用于钢材接合的方法

用于钢材接合的方法
【专利摘要】一种用于钢材接合的方法。本发明涉及一种借助加工射束接合组件的方法，其中第一组件和第二组件借助加工射束通过加热相互连接在接合接头上，并且借助热成像摄像机拍摄热成像，每个热成像具有表征第一组件的温度分布的第一热成像区段以及表征第二组件的温度分布的第二热成像区段。
【专利说明】用于钢材接合的方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种借助富含能量的加工射束接合组件的方法，借助该加工射束可以 可靠地引导接合缝并检测接合缺陷。

【背景技术】
[0002] 在借助加工射束（例如激光射束）以加热方式接合钢板或其它组件时，为了确保 高的连接质量应该使连接缺陷的数量和尺寸尽可能小。为此特别需要相对于彼此待连接的 组件精确地定位加工射束，对此可以借助各种缺陷识别方法检测残余的连接缺陷并且例如 通过精加工消除残余的连接缺陷。
[0003] 在缺陷识别方面有多种方法评定接合缝、例如焊缝的质量；对此通常在接合过程 之后进行接合质量的评定。例如可以基于焊缝几何形状的测量来评定焊缝的质量，对此检 测表面结构、孔隙和缝的中断。然而其缺陷在于，外部的检测不能获得对连接品质的明确结 论。
[0004] 此外，可以利用热熔印刷的原理判定例如焊缝的接合质量。对此通过普朗克辐射 定律近似地衡量所描述的组件辐射性能并且在时间上和/或在空间上对辐射的强度分布 进行表征；其中从组件表面上的一个位置发出的红外辐射的强度作为该位置上的温度的度 量。在时间上和/或空间上的、组件辐射能量的强度分布对连接的质量提供了指示。例如 已知，借助热熔印刷判定焊缝的质量，其中短时间地加热经焊接的组件并且通过接合位置 上的热损失来评定连接的质量。对此充分利用了这样的事实，即，材料在完全的、无缺陷的 连接情况下比在有缺陷的连接情况下更快地冷却。
[0005] 在激光焊接过程中对叠置连接进行缺陷识别的其它方法例如描述在DE 103 38 062 A1、DE 10 2007 024 789 B3、DE 10 2009 052 529 Al和 DE 10 2011 078 276 B3 中， 对此从搭接接合接头的平面的一侧观测以搭接接合接头的形式相互连接的两个板材。因 此，该方法只适合于检查叠置连接，其中，因为只直接获取其中一个接合部件的情况，所以 只能够对接合质量得出间接的结论。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于，提供一种射束接合组件的方法，通过该方法能够以简单的方 式和方法将接合缺陷的产生减到最小程度并且能够可靠地识别残余的接合缺陷。
[0007] 根据本发明，通过根据专利权利要求1所述的方法实现了该目的；从属权利要求 中给出了本发明的适宜设计。
[0008] 对此，用来以加热方式接合、例如通过钎焊或熔焊借助富含能量的加工射束、例如 激光射束接合组件的装置在下面表示为"接合装置"。该接合装置用来将待接合的第一组 件和待接合的第二组件通过本身的加热接合在由这两个组件形成的接合接头上，对此组件 例如能够是板材的形式。例如能够借助接合装置的夹紧装置夹紧组件从而形成接合接头， 对此夹紧装置具有彼此相对的、用来夹在组件上的夹紧部件。例如能够借助接合装置的射 束导引装置在组件上定位加工射束，对此射束导引装置特别可以具有一个或多个转向单元 (例如反射镜）用来引导加工射束。
[0009] 接合装置还具有热成像摄像机，借助该热成像摄像机能够测得在接合过程中通过 加工射束加热的接合接头区段的热成像。该热成像摄像机是这样设置并形成的，即，由该热 成像摄像机测得的每个热成像具有第一热成像区段和第二热成像区段，第一热成像区段表 征所测量的接合接头区段中的第一组件的温度分布，第二热成像区段表征所测量的接合接 头区段中的第二组件的温度分布。例如能够这样地设置并形成该摄像机，即，由该摄像机以 热熔印刷的方式测量的检测区域完全覆盖位于夹紧装置的夹紧部件之间的区域。因此，借 助（热成像摄像机的）唯一的观测系统生成两个或多个组件（例如钢板）在接合位置上的 一个或多个图像，对此可以在唯一的图像中共同识别出所观测的多个板材。
