-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Laserverschweißung eines
ersten Werkstücks
mit einem zweiten Werkstück
sowie ein entsprechendes Verfahren gemäß dem Oberbegriff der nebengeordneten
Patentansprüche.
-
Stand der
Technik
-
Aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 102
59 177 ist ein Verfahren zur Durchführung eines Schweißprozesses
bekannt, bei dem mit gepulster Laserstrahlung Überlappverbindungen hergestellt werden.
Hierbei wird der Schweißvorgang
von der Rückseite
der zu verschweißenden
Bauteile her überwacht.
Damit sind eine Vielzahl von Schweißverbindungen, insbesondere
Verbindungen, die nur einseitig zugänglich sind, bislang von einer
Regelung ausgeschlossen. Um einen geregelten Prozess von der Bauteilvorderseite
her durchzuführen,
sind aussagekräftige
Signale notwendig. Die bisher eingesetzten Prozessüberwachungssysteme – etwa kamerabasierte
Systeme zur Prozessüberwachung,
bei denen die aufgenommenen Bildsequenzen online oder offline (d.h.
während
des Schweißprozesses oder
nach dem Schweißprozess) über Bildverarbeitungsalgorithmen
ausgewertet werden – erlauben
es lediglich, schwere Schweißfehler
zu detektieren, beispielsweise die Detektion eines Spaltes, das
Auftreten von Spritzern oder anderer schwerwiegender Prozessunregelmäßigkeiten.
Insbesondere ist eine Detektion oder eine Bestimmung der Einschweißtiefe oder
sogar die Regelung der Einschweißtiefe bisher nicht möglich. Sollen
auch kleinere Prozessunregelmäßigkeiten
erkannt werden, die vielfach bereits zu einem Schweißfehler
und somit zu Ausschuss führen können, so
ist die Zuverlässigkeit
noch zu gering. Eine hohe Pseudofehlerrate oder ein nicht hinnehmbarer
Anteil an Schlupf (d.h. fehlerhafte Schweißungen, die nicht als solche
erkannt werden) ist dann die Folge.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
bzw. das erfindungsgemäße Verfahren
gemäß den nebengeordneten
Ansprüchen
hat demgegenüber
den Vorteil, dass mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. mit dem
Verfahren geregelte bzw. überwachte Schweißungen mit
einem Laser hergestellt werden können,
wobei insbesondere die Einschweißtiefe als Regelgröße herangezogen
wird. Insbesondere ist es mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorteilhaft möglich, dass
Schweißungen
mit geringer Einschweißtiefe
prozesssicher hergestellt bzw. überwacht
werden können.
Gerade diese Schweißungen mit
einem verhältnismäßig kleinen
Aspektverhältnis von
insbesondere kleiner als 3 stellen vergleichsweise hohe Anforderungen
an die Prozessbeherrschung dar, weil solche Schweißungen im
sogenannten Übergangs
bereich zwischen dem Wärmeleitungsschweißen und
dem Tiefschweißen
hergestellt werden. Kleine Schwankungen im Prozess – etwa hervorgerufen
durch Bauteilschwankungen, Oberflächenschwankungen, Schwankungen
der Strahlquelle oder dergleichen – können dabei große Änderungen
der Einschweißtiefe
und damit der Fügequalität herbeiführen. Besonders
vorteilhaft wird erfindungsgemäß eine online-Messung
der Einschweißtiefe während des
Schweißprozesses
ermöglicht.
-
Weiterhin
ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass
der Sensor zur Auswertung eines Sensorsignals vorgesehen ist, wobei
die Reflektion oder Streuung der Beleuchtungsstrahlung an der Bearbeitungsstelle
Teil des vom Sensor auswertbaren Sensorsignals ist. Hierdurch ist
es vorteilhaft möglich,
dass eine Vielzahl von Problemen vermieden wird, die damit zusammenhängen, dass
das Laserlicht des Bearbeitungslasers zur Verwendung der Messung
der Einschweißtiefe
verwendet wird. Beispielsweise spielen auf diese Weise Schwankungen
der Leistung des Bearbeitungslasers keine Rolle. Weiterhin ist auch
vorteilhaft, dass die Wellenlänge,
die Beleuchtungsstärke
und die Modulation der Beleuchtungsstrahlung unabhängig von
der Wellenlänge
bzw. Stärke
des Bearbeitungslasers gewählt
werden können.
