DE102007028080B4

DE102007028080B4 - Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102007028080B4
Application number: DE200710028080
Authority: DE
Inventors: Jan Drechsel; Bernhard Prof. Steiger
Original assignee: LASERINSTITUT MITTELSACHSEN E; LASERINSTITUT MITTELSACHSEN EV
Current assignee: LIM LASERINSTITUT MITTELSACHSEN GMBH, 09648 MI, DE
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-06-16
Also published as: DE102007028080A1

Abstract

Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken, wobei
– ein Laser mit einer Laserstrahlen (3) auskoppelnde Einrichtung so angeordnet ist, dass in die Schweißverbindung mit den Laserstrahlen (3) durch den Abtrag von Volumen eine Bohrung (4) eingebracht wird,
– eine Empfangsoptik (6) für elektromagnetische Strahlen des in den gasförmigen Zustand (5) übergegangenen Volumens an der Stelle der einzubringenden Bohrung (4) platziert ist und
– sich im weiteren optischen Strahlengang nach der Empfangsoptik (6) und vor einer Bildaufnahmeeinrichtung eine die aufgenommenen elektromagnetischen Strahlen spaltende, absorbierende oder Interferenzen erzeugende Vorrichtung als ein Bestandteil eines Spektralapparates zur qualitativen und quantitativen Bestimmung aus den Abbildungssignalen befindet, und
– die Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Datenverarbeitungssystem so zusammengeschaltet ist, dass sowohl die Zusammensetzung der abgetragenen Volumenelemente und damit des Materials als auch bei Erreichen von Grundmaterial über die Intensität und die Pulszahl sowie die Anzahl der abgetragenen Volumenelemente die...

