DE10121923C2

DE10121923C2 - Verfahren zur Kontrolle einer Schweißnaht in einem aus schweißfähigem Kunststoff bestehenden Werkstück und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10121923C2
Application number: DE10121923A
Authority: DE
Inventors: Andreas Mesler
Original assignee: Huf Tools GmbH
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2001-05-05
Filing date: 2001-05-05
Publication date: 2003-05-08
Anticipated expiration: 2021-05-06
Also published as: DE10121923A1

Description

Die Erfindung richtet sich auf ein Kontrollverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art. Die Schweißnaht zwischen den beiden Materialien wird durch eine Laserstrahlung erzeugt, wobei der eine Kunststoff des Werkstücks für diese Laserstrahlung im wesentlichen transparent und der andere Kunststoff absorbierend sind.

Bei dem bekannten Verfahren dieser Art verwendete man zur Kontrolle ein Pyrometer, welches auf die von der hergestellten Schweißnaht ausgehende Wärmestrahlung anspricht. Damit eine möglichst hohe Temperatur das Pyrometer erreicht, muss die Messung während des Schweißens erfolgen. Außerdem muss der Werkstoff des einen Kunststoffteils für die Wärmestrahlung durchlässig sein. Zum Verschweißen von Kunststoffen hat sich die Verwendung der Laserstrahlung sehr bewährt. Es gibt zwei Schweißverfahren für die Laserstrahlung, nämlich das sogenannte "Bahnschweißen" einerseits und das "Simultanschweißen" andererseits.

Die pyrometrische Kontrolle der Schweißnaht ist nur bei dem Bahnschweißen möglich und nicht bei dem Simultanschweißen anwendbar, obwohl Letzteres einen Zeitvorteil gegenüber dem Bahnschweißen bringt. Eine Kontrolle der Schweißgüte konnte bei einem, im Simultanverfahren erzeugten Schweißprodukt nur indirekt, über Dimensions-Änderungen des Werkstücks erfolgen und war nur bei bestimmten Geometrien des Werkstücks überhaupt anwendbar. Die Güte einer Simultanschweißung konnte im Allgemeinen nicht kontrolliert werden.

Die beim Bahnschweißen mögliche pyrometrische Schweißkontrolle ist im Übrigen fehlerhaft und nur dann anwendbar, wenn das Material des einen Kunststoffteils nicht nur für die Laserstrahlung, sondern auch für die Wärmestrahlung durchlässig ist. Daher ist in vielen Fällen eine Schweißkontrolle beim fertigen Werkstück gar nicht möglich.

Bei einem bekannten Verfahren anderer Art (DE 196 03 675 A1) erfolgt die Schweißverbindung durch ein Berührungsschweißen von zwei übereinanderliegenden Kunststofffolien, aus denen ein Beutel hergestellt werden soll. Jede der beiden Kunststofffolien besteht in sich aus zwei Schichten, nämlich aus einer durchsichtigen, nicht schmelzenden äußeren Trägerschicht und einer inneren eingefärbten Siegelschicht. Durch zwei gegeneinander drückende beheizte Siegelbacken werden die einander berührenden Siegelschichten der beiden Folien miteinander verschweißt. Durch die Schweißverbindung an den farbigen Siegelschichten ändert sich die Helligkeit der Schweißnähte gegenüber jenen Stellen, die nicht oder unzureichend verschweißt worden sind. Diese Helligkeitsunterschiede werden in einem Durchlichtverfahren ermittelt und zur Kontrolle der Qualität der Schweißnähte benutzt. Die beiden Folien werden mit einer Lichtquelle im Bereich der Schweißnaht durchleuchtet und das auf der anderen Seite der Folien austretende Licht wird von einem Sensor erfasst und ausgewertet. Dieses bekannte Verfahren ist auf durch Laserstrahlung erzeugte Schweißnähte nicht anwendbar, weil der eine Kunststoffteil dieses Schweißprodukts absorbierend und damit lichtundurchlässig ist.

