DE102008047140A1

DE102008047140A1 - Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen

Info

Publication number: DE102008047140A1
Application number: DE102008047140A
Authority: DE
Original assignee: FALLDORF SENSOR GmbH
Current assignee: FALLDORF SENSOR GmbH
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-13
Also published as: DE102008047140B4

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserstrahlschweißen vorgeschlagen, die eine Kamera 2 zur Detektion der Lage von Schmelzbad 7 und Stoßfuge 5 umfaßt, wobei der Sichtbereich flächenhaft beleuchtet wird. Erfindungsgemäß ist vor der Kamera ein optischer Filter angebracht, welcher auf die Wellenlänge der Beleuchtung abgestimmt ist, des weiteren wird die Intensität und Richtung der Beleuchtung so eingestellt, daß das Eigenleuchten des Schmelzbads und die die Stoßfuge umgebende Werkstückoberfläche von der Kamera erfaßt werden können. Erfindungsgemäß sieht die Kamera nahezu senkrecht auf die Werkstückoberfläche, während die Beleuchtung, die aus mindestens zwei Lichtquellen 1 besteht, beidseitig in einem flachen Winkelbereich die Oberfläche beleuchtet. Erfindungsgemäß ist die Kamera an eine bildverarbeitende Einheit angeschlossen, die den seitlichen Versatz des Schmelzbads und der Stoßfugenmitte zueinander detektiert und über eine Stellvorrichtung zu Null oder auf ein gewünschtes Maß bringt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen. Zunehmend werden Laser zum Schweißen von Flachblechen und Rohren eingesetzt. Aufgrund der geringen Ausdehung des Schmelzbades ist es erforderlich, den Fokus des Schweißlasers genau zur Stoßfuge auszurichten. Durch die Vorverarbeitung der Fügepartner, z. B. durch Tafelschnitt oder Rohrformung, entstehen jedoch Variationen der Stoßfugenlage.
Diese Variationen können gemäß dem Stand der Technik mit kamerabasierten Sensoren, welche vorlaufend zum Schweißort angeordnet sind, erfaßt werden. Diese Sensoren zur sog. Nahtverfolgung arbeiten nach dem Lichtschnittverfahren, welches die Kontur des Stoßbereiches erfaßt und/oder mit einer Graubildauswertung, welche die dunkle Stoßfuge zwischen der hellen, umgebenden Rohroberfläche detektiert. Nach einer Bilddatenauswertung wird gemäß der erfaßten Stoßposition die nominelle Position des Schweißlasers nachgestellt.
Die nominelle Position des Schweißlaser muß jedoch nicht der tatsächen Position entsprechen, da die Richtungsstabilität des Schweißlaser begrenzt ist und optische und mechanische Komponenten der Strahlführung durch mechanische und thermische Einflüsse die Lage des Schweißfokus verschieben.
Es ist bekannt, daß mit konventionellen CCD Kameras bei einer starken schmalbandigen Beleuchtung des Sichtbereiches und einem entsprechenden Filter vor der Kamera das Schmelzbad und die Umgebung ohne eine Übersteuerung der Kamera abgebildet werden können. Mit dem Aufkommen moderner CMOS-Kameras, die bei einer logarithmischen Kennlinie einen hohen Dynamikbereich aufweisen, reduzieren sich die Anforderungen an die Intensität der Beleuchtung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen bereitzustellen, welche die Lage der Stoßfuge und die tatsächsiche Lage des Schmelzbad relativ zueinander ermittelt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ergänzend zur bekannten kamerabasierten Schmelzbaderfassung die Erfassung der Stoßfuge in die Bildauswertung mit einbezogen.
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Auswertbarkeit der Kameraufnahmen stark von der Anordnung der Kamera und der Beleuchtung abhängt. Die erfindungsgemäße Kombination einer möglichst senkrechten Kamerasichtachse, gegenüber einer waagerechten Werkstückoberfläche, mit mindestens zwei seitlichen positionierten Beleuchtungsquellen erlaubt eine gute Erkennung der Stoßfuge. Die Stoßfuge zeichnet sich dann durch eine dunkle Kontur gegenüber einer hellen umgebenden Werkstückoberfläche ab.
Insbesondere bei Schweißungen an Rohren ist die Winkelstellung der Beleuchtung kritisch, da sich aufgrund der Oberflächenkrümmung eine starke Variation der zur Kamera rückgestreuten Helligkeiten ergibt. In einer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Beleuchtung eine jeden Punktes der zu beobachtenden Oberfläche über einen größeren Winkelbereich, als er von einer annähernd punktförmigen Lichtquelle zu erzielen wäre. Dieses Winkelbereich wird über eine Auffächerung und Teilung der Beleuchtungslaser in mehrerer überlappende Teilstrahlen gebildet. Um dies nur innerhalb einer Ebene durchzuführen, kann die Strahlformung mit Zylinderlinsen, bzw. Zylinderlinsenarrays ausgeführt werden. Als Strahlquelle dient, wie auch im allgemeinen Fall, das kollimierte Licht einer Laserdiode, welches auch über eine Lichtleitfaser übertragen werden kann.
Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt:
1 zeigt ein Rohr 4 als Werkstück. Der fokussierte Schweißlaser 3 erzeugt das Schmelzbad 7, welches entlang der Stoßfuge 5 wandert und somit die Lasernaht erzeugt. Die Kamera 3 ist nahezu senkrecht angeordnet und erfaßt das Schmelzbad 7 und die Stoßfuge 5. Die beiden Beleuchtungslaser 1 sind seitlich angeordnet.
In 2 ist der Sichtbereich 8 dargestellt.
3 zeigt Beleuchtung der Stoßfuge nach der geringen Aufweitung eines kollimierten Laserstrahls (10). Der Winkel zwischen den beiden Beleuchtungslasern ist mit W bezeichnet.
4 zeigt eine Ausgestaltung bei der kollimierte Laserstrahl (10) über eine Zylinderlinse (9) aufgeweitet wird, dann über ein Zylinderlinsenarray (13) in mehrere Teilstrahlen (12) aufgeteilt wird, die nachfolgend gebündelt werden, um die Stoßfuge überlappend zu beleuchten.

