TWI616263B

TWI616263B - 雷射焊接的異常事件的偵測方法及其偵測系統

Info

Publication number: TWI616263B
Application number: TW105143423A
Authority: TW
Inventors: 吳宜恆; 陳洪正; 王智中
Original assignee: 裕隆汽車製造股份有限公司
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-03-01
Also published as: TW201822935A

Abstract

一種雷射焊接的異常事件的偵測方法，其包括：利用一感測單元感測至少一組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波以得到具有至少一有效訊號的一量測訊號、轉換各有效訊號為一頻域訊號、以及根據各頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件。其中，當各頻域訊號未滿足任一強度條件時，判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件。反之，當各頻域訊號滿足至少一強度條件時，判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件。於此，各有效訊號分別代表一組焊接物的雷射焊接的執行。

Description

雷射焊接的異常事件的偵測方法及其偵測系統

本發明是關於一種雷射焊接技術，特別是關於一種雷射焊接的異常事件的偵測方法及其偵測系統。

隨著工業技術發展，雷射焊接技術為一種新的焊接技術，並且已被廣泛的應用於資訊科技(IT)、醫療、電子、汽車、機械和航空等各種行業。雷射焊接技術在焊縫寬度、質量，焊接速度、變形、效率、焊接控制度、定位精確度等方面存在著其他熔化焊接技術無法比擬的優勢。

雷射焊接技術是利用原子受激輻射原理使雷射材料受激而產生單色性好、方向性強且強度很高的雷射束，並且使產生的雷射束聚焦於欲進行焊接的焊接物上，以致雷射束在千分之幾秒甚至更短時間內被焊接物吸收後再轉化成熱能而熔化焊接物，最終熔化後的焊接物經冷卻結晶以實現焊接物的連接。

於雷射焊接的自動生產線上，雷射焊接機台雖設有焊接檢測設備，但此焊接檢測設備僅用於提醒作業員已執行的焊接次數並無法藉以得知雷射焊接機台是否有正確地進行焊接物的焊接。作業員需在大量焊接物焊接完成之後逐一以肉眼檢測各焊接物的的焊點，以確定是否有不良焊點(未成功接合)。當焊接物上有不良焊點時，此焊接物則利用雷射焊接機台重焊。然而，重焊作業相當麻煩，而重焊的部分係不光滑且易於損壞。

由於在雷射焊接過程中會產生的強光，例如：閃光、電漿等，因此作業員在焊接過程中是無法進行焊接狀態的檢測。作業員只能在每個單位之焊接製程完成之後再進行檢測。並且，在整個焊接製程完成前，須反復批量進行焊接動作及檢測動作，因而減弱了雷射焊接可實現非接觸高速焊接的優點。

再者，對於焊接強度的檢測，一般是以抽樣的方式對做為檢測樣品的焊接物進行破壞性檢測來確定各檢測樣品的焊點的接合強度是否足夠，進而判定於形成此些檢測樣品的連續時段中所形成的所有焊接物的焊接品質。換言之，電子產品上的各個焊接物僅能確認是否成功接合，對於焊接物的焊接品質(如，接合強度)則僅是推測良好並未能實際進行檢測。然而，電子產品的可靠度及耐久性卻與各焊接物的焊接品質息息相關。

在一實施例中，一種雷射焊接的異常事件的偵測方法，其包括：利用一感測單元感測至少一組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波以得到具有至少一有效訊號的一量測訊號、轉換各有效訊號為一頻域訊號、以及根據各頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件。其中，當各頻域訊號未滿足任一強度條件時，判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件。反之，當各頻域訊號滿足至少一強度條件時，判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件。於此，各有效訊號分別代表一組焊接物的雷射焊接的執行。

在一實施例中，一種雷射焊接的異常事件的偵測系統，其包括：一感測單元、一訊號產生電路以及一處理單元。訊號產生電路耦接感測單元，並且處理單元耦接訊號產生電路。訊號產生電路藉由感測單元感測至少一組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波以得到具有至少一有效訊號的一量測訊號。處理單元接收量測訊號、轉換各有效訊號為一頻域訊號以及根據各頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件。其中，當各頻域訊號未滿足任一強度條件時，處理單元判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件；以及當各頻域訊號滿足至少一強度條件時，處理單元判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件。於此，各有效訊號分別代表一組焊接物的雷射焊接的執行。