-
Erfindungsgemäß ist ferner
bevorzugt, dass die Vorrichtung eine die Laserquelle umfassende Strahlquelle
und eine Bearbeitungsoptik umfasst, wobei ein von der Laserquelle
erzeugter Bearbeitungslaserstrahl von der Strahlquelle zur Bearbeitungsoptik
mittels einer Strahlführungseinrichtung verlaufend
vorgesehen ist, wobei insbeson dere die Strahlführungseinrichtung als eine
Glasfasereinrichtung vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass
die Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls von der Bearbeitungsstelle
getrennt wird, so dass gegebenenfalls auftretende Vibrationen oder Verunreinigungen
im Bereich der Bearbeitungsstelle keine negativen Auswirkungen auf
die Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls haben.
-
Weiterhin
ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass
die Beleuchtungseinrichtung zur Einkoppelung von Beleuchtungsstrahlung
derart vorgesehen ist, dass Beleuchtungsstrahlung zumindest teilweise
parallel zum Bearbeitungslaserstrahl in der Strahlführungseinrichtung
verlaufend vorgesehen ist. Hierdurch ist erfindungsgemäß vorteilhaft
möglich,
dass die Beleuchtungseinrichtung vergleichsweise geschützt und
für unterschiedliche
Bearbeitungsoptiken universell einsetzbar angeordnet werden kann.
-
Ferner
ist erfindungsgemäß bevorzugt,
dass eine Auskopplung des Sensorsignals aus dem Bearbeitungslaserstrahl
in der Strahlquelle vorgesehen ist. Hierdurch ist es erfindungsgemäß möglich, dass sowohl
die Prozessemissionen als auch die zurück reflektierte Strahlung der
Beleuchtungseinrichtung von Sensoren – insbesondere Kameras – erst im
Inneren der Strahlquelle ausgewertet wird. Hierdurch entfällt vorteilhafterweise
eine Justage des Sensors bzw. der Mehrzahl von Sensoren an der Bearbeitungsstelle,
wie es bei bisher üblichen
Sensoren notwendig war. Bekannte Sensoren koppeln nämlich die Prozessemissionen
direkt an der Bearbeitungsoptik aus und sind deshalb für eine Dejustage
erheblich empfindlicher, bieten eine Störkontur im Prozess und bilden
die Bearbeitungsstelle nur ungenau auf den Sensor ab. Die Reproduzierbarkeit
der Signale, etwa bei einem Wechsel der optischen Komponenten oder bei
einer Nachjustage des Sensoren ist nicht ausreichend. Innerhalb
der Strahlquelle können
durch weitere Strahlteiler die Prozessemissionen und/oder die zurück reflektierte
Beleuchtungsstrahlung auf mehrere Sensoren, beispielsweise durch
entsprechende Filter an die zu beobachtenden Prozessmerkmal bzw.
Prozessemissionen angepasst und entsprechend aufgeteilt werden.
-
Es
ist erfindungsgemäß weiterhin
bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor als eine Kamera vorgesehen
ist und dass das Sensorsignal einem Bild der Bearbeitungsstelle
entspricht. Hierdurch können
zuverlässige
Informationen über
den beobachteten Schweißprozess
erhalten werden, wobei solche Informationen eindeutig einer bestimmten
Schweißqualität zugeordnet
werden können.
Insbesondere ist es erfindungsgemäß dadurch möglich, dass Bilddaten zur Verfügung stehen,
aus denen sich Informationen extrahieren lassen, die auch vergleichsweise kleine
Prozessunregelmäßigkeiten
sicher und zuverlässig
identifizieren können.