Bei einem weiteren Verfahren zur Kontrolle von Schweißnähten an aus zwei Folien hergestellten Beuteln, in die auch gleich Schüttgut eingefüllt wird (US 5,260,766 A) ist es bekannt, Laserlicht über eine Vielzahl von Glasfasern einem aus transparentem Material bestehenden Heizwerkzeug zuzuführen. Dadurch soll das Licht bis zu der Berührungsstelle dieses Heizwerkzeugs mit einem Gegenwerkzeug gelangen, zwischen denen die beiden Folien liegen und verschweißt werden. Das von dieser Berührungsstelle reflektierte Licht muss das transparente Material des Heizwerkzeugs durchqueren, um in eine Kamera zu gelangen, wo es ausgewertet wird. Daraus soll auf die Qualität der Schweißnaht geschlossen werden. Dieses Verfahren ist nur bei dünnen ebenen Folien anwendbar, wo lineare Schweißnähte entstehen, und erfordert ein transparentes Schweißwerkzeug. Dieses Verfahren ist nicht auf das Laserschweißen von räumlichen Kunststoffteilen mit zwei- oder dreidimensional verlaufenden Schweißnähten anwendbar.

Schließlich ist es auch noch bekannt (DE 29 16 401 U1) mittels einer Durchleuchtungstechnik Risse in einer durch Schweißen erzeugten Überlappungs- Stoßnaht von Blechen zu detektieren. Dazu wird die Schweißnaht zwischen einem Lichtsender und einem Lichtempfänger gebracht. Um die Messgenauigkeit zu erhöhen, soll diese Durchleuchtungstechnik in einer Flüssigkeit mit extrem niedriger Viskosität erfolgen. Dieses Verfahren ist zur Kontrolle von Schweißnähten, die durch Laserstrahlung zwischen zwei Kunststoffteilen entstehen, von denen eines absorbierend ist, nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein zuverlässiges Kontrollverfahren der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art zu entwickeln, welche die vorerwähnten Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Dies wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Maßnahmen erreicht, denen folgende besondere Bedeutung zukommt.

Im Inneren des Schweißprodukts erfolgen an allen Materialgrenzflächen zwischen den beiden Kunststoffteilen des Werkstücks Reflektionen der Kontrollstrahlung, also auch im Bereich der Schweißnaht. Die aus dem Werkstück austretende Strahlung wird in signifikanter Weise verändert, wenn die Schweißnaht gegenüber dem vorausgehend erfassten Idealzustand anders ausfällt, also fehlerhaft ist. Daraus kann eindeutig auf die Güte der Schweißnaht geschlossen werden. Ein Auswerter erfasst die aus dem fertig geschweißten Werkstück austretende Kontrollstrahlung und löst entsprechende Reaktionen aus, wenn sich aufgrund einer fehlerhaften Naht Störungen der gemessenen Kontrollstrahlung ergeben.

Die Erfindung schlägt als Kontrollstrahlung zwei unterschiedliche Maßnahmen vor, von denen jeder ihre eigenständige erfinderische Bedeutung zukommt. Eine Möglichkeit besteht darin, gemäß Verfahrensanspruch 2, zur Kontrolle eine von der Laserstrahlung völlig unabhängige Strahlung zu verwenden. Es genügt dabei zu beachten, für die Kontrollstrahlung jene elektromagnetische Frequenz zu wählen, bei welcher mindestens einer der beiden Kunststoffteile für diese Kontrollstrahlung transparent ist. Diese Maßnahmen lassen sich dann nicht nur während des Schweißvorgangs selbst sondern auch nachträglich, am fertigen Schweißprodukt anwenden. Dieses Kontrollverfahren könnte auch dann benutzt werden, wenn die Schweißnaht nicht durch Laserstrahlung sondern auf andere Weise erzeugt worden ist.

