미경 검사를 통해 현미경에 의해 수행되었다.
이에 기초하여, 상기 레이저 용접 프로세스를 반복적으로 최적화하였다. 상기 용접 프로세스를 최적화하는 이러한 접근법은 대응하여 많은 양의 수작업을 필요로 하고, 재료 및 시간 소모적인 작업인데, 상기 레이저 용접 프로세스의 각 파라미터 셋트에 대한 품질 제어는 각각의 용접 프로세스가 완료된 후에 용접 장치 외부의 현미경 상에서만 수행될 수 있기 때문이다.
금속의 레이저 용접에서, 레이저의 초점이 배치되는 각 프로세스 존(process zone)으로부터 방출된 방사선을 이미지 센서로 모니터링하고, 그로부터 용접 프로세스에 대한 통찰을 도출하는 것이 알려져 있다.
이러한 불투과성 재료의 레이저 용접을 위한 방법이 예컨대, WO 2008/052591A1에 알려져 있다. 이와 관련하여, 작업 영역으로부터 방출된 방사선이 검출기 시스템에 의해 감지되는데, 상기 작업 영역으로부터 방출된 방사선은, 용접 프로세스 중에 일어나는 프로세스의 보다 많은 세부 정보를 얻기 위하여 적어도 두 파장에서 동시에 감지된다.
상기 종래기술에 기초하여, 본 발명의 목적은 적어도 하나의 유리 워크피스를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스에 용접하는 용접 프로세스의 개선된 모니터링을 가능케 하는 방법 및 장치를 제시하는 것이다.
상기 목적은 적어도 하나의 유리 워크피스를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스에 용접하는 용접 프로세스를 청구항 1의 특징에 의해 모니터링하는 방법에 의해 달성된다. 유리한 개선점 및 실시예는 첨부도면, 상세한 설명 및 종속항에서 나온다.
따라서, 적어도 하나의 유리 워크피스를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법이 제안되는데, 상기 워크피스들은 가공 빔(processing beam), 바람직하게는 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔(ultra-short-pulse laser beam)에 노출되는 프로세스 존에서 함께 용접된다. 본 발명에 따르면, 상기 프로세스 존에 의해 방출되고 상기 워크피스 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선이 공간 분해 방식(spatially resolved manner)으로 검출된다.
바람직하게는, 함께 용접되는 두 개, 복수 개 또는 모든 워크피스는 유리로 제조된다. 용접선이 형성되는 상기 프로세스 존은 바람직하게는 상기 워크피스 사이에 위치하여, 상기 가공 빔은 그 가공 빔에 대해 투과성인(transparent) 적어도 하나의 워크피스를 통해 상기 프로세스 존에 안내된다. 따라서, 적어도 상기 워크피스-이를 통해 상기 가공 빔이 상기 프로세스 존에 안내된다-는 상기 가공 빔에 대해 투과성이 있다. 상기 추가의 워크피스 역시 투과성일 수 있지만, 상기 가공 빔에 대해 불투과성(opaque)일 수도 있다.
상기 적어도 하나의 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선이 공간 분해 방식으로 검출됨으로써, 유리 워크피스를 용접하면서 이미 상기 용접 프로세스 중에, 상기 용접 프로세스의 모니터링을 수행할 수 있게 되어, 상기 워크피스 중 적어도 하나, 특히 유리로 제조된 워크피스에서의 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화가 검출될 수도 있다.
이러한 통찰에 기초하여, 다른 무엇보다도, 상기 용접 프로세스는, 이미 현재의 용접 프로세스의 실행 중에, 최적화될 수도 있다.
이와 관련하여, 상기 프로세스 존에 의해 방출되고 상기 워크피스 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선이 공간 분해 방식으로 검출된다. 이와 관련하여, 상기 프로세스 존은 사실상, 하나, 둘, 복수 또는 모든 유리 워크피스의 유리 볼륨(glass volume) 내에 배치된 방사선원(radiation source) 역할을 하여, 상기 유리 워크피스에 의해 형성된 유리 볼륨을 조사 및/또는 조명하는 역할을 한다. 따라서, 상기 프로세스 존에 의해 형성된 방사선원으로부터 시작하여, 방사선이 상기 워크피스 및/또는 워크피스들 내에서 방출되게 되고, 이어서 상기 방사선은 상기 적어도 하나의 워크피스에 의해 형성된 유리 볼륨 내에 아마도 이미 존재하거나 및/또는 발생하거나 및/또는 변화하고 있는 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함에서 반사 및/또는 산란되고, 따라서 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선으로서 공간 분해 방식으로 검출될 수도 있다.
환원하면, 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함에서 반사 및/또는 산란된 방사선이 검출된다.
따라서, 상기 워크피스 내부의 방사선원을 이용하여 상기 워크피스를 투과조사(transilluminate)함으로써 상기 워크피스 내의 결함을 검출한다.
상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선을 공간 분해 방식으로 검출함으로써, 상기 유리 볼륨 내의 크랙 및/또는 결함 및/또는 결점의 존재 및/또는 발생 및/또는 변화와 관련하여 대응하는 결론이 유도될 수도 있다.
따라서, 상기 프로세스 존이 상기 유리 볼륨 내의 방사선원으로서 작용하여, 상기 유리 볼륨 내의 크랙 및/또는 결함 및/또는 결점의 존재 및/또는 출현 및/또는 변화가 이미 용접 프로세스의 실행 중에 그 산란 및/또는 반사된 방사선에 의해 검출될 수도 있다.
이와 관련하여, 상기 프로세스 존에 의해 방출된 전자기 방사선은 상기 프로세스 존에서 또는 그 내부에서 반사 및/또는 산란된 상기 가공 빔의 방사선일 수 있다. 상기 프로세스 존에 의해 방출된 전자기 방사선은 또한, 상기 가공 빔에 의해 가열된, 특히 용융된 유리 재료의 열 방사선일 수 있다.
상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선을 공간 분해 방식으로 검출함으로써, 상기 유리 볼륨 내의 크랙 및/또는 결함 및/또는 결점의 위치특정(localization)이 동시에 달성될 수도 있다.
따라서, 유리 워크피스를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 상기 방법은 이미 실제 용접 프로세스가 수행되는 동안에 품질 제어를 가능케 하고 또한, 공간 분해 방식으로 검출되고 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선에 대한 후속 및/또는 동시의 평가에 의해 상기 용접 프로세스의 최적화를 가능케 한다.
상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선의 상기 검출은 바람직하게는 상기 프로세스 존 바깥에 위치하는 적어도 하나의 워크피스의 영역에서 수행될 수도 있다. 이러한 경우에, 상기 프로세스 존은 따라서, 상기 워크피스에 의해 형성된 유리 볼륨 내의 프로세스 존 바깥에 위치하는 영역에 방사선을 적용하는 방사선원으로서 배타적으로 간주된다.
