DE102007051688A1 - Method for process monitoring when applying laser to two joining partners - Google Patents

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DE102007051688A1
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radiation
laser
thermal sensor
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Withdrawn
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Steffen Polster
Thomas Dr. Frick
Michael Dr. Schmidt
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Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh
BLZ GmbH
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Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh
BLZ GmbH
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Abstract

Ein Verfahren zur Überwachung von Werkstücken insbesondere beim Laser-Kunststoffschweißen zweier Fügepartner (1, 7) umfasst folgende Merkmale: - Bestrahlen einer in einem Werkstück (1) liegenden Prüfzone, insbesondere Schweißstelle (3), mit einer Laserstrahlung (2), zur Erzeugung einer Wärmequelle, - Detektion der direkten Wärmestrahlung der Wärmequelle in der Prüfzone (3) mittels eines Thermosensors (4) durch das Werkstück (1) hindurch zu einem ersten Zeitpunkt (t0), - Detektion der von der Wärmequelle über Wärmeleitung an die Oberfläche (6, 9) des Werkstücks (1) transportierten und dort zu einem späteren Zeitpunkt (t1) abgestrahlten indirekten Wärmestrahlung mittels des Thermosensors (4), und - Auswertung des zeitlichen Versatzes (t1 - t0) zwischen den beiden Zeitpunkten zur Bestimmung eines zu überwachenden Parameters.A method for monitoring workpieces, in particular during laser plastic welding of two joining partners (1, 7), comprises the following features: irradiating a test zone lying in a workpiece (1), in particular welding point (3), with a laser radiation (2) to produce a Heat source, - detection of the direct thermal radiation of the heat source in the test zone (3) by means of a thermal sensor (4) through the workpiece (1) at a first time (t0), - detection of the heat source via heat conduction to the surface (6, 9) of the workpiece (1) transported there and at a later time (t1) emitted indirect heat radiation by means of the thermal sensor (4), and - Evaluation of the time offset (t1 - t0) between the two times to determine a parameter to be monitored.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung beim Laser-Beaufschlagen zweier Fügepartner und insbesondere beim Laser-Durchstrahlschweißen.The The invention relates to a method for process monitoring in the laser-applying two joining partners and in particular in laser transmission welding.

Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass diese grundsätzlich nicht nur zur Laser-Bearbeitung von Werkstücken, wie beispielsweise Laserschweißen, sondern auch zur Werkstückkontrolle eingesetzt werden kann. Beispielsweise können die Homogenität, Verschmutzungen, Einschlüsse oder Qualität etwa einer Schweißnaht zwischen zwei Fügepartnern überprüft werden. Zum besseren Verständnis wird bei der folgenden Beschreibung durchgehend jedoch auf das Beispiel des Laserdurchstrahlschweißens abgestellt, was jedoch nicht schutzbeschränkend sein soll. Beim Laserstrahlschweißen von Kunststoffen in Durchstrahltechnik werden ein für die Laserwellenlänge transparenter oberer Fügepartner und ein für die Laserwellenlänge absorbierender unterer Fügepartner im Überlapp geschweißt. Die absorbierte Laserstrahlung führt zu einem Aufschmelzen des unteren Fügepartners an der Oberfläche und mittels Wärmeleitung wird auch der transparente Fügepartner an der Grenzschicht plastifiziert. Durch eine Relativbewegung zwischen Laserstrahlquelle und den Fügepartnern entsteht die Schweißnaht.To the Background of the invention is to be noted that these basically not only for laser machining of workpieces, such as laser welding, but also used for workpiece inspection can be. For example, you can the homogeneity, Soiling, inclusions or quality about a weld be checked between two joining partners. For better understanding however, in the following description, it will be by way of example of laser transmission welding turned off, but this should not be protective. In laser welding of Transmitted-beam plastics become a transparent upper laser wavelength joining partner and one for absorbing the laser wavelength lower joint partner in the overlap welded. The absorbed laser radiation leads to a melting of the lower joining partner on the surface and by means of heat conduction also becomes the transparent joining partner plasticized at the boundary layer. Through a relative movement between Laser beam source and the joining partners the weld arises.

Bei dem nach dem Stand der Technik häufigsten Aufbau zur Temperaturüberwachung mittels Pyrometrie wird üblicherweise der Beobachtungspunkt des Pyrometers in die Optik des Laserstrahls über einen semitransparenten Spiegel eingekoppelt. Eine sinnvolle Prozessüberwachung mit diesem Aufbau ist ausschließlich für einen hochtransparenten oberen Füge partner sowie einen im sensitiven Bereich des Pyrometers hochemissiven unteren Fügepartner möglich, also beispielsweise für eine Paarung PC (Natur) mit PC (rußschwarz) bei Bestrahlung mit Dioden- oder Nd:YAG-Laser. Im Fall eines stark streuenden oder partiell absorbierenden oberen Fügepartners wird die Wärmestrahlung aus der Prozesszone durch dieses Bauteil so stark geschwächt, dass das Signal nahe an der Rauschgrenze liegt und somit kaum für eine Temperaturbestimmung oder weiterführende Messungen herangezogen werden kann.at the most common in the art Structure for temperature monitoring By means of pyrometry is usually the observation point of the pyrometer in the optics of the laser beam over a Semitransparent mirror coupled. A meaningful process monitoring with this construction is exclusive for one Highly transparent top joining partner and a high-sensitive lower part in the sensitive area of the pyrometer joining partner possible, so for example a pairing PC (nature) with PC (black) when irradiated with Diode or Nd: YAG laser. In the case of a strongly scattering or partially absorbing upper joining Partners becomes the heat radiation from the process zone weakened so much by this component, that the signal is close to the noise limit and thus hardly for a temperature determination or continuing Measurements can be used.