Besonders vorteilhaft ist es aber, als Kontrollstrahlung die zum Herstellen der Schweißnaht verwendete Laserstrahlung selbst zu verwenden. Beim Messen wir dann jene Austrittsstrahlung erfasst, die von einer bereits verfestigten Stelle der entstehenden Schweißnaht ausgeht. Das ist möglich, weil die ins Werkstück gelangende Laserstrahlung im Inneren des Werkstücks gestreut wird und man erfasst durch geeigneten Versatz des Detektors jene Stelle, die vom Focus der Laserstrahlung beabstandet ist. Es wird die im laserverschweißten Werkstück bereits mehrfach gestreute Laserstrahlung zur Kontrolle benutzt. Auf dieser Weise erhält man Ergebnisse darüber, was sehr nahe am Schweißgeschehen abläuft. Bei unbefriedigenden Ergebnissen kann man sofort reagieren.

Weitere Maßnahmen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen. In den Zeichnungen ist die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1, in schematischer, perspektivischer Darstellung, ein Beispiel für ein Schweißprodukt, nämlich einen in ein zweischichtiges Werkstück integrierten Transponder,

Fig. 2 ein erstes, fotometrisches Kontrollverfahren für die Güte einer erzeugten Schweißnaht,

Fig. 3 das Wirkprinzip des in Fig. 2 praktizierten Verfahrens, wenn keine Schweißnaht zwischen den beiden Kunststoffteilen des Werkstücks vorliegt,

Fig. 4, in einer zur Fig. 3 analogen Darstellung, die Verhältnisse, wenn zwischen den beiden Kunststoffteilen sich eine Schweißnaht augebildet hat und

Fig. 5 ein weiteres Kontrollverfahren nach der Erfindung zur Ermittlung der Schweißnahtgüte.

Das in Fig. 2 gezeigte Werkstück 10 besteht aus zwei plattenförmigen Kunststoffteilen 11, 12, die wenigstens stellenweise eine Berührungsfläche 13 zwischen sich haben, an welcher eine Schweißnaht 15 entstehen soll. Ein solches fertiges Schweißprodukt ist beispielhaft in Fig. 1 veranschaulicht.

Der besseren Anschaulichkeit wegen ist in Fig. 1 der obere Kunststoffteil 11 durchsichtig gezeichnet und lässt daher einen Blick auf dessen Berührungsfläche 13 mit dem darunter liegenden anderen Kunststoffteil 12 zu. In diesem zweiten Kunststoffteil 12 soll sich eine Aufnahme 14 für einen plättchenförmigen Transponder 16 befinden, der in der Lage ist, elektronische Daten zu empfangen, zu speichern und zu senden. Ein solcher Transponder ist temperaturempfindlich und muss vor Umwelteinflüssen, wie Feuchtigkeit, geschützt werden. Der eingelegte Transponder 16 wird durch eine hier in sich geschlossene ringartige Schweißnaht 15 umgrenzt, welche die beiden Kunststofflagen 11, 12 im Bereich der Berührungsfläche 13 miteinander verbindet. Diese Schweißnaht 15 sorgt für einen mediendichten Einschluss des Transponders 16 im Inneren des Werkstücks 10.

Die Fig. 2 zeigt ein erstes Verfahren sowohl zur Herstellung als auch zur Kontrolle einer solchen Schweißnaht 15. Dazu verwendet man ein kombiniertes Gerät 40, welches zur Erzeugung und Leitung eines punktschraffiert veranschaulichten Laserstrahls 20 dient. Der Laserstrahl wird in einem Diodenlasermodul 21 erzeugt. Der Laserstrahl 20 trifft auf einen Umlenkspiegel 22, der für eine weitere, besondere elektromagnetische Strahlung 30 durchlässig ist, deren Entstehung noch näher beschrieben wird. Die Laserstrahlung 20 gelangt, wie der Strahlengang in Fig. 2 zeigt, auf zwei bewegliche Strahlenablenkspiegel 23, 24. Diese beiden Spiegel 23, 24 werden in definierter Weise bewegt, um den Laserstrahl 20 durch ein Theta- Objektiv 35 auf das Werkstück 10 zu lenken. Mit den beiden Spiegeln 23, 24 lässt sich die Schweißnaht 15 gemäß dem eingangs erwähnten Simultanschweißen erzeugen, welches besonders schnell und preiswert ausführbar ist. Die beiden Kunststoffteile 11, 12 des Werkstücks haben in diesem Fall folgende Eigenschaften.

