具有用于接触钎焊焊丝并与检测器相关联地阻挡激光束的第一部分的夹具的激光钎焊系统、监测激光钎焊系统的方法
阅读说明：本技术 具有用于接触钎焊焊丝并与检测器相关联地阻挡激光束的第一部分的夹具的激光钎焊系统、监测激光钎焊系统的方法 (Laser brazing system having a clamp for contacting a brazing wire and blocking a first portion of a laser beam in association with a detector, method of monitoring a laser brazing system ) 是由 弗雷德里克·拉格纳森 于 2017-04-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种激光钎焊系统(100),其包括：钎焊工具(110),该钎焊工具(110)具有被构造成沿着辐射路径(RP)发射激光束(114)的激光器(112)；和钎焊焊丝工具(120),该钎焊焊丝工具(120)被构造成沿着与激光束(114)相交的焊丝路径(WP)引导钎焊焊丝(122)。该系统(100)包括：夹具(130),该夹具(130)包括第一对准表面(132a)和第一阻挡表面(134a),其中,第一对准表面(132a)被构造成与钎焊焊丝(122)接触,同时第一阻挡表面(134a)阻挡所发射的激光束(114)的至少第一部分；以及检测器(140),该检测器(140)布置在所述辐射路径(RP)中,并且被构造成检测所述激光束的越过夹具(130)的所发射的光。还提供了一种监测激光钎焊系统的方法。(The invention relates to a laser brazing system (100) comprising: a brazing tool (110), the brazing tool (110) having a laser (112) configured to emit a laser beam (114) along a Radiation Path (RP); and a brazing wire tool (120), the brazing wire tool (120) configured to direct a brazing wire (122) along a Wire Path (WP) that intersects the laser beam (114). The system (100) comprises: a clamp (130), the clamp (130) comprising a first alignment surface (132a) and a first blocking surface (134a), wherein the first alignment surface (132a) is configured to contact the brazing wire (122) while the first blocking surface (134a) blocks at least a first portion of the emitted laser beam (114); and a detector (140), the detector (140) being arranged in the Radiation Path (RP) and being configured to detect emitted light of the laser beam across the clamp (130). A method of monitoring a laser brazing system is also provided.)
技术领域
本发明涉及一种激光钎焊系统、以及一种监测激光钎焊系统的方法。
本发明能够应用在各种部件的制造和生产线中，例如，用于结合汽车行业(包括诸如卡车、公共汽车和建筑设备的重型车辆)中的金属片材或面板。虽然将针对卡车来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是也可用在其他应用中。
背景技术
激光钎焊通常用于自动化的大批量生产线。使用该技术，两个片材或面板通过填充材料结合在一起，该填充材料通常被提供为焊丝。引导激光照射填充材料焊丝，该焊丝然后熔化并流动以结合所述两个片材或面板。因此，能够将两个片材或面板结合在一起而无需充分熔化所述片材或面板。