-
Eine
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
zur Laserverschweißung gemäß dem nebengeordneten
Verfahrensanspruch. Hierbei ist vorteilhaft, dass durch die von
dem Bearbeitungslaserstrahl unabhängige Beleuchtung der Bearbeitungsstelle
eine besonders gute Referenzstrahlungsquelle zur Messung der Reflexion
bzw. der Streuung der Beleuchtungsstrahlung an der Bearbeitungsstelle
zur Verfügung
gestellt wird, so dass erheblich mehr Informationen über den
Schweißprozess
bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Verfügung
gestellt werden können,
als dies herkömmlicherweise
der Fall ist. Bevorzugt ist erfindungsgemäß, dass das Sensorsignal teilweise
den Emissionen der Bearbeitungsstelle entspricht. Hierbei ist es bei
der Nutzung beispielsweise einer Kamera als Sensor möglich, dass
die gewonnenen Bildinformationen bzw. Bildmerkmale mittels einer
kombinierten Auswertung die unterschiedlichen Prozessphänomene zeitlich
und örtlich
derart verknüpft,
dass eine Ermittlung von prozessrelevanten Merkmalen, die mit der
Schweißqualität korrelieren,
möglich
ist. Beispielsweise ist es hierdurch erfidungsgemäß möglich, dass
der Schweißprozess
mit dem Sensor zeitlich hochaufgelöst, d. h. zeitnah zu den zu
beobachtenden Änderungen
im Schweißprozess,
aufgenommen wird. Hierdurch ergibt sich ein Bild, welches nach einer
Filterung (unter Auswahl des zu beobachtenden Wellenlängenbereiches über entsprechende Filter)
den Prozess mit dem für
das Laserschweißen charakteristischen
Metalldampfleuchten zeigt. Bei den bekannten Verfahren zur Prozesssicherung
werden aus diesen Bilddaten Merkmale ermittelt und mit der Schweißqualität oder Einschweißtiefe korreliert. Jedoch
ist das Leuchten des Metalldampfes von vielen Faktoren abhängig, wie
beispielsweise die Schweißbadausbildung,
den Keyholedurchmesser, die Laserstrahlintensität, die Fokussierung und weitere
Parameter. Eine Zuordnung von Bildmerkmalen zu einem bestimmten
Schweißfehler
ist daher bisher nur sehr schwer möglich und nur in Einzelfällen umsetzbar.
Insbesondere ist es häufig
so, dass eine Merkmalsänderung
in dem Bild von verschiedenen Einflußgrößen hervorgerufen werden kann
und eine Trennung nach diesen Einflußgrößen im Nachhinein nicht mehr
möglich
ist. Erfindungsgemäß wird daher mit
der Beleuchtungsquelle eine zusätzliche
unabhängige Quelle
von Sensorsignalanteilen zur Verfügung gestellt. Es ist damit
möglich – insbesondere
bei ausreichend starker Beleuchtungsstärke und bei entsprechend kurzer
Belichtungszeit in dem das Bild aufnehmenden Sensor bzw. der Kamera
-, dass nur das Schmelzbad und das Keyhole abgebildet wird und der
Metalldampf nicht oder nur sehr schwach erkennbar ist, insbesondere
wenn die Beleuchtungsstärke
der Beleuchtungsstrahlung deutlich größer ist als die Stärke des
Metalldampfleuchtens im Bereich der Bearbeitungsstelle. Hierdurch
ist es vorteilhaft möglich,
Bilder vom eigentlichen Aussehen der Schweißnaht bzw. des Schweißpunktes
zu ermitteln. Bevorzugt wird die Stärke der Beleuchtungsstrahlung weiterhin
zeitlich periodisch variiert, so dass mehr Informationen von dem
Schweißvorgang
von dem Sensor erfasst werden können
und einer Auswertung zugeführt
werden können.
-
Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1, 2 und 3 zeigen
schematische Prinzipskizzen von verschiedenen Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
-
4 und 5 zeigen
schematisch Schaubilder des Zusammenhangs zwischen der Einschweißtiefe und
der Reflexion der Schweißstelle.