Ein grundsätzliches Problem bei Schweißtechniken im Allgemeinen und beim Laser-Durchstrahlschweißen im Speziellen liegt in einer wirksamen Prozessüberwachung, also insbesondere der Erfassung der Temperatur der Schweißstelle und ihrer Tiefenposition (z-Position) bezüglich der beiden Fügepartner. Bei einer zu hohen Temperatur der Schweißstelle können die für die Fügepartner verwendeten Kunststoffmaterialien in Mitleidenschaft gezogen werden. Bei einer von der Soll-Position abweichenden z-Position des durch den Laserfokus insbesondere in dem absorbierenden Fügepartner erzeugten Schmelzekerns besteht die Gefahr, dass der Wärmeübertrag zum anderen Fügepartner behindert und damit keine einwandfreie Schweißnaht zwischen beiden Fügepartnern gebildet wird.One fundamental Problem with welding techniques in general, and in laser transmission welding in particular, in an effective process monitoring, ie in particular the detection of the temperature of the weld and their depth position (z-position) with respect to the two joining partners. At too high a temperature of the weld, the plastic materials used for the joining partners be affected. At one of the nominal position deviating z-position of the laser focus in particular in produced the absorbent joining partner Melting core there is a risk that the heat transfer to the other joining partner impeded and thus no perfect weld between the two joining partners is formed.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Werkstück- oder Prozessüberwachung insbesondere beim Laser-Schweißen zweier Fügepartner anzugeben, mit dem auf messtechnisch einfache Weise ein zuverlässiges Überwachungsergebnis, wie z. B. eine Bestimmung der z-Position einer Schweißstelle ermöglicht wird. Dies bildet beispielsweise wiederum die Basis dafür, dass aufgrund der Tiefenbestimmung auch eine exaktere Temperaturbestimmung der Schweißstelle mit Hilfe der gleichen messtechnischen Komponenten vonstatten gehen kann.Of the Invention is based on the object, a method for workpiece or process monitoring especially in laser welding two joining partners provide a reliable monitoring result in a metrologically simple manner, such as B. a determination of the z-position a weld allows becomes. For example, this again forms the basis for the fact that due to the depth determination also a more exact temperature determination the weld with the help of the same metrological components can.

Die vorstehend umrissene Aufgabe wird durch die in Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale wie folgt gelöst:

  • – Bestrahlen einer in einem Werkstück liegenden Prüfzone, insbesondere Schweißstelle, mit einer Laserstrahlung, zur Erzeugung einer Wärmequelle,
  • – Detektion der direkten Wärmestrahlung der Wärmequelle in der Prüfzone mittels eines Thermosensors durch das Werkstück hindurch zu einem ersten Zeitpunkt (t0),
  • – Detektion der von der Wärmequelle über Wärmeleitung an die Oberfläche des Werkstücks transportierten und dort zu einem späteren Zeitpunkt (t1) abgestrahlten indirekten Wärmestrahlung mittels des Thermosensors, und
  • – Auswertung des zeitlichen Versatzes (dt = t1 – t0) zwischen den beiden Zeitpunkten zur Bestimmung eines zu überwachenden Parameters.
The above-outlined object is achieved by the method features specified in claim 1 as follows:
  • Irradiating a test zone located in a workpiece, in particular a weld, with a laser radiation, for producing a heat source,
  • Detecting the direct heat radiation of the heat source in the test zone by means of a thermal sensor through the workpiece at a first time (t 0 ),
  • - Detection of the heat source via heat conduction to the surface of the workpiece transported and there at a later time (t 1 ) emitted indirect heat radiation by means of the thermal sensor, and
  • - Evaluation of the time offset (dt = t 1 - t 0 ) between the two times for determining a parameter to be monitored.

Unter Vorwissen der Materialkonstanten Wärmeleitungsgeschwindigkeit ist so beispielsweise die z-Lage der Wechselwirkungszone mit dem Zeitversatz dt berechenbar.Under Previous knowledge of the material constants heat conduction velocity is for example the z-position of the interaction zone with the Time offset dt calculable.