바람직하게는, 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선은 추가적으로 시간 분해 방식(time-resolved manner)으로 검출된다. 따라서, 상기 용접 프로세스가 수행되는 동안에 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 새로운 형성 및/또는 변화가 모니터링될 수도 있다. 따라서, 상기 용접 프로세스에 의해 야기된 유리 볼륨의 변화가 모니터링될 수도 있다. 이러한 정보는 프로세스 파라미터를 최적화하기 위하여 상기 용접 프로세스의 동시의 또는 후속하는 최적화 단계에서 고려될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선은 이미지 센서에 의해 포착되어, 그 이미지 센서에 의해 신호로 변환되며, 상기 신호는 후속 평가를 위해 준비된다. 따라서, 상기 용접 프로세스의 자동화된 평가 및 후속의 자동화된 최적화가 달성될 수도 있다.
이와 관련하여, 상기 신호는 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화와 관련하여 평가될 수도 있고, 미리 정해진 공차 한계(tolerance limit)가 초과되는 경우 에러 출력(error output)을 수행하는 것이 특히 바람직하다. 따라서, 상기 적어도 하나의 워크피스 내의 미리 정해진 에러와 관련하여 자동화된 평가가 달성되어, 작업 제품을 보다 신뢰성 있게 체크할 수도 있고 상기 용접 프로세스를 보다 빨리 최적화할 수도 있다.
이와 관련하여, 바람직하게는, 상기 신호는 필터링 및/또는 노이즈 감소 및/또는 평활화 및/또는 특정 특징의 강조(highlighting) 및/또는 콘트라스트 강조(contrast enhancement) 및/또는 엣지 필터에 의해 준비될 수도 있다.
상기 신호는 화상 처리에 의해 처리될 수 있는데, 예컨대 상기 결정된 신호 및/또는 상기 신호에 의해 나타내어지는 이미지의 동기화(synchronization)가 상기 프로세스 존 바깥의 강도 값(intensity value)의 목표 분포(target distribution)와 비교되고, 상기 목표 분포로부터 벗어나는, 상기 프로세스 존 바깥의 영역을 그 벗어나는 영역의 밝기 및/또는 콘트라스트 및/또는 형태 및/또는 크기 면에서 평가함으로써, 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함을 결정할 수도 있다.
상기 준비된 신호의 추가의 또는 별법의 평가는 예컨대, 상기 개개의 이미지 픽셀의 강도 값에 걸친 공간적 적분(spatial integration) 및 이전에 결정된 허용오차 범위와의 후속 비교에 의해 달성될 수도 있다. 따라서, 상기 워크피스의 좌표계에서의 위치 정보가 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화의 면에서 결정될 수도 있다.
이와 관련하여, 상기 워크피스의 각 단면에서 사용된 센서의 관찰 필드(field of observation)의 일탈로부터 상기 위치 결정과 관련하여 불확실성이 생길 수 있는데, 이러한 불확실성은 각각 보이는 초점면(focal plane)에 대한 상기 센서의 초기 교정(calibration) 및/또는 상기 워크피스 중 적어도 하나 위에 상기 센서에 의해 검출가능한 위치/또는 거리 마킹을 적용하거나 및/또는 상기 프로세스 존의 위치를 참조하여 감소시킬 수도 있다.
추가의 바람직한 실시예에서, 공간 분해 방식으로 검출되고 상기 워크피스 중 적어도 하나에서 유래하는 방사선에 기초하여 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함에 대한 식별이 수행되고, 그 식별된 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함에 대한 정보가 출력될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 프로세스 존에 대한 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 위치특정이 여전히 출력되며, 상기 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 위치특정에 대한 정보가 출력된다. 따라서, 사용자는 품질 제어를 수행한 다음에, 상기 출력된 정보에 기초하여, 상기 작업 제품이 요구조건을 충족하고 있는지 여부를 결정할 수도 있다.
더욱이, 상기 발견된 에러에 대한 평가를 자동화된 프로세스로 수행할 수도 있고, 작업 제품이 미리 정해진 품질 요구조건을 충족하지 않는 경우 그 제품은 자동으로 거절될 수도 있다(rejected).
바람직하게는, 상기 방법은 복수의 유리 워크피스를 용접하는 데에 이용할 수도 있다. 함께 용접할 워크피스 모두를 유리로 제조하는 것이 특히 바람직하다. 그러나, 유리 워크피스는, 상기 가공 빔에 대해 불투과성인 워크피스, 예컨대 금속 워크피스에 용접될 수도 있다.
이와 관련하여, 용접은 바람직하게는, 상기 워크피스 사이에 위치한 경계면(border surface)에서 수행되고, 상기 가공 빔은 상기 경계면에서 상기 프로세스 존을 만나기 전에 유리로 형성된 상기 워크피스 중 적어도 하나를 관통하는 것이 특히 바람직하다.
상기한 목적은 또한 청구항 11의 특징을 갖는 장치에 의해 달성된다. 유리한 개선점 및 실시예는 첨부도면, 상세한 설명 및 종속항에서 나온다.
따라서, 적어도 하나의 유리 워크피스를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 장치가 제안되는데, 상기 장치는 상기 워크피스 중 적어도 하나의 프로세스 존을 가공 빔, 바람직하게는 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔에 노출하기 위한 가공 대물렌즈(processing objective)를 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 프로세스 존에 의해 방출되고 상기 워크피스 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선을 공간 분해 방식으로 검출하기 위한 이미지 센서가 제공된다.
따라서, 상기한 방법의 이점이 달성될 수도 있다. 특히, 상기 장치에 의해, 상기 적어도 하나의 워크피스에 의해 형성된 상기 유리 볼륨 내의 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화가 검출될 수도 있다.
바람직하게는, 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선을 포착하고 상기 방사선을 상기 이미지 센서 위에 촬상하기 위한 광학소자(optics)가 제공될 수 있는데, 상기 광학소자는 바람직하게는 상기 가공 대물렌즈 또는 상기 가공 대물렌즈와는 별개의 대물렌즈에 의해 형성된다.
유리하게는, 상기 가공 대물렌즈로 노출되고 바람직하게는 빔 스플리터 및/또는 광 필터 및/또는 집속 렌즈(focusing lens)가 개재된 이미지 센서 및/또는 상기 가공 대물렌즈와 별개의 대물렌즈로 노출되는 이미지 센서가 제공될 수도 있다. 따라서, 상기 가공 대물렌즈에 의해 촬상된 상기 적어도 하나의 워크피스의 영역 및 상기 별개의 대물렌즈에 의해 촬상된 상기 워크피스의 영역을 볼 수도 있다.
