УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ СВАРНОГО УЧАСТКА И СПОСОБ ЕГО КОНТРОЛЯ С ВЫДЕЛЯЮЩИМ УЧАСТКОМ ДЛЯ ВЫДЕЛЕНИЯ СВЕЧЕНИЯ ИСПАРЕНИЯ И ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2017 года по МПК B23K26/03 B23K26/22 

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству контроля сварного участка и способу его контроля, в частности к устройству контроля, которое контролирует сварочное состояние сварного участка, образованного в то время времени, когда сваривают вместе множество обрабатываемых деталей лазерным лучом, например, и способу его контроля.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] Когда два стальных листа, будучи уложенными один на другой, сваривают посредством лазерного луча, выполняют оценку качества сварного участка, образованного сваркой лазерным лучом. В качестве примера такой оценки качества на сварном участке, образованном сваркой лазерным лучом в публикации японской патентной заявки No. 2008-87056 (JP 2008-87056 А) описана технология выполнения оценки качества сварки лазерным лучом с использованием отраженного света лазерного луча.

[0003] В системе определения качества сварки лазерным лучом описанной в JP2008-87056 А, луч АИГ-лазера (лазер на алюминоиттриевом гранате) излучается, например, лазерным факелом. Отраженный свет лазера принимается первым светоприемным выходным средством, расположенным с верхней стороны в направлении по диагонали вперед относительно направления ведения сварки. Далее, сварочный луч света, включающий в себя свет паров (шлейф) и отраженный свет лазера, принимается вторым светоприемным выходным средством в направлении, коаксиальном направлению излучения лазерного луча. Отраженный свет лазера и сварочный луч света, которые принимают одновременно в двух заданных направлениях, преобразуются в электрические сигналы в соответствии с их интенсивностью. В результате эта система определяет качество сварки на основе интенсивности сигнала электрических сигналов или изменения в их интенсивности.

[0004] В соответствии с системой определения качества сварки лазерным лучом, описанной в JP 2008-87056 А, отраженный свет лазера и сварочный луч света принимают одновременно в двух заданных направлениях, отличных друг от друга. Интенсивность сигнала каждого из принятых лучей сравнивают с порогом, установленным соответствующим образом. В результате можно определить возникновение любого из разнообразных типов плохой сварки: незаполнение, когда сварной валик опускается и не заполняет зазор между стальными листами; отсутствие соединения, когда верхний и нижний стальные листы не соединены из-за избыточно большого зазора между стальными листами; заниженный валик, когда валик занижен из-за избыточно большого зазора между стальными листами; расплавление, когда валик непредумышленно исчезает из-за колебаний теплового баланса; возникновение отверстий.

[0005] Тем не менее, в системе определения качества сварки лазерным лучом, описанной, например, в JP 2008-87056 А, в случае, когда лазерный факел и обрабатываемая деталь (стальной лист), находятся на расстоянии друг от друга, электрический сигнал, полученный от принятого отраженного света лазера или света сварки, может быть очень слабым. Таким образом, точность определения плохой сварки может ухудшиться. В частности, при заниженном валике, когда валик занижен при сварке лазером, изменения электрических сигналов, вызванные плохой сваркой, уменьшаются. Таким образом, иногда плохую сварку в обрабатываемых деталях нельзя обнаружить с точностью. Кроме того, свечение паров, вызванное плавлением и испарением обрабатываемых деталей, или свет теплового излучения, излученный из ванны расплава обрабатываемых деталей, зависят от температуры обрабатываемых деталей. При этом известно, что порог для определения электрического сигнала, полученного от принятого отраженного лазерного луча или света сварки, и качество лазерной сварки меняются в соответствии с температурой обрабатываемой детали. Если изменение температуры обрабатываемой детали при сварке лазером велико, точность определения дефектов сварки обрабатываемых деталей может дополнительно снизиться.

Сущность изобретения

[0006] Настоящее изобретение обеспечивает создание устройства для сварки деталей с контролем состояния сварного участка, которое способно с точностью проконтролировать сварочное состояние сварного участка в обрабатываемой детали при удаленной сварке, когда лазерный факел и обрабатываемые детали расположены на расстоянии друг от друга, а также способ его контроля.

[0007] Первый объект изобретения относится к устройству для сварки деталей с контролем состояния сварного участка, сконфигурированному для контроля сварочного состояния сварного участка, образованного, когда сваривают вместе множество обрабатываемых деталей. Устройство контроля сварного участка содержит излучающий участок, сконфигурированный для многократного излучения сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной в обрабатываемых деталях, или многократного излучения контрольного лазерного луча вдоль траектории сканирования, расположенной в ванне расплава обрабатываемой детали, расплавленной сварочным лазерным лучом с тем, чтобы сварить вместе обрабатываемые детали; светопринимающий участок, сконфигурированный для приема обратного света, включающего в себя отраженный свет сварочного лазерного луча или контрольного лазерного луча, излученных излучающим участком, при этом отраженный свет отражен от ванны расплава в обрабатываемой детали, свечение паров, которое создано испарением обрабатываемой детали, и свет теплового излучения, излученный из ванны расплава в обрабатываемой детали; выделяющий участок, сконфигурированный для выделения первого компонента, содержащего свечение испарения, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, из обратного света, принятого светопринимающим участком; и участок контроля, сконфигурированный для контроля сварочного состояния сварного участка обрабатываемой детали на основе отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, выделенных выделяющим участком.

[0008] Если в сварном участке обрабатываемой детали имеется дефект сварки, то когда сварочный лазерный луч, излученный по траектории сварки, расположенной в обрабатываемой детали, или контрольный лазерный луч, излученный по траектории сканирования, расположенной в ванне расплава обрабатываемой детали, проходит по дефекту сварки, интенсивность первого компонента, содержащего свечение испарения, и интенсивность второго компонента, содержащего свет теплового излучения, обратного света, меняется, по существу, по одинаковому циклу, однако формы сигнала интенсивности являются различными. Таким образом, когда вычисляется отношение между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, выявляется, что множество форм сигнала, которые меняются, по существу, по одинаковому циклу, имеют, вместе с тем, сдвиг по фазе. Считается, что периодическое изменение периода Т, вызываемое дефектом сварки сварного участка обрабатываемых деталей, усиливается.

[0009] Согласно вышеописанному объекту путем выделения первого компонента, содержащего свечение испарения, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, из обратного света, принятого светопринимающим участком при многократном излучении сварочного лазерного луча по траектории сварки или многократном излучении контрольного лазерного луча по траектории сканирования, сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали контролируют на основе отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента. В результате, даже если электрический сигнал, полученный из обратного света, принятого светопринимающим участком, является слабым, или интенсивность обратного света, принятого светопринимающим участком, меняется в зависимости от рабочей температуры при удаленной сварке, чтобы сварить, например, с помощью лазерного излучающего участка обрабатываемые детали, дистанционно разнесенные друг от друга, периодическое изменение, вызванное дефектом сварки сварного участка обрабатываемой детали, можно надежно определить путем усиления так, чтобы сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали могло быть с точностью проконтролировано.

[0010] Кроме того, согласно вышеописанному объекту участок контроля может контролировать сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали путем проведения преобразования Фурье для отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, или скоростью изменения отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента.