[0010] 借助热成像摄像机能够生成可分辨空间的、与温度相关的尺寸，这些尺寸表征在 接合部件的不同位置上的温度。通过由这些位置发射的红外辐射的强度表征各个位置上的 温度，对此借助热成像摄像机能够例如以应力值、灰度值或色度值形式测得辐射强度，其中 热成像摄像机的每个像点或传感器元件对应于一个这种形式的、与温度相关的值。因此，在 热成像中例如能够通过不同的辐射强度、应力值、灰度值或色度值代表不同的温度值。热成 像特别能够呈现为强度分布或强度卡的形式，其中例如能够通过相对应的红外辐射强度、 相对应的应力值或相对应的灰度值得出像点上的强度并且可以与相对应的组件位置上的 温度成正比。强度值可以换算成绝对的温度值，但这并不是强制的。因此，借助热成像摄像 机，在时间和/或空间上可分辨地测量由组件发出的热辐射的强度分布。
[0011] 通过热成像摄像机在唯一的图像中同时检测两个彼此待连接的组件，可以同时测 得两个组件中的、通过加工射束生成的热输入，由此可以同时且直接地测得两个组件中的 接合区域或熔池的几何形状。因此能够可靠地识别接合缺陷并且以高的精确度检测所生成 的接合缝的质量。同时测得两个接合部件中的接合区域或熔池的几何形状还可以得出加工 射束相对于组件的定位结论，对此能够在确定有缺陷的射束定位时进行位置修正。因此，在 测得的热成像基础上实现了加工射束的定位和射束导引，也就是说，热成像数据也可以用 于接合缝导引。通过借助热成像实现正确的射束定位，能够减少接合缺陷的数量。由于热 成像既能够用于接合缝导引也能够用于缺陷识别，所以对于这两个功能不需要提供额外的 装置，由此能够使得所需结构件的数量少。通过利用由加工射束生成的热输入来获取热成 像，接合装置不再需要额外的加热源、照射装置或其它的能量源用于接合位置的观测。
[0012] 因此，本发明涉及借助高能辐射的、两个或多个组件（例如钢板）的接合，对此例 如将两个钢板彼此焊接在其棱边上（特别是在端面一侧或者作为紧邻一个或多个钢板棱 边的I-接合缝）。本发明可以检测这样相互焊接的钢板的接合质量；对此利用这样的事实， 艮P，在借助激光射束或其它加工射束的焊接过程中射束本身吸入热量并且测量通过射束生 成的熔体周边的热流。因而能够同时检测两个或多个接合部件的受热情况，由此例如能够 测量接合部件之间的热流。由此实现了所生成的接合连接的在线或实时质量评定。另外， 必要时能够直接识别待接合的组件之间出现的缝隙（并且不是间接通过呈现其中一个接 合部件的表面上的热量特性或温度特性）。
[0013] 可以在接合过程中或者紧接在接合之后测量接合位置的温度特性。例如接合装置 可以（例如借助进给装置）朝进给方向沿着接合接头相对于待接合的组件移动，对此加工 射束在组件上的照射位置也朝进给方向移动。其中，可以（例如借助热成像摄像机的相应 构造和调整）这样地设置接合装置，即，由热成像摄像机检测的区域包括加工射束的照射 位置（这种情况下在接合过程中测量温度特性）。然而，也可以这样地设置接合装置，即，由 热成像摄像机检测的区域相对于进给方向位于加工射束的照射位置后方并且因此不包括 加工射束的照射位置（这种情况下在接合之后测量温度特性）。
[0014] 为了形成额缝和角焊缝优选在搭接接合接头的端面上设置接合装置，对此借助热 成像摄像机同样优选从搭接接合接头的端面一侧进行观测（即，热成像摄像机优选与端面 相间隔地设置在端面一侧）。
[0015] 加工射束（例如借助射束导引装置）沿着加工射束路径连续通向接合接头。可以 这样地设置热成像摄像机，即，该热成像摄像机的观测射束路径与加工射束路径完全分离 地延伸（所谓侧向的摄像机设置以及观测几何设置）。
[0016] 根据一个实施方式，这样设置热成像摄像机，即，热成像摄像机的观测射束路径至 少在局部区段上与加工射束的加工射束路径重合（所谓同轴的摄像机设置以及观测几何 设置）。由此例如可以空间有效、节省位置地设计接合装置。
