-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätsüberwachung
einer Verbindungsnaht mindestens zweier Bauteile, wobei die Verbindungsnaht durch
Laserstrahlschweißen oder Laserstrahllöten mit
einem Laserbearbeitungskopf erzeugt wird. Des Weiteren betrifft
die Erfindung eine Vorrichtung zum Laserschweißen oder
Laserlöten.
-
Beim
automatisierten Laserschweißen können Fehler in
den Verbindungsnähten auftreten, beispielsweise mangelnde
Nahtfestigkeit durch fehlende oder zu geringe Anbindung zwischen
den Fügepartnern, tiefe Endkrater, Einschuss- oder Durchschusslöcher,
die zu Undichtigkeiten führen können, oder auch
unvollständige Nähte bzw. Nahtaussetzer. Solche
Fehler können subjektiv oder automatisiert ermittelt und
gegebenenfalls behoben werden.
-
Aus
der
DE 10 2004
016 669 B3 ist ein Verfahren zur Prüfung einer
Laserschweißnaht bekannt, bei dem charakteristische Signale
aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten
verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden,
die in einem charakteristischen Zeitintervall empfangen werden,
welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt,
wobei zumindest während des Zeitintervalls ein von dem Schweißlaser
erzeugtes Messsignal optischer und/oder thermischer Art über
eine Scannereinrichtung in Richtung auf die Naht gelenkt wird.
-
Aus
der
DE 101 58 095
A1 ist ein Verfahren zur Kontrolle einer Schweißnaht
zwischen zwei aus schweißfähigem Material bestehenden
Kunststoffteilen eines Werkstücks bekannt, bei dem die
Schweißnaht mittels einer Laserstrahlung erzeugt wird,
wobei der eine Kunststoffteil für die Laserstrahlung im
Wesentlichen transparent und der andere Kunststoffteil absorbierend
sind, wobei die Güte der hergestellten Schweißnaht
auf optischem Wege ermittelt wird. Hierfür wird eine elektromagnetische
Kontrollstrahlung ins Innere des für diese Kontrollstrahlung
transparenten Kunststoffteils eingebracht. Die Kontrollstrahlung
wird sowohl an den Berührungsflächen zwischen
den Kunststoffteilen als auch an der Naht reflektiert und tritt
teilweise wieder aus dem Werkstück aus. Die sich nach der
Reflexion im Werkstück ergebende Austrittsstrahlung wird
gemessen. Eine sich durch eine fehlerhafte Naht ergebende Störung der
Austrittsstrahlung wird von einem Auswerter festgestellt.
-
In
der
DE 101 58 095
A1 wird auch eine alternative Ausgestaltung offenbart,
bei welcher keine zusätzliche Kontrollstrahlung eingebracht
wird, sondern die im Inneren der Bauteile mehrfach gestreute Laserstrahlung
als Kontrollstrahlung verwendet wird. Zur Kontrolle wird das Bildfeld
einer Kamera leicht räumlich versetzt während
der Laserbearbeitung hinter dessen Bearbeitungspunkt nachgeführt,
d. h. Bearbeitung und Kontrolle erfolgen räumlich versetzt aber
zeitlich parallel.
-
Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur Qualitätsüberwachung
einer durch Laserschweißen oder Laserlöten hergestellten Verbindungsnaht
zwischen mindestens zwei Bauteilen sowie eine verbesserte Vorrichtung
zum Laserschweißen oder Laserlöten anzugeben.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich der
Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 20 gelöst.
-
Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Ein
erfindungsgemäßes Verfahren zur Qualitätsüberwachung
einer Verbindungsnaht mindestens zweier Bauteile wird auf eine Verbindungsnaht
angewandt, die durch Laserstrahlschweißen oder Laserstrahllöten
mit einem Laserbearbeitungskopf erzeugt wird. Der Laserbearbeitungskopf
umfasst eine Laseroptik, mittels welcher die Strahlung eines Lasers
auf einen Bearbeitungspunkt gerichtet wird, wobei der Laserbearbeitungskopf
die Strahlung aus dem Laser derart führt, dass der Bearbeitungspunkt
zu den Bauteilen eine Relativbewegung ausführt und dabei
mindestens zwei Punkte der Verbindungsnaht anfährt und
dadurch dort die Verbindungsnaht erzeugt. Nach dem Schweißen
oder Löten mindestens eines der Punkte wird mittels einer
Kamera mindestens ein den Punkt umfassendes Bild aufgenommen, bevor
mindestens ein nächster Punkt geschweißt oder
die Erzeugung einer anderen Verbindungsnaht begonnen wird. Dabei
werden bzw. wird zur Beurteilung der Qualität der Verbindungsnaht
eine Wärmestrahlung und/oder ein Wärmeabfluss
des Punktes und/oder einer Umgebung des Punktes ermittelt. Während
der Aufnahme wird der Laser ausgeschaltet oder in einen Bereitschaftszustand
mit minimaler, die Aufnahme nicht störender Leistung versetzt.
-
Durch
die zeitliche Trennung von Laserbearbeitung und Bildaufnahme werden
störende Prozesseinflüsse minimiert, wie z. B.
Metalldampfleuchten, Plasmafackel, Überstrahlung oder Schmelzeeruptionen.
Durch die zeitliche Nähe beider Verfahrensschritte ist
die Verbindungsnaht noch ausreichend warm, um aussagekräftige
Wärmeinformationen über die Verbindungsnaht liefern
zu können.