[0011] Согласно вышеописанному объекту участок контроля контролирует сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали путем проведения преобразования Фурье для отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, или скорости изменения отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента. В результате, периодическое изменение, вызванное дефектом сварки сварного участка обрабатываемой детали, можно определить с большей надежностью. Таким образом, сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали можно проконтролировать с большей точностью.

[0012] Кроме того, согласно вышеописанному объекту участок контроля может проконтролировать сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали на основе амплитуды при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота, определенная проведением преобразования Фурье для отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, или скоростью изменения отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента.

[0013] Согласно вышеописанному объекту участок контроля контролирует сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали на основе амплитуды при частоте, которая в несколько раз выше фундаментальной частоты, определенной путем проведения преобразования Фурье для отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, или скорости изменения отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента. В результате, сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали можно проконтролировать с большей точностью.

[0014] Далее, согласно вышеописанному объекту выделяющий участок может спектрально разлагать обратный свет, принятый светопринимающим участком, по меньшей мере, на первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения, и выделять из обратного света первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения.

[0015] Согласно вышеописанному объекту выделяющий участок, по меньшей мере, спектрально разлагает обратный свет, принятый светопринимающим участком, на первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения, и выделяет из обратного света первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения. В результате, из обратного света с помощью простой конструкции можно выделить первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения.

[0016] Далее, второй объект настоящего изобретения относится к способу сварки деталей с контролем состояния сварного участка, применимому для контроля сварочного состояния сварного участка, образованного, когда сваривают вместе множество обрабатываемых деталей. Способ контроля сварного участка включает в себя: многократное осуществление излучения сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной в обрабатываемых деталях, или многократное осуществление излучения контрольного лазерного луча вдоль траектории сканирования, расположенной в ванне расплава обрабатываемой детали, расплавленной сварочным лазерным лучом с тем, чтобы сварить вместе обрабатываемые детали; осуществление приема обратного света, включающего в себя отраженный свет сварочного лазерного луча или контрольного лазерного луча, при этом отраженный свет отражен от ванны расплава в обрабатываемой детали, свечение паров, которое создано испарением обрабатываемой детали, и свет теплового излучения, излученный из ванны расплава в обрабатываемой детали; осуществление выделения первого компонента, содержащего свечение испарения, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, из обратного света и осуществление контроля сварочного состояния сварного участка обрабатываемой детали на основе отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента.

[0017] Согласно вышеописанному объекту первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения, выделяют из обратного света, и сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали контролируют на основе отношения между интенсивностью первого компонента, содержащего свечение испарения, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения. В результате, даже если электрический сигнал, полученный из обратного света, принятого светопринимающим участком, является слабым, либо интенсивность обратного света, принятого светопринимающим участком, меняется в зависимости от изменений рабочей температуры при удаленной сварке, чтобы сварить с помощью лазерного излучающего участка обрабатываемые детали, дистанционно разнесенные друг от друга, например, то периодическое изменение, вызванное дефектом сварки сварного участка обрабатываемой детали, можно надежно определить путем усиления, поэтому сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали может быть с точностью проконтролировано.

[0018] Как понятно из вышеприведенного описания, согласно первому и второму объектам настоящего изобретения при сварке вместе множества обрабатываемых деталей, первый компонент, содержащий свечение испарения, и второй компонент, содержащий свет теплового излучения, выделяют из обратного света при многократном излучении сварочного лазерного луча по траектории сварки, или многократном излучении контрольного лазерного луча по траектории сканирования, и сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали контролируют на основе отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента. В результате, даже если электрический сигнал, полученный из обратного света, является слабым, или интенсивность обратного света меняется в зависимости от рабочей температуры, то сварочное состояние сварного участка обрабатываемой детали может быть с точностью проконтролировано.

Краткое описание чертежей

[0019] Признаки, преимущества, а также техническое и промышленное значение примерных вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, в которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы, и при этом:

фиг. 1 представляет собой диаграмму общей конфигурации, показывающую всю конструкцию первого варианта осуществления устройства контроля сварного участка по настоящему изобретению;

фиг. 2 представляет собой вид сверху, описывающий состояние излучения сварочного лазерного луча посредством сварочного излучающего участка устройства контроля, показанного на фиг. 1;

фиг. 3 представляет собой вид сверху, описывающий состояние излучения контрольного лазерного луча посредством контрольного излучающего участка устройства контроля, показанного на фиг. 1;

фиг. 4 представляет собой диаграмму, показывающую для случая, когда сварочное состояние сварного участка нормальное, интенсивность коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, интенсивность длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, и отношение интенсивности длинноволнового компонента к интенсивности коротковолнового компонента во временной последовательности;

фиг. 5А представляет собой вид сверху, описывающий взаимосвязь между ванной расплава и траекторией сканирования контрольного лазерного луча, когда сварочное состояние сварного участка нормальное;

фиг. 5В представляет собой вид, взятый по линии VB-VB с фиг. 5А;

фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую для случая, когда сварочное состояние сварного участка дефектное, интенсивность коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, интенсивность длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, и отношение интенсивности длинноволнового компонента к интенсивности коротковолнового компонента во временной последовательности;

фиг. 7А представляет собой вид сверху, описывающий взаимосвязь между ванной расплава и траекторией сканирования контрольного лазерного луча, когда сварочное состояние сварного участка является дефектным;

фиг. 7В представляет собой вид, взятый по линии VIIB-VIIB на фиг. 7А;

фиг. 8 представляет собой диаграмму общей конфигурации, показывающую всю конструкцию второго варианта осуществления устройства контроля сварного участка по настоящему изобретению;

фиг. 9 представляет собой диаграмму, показывающую результат измерения интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения, и результат арифметической обработки отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения согласно примеру 1 на основе контрольного образца во временной последовательности;

фиг. 10 представляет собой диаграмму, показывающую результат измерения интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения, и результат арифметической обработки отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения согласно примеру 2 на основе контрольного образца во временной последовательности;

фиг. 11 представляет собой диаграмму, показывающую взаимосвязь между частотой и амплитудой, относящуюся к интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения согласно примеру 1 на основе контрольного образца;

фиг. 12 представляет собой диаграмму, показывающую взаимосвязь между частотой и амплитудой, относящуюся к интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения согласно примеру 2 на основе контрольного образца;

фиг. 13А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности свечения испарения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца;

фиг. 13В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности свечения испарения при частоте, в два раза превышающей фундаментальную частоту, на основе контрольного образца;

фиг. 14А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности света теплового излучения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца;

фиг. 14В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности света теплового излучения при частоте, в два раза превышающей фундаментальную частоту, на основе контрольного образца;

фиг. 15А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца; и

фиг. 15В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения при частоте, в два раза превышающей фундаментальную частоту, на основе контрольного образца.

Подробное описание вариантов осуществления

[0020] В результате интенсивных исследований, авторы настоящего изобретения обнаружили, что в ответном световом излучении (далее также именуемом как «обратный свет»), принятом при излучении сварочного лазерного луча и контрольного лазерного луча на обрабатываемую деталь, отношение интенсивности между первым компонентом, содержащим свечение паров (далее также - свечение испарения), и вторым компонентом, содержащим свет теплового излучения, тесно связано со сварочным состоянием сварного участка, образованного на обрабатываемой детали.

