专利名称：用于在焊接期间光学评价焊接质量的方法和设备的制作方法
技术领域：
本申请要求2006年9月6提出的瑞士专利申请1431/06的优先权， 该在先申请的所有公开内容在此通过引用而结合在本文中。
本发明涉及一种用于光学评价焊接质量的方法，尤其用于激光焊接 中，在该方法中记录焊接区域的图像。本发明还涉及一种用于实施该方 法的i殳备。
背景技术：
光学地检查焊缝是已知的。为此特别地利用两维激光扫描仪将激光 光线(激光三角线)横向地布置在焊缝上，并且由此确定焊缝的几何数 据。此外，从JP 2005111538中得知，在激光焊接中记录金属熔液的图 像并且将其与基准数据进行比较。
发明内容
本发明的基本任务在于改进焊缝的光学质量检查。
该任务在开始提及的方法中如此实现，其中在不同的图像区域内记 录过程照射(Prozessleuchten )以及固化焊缝的灰色或彩色图像和激光 三角线。
通过带有两个图像区域的图像上的三个不同图像要素，能在焊接过 程中最佳地实现焊接的质量评价。
在本发明的一个优选实施方式中，在具有多个图像区域的单个传感 器上记录不同的图像要素，在这些图像区域上能够进行记录(多个感兴 趣的区域，MROI)。则仅须读取一个传感器，以便能够利用图像的三 个图像要素来评价所有的图像区域。在记录时，优选以5微秒或更短的 膝光时间将过程照射记录于第一图像区域。优选地，该第一区域配置有 传感器的对数特性曲线，在该第一区域上记录过程照射作为图4象要素。此外，最好设置有第二图像区域，在该第二图像区域上同时记录激 光三角线的图像要素和焊缝的灰色或彩色图像的图像要素。其中例如用
大约IO微秒的膝光时间以及通过瀑光光源的小于IO微秒的照射持续时
间来照射第二图像区域。此外，优选地在记录之间改变记录第一和第二 图像区域的记录参数。在一个优选实施方式中，设置具有用于第一和第 二传感器区域或图像区域的不同透射区域的平面镜，尤其是直接在传感 器芯片的上方。
另外优选的是，通过焊接激光的激光镜组实现记录，这实现了尤其
紧凑的结构。在电弧焊或MIG/MAG (熔化极惰性气体保护焊/熔化极 非惰性气体保护焊)焊接的情况下，采用了设置在燃烧器旁的镜组。
本发明的基本任务还在于，提供一种用于实施该方法的设备。该设 备根据相应的设备权利要求构成。
本发明的其他构造、优点和应用将由从属的权利要求及参考附图进 行的如下描述得出。其中图示
图1示出焊接头以及设置于其上的照相机的示意图2示出根据本发明所记录到的无缺陷焊接或焊缝的图像；和
图3示出根据本发明所记录到的具有由坪条缺陷所引起的焊接缺陷 的图像。
具体实施例方式
图1以高度示意性的视图显示了设置在焊接物体2上方的焊接头1， 该焊接物体2在本实例中由两个将要焊接的板2，和2"组成。在该优选 情况下，焊炬由激光束3构成，该激光束3穿过镜组4到达焊接物体2 上并在那里实施焊接。根据本发明，也可以评价除了激光焊接之外的其 他焊接方法，尤其是利用所有公知的电弧方法的焊接。焊接最好实现为 带有相应的气体供应装置的MIG/MAG焊接,但在图1的示意图中没有 显示该气体供应装置。通过照相机6来观察焊接物体2上的焊接区域。 照相机最好是高动态性的CMOS照相机以及尤其是设计成在传感器芯片上记录多个图像(也作为MROI (多个感兴趣的区域)而为人所熟知) 的照相机，这些图像作为 一个图像输出。尤其可以采用(Typ Photonfocus Hurricane Schweiz, MV-1024 CL-80/160 der Firma Photonfocus AGj CH-8853 Lachen， Schweiz )瑞士 CH-8853拉辰的Photonfocus有限公 司MV-1024 CL-80/160型的照相机，该照相机配备有MROI并且允许 为不同区域设定不同的瀑光时间。但也可以采用两个照相机或者两个传 感器。