Das Material 18 des ersten Kunststoffteils 11 ist für die Laserstrahlung 20 im wesentlichen transparent, aber das Material 19 des zweiten Kunststoffteils 12 absorbiert den Laserstrahl 20. Dadurch kommt es im Bereich der Berührungsfläche 13 zu einer stellenweisen Verflüssigung der beiden Kunststoffmaterialien 18, 19. Was dabei im Werkstück 10 geschieht, ist in der Vergrößerung von Fig. 4 zu erkennen. In Fig. 4 sieht man den Querschnitt der entstehenden Schweißnaht 15, die aus einem Werkstoffgemisch der beiden Ausgangsmaterialien 18, 19 besteht.

Gegenüber der ursprünglichen Berührungsfläche 13 entsteht an der Schweißnaht 15, wie aus Fig. 4 hervorgeht, noch eine weitere Grenzfläche 25 gegenüber beiden, sie einschließenden unvermischt gebliebenen Kunststoffmaterialien 18, 19.

Neben dem Werkstück 10 befindet sich eine Quelle 31 für eine von der Laserstrahlung 20 völlig unabhängige elektromagnetische Strahlung 30, die aus noch näher ersichtlichen Gründen nachfolgend kurz "Kontrollstrahlung" genannt werden soll. Diese Kontrollstrahlung 30 wird, wie Fig. 2 verdeutlicht, in einem geeigneten Winkel 26 gegenüber dem aus dem Kombinationsgerät 40 kommenden Laserstrahl 20 in das Werkstück 20 eingeleitet. Im vorliegenden Fall soll das Kunststoffmaterial 18 der oberen Schicht 11 auch für die Kontrollstrahlung 30 transparent sein. Was dann passiert, soll anhand der Fig. 3 einerseits und Fig. 4 andererseits näher erläutert werden.

Die Fig. 3 zeigt jene Verhältnisse im Werkstück 10, wenn es, im extremen Fall, an ihrer Berührungsfläche 13 zu keiner Verschweißung der Kunststoffteile 11, 12 kommt. Im Inneren 27 des Werkstücks 10 führt die Kontrollstrahlung 30 eine mehrfache Reflektion 32 zwischen der Berührungsfläche 13 und der Außenfläche 17 aus. Ein Teil der auf die Außenfläche 17 treffenden Reflektionsstrahlung 32 tritt, wie die Pfeile 33 in Fig. 3 zeigen, heraus und wird vom Theta-Objektiv 35 des Geräts 40 von Fig. 2 gesammelt. Wie Fig. 2 verdeutlicht, verläuft diese austretende Kontrollstrahlung 33 im Gerät 40 auf den mit 28, 29 gekennzeichneten Teilstücken des zur Leitung der Laserstrahlung 20 dienenden optischen Wegs. Die austretende Kontrollstrahlung wird aber, wegen dem für diese Strahlung durchlässigen Umlenkspiegel 22 hindurchgeleitet und gelangt über eine Linse 34 auf einen Sensor 36, der an einen Auswerter 37 angeschlossen ist. Der Auswerter 37 erfasst die gemessene Kontrollstrahlung 33 und löst, in Abhängigkeit davon in nachgeschalteten Geräten 38 die gewünschten Reaktionen aus. Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen Monitor 38, der auf seinem Bildschirm die Qualität der im Werkstück 10 entstandenen Schweißnaht 15 wiedergibt.