[0021] Кроме того, авторы настоящего изобретения обнаружили, что амплитуда при частоте, которая многократно выше, чем фундаментальная частота, более тесно связана со сварочным состоянием сварного участка обрабатываемой детали, чем амплитуда при фундаментальной частоте, обнаруженная путем проведения преобразования Фурье для отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, или скорости изменения отношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента.

[0022] Далее варианты осуществления устройства для сварки деталей с контролем качества сварного участка (далее также именуемого как «устройство контроля сварного участка») и способа сварки деталей с контролем качества сварного участка (далее также именуемого как «способ контроля сварного участка») согласно настоящему изобретению будут описаны со ссылкой на сопровождающие чертежи.

Первый вариант осуществления устройства контроля сварного участка

[0023] Сначала первый вариант осуществления устройства для сварки деталей с контролем качества сварного участка по настоящему изобретению будет описан со ссылкой на фиг. 1-3.

[0024] Фиг. 1 представляет собой диаграмму общей конфигурации, показывающую всю конструкцию первого варианта осуществления устройства контроля сварного участка по настоящему изобретению. Фиг. 2 представляет собой вид сверху, описывающий состояние излучения сварочного лазерного луча посредством сварочного излучающего участка устройства контроля, показанного на фиг. 1, и фиг. 3 представляет собой вид сверху, описывающий состояние излучения контрольного лазерного луча посредством контрольного излучающего участка устройства контроля, показанного на фиг. 1.

[0025] Устройство контроля 100, проиллюстрированное на фиг. 1, главным образом включает сварочный излучающий узел 1 (далее также - сварочный излучающий участок), контрольный излучающий узел 5 (далее также - контрольный излучающий участок), светоприемный узел 2 (далее также - светопринимающий участок), оптические фильтры 8, 10, преобразующие участки 3а, 3b, усилители 4а, 4b, узел контроля 6 (далее также - участок контроля) и электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) 7.

[0026] Сварочный излучающий участок 1 облучает две обрабатываемые детали W1, W2 с помощью сварочного лазерного луча (например, АИГ-лазер, имеющий заданную длину волны) L1 чтобы сварить вместе две обрабатываемые детали W1, W2 (например, стальные листы), уложенные друг на друга или расположенные на некотором расстоянии друг от друга. Более конкретно, как показано на фиг. 2, сварочный излучающий участок 1 несколько раз поворачивает фокусную точку F1 сварочного лазерного луча L1, по существу, по круговой траектории сварки С11, имеющей радиус R11, расположенной на обрабатываемой детали W1, и несколько раз излучает по траектории сварки С11 сварочный лазерный луч L1. Далее, фокусная точка F1 сварочного лазерного луча L1 смещается внутрь траектории сварки С11. В дальнейшем, фокусная точка F1 сварочного лазерного луча L1 несколько раз поворачивается, по существу, по круговой траектории сварки С12, которая имеет радиус R12, меньший, чем радиус R11, и коаксиальна с траекторией сварки С11, и сварочный лазерный луч L1 несколько раз излучается по траектории сварки С12. Путем повторения этапа излучения сварочного лазерного луча L1 данным образом, на обрабатываемых деталях W1, W2 образуется, по существу, круговой сварной участок с тем, чтобы сварить вместе обрабатываемые детали W1, W2 (именуется лазерной винтовой сваркой). При этом центр С0 траектории сварки С11 и траектории сварки С12 служит в качестве центра сварки сварных участков, которые должны быть образованы на обрабатываемых деталях W1, W2.

[0027] Посредством излучения сварочного лазерного луча L1 из сварочного излучающего участка 1, сварочная ванна расплава Y1 (далее также - ванна расплава) образуется в результате расплавления обрабатываемых деталей W1, W2 с правой и левой сторон сварочного лазерного луча L1 и позади него в направлении перемещения сварочного лазерного луча L1. В первом варианте осуществления, сварочный лазерный луч L1 излучается, по существу, по круговым траекториям сварки C1, С2, как описано выше. В результате, в обрабатываемых деталях W1, W2 образуется, по существу, круглая ванна расплава Y1.

[0028] Как показано на фиг. 1, контрольный излучающий участок 5 излучает контрольный лазерный луч L5 на ванну расплава Y1, находящуюся в расплавленном состоянии, с помощью оптического фильтра 8 и светопринимающего участка 2. Более конкретно, как показано на фиг. 3, контрольный излучающий участок 5 несколько раз поворачивает фокусную точку F5 контрольного лазерного луча L5, по существу, по круговой траектории сканирования С51, имеющей радиус R51 и расположенной внутри наружного края ванны расплава Y1, по существу, на постоянной скорости и несколько раз излучает контрольный лазерный луч L5 по траектории сканирования С51. Далее, фокусная точка F5 контрольного лазерного луча L5 смещается внутрь траектории сканирования С51. В дальнейшем, фокусная точка F5 контрольного лазерного луча L5 несколько раз проходит, по существу, по круговой траектории сканирования С52, которая имеет радиус R52, меньший, чем радиус R51, и коаксиальна с траекторией сканирования С51, и контрольный лазерный луч L5 несколько раз излучается по траектории сканирования С52. Повторяя данным образом этап излучения контрольного лазерного луча L5, контрольный излучающий участок 5 излучает контрольный лазерный луч L5, по существу, по круговой в целом ванне расплава Y1, образованной в обрабатываемых деталях W1, W2. При этом центр траекторий сканирования С51, С52 установлен, например, на центр С0 вышеупомянутых траекторий сварки С11, С12.

[0029] Как показано на фиг. 1, с помощью контрольного излучающего участка 5 при излучении контрольного лазерного луча L5 на ванну расплава Y1, светопринимающий участок 2 принимает обратный свет L2, включающий в себя отраженный свет контрольного лазерного луча L5, который отражается от ванны расплава Y1 обрабатываемых деталей W1, W2, свечение испарения, вызванный плавлением / испарением обрабатываемых деталей W1, W2 (свет плазмы), и свет теплового излучения (инфракрасный свет), излученный из ванны расплава Y1 обрабатываемых деталей W1, W2.

[0030] Обратный свет L2, принятый светопринимающим участком 2, спектрально разлагается на коротковолновый компонент L2a, содержащий свечение испарения (свет плазмы), имеющее длину волны приблизительно 550 нм, и длинноволновый компонент L2b, содержащий свет теплового излучения (инфракрасный свет), имеющий длину волны приблизительно 800 нм, через оптический фильтр 8 и оптический фильтр (выделяющий узел или также выделяющий участок) 10. Таким образом, коротковолновый компонент L2a и длинноволновый компонент L2b выделяются из обратного света L2.

[0031] Преобразующий участок 3а преобразует коротковолновый компонент L2a, полученный путем спектрального разложения через оптический фильтр 10 и собранный через конденсорную линзу 9а, в электрический сигнал, и выдает электрический сигнал на усилитель 4а. Усилитель 4а усиливает сигнальную интенсивность электрического сигнала, выданного из преобразующего участка 3а, и посылает на участок контроля 6.