-
Die
Verbindungsnaht kann anhand der ermittelten Qualität punktuell
mit dem Laser nachbearbeitet werden. Auch die Nachbearbeitung kann
auf gleiche Weise überwacht werden.
-
Vorteilhaft
ist weiter die Nutzung der bei der Bearbeitung mit dem Laser eingebrachten
Prozesswärme anstatt einer Nacherwärmung oder
eines Einbringens zusätzlicher Energie durch ein Messsignal. Insbesondere
durch den Wärmeabfluss kann die Qualität der Verbindungsstelle
bzw. die Art eines Verbindungsfehlers ermittelt werden.
-
Im
Vergleich mit einer Vorhersage der Nahtqualität aus der
Auswertung bzw. der Interpretation von Prozessemissionen (z. B.
Plasmaemissionen, reflektierte oder gestreute Laserstrahlung) oder
dem Beobachten des Wechselwirkungsbereiches mit einer Kamera (z.
B. Beobachtung der Dampfkapillare oder des Schmelzbades) kann bei
der vorliegenden Erfindung die entstandene Fügestelle im
Endzustand oder einem Zustand nahe dem Endzustand ermittelt werden.
Eine Unterscheidung der Fehlerart der Verbindungsnaht ist ebenfalls
möglich. Beispielsweise können Einschusslöcher,
die im näher zum Laserbearbeitungskopf gelegenen Bauteil
beim Schweißen auftreten, identifiziert werden. Ebenso
kann die Nahtfestigkeit auch bei nur eingeschweißten Fügestellen ermittelt
werden.
-
Vorzugsweise
wird die Aufnahme innerhalb eines Zeitraums von 0,1 ms bis 200 ms
nach dem Ausschalten des Lasers oder dem Schalten des Lasers in
den Bereitschaftszustand (Stand-by) durchgeführt. Insbesondere
zum Zeitpunkt eines zumindest teilweisen Erstarrens der Schmelze,
wenn ein relativ gefestigter Endzustand der Verbindungsnaht erreicht
ist.
-
In
diesem Zeitraum liegt ein geeignetes laterales Zerfließen
der Wärme vor, so dass eine Ortsauflösung von
Fehlermerkmalen wie zum Beispiel Löchern möglich
ist. Je nach der Muster der Verbindungsnaht (Strichnaht, Klammernaht,
Spline-Naht, Kreisnaht, einzelne Noppen oder Noppenmuster) und Form
der Verbindungsnaht (I-Naht an einem Überlappstoß,
Kehlnaht) können ein oder mehrere Momentaufnahmen während
oder nach der Schweißung oder Lötung ausgewertet
werden.
-
Nach
dem Schweißen oder Löten können ein oder
mindestens zwei Bilder aufgenommen werden, bevor der nächste
Punkt, die nächste Punktfolge oder die nächste
Verbindungsnaht geschweißt oder gelötet wird.
Dabei kann der Wärmeabfluss als zeitlicher Verlauf einer
Abkühlung beispielsweise durch Vergleich der mindestens
zwei Bilder, das heißt durch Differenzbildung, ermittelt
werden. Ebenso kann ein Mittelwert aus den mindestens zwei Bildern
bestimmt werden. Insbesondere bei der Aufnahme von mehr als zwei
Bildern können auch einzelne Bilder gezielt aus der Betrachtung
ausgeschlossen werden, beispielsweise um Spritzer auszublenden.
-
Die
Kamera kann mittels einer Autofokussiereinrichtung fokussiert werden,
um ein scharfes Bild während der Aufnahmezeit sicherzustellen.
Insbesondere wenn zum Schweißen oder Löten ein
als 3D-Scanner ausgebildeter Laserbearbeitungskopf verwendet wird,
kann das Kamerabild auch in Abhängigkeit von einem sich ändernden
Arbeitsabstandes, durch den z-Hub des 3D-Scanners fokussiert werden,
so dass eine separate Autofokussiereinrichtung entfallen kann.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird zumindest ein Teil der für die Laserbearbeitung genutzten
Laseroptik auch für einen Strahlengang der Kamera mitgenutzt.
-
Das
Schweißen oder Löten einer Verbindungsnaht und
auch die Aufnahme erfolgen über den Laserbearbeitungskopf „on-the-fly”.
Dies kann durch Bewegung des Laserbearbeitungskopfes über
den Bauteilen oder umgekehrt durch Bewegung der Bauteile relativ
zum Laserbearbeitungskopf, beispielsweise mittels eines Roboters,
erfolgen. Dabei wird vorzugsweise zumindest der für den
Strahlengang der Kamera genutzte Teil der Laseroptik so nachgeführt,
dass der geschweißte oder gelötete Punkt auch während
der Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfes weiter ortsfest
im Bildfeld der Kamera verbleibt. Auf diese Weise wird ein Zeitverzug
für einen Halt der Bewegung des Laserbearbeitungskopfs für
die Aufnahme des Bildes vermieden.
-
Die
Laseroptik umfasst hierzu vorzugsweise mindestens einen schwenkbaren
Spiegel, dessen Bewegung so gesteuert werden kann, dass nach dem
Abschalten des Lasers und während der Weiterbewegung des
Laserbearbeitungskopfes die Verbindungsnaht im Sichtfeld der Kamera
verbleibt. Die Aufnahme kann dabei während der Relativbewegung des
Laserbearbeitungskopfes „on-the-fly” erfolgen, das
heißt ohne dass die Relativbewegung angehalten werden muss.