-
6 zeigt
schematisch den zeitlichen Verlauf der Regelung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ein Beispiel für
ein dementsprechendes Sensorsignal.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
In
den 1, 2 und 3 sind schematische
Prinzipskizzen von verschiedenen Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 1 zur Laserverschweißung eines ersten Werkstücks 10 mit
einem zweiten Werkstück 20 umfasst
in allen drei Ausführungsformen
eine eine Laserquelle 3 aufweisende Strahlquelle 2,
wobei die Laserquelle 3 einen Bearbeitungslaserstrahl 3' emittiert,
der über
eine Strahlführungseinrichtung 5,
insbesondere eine Glasfasereinrichtung, zu einer Bearbeitungsoptik 6 geführt bzw.
geleitet wird und dort auf eine Bearbeitungsstelle 16 zur
Erzeugung eines Schweißpunktes 15 oder
einer Schweißnaht 15 gerichtet
wird. Der Schweißpunkt 15 oder
die Schweißnaht 15 verbindet
dann das erste Werkstück 10 mit
dem zweiten Werkstück 20.
Nach der Verschweißung
ergibt sich aus der Verbindung des ersten und zweiten Werkstücks 10, 20 ein
geschweißtes
Werkstück 30.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist es
in allen Ausführungsformen
vorgesehen, dass ein Sensor 9, insbesondere eine Kamera 9,
ein Photodetektor oder ein Strahlungsdetektor, zur Beobachtung unterschiedlicher
Prozessphänomene
vorgesehen ist und dass mittels einer Zusatzbeleuchtung 40 bzw. allgemein
einer Beleuchtung 40 die Bearbeitungsstelle 16 zusätzlich zu
dem Bearbeitungslaserstrahl 3' beleuchtbar ist. Die Beleuchtung 40 ist
erfindungsgemäß insbesondere
als modulierbare, d. h. zeitlich veränderbare, Zusatzbeleuchtung 40 und
insbesondere als ein Beleuchtungslaser mit einer von dem Bearbeitungslaserstrahl 3' abweichenden
Wellenlänge vorgesehen.
Hierdurch ist es erfindungsgemäß in allen
Ausführungsformen
der Erfindung möglich,
eine kombinierte Auswertung insbesondere von Bildern der Bearbeitungsstelle 16 vorzunehmen,
wodurch die unterschiedlichen Prozessphänomene zeitlich und örtlich miteinander
verknüpft
werden und die Ermittlung von prozessrelevanten Merkmalen, die mit der
Schweißqualität korrelieren,
möglich
ist. Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform
der Vorrichtung 1 gemäß 1 ist
sowohl die Beleuchtungseinrichtung 40 als auch der Sensor 9 bzw.
die Kamera 9 innerhalb der Strahlquelle 2 angeordnet
und es wird Beleuchtungsstrahlung 41 mittels einer weiteren Strahlteilungseinrichtung 42 in
das optische System zum Transport des Bearbeitungslaserstrahls 3' eingekoppelt.
Die Beleuchtungsstrahlung 41 wird bis in die Bearbeitungsoptik 6 weitergeleitet
und mittels einer Fokussierung 7 auf die Bearbeitungsstelle 16 fokussiert.
Von der Bearbeitungsstelle 16 wird ein Teil der Beleuchtungsstrahlung 41 gestreut
bzw. zurück reflektiert,
so dass reflektierte Beleuchtungsstrahlung 92, die im folgenden
auch als Reflexionsstrahlung 92 bezeichnet wird, vom Sensor 9 nach
einer Auskopplung mittels einer Strahlteilungseinrichtung 4 und
einer Fokussierung 8, die gegebenenfalls mit einer Filterung
verbunden ist, in den Sensor 9 eingeleitet wird.
-
Bei
der Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß der 2 wird
die Beleuchtungsstrahlung 41 mittels der Beleuchtungseinrichtung 40 nicht
in der Strahlquelle 2 sondern an der Bearbeitungsoptik 6 mittels
der weiteren Strahlteilungseinrichtung 42 eingekoppelt.