[0032] Кроме того, преобразующий участок 3b преобразует длинноволновый компонент L2b, полученный путем спектрального разложения через оптический фильтр 10 и собранный через конденсорную линзу 9b, в электрический сигнал, и выдает электрический сигнал на усилитель 4b. Усилитель 4b усиливает сигнальную интенсивность электрического сигнала, выданного из преобразующего участка 3b, и посылает на участок контроля 6.

[0033] Участок контроля 6 выполняет обработку электрических сигналов, направленных из усилителей 4а, 4b, для контроля сварочного состояния сварного участка, образованного на обрабатываемых деталях W1, W2. Более конкретно, когда контрольный излучающий участок 5 многократно излучает контрольный лазерный луч L5 на ванну расплава Y1 по соответствующим траекториям сканирования С51, С52, участок контроля 6 вычисляет отношение интенсивности сигнала между коротковолновым компонентом L2a, содержащим свечение испарения, и длинноволновым компонентом L2b, содержащим свет теплового излучения, которые направлены из соответствующих усилителей 4а, 4b. Участок контроля 6 контролирует сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2 на основе этого отношения. Участок контроля 6 направляет результат обработки сигнала электрического сигнала, поступившего из усилителей 4а, 4b, и результат арифметической обработки, полученные участком контроля 6, на ЭЛТ 7. ЭЛТ 7 отображает результат обработки сигнала и результат арифметической обработки, полученные из участка контроля 6.

Первый вариант осуществления способа контроля сварного участка

[0034] Далее со ссылкой на фиг. 4-7 будет описан первый вариант осуществления способа контроля сварного участка по настоящему изобретению с использованием устройства контроля 100 сварного участка, показанного на фиг. 1.

[0035] Фиг. 4 представляет собой диаграмму, показывающую во временной последовательности для случая, когда сварочное состояние сварного участка нормальное, интенсивность коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, интенсивность длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, и отношение интенсивности длинноволнового компонента к интенсивности коротковолнового компонента, вычисленное участком контроля 6, которые должны поступать на участок контроля 6 устройства контроля 100, показанного на фиг. 1. Фиг. 5А представляет собой вид сверху, описывающий взаимосвязь между ванной расплава и траекторией сканирования контрольного лазерного луча, когда сварочное состояние сварного участка нормальное. Фиг. 5В представляет собой вид, взятый по линии VB-VB на фиг. 5А. Фиг. 6 представляет собой диаграмму, показывающую во временной последовательности для случая, когда сварочное состояние сварного участка имеет дефекты, интенсивность коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, интенсивность длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, и отношение интенсивности длинноволнового компонента к интенсивности коротковолнового компонента, вычисленное участком контроля 6, которые должны быть направлены на участок контроля 6 контрольного устройства 100, показанного на фиг. 1. Фиг. 7А представляет собой вид сверху, описывающий взаимосвязь между ванной расплава и траекторией сканирования контрольного лазерного луча, когда сварочное состояние сварного участка имеет дефекты. Фиг. 7В представляет собой вид, взятый по линии VIIB-VIIB на фиг. 7А.

[0036] В случае, когда сварочное состояние сварного участка нормальное, и, как показано на фиг. 5А и фиг. 5В (когда обрабатываемые детали W1, W2 сварены вместе нормально), фокусная точка F5 контрольного лазерного луча L5 проходит, например, несколько раз, по существу, вдоль круговой траектории сканирования С51, расположенной в ванне расплава Y1, для излучения контрольного лазерного луча L5 по траектории сканирования С51 несколько раз, считается, что изменение интенсивности отраженного света, свечения испарения, света теплового излучения от обрабатываемых деталей W1, W2 под действием контрольного лазерного луча L5 являются относительно небольшими.

[0037] Таким образом, как показано на фиг. 4, изменение интенсивности коротковолнового компонента L2a, направленного на участок контроля 6, изменение интенсивности длинноволнового компонента L2b и изменение отношения интенсивности длинноволнового компонента L2b к интенсивности коротковолнового компонента L2a, полученные участком контроля 6, являются относительно небольшими.

[0038] С другой стороны в случае, когда сварочное состояние сварного участка имеет дефекты, как показано на фиг. 7А и 7В (например, в случае однокомпонентного заниженного сварного шва, в котором сварной валик утоплен на одной из обрабатываемых деталей), и фокусная точка F5 контрольного лазерного луча L5 проходит, например, несколько раз, по существу, вдоль круговой траектории сканирования С51, расположенной в ванне расплава Y1, для излучения контрольного лазерного луча L5 по траектории сканирования С51 несколько раз, и если любой дефект сварки X1 (часть, в которой отсутствует расплавленный металл) существует на траектории сканирования С51 контрольного лазерного луча L5, то считается, что при сканировании дефекта сварки X1 по траектории сканирования С51 контрольным лазерным лучом L5 интенсивности отраженного света, свечения испарения и света теплового излучения от обрабатываемых деталей W1, W2 под действием контрольного лазерного луча L5 уменьшаются, при этом интенсивности отраженного света, свечения испарения и света теплового излучения от обрабатываемых деталей W1, W2 периодически меняются.

[0039] Таким образом, как показано на фиг. 6, интенсивность коротковолнового компонента L2a и интенсивность длинноволнового компонента L2b, направляемых на участок контроля 6, периодически меняются в периоде сканирования Т (например, периоде, в котором контрольный лазерный луч L5 выполняет один оборот по траектории сканирования С51) контрольного лазерного луча L5. В то же время, хотя интенсивность коротковолнового компонента L2a и интенсивность длинноволнового компонента L2b, направляемых на участок контроля 6, периодически меняются, по существу, в периоде Т, интенсивность их волн различная. Таким образом, в отношении интенсивности длинноволнового компонента L2b к интенсивности коротковолнового компонента L2a, полученным участком контроля 6, следует, что множество волн (например, две), которые меняются в периоде Т, и имеют фазовый сдвиг, существуют вместе. Таким образом, периодическое изменение периода Т, создаваемое дефектом сварки X1 сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, усиливается.

[0040] Таким образом, согласно способу контроля по первому варианту осуществления, участком контроля 6 анализируется периодичность изменения отношения интенсивности длинноволнового компонента L2b к интенсивности коротковолнового компонента L2a. Более конкретно, при многократном излучении контрольного лазерного луча L5 по соответствующим траекториям сканирования С51, С52, вычисляется отношение интенсивности посланного из усилителя 4b сигнала длинноволнового компонента L2b, содержащего свет теплового излучения, к интенсивности посланного из усилителя 4а сигнала коротковолнового компонента L2a, содержащего свечение испарения. В результате, даже если электрический сигнал, полученный из обратного света L2, является слабым, или если интенсивность обратного света L2 меняется в зависимости от изменения рабочей температуры, например, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, может быть с точностью проконтролировано. Кроме того, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, может быть проконтролировано с большей точностью, чем при прямом определении периодичности интенсивности коротковолнового компонента L2a, направляемого на участок контроля 6, или интенсивности длинноволнового компонента L2b, или интенсивности обратного света L2, принятого светопринимающим участком 2, и дефект сварки X1, который может существовать внутри наружного края ванны расплава Y1, может быть надежно определен. При этом путем проведения преобразования Фурье для отношения интенсивности сигнала длинноволнового компонента L2b к интенсивности сигнала коротковолнового компонента L2a, периодичность изменения данного отношения можно определить с большей надежностью. В результате, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, может быть проконтролировано с большей точностью.