바람직하게는, 상기 가공 대물렌즈는 상기 적어도 하나의 워크피스에 의해 형성된 상기 유리 볼륨 내에 위치한 프로세스 존에 상기 가공 빔을 집속하도록 설계 및 구성될 수도 있다.
상기 프로세스 존 바깥에 위치한 상기 워크피스의 영역의 관찰은, 상기 유리 워크피스를 용접하기 위해 레이저 에너지를 상기 프로세스 존에 인가하기 위하여 레이저 방사선을 집속시키는 가공 대물렌즈를 이용하여 수행될 수도 있고, 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선은 대응 광학 구성을 매개로, 예컨대 빔 스플리터를 이용하여 디커플링될 수도 있다.
상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선의 검출 역시 상기 가공 대물렌즈와 별개이고, 상기 가공 빔에 의해 형성되는 축선 상에 놓이는 위치에 존재하지 않는 대물렌즈를 이용하여 달성될 수도 있다. 따라서, 상기 프로세스 존의 환경뿐만 아니라 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선의 더 큰 영역 포착이 달성될 수 있는데, 이는 상기 가공 대물렌즈를 통과하는 상기 방출된 방사선을 포착하는 것에 의해 반드시 가능하지는 않은 것이다.
따라서, 상기 프로세스 존에 의해 형성되지 않는, 상기 워크피스 중 적어도 하나의 이러한 영역 및 평면의 촬상 및/또는 그러한 영역 및 평면에의 집속이 가능하다. 특히, 상기 프로세스 존의 평면에 의해 형성되지 않는, 상기 적어도 하나의 워크피스 내의 평면에 집속할 수도 있다. 더욱이, 상기 프로세스 존과 떨어져 제공되는 적어도 하나의 워크피스의 영역이 관찰될 수도 있다.
상기 프로세스 존과 떨어져 위치한 영역 및 평면의 관찰은 불투과성 재료를 용접하면서 프로세스 존을 모니터링하는 흔한 방법에서는 가능하지 않은데, 상기 프로세스 존에 의해 방출된 방사선이 그 방사선에 대해 불투과성인 이들 재료를 투과할 수 없기 때문이다.
따라서, 상기 재료 볼륨뿐만 아니라 상기 워크피스의 더 큰 영역 관찰이 달성될 수 있으며, 이러한 관찰에서 상기 프로세스 존은 상기 워크피스 볼륨 내의 방사선원으로서 제공되고, 따라서 상기 워크피스 내의 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 발생 및/또는 존재 및/또는 변화를 상기 용접 프로세스 중에 검출할 수도 있다.
바람직하게는, 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저에 의한 용접을 위해 레이저 에너지를 상기 유리 워크피스에 인가하며, 상기 초단 펄스 레이저를 이용함으로써, 각각의 빔 초점에서의 달성가능한 높은 강도 때문에 상기 유리에서 비선형 흡수 효과가 달성될 수도 있다. 대응하여 높은 반복율(repetition rate)이 상기 초단 펄스 레이저에 대해 이용되면, 상기 반복적인 초단 펄스 레이저의 펄스에 의해 상기 프로세스 존에 도입된 에너지가 축적되어, 상응하는 열 축적 효과 때문에, 유리 재료가 국부적으로 용융된다. 따라서, 초점 볼륨(focus volume) 크기의 고흡수 플라즈마(highly absorbing plasma)가 상기 레이저 빔의 기하학적 초점 부근에서 나타나고, 이 플라즈마가 이어서 상기 프로세스 존을 형성한다.
상기 프로세스 존과 경계를 이루는 플라즈마 표면 상에서, 특히 상기 플라즈마에 충돌하는 상기 가공 빔의 방향으로 배향되고 상기 가공 빔이 충돌하는 플라즈마 표면의 영역에서, 흡수가 증대된다. 따라서, 상기 플라즈마 볼륨은, 상기 레이저 에너지의 증대된 흡수 및 그 결과로서 상기 플라즈마 볼륨 내로 입력된 에너지로 인해, 상기 플라즈마 표면에서 에너지를 더 흡수할 수 있어, 상기 플라즈마 볼륨은 계속 성장할 수도 있고, 이러한 플라즈마 볼륨의 성장은 주로 상기 가공 빔을 따라 빔 소스를 향하는 방향으로 확장한다. 환언하면, 상기 플라즈마는 상기 가공 빔을 따라 세장형 형태(elongated shape)로 퍼질 수도 있다. 상기 플라즈마에 의해 형성된 세장형의 버블이 형성될 수도 있다.
상기 플라즈마와 충돌하는 상기 가공 빔의 방향으로부터 입력된 추가의 에너지로 인하여, 상기 플라즈마 볼륨의 로케이션 및/또는 위치가 변할 수도 있고, 예컨대 상기 빔 소스를 향하는 방향으로 상기 가공 빔을 따라 변위될 수도 있다.
이런 식으로, 원래의 초점 볼륨보다 수 배(many times) 초과할 수 있는 흡수 볼륨이 형성될 수 있어, 상기 프로세스 존은 상기 초점 볼륨보다 수 배 더 클 수도 있다.
상기 성장으로 인하여 상기 레이저 빔의 초점으로부터 벗어나는 플라즈마 표면 때문에, 상기 플라즈마 표면과 충돌하는 빔 강도가 더 이상 상기 플라즈마를 유지하기에 충분하지 않게 되면, 즉 상기 플라즈마를 유지하기에 충분한 에너지가 흡수될 수 없으면, 상기 플라즈마의 확장 프로세스는 붕괴되고 상기 레이저 빔의 초점에서 상기 흡수가 재시작된다. 따라서, 상기 용접 프로세스는 사실상 주기적으로 그리고 플라즈마 영역이 형성될 때마다 일어나게 되며, 이로 인해 버블 같은 용융 볼륨(bubble-like melt volume)이 생길 수도 있다. 상기 워크피스 내의 플라즈마 볼륨의 로케이션 및/또는 위치의 가능한 변화로 인하여, 결과로서 생기는 용융 볼륨이 상기 생성된 플라즈마 볼륨보다 클 수도 있다. 상기 플라즈마 볼륨은 제한된 방식으로 상기 워크피스 볼륨을 통과할 수도 있고, 그렇게 함으로써, 각각의 경우에, 용융된 영역을 남겨둘 수도 있고, 그 결과 다시 상기 플라즈마 볼륨의 확장보다 더 큰 확장을 갖는 용융 볼륨이 생기게 된다.
상기 플라즈마에서의 상기 가공 빔의 비선형 흡수는 상기 플라즈마에서의 높은 전자 온도에서 유래할 수도 있다. 전자들은 원자핵(atomic core)에 에너지를 발산할 수도 있고, 이는 격자 진동, 그리고 열의 축적으로 인한 재료의 추가 가열로 이어질 수도 있다.