但记录最好通过直接设置在焊接头上的一个照相机且尤其是通过 照相机6进行。记录最好直接通过用于激光束穿过的镜组4来进行，就 像所示例子中展示的那样。通过用于可由照相机6观测到的可见光的分 光镜7，从焊接物体2出发的光经过照相机光学系统8到达其CMOS 传感器6，。用9表示用于照射记录区域的照射装置，该照射装置最好经 过分光镜7照射焊接物体2。用于照射的相应光路用5来标示。该照射 装置是氙膝光照射装置或者LED照射装置，尤其是具有表面反射激光 器二极管的照射装置(垂直腔面发射激光器/VCSEL)。这些二极管在低 组装密度和低光束发散性的同时具有高的光强度的特性，并且能以足够 的亮度照射焊接区域。穿过焊接镜组4、用于所有根据本发明要记录的 区域的焊接区域记录需要极高的照射强度，因为CMOS传感器的传感 器参数能够调节为光不敏感的，以便能够记录该4艮亮的过程照射并且使 激光镜组不具有对于可见光而言良好的穿透特性。即使其中照相机不穿 过激光镜组4观察的其他构造同样也是可能的，然而所显示的其中照相 机6穿过焊接镜组4观察焊接区域的构造是优选的构造。利用带有另一 个激光器的公知构造ll，至少一个三角线投射到固化的焊缝上，就像在 后面图中所清楚显示的那样。通常由计算机构成的控制和/或评估电路 10记录从照相机读出的图像数据以对其进行评估。在电弧焊 (MIG/MAG焊接)中，利用照相机的记录通过靠近焊枪设置的镜组来 进行，在此没有进一步说明该镜组。
图2显示了记录到的焊接区域的图像的例子，其中在此它是无缺陷 的焊接或焊缝。其中图2显示了具有照相机的大目标区域的记录，从而 能够在同一个传感器上将过程照射和在该过程之后已经固化的焊缝作 为图像记录，作为图像读出并接着检测。对于过程照射或者过程光评估，
域的记录和评估。根据本发明，记录三个不同的图像要素。焊缝的局部缺陷位置的识别在此用被称为激光三角测量和灰色图像分析或多数情 况下的彩色图像数据分析实现，为了进行激光三角测量而记录相应的投 射到焊缝上的三角线，为了进行灰色图像分析或彩色图像分析而记录焊 缝的图像。另外记录过程照射。为此可以如此实施，将照相机的传感器
6，分成两个主要区域A和B。它们尤其可以是在同一照相机传感器6， 上的、两个可分别膝光的区域。在根据图2的主要区域A中，为了显示 过程照射，传感器区域以对数特性曲线以及最好小于5微秒(ps)的 膝光时间工作。在主要区域B中，以线性的或对数的特性曲线以及10 微秒范围内的啄光时间工作，以便在区域B1中记录三角线作为图像要 素，并且在区域B2中记录焊缝的图像作为图像要素。曝光时间在此如 此选择，使得在区域B1内的三角线仍旧显示得足够亮以便用于评估， 但避免了过程照射所引起的过度照射(tberstrahlung )。在该膝光时间 内，借助于膝光光源或者用所述的VCSEL (垂直腔面发射激光器)光 源照射持续时间小于10微秒的光脉冲。在瑞士 Bergdietikon的 Soudronic 股份有限公司的光学缝隙监测装置 (Nahtinspektionseinrichtung) SOUVIS 5000中所采用氣膝光光源可以 以5微秒到IO微秒的脉冲持续时间来工作并为此被使用，并且足够亮 地照射焊缝。短的闪光持续时间在此避免了颤动模糊。优选的是，为了 两个区域的记录，照相机参数能够转换，以便根据区域而优化记录情况。 可以为此采用瑞士 Bergdietikon的Soudronic股份有限公司的 Soudronic快速跟踪照相机模块，该模块允许快速地转换照相机参数， 并且同样快速地读取CMOS传感器6，的两个区域，并且所述模块与前 述的Photonfocus公司的Hurricane照相机能够一起工作。在图1中， 用10表示用于照相机的相应控制装置。此外，为了记录区域A和B， 优选地通过直接在传感器芯片上的平面镜或者与传感器芯片隔开来的 平面镜而将传感器分成相应于图2和3的区域A和B的两个不同的敏 感区域。平面镜可以由具有不同透明度的两个区域的盖玻片构成。在此， 对于用于几何评估和灰色图像评估的区域B而言透明度可以达到 100%,而对于用于过程光评估或区域A而言则透明度小于50%。