[0041] В частности, согласно первому варианту осуществления, контрольный лазерный луч L5 излучается вдоль, по существу, круговой траектории сканирования по отношению к ванне расплава Y1. Таким образом, можно обнаружить дефект сварки X1, который может существовать внутри наружного края ванны расплава Y1, расположенный эксцентрически относительно центра сварки С0, или дефект сварки X1 некруговой формы, например, эллиптической формы и, по существу, многоугольной формы.

[0042] Кроме того, согласно первому варианту осуществления, контрольный лазерный луч L5 излучается по траекториям сканирования С51, С52, расположенным в ванне расплава Y1, образованной излучением сварочного лазерного луча L1. На основе периодичности изменения отношения интенсивности сигнала длинноволнового компонента L2b к интенсивности сигнала коротковолнового компонента L2a, поступающего из соответствующих усилителей 4а, 4b при излучении контрольного лазерного луча L5 по траекториям сканирования С51, С52, контролируют сварочное состояние сварного участка. В результате, даже если состояние излучения сварочного лазерного луча L1 меняется, или фокусная точка сварочного лазерного луча отклоняется от положения генерирования дефекта сварки X1, состояние сканирования (траектория сканирования или скорость сканирования) контрольного лазерного луча L5 может быть соответствующим образом отрегулирована. Таким образом, сварочное состояние сварного участка, образованного на обрабатываемой детали, может быть с точностью проконтролировано.

Второй вариант осуществления устройства контроля сварного участка

[0043] Далее со ссылкой на фиг. 8 будет описан второй вариант осуществления устройства контроля сварного участка по настоящему изобретению.

[0044] Фиг. 8 представляет собой диаграмму общей конфигурации, показывающую всю конструкцию второго варианта осуществления устройства контроля сварного участка по настоящему изобретению.

Устройство контроля 100А по второму варианту осуществления, показанное на фиг. 8, отличается от устройства контроля 100 по первому варианту осуществления, показанного на фиг. 1, в контроле сварочного состояния сварного участка с использованием обратного света сварочного лазерного луча, излученного из сварочного излучающего участка. Остальная конструкция является почти такой же, что и у устройства контроля 100 по первому варианту осуществления. Поэтому подробное описание такой же конструкции, что и в первом варианте осуществления, опущено, притом, что идентичными ссылочными позициями обозначены идентичные компоненты.

[0045] Контрольное устройство 100, проиллюстрированное на чертеже, главным образом образовано сварочным излучающим участком 1А, светопринимающим участком 2А, оптическими фильтрами 8А, 10А, преобразующими участками 3аА, 3bA, усилителями 4аА, 4bA, участками контроля 6А, и ЭЛТ 7А.

[0046] Сварочный излучающий участок 1А облучает две обрабатываемые детали W1, W2 с помощью сварочного лазерного луча L1A через оптический фильтр 8А и светопринимающий участок 2А, чтобы сварить вместе две обрабатываемые детали W1, W2, уложенные друг на друга или расположенные на некотором расстоянии друг от друга. При излучении сварочного лазерного луча L1A посредством сварочного излучающего участка 1А, образуется ванна расплава Y1 в результате плавления обрабатываемых деталей W1, W2 справа и слева от сварочного лазерного луча L1A и позади него по отношению к направлению продвижения сварочного лазерного луча L1A.

[0047] Светопринимающий участок 2А принимает обратный свет L2A, включающий в себя отраженный свет сварочного лазерного луча L1A, который излучается из сварочного излучающего участка 1А, при этом отраженный свет отражен от ванны расплава Y1 обрабатываемых деталей W1, W2, свечение испарения, вызванное плавлением и испарением обрабатываемых деталей W1, W2 (свет плазмы), и свет теплового излучения (инфракрасный свет), излученный из ванны расплава Y1 обрабатываемых деталей W1, W2.

[0048] Обратный свет L2A, принятый светопринимающим участком 2А, через оптический фильтр 8А и оптический фильтр (выделяющий участок) 10А спектрально разлагается на коротковолновый компонент L2aA, содержащий свечение испарения (свет плазмы), и длинноволновый компонент L2bA, содержащий свет теплового излучения (инфракрасный свет). Таким образом, коротковолновый компонент L2aA и длинноволновый компонент L2bA выделяются из обратного света L2A.

[0049] Преобразующий участок ЗаА преобразует коротковолновый компонент L2aA, полученный путем спектрального разложения через оптический фильтр 10А и собранный через конденсорную линзу 9аА, в электрический сигнал и выдает электрический сигнал на усилитель 4аА. Усилитель 4аА усиливает интенсивность сигнала электрического сигнала, выданного из преобразующего участка 3аА, и посылает на участок контроля 6А.

[0050] Кроме того, преобразующий участок 3bA преобразует длинноволновый компонент L2bA, полученный путем спектрального разложения через оптический фильтр 10А и собранный через конденсорную линзу 9bA, в электрический сигнал и выдает электрический сигнал на усилитель 4bA. Усилитель 4bA усиливает интенсивность сигнала электрического сигнала, выданного из преобразующего участка 3bA, и посылает на участок контроля 6А.

[0051] Участок контроля 6А обрабатывает электрический сигнал, переданный из усилителей 4аА, 4bA для контроля сварочного состояния сварного участка, образованного на обрабатываемых деталях W1, W2. Более конкретно, когда сварочный излучающий участок 1А многократно излучает сварочный лазерный луч L1A по траекториям сварки, участок контроля 6А вычисляет отношение интенсивности сигнала между коротковолновым компонентом L2aA и длинноволновым компонентом L2bA, которые направлены из соответствующих усилителей 4аА, 4bA. На основе этого отношения контролируют сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях Wl, W2. Участок контроля 6А посылает результат обработки сигнала электрического сигнала, направленного из усилителей 4аА, 4bA, и результат арифметической обработки, полученные участком контроля 6А, на ЭЛТ 7А. ЭЛТ 7А отображает результат обработки сигнала и результат арифметической обработки, полученные из контрольного участка 6А.

[0052] Если сварочное состояние сварного участка нормальное, как в описанном выше первом варианте осуществления, при излучении сварочного лазерного луча L1A по траектории сварки, изменение интенсивности коротковолнового компонента L2aA, направленного на участок контроля 6А, изменение интенсивности длинноволнового компонента L2bA и изменение отношения интенсивности длинноволнового компонента L2bA к интенсивности коротковолнового компонента L2aA, полученные участком контроля 6А, являются относительно небольшими.

[0053] С другой стороны, если сварочное состояние сварного участка является дефектным, и дефект сварки (участок, в котором не хватает расплавленного металла) образован сварочным лазерным лучом L1A на траектории сварки, когда сварочный лазерный луч L1A многократно излучается по траектории сварки, интенсивность коротковолнового компонента L2aA и интенсивность длинноволнового компонента L2bA, переданные на участок контроля 6А, периодически меняются. Кроме того, случается, что множество форм сигнала (например, две), которые меняются, по существу, в одном цикле и поменяли фазу, входят вместе в отношение интенсивности длинноволнового компонента L2bA к интенсивности коротковолнового компонента L2aA, полученное участком контроля 6А, при этом периодическое изменение, возникающее из-за дефекта сварки сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, усиливается.

