DE102004001168A1

DE102004001168A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweissen

Info

Publication number: DE102004001168A1
Application number: DE102004001168A
Authority: DE
Inventors: Markus Dr. Beck; Thomas Dipl.-Phys. Herzinger; Klaus-Dieter Dipl.-Ing. Debschütz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-08-04

Abstract

Bei einigen Laserschweißoperationen führen Toleranzen der zu verschweißenden Werkstücke oder Ungenauigkeiten in der Strahlführung zu nicht tolerierbaren Abweichungen von optimal positionierten Schweißnähten. Um derartige Abweichungen zu minimieren, werden Nahtführungssysteme eingesetzt, die zusätzliche Hardware und deren Konfiguration nötig machen und deren Anordnung vor dem Laserbearbeitungskopf dessen Arbeitsmöglichkeiten einschränken. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweißen anzugeben, welche verringerten Investitions- und Konfigurationsaufwand benötigen. DOLLAR A Diese Aufgabe wird von einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Nahtführung gelöst, bei denen zunächst ein zu schweißendes Werkstück entlang einer vorgegebenen Schweißbahn vor dem Schweißen hinsichtlich Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks und/oder der Strahlführung untersucht wird, wobei die Untersuchung der Werkstückoberfläche zumindest in deren Nähe über dieselben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird, und dann die vorgegebene Schweißbahn in Abhängigkeit von ermittelten Soll-Ist-Abweichungen korrigiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweissen gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 6. Ein solches Verfahren und Vorrichtung sind bereits aus der EP 1219380 A2 bekannt.

Bei einigen Laserschweissoperationen führen Toleranzen der zu verschweissenden Werkstücke oder Ungenauigkeiten in der Strahlführung zu nicht tolerierbaren Abweichungen von optimal positionierten Schweissnähten. Um derartige Abweichungen zu minimieren werden Nahtführungssysteme eingesetzt. Gemäß der EP 1219380 A2 wird ein Furchen-Detektor eingesetzt, welcher dem Laserbearbeitungskopf vorauseilt und dabei die Werkstückoberfläche mittels eines weiteren Lasers beleuchtet und die beleuchtete Oberfläche mit einer Kamera aufnimmt. In Abhängigkeit von der aufgenommenen Werkstücktopographie wird die vorgegebene Schweissbahn bei Bedarf korrigiert. Für diesen Detektor ist zusätzliche Hardware und deren Konfiguration nötig und ihre Anordnung vor dem Laserbearbeitungskopf schränkt dessen Arbeitsmöglichkeiten ein.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweissen anzugeben, welche verringerten Investitions- und Konfigurationsaufwand benötigen.

Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Das gleiche gilt für eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 6 und dessen kennzeichnende Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird bei dem Verfahren zur Nahtführung beim Laserschweissen zunächst ein zu schweissendes Werkstück entlang einer vorgegebenen Schweissbahn vor dem Schweissen hinsichtlich Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks und/oder der Strahlführung untersucht, wobei die Untersuchung der Werkstückoberfläche zumindest in deren Nähe über die selben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird, und dann wird die vorgegebene Schweissbahn in Abhängigkeit von ermittelten Soll-Ist-Abweichungen korrigiert.

Dadurch, dass die Untersuchung der Werkstückoberfläche zumindest in deren Nähe über die selben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird, entfällt für diese optischen Elemente der zusätzliche Investitions- und Konfigurationsaufwand gegenüber Nahtführungssystemen nach dem Stand der Technik.

Die optischen Elemente können für die Untersuchung die gleiche Position und sonstigen Einstellungen aufweisen wie für die zukünftige Schweissung oder wahlweise auch andere Position und Einstellungen aufweisen, solange sie die jeweiligen Unterschiede noch durch entsprechende Steuerung der optischen Elemente zur Strahlführung kompensieren können. Das bedeutet, Laserstrahl und Untersuchung müssen nicht zwingend identischen Strahlengängen folgen, sie können es aber(zumindest in Nähe der Werkstückoberfläche), wodurch der Konfigurationsaufwand weiter gesenkt wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Untersuchung der Werkstückoberfläche aus mindestens zwei Positionen. Dieses Vorgehen ermöglicht es auch Abschattungen der Werkstücktopographie sicher zu erkennen.