Mit dem Wissen der z-Lage und weiteren Materialkonstanten wie der wellenlängenabhängigen Absorption ist dann aus der detektierten Wärmestrahlung die Temperatur berechenbar. Dies kann genutzt werden, um

  • – Störungen bei Schweißungen zu detektieren,
  • – Verschmutzung/Materialeinschlüsse zu ermitteln – diese führen zu erhöhter Absorbtion bei falscher (z. B. zu hoher) z-Lage und verursachen eine Nahtunterbrechung,
  • – Werkstück-Materialkombinationen „klar auf klar" kann eine falsche z- Lage – auch eine zu tiefe – detektiert werden,
  • – Temperatur und Lageüberwachung beim Schweißen (z. B. Leistungsregelung des Lasers) sind wichtigzur Dokumentation einer Schweißnaht,
  • – bei Nutzung eines vorlaufenden Prüfstrahls niedriger Leistung, Nutzung des Messprinzips zur Früherkennung von Unregelmässigkeiten im Material und
  • – Einleiten einer vorher festgelegten Reaktion (Laser kurz aus, Leistung zurück, Fokusshift,..)
With the knowledge of the z-position and further material constants such as the wavelength-dependent absorption, the temperature can then be calculated from the detected thermal radiation. This can be used to
  • - detecting faults in welding,
  • - Determine contamination / material inclusions - these lead to increased absorption in case of incorrect (eg too high) z-position and cause a seam interruption.
  • - Workpiece material combinations "clear on clear" can be detected a wrong z-position - even too deep -
  • - Temperature and position monitoring at Welding (eg power control of the laser) is important for documenting a weld,
  • - when using a leading test beam low power, use of the measuring principle for the early detection of irregularities in the material and
  • - initiation of a predetermined reaction (laser off briefly, power back, focus shift, ..)

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens nach Anspruch 2 erfolgt die Auswertung des zeitlichen Versatzes (t1 – t0) mittelbar über die Auswertung eines örtlichen Versatzes der auf einer zweidimensionalen Thermosensor-Aufnahme durch die direkte und indirekte Wärmestrahlung erscheinenden Wärmestrahlungsmaxima unter Einbeziehung einer Vorschubgeschwindigkeit der Laserstrahlung.In a preferred embodiment of the method according to claim 2, the evaluation of the time offset (t 1 - t 0 ) takes place indirectly via the evaluation of a local offset of the appearing on a two-dimensional thermal sensor recording by the direct and indirect heat radiation heat radiation maxima involving a feed rate of the laser radiation ,

Beim Laserschweißen sind vorzugsweise folgende Verfahrensmerkmale relevant (Anspruch 3):

  • – Detektion eines die Schweißstelle umfassenden, vorzugsweise flächigen Beobachtungsfensters durch einen der Fügepartner hindurch mit einem wärmestrahlungsempfindlichen Thermosensor, vorzugsweise Thermokamera, der ein entsprechendes Intensitätssignal (A, B) generiert,
  • – Erfassen des Zeitpunktes (t0) des durch die unmittelbare Wärmestrahlung der Schweißstelle generierten Haupt-Intensitätssignal-Maximums (A) der Wärmestrahlung und,
  • – Erfassen des Zeitpunktes (t1) des zeitlich danach auftretenden, niedrigeren Neben-Intensitätssignal-Maximums (B), das auf der erhöhten Wärmestrahlung der durch Wärmeleitung von der Schweißstelle her erwärmten Oberfläche des beobachteten Fügepartners beruht, und
  • – Ermittlung der Tiefenlage (z-Position) der Schweißstelle durch Bestimmung des Abstandes der Schweißstelle von der Oberfläche des beobachteten Fügepartners aus der Zeitdifferenz (t1 – t0) zwischen Haupt- und Neben-Intensitätsmaximum (A, B).
In laser welding, the following method features are preferably relevant (claim 3):
  • Detection of a welding area, preferably area observation window through one of the joining partners through with a heat radiation sensitive thermosensor, preferably a thermal camera, which generates a corresponding intensity signal (A, B),
  • Detecting the point in time (t 0 ) of the main intensity signal maximum (A) of the heat radiation generated by the direct heat radiation of the weld, and
  • Detecting the time (t 1 ) of the temporally thereafter occurring, lower secondary intensity signal maximum (B), which is based on the increased thermal radiation of the heated by heat conduction from the weld ago surface of the observed joining partner, and
  • Determination of the depth position (z position) of the weld by determining the distance of the weld from the surface of the observed joining partner from the time difference (t 1 -t 0 ) between the main and secondary intensity maximum (A, B).

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann aus dem Wert des Haupt-Intensitätssignal-Maximums der von der Schweißstelle emittierten Wärmestrahlung die Temperatur der Schweißstelle bestimmt werden.According to one preferred embodiment of The invention can be calculated from the value of the main intensity signal maximum of the Welding point emitted thermal radiation the temperature of the weld be determined.

