用于监控多层焊缝的制造的方法和系统以及窄缝焊接方法与流程

本发明涉及一种用于对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的方法。

此外，本发明涉及一种用于制造多层焊缝的窄缝焊接方法。

此外，本发明涉及一种用于对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的系统，具有至少一个光学检测装置，用于光学地检测焊缝的至少一个焊缝层在基本材料体上的接合的至少一个状态参数。

背景技术：

例如涡轮机模块的连接焊接通常借助机械化的焊接工艺、所谓的wig(wolfram-inert-gas)窄缝焊接工艺来建立。所述焊接工艺的特征为所谓的单焊道技术，这就是说，为每焊缝层将仅一个焊道引入到要连接的基本材料体之间的窄缝中。由此得出均匀的层构造和通过彼此相继的焊缝层的退火效果得到用于焊缝和基本材料中的热量影响区的尽可能好的材料特性。焊接参数，如电流、电压、线进给等，在此对于达到良好的焊接结果是优化的。尤其地，在焊缝侧面和基本材料体之间的接合(侧面熔深)对于高品质的焊缝是重要的。焊缝侧面在相应的基本材料体上的不足的接合引起所谓的侧面接合缺陷。

通常，焊接工艺通过完全不同的质量保证措施来支持。在焊接期间，例如能够进行焊接参数的在线检查和其记录。如果焊接参数在焊接工艺期间位于预设的极限值之外，那么自动地停止焊接工艺。

此外，在焊接工艺期间能够例如借助于超级hdr(highdynamicrange)摄像机对光弧进行视觉检查。通过所述相机监控，焊工能够对在一方面焊缝层和另一方面要彼此焊接的基本材料体之间的侧面接合进行视觉监控。所述监控步骤然而是纯视觉的并且不是自动化的。这就是说，在视频记录中示出的不足的侧面接合需要焊工的视觉评估和必要时通过焊工手动地停止焊接工艺。

在焊接之后，通常能够针对侧面接合缺陷无破坏地、例如借助于超声波对制造的焊缝进行检查。

图1示出摄像机的视频图像，如可为焊工在wig窄缝焊接工艺期间通常可提供的那样。可见使用的焊炬1，所述焊炬具有钨电极2。此外可见两个基本材料体3和4，所述基本材料体应经由多层焊缝彼此连接。在基本材料体3和4之间设置有多个焊缝层5，所述焊缝层分别通过单独引入的焊道构成并且由其逐步地构建焊缝。相应的焊缝层5的每个侧向的端部部段应具有与相应的基本材料体3或4的良好的接合。所述侧面接合在用矩形6表示的区域中存在。此外可见光弧7，所述光弧在由在钨电极2和最上部的焊缝层5之间的惰性气体构成的保护流中燃烧。不可见的焊接附加材料在视频图像中以不可见的方式从后方输送并且由光弧7熔化。

用于焊缝层5的优化的侧面接合的最重要的光学标准是在相应的基本材料体3或4的焊接表面处构成所谓的凹角。良好构成的凹角相应在用矩形6表示的区域中作为基本材料体3和4用熔化的焊道材料在两侧的良好的冲积的结果示出。所述冲积由焊工视觉检测并且评估。根据所述评估，继续焊接工艺或者为了修正措施中断焊接工艺。

图2示出用于在基本材料体4上有意地差地构成的凹角的实例。与焊道材料在基本材料体3上的良好的冲积相比，在图2中在右边示出的矩形6中可见焊缝层5在基本材料体4处的较差的接合。

de202007011584u1公开了一种焊接设备，jp2005081419a公开一种用于光弧焊接的方法并且de102008046692a1公开一种用于无破坏地检查搅拌摩擦焊缝的方法和装置。

技术实现要素：

本发明的目的是，改进利用窄缝焊接方法来制造焊缝。

所述目的通过独立权利要求来实现。有利的设计方案在下面的描述、从属权利要求和附图描绘，其中所述设计方案能够分别本身或以不同的相互组合示出本发明的改进的、尤其也优选的或有利的方面。