Durch Nachführung der Laseroptik können sich Beobachtungswinkel
und Beobachtungsabstand von Einstrahlwinkel und Einstrahlabstand
während der Bearbeitung unterscheiden. Das Sichtfeld der
Kamera wird für die Dauer der Aufnahme relativ zur Nahtposition
durch die Spiegelbewegung konstant gehalten, so dass eine Art Standbild entsteht.
Bei Verwendung eines 3D-Scanners kann ein Hub in z-Richtung des
Scanners so gesteuert werden, dass trotz einer Abstandsänderung
zwischen Scanner und Bauteil das Kamerabild der Verbindungsnaht
scharf bleibt. Dabei können sich Beobachtungswinkel und
Beobachtungsabstand auch während der Aufnahme ändern.
Für die Steuerung der Nachführbewegung ist insbesondere
eine Steuer oder Regeleinrichtung vorgesehen. Die Steuerung bzw.
Regelung kann insbesondere so erfolgen, dass das Sichtfeld der Kamera
unabhängig von einer Verfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes konstant
bleibt, auch bei nicht konstanter Geschwindigkeit und Richtung.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt bei der Verwendung
eines 3D-Scanners die Aufnahme im Anschluss an eine defokussierte Überfahrt,
die unmittelbar nach der Schweißung der Naht durchgeführt
wird. Durch die defokussierte Überfahrt wird die Bildung
eines Endkraters vermieden bzw. stark reduziert und die Nahtoberseite
geglättet bzw. eingeebnet. Die defokussierte Überfahrt
kann bei gleicher Laserleistung wie die Schweißung aber
mindestens doppelt so großer Bearbeitungsgeschwindigkeit
erfolgen, da nur oberflächlich aufgeschmolzen werden muss.
Durch die schnelle defokussierte Überfahrt ist die Naht
gleichmäßiger erwärmt als nach einer
Schweißung ohne defokussierte Überfahrt (auch
wenn dies nicht der eigentiche Zweck der defokussierten Überfahrt
ist). Durch die gleichmäßigere Erwärmung
sind auch die Bedingungen für den Wärmeabfluss
entlang der Naht gleichmäßiger, wodurch insbesondere
im Bereich des Nahtanfangs mögliche Nahtfehler deutlich
besser erkannt werden.
-
Alternativ
oder zusätzlich zum Scannerspiegel kann auch mindestens
eine bewegliche Linse oder ein beweglicher Fokussierspiegel in der
Laseroptik vorgesehen sein.
-
Anhand
eines zu geringen oder fehlenden Wärmeabflusses aus dem
Punkt in das Bauteil, insbesondere in das vom näher am
Laserbearbeitungskopf gelegenen Bauteil verdeckte Bauteil, kann
eine fehlerhafte Anbindung erkannt werden. Die Verbindungsnaht ist
dabei im Kamerabild heller als bei ausreichender Anbindung, da ein
Wärmestau auftritt. Je geringer die Anbindung ist, desto
stärker staut sich die Wärme im oberen, das heißt
im näher am Laserbearbeitungskopf gelegenen Bauteil. Auf
diese Weise kann eine Aussage über die Festigkeit der Verbindung
getroffen werden.
-
Anhand
einer geringen Wärmestrahlung eines Punktes verglichen
mit der übrigen Verbindungsnaht kann ein fehlender Punkt,
d. h. z. B. eine Pore oder ein Loch in der Schweißnaht
erkannt werden, so dass eine Aussage über die Dichtigkeit
der Verbindung getroffen werden kann.
-
Als
Kamera kann insbesondere eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera, ein
Indium-Gallium-Arsenid-Kamera oder eine Thermographiekamera verwendet
werden.
-
Die
Kamera detektiert vorzugsweise Strahlung in einem Wellenlängenbereich
von sichtbarem Licht bis Infrarot, insbesondere bis 2000 nm.
-
Die
Wellenlänge bzw. der Wellenlängenbereich des Lasers
kann mittels eines Sperrfilters aus dem Strahlengang der Kamera
ausgefiltert werden. Auf diese Weise wird eine Störung
der Aufnahme durch einen nicht ganz ausgeschalteten Laser (Stand-by-Leistung)
vermieden.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform wird beim Schweißen
oder Löten entstehender Rauch, Schmauch oder Dampf mittels
eines Gasstroms weggeblasen, um eine Beeinträchtigung der
Bildqualität zu vermeiden. Eine hierzu verwendete Düse
kann am Laserbearbeitungskopf oder in der Nähe der Verbindungsstelle,
beispielsweise an Spannelementen, vorgesehen sein.
-
Zur
Auswertung des Bildes kann eine Software-Maske verwendet werden.
Mit der Maske kann insbesondere die korrekte Nahtform überwacht
werden, indem überprüft wird, ob die Verbindungsnaht innerhalb
der Maske liegt.
-
Hell/Dunkel-Kontraste
innerhalb der Maske können als Fehlerkandidaten erkannt
werden. Identifizierbare Fehler sind beispielsweise fehlende oder unvollständige
Punkte in der Verbindungsnaht, die als schwarze Bereiche innerhalb
der Maske erscheinen. Ebenso können Löcher, z.
B. Einschüsse im oberen Blech durch geringere Wärmeabstrahlung nach
dem Abschalten des Lasers erkannt werden. Die Gesamthelligkeit der
Verbindungsnaht ist ein Maß für die Anbindung
der Bauteile. Bei fehlendem Wärmeabfluss in das untere,
also vom oberen Bauteil verdeckte Bauteil kann auf eine fehlerhafte
Anbindung geschlossen werden. Die Helligkeit innerhalb der Maske
ist auch ein Maß für die verwendete Leistung des
Lasers, beispielsweise kann die Leistung des Lasers so überwacht
werden. Durch Auswertung einer Hintergrundhelligkeit können
sich beispielsweise bei einem hellen Bild Hinweise auf viele Schweißspritzer
ergeben, die durch Zinkausgasung bei einer Nullspaltschweißung
verursacht sein können.