Um dabei auf tatsächliche Temperaturen zurückschließen zu können, ist es nötig, einen effektiven Absorptionskoeffizienten für den durchstrahlten Fügepartner zu bestimmen. Dieser hängt von der durchstrahlten Materialdicke und der Abstrahlcharakteristik des Emitters ebenso ab wie von der Temperatur der Wärmequelle. Die erwähnte durchstrahlte Materialdicke kann entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren wie im Anspruch 1 angegeben ermittelt werden. Insgesamt kann also eine genaue Temperaturbestimmung unter Berücksichtigung der Filterwirkung des durchstrahlten Fügepartners für die Wärmestrahlung erfolgen, wie dies die Ansprüche 2 bis 4 vorsehen. Insbesondere kommt dabei neben der Tiefenlage der Schweißstelle das Transmissionsspektrum des Kunststoffmaterials des durchstrahlten Fügepartners als Basis in der Berechnung zum Tragen.Around doing so on actual To be able to conclude temperatures is it necessary an effective absorption coefficient for the irradiated joining partner to determine. This one hangs from the irradiated material thickness and the radiation characteristic of the emitter as well as the temperature of the heat source. The mentioned irradiated material thickness can according to the method of the invention as specified in claim 1 are determined. Overall, so can a precise temperature determination taking into account the filter effect of the irradiated joining partner for the heat radiation done as the claims 2 to 4 provide. In particular, it comes next to the depth the weld the transmission spectrum of the plastic material of the irradiated joining partner as a basis in the calculation to bear.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens betreffen unterschiedliche Ausrichtungen der Detektionsrichtung des Thermosensors bzw. der Thermokamera und der Einstrahlrichtung des Laserstrahls. Diese beiden Richtungen können koaxial liegen oder einen spitzen Beobachtungs winkel miteinander einschließen. In beiden Fällen führen die Detektions- und Einstrahlrichtungen von derselben Seite an das Werkstück heran. Als weitere Alternative können die Detektionsrichtung des Thermosensors und die Einstrahlrichtung des Laserstrahls von einander abgewandten Richtungen auf die Fügepartner gerichtet sein.Further preferred embodiments of the method relate to different orientations of the detection direction of the thermal sensor or the thermal camera and the direction of irradiation of the laser beam. These two directions can be coaxial or one Include acute observation angle with each other. In both cases, the lead Detection and Direction of irradiation from the same side of the workpiece zoom. As another alternative can the detection direction of the thermal sensor and the direction of irradiation the laser beam directed away from each other directions to the joining partners be.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann schließlich eine Thermokamera als Thermosensor mit einem bewegten Laserstrahl mitgeführt werden, wobei ein flächiges Beobachtungsfenster um die Schweißstelle detektiert, das Neben-Intensitätssignal-Maximum ortsaufgelöst aus den Thermokamerabildern ermittelt und über die Vorschubgeschwindigkeit die Zeitdifferenz zwischen Neben- und Hauptintensitätssignal-Maxima berechnet werden. Hier findet also im Wesentlichen eine Pixel-aufgelöste Auswertung der Thermokamera-Bilder statt.According to one Further development of the invention can finally a thermal camera as Thermosensor be carried with a moving laser beam, being a plane Observation window around the weld detected, the secondary intensity signal maximum spatially resolved determined from the thermal camera images and the feed rate the time difference between minor and major intensity signal maxima be calculated. So here is essentially a pixel-resolved evaluation the thermal camera pictures instead.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus der folgenden Beschreibung deutlich, in der die messtechnischen Grundlagen und das erfindungsgemäße Verfahren anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:Further Features, details and advantages of the method according to the invention become clear from the following description, in which the metrological Basics and the method of the invention with the attached Drawings closer explained become. Show it:

1 die schematische Darstellung eines Messaufbaus mit Bauteil und Thermokamera zur Darlegung der grundsätzlichen Messtechnik, 1 the schematic representation of a measurement setup with component and thermal camera to explain the basic measurement technique,

2 ein Zeit-Intensitätsdiagramm des Kamerasignals bei einem Messaufbau gemäß 1, 2 a time-intensity diagram of the camera signal in a measurement setup according to 1 .

3 und 4 schematische Darstellungen des Laserschweißens in Durchstrahltechnik mit Prozessüberwachung, 3 and 4 schematic illustrations of laser welding in transmission technology with process monitoring,

5 bis 7 Diagramme zur Darstellung der wellenlängenspezifischen Ausstrahlung von durchstrahlten Kunststoffmaterialien, 5 to 7 Diagrams showing the wavelength-specific radiation of irradiated plastic materials,

8 ein Diagramm zur Darstellung des temperaturabhängigen Signalverhaltens einer Thermokamera, und 8th a diagram showing the temperature-dependent signal behavior of a Ther mokamera, and

9 ein Diagramm zur Darstellung eines Absorptionskoeffizienten in seiner Abhängigkeit von der durchstrahlten Dicke eines Fügepartners. 9 a diagram showing an absorption coefficient as a function of the irradiated thickness of a joining partner.

Im Folgenden sollen die messtechnischen Grundlagen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorab erläutert werden. Dabei wird ein einen Fügepartner 1 repräsentierendes Bauteil durch eine Laserstrahlquelle 2 bestrahlt. Der sich bildende Schmelzkern stellt die Prozesszone 3 dar.In the following, the metrological principles of the method according to the invention will be explained in advance. This is a joining partner 1 representing component by a laser beam source 2 irradiated. The forming core forms the process zone 3 represents.