在激光钎焊过程中，钎焊焊丝相对于激光束的位置很重要；通常，焊丝的位置被设定为预定值，例如与激光束居中地对准。然而，例如，如果焊丝被卡住或在钎焊工具部件中发生故障的情况下，焊丝的位置可能会意外改变。如果焊丝的位置处于预定的工作范围之外，则钎焊焊缝将出现缺陷，并且已钎焊的部分必须被修复或甚至丢弃。
为了确保钎焊工具的正确操作，可以在一定次数的钎焊操作之后手动地检查焊丝位置。这种监测将对生产率有负面影响，因为在该检查期间必须停止工艺过程。而且，在焊丝被错误地定位的情况下，有可能在检测到焊丝的未对准(misalignment)之前产生了若干个故障部分。
JPH-06344163A描述了一种系统，该系统被构造成：通过提供会聚到所期望的焊丝位置的可见激光束来确定焊丝是否被正确地定位。光学检测器被布置成检测从焊丝反射的激光，并且，通过分析所检测到的光的量，可以确定焊丝是否被正确地定位。
尽管可以确定焊丝是否被正确地定位，但需要一个辅助激光源。这是由于以下事实：如果使用原始激光器来监测焊丝的位置，则焊丝将熔化。因此，提供一种较不复杂的激光钎焊系统将是有利的。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光钎焊系统，该激光钎焊系统能够用于以简单且可靠的方式自动地监测钎焊焊丝的位置。
根据第一方面，该目的通过根据权利要求1所述的激光钎焊系统来实现。根据第二方面，该目的通过根据权利要求12所述的用于监测激光钎焊系统的方法来实现。然而，应当意识到，所述用于监测的方法可以用于其中钎焊焊丝的位置应相对于激光束固定的任何钎焊工具。
通过提供一种在遮蔽(shields off)焊丝的同时阻挡所发射的激光束的一部分的夹具，可以在不使用附加激光器的情况下监测焊丝位置。
根据一个实施例，所述夹具还包括与第一对准表面面向不同方向的第二对准表面、以及与第一阻挡表面面向不同方向的第二阻挡表面。因此，可以不使用预先存储的参考值，而是通过将第一阻挡表面和激光束对准时检测到的光与第二阻挡表面和激光束对准时检测到的光进行比较来监测焊丝位置。
第二对准表面可以构造成与钎焊焊丝接触，同时第二阻挡表面阻挡所发射的激光束的至少第二部分。
在一个实施例中，所述激光钎焊系统还包括控制单元，该控制单元被配置成从所述检测器接收第一信号(该第一信号包括与第一阻挡表面阻挡所发射的激光束的至少第一部分时检测到的激光的量有关的信息)，并基于所述信号来确定钎焊焊丝相对于所述辐射路径的位置。因此，可以自动地确定钎焊焊丝相对于激光束的位置。
在一个实施例中，所述控制单元被配置成通过确定钎焊焊丝是位于预定范围之内还是之外来确定钎焊焊丝的位置。这允许操作者设定允许钎焊焊丝位于其中的边界(boundaries)。
在一个实施例中，所述控制单元被配置成将第一信号的所述信息与预先存储的参考值进行比较。因此，可以自动地确定钎焊焊丝的位置是否在预定的可接受范围内。
在一个实施例中，所述参考值是对应于钎焊焊丝位于所述预定范围之外的至少一个阈值，并且所述参考值可以对应于当钎焊焊丝被布置在其期望位置时检测到的光的量。
根据一个实施例，所述控制单元进一步被配置成从所述检测器接收第二信号，该第二信号包括与第二阻挡表面阻挡所发射的激光束的至少第二部分时检测到的激光的量有关的信息。由于减少了测量故障的风险，因此可以改善对焊丝位置的确定。
在一个实施例中，所述控制单元被配置成从所述第一信号和第二信号确定比率，并将所确定的比率与参考值进行比较。对所述比率的这种比较将提供非常简单且可靠的标准来确定钎焊焊丝是否被正确地定位。
在一个实施例中，所述夹具连接到驱动单元，并且所述控制单元被配置成：通过控制所述驱动单元使所述夹具移动到第一测量位置和/或第二测量位置以及移动离开第一测量位置和/或第二测量位置。因此，提供了对夹具的位置的自动控制。然而，应当注意，在替代实施例中，所述夹具的位置是固定的，由此，钎焊工具可相对于所述夹具移动。
根据第二方面，提供了一种用于监测激光钎焊系统的方法。该激光钎焊系统包括：激光钎焊工具，该激光钎焊工具被构造成沿着辐射路径发射激光束；以及钎焊焊丝，该钎焊焊丝被沿着与所述辐射路径相交的焊丝路径引导。该方法包括：通过夹具阻挡所发射的激光束的至少第一部分；以及，测量所述激光束的越过所述夹具的所发射的光的量。
在一个实施例中，阻挡所发射的激光束的至少第一部分的步骤包括：将所述夹具布置在第一测量位置上，在该第一测量位置，第一对准表面与钎焊焊丝接触，并且第一阻挡表面阻挡所发射的激光束的至少第一部分。
在一个实施例中，该方法进一步包括：将所检测到的光的量与预先存储的参考值进行比较。
根据一个实施例，该方法进一步包括：基于所检测到的光的量与所述参考值之间的比较来确定钎焊焊丝相对于辐射路径的位置。该方法可以进一步确定钎焊焊丝是位于预定区域之内还是之外。