-
In
bevorzugter Ausgestaltung des Verfahrens kann die Auswertung auf
einen Bereich innerhalb der Maske beschränkt werden. Dies
spart Rechenzeit und beschleunigt somit die Qualitätskontrolle
und erlaubt erforderlichenfalls eine Echtzeitnachbearbeitung. Die
Maske kann beim ersten Schweißen eines Bauteils durch Erkennung
der Verbindungsnaht und Speicherung einer Kontur der Verbindungsnaht
als Maske erstellt und bei späteren Schweißungen
verwendet werden.
-
Der
Zeitpunkt der Aufnahme nach dem Abschalten des Lasers kann in Abhängigkeit
einer Materialkombination der Bauteile (Werkstoff, Dicke, Beschichtung)
variiert werden.
-
Es
können Laser als Strahlquelle verwendet werden, deren Strahlung
dem Laserbearbeitungskopf durch Lichtleitfasern zugeführt
werden. Insbesondere können lampen- oder diodengepumpte Nd:YAG-Laser
(kurz für Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser),
diodengepumpte Scheibenlaser, Faserlaser oder Diodenlaser verwendet
werden.
-
Statt
eines 3D-Scanners kann auch ein 1D-Scanner oder ein 2D-Scanner als
Laserbearbeitungskopf verwendet werden.
-
Als
zu schweißende oder lötende Bauteile kommen insbesondere
Bauteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise Bleche mit
einer Gesamtblechdicke zwischen 0,5 mm und 8 mm, in Frage. Dabei
können Zweiblechverbindungen, Dreiblechverbindungen und
Mehrblechverbindungen vorgesehen sein. Schweißbare oder
lötbare metallische Werkstoffe sind beispielsweise Aluminiumbleche oder
Stahlbleche, die blank oder mit einer Korrosionsschutzschicht versehen
sein können, beispielsweise durch elektrolytische Verzinkung
oder Feuerverzinkung.
-
Die
Kamera kann so eingestellt sein, dass nur der Punkt und seine Umgebung
oder die gesamte Naht im Bild liegen.
-
Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand
von Zeichnungen näher erläutert.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Vorrichtung zum Laserschweißen während des Schweißens
und Beobachtens einer Verbindungsnaht,
-
2 ein
mit einer Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer Verbindungsnaht
mit Löchern, hier Klammernaht;
-
3 ein
mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer Verbindungsnaht
mit einem Anbindungsfehler, (hier Klammernaht) und
-
4 ein
mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer fehlerfreien
Verbindungsnaht (hier Klammernaht).
-
Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
-
Gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel werden zwei Bauteile, hier zwei
elektrolytisch verzinkte Stahlbleche mit einer jeweiligen Dicke
von 0,8 mm, durch Laserschweißen gefügt. Geschweißt
wird eine Folge von klammerförmigen Verbindungsnähten 4 mit
einem Abstand von 50 mm (von Klammermitte zu Klammermitte) auf einem
Flansch mit einer Breite von 16 mm. Dazu werden die zu schweißenden Flanschbereiche
der Bauteile durch Spannerfinger gegeneinander gedrückt
und so fixiert. Die Spannerfinger sind so ausgestaltet und angeordnet,
dass sie zu der zu schweißenden Verbindungsnaht 4 einen Abstand
von circa 2 mm einhalten. Eines der Bauteile 3 weist auf
seiner dem anderen Bauteil zugewandten Seite Erhebungen – sogenannte
Lasernoppen – auf, mit denen im Bereich der zu schweißenden
Verbindungsnaht 4 ein Entgasungsspalt von 0,1 mm Breite sichergestellt
wird.
-
In 1 ist
ein Laserbearbeitungskopf 1, 1' zum Laserschweißen
gezeigt. Der Laserbearbeitungskopf 1, 1' ist an
einem (nicht gezeigten) Flansch eines Roboterarms fixiert und umfasst
eine Laseroptik 2, 2', mittels welcher die Strahlung
eines Lasers (nicht gezeigter 4 kW-Scheiben Laser, Wellenlänge ca.
1 μm) auf einen Bearbeitungspunkt gerichtet wird. Die Laserstrahlung
wird über ein Lichtleitkabel (Glasfaser mit Kerndurchmesser
200 μm) vom der Laserstrahlquelle zum Bearbeitungskopf
geführt.
-
Die
Laseroptik 2, 2' ist als 2D-Scanner ausgestaltet,
d. h. sie umfasst zwei bewegliche Spiegel zur Ablenkung bzw. Positionierung
des Laserstrahls im Scanfeld in x- und y-Richtung. Das Scanfeld
ist elliptisch und weist Hauptachsendurchmesser von 320 mm × 190
mm auf. Der 2D-Scanner weist eine Fokussieroptik mit einer Brennweite
von 450 mm auf. Durch ein Abbildungsverhältnis von 3:1
ergibt sich ein Fokusdurchmesser von 600 μm.