Mittels einer Thermokamera 4 wird die resultierende Wärmestrahlung durch die Kunststoffprobe (Fügepartner 1) erfasst. Mit diesem Aufbau kann die Wärmestrahlungsdetektion durch einen Kunststofffügepartner in einem Beobachtungsfenster 5 untersucht werden, wie sie beim Durchstrahlschweißprozess angewendet werden soll. 2 ist zu entnehmen, dass der Signalverlauf für jede untersuchte Materialstärke der Kunststoffprobe bei bewegter Strahlquelle zwei Maxima, nämlich ein Haupt-Intensitätssignal-Maximum A zum Zeitpunkt t0 und ein Neben-Intensitätssignal-Maximum B zum Zeitpunkt t1 aufweist. Maximum A mit hoher Intensität ist auf die Wärmestrahlung der vom Laser 2 erzeugten Wärmequelle zurückzuführen, die beim Durchgang durch den Kunststoff wellenlängenselektiv gefiltert wird. Maximum B ist in einem zeitlichen Abstand detektierbar, wenn die Strahlquelle 2 die Messstelle bereits über strichen hat. Maximum B ist auf die Wärmestrahlung auf der Probenunterseite 6 zurückzuführen, die durch Wärmeleitung erwärmt wird. 2 ist zu entnehmen, dass sich mit steigender Materialstärke d der zeitliche Abstand zwischen erstem und zweitem Maximum A, B vergrößert, da die Wärmeleitung über eine größere Materialstärke d erfolgen muss. Die Zeitdifferenz t1 – t0 der beiden Maxima A, B im Kamerasignal korreliert folglich mit der Materialstärke d der Kunststoffprobe 1.By means of a thermal camera 4 the resulting heat radiation through the plastic sample (joint partner 1 ) detected. With this structure, the heat radiation detection by a plastic joint partner in an observation window 5 be investigated how it is to be used in the Durchstrahlschweißprozess. 2 It can be seen that the waveform has two maxima, namely a main intensity signal maximum A at time t 0 and a sub-intensity signal maximum B at time t 1 for each material thickness of the plastic sample under investigation with moving beam source. Maximum A with high intensity is due to the heat radiation from the laser 2 generated heat source, which is filtered wavelength selective when passing through the plastic. Maximum B is detectable at a time interval when the beam source 2 the measuring point has already painted over. Maximum B is due to the heat radiation on the bottom of the sample 6 due, which is heated by heat conduction. 2 It can be seen that increases with increasing material thickness d, the time interval between the first and second maximum A, B, since the heat conduction must take place over a greater material thickness d. The time difference t 1 -t 0 of the two maxima A, B in the camera signal consequently correlates with the material thickness d of the plastic sample 1 ,

In den 3 und 4 sind Situationen beim Durchstrahlschweißen gezeigt, bei denen ein oberer, transmissiver Fügepartner 1 mit einem unteren, die Laserstrahlung 2 absorbierenden Fügepartner 7 unter Verwendung der üblichen Durchstrahltechnik miteinander verschweißt werden, indem im absorbierenden Fügepartner 7 mit Hilfe der fokussierten Laserstrahlung 2 ein Aufschmelzen des Kunststoffmaterials hervorgerufen wird. Wie eingangs bereits erwähnt, ist es für die Prozessdiagnose von Interesse, zum einen die z-Position, also die Tiefenlage der Schweißstelle 3 und deren Temperatur zu ermitteln. Dazu wird das Sichtfeld der Thermokamera 4 über einen semipermeablen Spiegel 8 koaxial in den Laserstrahl 2 eingekoppelt und mit dem oben umrissenen Messverfahren die Schweißstelle 3 beobachtet. Aus den Thermokamera-Bildern, die entsprechende Intensitätsverteilungen zeigen, können wiederum die Maxima A und B ermittelt und es kann daraus berechnet werden, wie groß der Abstand zwischen der Oberfläche 9 des oberen Fügepartners 1 und der Schweißstelle 3 ist. Damit kann direkt die z-Position der Schweißstelle ermittelt werden.In the 3 and 4 situations are shown in the Durchstrahlschweißen, in which an upper, transmissive joining partner 1 with a lower, the laser radiation 2 absorbing joining partner 7 be welded together using the usual transmission technique by using in the absorbent joining partner 7 with the help of the focused laser radiation 2 a melting of the plastic material is caused. As already mentioned, it is of interest for the process diagnosis, on the one hand, the z-position, ie the depth of the weld 3 and to determine their temperature. This is the field of view of the thermal camera 4 over a semipermeable mirror 8th coaxial with the laser beam 2 coupled with the above outlined measurement method, the weld 3 observed. From the thermal camera images showing corresponding intensity distributions, the maxima A and B can again be determined and it can be calculated from this, how large the distance between the surface 9 of the upper joint partner 1 and the weld 3 is. Thus, the z-position of the weld can be determined directly.

Die in 3 dargestellte Messanordnung kann auch dahingehend geändert werden, dass die Positionen von Laserstrahlquelle und Thermokamera 4 vertauscht werden, wobei nicht mit einem semipermeablen, sondern di chroitischen Spiegel gearbeitet wird. Dieser reflektiert den Laserstrahl, womit keine zu messende Strahlung im Glas absorbiert wird und nur eine statt zwei Grenzflächen wirken, da die Kamera „durch den Spiegel schaut".In the 3 The measuring arrangement shown can also be changed to the effect that the positions of laser beam source and thermal camera 4 be reversed, not working with a semi-permeable, but di chroitischen mirror. This reflects the laser beam, whereby no radiation to be measured is absorbed in the glass and act only one instead of two interfaces, since the camera "looks through the mirror".