綜上，根據本發明的雷射焊接的異常事件的偵測方法及其偵測系統，其利用振動波的感測單元感測各組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波並透過分析振動波的量測訊號的頻域訊號來判定雷射焊接製程是否存在異常事件，藉以即時警告焊接時所發生的異常事件(如，失焦、雷射功率異常、材料離隙過大等製程參數異常)，並且能進一步即時矯正(如，依據檢測結果解焊具有不合格焊點的焊接物並重新進行解焊後的焊接物焊接)，進而提升電子產品的可靠度及耐久性。

10‧‧‧偵測系統

110‧‧‧聲音/振動量測模組

112‧‧‧感測單元

114‧‧‧訊號產生電路

150‧‧‧處理單元

170‧‧‧儲存單元

20‧‧‧雷射焊接機台

210‧‧‧焊接載台

230‧‧‧雷射焊頭

250‧‧‧機台控制組件

30‧‧‧焊接物

330‧‧‧焊點

SS‧‧‧量測訊號

S1‧‧‧有效訊號

S40~S80‧‧‧步驟

圖1是根據本發明一實施例的雷射焊接的異常事件的偵測系統的功能方塊圖。

圖2是應用圖1之偵測系統的雷射焊接機台的示意圖。

圖3是根據本發明一實施例的雷射焊接的異常事件的偵測方法的流程圖。

圖4是量測訊號的一示範例的波形圖。

圖5是頻域訊號的第一示範例的波形圖。

圖6是頻域訊號的第二示範例的波形圖。

圖7是頻域訊號的第三示範例的波形圖。

圖8是頻域訊號的第四示範例的波形圖。

圖9是頻域訊號的第五示範例的波形圖。

圖1是根據本發明一實施例的雷射焊接的異常事件的偵測系統的功能方塊圖。參照圖1，雷射焊接的異常事件的偵測系統(以下簡稱「偵測系統10」)包括：一聲音/振動量測模組110以及一處理單元150。聲音/振動量測模組110包括一感測單元112以及一訊號產生電路114。訊號產生電路114耦接感測單元112，並且處理單元150耦接訊號產生電路114。

圖2是應用圖1之偵測系統10的雷射焊接機台的示意圖。參照圖2，雷射焊接機台20包括焊接載台210、雷射焊頭230與機台控制組件250。雷射焊頭230對應於焊接載台210並設置於機台控制組件250上。待進行焊接的電子產品或其組件(以下通稱「焊接物30」)設置在焊接載台210上。機台控制組件250能移動焊頭230至欲進行焊接的位置並驅動焊頭230以雷射焊接方式將一組焊接物30(如，二鈑件)焊接在一起。於此，此組焊接物30的接合處形成一焊縫，即為焊點330。感測單元112用以感測至各組焊接物30進行雷射焊接時產生的振動波。

在一些實施例中，感測單元112可固定設置於焊接載台210上，或者固定設置在焊接載台210附近能接收到雷射焊接機台20進行焊接物30的雷射焊接時產生的振動波的任意位置。

在一些實施例中，機台控制組件250具有一移動組件、一驅動組件以及一處理單元(圖未示)。處理單元耦接移動組件與驅動組件。雷射焊頭230裝設在移動組件上並且耦接驅動組件。處理單元控制移動組件移動以帶動雷射焊頭230至欲進行焊接的位置，然後處理單元控制驅動組件驅動雷射焊頭230射出雷射束以進行焊接。在一實施例中，雷射焊接機台20與偵測系統10可個別設置獨立的處理單元進行各自的運作控制。在另一實施例中，雷射焊接機台20與偵測系統10亦可共用處理單元150進行運作的控制。以下以共用處理單元150為例進行檢測運作的說明。

圖3是根據本發明一實施例的雷射焊接的異常事件的偵測方法的流程圖。參照圖1至3，於處理單元150開始控制焊件運作時或之前，處理單元150啟動訊號產生電路114。於雷射焊接實施過程中，訊號產生電路114藉由感測單元112感測至少一組焊接物30進行雷射焊接時產生的振動波以得到一量測訊號(步驟S40)。在一些實施例中，此量測訊號可為相當於感測單元112感測到的振動波的原始類比訊號，或者是由訊號產生電路114對原始類比訊號進行強化處理而得的強化後類比訊號。其中，強化處理可為濾波、放大或其組合等不改變訊號本質的訊號處理程序。