在一个实施例中，所述参考值对应于当钎焊焊丝布置在其期望位置时检测到的光的量。
在一个实施例中，该方法进一步包括：通过所述夹具阻挡所发射的激光束的第二部分。对所发射的激光束的第二部分的这种阻挡可以包括：将所述夹具布置在第二测量位置上，在该第二测量位置，与第一对准表面面向不同方向的第二对准表面与钎焊焊丝接触，并且，与第一阻挡表面面向不同方向的第二阻挡表面阻挡所发射的激光束的至少第二部分。
根据一个实施例，该方法进一步包括：从第一信号和第二信号确定比率，该第一信号包括与所述夹具布置在第一测量位置上时检测到的光的量有关的信息，该第二信号包括与所述夹具布置在第二测量位置上时检测到的光的量有关的信息；并将所确定的比率与参考值进行比较。
在以下描述和从属权利要求中公开了本发明的其他优点和有利特征。
附图说明
参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。
在这些图中：
图1是卡车的示意图，
图2a是通过激光钎焊结合的两个片材的等距视图，
图2b是相对于激光束居中定位的钎焊焊丝的侧视图，
图2c是相对于激光束偏离中心定位的钎焊焊丝的侧视图，
图3a是根据一个实施例的激光钎焊系统的侧视图，其中，钎焊焊丝相对于激光束居中定位，
图3b是图3a中所示的激光钎焊系统的侧视图，然而，钎焊焊丝相对于激光束偏离中心定位，
图4是根据一个实施例的激光钎焊系统的等距视图，其中，夹具位于第一测量位置上，
图5是图4中所示的激光钎焊系统的等距视图，其中，夹具位于第二测量位置上，
图6是曲线图，示出了作为钎焊焊丝位置的函数的、所测量到的激光的量，并且
图7是根据一个实施例的用于监测激光钎焊系统的方法的示意图。
具体实施方式
从图1开始，示出了车辆1，这里为卡车的形式。卡车1具有驾驶室2，该驾驶室2是通过将若干个板状部段10结合在一起而制造的。这些部段10中的至少一个是通过激光钎焊生产的。
在图2中，示出了激光钎焊的一般原理。第一板状材料10a被布置成靠近或接触第二板状材料10b。第一板状材料10a和第二板状材料10b例如可以是金属片材或其他适当结构的形式。为了将第一板状材料10a结合到第二板状材料10b以形成部段10，在第一板状材料10a和第二板状材料10b之间的界面处布置了钎焊焊丝122。通过激光束114进一步照射钎焊焊丝122，该激光束114被构造成熔化所述钎焊焊丝122并提供对板状材料10a、10b的加热。当钎焊焊丝122熔化时，钎焊焊丝122将在第一板状材料10a和第二板状材料10b之间的界面处流动，以确保材料10a、10b的适当结合。应当注意，所形成的部段10可用于各种应用和行业，并且绝不局限于用在汽车行业中。
在图2b中，进一步示出了钎焊焊丝122的位置。如图所示，钎焊焊丝122被相对于激光束114对准。在一些实施例中，钎焊焊丝122被居中对准，这意味着：在某一点上，钎焊焊丝122的纵向轴线或焊丝路径WP将与激光束114的纵向轴线或辐射路径RP相交(见图2a)。
在图2c中，示出了另一种情形，其中，钎焊焊丝122相对于激光束114被偏离中心定位。这意味着：在任何点处，钎焊焊丝122的焊丝路径WP将不与激光束114的辐射路径RP相交。
如上文所说明的，将钎焊焊丝122相对于激光束114正确地定位是很重要的。为了确保这一点，提供了激光钎焊系统100。在图3a和3b中示出了这种激光钎焊系统100的实施例。实际上，这两个图示出了激光钎焊系统100的同一实施例，仅仅是钎焊焊丝122相对于激光束114的位置有所不同。
激光钎焊系统100包括钎焊工具110。钎焊工具110具有被构造成沿着辐射路径RP发射激光束114的激光器112。为此，钎焊工具110可以包括合适的光学器件和驱动电路(未示出)。除此之外，钎焊系统100具有钎焊焊丝工具120，该钎焊焊丝工具120被构造成沿着焊丝路径WP引导钎焊焊丝122。为了使激光束114影响钎焊焊丝122，如上所述，焊丝路径WP与激光束114相交。在一个可选的实施例中，用附图标记112表示的盒子封装了合适的光学器件，由此，远离光学器件112提供激光器，并且该激光器经由光纤连接到光学器件112。
选择激光器112，使得：当钎焊焊丝122暴露于激光束114时，该钎焊焊丝122将熔化。
钎焊系统100还包括夹具130。夹具130被构造成相对于钎焊焊丝122定位，使得钎焊焊丝122抵靠夹具130，由此，夹具130也阻挡了所发射的激光束114的一部分。当处于此位置时，执行测量。钎焊系统100还具有检测器140，该检测器140被构造成检测越过夹具130的光，即，未被夹具130阻挡的所发射的光。