Durch die Anordnung der Achse des Laserstrahls 2 und der Thermokamera 4 in einem Winkel W kann eine räumliche Trennung der Wärmestrahlung aus der Fügezone zwischen den beiden Fügepartnern 1, 7 von der Wärmestrahlung der Oberfläche 9 des oberen Fügepartners 1 unterschieden werden. Der obere Fügepartner 1 wirkt in Abhängigkeit von Werkstoffstruktur und Materialstärke als wellenlängenselektiver Filter für die Wärmestrahlung aus der Fügezone und erschwert die Bestimmung der Fügetemperaturen anhand der detektierten Wärmestrahlung. Hierbei sind die nachfolgenden Sachverhalte zur Behebung dieser Problematik relevant.By the arrangement of the axis of the laser beam 2 and the thermal camera 4 at an angle W, a spatial separation of the heat radiation from the joining zone between the two joining partners 1 . 7 from the heat radiation of the surface 9 of the upper joint partner 1 be differentiated. The upper joining partner 1 acts as a wavelength-selective filter for the heat radiation from the joining zone depending on the material structure and material thickness and makes it difficult to determine the joining temperatures on the basis of the detected thermal radiation. Here, the following facts are relevant for the remedy of this problem.

Um einen Einblick in die Wärmeleitungsvorgänge zu erhalten, wird ein Bauteil entsprechend 1 von der laserabgewandten Seite beobachtet. Als Strahlquelle dient in diesem Fall ein CO2-Laser, da dessen Strahlung 2 oberflächennah absorbiert wird und somit eine lokale Quelle auf der aus Sicht der Kamera rückseitigen Oberfläche, also der Probenunterseite 6 erzeugt.To get an insight into the heat conduction processes, a component is accordingly 1 observed from the side away from the laser. The beam source used in this case is a CO2 laser, as its radiation 2 is absorbed near the surface and thus a local source on the rear side of the camera, ie the underside of the sample 6 generated.

Um die Dämpfung der Prozessstrahlung durch das zwischen Wärmequelle 3 und Detektor 4 liegende Material beschreiben zu können, wird zunächst ideale Schwarzkörperstrahlung für den Emitter angenommen. Im Fall eines rußgeschwärzten unteren Fügepartners entspricht dies in sehr guter Näherung der Realität. Da Polymermaterialien Strahlung wellenlängenselektiv absorbieren, entsteht beim Durchdringen der Decklage ein Spektrum, welches an den Wellenlängen verarmt, die das Material stark absorbiert. In 5 bis 7 sind diese Verteilungen exemplarisch für 1 mm und 5 mm Decklagendicke und unterschiedliche Temperaturen des Strahlers dargestellt.To attenuate the process radiation through the between heat source 3 and detector 4 To be able to describe lying material, initially ideal black body radiation is assumed for the emitter. In the case of a soot-blackened lower joining partner, this corresponds in a very good approximation to reality. As polymer materials absorb wavelength-selective radiation, the penetration of the cover layer causes a spectrum which depletes at the wavelengths which strongly absorb the material. In 5 to 7 These distributions are exemplarily shown for 1 mm and 5 mm cover layer thickness and different temperatures of the radiator.

Üblicherweise detektieren Infrarotkameras Strahlung über einen größeren Bereich (im dargestellten Fall 2,5 μm–5 μm). Dies hat zur Folge, dass das entstehende Spektrum integral über den sensitiven Bereich erfasst wird. Somit stellt die aufgezeichnete Strahlung einen Summenwert über den gemessenen Wellenlängenbereich dar. Die Information aus dem Spektrum geht dabei verloren.Typically, infrared cameras detect radiation over a larger area (2.5 μm-5 μm in the illustrated case). This has the consequence that the resulting spectrum is detected integrally over the sensitive area. Thus, the recorded radiation represents a sum over the gemes wavelength range. The information from the spectrum is lost.

Da sich jedoch das Maximum der Planck'schen Strahlungsverteilung mit steigender Temperatur zu kürzeren Wellenlängen verschiebt (siehe 5 bis 7), während die Absorptionsbanden der Polymerbauteile nicht temperaturabhängig sind, verändert sich die Intensitätsverteilung. Somit ist es nicht möglich, einen festen Emissionskoeffizient für alle Temperaturen und Materialdicken angegeben werden.However, as the maximum of Planck's radiation distribution shifts to shorter wavelengths with increasing temperature (see 5 to 7 ), while the absorption bands of the polymer components are not temperature-dependent, the intensity distribution changes. Thus, it is not possible to give a fixed emission coefficient for all temperatures and material thicknesses.