상기 용접 프로세스 중에 워크피스에 대하여 가공 빔을 상대 이동시키면, 이전에 용융된 재료가 응고된 후에 이동 방향으로 연장되는 용접선이 야기되는데, 용접선은 서로의 내부로 합쳐지는 일련의 버블형 용융 볼륨의 형태로 존재한다. 개개의 용접 볼륨은 각각의 플라즈마 볼륨에 대응할 수 있지만, 보통, 상기 가공 빔을 따라 상기 워크피스를 통과하는 플라즈마 볼륨의 이동에 의해 형성된다. 환언하면, 상기 용융 볼륨은 보통, 상기 플라즈마 볼륨의 가장 큰 치수보다도 크다.
상기 플라즈마의 주기적인 팽창과 붕괴는 또한, 상기 방사선원으로서 역할하는 상기 프로세스 존의 강도 및 스펙트럼의 주기적인 변화를 초래한다. 따라서, 상기 방사선원은 상기 플라즈마의 주기적 버블 형성에 대응하는 상기 방출된 방사선의 강도 변동, 상기 스펙트럼의 관련된 변화, 상기 방사선원의 팽창의 변화, 상기 방사선원의 위치의 변화의 영향을 받을 수도 있다. 하나, 둘 또는 복수 또는 모든 유리 워크피스의 유리 볼륨을 조사하는 데에 역할을 하는 상기 방사선원의 강도, 파장, 팽창 및/또는 위치의 주기적 변동은 상기 워크피스로부터 유래하고 공간 분해 방식으로 검출된 상기 방사선의 평가시에 고려될 수도 있다.
바람직하게는, 레이저 빔과 워크피스 사이의 상대 위치 때문에 알려지는, 각각의 경우에 미리 정해진 가공 위치에 대한, 상기 워크피스의 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 위치특정이 달성될 수 있다.
본 발명의 추가의 이점 및 특징은 바람직한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명을 통해 알 수 있다. 본원에서 설명하는 상기 특징은, 서로 상충되지 않는다면, 그 자체로 또는 상기한 하나 또는 복수의 특징과 조합하여 실시될 수도 있다. 이와 관련하여, 바람직한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명은 첨부 도면을 참조하여 주어진다.
본 발명의 바람직한 추가 실시예를 이하에서 보다 상세히 설명한다. 이와 관련하여,
도 1은 유리 워크피스를 용접하는 레이저 용접 프로세스를 모니터링하는 장치의 개략도이다.
도 2는 유리 워크피스를 용접하면서 레이저 용접 프로세스를 실행하는 동안에, 프로세스 존 및 그 주변을 카메라로 포착한 카메라 이미지이다.
도 3은 유리 워크피스를 용접하면서 레이저 용접 프로세스를 실행하는 동안에, 프로세스 존 및 그 주변을 카메라로 포착한 추가의 카메라 이미지이다.
도 1은 유리 워크피스를 용접하는 레이저 용접 프로세스를 모니터링하는 장치의 개략도이다.
도 2는 유리 워크피스를 용접하면서 레이저 용접 프로세스를 실행하는 동안에, 프로세스 존 및 그 주변을 카메라로 포착한 카메라 이미지이다.
도 3은 유리 워크피스를 용접하면서 레이저 용접 프로세스를 실행하는 동안에, 프로세스 존 및 그 주변을 카메라로 포착한 추가의 카메라 이미지이다.
이하에서, 바람직한 예시적인 실시예를 도면을 통해 설명한다. 여러 도면에서 동등 또는 유사하거나 동일한 효과를 갖는 요소들은 동일한 참조 부호로 나타내고, 이들 요소에 대한 반복된 설명은 장황함을 피하기 위해 부분적으로 생략한다.
도 1은 두 개의 워크피스(110, 120)를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 장치(1)를 개략적으로 보여준다.
도시한 실시예에서, 워크피스(110, 120)는, 예컨대 그 워크피스(110, 200) 사이에 배치되는 공통의 경계면(100)에서 서로 나란히 배치되는 두 유리판(glass pane)의 형태인 유리로 형성되고, 경계면(100)의 단면에서 함께 용접된다. 환언하면, 도 1에 도시한 상측 워크피스(110)의 바닥측(114)의 적어도 일부는 하측 워크피스(120)의 상측(122)에 접한다. 따라서, 하측 워크피스(120)의 상측(122)과 상측 워크피스(110)의 바닥측(114)은 함께 경계면(100)을 형성하며, 그 경계면에서 용접이 수행되거나 및/또는 수행되었다.
두 개의 워크피스(110, 120)는, 용접 전조차 서로에 대해 두 워크피스(110, 120)를 임시적으로 위치설정하고 고정하기 위하여, 경계면(100)이 형성되는 영역에서 광 접촉 접합(optical contact bonding)에 의해 결합될 수 있다.
재료, 즉 유리의 성질로 인하여, 두 개의 워크피스(110, 120)는 두 개의 워크피스(110, 120)를 용접시키는 레이저 방사선에 대해 실질상 투과성이 있다. 따라서, 용접을 수행하기 위해 제공되는 레이저 방사선은 워크피스(110, 120)를 통과할 수 있고, 특히, 상측 워크피스(110)를 통과하여 경계면(100)에 이를 수 있다. 이는 두 개의 워크피스(110, 120)에 의해 형성되는 워크피스 볼륨 내에서 용접 워크피스(110, 120)를 용접할 수 있게 한다.
적어도 두 워크피스에 의해 형성된 워크피스 볼륨 내에서의 이러한 용접은 레이저 방사선에 대해 불투과성인 재료를 이용하여서는 불가능하다.
그러나, 상측 워크피스(110)만이 가공 빔에 대해 투과성이 있고 대조적으로 하측 워크피스(120)는 불투과성이 되도록 워크피스(110, 120)를 설계할 수도 있다. 따라서, 예컨대, 가공 빔의 방향으로 아래에 놓이는 금속 재료와 유리 재료의 용접도 고려될 수 있다.
장치(1)는 가공 대물렌즈(2)를 포함하며, 이 대물렌즈를 통과하여 가공 빔(20)이 워크피스(110, 120)에 충돌하고 프로세스 존(200)에 집속되어, 가공 빔(20)의 강도는 프로세스 존(200)에 위치한 초점에서 가장 크고, 반면에 주변 영역에서는 더 낮다. 프로세스 존(200)에서 재료의 가공이 일어나는데, 초점에서의 가공 빔(20)의 높은 강도로 인해 프로세스 존(200)에 존재하는 재료가 용융되기 때문이다. 따라서, 프로세스 존(200)에 이전에 별도로 존재하고 있었고 이제 용융에 의해 재료적으로 결합되는 방식으로 연결되는 두 재료 영역의 용접을, 후속 냉각 중에 달성할 수 있다.