[0054] Согласно второму варианту осуществления периодичность изменения отношения интенсивности длинноволнового компонента L2bA к интенсивности коротковолнового компонента L2aA, таким образом, анализируется участком контроля 6А. Более конкретно, при многократном излучении сварочного лазерного луча L1A по траекториям сварки, вычисляют отношение интенсивности сигнала длинноволнового компонента L2bA, содержащего свет теплового излучения, посланного из усилителя 4bA, к интенсивности сигнала коротковолнового компонента L2aA, содержащего свечение испарения, посланного из усилителя 4аА. В результате, даже если электрический сигнал, полученный из обратного света L2A, является слабым, или если интенсивность обратного света L2A меняется в зависимости от изменения рабочей температуры, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, может быть с точностью проконтролировано. Кроме того, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемых деталях W1, W2, может быть проконтролировано с большей точностью, чем путем прямого определения периодичности интенсивности коротковолнового компонента L2aA, посланного на участок контроля 6А, или интенсивности длинноволнового компонента L2bA, или интенсивности обратного света L2A, принятого светопринимающим участком 2А. Таким образом, дефект сварки, который может существовать внутри наружного края ванны расплава Y1, может быть надежно определен.

[0055] В вышеописанном первом варианте осуществления, описан вариант осуществления, в котором центр траектории сканирования контрольного лазерного луча установлен по центру траектории сварки сварочного лазерного луча. Тем не менее, центр траектории сканирования контрольного лазерного луча может быть установлен в подходящее положение в ванне расплава, образованной путем излучения сварочного лазерного луча.

[0056] Кроме того, в вышеописанном первом и втором вариантах осуществления, описан вариант осуществления, в котором траектория сварки сварочного лазерного луча и траектория сканирования контрольного лазерного луча являются, по существу, круговыми. Тем не менее, траектория сварки сварочного лазерного луча и траектория сканирования контрольного лазерного луча могут иметь форму замкнутой петли, например, форму эллипса или многоугольную форму, либо форму кривой или прямой линии с заданной длиной. Если можно определить положение, где есть основания предполагать вероятное возникновение дефекта сварки в сварном участке, то предпочтительно, чтобы траектория сварки сварочного лазерного луча или траектория сканирования контрольного лазерного луча была установлена таким образом, чтобы проходить через это положение.

[0057] Кроме того, в вышеописанном первом и втором вариантах осуществления, описан вариант осуществления, в котором сварочный лазерный луч или контрольный лазерный луч излучается на обрабатываемую деталь, зафиксированную в заданном положении. Тем не менее, можно сваривать обрабатываемые детали вместе с помощью лазерного луча при соответствующем перемещении обрабатываемых деталей, тогда как фокусные точки сварочного лазерного луча и контрольного лазерного луча будут зафиксированы. Кроме того, можно также сваривать обрабатываемые детали вместе при перемещении как обрабатываемых деталей, так фокусной точки сварочного лазерного луча или контрольного лазерного луча относительно друг друга.

[0058] Кроме того, в вышеописанном первом и втором вариантах осуществления, описан вариант осуществления, в котором обратный свет, принятый светопринимающим участком, через оптический фильтр спектрально разлагается на коротковолновый компонент, содержащий свечение испарения, и длинноволновый компонент, содержащий свет теплового излучения, при этом коротковолновый компонент и длинноволновый компонент выделены из обратного света. Тем не менее, можно также выделить коротковолновый компонент с помощью компонента с длиной волны в заданном диапазоне, содержащем свечение испарения, и длинноволновый компонент с помощью компонента с длиной волны в заданном диапазоне, содержащем свет теплового излучения, из обратного света, принятого светопринимающим участком через оптический фильтр, который передает свет, имеющий компонент с длиной волны, например, в заданном диапазоне.

[0059] Кроме того, в вышеописанном первом и втором вариантах осуществления, описан вариант осуществления, в котором сварочное состояние сварного участка контролируют на основе отношения интенсивности длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, к интенсивности коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, поскольку обычно интенсивность длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, выше, чем интенсивность коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения. Тем не менее, допустимо также проконтролировать сварочное состояние сварного участка на основе отношения интенсивности коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, к интенсивности длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, например. Кроме того, чтобы способствовать определению периодических изменений отношения между интенсивностью коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, и интенсивностью длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, можно также вычислить скорость изменения отношения между интенсивностью коротковолнового компонента, содержащего свечение испарения, и интенсивностью длинноволнового компонента, содержащего свет теплового излучения, и затем проконтролировать сварочное состояние сварного участка на основе скорости изменения отношения.

Эксперимент по оценке взаимосвязи между отношением интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения на основе контрольного образца, и оценке сварочного состояния сварного участка, и его результат

[0060] Авторы настоящего изобретения сделали два типа контрольных образцов, имеющих различное сварочное состояние (примеры 1, 2). Были выполнены измерения интенсивности свечения испарения (свет плазмы) и света теплового излучения (инфракрасный свет) для каждого контрольного образца. Было произведена оценка взаимосвязи между отношением интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, и сварочным состоянием сварного участка.

Способ подготовки контрольного образца и способ измерения интенсивности свечения испарения и света теплового излучения на основе контрольного образца

[0061] Сначала будет описан способ подготовки контрольного образца и способ измерения интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения на основе контрольного образца. Три обрабатываемые детали, включающие в себя сталь SCGA270D-45D с толщиной 0,7 мм, сталь SCGA980DU-45 с толщиной 1,2 мм и сталь SCGA590DU-45 с толщиной 1,2 мм были уложены в данном порядке одна на другую со стороны излучения сварочного лазерного луча. Для образования, по существу, кругового сварочного участка с диаметром приблизительно 4,5 мм, сварочный лазерный луч был излучен на обрабатываемую деталь, по существу, по круговой траектории сварки. Далее, контрольный лазерный луч (мощностью 2000 Вт и скоростью сканирования 83,93 м/ мин) был излучен с 3,5 оборотами по траектории сканирования, имеющей, по существу, круговую форму (вокруг сварочного центра), с радиусом приблизительно 1,9 мм для прохождения ванны расплава, образованной в обрабатываемой детали. То есть, цикл сканирования контрольного лазерного луча составлял приблизительно 8,53 мс, и его частота сканирования составляла приблизительно 117 Гц. Затем, был получен обратный свет, включающий в себя отраженный свет контрольного лазерного луча, отраженный от ванны расплава в обрабатываемой детали, свечение испарения, создаваемое благодаря расплавлению и испарению обрабатываемой детали, и свет теплового излучения, излученный из ванны расплава обрабатываемой детали. Свечение испарения (с длиной волны приблизительно 550 нм) и свет теплового излучения (с длиной волны приблизительно 800 нм) были выделены из принятого обратного света, и выделенное свечение испарения и свет теплового излучения были преобразованы в электрические сигналы для измерения интенсивности их сигналов.

[0062] При этом была рассмотрена дисперсия угла контрольного лазерного луча в производственной линии или ей подобном при излучении контрольного лазерного луча на ванну расплава, образованной в обрабатываемых деталях. То есть контрольный лазерный луч был излучен при оптической оси контрольного лазерного луча, находящейся под углом до 10° с перпендикулярной линией к поверхности обрабатываемой детали, и фокусной точке контрольного лазерного луча, имеющей отклонение приблизительно ±1 мм от рабочей поверхности.