Um auf tatsächliche Temperaturen zurückschließen zu können, ist es nötig, einen effektiven Absorptionskoeffizienten zu bestimmen. Dieser hängt von der durchstrahlten Materialdicke d und der Abstrahlcharakteristik des Emitters ebenso ab wie von der Temperatur der Wärmequelle. Die Kamera 4 liefert zu jeder über das sensitive Fenster ermittelten Intensität einen Zählwert (8). Aus diesem und der Kenntnis der Tiefenposition (z-Position) und Temperatur der Quelle 3 kann in der Folge ein resultierender Absorptionskoeffizient ermittelt werden (9). Anhand des Verlaufs dieser Kurve kann in der Folge jedem aufgezeichneten Zählwert der Kamera 4 entweder eine Temperatur bei bekannter Tiefenposition oder eine Tiefenposition bei bekannter Temperatur zugeordnet werden.In order to be able to deduce actual temperatures, it is necessary to determine an effective absorption coefficient. This depends on the irradiated material thickness d and the emission characteristic of the emitter as well as on the temperature of the heat source. The camera 4 provides a count value for each intensity determined via the sensitive window ( 8th ). From this and the knowledge of the depth position (z position) and temperature of the source 3 As a consequence, a resulting absorption coefficient can be determined ( 9 ). Based on the course of this curve, each recorded count value of the camera can be followed in the sequence 4 either a temperature at a known depth position or a depth position at a known temperature can be assigned.

Die erfindungsgemäße Prozessdiagnostik kann zusammenfassend ein breitbandiges Anwendungsspektrum beim Kunststoffschweißen eröffnen:

  • – Nutzung der wellenlängenselektiven Dämpfung einer thermischen Strahlung aus der Prozesszone durch eine Decklage
  • – Bestimmung der z-Position der Fügezone während des Kunststoffschweiß-Prozesses anhand der Zeitdifferenz der detektierten Wärmestrahlungsmaxima
  • – Bestimmung der Temperatur in der Fügezone anhand der Intensität des ersten Wärmestrahlungsmaximums A durch Berücksichtigung der Filterwirkung des oberen Fügepartners bei bekannter z-Position der Fügezone oder zusätzliche Bestimmung der z-Position der Fügezone
  • – Nutzung der detektierten Wärmestrahlung/Fügetemperatur für eine Prozessüberwachung/-regelung
  • – Nutzung eines vorauslaufenden Prüfstrahles zur Detektion der z-Position von unerwünschten Inhomogenitäten im Material anhand der Zeitdifferenz der detektierten Strahlungsmaxima
  • – Nutzung eines nachlaufenden Prüfstrahles zur Charakterisierung der z-Position der Fügenaht anhand der Zeitdifferenz der detektierten Strahlungsmaxima
In summary, the process diagnostics according to the invention can open up a broadband application spectrum in plastic welding:
  • - Using the wavelength selective attenuation of thermal radiation from the process zone through a cover layer
  • - Determination of the z-position of the joining zone during the plastic welding process based on the time difference of the detected heat radiation maxima
  • Determining the temperature in the joining zone on the basis of the intensity of the first heat radiation maximum A by taking into account the filtering action of the upper joining partner in the case of a known z position of the joining zone or additional determination of the z position of the joining zone
  • - Use of the detected heat radiation / joining temperature for a process monitoring / control
  • - Using a leading test beam for detecting the z-position of unwanted inhomogeneities in the material based on the time difference of the detected radiation maxima
  • - Using a trailing test beam to characterize the z-position of the joint seam on the basis of the time difference of the detected radiation maxima

Claims (10)