根据本发明的用于对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的方法包括如下步骤：

-对焊缝的至少一个焊缝层在至少一个基本材料体上的接合的至少一个状态参数进行光学地检测；

-将检测到的状态参数与至少一个预设的目标状态参数进行比较；和

-在考虑参数比较的结果的条件下确定接合的质量。

根据本发明，对利用窄缝焊接方法、尤其wig窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控，这表示，对产生的焊缝的质量的评估在其产生期间已经进行。这能够使在侧面接合缺陷方面对制造的焊缝的常规的随后的且无破坏的检查变得多余，这有利地影响制造耗费和与之关联的成本。

根据本发明，根据将焊缝的至少一个焊缝层在至少一个材料基本体上的接合的至少一个光学地检测到的状态参数与至少一个预设的目标状态参数进行比较来自动地对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控。这种比较和随后对焊缝层在相应的基本材料体上的相应的接合的质量的确定在焊缝的制造期间或在线地不能通过焊工实现，而是需要技术实现和数据处理，这一定带来所谓的自动化。相应的焊缝层在相应的基本材料体上的相应的接合的质量的确定因此不再与焊工的主观的视觉能力和经验相关。因此，本发明需要使用如下技术系统，借助所述技术系统使至少一个焊缝层在至少一个基本材料体上的侧面接合的视觉的或光学的控制变得自动化。

能够借助于光学检测装置，尤其摄像机，例如hdr摄像机等，对焊缝的至少一个焊缝层接合在至少一个基本材料体上的接合的至少一个状态参数进行光学地检测。

将检测到的状态参数与至少一个预设的目标状态参数比较和在考虑比较结果的条件下确定至少一个焊缝层在相应的基本材料体上的接合的质量能够借助于与光学检测装置连接的数据处理装置来进行，在所述数据处理装置中存储有至少一个目标状态参数。

数据处理装置能够执行图像处理软件并且例如设计成，从检测到的视频图像中提取图样并且将所述图样用作为用于焊接工艺的质量控制的可定量的标准。例如，数据处理装置能够设计成，在图样检测的范围中，检测至少一个基本材料体上的凹角的造型，并且将所检测到的造型与预设的目标造型进行比较。通过在凹角的检测到的造型和目标造型之间的比较，数据处理装置能够确定，凹角是否差地或好地构成。通过焊接工艺监控的所述自动化，排除通过焊工的可能的不专心造成的、对不足够构成的凹角的忽略。通过执行图像识别软件，经由冗余的图样识别和不同的评估方式的组合整体上能够避免相应的接合从而焊缝的质量的缺陷评估。

数据处理装置能够附加地设计成，例如将至少一个焊缝层在至少一个材料基本体上的缺陷接合和/或基本材料体处的凹角的不足够的构成进行信号化。所述信号化能够使焊工视觉地和/或声学地感觉到，以便为焊工显示出，必须中断和修正焊接过程。替选地或附加地，信号化能够用于，将焊接工艺与焊工的判断无关地自动地停止。

借助根据本发明的方法，因此能够为工艺自动化提供可复现的质量标准。由此，工艺优化和避免主观的影响因素从而焊接的改进的质量是可行的。此外，能够取消焊接之后的常规的质量保证措施，这能实现关于窄缝填充率的焊接参数优化或在高的质量等级的情况下能实现成本降低。此外，借助监控焊接工艺的根据本发明的自动化，为焊工减轻压力，所述焊工迄今为止必须在数小时的整个焊接工艺期间视觉地监控视频图像，并且个人休息时间能够被优化。