Результат оценки взаимосвязи между отношением интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения на основе контрольного образца и сварочного состояния сварного участка

[0063] Фиг. 9 и 10 представляют собой диаграммы, показывающие результаты измерений интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения согласно примерам 1 и 2 на основе контрольных образцов и арифметического результата отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, во временной последовательности. При этом контрольный образец примера 1 представляет собой контрольный образец, в котором сварочное состояние сварного участка нормальное (см. фиг. 5А, 5В), и контрольный образец примера 2 представляет собой контрольный образец, в котором сварочное состояние сварного участка является дефектным (например, в случае занижения сварки обрабатываемой детали с одной стороны, что вызвано заниженным сварным валиком на обрабатываемой детали на стороне излучения сварочного лазерного луча, см. фиг. 7А, 7В).

[0064] В контрольном образце примера 1 (в котором сварочное состояние является нормальным), как показано на фиг. 9, интенсивность свечения испарения и интенсивность света теплового излучения были, по существу, постоянными, и периодических изменений было не обнаружено. Кроме того, хотя отношение интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения слегка изменялось, периодических изменений не было обнаружено.

[0065] С другой стороны, в контрольном образце примера 2 (с отверстием, образовавшимся потому, что обрабатываемая деталь из трех обрабатываемых деталей, находящаяся со стороны излучения сварочного лазерного луча, расплавлена и опущена), как показано на фиг. 10, было обнаружено периодическое изменение интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения приблизительно каждые 8,53 мс (приблизительно 117 Гц по частоте), равное циклу сканирования контрольного лазерного луча. Кроме того, было обнаружено, что две формы сигнала, содержащие периодическое изменение приблизительно каждые 8,53 мс (приблизительно 117 Гц по частоте) накладывались одна на другую, так что в величине отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения их фазы были смещены.

[0066] Фиг. 11 и 12 представляют собой диаграммы, показывающие взаимосвязь между частотой и амплитудой при выполнении быстрого преобразования Фурье для интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения в примерах 1 и 2 на основе контрольных образцов. Амплитуда на фиг. 11, 12 была обезразмерена (или нормализована) с амплитудой того случая, в котором частота составляла 0 Гц, установленной на 1.

[0067] В случае с контрольным образцом (сварочное состояние нормальное) примера 1, как показано на фиг. 11, даже если быстрое преобразование Фурье проводилось на интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношении интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, на конкретной частоте не было обнаружено очевидного пика амплитуды.

[0068] С другой стороны, в случае контрольного образца (с отверстием) примера 2, как показано на фиг. 12, даже если быстрое преобразование Фурье проводилось на интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношении интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, очевидный пик амплитуды был обнаружен на частоте (далее именуемой «фундаментальной частотой») приблизительно 117 Гц, равной частоте сканирования контрольного лазерного луча. Тем не менее, если быстрое преобразование Фурье проводилось для интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения, в частности, если быстрое преобразование Фурье проводилось для интенсивности света теплового излучения, пик амплитуды становился нечетким при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота. Напротив, если быстрое преобразование Фурье проводилось для отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, как описано со ссылкой на фиг. 10, был распознан очевидный пик амплитуды при частоте, которая многократно (например, в два или три раза) выше фундаментальной частоты, поскольку отношение интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения было усилено периодическим изменением. При этом причина, по которой пик амплитуды стал нечетким при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота, при выполнении быстрого преобразования Фурье для интенсивности свечения испарения и интенсивности света теплового излучения, может рассматриваться таким образом, что контрольный лазерный луч был излучен под наклоном к поверхности обрабатываемой детали, при этом фокусная точка контрольного лазерного луча отклонилась от поверхности обрабатываемой детали.

[0069] Фиг. 13А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности свечения испарения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца. Фиг. 13В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду при частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота. Фиг. 14А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду интенсивности света теплового излучения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца. Фиг. 14В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду при частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота. Фиг. 15А представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения при фундаментальной частоте на основе контрольного образца. Фиг. 15В представляет собой диаграмму, показывающую амплитуду при частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота.

[0070] На фиг. 13А-15В, для каждого примера 1, 2 были подготовлены контрольные образцы. На основе соответствующих контрольных образцов было проведено быстрое преобразование Фурье для интенсивности свечения испарения, интенсивности света теплового излучения и отношении интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения. На фиг. 13А-15В показана амплитуда при фундаментальной частоте или частоте, которая два раза выше, чем фундаментальная частота. Амплитуды на фиг. 13А-15В обезразмерены с амплитудой того случая, в котором частота составляет 0 Гц, установленной на 1.

[0071] Если быстрое преобразование Фурье проведено для интенсивности свечения испарения, как показано на фиг. 13А, 13В, амплитуда при фундаментальной частоте, или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца (с отверстием) примера 2, в среднем больше, чем амплитуда при фундаментальной частоте, или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота на основе контрольного образца (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1. Тем не менее, часть контрольных образцов (в которых сварочное состояние нормальное) примера 1 и часть контрольных образцов (с отверстием) примера 2 имеют одинаковую амплитуду. Таким образом, невозможно установить порог для различия между контрольным образцом (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1 и контрольным образцом (с отверстием) примера 2. В производственной линии и подобной ей, например, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемой детали, нельзя определить с точностью.

[0072] Кроме того, при выполнении быстрого преобразования Фурье на интенсивности света теплового излучения, как показано на фиг. 14А, 14В, амплитуда при фундаментальной частоте, или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота на основе контрольного образца (с отверстием) примера 2, в среднем больше, чем амплитуда при фундаментальной частоте, или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота на основе контрольного образца (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1. Тем не менее, например, также как в случае, когда быстрое преобразование Фурье проводится на интенсивности свечения испарения, нельзя установить порог для различия между контрольным образцом (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1 и контрольным образцом (с отверстием) примера 2. В производственной линии и подобной ей, например, сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемой детали, нельзя определить с точностью.

[0073] С другой стороны, при выполнении быстрого преобразования Фурье для отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения, как показано на фиг. 15А, 15В, в большинстве экземпляров контрольного образца примера 2 было обнаружено, что амплитуда при фундаментальной частоте или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца (с отверстием) примера 2 была относительно больше амплитуды при фундаментальной частоте или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1. В частности, как показано на фиг. 15В, амплитуда при частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца примера 2, относительно больше, чем амплитуда при фундаментальной частоте или частоте, которая в два раза выше, чем фундаментальная частота на основе контрольного образца примера 1. Таким образом, путем установления заданного порога (например, 0,03) по отношению к амплитуде, можно с точностью отличить контрольный образец (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1 от контрольного образца (с отверстием) примера 2. В производственной линии и подобной ей, например, было признано, что сварочное состояние сварного участка, образованного в обрабатываемой детали можно определить легко и точно.