가공 빔(20)은 바람직하게는 레이저 빔의 형태로, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔의 형태로 제공된다. 특히 초단 펄스 레이저 빔을 이용하면, 가공 대물렌즈(2)에 의해 제공되는 초점에서의 매우 높은 강도로 인하여 적어도 하나의 워크피스(110, 120)의 유리 재료에서 비선형 흡수 효과가 달성된다. 적절한 반복율의 레이저 펄스를 이용하면, 상기 유리 재료에서 열 축적 효과가 일어나고, 이는 프로세스 존(200)에서 유리 재료의 국부적 용융을 초래한다.
워크피스(110, 120)의 용접을 달성하기 위하여, 프로세스 존(200)은 경계면(100)에 인접하여 배치되거나 또는 경계면(100)을 포함하도록 놓여진다. 이를 위해, 가공 빔(20)은, 상응하여 구성되어 셋업된 가공 대물렌즈(2)에 의해 프로세스 존(200) 내로 준비되어 집속된다.
프로세스 존(200)에서 워크피스(110, 120)를 가공, 특히 용접하기 위한 가공 빔(20)용 가공 대물렌즈(2)의 실시예는 일반적으로 알려져 있다. 이는 초단 펄스 레이저의 이용에도 적용된다.
가공 빔(20)의 초점이 위치하는 프로세스 존(200)에서, 하나, 복수 또는 모든 워크피스(110, 120)의 재료는, 이전에 용융된 재료가 다시 응고된 후에, 그 용융되고 응고된 재료로 인해 워크피스(110, 120)가 용접되도록 하기 위하여, 용융된다. 프로세스 존(200)은 가공 빔(20)의 초점과 동일한 확장을 갖거나 또는 더 확장할 수도 있다.
가공 대물렌즈(2)와 함께 가공 빔(20)은, 워크피스(110, 120) 내에 용접선(210)을 그리도록, 변위 방향(X)으로 워크피스(110, 120)에 대해 변위 가능하다. 이와 관련하여, 워크피스(110, 120) 또는 가공 대물렌즈(2)와 함께 가공 빔(20) 또는 양자 모두 상기 변위 방향(X)으로 변위될 수 있다. 대응하여 보다 복잡한 형태의 용접선(210)을 그리기 위하여, 경계면(100)에 의해 형성되는 평면에 평행한 이동을 수행할 수도 있다.
이와 관련하여, 프로세스 존(200)은 두 개의 워크피스(110, 120) 사이에 위치하고 경계면(100)을 둘러싼다. 가공 빔(20)은 워크피스(110, 120)의 투과성으로 인해 워크피스(110, 120)를 통과할 수 있고, 후속하여 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 유리 볼륨 내부에 위치한 프로세스 존(200)을 가공할 수 있다.
워크피스(110, 120)에 의해 형성된 유리 볼륨 내에 위치한 이러한 프로세스 존(200)의 배치는, 레이저 방사선에 대해 불투과성인 재료가 용접되는 프로세스 존과는 직경 방향으로 상이하다. 불투과성 재료의 경우, 예컨대 두 금속 워크피스를 함께 용접하는 경우, 가공 빔이 제1 워크피스의 상측을 통과할 수 없어, 제1 워크피스의 바닥측을 그 워크피스의 바닥측에 대향하는 제2 워크피스에 용접할 수 있게 한다. 사실, 상기 가공 빔은 상기 불투과성 워크피스를 투과할 수 없다.
따라서, 적어도 두 개의 워크피스(110, 120)에 의해 형성되는 상기 유리 볼륨 내부로 가공 빔(20)이 집속할 수 있도록 하는 가공 대물렌즈(2)의 특별한 실시예 및 셋업이 유리하다.
제1 워크피스(110) 및/또는 제2 워크피스(120)의 재료를 용융하고 이어서 그 용융된 재료를 응고시켜 용접선(210)을 형성하는 프로세스는 플라즈마 영역의 형성에 의해 설명할 수도 있는데, 먼저, 가공 빔(20)의 초점에서 상기 재료의 가열이 일어나고, 이어서 높은 흡수 플라즈마가 비선형 흡수에 의해 형성되는데, 전자들이 원자핵에 에너지를 발산하고, 따라서 결과적으로 생기는 열 축적 효과로 격자 진동을 야기하기 때문이다.
레이저 강도의 높은 흡수는, 플라즈마 표면에서의 강한 흡수로 인하여, 플라즈마가 대응하는 버블형 방식으로 가공 빔(20)의 방향으로 추가 확장하거나 및/또는 상기 빔 소스를 향하는 방향으로 가공 빔(20)을 따라 이동할 수 있는 방식으로, 플라즈마 표면에서 일어난다. 이러한 확장 및/또는 로케이션의 변화 및/또는 위치의 변화의 프로세스는, 상기 확장때문에 가공 빔(20)의 초점을 다 사용한 상기 플라즈마의 표면에, 상기 영역에 더 이상 집속되지 않는 가공 빔(20)에 의해 플라즈마를 유지하기에 충분한 강도가 더 이상 공급되지 않자마자 종료되어, 플라즈마는 붕괴되고 상기 버블 형성의 프로세스가 가공 빔(20)의 초점에 상기 에너지가 도입되는 것으로부터 시작하여, 다시 시작된다. 이와 같이 버블 형성은 주기적으로 일어나고, 각각의 경우에 가공 빔(20)의 초점으로부터 시작한다. 따라서 버블의 형태는 가공 빔(20)의 방향으로 길어진다(elongated).
상기한 바와 같이, 제공되는 재료, 예컨대 유리 재료의 용융은 프로세스 존(200)에서 일어난다. 이 시점에서, 프로세스 존(200)은 전자기 방사선을 방출한다. 이러한 전자기 방사선의 방출은, 적어도 프로세스 존(200)이 가공 빔(20)에 노출되는 동안에 일어나지만, 상기 용융되고 응고하는 재료의 온도가 상승되는 한, 일종의 잔광(afterglow) 역시 일어날 수도 있다.
이와 관련하여, 상기 프로세스 존(200)에 의해 방출된 전자기 방사선은 프로세스 존(200)에서 반사 또는 산란된 가공 빔(20)의 방사선일 수 있다. 상기 프로세스 존(200)에 의해 방출된 전자기 방사선은 상기 용융된 유리 재료의 열 방사선일 수도 있다.
따라서, 전자기 방사선이 프로세스 존(200)으로부터 방출되어, 프로세스 존(200)은 사실상, 워크피스(110, 120)의 내부 조사를 위한 방사선원으로서 간주될 수 있다.