-
Mittels
der Laseroptik 2, 2' wird die Strahlung des Lasers
auf einen Bearbeitungspunkt auf der dem Laser zugewandten Seite
eines Bauteils 3 gerichtet, wobei der Scanner die Strahlung
aus dem Laser derart führt, dass der Bearbeitungspunkt
zu den Bauteilen eine Relativbewegung ausführt und dabei
mindestens zwei Punkte einer Verbindungsnaht 4 anfährt
und dadurch dort die Verbindungsnaht 4 erzeugt. Die gezeigte
Verbindungsnaht 4 ist beispielhaft als Klammernaht ausgebildet
und weist eine (abgewickelte) Nahtlänge von 25 mm auf.
-
Im
Laserbearbeitungskopf 1, 1' ist eine zumindest
einen Teil der Laseroptik 2, 2' nutzende Kamera
(nicht gezeigt) zur Überwachung einer Qualität einer
beim Laserschweißen entstehenden Verbindungsnaht 4 angeordnet.
Die Kamera nutzt im Scanner teilweise den Strahlengang des Lasers.
Dazu schaut die Kamera durch einen teildurchlässigen Spiegel über
die beweglichen Scannerspiegel durch die Fokussieroptiken auf die
Bauteiloberfläche. Die Abbildung ist dabei so gewählt,
dass ca. 25 mm × 25 mm der Bauteiloberfläche auf
den Kamerachip schart abgebildet werden, d. h. ungefähr
eine der vorstehend bei spielhaft genannten Klammernähte
kann vollständig erfasst werden. An dem Laserbearbeitungskopf 1, 1' ist
zusätzlich eine Gasdüse angebracht, die einen
Luftstrom auf den Bearbeitungsbereich lenkt. Dieser Luftstrom bläst
aufsteigenden Dampf oder Schmauch weg, so dass dieser nicht während
des Beobachtungszeitraumes die Bildqualität der Kamera
beeinträchtigt.
-
Ein
optionaler Sperrfilter kann verwendet werden um zu verhindern, dass
reflektierte oder gestreute Laserstrahlung (Stand-by-Leistung) auf
den Kamerachip fällt.
-
Das
Schweißen einer Verbindungsnaht 4 und auch die
Aufnahmen erfolgen über den Laserbearbeitungskopf 1, 1' „on-the-fly”.
D. h., während des Schweißens wird der Laserbearbeitungskopf 1, 1' von
einem Roboter mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min über
die Bauteile 3 bewegt (oder alternativ werden die Bauteile 3 bewegt).
In 1 ist diese Bewegung durch die unterschiedlichen
Positionen 1 und 1' des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' schematisch
dargestellt.
-
Parallel
zu dieser „on the fly”-Bewegung führt der
Scanner die Strahlung aus dem Laser derart, dass der Bearbeitungspunkt
auf den Bauteilen 3 eine Folge von Punkten der Verbindungsnaht 4 anfährt und
dadurch dort die klammerförmige Verbindungsnaht 4 erzeugt.
Die erforderliche Bewegung der Scanner-Spiegel zur Erzeugung der
Klammernaht auf dem Flansch wird unter Berücksichtigung
der Bewegung des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' am
Roboter durch einen Steuerrechner ermittelt. Die Schweißgeschwindigkeit
(Bahngeschwindigkeit entlang der Klammernaht) beträgt 6
m/min (= 100 mm/s). Daraus ergibt sich eine Schweißdauer
von 300 ms für eine Klammernaht. Die Fokuslage ist z = 0
mm.
-
Unmittelbar
nach der Schweißung einer Verbindungsnaht 4 erfolgt
eine Ermittlung der Nahtqualität mittels einer „on-the-fly”-Beobachtung.
Dazu werden die Scanner-Spiegel so bewegt, dass für eine Zeitdauer
von 25 ms die gesamte zuvor geschweißte Verbindungsnaht 4 im
Kamerabild positionsfest verbleibt, d. h. die Vorschubbewegung des
Laserbearbeitungskopfes 1, 1' kompensiert wird.
Während der Beobachtungsdauer ist der Laser im Stand-by-Betrieb,
d. h. er weist maximal 250 W Leistung auf. In dieser Zeit werden
5 Bilder der abkühlenden Naht und ihrer Umgebung aufgenommen,
wobei heiße bzw. warme Bereiche im Bild heller erscheinen.
Der zuletzt geschweißte Abschnitt der Naht 4 ist
zumindest auf dem ersten Bild noch nicht vollständig erstarrt
und deshalb sehr hell. Durch Ermittlung einer Wärmestrahlung
und/oder eines Wärmeabflusses von Punkten der Verbindungsnaht 4 unmittelbar
nach dem Laserschweißen des jeweiligen Punktes wird eine
Qualität der Verbindungsnaht 4 ermittelt.
-
Solche
thermografischen Bilder sind in den 2, 3 und 4 gezeigt. 2 zeigt
ein mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer Verbindungsnaht 4 mit
Löchern 5, an denen der Laser einen Einschuss
in das obere der Bauteile 3 erzeugt hat. Erkennbar ist
dies durch die im Vergleich zum Rest der Verbindungsnaht 4 geringere
Wärmeabstrahlung der Löcher 5.
-
3 zeigt
ein mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer Verbindungsnaht 4 mit einem
Anbindungsfehler 6. An dieser Stelle ist keine Verbindung
des oberen Bauteils 3 zu einem verdeckt darunter liegenden
Bauteil zustande gekommen. Infolgedessen erfolgt in diesem Bereich
ein geringerer oder kein Wärmeabfluss in das untere Bauteil.
Hierdurch ist die Temperatur der Verbindungsnaht 4 im Bereich
des Anbindungsfehlers 6 höher als in den übrigen
Bereichen.