Wenn an der erfassten Stelle eine Schweißnaht 15 im Werkstück 10 vorliegt, dann ergeben sich, in Abhängigkeit von ihrer Beschaffenheit, die aus Fig. 4 ersichtlichen besonderen Verhältnisse. Bezogen auf die Einfallrichtung der Kontrollstrahlung 30 ergeben sich vor der Schweißnaht 15 zwar die bereits beschriebenen Reflektionen 32 und Austritte 33 der Kontrollstrahlung, diese weichen aber gegenüber denjenigen 32', 33' hinter der Schweißnaht 15 wesentlich ab. Dazu trägt auch die raue Grenzfläche 25 im Bereich der Schweißnaht 15 bei, wo es zu einer diffusen Streuung 32" kommt.

Das hat zur Folge, dass es an der vom Gerät 40 in Fig. 2 erfassten Stelle zu einer summativen Austrittsstrahlung kommt, die sich erheblich von jener unterscheidet, wie sie sich im Extremfall bei der in Fig. 3 ergebenden schweißnahtfreien Stelle im Werkstück 10 ergibt. Das wird vom Sensor 36 ermittelt und vom Auswerter 37 erfasst und im Anzeigegerät 38 kundbar gemacht. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigte, dass auch kleine Fehler in der Ausbildung der Schweißnaht 15 eindeutig erfasst werden. Daher können Werkstücke mit noch tolerierbaren Schweißnähten 15 von solchen, die als Ausschuss anzusehen sind, deutlich unterschieden werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur bei Werkstücken 10 anwendbar, wo die Laser-Schweißnaht durch Laserstrahlung entsteht, sondern auch bei auf beliebig anderer Weise erzeugten Schweißnähten, z. B. solchen, die durch Reibschweißen oder durch Ultraschall-Schweißen erzeugt wurden. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren zeitlich unabhängig vom Schweißvorgang erzeugt werden, weil, im Gegensatz zum Stand der Technik nicht die von der Schweißnaht ausgehende Wärmestrahlung zur Messung genutzt wird. Bei der Erfindung kommt, wie erläutert wurde, eine davon völlig unabhängige Kontrollstrahlung 30 zum Einsatz, die jederzeit angewendet werden kann. Das kann z. B. mit dem in Fig. 5 gezeigten weiteren Verfahrens nach der Erfindung erfolgen.

In Fig. 5 sind zur Benennung analoger Bauteile die gleichen Bezugszeichen wie im vorausgehenden Ausführungsbeispiel verwendet, weshalb insoweit die bisherige Beschreibung gilt. Es genügt hier lediglich auf die Unterschiede einzugehen.

In Fig. 5 wird das in Fig. 1 bereits erläuterte Werkstück 10 hinsichtlich der Güte der dort erzeugten Schweißnaht 15 kontrolliert. Die Kontrollstrahlung 30 kann von mehreren Seiten aus auf das Werkstück 10 einwirken. Man kann daher, wie Fig. 5 verdeutlicht, mehrere Strahlungsquellen 31 verwenden. In Fig. 5 kommt eine allseitige Ausleuchtung des Werkstücks 10 mit der Kontrollstrahlung 30 zustande. In Abhängigkeit von der Qualität der Schweißnaht 15 fällt ist die aus dem Werkstück 10 austretende Strahlung 33 unterschiedlich aus. Sie wird in Fig. 5 von einer CCD-Kamera 39 erfasst, die ein Bild der Schweißnaht 15 empfängt. Das Bild wird im zugehörigen Auswerter 37 mittels einer Bildbearbeitungs-Software analysiert. Im dortigen Anzeigegerät 38 erscheint dann ein entsprechend verstärktes und vergrößertes Bild 41 der vorher im Werkstück 10 entstandenen Schweißnaht 15. Je nach Ausfall des Bildes 41 können dann entsprechende Reaktionen von einer Kontrollperson oder von einem automatischen Überwachungsgerät ausgeführt werden.