在一實施例中，感測單元112可為一麥克風，而訊號產生電路114可為音訊輸入電路。換言之，音訊輸入電路藉由麥克風接收焊接物30進行雷射焊接時產生的聲音(聲波)以得到一聲音訊號。在另一實施例中，感測單元112可為一加速規。換言之，訊號產生電路114藉由加速規感測焊接物30進行雷射焊接時產生的振動(振動波)以得到一量測訊號。

於此，如圖4所示，得到的量測訊號SS具有至少一有效訊號S1，並且每一有效訊號S1代表一組焊接物30的雷射焊接的執行。在一實施例中，處理單元150接收量測訊號SS並找出接收量測訊號SS中的每個有效訊號S1。在一些實施例中，處理單元150依循發生時間找出量測訊號SS的每個有值訊號區段並且定義為有效訊號S1。換言之，任二有值訊號區段(任二有效訊號S1)之間存在有一空白時間區間。於此，有值訊號區段是指量測訊號SS中連續時間的一段訊號區段，且此段訊號區段具有不為零或大於強度閥值的至少一訊號峰值。其中，強度閥值為預設之正數值。

處理單元150轉換各有效訊號S1為一頻域訊號(步驟S50)。並且，處理單元150根據各頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件(步驟S60)，即確認各頻域訊號是否滿足至少一強度條件。其中，當各頻域訊號滿足全部的強度條件時，處理單元150判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件(步驟S70)。反之，當各頻域訊號未滿足任一強度條件時，處理單元150判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件(步驟S80)。在一些實施例中，異常事件可為失焦、雷射功率異常、材料離隙過大等製程參數異常。

在一些實施例中，至少一強度條件可包括對應一第一頻帶的一第一數值與對應一第二頻帶的一第二數值。換言之，針對每一頻域訊號，處理單元150以第一數值比對此頻域訊號於第一頻帶中多個時間點的聲音強度，以確認於第一頻帶中多個時間點的聲音強度是否均小於第一數值；並且，處理單元150還以第二數值比對此頻域訊號於第二頻帶中多個時間點的聲音強度，以確認於第二頻帶中多個時間點的聲音強度是否均小於第二數值。

當此頻域訊號於第一頻帶中多個時間點的聲音強度均小於第一數值且於第二頻帶中多個時間點的聲音強度均小於第二數值(即此頻域訊號滿足所有強度條件)時，處理單元150則判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件(步驟S70)。

反之，當此頻域訊號於第一頻帶中任一時間點的聲音強度大於或等於第一數值或於第二頻帶中任一時間點的聲音強度大於或等於第二數值(即此頻域訊號未滿足任一強度條件)時，處理單元150則判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件(步驟S80)。

其中，第一頻帶介於3000Hz至5000Hz，較佳為4000Hz。第二頻帶介於7000Hz至9000Hz，較佳為8000Hz。第一數值為1.9Pa。第二數值為1Pa。在一些實施例中，第一數值與第二數值可依據實際使用的製程參數而決定。

在另一些實施例中，至少一強度條件包括對應一第一頻帶的一第一數值範圍與對應一第二頻帶的一第二數值範圍。換言之，針對每一頻域訊號，處理單元150以第一數值範圍比對此頻域訊號於第一頻帶中多個時間點的聲音強度，以確認於第一頻帶中多個時間點的聲音強度是否均落入第一數值範圍；並且，處理單元150還以第二數值範圍比對此頻域訊號於第二頻帶中多個時間點的聲音強度，以確認於第二頻帶中多個時間點的聲音強度是否均落入第二數值範圍。在一些實施例中，數值範圍可為由上限值與下限值所構成的一數值範圍。於此，落入數值範圍(第一數值範圍或第二數值範圍)是指小於上限值且大於下限值。未落入數值範圍則是指大於或等於上限值或者小於或等於下限值。

當此頻域訊號於第一頻帶中多個時間點的聲音強度均落入第一數值範圍且於第二頻帶中多個時間點的聲音強度均落入第二數值範圍(即此頻域訊號滿足所有強度條件)時，處理單元150則判定此組焊接物進行雷射焊接時不存在異常事件(步驟S70)。