-
4 zeigt
ein mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer fehlerfreien
Verbindungsnaht 4.
-
Nach
dem Ende der Beobachtung werden die Scannerspiegel derart ausgerichtet,
dass der Bearbeitungspunkt des Lasers auf den Anfang der nächsten
zu schweißenden Verbindungsnaht 4 fällt. Dabei
wird die Weiterbewegung des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' durch
den Steuerrechner berücksichtigt. Die Laserleistung wird
auf 4 kW erhöht und der Schweißprozess für
die nächste Naht beginnt. Parallel dazu erfolgt die Auswertung
der vorhergehenden Naht.
-
Dieser
Vorgang des Schweißens, Beobachtens und Auswertens wird
für alle Verbindungsnähte 4 des Flansches
in gleicher Art und Weise wiederholt.
-
Gemäß einem
im Wesentlichen gleichartigen zweiten Ausführungsbeispiel
werden zwei feuerverzinkte Stahlbleche mit einer Dicke von 1,0 bzw.
1,2 mm, durch Laserschweißen gefügt. Geschweißt
wird eine Folge von jeweils 20 mm langen Strichnähten 4 mit
einem Abstand von 50 mm (von Strichmitte zu Strichmitte) auf einem
Flansch mit einer Breite von 8 mm. Dazu werden die zu schweißenden
Flanschbereiche der Bauteile durch Spannerfinger gegeneinander gedrückt
und so fixiert. Die Spannerfinger sind so ausgestaltet und angeordnet,
dass sie zu der zu schweißenden Verbindungsnaht 4 einen
Abstand von circa 2 mm einhalten. Eines der Bauteile 3 weist auf
seiner dem anderen Bauteil zugewandten Seite Erhebungen – sogenannte
Lasernoppen – auf, mit denen im Bereich der zu schweißenden
Verbindungsnaht 4 ein Entgasungsspalt von 0,15 mm Breite sichergestellt
wird.
-
Der
Laserbearbeitungskopf 1, 1' umfasst eine Laseroptik 2, 2',
mittels welcher die Strahlung eines 6 kW Scheiben-Lasers, Wellenlänge
ca. 1 μm auf einen Bearbeitungspunkt gerichtet wird. Die
Laserstrahlung wird über ein Lichtleitkabel (Glasfaser
mit Kerndurchmesser 200 μm) vom der Laserstrahlquelle zum
Bearbeitungskopf geführt..
-
Die
Laseroptik 2, 2' ist als 3D-Scanner ausgestaltet,
d. h. sie umfasst zwei bewegliche Spiegel zur Ablenkung bzw. Positionierung
des Laserstrahls im Scanfeld in x- und y-Richtung sowie mindestens eine
motorisch bewegliche Kollimationslinse zur schnellen Positionierung
des Laserfokusses z-Richtung um +/–70 mm. Damit ergibt
sich ein elliptisches Scanvolumen von circa 320 mm × 190
mm × 70 mm. Der 3D-Scanner weist eine Fokussieroptik mit
einer Brennweite von 450 mm auf. Durch ein Abbildungsverhältnis
von 3:1 ergibt sich ein Fokusdurchmesser 600 μm.
-
Das
Schweißen einer Verbindungsnaht 4 und auch die
Aufnahmen erfolgen ebenso wie in dem ersten Ausführungsbeispiel „on-the-fly”.
D. h., während des Schweißens wird der Laserbearbeitungskopf 1, 1' von
einem Roboter mit einer Geschwindigkeit von 10 m/min über
die Bauteile 3 bewegt. Parallel zu dieser „on-the-fly”-Bewegung
führt der Scanner die Strahlung aus dem Laser derart, dass
der Bearbeitungspunkt auf den Bauteilen 3 eine Folge von Punkten
der Verbindungsnaht 4 anfährt und dadurch dort
die Strichnaht 4 erzeugt. Die erforderliche Bewegung der
Scanner-Spiegel zur Erzeugung der Klammernaht auf dem Flansch wird
unter Berücksichtigung der Bewegung des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' am
Roboter durch einen Steuerrechner ermittelt. Die Schweißgeschwindigkeit
(Bahngeschwindigkeit entlang der Strichnaht) beträgt 7,5
m/min (= 125 mm/s). Daraus ergibt sich eine Schweißdauer
von 160 ms für eine Strichnaht von 20 mm Länge.
Die Fokuslage ist z = 0 mm.
-
Unmittelbar
nach der Schweißung folgt eine Glättung der Naht
ebenfalls „on the-fly”. Dazu wird die gerade geschweißte
Strichnaht in entgegen gesetzter Richtung zur vorherigen Schweißung
defokussiert (Fokuslage: +25 mm) erneut überfahren. Dadurch
wird die Bil dung eines Endkraters vermieden bzw. stark reduziert
und die Nahtoberseite geglättet bzw. eingeebnet. Die defokussierte Überfahrt
erfolgt mit 6 kW Laserleistung und mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit
von 15 m/min und dauert somit 80 ms. Durch die schnelle defokussierte Überfahrt
ist die Naht gleichmäßiger erwärmt als
nach einer Schweißung ohne defokussierte Überfahrt
(auch wenn dies nicht der eigentliche Zweck der defokussierten Überfahrt
ist).
-
Unmittelbar
nach der Glättung der Naht erfolgt eine Ermittlung der
Nahtqualität mittels einer „on-the-fly”-Beobachtung.