图3显示了以上述的方式并且与图2的记录相同实施的记录，但其 中在此在焊接时出现由焊条缺陷所引发的焊接缺陷。很明显， 一方面在 主要区域B的区域Bl内，三角测量使固化区域内的焊缝缺陷可以识别。另一方面，在主要区域B的区域B2内的灰色图l象记录中，也可以识别 出相应的焊缝粗糙度。因此可能很容易地通过能够同样在控制装置10 中或者在分离的计算机中进行评估来确认焊缝缺陷。另外在记录过程照 射的区域A中，同样像图2中所示的那样清楚地识别出与正常图像的偏 差。这也能通过图像评估容易地确认，并且用于焊接过程的质量控制。 在过程照射中，照相机总是看见如图2中可以清楚地识别的那样的、在 可见区域内的典型的光分布，该光分布在出现缺陷焊接时受到干扰，就 像图3中清楚显示的那样。通过记录区域B内的激光光线和灰色图像， 还能以公知的方式观测焊缝宽度和焊缝位置，并且能够观测诸如凸面、 凹面及可能出现的边缘偏差的几何数据。另外，还能够以公知方式观测 焊缝体积。在此通过激光三角测量进行几何数据的观测，通过灰色图像 分析和激光三角测量来识别局部和全局的缺陷位置。
对过程照射的强度和几何特征的评估和对焊缝的几何观测以及灰 色分析一起得出关于焊缝质量的可靠评价。传感器区域A和B的快速 转换，允许用于对两个传感器区域的两次记录的不同任务设置的最佳传 感器特征曲线或照相机参数。所有记录优选仅用一个传感器实施，这使 得设备费用、运行费用和维护费用显著降低。由于传感器或照相机直接 布置在焊炬上，所以所需要的费用显著地小于在分离的焊接检测中分别 处理所需的费用.本发明可以用于监测所有类型的焊缝质量，尤其是 MIG/MAG焊缝的质量。此外还可在检查表面特性和监测焊接过程的同 时用于监测表面几何形状。
虽然在本发明中描述了优选实施例，但是应该指出本发明不局限于 这些实施例，并且可以在下面的权利要求范围内以其他方式实施。
权利要求
1.一种用于在焊接期间、尤其是在激光焊接或电弧焊接期间光学评价焊接质量的方法，在所述方法中，通过光学传感器观察焊接区域，并且将激光三角线布置在焊缝的已经固化的部分上，其特征在于，在不同图像区域(A，B)内一方面记录在可见区域内发光的仍然为液态的焊接材料的过程照射，另一方面记录所述固化的焊缝的灰色图像或彩色图像以及所述激光三角线。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述不同的图像区 域记录到单个传感器(6，)上，并且作为一个图4象读出。
3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，将所述过程照射在 第一图像区域(A)上的记录与所述三角线和灰色图像或彩色图像在第 二图像区域(B)上的记录分开。
4. 如权利要求1至3中任意一项所述的方法，其特征在于，以5 微秒或更短的爆光时间进行在用于所述过程照射的第 一 图像区域(A) 上的记录。
5. 如权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，以所述 传感器的对数特征曲线进行在用于所述过程照射的第一图像区域(A) 上的记录。
6. 如权利要求1至5中任意一项所述的方法，其特征在于，所述第 二图像区域(B)包括一起进行记录的子区域(Bl)和子区域(B2)， 所述子区域(B1)包含所述激光三角线，而所述子区域(B2)包含所 述灰色图像或彩色图像。
7. 如权利要求6所述的方法，其特征在于，以大约10微秒的曝光 时间记录所述第二图像区域(B )，并且同时通过膝光光源照射所述第二 图像区域(B)小于10微秒的照射持续时间。
