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CN112739488A - 用于检测激光焊接保护玻璃的装置和方法 - Google Patents

用于检测激光焊接保护玻璃的装置和方法 Download PDF

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CN112739488A
CN112739488A CN201980059992.6A CN201980059992A CN112739488A CN 112739488 A CN112739488 A CN 112739488A CN 201980059992 A CN201980059992 A CN 201980059992A CN 112739488 A CN112739488 A CN 112739488A
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Abstract

本发明公开了一种被设计成用于测试具有激光波长的焊接激光束的光学透射系统的光学部件诸如保护玻璃的光学检测装置，该光学检测装置包括：‑光源，该光源被设计成发射测试光，‑接收装置，该接收装置被设计成接收该测试光的至少一部分并且量化所接收光的至少一个量，‑用于保持该光学部件的装置，该装置被设计成将该光学部件定位在该光源和该接收装置之间，其特征在于：‑由该接收装置接收的该测试光的该部分的波长为该激光波长的±20％。

Description

用于检测激光焊接保护玻璃的装置和方法
本发明整体涉及用于检测激光束的光学透射系统的光学部件的装置和方法，具体地，本发明涉及用于检测激光焊接保护玻璃的装置和方法。
激光焊接装置通常包括用于发射激光束的激光源，以及形成光学路径的一个或多个透镜，该光学路径使得可以将激光束引导和/或聚焦到焊接区上，以便焊接例如金属部件。焊接操作通常产生烟雾和/或熔融材料的喷射物，使得有必要在焊接区和光学路径的最后一个透镜之间设置保护玻璃，以避免烟雾和/或熔融材料(另外被称为喷溅物)对透镜造成损坏。然而，可具有或可不具有表面处理诸如抗反射处理的保护玻璃因此直接暴露于此类烟雾和喷射物，并且该保护玻璃可由于烟雾或熔融材料的喷射物的沉积物而变得不透明。因此，如果保护玻璃不能特别好地透射激光束，则可影响焊接的质量。
此外，测试激光焊接保护玻璃的透明度是复杂的，并且本发明的发明人面临能够可靠地区分在使用一定时间之后过度不透明的保护玻璃(无论其是否已被清洁，以便能够继续使用)与有点不透明但仍可使用而不影响焊接质量的另一个保护玻璃的困难。
本发明的目的是解决上述现有技术的缺点，并且具体地，主要是提出用于检测激光焊接装置的保护玻璃的装置和方法，该装置和方法使得可以可靠地验证保护玻璃是否应当进行改变，或者是否可以继续使用而不产生焊接缺陷。
为此，本发明的第一方面涉及用于检测激光焊接保护玻璃的装置，
该检测装置包括：
-光源，该光源被设计成发射测试光，
-接收装置，该接收装置被设计成接收该测试光的至少一部分并且量化所接收光的至少一个量，
-用于保持保护玻璃的装置，该装置被设计成将该保护玻璃定位在光源和接收装置之间，
其特征在于：
-由该接收装置接收的该测试光的该部分的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和11 10nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。此类波长范围使得可以根据焊接机的用途来量化保护玻璃的特性，以便进行代表性测量。
换句话讲，本发明涉及用于检测激光焊接保护玻璃的装置，该激光焊接机包括具有激光波长的激光源，
该检测装置包括：
-光源，该光源被设计成发射测试光，
-接收装置，该接收装置被设计成接收该测试光的至少一部分并且量化所接收光的至少一个量，
-用于保持保护玻璃的装置，该装置被设计成将该保护玻璃定位在光源和接收装置之间，
其特征在于：
-由该接收装置接收的该测试光的该部分的波长为该激光波长的±20％。因此，曝光量代表在激光焊接机的用途，并且对光透射能力的测量在代表实际使用的波长范围内进行。
换句话讲，本发明涉及被设计成测试具有激光波长的焊接激光束的光学透射系统的光学部件的光学检测装置，该光学检测装置包括：
-光源，该光源被设计成发射测试光，
-接收装置，该接收装置被设计成接收该测试光的至少一部分并且量化所接收光的至少一个量，