In der in 2 dargestellten Ausführungsform
ist weiterhin (wie bei der Ausführungsform
gemäß 1)
der Sensor 9 bzw. die Kamera 9 innerhalb der Strahlquelle 2 vorgesehen
und nimmt die von der Bearbeitungsstelle 16 zurück reflektierte
bzw. gestreute Reflexionsstrahlung 92 auf.
-
In 3 sind
weitere Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dargestellt.
Hierbei ist die Beleuchtungseinrichtung 40 innerhalb der
Strahlquelle 2, nicht jedoch der Sensor 9 bzw.
die Kamera 9 in der Strahlquelle 2 angeordnet.
Bei einer ersten Variante gemäß 3 ist
der Sensor 9 im Bereich der Bearbeitungsoptik 6 angeordnet
und koppelt mittels der Strahlteilungsvorrichtung 4 die
von der Bearbeitungsstelle 16 zurück reflektierte Reflexionsstrahlung 92 an
der Strahlteilungsvorrichtung 4 aus und leitet sie dem
Sensor 9 zu. Alternativ zu dieser Ausführung bzw. Anordnung des Sensors 9 im
Bereich der Bearbeitungsoptik 6 ist es gemäß einer
weiteren Variante der 3 auch möglich, dass ein mittels des Bezugszeichens 9' dargestellter
Sensor bzw. eine entsprechende Kamera direkt die von der Bearbeitungsstelle 16 reflektierte
bzw. gestreute Reflexionsstrahlung 92 aufnimmt. Diese in 3 mittels
einer strichpunktierten Linie dargestellte Variante hinsichtlich
der Anordnung des Sensors 9' wird
auch als sogenannte Off-Axis-Anordnung des Sensors 9' bezeichnet
während
sämtliche
anderen Ausführungen der
Anordnung des Sensors 9 als sogenannte On-Axis-Anordnungen
des Sensor 9 bezeichnet werden, weil bei diesen Anordnungen
die Reflexionsstrahlung 92 zumindest teilweise parallel
zur Strahlführung
des Bearbeitungslaserstrahls 3' geführt wird.
-
In
den 4 und 5 sind schematisch Schaubilder
zur Verdeutlichung des Zusammenhangs zwischen der Einschweißtiefe und
der Reflektion der Schweißstelle 16 dargestellt.
Auf der Abszisse ist jeweils das sogenannte Aspektverhältnis A
des Schweißlochs
bzw. des Keyholes angegeben, wobei das Aspektverhältnis A
dem Verhältnis
der Tiefe des Schweißloches
zum Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls 3' an der Bearbeitungsstelle 16 entspricht.
Auf der Ordinate sind jeweils die Anteile (in Prozent) der Einkoppelung
E (bzw. der Einkoppelungsgrad) der Beleuchtungsstrahlung 41 in
das Schweißloch
bzw. das Keyhole für
unterschiedliche Schweißmaterialien
(5) dargestellt. In 4 bezeichnet
die Kurve C1 den Einkoppelungsgrad beim Schweißen von
Eisen bei einer Wellenlänge
der Beleuchtungsstrahlung 41 von 10,6 μm, die Kurve C2 den
Einkoppelungsgrad beim Schweißen
von Eisen bei einer Wellenlänge
der Beleuchtungsstrahlung 41 von 5 μm, die Kurve C3 dem
Einkoppelungsgrad beim Schweißen
von Eisen bei einer Wellenlänge
der Beleuchtungsstrahlung 41 von 1,06 μm und die Kurve C4 dem
Einkoppelungsgrad für
unterschiedliche Aspektverhältnisse
beim Schweißen
von Eisen bei einer Wellenlänge
der Beleuchtungsstrahlung 41 von 0,5 μm. In 5 bezeichnet
die Kurve C5 den Einkoppelungsgrad bei unterschiedlichen
Aspektverhältnissen
beim Schweißen
von Aluminium und die Kurve C6 den Einkopplungsgrad
für verschiedene
Aspektverhältnisse
beim Schweißen
von Eisen, wobei beide Kurven der 5 einer
Wellenlänge
der Beleuchtungsstrahlung 41 von 10,6 μm entsprechen. Diese Darstellungen
entsprechen den Bildern 53 bzw. 54 der Veröffentlichung „Strahlwerkzeuglaser: Energieeinkopplung
und Prozesseffektivität" veröffentlicht
von F. Dausinger, Teubner Verlag, Stuttgart, 1995.