프로세스 존(200)은 바람직하게는 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 상기 볼륨 내부에 배치되기 때문에, 프로세스 존(200)은 또한, 내부로부터 워크피스(110, 120)를 사실상 조사하는, 워크피스 (110, 120) 내부에 배치된 방사선원으로서 간주될 수 있다.
프로세스 존(200)에 의해 방출되고 상기 적어도 하나의 워크피스로부터 유래하는 방사선은 예컨대, 가공 대물렌즈(2)를 이용하여 포착되고(captured), 이어서, 빔 스플리터(30), 광 필터 요소(32) 및 집속 렌즈(34)를 통해 이미지 센서(36) 위에 촬상되어(imaged), 이미지 센서(36)는 대응하여, 워크피스의 공간 분해된 이미지에 의해 작용되어, 대응하는 신호를 출력한다.
빔 스플리터(30)는 예컨대, 다이크로익 미러(dichroic mirror)로서 설계될 수 있다.
예컨대, 빔 스플리터(30)에 의해 디커플링된 상기 방사선을 약화시키기 위하여 및/또는 특정 파장 범위를 선택하기 위하여 및/또는 반사된 가공 빔을 억제하기 위하여, 광 필터 요소(32)가 선택될 수 있다.
이미지 센서(36)는 예컨대, 매트릭스 카메라(matrix camera)의 형태로 제공될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 매트릭스 카메라는 측정할 온도 복사에 적합한, 즉 충분히 높은 스펙트럼 감도(spectral sensitivity)를 갖고 있다. 별법으로서, 복수의 개개의 카메라, 특히 매트릭스 카메라가 검출기 시스템으로서 제공될 수 있으며, 단일의 선택적인 스펙트럼 범위가 개개의 카메라 위로 촬상된다. 상기 또는 적어도 하나의 매트릭스 카메라는 상이한 반도체 재료로 제조될 수 있다.
가시 스텍트럼 범위로부터 근적외선 내지 원적외선까지의 방사선용 카메라가 이미지 센서(36)로서 사용될 수 있다. 예컨대, 상기 이미지 센서용 카메라로서 예컨대, CCD, CMOS 및/또는 InGaAs 카메라가 적절하다. 한편, 이러한 카메라 리스트는 완전한 것이 아니며, 추가의 적절한 종류의 카메라 역시 사용될 수 있다.
개개의 카메라를 이용하여 이미지 센서(36)를 형성한다면, 복수의 상이한 카메라를 결합할 수 있다. 예컨대, 측정할 상이한 스펙트럼 범위에 대하여, 스펙트럼 감도가 상이한 여러 상이한 카메라를 이용할 수도 있다.
이미지 센서(36)에 의해, 프로세스 존(200)에 의해 방출되고 워크피스(110, 120)로부터 유래하는 방사선의 공간 분해된 이미지가 대응하여 달성될 수 있다.
따라서, 프로세스 존(200)으로부터 방출되고 상기 둘러싸는 영역으로부터 유래하는 방사선의 공간적으로 분해된 포착이 이미지 센서(36)에 의해 달성될 수 있다.
방사선원이 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 유리 볼륨 내에 배치되는 상기 가공 작업 중에, 프로세스 존(200)이 사실상 방사선원 역할을 함에 따라, 이미지 센서(36)에 의해, 방사선원 역할을 하는 프로세스 존(200)에 의해 방사된 환경의 이미지, 특히 프로세스 존(200)에 의해 방사된 유리 볼륨의 이미지를 포착할 수 있다. 따라서, 프로세스 존(200)으로부터의 방사선의 산란 및/또는 반사를 통해, 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 유리 볼륨 내의 크랙, 결점 또는 결함의 형성을 검출할 수 있다.
따라서, 프로세스 존(200)에 의해 방출된 방사선의 산란 및/또는 반사에 대하여 광학적 역할을 하는 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 출현 및/또는 변화를 이미지 센서(36)를 이용하여 검출할 수도 있다.
가공 대물렌즈(2)를 통해 포착되고 빔 스플리터(30)를 통해 커플링된 방사선을 포착하는 이미지 센서(36)에 추가하여 또는 그 이미지 센서(36)의 대안으로서, 대물렌즈(44)에 의해 워크피스(110, 120)의 상기 볼륨으로부터 방출된 방사선을 촬상가능케 하는 이미지 센서(46)가 제공될 수 있다. 상기한 이미지 센서(36)처럼 설계될 수 있는 상기 추가의 또는 별법의 이미지 센서(46)에 의해, 가공 대물렌즈(2)와는 독립적인 위치에서, 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 상기 볼륨 내의 크랙, 결점 또는 기타 결함을 검출할 수 있다.
따라서, 가공 대물렌즈(2)와 독립적인 이미지 센서(46)를 이용하여, 프로세스 존(200) 바로 인근뿐만 아니라, 크랙, 결함 및 결점에서 방출된 방사선의 이미지를 위한 워크피스(110, 120)의 기타 임의의 위치를 볼 수 있다. 따라서, 더 넓은 영역에 걸쳐 또는 전체 범위에 걸쳐 워크피스(110, 120)의 품질 제어를 수행할 수 있다. 환언하면, 상기 품질 제어는 용접선(210)의 바로 부근으로 제한되는 것이 아니며, 그로부터 일정 거리 떨어진 위치에 있는 범위도 포함할 수 있다.
도 2는 용접선(210)을 에워싸는 영역의 카메라 이미지를 보여준다. 이와 관련하여, 대응하는 섬광(glow)을 초기에 프로세스 존(200) 내에서 볼 수 있는데, 프로세스 존(200)으로부터의 방사선의 방출을 나타낸다. 프로세스 존(200)은 도시된 워크피스(110)에 대해 x 방향으로 이동한다. 따라서, 이미 형성된 용접선(210) 역시 상기 카메라 이미지에서 볼 수 있다.
방사선원 역할을 하는 프로세스 존(200)으로부터 방출된 방사선은 이미 존재하거나 상기 가공 중에 형성된 크랙(220) 및/또는 결함 및/또는 결점에서 산란 또는 반사되어, 크랙(220) 및/또는 결함 및/또는 결점을 상기 카메라 이미지에서 볼 수 있다.
도 2는 용접 프로세스 중에 나타난 용접선(210)이 있는 프로세스 존(200)과, 워크피스(110) 내의 크랙(220) 또는 기타 결함 또는 결점의 존재 또는 형성을 보여준다. 이와 관련하여, 크랙(220), 결함 또는 결점은 상기 가공 작업 때문에, 특히 프로세스 존(200) 내의 열 때문에 필연적으로 나타나거나 출현한 것은 아니지만, 이들 크랙(220), 결함 또는 결점은 상기 가공 작업의 시작 전에 이미 존재했을 수도 있다. 상기한 카메라 이미지의 포착에 의해, 상기 가공으로 인하여, 상기 크랙, 결함 또는 결점이 변화, 예컨대 더 커지거나 더 작아졌는지 여부를 모니터링할 수도 있다.