[0017] 由热成像摄像机测得的红外辐射例如能够借助射束导引装置的转向镜从加工射 束路径分离，该转向镜对于由热成像摄像机检测的红外-波长区域来说是可穿透的以及对 于作用为加工射束的激光射束的波长区域来说是能够反射的。也可以通过射束导引装置的 能够调整的扫描镜（其对于由热成像摄像机检测的红外-波长区域来说是能够反射的）引 导观测射束路径，由此能够以热熔印刷的方式检测较大的组件区域。
[0018] 根据一个实施方式，这样设置及形成热成像摄像机，即，该热成像摄像机能够沿着 (由第一组件和第二组件形成的）接合接头的整个宽度检测接合接头区段。例如可以这样 地形成及设置热成像摄像机，即，该热成像摄像机能够检测可最大限度地被夹紧部件覆盖 的夹紧宽度。由此例如确保了，在借助夹紧装置夹紧钢板的情况下能够由热成像摄像机持 续以热熔印刷的方式检测接合接头的整个宽度。通过以热熔印刷的方式检测接合接头的整 个宽度，即在每个热成像中沿组件的整个厚度检测第一组件或钢板和第二组件或钢板，可 以在接合缝引导和/或缺陷识别中考虑到由加工射束实现的所有热输入。
[0019] 接合装置可以用于在接合缺陷方面评估热成像，即用于识别接合缺陷并且基于热 成像评价接合的质量。接合装置可以替换性地或者额外地用于在加工射束的定位方面评估 热成像并且用来基于评估结果定位加工射束。例如可以通过调整射束导引装置的转向单元 或通过重置射束导引装置来改变加工射束的定位。
[0020] 例如能够通过比较第一热成像区段和第二热成像区段来评估热成像，对此例如可 以将由两个热成像区段表征的（对于接合接头轨迹的）温度分布的不对称判定为加工射束 的错误定位和/或判定为接合缺陷。或者可以通过比较该热成像和预定的目标-热成像来 评估热成像，对此例如可以将实际-热成像与目标-热成像的差异判定为加工射束的错误 定位和/或判定为接合缺陷。
[0021] 意外发现，在组件边缘（例如钢板边缘）上的热量转移或温度损失很明显，以至于 在热成像中例如能够明显测得接合接头的外边缘的位置，从而根据这样测得的组件边缘能 够实现接合缝导引。因此，通过这样地形成接合装置可以省去单独的（例如以激光三角测 量装置形式的）接合缝导引装置，即，借助夹紧装置通过夹紧已经将加工射束比较准确地 定位在组件上并且通过所希望的热成像调整精确的定位（例如通过实际-热成像与规定的 目标-热成像进行比较以及这样改变加工射束的定位，即，使得实际-热成像与目标-热成 像一致）。
[0022] 第一组件和第二组件在接合接头上通过形成沿接合接头延伸的接合缝而彼此连 接。接合接头具有纵向于接合接头或接合缝延伸的纵向方向以及横向于接合接头或接合缝 延伸的横向方向。可以只沿着线条测量温度分布或者代表温度分布的强度分布从而评估热 成像,对此这些线条优选横向于和/或纵向于接合接头或接合缝延伸。
[0023] 根据一个实施方式，这样地形成接合装置，S卩，该接合装置能够由热成像在接合接 头的一个或多个纵向位置上测定强度横向分布，该强度横向分布表征了沿着横向于接合接 头延伸的方向或线条的温度分布，并且该接合装置能够结合所测得的强度横向分布来评估 热成像。例如可以通过温度-横向分布直接得出这种强度横向分布；然而也可以通过与温 度相关的强度值来代表温度值（参见前述）。
[0024] 特别是可以这样地形成接合装置，S卩，该接合装置在每个强度横向分布中将双面 最外的边缘位置定为侧面的界限位置，在最外的边缘位置上强度横向分布低于规定的界限 值，界限位置相对横向于接合接头延伸的方向限制了通过加工射束加热的区域，并且该接 合装置结合所测得的界限位置来评估热成像。
[0025] 例如可以这样地形成接合装置，即，该接合装置将双面的界限位置之间的间距定 为加热的轨距，并且当接合接头的一个或多个纵向位置上的加热轨距小于规定的轨距-最 小值时（其中轨距-最小值可以根据纵向位置给出），则判定为接合缺陷或加工射束的错误 定位。