反之，當此頻域訊號於第一頻帶中任一時間點的聲音強度未落入第一數值範圍或於第二頻帶中任一時間點的聲音強度未落入第二數值範圍(即此頻域訊號未滿足任一強度條件)時，處理單元150則判定此組焊接物進行雷射焊接時存在異常事件(步驟S80)。

其中，第一頻帶介於3000Hz至5000Hz，較佳為4000Hz。第二頻帶介於7000Hz至9000Hz，較佳為8000Hz。第一數值範圍為0.8Pa~1.9Pa。第二數值範圍為0.2Pa~1Pa。在一些實施例中，第一數值範圍與第二數值範圍可依據實際使用的製程參數而決定。

在一些實施例中，針對不同製程參數所使用的強度條件能透過事先以精準的製程參數對數組焊接物30進行雷射焊接、收音與訊號分析(訊號分析步驟同應用於後續雷射焊接製程的雷射焊接的異常事件的偵測方法中所使用的訊號分析步驟)及逐一目測與破壞性檢測來建立。

在一些實施例中，參照圖1，偵測系統10可更包括：一儲存單元170。儲存單元170耦接處理單元150，並且儲存前述的強度條件(第一數值範圍與第二數值範圍、或第一數值與第二數值)。其中，儲存單元170還可用以儲存用以實施雷射焊接的異常事件的偵測方法或其相關運作之軟體/韌體程式、資料、訊號及其組合等。

以標準雷射焊接參數對1mm與2mm鋁合金鈑件進行雷射疊焊作業為例。在標準雷射焊接參數中，雷射聚焦位置落在上層鈑件的上表面，並且兩鈑件之間的間隙理想為0mm。於此，使用高功率雷射將兩片鋁合金鈑件(上層鈑件的厚度為1mm，且下層鈑件的厚度為2mm)以雷射光加熱/熔接在一起，並且於進行雷射疊焊作業的過程中以麥克風進行收音(錄音)以分析錄製到的聲音訊號。

參照圖5，當雷射焊接參數均為正常時，聲音訊號轉換後的頻域訊號在4000Hz的聲音強度為1.15Pa且在8000Hz的聲音強度為 0.6Pa；可見，二頻率點的聲音強度落入各自對應的數值範圍(第一數值範圍和第二數值範圍)中。

參照圖6，當雷射焊接參數中雷射聚焦位置偏移至上層鈑件的上表面上方約2mm(絕對距離)的位置(其餘參數維持正常)時，聲音訊號轉換後的頻域訊號在4000Hz的聲音強度為1.9Pa且在8000Hz的聲音強度為1Pa；可見，相較於正常雷射焊接參數，二頻率點的聲音強度明顯上升且未落入各自對應的數值範圍中。

參照圖7，當雷射焊接參數中雷射聚焦位置偏移至上層鈑件的上表面上方約3mm(絕對距離)的位置(其餘參數維持正常)時，聲音訊號轉換後的頻域訊號在4000Hz的聲音強度為1.9Pa且在8000Hz的聲音強度為1.1Pa；可見，相較於正常雷射焊接參數，二頻率點的聲音強度明顯上升。

參照圖8，當雷射焊接參數中雷射功率降低約30%(其餘參數維持正常)時，聲音訊號轉換後的頻域訊號在4000Hz的聲音強度為1.9Pa且在8000Hz的聲音強度為1.35Pa；可見，相較於正常雷射焊接參數，二頻率點的聲音強度明顯上升且未落入各自對應的數值範圍中。

參照圖9，當雷射焊接參數中兩鈑件之間的間隙加大0.4mm(其餘參數維持正常)時，聲音訊號轉換後的頻域訊號在4000Hz的聲音強度為0.8Pa且在8000Hz的聲音強度為0.2Pa；可見，相較於正常雷射焊接參數，二頻率點的聲音強度明顯下降且未落入各自對應的數值範圍中。

在一些實施例中，前述之處理單元可由一個或多個處理元件所實現。於此，各處理元件可以是例如微處理器、微控制器、數位信號處理器、微型計算機、中央處理器、場編程閘陣列、可編程邏輯設備、狀態器、邏輯電路、類比電路、數位電路和/或任何基於操作指令操作信號(類比和/或數位)的設備等。