-用于保持该光学部件的装置，该装置被设计成将该光学部件定位在该光源和该接收装置之间，
其特征在于：
-由该接收装置接收的该测试光的该部分的波长为该激光波长的±20％。因此，曝光量代表在激光焊接机的用途，并且对光透射能力的测量在代表实际使用的波长范围内进行。在本专利申请的其余部分中，光学部件为激光焊接保护玻璃，但光学部件可为透镜、反射镜或焊接机的透射或反射光的任何构件。
一般来讲，检测装置是不同于焊接设备的装置。因此，可在不固定生产焊接设备的情况下测试光学部件。具体地，检测装置的光源不是激光焊接机的光源，并且保持装置不是激光焊接机的一部分。
此外，如果光学部件不是反射镜，则其在空间上布置在光源和接收装置之间。因此，测试光完全穿过待验证的光学部件。如果在光学部件的表面上存在例如完全不透明的杂质，则将在接收装置上测量阴影，而不是测量反射。这保证了更好的对比度和更好的最终检测。
具体地，如果光学部件是透明的并且在一个或两个面上包括抗反射处理，则光将完全穿过该抗反射处理并且由接收装置接收。申请人已发现抗反射处理的完整性是保证良好质量焊接的重要参数。
具体地，光源相对于光学部件如激光焊接机的焊接光源定位，并且接收装置相对于光学部件如待焊接的部件定位。因此，该测试涉及焊接光穿过的光学部件的部分：工作部件。
根据典型且有利的实施方案，光源和接收装置位于光学部件的对称轴线或中心轴线上。该具体实施简化了计算并且没有反射。实际上，通过反射测量结垢可容易导致解释错误，因为具体地杂质或烟雾的反射性(基于它们的组成，这取决于部件的属性、气化的残余物、杂质的形状等)是不可重复的。
由接收装置接收的测试光的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间，这表示红外光谱的一小部分。事实上，在光学和光子范围中，红外光谱通常在700nm至5,000,000nm的波长范围内。因此，855nm至1276nm的范围表示红外辐射的总范围的约0.008％。
有利的是，检测装置包括至少一个光学滤光器，该至少一个光学滤光器布置在光源和接收装置之间，并且被设计成允许仅或唯独波长在以下范围的测试光穿过到达接收装置：在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。理想的是，光学滤光器被设置成具有12nm±2nm的带宽并且以具有优选范围的波长为中心，这意味着如果带宽以1064nm为中心，则到达接收装置的光波的波长例如在1058nm和1070nm之间。换句话讲，光学滤光器的带宽具有为焊接机的激光源的激光束的波长的1.2％的宽度。
有利的是，光学滤光器布置在保护玻璃和接收装置之间。
另选地或除此之外，该光学滤光器或另一个光学滤光器布置在光源和保护玻璃之间。这使得可以仅将保护玻璃暴露于代表其工作条件的光。
有利地或另选地，由光源发射的测试光的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
有利的是，光源发射波长仅在或唯独在以下范围的光：在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
有利的是，测试光具有光谱，该光谱中的至少80％落在激光波长的±20％的值范围内。
有利的是，测试光具有光谱，该光谱中的至少80％的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
换句话讲，由光源发射的电磁波中的80％的波长落在激光波长的±20％的值范围内，并且/或者在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
有利的是，光源包括电致发光二极管。这允许构造不需要特殊使用条件的光学检测装置，这可如同使用激光装置的情况。
有利的是，保护玻璃与光源分开落在50mm至120mm并且更优选地落在70mm至100mm的值范围内的距离。
有利的是，接收装置包括具有测量表面的传感器，并且保护玻璃与接收装置分开所限定的距离，以便允许接收装置聚焦在保护玻璃上，并且以使得在接收装置上保护玻璃的图像占据测量表面的至少80％，并且优选地占据测量表面的至少90％的方式进行。这使得能够进行总体测量。
有利的是，传感器为CMOS(互补金属氧化物半导体)，其由类似于CCD的光电二极管构成，其中每个光电二极管具有其自身的电荷/电压转换器和放大器(在为APS传感器的情况下)。即使这种传感器是便宜的，但即使对于所涉及的波长也可进行良好的测量。
有利的是，接收装置包括单个传感器和/或单个光源。检测装置构造起来简单且便宜，并且仍然保证了有效的检测。