Bezugszeichenliste

10

Werkstück

11

erster Kunststoffteil von

10

12

zweiter Kunststoffteil von

10

13

Berührungsfläche zwischen

11

,

12

14

Aufnahme in

12

für

16

15

Schweißnaht zwischen

11

,

12

16

Transponder

17

Außenfläche von

11

18

erstes Kunststoffmaterial von

11

19

zweites Kunststoffmaterial von

12

20

Laserstrahl, Laserstrahlung

21

Diodenlasermodul

22

Umlenkspiegel für

21

bzw. Durchlässigkeits-Spiegel für

33

23

erster Strahlen-Umlenkspiegel für

20

,

33

24

zweiter Strahlen-Umlenkspiegel für

20

,

33

25

raue Grenzfläche von

15

gegenüber

11

(

Fig.

4

)

26

Winkel zwischen

20

,

33

(

Fig.

2

)

27

Inneres von

10

28

erstes Teilstück von

20

in

40

29

zweites Teilstück von

20

in

40

30

elektromagnetische Strahlung, Kontrollstrahlung

31

Strahlungsquelle für

30

32

Reflektion von

30

in

27

(ohne Schweißnaht)

32

' Reflektion der Kontrollstrahlung hinter der Schweißnaht

15

32

" diffuse Streuung an

25

von

15

33

Austrittsstrahlung aus

17

(ohne Schweißnaht)

33

' Austrittsstrahlung bei einer Schweißnaht (

Fig.

4

)

34

Linse für

33

35

Theta-Objektiv von

40

36

Sensor für

33

37

Auswerter für

33

38

Anzeigegerät, Monitor

39

CCD-Kamera

40

kombiniertes Gerät

41

Abbildung von

15

in

38

(

Fig.

5

)

Claims

1. Verfahren zur Kontrolle einer Schweißnaht (15) zwischen zwei aus schweißfähigem Material (18, 19) bestehenden Kunststoffteilen (11, 12) eines Werkstücks (10),
wobei die Schweißnaht (15) mittels einer Laserstrahlung (20) erzeugt wird
und der eine Kunststoffteil (11) des Werkstücks (10) für die Laserstrahlung (20) im wesentlichen transparent, aber der andere Kunststoffteil (12) absorbierend ist,
und die Güte der dabei hergestellten Schweißnaht (15) auf optischem Wege ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine elektromagnetische Kontrollstrahlung (30) ins Innere des für diese Kontrollstrahlung (30) transparenten Kunststoffteils (11) vom Werkstück (10) eingebracht wird,
dass einer der beiden Kunststoffteile (11, 12) auch für die Kontrollstrahlung (30) transparent ist,
wobei die Kontrollstrahlung (30) sowohl an den Berührungsflächen (13) zwischen den Kunststoffteilen (11, 12) als auch an der Grenzfläche (25) der Naht (15) reflektiert (32) wird und teilweise aus dem Werkstück (10) wieder austritt,
dass die nach der Reflektion (32', 32") im Werkstück (10) sich ergebende Austrittsstrahlung (33') gemessen und der Messvorgang einem Auswerter (37) zugeführt wird
und dass die durch eine fehlerhafte Naht (15) sich ergebende Störung der gemessenen Austrittsstrahlung (33') vom Auswerter (37) festgestellt wird und Reaktionen (38) auslöst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstrahlrichtung der Kontrollstrahlung (30) auf das Werkstück (10) in einem Winkel (26) zur Einfallsrichtung des Laserstrahls (20) erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Werkstück (10) austretende Austrittsstrahlung (33, 33') auf ihrem Weg bis zur Messstelle (36) auf einem Teilstück (29, 28) jenes optischen Wegs erfolgt, auf welchem, in umgekehrter Richtung, das Laserlicht (20) bis zur Schweißstelle (15) im Werkstück (10) geführt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (10) zunächst fertig geschweißt und das Schweißprodukt dann unter eine CCD-Kamera (39) gebracht wird,
dass das unter der CCD-Kamera (39) befindliche Schweißprodukt mit der Kontrollstrahlung (30) ausgeleuchtet wird
und dass das von der CCD-Kamera (39) erfasste Bild des Schweißprodukts im nachgeschalteten Auswerter (37) mittels einer Bildverarbeitungs-Software analysiert wird.