Claims

Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen mit einer CCD-Kamera und einer flächenhaften Beleuchtung (1), wobei die Kamera (2) an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschloßen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Regelung in Abhängigkeit von dem detektiertem Versatz von Schmelzbad (7) zu Stoßfuge (5) erfolgt.
Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen mit einer CMOS-Kamera mit logarithmischer Kennlinie und einer flächenhaften Beleuchtung (1), wobei die Kamera (2) an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschloßen ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Regelung in Abhängigkeit von dem detektiertem Versatz von Schmelzbad (7) zu Stoßfuge (5) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (2) das Schmelzbad (7) und die Stoßfuge (5) erfaßt und mit einem schmalbandigen Interferenzfilter ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 800 nm und 1000 nm erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (2) mittig über der Stoßfuge (5) steht und nur soweit aus der Achse des Schweißlasers gekippt ist, daß keine Kollision der Kamera mit dem Schweißstrahl (3) stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamerastrahlengang koaxial in den Strahlengang des Schweißlasers eingespiegelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung mit mindestens zwei seitlichen Lichtquellen (1) erfolgt, die zwischeneinander einen Winkel (W) von 30 bis 150 Grad aufspannen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung eines Oberflächenpunktes im Sichtbereich (8) der Kamera (2) durch eine Auffächerung und Teilung des Strahls (10) des Beleuchtungslaser (1) in mehrerer überlappende Teilstrahlen (12), zumindest in der Raumebene durch die der Stoßverlauf stößt, über einen Winkelbereich (B) von 5 bis 30 Gad erfolgt.