现在将参照图3a和图3b说明一般的操作原理。在图3a中，钎焊焊丝122相对于激光束114被居中定位。当夹具130布置成与钎焊焊丝122接触时，一定量的光将到达检测器140。另一方面，如图3b中所示，当钎焊焊丝122相对于激光束114偏离中心布置时，不同量的光将到达检测器140。因此，通过分析来自检测器140的信号，将能够确定钎焊焊丝122是否被正确地定位。更进一步，如果钎焊焊丝122未被正确地定位，则还能够确定钎焊焊丝122的错位程度。这种确定钎焊焊丝122的位置的方法优选要求激光束的功率密度在辐射路径RP周围是对称的。
在图4中示出了激光钎焊系统100的更多细节。可以看出，夹具130设置有两个对称的部分131a、131b。每个部分131a、131b具有对准表面132a、132b和阻挡表面134a、134b。
两个部分131a、131b被固定地安装在由驱动单元160驱动的支撑件135上。对驱动单元160的控制由下文中将进一步描述的控制单元150提供。驱动单元160(例如被实现为线性马达或其他合适部件的形式)适于使夹具130从空闲位置(在该空闲位置，夹具130不影响激光束114和钎焊焊丝122之间的相互作用)和至少第一测量位置移动。可选地，如也将在下面进一步描述的，驱动单元160还被构造成使夹具130移动到第二测量位置。
尽管教导了该驱动单元160被连接到夹具130，但应意识到，驱动单元160同样可以连接到激光钎焊系统100或任何其他相关的结构，只要该驱动单元160能够改变夹具130和钎焊焊丝122之间的相对位置即可。
仅考虑第一部分131a，在第一测量位置，第一对准表面132a被构造成与钎焊焊丝122接触，使得当钎焊焊丝122从左侧接近夹具130的第一部分131a时，第一对准表面132a形成止动表面。这尤其在图4的局部放大图中被示出。由此，第一部分131a以与图3a和图3b中所示的相同的方式和方向作用在钎焊焊丝122上。
当夹具130被定位成使得第一对准表面132a与钎焊焊丝122接触时，夹具130防止钎焊焊丝122暴露于激光束114。这意味着：该对准表面132a必须被构造成使得实现对钎焊焊丝122的适当遮蔽。此外，第一阻挡表面134a(即，夹具130的第一部分131a的阻挡表面)将阻挡所发射的激光束114的至少第一部分。被阻挡的光的确切量取决于钎焊焊丝122相对于激光束114的位置。为了阻挡光，阻挡表面134a被倾斜，从而，撞到阻挡表面134a的光将被吸收或被反射离开辐射路径RP。为了实现阻挡表面134a的正确位置，可以移动该夹具130，使得对准表面132a被压向钎焊焊丝122。当驱动单元160经受一定的阻力时，对应于夹具130被阻止进一步移动，控制单元150可以产生停止信号。
光的未被阻挡表面134a反射的部分将撞到检测器140。检测器140布置在辐射路径RP中，并且被构造成在检测到入射光时将信号S1传送到控制单元150。信号S1包括与第一阻挡表面134a阻挡所发射的激光束114的至少第一部分时检测到的激光的量有关的信息，例如，信号S1包括与检测到的光的量有关的信息。根据该信息，控制单元150被配置成确定钎焊焊丝122相对于激光束114的辐射路径RP的位置。可以以许多不同的方式进行这种确定，在下文中将描述其中的一些方式。
根据一个示例，控制单元150可以访问一个或多个预先存储的参考值，该参考值表示与钎焊焊丝122相对于激光束114的辐射路径RP居中定位时的情形相对应的、所预期检测到的光的量。在仅一个参考值的情况下，控制单元150可以配置成将检测到的光的量(即，信号S1的检测到的光值)与参考值进行比较，并确定这些值的匹配程度。例如，可通过将检测到的光的量除以所述参考值来确定的结果匹配值可以表明钎焊焊丝122是位于预定区域之内还是之外。例如，相对于完全居中对准(perfectly central alignment)为±20％的、钎焊焊丝122的位置是可以接受的，从而，控制单元150被配置成确定所检测到的光的量与参考值之间的比率是在与这种±20％的位置控制相对应的区间之内还是之外；如果是在区间之内，则确定钎焊焊丝122被正确地定位。
值得注意的是，所测量到的光的量与钎焊焊丝122的位置之间的关系不一定是线性的。
根据另一个示例，控制单元150可以访问两个不同的参考值。这两个值可以表示所检测到的光的最大值和最小值，从而，控制单元150被配置成：如果所检测到的光的量位于最大参考值和最小参考值之间，则确定钎焊焊丝122被正确地定位。