[0026] 替换性地或者额外地可以这样地形成接合装置，S卩，接合装置在每个强度横向分 布中将一个横向位置定为其中一个待接合的组件的棱边位置，对此在该横向位置上强度横 向分布的变化值（例如以导数的形式或者以强度进位的形式给出）至少和规定的最小值一 样大。棱边位置的信息例如可以用于接合缝导引，对此结合所测得的棱边位置进行加工射 束的定位。
[0027] 特别可以结合双面的界限位置相对于双面的棱边位置的方位来评估热成像；对 此，例如当两个界限位置（在规定的界限内）不是对称的以及位于两个棱边位置的中间或 者不和本身重合时，则能够判定为接合缺陷和/或加工射束的错误定位。
[0028] 根据一个设计，这样地形成接合装置，S卩，该接合装置能够由热成像在接合接头的 一个或多个横向位置上测定强度纵向分布，该强度纵向分布表征沿着纵向于接合接头延伸 线的温度分布，并且结合所测得的强度纵向分布评估热成像。这种强度纵向分布例如能够 通过温度-纵向分布得出；然而也可以通过与温度相关的强度值来代表温度值（参见前 述）。
[0029] 例如可以在位于第一组件上的横向位置上测量第一强度纵向分布以及在位于第 二组件上的横向位置上测量第二强度纵向分布，并且通过比较第一强度纵向分布和第二强 度纵向分布来评估热成像；对此，例如当第一和第二强度纵向分布（在规定的界限内）不一 致时，则可以判定为接合缺陷和/或加工射束的错误定位。
[0030] 此外，接合装置可以根据强度纵向分布来确定实际的接合缝区段的长度，对此可 以将强度纵向分布超过第一界限值的一个纵向位置与强度纵向分布低于第二界限值的一 个纵向位置之间的间距定为实际的接合缝区段的长度。
[0031] 根据本发明的设计，提供了一种借助加工射束、例如激光射束接合、例如钎焊或熔 焊组件的方法，对此该方法特别是能够用于操作根据前述设计中的任意一项所述的接合装 置。该接合方法与对于接合装置所描述的操作方法相一致，因此接下来只是缩略地说明该 接合方法并且关于接合方法的设计参见对于接合装置的相应说明。
[0032] 该方法包括借助加工射束通过加热在接合接头上接合第一待接合组件和第二待 接合组件，以及检测通过加工射束加热的接合接头区段的一个或多个热成像；其中每个热 成像具有表征第一组件的温度分布的第一热成像区段和表征第二组件的温度分布的第二 热成像区段。根据该方法特别是以热熔印刷的方式同时检测两个（或多个）组件，该组件 例如为钢板，其中能够直接测定两个组件之间的热流。
[0033] 加工射束沿着加工射束路径通向接合接头。借助热成像摄像机检测热成像，例如 能够这样地设置该热成像摄像机从而形成同轴的观测几何设置，即，热成像摄像机的观测 射束路径至少分段地沿着加工射束的加工射束路径延伸。特别是可以这样获取热成像，即， 每个热成像沿着接合接头的整个宽度（即沿着横向于接合接头延伸方向的扩展）检测接合 接头区段。
[0034] 该方法还可以包括热成像的评估，对此可以在接合缺陷的识别方面和/或在加工 射束的定位识别方面进行评估。在后一种情况下，该方法还能够包含基于图像评估结果对 加工射束进行定位。因此，借助本发明特别是还提供了一种用来识别接合缺陷的方法以及 一种用来基于热成像的评估引导接合缝的方法，其中这两种方法也可以不依赖于接合方法 实施。
[0035] 图像的评估例如可以按照前面对接合装置的描述来进行。因此例如可以通过检测 并评估一个或多个强度横向分布来进行图像评估，对此由强度横向分布例如可以得出限定 经加热区域的界限位置和限定接合接头的棱边位置，其中这些尺寸又能够用于缺陷识别和 /或质量检测。此外，图像评估例如如前所述包括一个或多个强度纵向分布的检测和评估。

【专利附图】

【附图说明】
[0036] 接下来根据多个实施例结合【专利附图】

【附图说明】本发明，对此相同或类似的特征用相同的附 图标记表示；其中：
[0037] 图1示出了在接合过程中具有热成像摄像机的接合装置；
[0038] 图2A-2C示出了接合位置的热成像；
[0039] 图2D示出了根据图2A-2C的热成像的线条视图；
[0040] 图3示出了表征温度分布的强度横向分布；