8. 如权利要求1至7中任意一项所述的方法，其特征在于，用于记 录所述不同图像区域(A和B)的记录参数能够在所述记录之间改变。
9. 如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，通过焊 接激光器的镜组(4)进行所述记录。
10. 如权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，在电 弧焊接中，通过设置在焊枪上或者焊枪附近的照相机来进行所述记录。
11. 如权利要求1至10中任意一项所述的方法，其特征在于，在所 述传感器上方，优选直接在所述传感器芯片上设置有用于所述区域(A 和B)的具有不同透明度的平面镜。
12. —种用于实施如权利要求1至11中任意一项所述方法的设备， 其特征在于，所述设备具有焊接装置，特别地所述焊接装置带有激光 发射源；用于产生至少一个光三角线的装置(11);和设置在所述焊接 装置上的照相机(6),所述照相机观察所述焊接区域，并且所述照相机 布置和构造成记录所述过程照射和接下来的固化焊缝区域。
13. 如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述照相机通过分光 镜(7)穿过所述焊接镜组(4)来观察所述焊接区域。
14. 如权利要求12或13所述的设备，其特征在于，所述设备设置 有带有表面发射的激光二极管的闪光照明装置。
15. 如权利要求12至14中任意一项所述的设备，其特征在于，在 所述传感器(6，)上方，尤其直接传感器上设置有灰色过滤器，所述灰 色过滤器具有用于所述不同传感器区域(A， B)的不同透明区域，尤 其是对于能记录所述三角线和所述灰色或彩色图^^的所述区域(B)而 言透明度是100%,而对于能记录所述过程照射的所述区域(A)而言 透明度小于50%。
16. 如权利要求12至15中任意一项所述的设备，其特征在于，在 单个传感器(6，)上记录所述不同的图像区域，并且作为一个图像读出。
17. 如权利要求12至16中任意一项所述的设备，其特征在于，分开进行所述过程照射在第一图像区域(A)上的记录和所述三角线及所 述灰色图像或彩色图像在第二图像区域(B)上的记录。
18. 如权利要求12至17中任意一项所述的设备，其特征在于，以 5微秒或更短的瀑光时间进行在用于所述过程照射的第一图像区域(A) 上的记录。
19. 如权利要求12至18中任意一项所述的设备，其特征在于，以 所述传感器的对数特征曲线进行在用于所述过程照射的第一图像区域(A)上的记录。
20. 如权利要求12至19中任意一项所述的设备，其特征在于，所 述第二图像区域(B )包括一起进行记录的子区域(Bl)和子区域(B2 )， 所述子区域(Bl)包含所述激光三角线，而所述子区域(B2)包含所 述灰色图像或彩色图像。
21. 如权利要求12至20中任意一项所述的设备，其特征在于，以 大约IO微秒的啄光时间记录所述第二图像区域(B)，并同时通过膝光 光源照射所述第二图像区域(B)小于IO微秒的照射持续时间。
22. 如权利要求12至21中任意一项所述的设备，其特征在于，用 于记录所述不同图像区域(A和B)的记录参数能够在所述记录之间改 变。
全文摘要
在激光焊接中，通过激光镜组(4)以与激光束(3)同轴的方式示出焊接区域，其中不仅记录固化焊缝的三角线和灰色或彩色图像还记录焊接过程的过程照射。从这三个图像要素可以进行对焊接过程及焊缝的最佳质量评价。
文档编号B23K9/095GK101528403SQ200780039653
公开日2009年9月9日 申请日期2007年8月28日 优先权日2006年9月6日
发明者约阿希姆·施瓦茨 申请人:普雷茨特影像有限及两合公司