Verfahren zur Überwachung von Werkstücken auf bestimmte Parameter, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Bestrahlen einer in einem Werkstück (1) liegenden Prüfzone, insbesondere Schweißstelle (3), mit einer Laserstrahlung (2), zur Erzeugung einer Wärmequelle, – Detektion der direkten Wärmestrahlung der Wärmequelle in der Prüfzone (3) mittels eines Thermosensors (4) durch das Werkstück (1) hindurch zu einem ersten Zeitpunkt (t0), – Detektion der von der Wärmequelle über Wärmeleitung an die Oberfläche (6, 9) des Werkstücks (1) transportierten und dort zu einem späteren Zeitpunkt (t1) abgestrahlten indirekten Wärmestrahlung mittels des Thermosensors (4), und – Auswertung des zeitlichen Versatzes (t1 – t0) zwischen den beiden Zeitpunkten zur Bestimmung eines zu überwachenden Parameters.Method for monitoring workpieces for specific parameters, characterized by the following features: - irradiating one in a workpiece ( 1 ), in particular weld ( 3 ), with a laser radiation ( 2 ), for generating a heat source, - detection of the direct heat radiation of the heat source in the test zone ( 3 ) by means of a thermal sensor ( 4 ) through the workpiece ( 1 ) at a first time (t 0 ), - detection of the heat source via heat conduction to the surface ( 6 . 9 ) of the workpiece ( 1 ) transported and there at a later time (t 1 ) emitted indirect heat radiation by means of the thermal sensor ( 4 ), and - evaluation of the time offset (t 1 - t 0 ) between the two times for determining a parameter to be monitored. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung des zeitlichen Versatzes (t1 – t0) mittelbar über die Auswertung eines örtlichen Versatzes der auf einer zweidimensionalen Thermosensor-Aufnahme durch die direkte und indirekte Wärmestrahlung erscheinenden Wärmestrahlungsmaxima unter Einbeziehung einer Vorschubgeschwindigkeit der Laserstrahlung erfolgt.A method according to claim 1, characterized in that the evaluation of the time offset (t 1 - t 0 ) indirectly via the evaluation of a local offset of appearing on a two-dimensional thermal sensor recording by the direct and indirect heat radiation heat radiation maxima taking into account a feed rate of the laser radiation , Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Prozessüberwachung beim Laser-Kunststoffschweißen zweier Fügepartner (1, 7), insbesondere beim Laser-Durchstrahlschweißen, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – Detektion eines die Schweißstelle (3) umfassenden, vorzugsweise flächigen Beobachtungsfensters (5) durch einen der Fügepartner (1, 7) hindurch mit einem wärmestrahlungsempfindlichen Thermosensor, vorzugsweise Thermokamera (4), der ein entsprechendes Intensitätssignal (A, B) generiert, – Erfassen des Zeitpunktes (t0) des durch die unmittelbare Wärmestrahlung der Schweißstelle (3) generierten Haupt-Intensitätssignal-Maximums (A) der Wärmestrahlung und, – Erfassen des Zeitpunktes (t1) des zeitlich danach auftretenden, niedrigeren Neben-Intensitätssignal-Maximums (B), das auf der erhöhten Wärmestrahlung der durch Wärmeleitung von der Schweißstelle (3) her erwärmten Oberfläche (6, 9) des beobachteten Fügepartners (1) beruht, und – Ermittlung der Tiefenlage (z-Position) der Schweißstelle (3) durch Bestimmung des Abstandes der Schweißstelle (3) von der Oberfläche (6, 9) des beobachteten Fügepartners (1) aus der Zeitdifferenz (t1 – t0) zwischen Haupt- und Neben-Intensitätsmaximum (A, B).Method according to Claim 1 or 2 for process monitoring during laser plastic welding of two joining partners ( 1 . 7 ), in particular in laser transmission welding, characterized by the following features: - Detection of the weld ( 3 ), preferably flat observation window ( 5 ) by one of the joining partners ( 1 . 7 ) with a heat radiation sensitive thermosensor, preferably thermal camera ( 4 ), which generates a corresponding intensity signal (A, B), - detecting the time (t 0 ) of the by the direct heat radiation of the weld ( 3 ) generating the time (t 1 ) of the temporally occurring after, lower secondary intensity signal maximum (B), which on the increased heat radiation by heat conduction from the weld ( 3 ) heated surface ( 6 . 9 ) of the observed joining partner ( 1 ), and - determination of the depth (z-position) of the weld ( 3 ) by determining the distance of the weld ( 3 ) from the surface ( 6 . 9 ) of the observed joining partner ( 1 ) from the time difference (t 1 -t 0 ) between the main and secondary intensity maximum (A, B). Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Wert des Haupt-Intensitätssignal-Maximums (A) der von der Schweißstelle (3) emittierten Wärmestrahlung die Temperatur der Schweißstelle (3) bestimmt wird.Process according to claim 3, characterized draws that from the value of the main intensity signal maximum (A) that of the weld ( 3 ) emitted heat radiation, the temperature of the weld ( 3 ) is determined. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Temperatur unter Berücksichtigung der Filterwirkung des durchstrahlten Fügepartners (1) für die Wärmestrahlung erfolgt.A method according to claim 4, characterized in that the determination of the temperature taking into account the filtering effect of the irradiated joining partner ( 1 ) takes place for the heat radiation. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterwirkung aus der Tiefenlage der Schweißstelle (3) und dem Trans missionsspektrum des Kunststoffmaterials des durchstrahlten Fügepartners (1) berechnet wird.A method according to claim 5, characterized in that the filter effect from the depth position of the weld ( 3 ) and the Trans missionss spectrum of the plastic material of the irradiated joining partner ( 1 ) is calculated. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsrichtung des Thermosensors (4) und die Einstrahlrichtung des Laserstrahls (2) koaxial liegen.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the detection direction of the thermal sensor ( 4 ) and the direction of irradiation of the laser beam ( 2 ) are coaxial. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsrichtung des Thermosensors (4) und die Einstrahlrichtung des Laserstrahls (2) von einander abgewandten Richtungen auf die Fügepartner (1, 7) gerichtet sind.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the detection direction of the thermal sensor ( 4 ) and the direction of irradiation of the laser beam ( 2 ) facing away from each other on the joining partners ( 1 . 7 ) are directed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionsrichtung des Thermosensors (4) und die Einstrahlrichtung des Laserstrahls (2) eine spitzen Beobachtungswinkel (W) miteinander einschließen.Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the detection direction of the thermal sensor ( 4 ) and the direction of irradiation of the laser beam ( 2 ) include an acute observation angle (W) with each other. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Thermokamera (4) als Thermosensor mit einem bewegten Laserstrahl (2) mitgeführt wird, wobei ein flächiges Beobachtungsfenster (5) um die Schweißstelle (3) detektiert wird und das Neben-Intensitätssignal-Maximum (B) ortsaufgelöst aus den Thermokamera-Bildern ermittelt und über die Vorschubgeschwindigkeit die Zeitdifferenz (t1 – t0) zwischen Neben- und Haupt-Intensitätssignal-Maximum (A, B) berechnet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a thermal camera ( 4 ) as a thermal sensor with a moving laser beam ( 2 ), wherein a flat observation window ( 5 ) around the weld ( 3 ) is detected and the sub-intensity signal maximum (B) determined spatially resolved from the thermal camera images and the feed rate, the time difference (t 1 - t 0 ) between minor and main intensity signal maximum (A, B) is calculated.
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