-
Aus
den 4 und 5 geht hervor, dass bei bekanntem
Fokusdurchmesser des Bearbeitungslaserstrahls 3' im Bereich
der Bearbeitungsstelle 16 eine Korrelation zwischen dem
Einkoppelungsgrad der Beleuchtungsstrahlung 41 und der
Einschweißtiefe
hergestellt werden kann. Der Einkoppelungsgrad der in das Bauteil
eingekoppelten, d.h. in das Keyhole bzw. das Schweißloch eingestrahlten, Beleuchtungsstrahlung 41 kann
aus dem zurückreflektierten
Anteil der Strahlung, d.h. der Reflexionsstrahlung 91,
bestimmt werden. Hierdurch besteht eine Korrelation zwischen der
Reflexionsstrahlung 92 aus dem Schweißloch einerseits und der Einschweißtiefe andererseits
bei ansonsten unveränderten
Randbedingungen. Erfindungsgemäß wird zur Messung
der von der Bearbeitungsstelle 16 zurück reflektierten Reflexionsstrahlung 92 die
Beleuchtungseinrichtung 40 verwendet, welche vorzugsweise
ein entsprechender Laser ist und im folgenden auch als Messlaser 40 bezeichnet
wird. Die Wellenlänge
dieser Beleuchtungseinrichtung 40 ist vorzugsweise so zu
wählen,
dass die emittierte Messstrahlung, d. h. die Beleuchtungsstrahlung 41 des
Messlasers 40, nur in geringem Maße durch den eigentlichen Schweißprozess
beeinflußt
wird. Beispielsweise ist darauf zu achten, dass die Beleuchtungsstrahlung 41 nicht
durch beim Schweißen
entstehendem Metalldampf zu sehr absorbiert wird bzw. gestreut wird.
Bei Verwendung eines solchen Messlasers 40 als Be leuchtungseinrichtung 40 zusätzlich zu
der Laserquelle 3, die den Bearbeitungslaserstrahl 3' erzeugt, ist
es möglich,
mit einer sehr geringen Laserleistung des Messlasers 40 eine
hohe Leistungsstabilität
und eine hohe Strahlqualität
der Beleuchtungsstrahlung 41 zu ermöglichen, was insgesamt vorteilhaft
für die
Messung ist.