有利的是，该装置包括外壳，该外壳被设计成屏蔽除来自光源的光线之外的光线。换句话讲，外覆盖件防止环境光干扰测量。
本发明的第二方面涉及检测激光焊接保护玻璃的方法，该方法包括以下步骤：
-将保护玻璃放置在光源和光接收装置之间的光学路径上，该光源包括例如电致发光二极管，
-用该光源发射测试光，
-测量由该光接收装置在至少55mm2的表面上接收的该测试光的量，
-根据由该接收装置接收的该测试光的量计算保护玻璃的至少一种透射特性，
-将所推导的透射特性与透射阈值进行比较。
有利的是，所述至少一种透射特性是透射率和/或透明度和/或保护玻璃的不透明点的表面积和/或保护玻璃的不透明点的总表面积。例如，不透明点可以是喷溅物(在保护玻璃的表面上固化的喷射物)，或者是保护玻璃团中的内含物。
有利的是，检测方法包括以下初步的参考测量步骤：在没有保护玻璃的情况下将测试光发射到光学路径上，以及测量由接收装置接收的测试光的量，以便建立所接收的测试光的量的参考阈值。这通常涉及在放置保护玻璃之前和之后进行测量，以便限制材料的误差和畸变。
有利的是，所述参考测量包括最大化接收装置的传感器的增益的步骤。这使得可以将其放置在具有能够容易测量的值的测量范围内。
有利的是，传感器包括多个感光表面，该多个感光表面被设计成发射表示所接收光的量的信号，并且最大化增益的所述步骤包括以下步骤：改变光源的暴露时间和/或发射强度，使得由每个感光表面发射的信号为每个感光表面的被称为满刻度的信号的至少80％，优选地为满刻度信号的89％，并且更优选地为满刻度信号的93％。
有利的是，由每个感光表面发射的信号严格小于满刻度信号的100％。
有利的是，所述暴露时间和/或所述发射强度对于利用放置在光学路径中的保护玻璃进行的后续测量保持恒定。
有利的是，通过取在参考测量和测试测量之间由每个感光表面发射的信号的差值的平均值来计算所述透明度。
有利的是，检测方法包括在操作过程中放置光源的步骤，并且其中在预先确定的时间(诸如，30分钟或更好的一小时)之前以及/或者在以恒定测试间隔进行的两次测量之间的测量差值不小于预先确定的差值(诸如，0.5％或更好的0.1％)之前不进行测量。
有利的是，检测方法包括以下步骤：发射和/或过滤测试光，以便仅波长在以下范围的光透射到接收装置：在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
有利的是，检测方法包括以下步骤：发射和/或过滤测试光，以便将保护玻璃仅暴露于波长在以下范围的光：在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
从以下通过非限制性示例提供并通过附图示出的本发明实施方案的具体实施方式，将更清楚地看到本发明的其他特征和优点，在附图中：
-图1示出了激光焊接装置的简化视图，
-图2表示根据本发明的测试装置的示意图。
图1示出了待焊接的两个部件，110A和110B。为此，包括激光源(例如Nd：YAG型激光源)的激光焊接机产生激光束130，该激光束通过透镜120和125(并且具体地通过透镜120，该透镜是在部件110A和110B被焊接之前激光束130的光学路径中的最后一个透镜)朝向部件110A和110B的焊接区会聚。
Nd：YAG(掺钕钇铝石榴石)激光通常发射波长为约1060nm并且更精确地为1064nm的光。
为了适当地保护透镜120使其免受在激光焊接期间产生的烟雾和材料喷射物的影响，通常在最后一个透镜120和待焊接的部件之间设置保护玻璃140。该保护玻璃随后逐渐被沉积物覆盖和/或(被烟雾、热和/或熔融金属的喷射物)损坏并且逐渐变得不透明，这改变了激光束130的透射属性，因此影响了焊接的质量。
图2示出了保护玻璃140的检测装置，以便验证所述玻璃是否能够在第一次使用之前或在使用一定量时间之后正确地透射激光束130。
具体地，保护玻璃140通过用于将其保持在适当位置的装置30设置在光源10和接收装置20之间。
为了正确量化保护玻璃140的透射适用性，本发明提出使用光学滤光器15和/或光源10，以便利用具有接近激光束130中的那些激光束的特性的光波进行检测测量。
根据一个有利的实施方案，使用充当带通滤光器、高通滤光器或低通滤光器(这取决于光源10的光谱的特性)的光学滤光器15。由光学滤光器透射的光的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。光源10的光谱的其余部分被吸收或反射，但不在光学滤光器15的下游透射。