[0074] При этом, из взаимосвязи между частотой и амплитудой, показанной на фиг. 12, следует, что амплитуда при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца (с отверстием) примера 2, относительно больше, чем амплитуда при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота, на основе контрольного образца (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1. Таким образом, на основе амплитуды при частоте, которая в несколько раз выше, чем фундаментальная частота, следует, что контрольный образец (в котором сварочное состояние нормальное) примера 1 можно с точностью отличить от контрольного образца (с отверстием) примера 2.

[0075] С этим экспериментальным результатом было подтверждено, что в соответствии с простым способом расчета отношения интенсивности света теплового излучения к интенсивности свечения испарения и при выполнении быстрого преобразования Фурье для данного отношения, даже если угол оптической оси лазерного луча отклоняется от поверхности обрабатываемой детали в производственной линии и подобной ей, например, или если электрический сигнал, полученный из обратного света после излучения лазерного луча под наклоном на обрабатываемую деталь, ослабевает, или если интенсивность отраженного света меняется в зависимости от изменения рабочей температуры (например, изменения рабочей температуры благодаря возрастанию рабочей температуры при сварке или изменению температуры окружающей среды), сварочное состояние сварного участка, включающего в себя дефект сварки, например, отверстие, или заниженную с одной стороны сварку, может быть с точностью проконтролировано.

[0076] Несмотря на то, что варианты осуществления настоящего изобретения были описаны подробно со ссылкой на вышеуказанные чертежи, конкретная конфигурация в соответствии с изобретением не ограничивается этими вариантами осуществления, и, естественно, что любые модификации и т.п., не выходящие за пределы сущности настоящего изобретения, включены в настоящее изобретение.

Изобретение относится к области сварочного производства с использованием лазерного луча и может быть использовано для контроля качества сварного участка. Сварочный лазерный луч излучают вдоль траектории сварки, расположенной на свариваемых деталях, а также могут излучать и контрольный лазерный луч вдоль траектории сканирования, расположенной в ванне расплава на свариваемых деталях, которые расплавляют с помощью излучения сварочного лазерного луча. При этом принимают ответное световое излучение из зоны сварки, а контроль качества сварного участка осуществляют путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для соотношения между интенсивностью первого компонента ответного светового излучения, содержащего свечение паров, и интенсивностью второго компонента, содержащего свет теплового излучения, или для скорости изменения соотношения между указанными интенсивностями, с заданным пороговым значением. Использование изобретения позволяет повысить точность контроля наличия дефектов сварного участка. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Устройство для сварки деталей с контролем качества сварного участка, формируемого при сваривании деталей, содержащее

излучающий узел, выполненный с возможностью излучения сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной на свариваемых деталях, с выполнением сваривания этих деталей, и излучения контрольного лазерного луча вдоль траектории сканирования, расположенной в сварочной ванне расплава на свариваемых деталях, расплавляемых сварочным лазерным лучом,

светоприемный узел, выполненный с возможностью приема ответного светового излучения от сварного участка, включающего в себя отраженное световое излучение упомянутого контрольного лазерного луча, которое отражается от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях, свечение паров, вызванное испарением свариваемых деталей, и свет теплового излучения от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях,

выделяющий узел, выполненный с возможностью выделения из упомянутого ответного светового излучения, принятого светоприемным узлом, первого компонента, содержащего свечение паров, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, и

узел контроля, выполненный с возможностью контроля качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента или для скорости изменения соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, с заданным пороговым значением.

2. Устройство по п. 1, в котором

узел контроля выполнен с возможностью контроля качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для амплитуды соотношения между первым компонентом и вторым компонентом при частоте, которая, по крайней мере, в два раза выше, чем фундаментальная частота, определяемая при упомянутом преобразовании Фурье для соотношения между интенсивностями первого компонента и второго компонента или для скорости изменения этого соотношения, с заданным пороговым значением.

3. Способ сварки деталей с контролем качества сварного участка, формируемого при сваривании деталей, включающий

излучение сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной на свариваемых деталях, с выполнением сваривания этих деталей, и излучения контрольного лазерного луча вдоль траектории сканирования, расположенной в сварочной ванне расплава на свариваемых деталях, расплавляемых сварочным лазерным лучом,

прием ответного светового излучения от сварного участка, включающего в себя отраженное световое излучение упомянутого контрольного лазерного луча, которое отражается от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях, свечение паров, вызванное испарением свариваемых деталей, и свет теплового излучения от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях,

выделение из упомянутого ответного светового излучения первого компонента, содержащего свечение паров, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, и

контроль качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента или для скорости изменения соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, с заданным пороговым значением.

4. Способ по п. 3, в котором

контроль качества сварного участка свариваемых деталей выполняют путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для амплитуды соотношения между первым компонентом и вторым компонентом при частоте, которая, по крайней мере, в два раза выше, чем фундаментальная частота, определяемая при упомянутом преобразовании Фурье для соотношения между интенсивностями первого компонента и второго компонента или для скорости изменения этого соотношения, с заданным пороговым значением.

5. Устройство для сварки деталей с контролем качества сварного участка, формируемого при сваривании деталей, содержащее

излучающий узел, выполненный с возможностью излучения сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной на свариваемых деталях, с выполнением сваривания этих деталей,

светоприемный узел, выполненный с возможностью приема ответного светового излучения от сварного участка, включающего в себя отраженное световое излучение упомянутого сварочного лазерного луча, которое отражается от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях, свечение паров, вызванное испарением свариваемых деталей, и свет теплового излучения от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях,

выделяющий узел, выполненный с возможностью выделения из упомянутого ответного светового излучения, принятого светоприемным узлом, первого компонента, содержащего свечение паров, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, и

узел контроля, выполненный с возможностью контроля качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента или для скорости изменения соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, с заданным пороговым значением.

6. Устройство по п. 5, в котором

узел контроля выполнен с возможностью контроля качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для амплитуды соотношения между первым компонентом и вторым компонентом при частоте, которая, по крайней мере, в два раза выше, чем фундаментальная частота, определяемая при упомянутом преобразовании Фурье для соотношения между интенсивностями первого компонента и второго компонента или для скорости изменения этого соотношения, с заданным пороговым значением.

7. Способ сварки деталей с контролем качества сварного участка, формируемого при сваривании деталей, включающий

излучение сварочного лазерного луча вдоль траектории сварки, расположенной на свариваемых деталях, с выполнением сваривания этих деталей,

прием ответного светового излучения от сварного участка, включающего в себя отраженное световое излучение упомянутого сварочного лазерного луча, которое отражается от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях, свечение паров, вызванное испарением свариваемых деталей, и свет теплового излучения от сварочной ванны расплава на свариваемых деталях,

выделение из упомянутого ответного светового излучения первого компонента, содержащего свечение паров, и второго компонента, содержащего свет теплового излучения, и

контроль качества сварного участка свариваемых деталей путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента или для скорости изменения соотношения между интенсивностью первого компонента и интенсивностью второго компонента, с заданным пороговым значением.

8. Способ по п. 7, в котором

контроль качества сварного участка свариваемых деталей выполняют путем сравнения преобразования Фурье, выполняемого для амплитуды соотношения между первым компонентом и вторым компонентом при частоте, которая, по крайней мере, в два раза выше, чем фундаментальная частота, определяемая при упомянутом преобразовании Фурье для соотношения между интенсивностями первого компонента и второго компонента или для скорости изменения этого соотношения, с заданным пороговым значением.