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken.
Durch die US 2005/0061779 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der eine positive elektrische Ladung aufweisenden Bestandteile einer beim Bearbeiten mit Laserstrahlen entstehenden Partikelwolke bekannt. Dazu wird über dem Werkstück ein elektrisches Feld so erzeugt, dass die Laserstrahlen und die durch die Bearbeitung entstehende Partikelwolke das elektrische Feld passieren. Mittels einer mit einer Auswerteeinrichtung verbundenen Elektrode werden die durch die Partikel mit einer positiven Ladung verursachten Potenzialänderungen erfasst. Damit wird die Steuerung des Laserbearbeitungsprozesses beeinflusst, um eine Veränderung der Eigenschaften des Werkstückes während dessen Bearbeitung weitestgehend zu verhindern. Das Verfahren ist auf die Bestimmung der elektrisch geladenen Bestandteile der Partikelwolke zur Beeinflussung des Laserbearbeitungsprozesses begrenzt. Durch die Druckschrift US 4 567 345 A ist eine Einrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der Tiefe der Aufschmelzzone einer Schweißstelle bekannt. Dazu ist im optischen Strahlengang nach der Empfangsoptik ein Monochromator angeordnet. Mittels des Monochromators wird ein schmalbandiger Wellenlängenbereich aus einem angebotenem Spektrum ausgeblendet. Dieser Wellenlängenbereich wird zur Ermittlung der Tiefe der Aufschmelzzone bestimmt, wobei die Änderung des schmalbandigen Wellenlängenbereichs beim Übergang von der Aufschmelzzone in das Grundmaterial bestimmt wird. Eine Bestimmung der Zusammensetzung des Materials der Schweißstelle und der Aufschmelzzone ist nicht vorgesehen. Die Druckschrift DE 43 13 287 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur On-Line-Kontrolle und -Regelung der Einschweißtiefe beim Laserstrahl schweißen. Damit ist diese Lösung auf das Laserstrahlschweißen beschränkt, wobei während des Schweißvorgangs auf die Einschweißtiefe geschlossen wird. Als Maß für die Einschweißtiefe wird das Konzen trationsverhältnis der Ionen unterschiedlicher Ionisationsstufen des Schweißplasmas herangezogen. Eine Bestimmung der Materialzusammensetzung der Schweißstelle erfolgt nicht. Die Druckschrift DE 199 62 918 A1 beinhaltet ein Verfahren und eine Vorrichtung zur zerstörungsfreien Messung einer Werkstoffoberfläche mittels Infrarotstrahlung. Die Analyse erfolgt über die Reflexion und Absorption dieser Infrarotstrahlung. Materialzusammensetzungen sind damit nicht ermittelbar.
Durch die Druckschrift DE 698 17 967 T2 ist ein Verfahren zur Erfassung der Qualität eines Laserverfahrens bekannt, welches wiederum auf Laserverfahren als Arbeitsverfahren beschränkt ist. Dabei wird die Intensität des Lichts aus einem der Bearbeitungsstelle nachgeordnetem Lichtfilters bestimmt. Die Qualität der Laserschweißnaht wird dabei durch die Instabilität der Plasmabildung und Instabilitäten der Betriebsbedingungen ermittelt. Eine Bestimmung der Materialzusammensetzung einer Schweißnaht erfolgt nicht.
Eine ähnliche Lösung ist Gegenstand der Druckschrift JP 2005-095 942 AA , die wiederum auf die Qualitätsbestimmung beim Laserschweißen beschränkt ist.
Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken einfach zu bestimmen und zu analysieren.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Einrichtungen zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken zeichnen sich insbesondere durch die einfache Realisierung aus.
Dazu ist ein Laser mit einer Laserstrahlen auskoppelnde Einrichtung so angeordnet, dass in die Schweißverbindung mit den Laserstrahlen durch den Abtrag von Volumen eine Bohrung eingebracht wird. Weiterhin ist eine Empfangsoptik für elektromagnetische Strahlen des in den gasförmigen Zustand übergegangenen Volumens an der Stelle der Bohrung platziert. Darüber hinaus befindet sich im weiteren optischen Strahlengang nach der Empfangsoptik und einer Bildaufnahmeeinrichtung eine die aufgenommenen elektromagnetischen Strahlen spaltende, absorbierende oder Interferenzen erzeugende Vorrichtung.
Beim Abtragen des Volumens mit den Laserstrahlen wird dieses aufgeschmolzen und verdampft, wobei elektromagnetische Strahlen abgegeben werden. Elektromagnetische Strahlen werden über die Empfangsoptik zur diese spaltenden, absorbierenden oder Interferenzen erzeugenden Vorrichtung geleitet. Diese Vorrichtung ist ein Bestandteil eines Spektralapparates. Die durch die Vorrichtung getrennten Teilstrahlungen oder ihre Abbildungssignale können dabei sowohl qualitativ oder quantitativ bestimmt werden. Vorteilhafterweise ist der Spektralapparat ein Spektrograph, Beispielsweise ein Emissions-, ein Absorptions- oder ein Interferenzspektrometer. Die Bildaufnahmeeinrichtung ist ein weiterer Bestandteil des Spektralapparates, wobei die Teilstrahlungen oder die Abbildungssignale erfasst werden. Vorteilhafterweise kann diese mit einem Datenverarbeitungssystem zusammengeschaltet sein, so dass die jeweiligen Abbildungen ausgewertet werden können.
Mit dem Spektrometer können dabei vorteilhafterweise die abgetragenen Volumenelemente qualitativ bestimmt werden, wobei die Zusammensetzung dieser Volumenelemente bestimmt wird. Wird dabei Grundmaterial analysiert, so kann einfach auf die Dimension der Aufschmelzzone geschlossen werden, wobei über die Intensität und die Pulszahl die Anzahl der abgetragenen Volumenelemente und damit auf die Tiefe der Bohrung geschlossen werden kann. Damit wird sowohl die Aufschmelzzone in ihren geometrischen Maßen als auch die Zusammensetzung des Materials der Aufschmelzzone auch in Abhängigkeit der Tiefe bestimmt. Dieser Prozess wird fortlaufend wiederholt, so dass aus den Änderungen des Spektrums oder einzelner Spektrallinien auf die Zusammensetzung in der Tiefe geschlossen werden kann.
Der Querschnitt der Bohrung entspricht dem des Laserstrahls, so dass durch das Einbringen des Bohrloches in den meisten Fällen kein wesentlicher Festigkeitsverlust der Schweißnaht erfolgt. Durch eine günstige Wahl des Ortes zum Einbringen des Bohrloches, kann dieser Effekt weiter minimiert werden.
Damit eignet sich die Einrichtung vorteilhafterweise zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone sowohl bei Werkstücke miteinander verbindenden Schweißnähten als auch bei auf Werkstücken aufgetragenen Schweißschichten.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Der Laser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 ein Pulslaser, wobei das Abtragen der Volumenelemente mit modulierter oder konstanter Intensität erfolgt.
Bei Verwendung eines Lasers mit modulierter Intensität erfolgt der Abtrag durch Aufschmelzen und nachfolgendem Verdampfen von einzelnen Volumenelementen. Das Bohrloch entsteht durch ein stufenweises Abtragen, wobei die Stufen durch die Volumenelemente bestimmt sind.
Die konstante Intensität des Lasers führt zu einem kontinuierlichen Abtragen von Volumen.
Die elektromagnetische Strahlen spaltende Vorrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein Gitter oder ein Prisma. Dadurch ist ein Gitter- oder ein Prismenspektrometer zum Bestimmen und Analysieren des verdampften Materials des Bohrloches vorhanden.
Der Laser und die Bildaufnahmeeinrichtung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 mit einer Steuereinrichtung zusammengeschaltet. Das ist vorteilhafterweise ein Datenverarbeitungssystem, so dass eine einfache und schnelle quantitative oder qualitative Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone gegeben ist.
Der Laser, die Bildaufnahmeeinrichtung und die Steuereinrichtung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 so miteinander zusammengeschaltet, dass die Tiefe der Aufschmelzzone durch das Analysieren eines Grundmaterials bestimmt ist.
Der Laser und die Steuereinrichtung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 so miteinander zusammengeschaltet, dass nach dem Bohren das Bohrloch aufgeschmolzen und damit vorteilhafterweise mit Schmelze verschlossen wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigt die
Fig. eine Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken.
Eine Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone 2 von Schweißstellen von Werkstecken 1 besteht im wesentlichen aus einem Laser, einer Empfangsoptik 6, einer elektromagnetische Strahlen spaltenden, absorbierenden oder Interferenzen erzeugenden Vorrichtung und einer Bildaufnahmeeinrichtung.
Die Fig. zeigt eine Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone 2 von Schweißstellen von Werkstücken 1 in einer prinzipiellen Darstellung.
Der Laser ist mit einer Laserstrahlen 3 auskoppelnden Einrichtung so angeordnet, dass in die Schweißverbindung mit den Laserstrahlen 3 durch den Abtrag von Volumen eine Bohrung 4 eingebracht wird.
Der Laser ist dazu ein Pulslaser, wobei das Abtragen der Volumenelemente mit modulierter Intensität erfolgt.
Weiterhin ist die Empfangsoptik 6 an der Stelle der Bohrung 4 so platziert, dass elektromagnetische Strahlen des in den gasförmigen Zustand 5 übergegangenen Volumens an die Empfangsoptik 6 gelangen und darin weitergeleitet werden.
Im weiteren optischen Strahlengang zwischen der Empfangsoptik 6 und der Bildaufnahmeeinrichtung befindet sich eine die empfangenen elektromagnetischen Strahlen spaltende, absorbierende oder Interferenzen erzeugende Vorrichtung.
Die elektromagnetische Strahlen spaltende Vorrichtung ist ein Gitter oder ein Prisma, so dass ein Linienspektrum entsteht.
Der Laser und die Bildaufnahmeeinrichtung sind mit einer Steuereinrichtung zusammengeschaltet, so dass