可进行设置以如图2中那样放置光学滤光器15，即放置在保护玻璃140和接收装置20之间。具体地，可设置成将光学滤光器结合在通常形成接收装置的传感器上或传感器中。然而，另选地或除此之外，也可将光学滤光器设置在光源10和保护玻璃140之间，这具有将保护玻璃140仅暴露于具有类似于工作光(激光束130的光)的特性的光的优点。
详细地，光学滤光器15的带通可被设置成具有以下特性：
Figure BDA0002974097210000071
应当注意，上述滤光器具有以1050nm为中心的带通，该带通非常接近YAG激光的波长(约1060nm)并且提供非常可接受的结果：可以区分不符合的保护玻璃(其将产生在穿透深度、熔融宽度等方面不符合的激光焊接)与顺应保护玻璃。
作为另一种选择或除上述滤光器15之外，可进行设置以使用产生波长类似于激光束的波长(即，等于例如±20％的激光束的波长)的光的光源。
根据一个有利的实施方案，如果激光束为YAG型，则光源10发射波长在以下范围的光∶在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
非常有利的是，光源10包括一个或多个电致发光二极管(LED)，这使得可以容易地产生光而不产生热(这可以导致测量特性改变)，并且所发射的光可以具有特定的波长。例如，可以考虑使用电致发光激光二极管来产生相干光。
接收装置20通常包括光传感器，例如CMOS传感器，该CMOS传感器具有足够的测量表面积以能够拍摄保护玻璃140的大部分的图像。具体地，保护玻璃140的测量表面积为例如至少55mm2，这使得可以在测量(或照片)中量化保护玻璃140的显著表面积。CMOS传感器具有便宜的优点。这种类型的传感器未被具体限定为用红外线进行采集，但其在该频率范围内的低容量对于所述装置的特定需要仍然是有效的。
根据有利的实施方案，保护玻璃140与光源分开落在50mm至120mm并且更优选地落在70mm至100mm的值范围内的距离L1。
根据一个有利的实施方案，保护玻璃140与接收装置20分开所限定的距离L2，以便允许接收装置聚焦在保护玻璃140上，并且以使得在接收装置20上保护玻璃140的图像占据光传感器的测量表面的至少80％，并且优选地占据测量表面的至少90％的方式进行。换句话讲，由光传感器拍摄的照片的80％应为保护玻璃的图像。
还进行了设置以优化接收装置20的使用和所使用的光传感器的使用。已经观察到，有利的是以使得接收装置产生最大可能测量信号的方式使用接收装置。
为此，在测试保护玻璃之前，进行设置以执行以下步骤：调节光源10，以便从接收装置20产生最大可能信号，但不是饱和的信号。
在实施过程中，保护玻璃不放置在保持装置30上，并且光源10直接面向接收装置20。在操作过程中放置光源10。可首先进行设置以允许系统平衡(温度升高、稳定等)，并且仅在开启之后的30分钟至一小时之后进行第一次测量。
接下来，仍然在没有保护玻璃140的情况下，进行第一次测量，并且将从光传感器获得的信号与其最大信号进行比较。如果所获得的信号较弱，例如小于满刻度信号的80％或甚至小于满刻度信号的89％，则光源10的光强度增大，直到从接收装置20获得的信号大于最小限度，但信号必须严格保持为低于满刻度。
例如，如果光传感器包括感光表面(或像素)，这些感光表面的信号可在0和255之间变化(例如，可提供三种类型的感光表面，每种类型的感光表面具有三种颜色(红色、绿色和蓝色)中的一种颜色)，则进行设置以调节光源10的强度，使得光传感器的感光表面中的每个感光表面产生在225和255之间的信号。
在完成校准阶段时，则可以进行到对保护玻璃140的透射特性的表征。在将保护玻璃140放置在适当位置之前和之后进行测量，然后可对以下项进行表征，例如：
-透明度，其可通过取在将保护玻璃140放置在适当位置之前和之后进行的测量之间每个感光表面的信号差值除以在没有保护玻璃140的情况下的信号的平均值来计算；
-保护玻璃140上存在的每个不透明点(或喷溅物)的尺寸，不透明点被认为是在其处来自至少一个感光表面的信号在将保护玻璃140放置在适当位置之前和之后进行的测量之间减小50％以上的点；
-保护玻璃140上存在的所有不透明点(或喷溅物)的总尺寸。
例如，如果透明度低于95％以及/或者如果不透明点超过1.3mm2，以及/或者如果不透明点的总表面积超过2.5mm2，则保护玻璃140可被认为需要进行改变。
应当理解，可以在不超出本发明的范围的情况下，对本文中描述的本发明的不同实施方案进行对本领域技术人员显而易见的各种修改和/或改进。具体地，提到了Nd：YAG激光，但也可以将检测装置和方法用于CO2激光(即发射红外光的激光源，其主波段的中心在9.4μm和10.6μm之间)焊接机的保护玻璃。