-
Vorteilhaft
bei der Ausführungsform
gemäß der 1 ist,
dass der Sensor 9 zur Detektion der Reflexionsstrahlung 92 vorzugsweise
in der Strahlquelle 2 vorgesehen ist, so dass nur die aus
dem Keyhole bzw. Schweißlochbereich
zurück
reflektierte Reflexionsstrahlung 92 detektiert wird. Zudem
eignet sich dieser Aufbau besonders gut, um in einer industriellen
Fertigung mit dem Sensor 9 an mehreren Bearbeitungsstationen
und mit mehreren Bearbeitungsoptiken (in den Figuren ist lediglich
eine Bearbeitungsoptik 6 dargestellt) zu arbeiten, wenn
der Sensor 9 hinter den üblicherwiese verwendeten Strahlweichen
eingebaut wird. Alternativ hierzu kann der Sensor 9 aber
auch direkt an der Bearbeitungsoptik 6 eingesetzt werden
(vergleiche 3). Dann ist in der Regel die
Justage auf den Keyholebereich aufwendiger und eine höhere Störungsempfindlichkeit ist
gegeben. Weiterhin stellt dies eine zusätzliche Stör kontur bei der Fertigung
dar. Weiterhin kann die Beleuchtungseinrichtung 40 an verschiedenen
Stellen der Vorrichtung 1 eingebaut werden, wie dies in 1 bzw. 3 dargestellt
ist. Wiederum ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, die Beleuchtungseinrichtung 40 in
der Strahlquelle 2 einzubauen und die Reflexionsstrahlung 41 über die
Glasfaser zur Bearbeitungsstelle 16 zu führen. Hierdurch
wird sicher gestellt, dass die Beleuchtungsstahlung 41 keinen
Versatz zum Keyhole und zum Meßbereich
hat. Hierzu wird die Beleuchtungseinrichtung 40 im kolimierten Bereich
der Strahlquelle 2 in den Strahlengang eingekoppelt. Bei
der Anordnung der Beleuchtungseinrichtung 40 im Bereich
der Bearbeitungsoptik 6 (vergleiche 2) ist es
möglich,
die Messfleckgröße und die
Fokusposition (x-Lage, y-Lage und z-Lage) an die jeweils vorgesehene
Meßaufgabe
angepasst einzustellen. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist
es möglich,
die Einschweißtiefe
bei Laserschweißprozessen
entweder lediglich zu überwachen
oder auch oder Laserschweißprozesse
derart zu regeln, dass in Abhängigkeit
der jeweils momentan detektierten Einschweißtiefe der Laserschweißprozess
geregelt wird. Hierzu wird der Prozess mittels einer geeigneten,
in den Figuren jedoch nicht dargestellte, Regeleinrichtung so geführt, dass
das Sensorsignal S, welches insgesamt die Reflexionsstrahlung 92 umfasst,
einem gewünschten
Sollwertverlauf folgt. Hierdurch lässt sich die Einschweißtiefe sowohl
bei cw- Schweißverbindungen
als auch bei pw-Schweißverbindungen
reproduzierbar herstellen. Erfindungsgemäß ist es somit möglich, dass
eine prozesssichere Herstellung einer bestimmten Einschweißtiefe realisierbar
ist. Es kann hierdurch die Einschweißtiefenschwankung auch bei
kritischen Fügegeometrien
reproduzierbar überwacht
werden und dies bei allen Schweißverbindungen, bei denen die Fügepartner
nur einseitig zugänglich
sind und sich daher für
eine geregeltes Verfahren von der Bauteilrückseite nicht eignen. Weiterhin
können
auch kritische Fügegeometrien
miteinander verschweißt
werden und die Einschweißtiefe
reproduzierbar in engen Toleranzen hergestellt werden. Weiterhin
kann so beispielsweise die Durchschweißung vermieden werden sowie
die Einschweißtiefe
in Verbindung mit dem Anbindequerschnitt reproduzierbar hergestellt
werden.
-
Der
Sensor 9, insbesondere eine Kamera, zeichnet erfindungsgemäß den Schweißprozess
bevorzugt zeitlich hochaufgelöst
auf. Hierdurch ergibt sich ein Bild, welches je nach Filterung,
d. h. der Auswahl des zu beobachtenden Wellenlängenbereichs über entsprechende
Filter, den Prozess mit dem für das
Laserschweißen
charakteristischem Metalldampfleuchten zeigt. Bei einer Beleuchtungsstrahlung 41,
die nur das Schmelzbad erkennbar macht, lassen sich Bilder vom eigentlichen
Aussehen der Schweißnaht
ermitteln. Wird die Beleuchtungseinrichtung 40 moduliert
betrieben, was erfindungsgemäß bevorzugt
der Fall ist, kann die Belichtungszeit der Kamera 9 ebenfalls
auf die Beleuchtungsstärke der
Beleuchtungseinrichtung 40 abgestimmt werden, so dass sich
ein Bildstrom ergibt, der immer abwechselnd das Metalldampfleuchten
(ohne oder mit reduzierter Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung 40)
und die dazu gehörige
Schmelzbadoberfläche
(mit eingeschalteter Beleuchtungseinrichtung 40) zeigt.