[0041] 图4示出了表征温度分布的强度纵向分布；
[0042] 图5示出了额缝上的各种焊接轮廓；
[0043] 图6示出了角焊缝上的各种焊接轮廓；
[0044] 图7示出了各种检测几何设置；以及
[0045] 图8示出了在三板连接上的各种可能的焊接轮廓
[0046] 附图标记说明
[0047]
[0048]

【权利要求】
1. 一种借助加工射束接合组件的方法，所述方法包括：借助加工射束在接合接头上通 过形成焊缝而接合第一待接合的组件和第二待接合的组件；检测通过加工射束加热的接合 接头区段的一个或多个热成像，其中每个热成像具有表征第一组件的温度分布的第一热成 像区段和表征第二组件的温度分布的第二热成像区段；以及在接合缺陷方面评估热成像， 其特征在于， 针对加工射束（7)的定位评估热成像以及基于热成像评估的结果对加工射束（7)进行 定位。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加工射束（7)沿着加工射束路径通向 接合接头（19)并且借助热成像摄像机（23)获取热成像，所述热成像摄像机这样设置，即， 所述热成像摄像机的观测射束路径至少分段地沿着加工射束（7)的加工射束路径延伸。
3. 根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述焊缝是在两个以平面相互叠置的 组件（3、5)的一个搭接接头上或一个凸缘接头上的额缝，其中所述组件（3、5)具有板材的 形式。
4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，每个热成像沿着在接合接头（19)上相对 接触的组件（3、5)的两个端面的整个宽度检测接合接头区段。
5. 根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，其特征在于，由热成像在接合接头 (19)的一个或多个纵向位置上检测强度横向分布（137)，所述强度横向分布表征沿着横向 于接合接头（19)延伸的线条（35、37、39、41、43)的温度变化；并且结合测得的强度横向分 布（137)评估热成像。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在每个强度横向分布（137)中将双面最外 的边缘位置（Sp S2)定为侧面的界限位置，并且结合所测得的界限位置来评估热成像，其中 在所述最外的边缘位置上强度横向分布（137)低于规定的界限值（Is)，所述界限位置相对 横向于接合接头（19)延伸的方向限定了通过加工射束（7)加热的区域（29、31、33)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，将双面的界限位置（SpS2)之间的间距测 定为加热轨距（S)，并且当所述接合接头（19)的一个或多个纵向位置上的加热轨距（S)小 于规定的轨距-最小值时，则判定为接合缺陷或加工射束（7)的错误定位。
8. 根据权利要求5至7中任意一项所述的方法，其特征在于，在每个强度横向分布 (137)中将一个位置定为其中一个待接合的组件（3、5)的棱边位置（K)，并且结合所述棱边 位置（K)进行加工射束（7)的定位，在此在所述位置上强度横向分布（137)的变化值至少和 规定的变化最小值一样大。
9. 根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，其特征在于，由热成像在所述接合接 头（19)的一个或多个横向位置上测定强度纵向分布（145)，并且结合所测得的强度纵向分 布（145)评估热成像，所述强度纵向分布表征沿着纵向于接合接头（19)延伸的线条（45、47) 的温度分布。
【文档编号】B23K101/18GK104339080SQ201410383769
【公开日】2015年2月11日 申请日期:2014年8月6日 优先权日:2013年8月6日
【发明者】克里斯托夫·弗朗茨 申请人:斯甘索尼克咪有限公司