Claims (15)

1.一种用于检测激光焊接保护玻璃(140)的装置，
所述检测装置包括：
-光源(10)，所述光源被设计成发射测试光，
-接收装置(20)，所述接收装置被设计成接收所述测试光的至少一部分并且量化所接收光的至少一个量，
-用于保持所述保护玻璃(140)的装置(30)，所述装置被设计成将所述保护玻璃(140)定位在所述光源(10)和所述接收装置(20)之间，
其特征在于：
-由所述接收装置(20)接收的所述测试光的所述部分的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
2.根据前述权利要求所述的检测装置，包括至少一个光学滤光器(15)，所述至少一个光学滤光器布置在所述光源(10)和所述接收装置(20)之间，并且被设计成允许仅或唯独波长在以下范围的所述测试光穿过到达所述接收装置(20)：在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
3.根据前述权利要求中任一项所述的检测装置，其中由所述光源(10)发射的所述测试光的波长在855nm和1276nm之间，优选地在955nm和1170nm之间，并且还更优选地在1010nm和1110nm之间，并且非常优选地在1040nm和1080nm之间。
4.根据前述权利要求中任一项所述的检测装置，其中所述测试光具有光谱，所述光谱的至少80％落在所述激光波长的±20％的值范围内。
5.根据前述权利要求中任一项所述的检测装置，其中所述光源(10)包括电致发光二极管。
6.根据前述权利要求中任一项所述的检测装置，其中所述保护玻璃(140)与所述光源(10)分开落在50mm至120mm并且更优选地落在70mm至100mm的值范围内的距离。
7.根据前述权利要求中任一项所述的检测装置，其中所述接收装置(20)包括具有测量表面的传感器，并且其中所述保护玻璃(140)与所述接收装置(20)分开所限定的距离，以便允许所述接收装置(20)聚焦在所述保护玻璃(140)上，并且以使得在所述接收装置(20)上所述保护玻璃(140)的图像占据所述测量表面的至少80％，并且优选地占据所述测量表面的至少90％的方式进行。
8.一种检测激光焊接保护玻璃(140)的方法，包括以下步骤：
-将所述保护玻璃(140)放置在光源(10)和光接收装置(20)之间的光学路径上，所述光源包括例如电致发光二极管，
-用所述光源(10)发射测试光，
-测量由所述光接收装置(20)在至少55mm2的表面上接收的所述测试光的量，
-根据由所述接收装置(20)接收的所述测试光的量计算所述保护玻璃(140)的至少一种透射特性，
-将所推导的透射特性与透射阈值进行比较。
9.根据前述权利要求所述的检测方法，其中所述至少一种透射特性是透射率和/或透明度和/或所述保护玻璃(140)的不透明点的表面积和/或所述保护玻璃(140)的不透明点的总表面积。
10.根据权利要求8或9中任一项所述的检测方法，包括以下初步的参考测量步骤：在没有所述保护玻璃(140)的情况下将所述测试光发射到所述光学路径上，以及测量由所述接收装置(20)接收的所述测试光的所述量，以便建立所接收的测试光的量的参考阈值。
11.根据前述权利要求所述的检测方法，其中所述参考测量包括最大化所述接收装置(20)的传感器的增益的步骤。
12.根据前述权利要求所述的检测方法，所述传感器包括多个感光表面，所述多个感光表面被设计成发射表示所接收光的量的信号，其中最大化所述增益的所述步骤包括以下步骤：改变所述光源(10)的暴露时间和/或发射强度，使得由每个感光表面发射的所述信号为每个感光表面的被称为满刻度的信号的至少80％，并且优选地为所述满刻度信号的89％。
13.根据前述权利要求所述的检测方法，其中所述暴露时间和/或所述发射强度对于利用放置在所述光学路径中的所述保护玻璃(140)进行的所述后续测量保持恒定。
14.根据权利要求9所述的检测方法，其中通过取在所述参考测量和所述测试测量之间由每个感光表面发射的所述信号的差值的平均值来计算所述透明度。
15.根据权利要求8至14中任一项所述的检测方法，包括在操作过程中放置所述光源(10)的步骤，并且其中在预先确定的时间之前以及/或者在以恒定测试间隔进行的两次测量之间的测量差值不小于预先确定的差值之前不进行测量。
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