根据又一个示例，激光钎焊系统100被构造成利用了以下事实：夹具130还包括具有第二对准表面132b和第二阻挡表面134b的第二部分131b。这些表面132b、134b被相对于第一对准表面132a和第一阻挡表面134a对称地布置，使得夹具130可以位于第二测量位置，在该第二测量位置，第二对准表面132b被布置成与钎焊焊丝122接触，同时第二阻挡表面134b阻挡激光束114的至少一部分。在图5中示出了夹具130的该位置。
第二对准表面132b面向与第一对准表面132a不同的方向；优选地，第一对准表面132a和第二对准表面132b面向相反的方向。相应地，第二阻挡表面134b面向与第一阻挡表面134a不同的方向；优选地，第一阻挡表面134a和第二阻挡表面134b面向相反的方向。在此上下文中，术语“相反”用于描述两个相对于竖直线间隔开180°的方向。这意味着：对于一个表面132a、134a的特定方向，优选通过使第一方向沿着竖直旋转轴线在水平旋转平面内旋转180°来给出另一表面132b、134b的相反方向。
当将夹具130布置在第二测量位置上时，控制单元150被配置成从检测器140接收第二信号S2。第二信号S2包括与第二阻挡表面134b阻挡所发射的激光束114的至少第二部分时检测到的激光的量有关的信息。类似于第一信号S1，第二信号S2可以包括与所测量到的光的量有关的信息。
当接收第二信号S2时，控制单元150可以以与第一信号S1相同的方式来处理第二信号S2，即，将第二信号S2与预先存储的一个或多个参考值进行比较。
然而，当控制单元150访问信号S1和S2二者时，可以在这些信号S1、S2之间进行比较，以便确定钎焊焊丝122相对于激光束114的辐射路径RP的位置。
在图6中示出了每个信号S1、S2与钎焊焊丝122的位置之间的关系。从第一信号S1开始，当钎焊焊丝122被沿负方向偏移地定位时，获得初始值。该值随着偏移量的减小而减小，并且在钎焊焊丝122居中对准时达到中间值。从此处开始，随着偏移量沿正方向增加，所测量到的光的量进一步减少。第二信号S2的特性与第一信号S1的特性相反；在正方向上在最大偏移量处获得最大值。
当访问信号S1、S2二者时，控制单元150可以配置成通过比较这两个信号S1、S2来确定钎焊焊丝122相对于激光束114的位置。例如，可以通过如下方式进行这种比较：将S1的值除以S2的值，从而形成一个比率。对于要求将钎焊焊丝122居中定位在激光束114中的设置，接近于1的结果值将表明钎焊焊丝122被正确地定位，而不同于1的结果值将表明钎焊焊丝122未具有其理想位置。
在图6所示的示例中，例如可以检测在±0.2mm的理想工作范围之外的焊丝位置。通过计算S1的值与S2的值之间的比率来确定实际位置。比率大于2将表明焊丝位置偏移量大于约0.2mm。比率小于0.5将表明焊丝位置偏移量小于约-0.2mm。当钎焊焊丝122在激光束内居中时，该比率预计接近于1。因此，如果0.5≤RSi,S2≤2(其中，RSi,S2是S1的当前值与S2的当前值之间的比率)，则可以确定钎焊焊丝122被正确地定位。
通过比较所述信号S1和S2，不需要预先存储的参考值。此外，激光钎焊系统100也变得对测量误差不太敏感，因为这种误差的影响将减小。
现在转向图7，将说明用于监测激光钎焊系统100的方法200的示例。方法200包括：激活202激光钎焊工具110，以沿着辐射路径RP发射激光束114；以及，提供202被沿着与激光束114相交的焊丝路径WP引导的钎焊焊丝122。在此之后，方法200进一步包括：通过夹具130阻挡206所发射的激光束114的至少第一部分，并且测量208该激光束的越过夹具130的所发射的光。为了正确操作，仅当通过夹具130遮蔽钎焊焊丝122时才应该发射激光束114，以避免钎焊焊丝122的非期望的熔化。
方法200可以从此时继续通过夹具130阻挡210所发射的激光束114的至少第二部分，并且随后检测212该激光束的越过夹具130的所发射的光。当已经针对夹具130的两个位置检测到被阻挡的光时，方法200包括根据从208和212得到的检测值来确定214比率。一旦确定了该比率，就在216中将该比率与预先存储的参考值进行比较。由此，在218中，确定钎焊焊丝122的位置。
在208之后，方法200可以直接跳转到将检测到的光与预先存储的参考值进行比较的216，随后是确定钎焊焊丝122的位置的218。应当注意，如果将检测到的光用于比较，则与所确定的比率用于比较时相比，所预先存储的参考值将不同。
上述激光钎焊系统100是一种用于监测激光钎焊过程的非常有效的系统；通过提供夹具130的自动移动，可以在每个发起的钎焊过程之前非常快速地执行钎焊焊丝位置的确定。
应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，可以在所附权利要求书的范围内进行许多修改和变型。