优选地，检测在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面的法向量之间的角度作为状态参数。所述角度也称作为冲积角度。冲积角度在法向量和在凹角的区域中作用于端部部段处的切线之间形成，所述法向量尤其能够与水平线相同。在基本材料处的冲积的品质因此能够经由冲积角度评估。因此，角度必须例如在考虑相应的相机角度设定的条件下超过预设的最小角度，从所述最小角度开始，将凹角评估成足够地构成或者将端部部段在基本材料体上的接合的质量评估成足够的。如果小于最小角度，那么凹角不足够地构成。具有图样识别的图像识别软件允许，在线地从相应的视频图像中确定冲积角度，并且自动地、即与焊工无关地执行评估。必要时能够自动地执行对焊接参数的修正措施。

替选地或附加地，优选检测在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面之间的角度作为状态参数。这是最后提到的设计方案的变型形式。如果角度超过最大角度，那么将凹角或冲积视作为是不足够的。如果角度小于或等于最大角度，那么将凹角视作为足够地构成或者将端部部段在基本材料体上的接合的质量评估成足够的。

替选地或附加地，优选检测焊缝的灰度值分布作为状态参数。灰度值分布通过焊缝限定并且包含在相应的视频图像中或者能够从所述视频图像中提取。由于凹角在基本材料体上不足够的构成或者焊缝材料在所述基本材料体上的不足够的冲积，能够在焊缝的焊缝侧面和基本材料体之间产生呈孔的形式的侧面接合缺陷。这种孔能够在视频图像中作为暗的区域明显可见并且借助于图像处理软件检测。通过继续确定在检测到的视频图像中的灰度值分布，尤其可行的是，通过朝向暗的灰度值移动来自动地探测孔。

替选地或附加地，优选地检测焊缝的热量分布作为状态参数。焊缝层的良好接合的区域直接在焊接之后与差地接合的区域相比具有较高的温度。这例如能够借助于红外相机或借助于具有相应的光滤波器的在红外光谱范围中敏感的相机探测。有缺陷的侧面接合能够在借助相机记录的视频图像中借助于图像处理软件被识别例如为较暗的区域或“冷的”。图像处理软件能够是经学习和经训练的评估系统的一部分，例如呈神经网络的形式。

根据本发明的用于制造多层焊缝的窄缝焊接方法包括如下步骤：

-利用根据上述设计方案之一的方法或至少两个所述设计方案相互间的任意组合来监控焊缝的制造；和

-如果接合的质量不满足至少一个预设的质量标准，那么产生和发出信号。

借助所述方法，在上文中参照监控方法提到的优点相应地结合。在此，使用监控方法，以便基于焊缝的借此确定的接合质量来决定，是否应产生和发出信号。信号能够由焊工声学地和/或视觉地感受到。替选地或附加地，信号能够用于自动地关断相应地使用的焊接系统。质量标准被预设并且特征在于至少一个预设的目标状态参数，将焊缝的至少一个焊缝层在至少一个基本材料体上的接合的至少一个检测的状态参数与所述目标状态参数进行比较，以监控接合质量。

信号例如能够是停止信号和/或信息信号，所述信号包含有缺陷的接合区域的位置坐标。替选地或附加地，信号能够用于显示，例如应在施加下一焊缝层之前或期间进行维护。替选地或附加地，信号能够包含有缺陷的接合区域的转动坐标。

优选地，当检测到的在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面的法向量之间的角度小于预设的最小角度时，产生和发出信号。对此，首先在考虑相应的相机角度设定的条件下检测在焊缝层的端部部段和基本材料体的邻接于所述端部部段设置的焊接表面的法向量之间的角度作为状态参数。因此，如果检测到的角度小于预设的最小角度，那么推断出，焊缝层与相应的基本材料体的侧面接合是不充分的，使得产生和发出信号。

替选地或附加地，如果检测到的在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面之间的角度大于预设的最大角度，那么优选地产生和发出信号。对此，首先在考虑相应的相机角度设定的条件下检测在焊缝层的端部部段和基本材料体的焊接表面之间的角度作为状态参数。因此，如果检测到的角度大于预设的最大值，那么推断出，焊缝层与基本材料体的侧面接合是不充分的，使得产生和发出信号。