在一些實施例中，前述之儲存單元可由一個或多個儲存元件所實現。於此，各儲存元件可以是例如記憶體或暫存器等，但在此並不對其限制。

在一些實施例中，前述之焊接物30可為電動汽車的電池電極、或電路板的固定結構等，但在此並不對其限制。

需注意的是，雖然前述依序描述各步驟，但此順序並非本發明之限制，熟習相關技藝者應可瞭解在合理情況下部分步驟的執行順序可同時進行或先後對調。

Claims

一種雷射焊接的異常事件的偵測方法，包括：利用一感測單元感測至少一組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波以得到一量測訊號，其中該量測訊號具有至少一有效訊號，且該至少一有效訊號分別代表該至少一組焊接物的該雷射焊接的執行；轉換各該有效訊號為一頻域訊號；根據各該頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件，其中該至少一強度條件包括對應一第一頻帶的一第一閾值以及對應一第二頻帶的一第二閾值；當各該頻域訊號未滿足任一該強度條件時，判定該組焊接物進行該雷射焊接時存在該異常事件；以及當各該頻域訊號滿足該至少一強度條件時，判定該組焊接物進行該雷射焊接時不存在該異常事件。
如請求項1所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該第一閾值為一第一數值範圍、該第二閾值為一第二數值範圍，以及根據各該頻域訊號與該至少一強度條件判定是否存在該異常事件的步驟包括：以該第一數值範圍比對該頻域訊號於該第一頻帶中複數時間點的聲音強度，以確認於該第一頻帶中該些時間點的該些聲音強度是否均落入該第一數值範圍；以及以該第二數值範圍比對該頻域訊號於該第二頻帶中複數時間點的聲音強度，以確認於該第二頻帶中該些時間點的該些聲音強度是否均落入該第二數值範圍。
如請求項2所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該頻域訊號滿足該至少一強度條件的確認結果為該第一頻帶中該些時間點的該些聲音強度均落入該第一數值範圍且該第二頻帶中該些時間點的該些聲音強度均落入該第二數值範圍。
如請求項2所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該頻域訊號未滿足任一該強度條件的確認結果為該第一頻帶中任一該時間點的該聲音強度未落入該第一數值範圍或該第二頻帶中任一該時間點的該聲音強度未落入該第二數值範圍。
如請求項1所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該第一閾值為一第一數值、該第二閾值為一第二數值，以及根據各該頻域訊號的該訊號強度與該至少一強度條件判定是否存在該異常事件的步驟包括：以該第一數值比對該頻域訊號於該第一頻帶中複數時間點的聲音強度，以確認於該第一頻帶中該些時間點的該些聲音強度是否均小於該第一數值；以及以該第二數值比對該頻域訊號於該第二頻帶中複數時間點的聲音強度，以確認於該第二頻帶中該此時間點的該些聲音強度是否均小於該第二數值。
如請求項5所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該頻域訊號的訊號強度滿足該至少一強度條件的確認結果為該第一頻帶中該些時間點的該些聲音強度均小於該第一數值且該第二頻帶中該些時間點的該些聲音強度均小於該第二數值。
如請求項5所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該頻域訊號未滿足任一該強度條件的確認結果為該第一頻帶中任一該時間點的該聲音強度大於或等於該第一數值或該第二頻帶中任一該時間點的該聲音強度大於或等於該第二數值。
如請求項1所述的雷射焊接的異常事件的偵測方法，其中該感測單元為一麥克風或一加速規。
一種雷射焊接的異常事件的偵測系統，包括：一感測單元；一訊號產生電路，耦接該感測單元，藉由該感測單元感測至少一組焊接物進行雷射焊接時產生的振動波以得到一量測訊號，其中該量測訊號具有至少一有效訊號，且該至少一有效訊號分別代表該至少一組焊接物的該雷射焊接的執行；以及一處理單元，耦接該訊號產生電路，接收該量測訊號、轉換各該有效訊號為一頻域訊號以及根據各該頻域訊號與至少一強度條件判定是否存在異常事件，其中該至少一強度條件包括對應一第一頻帶的一第一閾值以及對應一第二頻帶的一第二閾值；其中，當各該頻域訊號未滿足任一該強度條件時，該處理單元判定該組焊接物進行該雷射焊接時存在該異常事件；以及當各該頻域訊號滿足該至少一強度條件時，該處理單元判定該組焊接物進行該雷射焊接時不存在該異常事件。