워크피스와 가공 대물렌즈(2) 사이의 상대적인 위치설정으로 인한 워크피스(110) 내의 프로세스 존(200)의 상대적인 위치를 정확히 알면, 상기 공간적으로 분해된 카메라 이미지에 의해, 워크피스(110)에 대한 크랙 및/또는 결점 및/또는 크랙의 정확한 위치설정이 가능하다.
또한, 상기 카메라 이미지의 추가의 시간 분해 포착의 경우에, 크랙(220), 결함 또는 결점의 변화 역시 시간에 따라 모니터링할 수 있다.
워크피스(110) 내의 크랙(220), 결점 및/또는 결함의 형성 및/또는 변화의 관찰은 실시간으로 수행될 수도 있다. 이는, 프로세스 파라미터의 변화에 대한 워크피스(110)의 재료의 응답을 즉시 볼 수 있기 때문에, 실제의 가공 작업의 파라미터의 최적화를 효율적인 방식으로 가능케 한다.
크랙 및/또는 결점 및/또는 결함을 위치특정할 수 있기 때문에, 프로세스 파라미터의 추적 또는 조절을 수행할 수 있다. 예컨대, 가공 빔(20)의 파워 또는 공급율(feed rate)을 적응시킬 수 있다. 예컨대, 하나, 복수 또는 모든 워크피스(110, 120) 내에서 과잉의 크랙 발생이 검출되면, 도입된 온도 구배에 의해 야기되는 장력으로 인한 크랙의 형성을 감소시키기 위하여, 가공 빔(20)의 파워를 감소시키거나 공급율을 증대시킬 수 있다.
도 3은 추가의 예시적인 카메라 이미지로서, 상기 방사선의 방출이 있는 프로세스 존(200)과 프로세스 존(200)에 바로 인접한 크랙(220)에서 시작하는 방사선의 발생을 볼 수 있다.
이미지 센서(36 및/또는 46)에 의해 포착된 상기 이미지의 평가는 예컨대, 먼저, 포착된 신호를 준비함으로써 수행될 수 있다. 예를 들어, 신호의 필터링 및/또는 노이즈 감소 및/또는 상기 신호의 평활화를 수행할 수 있고, 및/또는 상기 신호의 특별한 특징을 강조할 수 있고, 및/또는 콘트라스트 강조 및/또는 엣지 필터링 등을 수행할 수도 있다.
이미지 센서(36 및/또는 46)에 의해 포착된 상기 신호는 화상 처리에 의해 처리될 수도 있는데, 이 신호 처리에서, 예컨대 상기 결정된 신호 및/또는 그 신호가 나타내는 이미지의 동기화가 상기 프로세스 존 바깥의 강도 값의 목표 분포와 비교되고, 상기 목표 분포에서 벗어나는, 상기 프로세스 존 바깥 영역을 그 벗어나는 영역의 밝기 및/또는 콘트라스트 및/또는 형태 및/또는 크기 면에서 평가하여 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함을 결정할 수도 있다.
상기 준비된 신호에 대한 추가의 또는 별법의 평가는 예컨대, 개개의 이미지 화소의 강도 값에 걸친 공간적 적분 및 후속하여 이전에 결정된 허용오차 범위(tolerance range)와의 비교에 의해 달성될 수도 있다. 따라서, 상기 워크피스의 좌표계에서의 위치 정보가 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화의 면에서 결정될 수 있다.
이와 관련하여, 워크피스(110, 120)의 각 단면에서 사용된 센서(36, 46)의 관찰 필드의 적합성(conformity)의 일탈로 인하여 상기 위치의 결정과 관련한 불확실성이 생길 수 있다. 이러한 불확실성은 각각 보이는 초점면에 대한 상기 센서 시스템의 초기 교정 및/또는 상기 센서(36, 46)에 의해 검출가능한 위치/또는 거리 마킹을 적용하여 감소시킬 수도 있다.
미리정의된 허용한계의 초과시에 자동화된 에러 출력이 일어나도록 하여, 가공 작업에 의해 폐기물이 생성될 가능성이 높은 경우에는 용접 프로세스를 중단시키는 것이 특히 바람직하다.
더욱이, 상기 가공 작업을 안정화시키는 대책을 제공하여, 그에 따라 프로세스 파라미터를 자동으로 적합화시켜, 크랙, 결함 또는 결점의 발생 또는 변화를 감소시킬 수 있다.
적용가능하다면, 상기 예시적인 실시예에서 제공된 모든 개개의 특징은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서, 서로 결합되거나 및/또는 교환될 수 있다.