替选地或附加地，如果在焊缝层的检测的灰度值分布中存在至少一个区域，所述区域的亮度小于预设的亮度极限值，那么优选地产生和发出信号。对此，首先检测焊缝的灰度值分布作为状态参数。因此，如果检测到的灰度值分布的至少一个区域的亮度小于预设的亮度极限值，那么推断出，焊缝层与基本材料体的侧面接合是不充分的，使得产生和发出信号。

替选地或附加地，如果在检测到的热量分布中存在至少一个区域，所述区域的温度低于预设的温度极限值，那么优选地产生和发出信号。对此，首先检测焊缝的热量分布作为状态参数。因此，如果检测的热量分布的至少一个区域的温度低于预设的温度极限值，那么推断出，焊缝层与基本材料体的侧面接合是不充分的，使得产生和发出信号。

根据本发明的用于对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的系统包括：至少一个光学检测装置，用于光学地检测焊缝的至少一个焊缝层在基本材料体上的接合的至少一个状态参数；和至少一个与检测装置连接的数据处理装置，所述数据处理装置设计成，在考虑检测到的状态参数的条件下确定接合的质量，并且在接合的质量不满足至少一个预设的质量标准时，产生和发出信号。

上述参照方法提到的优点相应地与该系统结合。尤其地，系统能够用于执行方法。

光学检测装置能够是摄像机，尤其hdr摄像机，红外相机，具有光滤波器的在红外光谱范围中敏感的相机等。系统也能够具有两个或更多个相应的光学检测装置。

数据处理装置能够有线地或无线地与光学检测装置连接。数据处理装置包括：至少一个计算单元，例如微处理器，借助所述计算单元例如能够执行用于图样识别的图像处理软件；和至少一个存储单元，在所述存储单元中可存储有至少一个预设的目标状态参数。

优选地，检测装置设计成，检测在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面的法向量之间的角度作为状态参数，并且其中数据处理装置设计成，当在检测到的在焊缝层的端部部段和基本材料体的焊接表面的法向量之间的角度小于预设的最小角度时，产生和发出信号。在上文中参照方法的相应的设计方案提到的优点相应地与该设计方案相关联。

替选地或附加地，检测装置优选设计成，检测在焊缝层的邻接于基本材料体的端部部段和基本材料体的焊接表面之间的角度作为状态参数，并且其中数据处理装置设计成，在检测到的在焊缝层的端部部段和基本材料体的焊接表面之间的角度大于预设的最大角度时，产生和发出信号。在上文中参照方法的相应的设计方案提到的优点相应地与该设计方案结合。

替选地或附加地，检测装置优选设计成，检测焊缝的灰度值分布作为状态参数，并且其中数据处理装置设计成，当在焊缝的检测到的灰度值分布中存在至少一个区域，所述区域的亮度小于预设的亮度极限值时，产生和发出信号。在上文中参照方法的相应的设计方案提到的优点相应地与该设计方案结合。

替选地或附加地，检测装置优选设计成，检测焊缝的热量分布作为状态参数，并且其中数据处理装置设计成，当在检测到的热量分布中存在至少一个区域，所述区域的温度低于预设的温度极限值时，产生和发出信号。在上文中参照方法的相应的设计方案提到的优点相应地与该设计方案结合。

光学检测装置优选包括至少一个红外相机或包括具有光学滤波器的对红外辐射敏感的相机。

附图说明

下面参照附图根据优选的实施方式示例性地阐述本发明，其中下面示出的特征本身地和以不同的相互组合示出本发明的改进的或有利的方面。示出：

图1示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层在基本材料体上的在两侧良好构成的接合；

图2示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层在基本材料体上的良好构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)；

图3示出示例性的视频图像的视图，其中示出在示出的冲积角度下焊缝层在基本材料体上的在两侧良好构成的接合；

图4示出示例性的视频图像的视图，其中示出在示出的冲积角度下焊缝层在基本材料体上的良好构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)；