– die Tiefe der Aufschmelzzone 2 durch das Auftreten und Analysieren eines Grundmaterials bestimmt ist und
– nach dem Bohren die Bohrung 4 aufgeschmolzen und mit Schmelze wieder verschlossen

Claims

Einrichtung zur Bestimmung und Analyse der Aufschmelzzone von Schweißstellen von Werkstücken, wobei – ein Laser mit einer Laserstrahlen (3) auskoppelnde Einrichtung so angeordnet ist, dass in die Schweißverbindung mit den Laserstrahlen (3) durch den Abtrag von Volumen eine Bohrung (4) eingebracht wird, – eine Empfangsoptik (6) für elektromagnetische Strahlen des in den gasförmigen Zustand (5) übergegangenen Volumens an der Stelle der einzubringenden Bohrung (4) platziert ist und – sich im weiteren optischen Strahlengang nach der Empfangsoptik (6) und vor einer Bildaufnahmeeinrichtung eine die aufgenommenen elektromagnetischen Strahlen spaltende, absorbierende oder Interferenzen erzeugende Vorrichtung als ein Bestandteil eines Spektralapparates zur qualitativen und quantitativen Bestimmung aus den Abbildungssignalen befindet, und – die Bildaufnahmeeinrichtung mit einem Datenverarbeitungssystem so zusammengeschaltet ist, dass sowohl die Zusammensetzung der abgetragenen Volumenelemente und damit des Materials als auch bei Erreichen von Grundmaterial über die Intensität und die Pulszahl sowie die Anzahl der abgetragenen Volumenelemente die Dimension der Aufschmelzzone bestimmt wird, und dass aus den Änderungen des Spektrums oder einzelner Spektrallinien der eingebrachten Bohrung die Zusammensetzung der Aufschmelzzone in der Tiefe ermittelt wird.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Pulslaser ist, wobei das Abtragen der Volumenelemente mit modulierter oder konstanter Intensität erfolgt.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Strahlen spaltende Vorrichtung ein Gitter oder ein Prisma ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser und die Bildaufnahmeeinrichtung mit einer Steuereinrichtung zusammengeschaltet sind.
Einrichtung nach Patentanspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser, die Bildaufnahmeeinrichtung und die Steuereinrichtung so miteinander zusammengeschaltet sind, dass die Tiefe der Aufschmelzzone (2) durch das Auftreten und Analysieren eines Grundmaterials bestimmt ist.
Einrichtung nach Patentanspruch 1und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser und die Steuereinrichtung so miteinander zusammengeschaltet sind, dass nach dem Bohren das Bohrloch aufgeschmolzen und damit verschlossen wird.