Dazu erfolgt eine Bewegung der x- und y-Scanner-Spiegel und des
z-Hubs derart, dass für eine Zeitdauer von 25 ms die gesamte
zuvor geschweißte Verbindungsnaht 4 im Kamerabild
scharf abgebildet und positionsfest verbleibt, d. h. die Vorschubbewegung
des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' kompensiert
wird. Die motorisierte Kollimation wird während der Beobachtung
ggf. genutzt, um das Kamerabild auch dann scharf zu halten, wenn
sich der Abstand zwischen Bearbeitungsoptik (Scanner) und Bauteiloberfläche ändert
(„Nachführen”).
-
Während
der Beobachtungsdauer ist der Laser im Stand-by-Betrieb, d. h. er
weist maximal 250 W Leistung auf. In dieser Zeit werden 5 Bilder
der abkühlenden Naht und ihrer Umgebung aufgenommen, wobei
heiße bzw. warme Bereiche im Bild heller erscheinen. Die
Kamera sieht die sich abkühlende Naht und deren Umgebung
bzw. die erstarrende oder schon erstarrte Schmelze, die sich während
der defokussierten Überfahrt gebildet hat bzw. noch von
der eigentlichen Schweißung vorhanden ist. Die Naht ist in
Abhängigkeit vom Aufnahmezeitpunkt evtl. noch nicht vorständig
erstarrt.
-
Nach
dem Ende der Beobachtung werden die Scannerspiegel derart ausgerichtet
und der z-Hub so eingestellt, dass der Bearbeitungspunkt des Lasers
auf den Anfang der nächsten zu schweißenden Verbindungsnaht 4 fällt.
Dabei wird die Weiterbewegung des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' durch
den Steuerrechner berücksichtigt. Die Laserleistung wird
wieder auf 6 kW erhöht und der Schweißprozess
für die nächste Naht beginnt. Parallel dazu erfolgt
die Auswertung der vorhergehenden Naht.
-
Dieser
Vorgang des Schweißens, Glättens, Beobachtens
und Auswertens wird für alle Verbindungsnähte 4 des
Flansches in gleicher Art und Weise wiederholt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung können auch zum ermitteln der Qualität
einer Laserlötverbindung verwendet werden.
-
Es
werden mindestens zwei Bauteile 3 miteinander verbunden.
Ebenso sind Verbindungen von drei oder mehr Bauteilen 3 möglich.
-
Die
Verbindungsnaht 4 kann anhand der ermittelten Qualität
punktuell mit dem Laser nachbearbeitet werden, falls erforderlich.
Auch die Nachbearbeitung kann auf gleiche Weise überwacht
werden.
-
Insbesondere
durch den Wärmeabfluss kann die Qualität der Verbindungsstelle
bzw. die Art eines Verbindungsfehlers ermittelt werden.
-
Ein
vorteilhafter Messzeitpunkt für die Aufnahme des Bildes
liegt zwischen dem Zeitpunkt des Ausschaltes bzw. Stand-by-Schaltens
des Lasers und etwa maximal 200 ms später. Je nach der
Muster der Verbindungsnaht 4 (Strichnaht, Klammernaht, Spline-Naht,
Kreisnaht, einzelne Noppen oder Noppenmuster) und Form der Verbindungsnaht 4 (I-Naht an
einem Überlappstoß, Kehlnaht) können
ein oder mehrere Momentaufnahmen während oder nach der Schweißung
oder Lötung ausgewertet werden.
-
Der
Laser wird während der Aufnahme des Bildes ausgeschaltet
oder in einen Bereitschaftszustand mit minimaler Leistung versetzt.
Insbesondere wird die Aufnahme innerhalb eines Zeitraums von 0,1 ms
bis 200 ms nach dem Ausschalten des Lasers oder dem Schalten des
Lasers in den Bereitschaftszustand durchgeführt.
-
Nach
dem Schweißen oder Löten können ein oder
mindestens zwei Bilder aufgenommen werden, bevor der nächste
Punkt geschweißt oder gelötet wird. Dabei kann
der Wärmeabfluss als zeitlicher Verlauf einer Abkühlung
beispielsweise durch Vergleich der mindestens zwei Bilder, das heißt
Differenzbildung ermittelt werden. Ebenso kann ein Mittelwert aus
den mindestens zwei Bildern bestimmt werden. Insbesondere bei der
Aufnahme von mehr als zwei Bildern können auch einzelne
Bilder gezielt aus der Betrachtung ausgeschlossen werden, beispielsweise um
Spritzer auszublenden.
-
Die
Kamera kann mittels einer Autofokussiereinrichtung fokussiert werden,
um ein scharfes Bild sicherzustellen. Insbesondere wenn zum Schweißen
oder Löten ein als 3D- Scanner ausgebildeter Laserbearbeitungskopf 1, 1' verwendet
wird, kann die Kamera auch in Abhängigkeit von einem Hub
des 3D-Scanners fokussiert werden.
-
Die
Laseroptik 2, 2' umfasst vorzugsweise mindestens
einen schwenkbaren Spiegel, dessen Bewegung so gesteuert werden
kann, dass nach dem Abschalten des Lasers die Verbindungsnaht 4 im
Sichtfeld der Kamera ist. Die Aufnahme kann während der
Relativbewegung des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' „on-the-fly” erfolgen.