图5示出示例性的视频图像的视图，其中示出在示出的替选的冲积角度下焊缝层在基本材料体上的在两侧良好地构成的接合；

图6示出示例性的视频图像的视图，其中示出在示出的替选的冲积角度下焊缝层在基本材料体上的良好构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)；和

图7示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层在基本材料体上的良好地构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)。

具体实施方式

图1示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层5在基本材料体3和4上在两侧良好地构成的接合。可见各个焊缝层5，所述焊缝层借助于焊炬1、钨电极2、光弧7、未示出的焊接附加材料和分别在将未示出的单独的焊道引入到示出的在基本材料体3和4之间的狭缝中的条件下构成。在基本材料体3和4上通过基本材料体3和4用各个焊缝层5的熔化的材料的冲积分别构成凹角。凹角在基本材料体3和4的位于矩形6之内的区域中构成。

图2示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层5在基本材料体3和4上的良好地构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)。如清楚可见的那样，在右边示出的矩形6中未在基本材料体4处构成凹角，而在左侧示出的矩形6中在基本材料体3处存在凹角。这清楚地指示出，焊缝层5在基本材料体4上的接合是不足够的。

图3示出示例性的视频图像的视图，其中在示出的冲积角度α1和α2下示出在焊缝层5在基本材料体3和4上的在两侧良好构成的接合。视频图像对应于在图1中示出的视频图像。冲积角度α1和α2的大小与相应的相机角度设定相关，所述相机角度设定然而是已知的从而可以简单地考虑。

冲积角度α1和α2用于利用wig窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行的监控的根据本发明的方法。对此，首先检测至少一个焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的每个侧向接合的至少一个状态参数。尤其地，检测在凹角处得出的、在相应的焊缝层5的邻接于相应的基本材料体3或4的端部部段和相应的基本材料体3或4的邻接于所述端部部段设置的焊接表面8或9的法向量之间的冲积角度α1和α2作为状态参数。法向量在此与水平线10是相同的。具有图样识别的图像识别软件能够用于，在线地从视频图像中确定冲积角度α1和α2。由此，相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的接合的质量的评估能够自动化地、即与焊工无关地执行。

为了确定接合的质量，将检测到的冲积角度α1和α2与至少一个预设的目标状态参数比较。尤其将冲积角度α1和α2与预设的最小角度比较，所述最小角度表示预设的目标状态参数。在考虑所述参数比较的结果的条件下确定接合的质量。到基本材料体3和4的冲积的品质因此能够经由冲积角度α1和α2评估。

当冲积角度α1或α2小于预设的最小角度时，即当相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的相应接合上不满足质量标准时，那么产生和发出信号，例如停止信号等。

图4示出示例性的视频图像的视图，其中在示出的冲积角度α1和α2下示出焊缝层5在基本材料体3和4上的良好地构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)。视频图像对应于在图2中示出的视频图像。冲积角度α1和α2的大小与相应的相机角度设定相关，所述相机角度设定然而是已知的从而能简单地考虑。

冲积角度α1大于或等于预设的最小角度，使得在图4中在左侧示出的凹角或相应的焊缝层5在基本材料体3上在那里的接合被认为是足够的或良好的。相反地，冲积角度α2(＝0)小于预设的最小角度，从中推断出，在图4中在右侧示出的凹角或相应的焊缝层5在基本材料体4上的接合不足够地构成。因此，相应的焊缝层5在基本材料体4上的在图4中在右侧示出的接合不满足质量标准，因此产生和发出信号。

图5示出示例性的视频图像的视图，其中在示出的替选的冲积角度β1和β2下示出焊缝层5在基本材料体3和4上的在两侧良好地构成的接合。视频图像对应于在图1中示出的视频图像。替选的冲积角度β1和β2的大小与相应的相机角度设定相关，所述相机角度设定然而是已知的从而可简单地考虑。

因此与图3和4不同，根据图5检测在相应的焊缝层5的邻接于相应的基本材料体3或4的端部部段和相应的基本材料体3或4的相应的焊接表面8或9之间的替选的冲积角度β1和β2作为相应的焊缝层5的状态参数，并且与预设的目标状态参数进行比较，以便确定相应的接合的质量。