Dies ist in 6 dargestellt. Im oberen Teil der
Figur ist die zeitliche Abfolge der Belichtungszeit TB des
Sensors 9 bzw. der Kamera 9 für verschiedene Abschnitte des
Prozessverlaufs angegeben, während
im mittleren Bild der 6 die Beleuchtungsstärke SB der Beleuchtungseinrichtung 40 angegeben
ist. Hierbei ist erkennbar, dass sich Zeitabschnitte mit eingeschalteter
Beleuchtung (Bezeichnung B) mit Zeitabschnitten mit ausgeschalteter
Beleuchtung, in denen der Sensor 9 lediglich das Leuchten
des Metalldampfes detektiert (bezeichnet mit MD) abwechseln. In
den Zeitabschnitten B ist die Beleuchtungsstrahlung 41 der
Beleuchtungseinrichtung 40 insbesondere eingeschaltet (die
Beleuchtungsstärke ist auf
einem oberen Wert SB1) und die Belichtungszeit
TB der Kamera 9 ist auf ein vergleichsweise
großen
Beleuchtungsstärke
der Beleuchtungsstrahlung 41 und damit auf eine relativ
geringe Belichtungszeit TB0 eingestellt.
In den mit der Bezeichnung MD bezeichneten Zeiträumen ist die Beleuchtung der
Beleuchtungseinrichtung 40 reduziert oder ausgeschaltet
(wobei die Beleuchtungsstärke
auf einen unteren Wert SB0 eingestellt ist)
und die Belichtungszeit TB der Kamera 9 ist
entsprechend höher
gewählt
(bezeichnet mit TB1). Hierdurch steht am
Ausgang der Kamera 9 eine Abfolge von zeitlich miteinander
korrelierenden Bildern zur Verfügung,
welche es erlauben, sowohl aus den Metalldampfbildern (Zeitabschnitt
MD) der Schweißstelle
bzw. der Bearbeitungsstelle 16 entsprechende Schlussfolgerungen
zu ziehen und diese darüber
hinaus noch mit den Bildern der Schweißschmelze (Zeitabschnitte B)
zu kombinieren. Hierdurch ist erfindungsgemäß möglich, dass in einem Prozess
zwei jeweils nahezu zeitgleich aufgenommene Bildsequenzen des gleichen
Prozessverlaufs zur Verfügung
stehen, die die Auswertung von weiteren Merkmalen, die für den Schweißprozess
relevant sind, ermöglichen.
Beispielsweise kann durch die Aufnahme des Schmelzbades (Bilder
in den Zeiträumen
B) entschieden werden, ob sich ein Spritzer aus dem Schmelzbad herausgelöst hat.
Dieser Sachverhalt ist beispielsweise im Metalldampfleuchten nur sehr
schwer erkennbar. Unterschiedliche Ausbildungen der Metalldampffackel,
hervorgerufen etwa durch eine andere Helligkeitsverteilung im Bild
der Metalldampffackel, können
mit dem Bild der Schmelzbadoberfläche korreliert werden, um so
eine Entscheidung über
die Ursachen der Änderung
der Helligkeitsverteilung (beispielsweise größeres Schmelzbad, größeres Keyhole
oder stärkere
Einkopplung mit steigender Verdampfung oder dergleichen mehr) zu
ermöglichen.
Aufgrund von vergleichsweise kurzen Belichtungszeiten bei bekannten
Sensoreinrichtungen 9 bzw. Kameras 9 ist es möglich, eine
Gesamtbildfolge 100 aus aufeinanderfolgenden Bildern mit
abwechselnd unterschiedlichem Informationsgehalt zu erhalten (vergleiche
unterer Teil der 6). Dies ermöglicht die Ermittlung weiterer
Merkmale prozessrelevanter Vorgänge
als es bei einem Bildstrom mit reiner Metalldampfdarstellung oder
mit reiner Schmelzbaddarstellung möglich wäre.