1: 용접 프로세스를 모니터링하는 장치
100: 경계면
110: (상측) 워크피스
112: 상측 워크피스의 상측면
114: 상측 워크피스의 하측면
120: (하측) 워크피스
122: 하측 워크피스의 상측면
124: 하측 워크피스의 하측면
2: 가공 대물렌즈
20: 가공 빔
200: 프로세스 존
210: 용접선
220: 크랙 및/또는 크랙에서의 반사/산란
30: 빔 스플리터
32: 광 필터
34: 집속 렌즈
36: 이미지 센서
44: 광학소자
46: 이미지 센서
X: 변위 방향
100: 경계면
110: (상측) 워크피스
112: 상측 워크피스의 상측면
114: 상측 워크피스의 하측면
120: (하측) 워크피스
122: 하측 워크피스의 상측면
124: 하측 워크피스의 하측면
2: 가공 대물렌즈
20: 가공 빔
200: 프로세스 존
210: 용접선
220: 크랙 및/또는 크랙에서의 반사/산란
30: 빔 스플리터
32: 광 필터
34: 집속 렌즈
36: 이미지 센서
44: 광학소자
46: 이미지 센서
X: 변위 방향
Claims (14)
- 적어도 하나의 유리 워크피스(110)를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스(120)에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법으로서, 상기 워크피스들(110, 120)은 가공 빔, 바람직하게는 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔에 노출되는 프로세스 존(200)에서 함께 용접되는, 상기 방법에 있어서,
상기 프로세스 존(200)에 의해 방출되고 상기 워크피스(110, 120) 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선이 공간 분해 방식으로 검출되는 것을 특징으로 하는 방법. - 청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 워크피스(110, 120)로부터 유래하는 방사선이 상기 프로세스 존(200) 바깥에서 공간 분해 방식으로 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 워크피스(110, 120)로부터 유래하는 상기 방사선은 시간 분해 방식으로 검출되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 워크피스로부터 유래하는 상기 방사선은 이미지 센서(36, 46)에 의해 포착되어, 그 이미지 센서(36, 46)에 의해 신호로 변환되며, 상기 신호는 후속 평가를 위해 준비되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 4에 있어서, 상기 신호는 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화와 관련하여 평가되고, 미리 정해진 허용 한계가 초과되는 경우 에러 출력을 수행하는 것이 특히 바람직한 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 4 또는 청구항 5에 있어서, 상기 신호는 필터링 및/또는 노이즈 감소 및/또는 평활화 및/또는 특정 특징의 강조 및/또는 콘트라스트 강조 및/또는 엣지 필터에 의해 준비되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 바람직하게는 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 존재 및/또는 형성 및/또는 변화, 및/또는 크랙 및/또는 결함 및/또는 결점의 존재 및/또는 출현을 검출하기 위하여, 상기 신호는 이미지 픽셀의 강도 값에 걸친 공간적 적분, 후속 동기화 및 이전에 결정된 목표값과의 후속 비교에 의해 및/또는 강도 값의 이전에 결정된 목표 분포와 강도 값의 동기화에 의해 평가되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 공간 분해 방식으로 검출되고 상기 워크피스(110, 120) 중 적어도 하나에서 유래하는 방사선에 기초하여 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함에 대한 식별이 수행되고, 그 식별된 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함이 공간 분해 방식으로 출력되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세스 존(200)에 대한 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 위치특정이 수행되고, 상기 크랙 및/또는 결점 및/또는 결함의 위치특정이 출력되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서, 두 개의 유리 워크피스(110, 120)가 함께 용접되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 적어도 하나의 유리 워크피스(110)를 바람직하게는 유리로 제조된 추가의 워크피스(120)에 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 장치(1)로서, 상기 장치는 상기 워크피스(110, 120) 중 적어도 하나의 프로세스 존(200)을 가공 빔(20), 바람직하게는 레이저 빔, 특히 바람직하게는 초단 펄스 레이저 빔에 노출하기 위한 가공 대물렌즈(2)를 포함하는 것인, 상기 장치에 있어서,
상기 프로세스 존(200)에 의해 방출되고 상기 워크피스(110, 120) 중 적어도 하나로부터 유래하는 방사선을 공간 분해 방식으로 검출하기 위한 이미지 센서(36, 46)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치(1). - 청구항 11에 있어서, 상기 워크피스(110, 120)로부터 유래하는 상기 방사선을 포착하고 상기 방사선을 상기 이미지 센서(36, 46) 위에 촬상하기 위한 광학소자를 포함하고, 상기 광학소자는 바람직하게는 상기 가공 대물렌즈(2) 또는 상기 가공 대물렌즈(2)와는 별개의 대물렌즈(44)에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
- 청구항 11 또는 청구항 12에 있어서, 상기 가공 대물렌즈(2)로 노출되고 바람직하게는 빔 스플리터(30) 및/또는 광 필터(32) 및/또는 집속 렌즈(34)가 개재되는 이미지 센서(36) 및/또는 상기 가공 대물렌즈(2)와 별개의 대물렌즈(44)로 노출되는 이미지 센서(46)가 제공되는 것을 특징으로 하는 장치(1).
- 청구항 11 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가공 대물렌즈(2)는 상기 적어도 하나의 워크피스(110, 120)에 의해 형성된 유리 볼륨 내에 위치한 프로세스 존(200)에 상기 가공 빔(20)을 집속하도록 설계 및 구성된 것을 특징으로 하는 장치(1).
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102018128368.7 | 2018-11-13 | ||
| DE102018128368.7A DE102018128368A1 (de) | 2018-11-13 | 2018-11-13 | Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas |
| PCT/EP2019/081049 WO2020099420A1 (de) | 2018-11-13 | 2019-11-12 | Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines schweissprozesses zum verschweissen von werkstücken aus glas |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20210089750A true KR20210089750A (ko) | 2021-07-16 |
| KR102662183B1 KR102662183B1 (ko) | 2024-04-29 |
Family
ID=
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP3880395A1 (de) | 2021-09-22 |
| US20210260700A1 (en) | 2021-08-26 |
| CN113195149A (zh) | 2021-07-30 |
| DE102018128368A1 (de) | 2020-05-14 |
| WO2020099420A1 (de) | 2020-05-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102545441B1 (ko) | 유리 워크피스를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치 | |
| US20210260700A1 (en) | Methods and devices for monitoring a welding process for welding glass workpieces | |
| US11229973B2 (en) | Detection of hot cracks in laser welding | |
| KR101515736B1 (ko) | 공작물에 대한 절삭 가공을 모니터링하는 절삭 가공의 모니터링 방법 | |
| JP6808027B2 (ja) | 溶接深さを光学的に測定するための方法 | |
| US9501821B2 (en) | Method for detecting defects during a laser-machining process and laser-machining device | |
| JP5947741B2 (ja) | 溶接部の検査装置とその検査方法 | |
| JP2720744B2 (ja) | レーザ加工機 | |
| JP5875630B2 (ja) | 不完全切断を識別するための方法および装置 | |
| US8207471B2 (en) | Method for measuring phase boundaries of a material during machining with a machining beam using additional illumination radiation and an automated image processing algorithm, and associated device | |
| JP2013528495A (ja) | レーザ切断ヘッドおよびレーザ切断ヘッドを用いて被加工物を切断する方法 | |
| CN103781618A (zh) | 用于实施和监控塑料激光透射焊接工艺的装置和方法 | |
| EP4026648B1 (en) | Laser machining device, and process of laser machining | |
| JP2016002580A (ja) | レーザの焦点ずれ検査方法 | |
| JP4349075B2 (ja) | レーザ加工方法及び加工状態判断方法 | |
| JP2021058927A (ja) | レーザ溶接品質検査の方法及びレーザ溶接品質検査装置 | |
| CN104923912A (zh) | 激光焊接检查装置以及激光焊接检查方法 | |
| KR102662183B1 (ko) | 유리 워크피스를 용접하는 용접 프로세스를 모니터링하는 방법 및 장치 | |
| JP2021186848A (ja) | レーザ加工装置 | |
| JP5224061B2 (ja) | レーザ溶接品質評価方法及び装置 | |
| JP3169354B2 (ja) | レーザ溶接加工モニタリング装置 | |
| JP2014024068A (ja) | レーザ溶接におけるビード検査方法およびレーザ溶接方法 | |
| CN113714635A (zh) | 激光加工装置 | |
| Dorsch et al. | Online NIR diagnostic of laser welding processes and its potential for quality assuring sensor systems | |
| Breese et al. | In-situ defect detection via active laser thermographic testing for PBF-LB/M |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| AMND | Amendment | ||
| E601 | Decision to refuse application | ||
| AMND | Amendment | ||
| X701 | Decision to grant (after re-examination) |