如果检测到的在相应的焊缝层5邻接于相应的基本材料体3或4的端部部段和相应的基本材料体3或4的相应的焊接表面8或9之间的替选的冲积角度β1和β2大于预设的最大角度，那么产生和发出信号，因为推断出，相应的凹角或相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的接合是不足够的。

图6示出示例性的视频图像的视图，其中在示出的替选的冲积角度β1和β2下示出焊缝层5在基本材料体3或4上的良好地构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)。视频图像对应于在图2中示出的视频图像。冲积角度β1和β2的大小与相应的相机角度设定相关，所述相机角度设定然而是已知的从而可简单地考虑。

与图5不同地，冲积角度β2(＝90°)大于预设的最大角度。从中推断出，在图6中在左侧示出的凹角处，得出相应的焊缝层5在基本材料体3上的良好的接合，而在图6中在右侧示出的凹角处，得出相应的焊缝层5在基本材料体4上的不足够的接合。因此，相应的焊缝层5在基本材料体4上的在图6中在右侧示出的接合没有满足质量标准，因此产生和发出信号。图3和4中的评估标准与图5和6中的评估标准的组合对于实现冗余的评估标准同样是可行的。

图7示出示例性的视频图像的视图，其中示出焊缝层5在基本材料体3和4上的良好地构成的接合(左侧)和差地构成的接合(右侧)。

为了执行根据本发明的用于对利用wig狭缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的方法，首先检测至少一个焊缝层5在相应的基本材料体3或4上接合的至少一个状态参数。尤其地，连续地检测焊缝的灰度值分布作为状态参数。因此根据图7针对每个记录焊缝的视频图像确定灰度值分布，所述灰度值分布必然包含相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的相应的接合的至少一个状态参数。

借助于具有图样识别的图像识别软件，能够对相应检测的灰度值分布在线地检查：所述灰度值分布是否具有至少一个区域，所述区域的亮度小于预设的亮度极限值。对此，相应的灰度值分布，尤其在图7中示出的矩形11中，与预设的亮度极限值比较。如果在焊缝的相应检测到的灰度值分布中存在至少一个区域，所述区域的亮度小于预设的亮度极限值，那么产生和发出信号，因为在暗的区域中在相应的焊缝层5和相应的基本材料体3或4之间存在孔，从而存在相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的不足够的接合。

在图7中有缺陷的区域或孔通过矩形11标记。孔明显作为灰度值分布中的暗的区域可见。通过继续确定有缺陷的区域中的灰度值分布，可行的是，通过朝向暗的灰度值的移动来自动地探测这种孔。

替选地或附加地，为了执行根据本发明的用于对利用wig窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的方法，时间间隔地或连续地检测焊缝的热量分布作为状态参数。因此为每个记录焊缝的视频图像确定热量分布，所述热量分布必然包含相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的相应的接合的至少一个状态参数。

借助于具有图样识别的图像识别软件，能够对相应检测到的热量分布在线地进行如下检查：所述热量分布是否具有至少一个区域，所述区域的温度低于预设的温度极限值。对此，将相应的热量分布，例如在图7中示出的矩形11中的热量分布，与预设的温度极限值进行比较。如果在焊缝的相应检测到的热量分布中存在至少一个区域，所述区域的温度低于预设的温度极限值，那么产生和发出信号，因为在所述区域中在相应的焊缝层5和相应的基本材料体3或4之间存在孔，从而存在相应的焊缝层5在相应的基本材料体3或4上的不足够的接合。

为了执行关于图3至7描述的方法，能够根据系统的设计方案或至少两个所述设计方案相互间的任意组合来使用根据本发明的用于对利用窄缝焊接方法来制造多层焊缝进行监控的系统。

尽管本发明的细节通过优选的实施例详细说明和描述，但是本发明不局限于公开的实例，并且其他变型形式能够由本领域技术人员从中导出，而不脱离本发明的保护范围。