Bei Verwendung eines 3D-Scanners kann ein Hub in z-Richtung so gesteuert
werden, dass trotz einer Abstandsänderung zwischen Scanner
und Bauteil das Kamerabild der Verbindungsnaht scharf bleibt. Für
die Steuerung der Nachführbewegung ist insbesondere eine
Berechnungseinheit (nicht gezeigt) vorgesehen. Die Steuerung kann
insbesondere so erfolgen, dass das Sichtfeld der Kamera unabhängig
von einer Verfahrgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfes 1, 1' konstant
bleibt, auch bei nicht konstanter Geschwindigkeit und Richtung.
-
Anhand
einer geringen Wärmestrahlung eines Punktes verglichen
mit der übrigen Verbindungsnaht 4 kann ein fehlender
Punkt in der Verbindungsnaht erkannt werden.
-
Als
Kamera kann insbesondere eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera, ein
Indium-Gallium-Arsenid-Kamera oder eine Thermographiekamera verwendet
werden. Die Kamera detektiert vorzugsweise Strahlung in einem Wellenlängenbereich von
sichtbarem Licht bis Infrarot, insbesondere bis 2000 nm.
-
Eine
Wellenlänge des Lasers kann mittels eines Sperrfilters
aus dem Strahlengang der Kamera ausgefiltert werden.
-
Beim
Schweißen oder Löten entstehender Rauch, Schmauch
oder Dampf kann für die Aufnahme mittels eines Gasstroms
weggeblasen werden. Eine hierzu verwendete Düse kann am
Laserbearbeitungskopf 1, 1' oder in der Nähe
der Verbindungsstelle, beispielsweise an Spannelementen, vorgesehen sein.
-
Zur
Auswertung des Bildes kann eine Software-Maske verwendet werden.
Mit der Maske kann insbesondere die korrekte Nahtform überwacht
werden, indem überprüft wird, ob die Verbindungsnaht 4 innerhalb
der Maske liegt.
-
Hell/Dunkel-Kontraste
innerhalb der Maske können als Fehlerkandidaten erkannt
werden. Identifizierbare Fehler sind beispielsweise fehlende oder unvollständige
Punkte in der Verbindungsnaht, die als schwarze Bereiche innerhalb
der Maske erscheinen. Die Gesamthelligkeit der Verbindungsnaht ist ein
Maß für die Anbindung der Bauteile. Die Helligkeit innerhalb
der Maske ist auch ein Maß für die verwendete
Leistung des Lasers, beispielsweise kann die Leitung des Lasers
so kalibriert werden. Durch Auswertung einer Hintergrundhelligkeit
können sich beispielsweise bei einem hellen Bild Hinweise
auf viele Schweißspritzer oder eine Nullspaltschweißung
ergeben.
-
Bei
späteren Schweißungen kann die Auswertung auf
einen Bereich innerhalb der Maske beschränkt werden. Dabei
kann die Nahtbreite durch Bestimmung einer Wärmestrahlungsbreite
ermittelt werden. Die Maske kann beim ersten Schweißen
eines Bauteils 3 durch Erkennung der Verbindungsnaht und
Speicherung einer Kontur der Verbindungsnaht als Maske erstellt
und bei späteren Schweißungen verwendet werden.
-
Der
Zeitpunkt der Aufnahme nach dem Abschalten des Lasers kann in Abhängigkeit
einer Materialkombination der Bauteile 3 (Werkstoff, Dicke, Beschichtung)
variiert werden.
-
Es
können Laser als Strahlquelle verwendet werden, deren Strahlung
dem Laserbearbeitungskopf 1, 1' durch Lichtleitfasern
zugeführt werden. Insbesondere können lampen-
oder diodengepumpte Nd:YAG-Laser (kurz für Neodym-dotierter
Yttrium-Aluminium-Granat-Laser), diodengepumpte Scheibenlaser, Faserlaser
oder Diodenlaser verwendet werden.
-
Statt
eines 3D-Scanners kann auch ein 1D-Scanner oder ein 2D-Scanner als
Laserbearbeitungskopf 1, 1' verwendet werden.
-
Als
zu schweißende oder lötende Bauteile 3 kommen
insbesondere Bauteile aus metallischen Werkstoffen, beispielsweise
Bleche mit einer Gesamtblechdicke zwischen 0,5 mm und 8 mm, in Frage.
Schweißbare oder lötbare metallische Werkstoffe sind
beispielsweise Aluminiumbleche oder Stahlbleche, die blank oder
mit einer Korrosionsschutzschicht versehen sein können,
beispielsweise durch elektrolytische Verzinkung.
-
Die
Kamera kann so eingestellt sein, dass nur der Punkt und seine Umgebung
oder die gesamte Verbindungsnaht 4 im Bild liegen.
-
Das
Verfahren ist zur Qualitätsüberwachung einer Vielzahl
von unterschiedlichen Verbindungsnähten geeignet. Beispielhaft
und nicht abschließend seien genannt: Klammer-Naht, Stichnaht,
Kreisnaht, Spline-Naht, .... Ebenso sind auch unterschiedliche Positionen
der Verbindungsnaht überwachbar, z. B. eine I-Naht am Überlappstoß oder
eine Kehlnaht am Überlappstoß. Ferner ist das
Verfahren neben der im Ausführungsbeispiel gezeigten Verwendung
zur Qualitätsüberwachung von 2-Blech-Verbindungen auch
zur Überwachung von 3- oder Mehrblech-Verbindungen geeignet.
-
- 1,
1'
- Laserbearbeitungskopf
- 2,
2'
- Laseroptik
- 3
- Bauteil
- 4
- Verbindungsnaht
- 5
- Loch
- 6
- Anbindungsfehler
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004016669
B3 [0003]
- - DE 10158095 A1 [0004, 0005]