Für einige Schweissanwendungen reicht bereits das Umgebungslicht für die Untersuchung der Werkstückoberfläche aus. Es ist jedoch vorteilhaft, dass die Werkstückoberfläche für die Untersuchung beleuchtet wird, vorzugsweise in deren Nähe über die selben optischen Elemente, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird, vorzugsweise mittels des Laserstrahls. Insbesondere geringe Ist-Abweichungen von den Soll-Daten können so sicherer erfasst werden. In Hinsicht auf den Investitions- und Konfigurationsaufwand ist es vorteilhaft möglichst viele bereits in der Laserschweisseinrichtung vorhandene Komponenten auch für die Beleuchtung zu verwenden, d.h. für die Strahlführung der Beleuchtung die optischen Elemente für die Laserstrahlführung und/oder für die Beleuchtung den Laserstrahl mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit und/oder defokusiert und/oder mit verringerter Leistung, derart, dass die Oberfläche lediglich beleuchtet aber noch nicht geschweisst wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Beleuchtung unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche erfolgt. Der daraus resultierende Schattenwurf erleichtert die Untersuchung hinsichtlich Abweichungen der Werkstückoberfläche von ihrer Soll-Topographie und/oder Ungenauigkeiten in der Strahlführung des Schweisslasers.

Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweissen

– mindestens ein optisches Element auf zur Führung des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Schweissbahn auf dem zu schweissenden Werkstück,
– eine Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche hinsichtlich Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks,
– eine Rechen-Einrichtung zur Korrektur der vorgegebenen Schweissbahn in Abhängigkeit von ermittelten Soll-Ist-Abweichungen,

wobei

– die Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche derart ausgestaltet ist, dass die Untersuchung zumindest in der Nähe der Werkstückoberfläche über die selben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird.

Eine solche Ausgestaltung senkt den Investitions- und Konfigurationsaufwand gegenüber Nahtführungssystemen nach dem Stand der Technik.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche einen ortsauflösenden Sensor, vorzugsweise eine Kamera, insbesondere eine CCD- oder CMOS-Kamera, und eine Bildverarbeitungseinheit auf. Derartige Komponenten sind kostengünstig, leicht konfigurierbar und einfach in eine Laserschweisseinrichtung integrierbar. Derartige Kameras sind für den optischen und thermischen (IR) Bereich verfügbar und für die erfindungsgemäße Untersuchung geeignet.

Die Vorrichtung zur Nahtführung weist vorzugsweise mindestens einen Strahlteiler auf, z.B. einen halbdurchlässigen Spiegel, der im Strahlengang des Lasers und der Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche angeordnet ist und so die gleichzeitige Nutzung weiterer optischer Elemente durch Bearbeitungslaserstrahl und Untersuchung ermöglicht.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, als optische Elemente eine Scanner-Einrichtung zu verwenden, um den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu schweissenden Werkstücks zu lenken. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegeln) oder auch aus akustooptische Modulatoren.

Erfindungsgemäß wird mittels des Strahlteilers der Strahlengang des Sensorsystems koaxial zum Strahlengang des Bearbeitungslasers gebracht. Für die Untersuchung wird der von dem Sensor aufgenommene Bildbereich analog zum Führen des Bearbeitungslasers über das Werkstück gescannt. Die hohe Geschwindigkeit, mit welcher die bewegliche Scanner-Einrichtung den Bildbereich (und den Bearbeitungslaserstrahl) über die Werkstückoberfläche führen kann, ermöglicht es, ohne wesentlichen Zeitverlust, vor dem Schweissen die Werkstückoberfläche entlang der vorgegebenen Schweissbahn zu scannen und ggf. zu korrigieren.

Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung anhand der 1 und eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
Dabei zeigt:
1 Vorrichtung zur Nahtführung und Strahlengänge
In Figur ist schematisch und nicht maßstabsgerecht ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Nahtführung mit ihren Strahlengängen dargestellt: Eine nicht dargestellte Laserquelle sendet eine Laserstrahl 1 aus, der mittels einer Bearbeitungsoptik 4 über ein zu schweissendes Werkstück 5 geführt wird. Die Bearbeitungsoptik 4 weist eine Scannereinheit 41 in Form eines beweglichen Spiegels auf, der den Strahl führt, sowie eine Fokussieroptik 42. Die Vorrichtung zur Nahtführung beinhaltet außerdem einen ortsauflösenden Sensor 3 in Form einer CCD-Kamera sowie einen Strahlteiler 31. Beide sind derart angeordnet, dass der Strahlengang des Sensors 3 koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls 1 verläuft. Die Vorrichtung zur Nahtführung beinhaltet in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich eine Lichtquelle 2 zur Beleuchtung der Oberfläche des Werkstücks 5, deren Strahlengang über einen weiteren Strahlteiler 21 koaxial zum Strahlengang des Laserstrahls 1 geführt wird. Die Funktion der zusätzlichen Lichtquelle 2 kann jedoch auch von dem Laserstrahl 1 übernommen werden, wodurch der Strahlteiler 21 obsolet wird.
Gemäß dem Verfahren zur Nahtführung wird das Sensorbildfeld 53 vor dem Schweissen mittels der Bearbeitungsoptik 4 entlang einer vorgegebenen Schweissbahn 51 über die Oberfläche des zu schweissenden Werkstücks 5 geführt. Dabei wird die Oberfläche des zu schweissenden Werkstücks 5 von der Lichtquelle 2 beleuchtet. Die von dem Sensor 3 aufgenommenen Bilder der vorgegebenen Schweissbahn 51 werden einer nicht dargestellten Bildverarbeitungseinheit zugeführt und an eine Recheneinheit weitergeleitet, welche evtl. Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks und/oder der Strahlführung berechnet. In Abhängigkeit vom Ergebnis dieser Berechnung führt die Recheneinheit eine Korrektur der vorgegebenen Schweissbahn 51 durch. Danach wird der Bearbeitungslaserstrahl 1 mittels der Bearbeitungsoptik 4 zum Schweissen des Werkstücks 1 entlang einer korrigierten Schweissbahn 52 geführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung erweisen sich in der Ausführungsform des vorstehend beschriebenen Beispiels als besonders geeignet für die Nahtführung beim Laserschweissen von Karosserieblechen wie sie im Automobilbau Verwendung finden, da dort besonders hohe Qualitätsanforderungen bestehen, die von Verfahren und Vorrichtungen nach dem nach dem Stand der Technik nur mit sehr hohem Investions- und Konfigurationsaufwand erfüllt werden können.
Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
So kann die Bearbeitungsoptik 4 anstatt sich zu Beginn der Untersuchung bereits in der Position für die zukünftige Schweissung zu befinden auch anders lokalisiert sein, solange der Versatz nur durch die Scannereinheit 41 kompensiert werden kann. Eine derartige Positionierung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn durch geeigneten Schattenwurf der beleuchteten Oberfläche und/oder geeignete Neigung der Beobachtungsrichtung zur Werkstückoberfläche eine besonders hohe Präzision der Untersuchung erzielt werden soll.

1: Laserstrahl
2: Lichtquelle
21: Strahlteiler
3: Ortsauflösender Sensor/Kamera
31: Strahlteiler
4: Bearbeitungsoptik
41: Scanner-Einheit (Bewegliche Spiegel)
42: Fokussieroptik
5: Werkstück
51: vorgegebene Schweissbahn
52: korrigierte Schweissbahn
53: Sensorbildfeld

Claims

Verfahren zur Nahtführung beim Laserschweissen, wobei – ein zu schweissendes Werkstück entlang einer vorgegebenen Schweissbahn vor dem Schweissen hinsichtlich Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks untersucht wird, – die vorgegebene Schweissbahn in Abhängigkeit von ermittelten Soll-Ist-Abweichungen korrigiert wird, dadurch gekennzeichnet, – dass die Untersuchung der Werkstückoberfläche zumindest in deren Nähe über die selben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung der Werkstückoberfläche zumindest in deren Nähe demselben Strahlengang folgt, dem der Laserstrahl zum Schweissen der ursprünglich vorgegebenen Schweissbahn folgen würde.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Untersuchung aus mindestens zwei Positionen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstückoberfläche für die Untersuchung beleuchtet wird, vorzugsweise in deren Nähe über die selben optischen Elemente, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird, vorzugsweise mittels des Laserstrahls.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche erfolgt.
Vorrichtung zur Nahtführung beim Laserschweissen, aufweisend – mindestens ein optisches Element zur Führung des Laserstrahls entlang einer vorgegebenen Schweissbahn auf dem zu schweissenden Werkstück, – eine Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche hinsichtlich Soll-Ist-Abweichungen der Positionierung und/oder der Topographie des Werkstücks, – eine Rechen-Einrichtung zur Korrektur der vorgegebenen Schweissbahn in Abhängigkeit von ermittelten Soll-Ist-Abweichungen, dadurch gekennzeichnet, – dass die Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche derart ausgestaltet ist, dass die Untersuchung zumindest in der Nähe der Werkstückoberfläche über die selben optischen Elemente erfolgt, mittels derer auch der Laserstrahl geführt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche eine Kamera und eine Bildverarbeitungseinheit aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens einen Strahlteiler aufweist, der im Strahlengang des Lasers und der Einrichtung zur Untersuchung der Werkstückoberfläche angeordnet ist.