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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus der
DE 102 25 450 A1 ist ein Verfahren zur Fehlerdetektion bei Laserbearbeitungsprozessen bekannt, bei dem mittels einer Kamera die vom Bauteil ausgehende Wärmestrahlung während und/oder nach dem Laserbearbeitungsprozess thermographisch erfasst wird und daraus Bearbeitungsfehler ermittelt werden.
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Die
DE 101 50 633 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen, zerstörungsfreien automatischen Prüfung von Materialverbindungen, insbesondere der Qualitätskontrolle von Schweißverbindungen und hier insbesondere von Schweißpunkten hinsichtlich der Güte, Homogenität und des Schweißlinsendurchmessers mittels abbildender Echtzeit-Infrarot-Bilddatenerfassung und -Auswertung ausgebildet als Wärmedurchgangsprüfung und/oder Prüfung des Wärmeabtransportes. Dabei wird eine Materialverbindung fotografisch bildgebend durch eine Infrarotkamera erfasst, wobei eine impulsartige Anregung bzw. Energieeintrag von der Kamera zu- oder abgewandten Seite vorgenommen wird, und der gesamte zeitliche Verlauf der Wärmestrahlung im Wellenlängenbereich 2...14 µm an der Oberfläche der zu prüfenden Verbindung mit Bildwiederholraten von mehr als 300 Hz erfasst wird, und das die Eigenschaften des Verfahrens derart weitergebildet werden können, dass die Vorrichtung zur Anwendung des Verfahrens eine produktionsgerechte Prüfung ermöglicht.
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Die
DE 103 26 377 B3 betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen eines Blechteils an den Querschnitt eines Profils mittels verdeckter Schweißnähte und zu deren automatischer zerstörungsfreier Prüfung. Insbesondere dient das Verfahren zum Laserschweißen und zur zerstörungsfreien Prüfung der Schweißnähte an Karosserien für Kraftfahrzeuge. Es folgen diese Verfahrensschritte: Vermessen des Querschnittes des beim Schweißen verdeckten Profils mit einem Sensoriksystem zur Schweißbahn- und Prüfbahnerfassung; Zuführen des an den Querschnitt des Profils anzuschweißenden Blechteiles in die Schweißposition; Laserschweißen der Schweißnaht oder Schweißnähte entlang der erfassten Schweißbahn; Abkühlen der Schweißnaht oder Schweißnähte; Erregen oder Erwärmen des Profils nahe der Schweißnaht; Prüfen der Schweißnaht oder Schweißnähte durch vor dem angeschweißten Blechteil auf der erfassten Prüfbahn bewegten Sensoren; Auswertung der Ausgangssignale der Sensoren.
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Die
DE 10 2007 051 688 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung von Werkstücken insbesondere beim Laser-Kunststoffschweißen zweier Fügepartner umfasst folgende Merkmale: - 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, - Detektion der von der Wärmequelle über Wärmeleitung an die Oberfläche des Werkstücks transportierten und dort zu einem späteren Zeitpunkt abgestrahlten indirekten Wärmestrahlung mittels des Thermosensors, und - Auswertung des zeitlichen Versatzes zwischen den beiden Zeitpunkten zur Bestimmung eines zu überwachenden Parameters.
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Die
DE 10 2008 016 019 A1 betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle einer bevorzugt durch Lasertransmissionsschweißen gebildete Schweißnaht. Eine Prüfstrahlung, die bevorzugt gleich der Bearbeitungsstrahlung ist, wird in Form von Einzelpulsen entlang der Schweißnaht auf zueinander beabstandete Prüfstellen gerichtet. Die dadurch bewirkte Wärmestrahlung an den Prüfstellen wird erfasst und die daraus ableitbare Temperatur wird als Kriterium für die Qualität der Schweißnaht an den Prüfstellen verwendet.
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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.
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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 5 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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. Die mindestens eine Aufnahme erfolgt nach einer im Anschluss an die Schweißung durchgeführten teilweisen oder vollständigen defokussierten Überfahrt der Verbindungsnaht.
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Durch die zeitliche Trennung von Laserbearbeitung, defokussierter Überfahrt und Bildaufnahme werden störende Prozesseinflüsse minimiert, wie z.B. Metalldampfleuchten, Plasmafackel, Überstrahlung oder Schmelzeeruptionen. Trotzdem ist durch die zeitliche Nähe die Verbindungsnaht noch ausreichend warm, um aussagekräftige Wärmeinformationen über die Verbindungsnaht liefern zu können.
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Defokussierte Überfahrt bedeutet, dass die Verbindungsnaht mit einem Laserstrahl abgefahren wird, der - im Gegensatz zur Überfahrt während des Schweißens oder Lötens - nicht auf die Oberfläche des ihm zugewandten Bauteils fokussiert ist, sondern dessen Fokus sich oberhalb oder unterhalb der Bauteiloberfläche befindet.
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Die defokussierte Überfahrt erfolgt vorzugsweise bei gleicher Laserleistung wie beim Schweißen oder Löten aber mit erhöhter, vorzugsweise mit mindestens doppelt so großer Bearbeitungsgeschwindigkeit. Dies lässt sich regelungstechnisch sehr einfach verwirklichen. Es ist aber ebenso möglich, auch die Laserleistung zu variieren: Z. B. kann die Laserleistung gesenkt und der defokussierte Laser mit gleicher (oder sogar verminderter) Bearbeitungsgeschwindigkeit über die Naht geführt werden. Theoretisch wäre es sogar möglich die Laserleistung zu erhöhen und die Bearbeitungsgeschwindigkeit für die defokussierte Überfahrt sehr stark zu erhöhen.
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Gleichermaßen lässt sich der Energieeintrag aber auch durch den Grad der Defokussierung variieren - im Extremfall sogar ausschließlich dadurch. Ein bevorzugter Bereich der Defokussierung (bei gleicher Laserleistung und doppelter Bearbeitungsgeschindigkeit im Vergleich zum Schweißen bzw. Löten) ist ein um den Faktor 2 bis 7, insbesondere 3 bis 4, vergrößerter Durchmesser des Laserstrahls auf der Bauteiloberfläche. (Der Fokusdurchmesser des Laserstrahls auf der Bauteiloberfläche beträgt z.B. 0,6 mm, während der defokussierte Durchmesser des Laserstrahls auf der Bauteiloberfläche z.B. bevorzugt 2 mm beträgt, aber auch Durchmesser von 1 bis 4 mm geeignet sind.) Entsprechend kann der Grad der Fokussierung bei veränderter Laserleistung und/oder Bearbeitungsgeschwindigkeit angepasst werden.
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Im Gegensatz zum Schweißprozess, bei dem ein Tiefschweißeffekt mit Ausbildung einer Dampfkapillare stattfindet, erfolgt bei der defokussierten Überfahrt stattdessen eine Erwärmung und Energieabsorption vor allem im Oberflächenbereich des dem Laser zugewandten Bauteils. Dadurch bildet sich im Vergleich zum Schweißen ein größerer Temperaturgradient von dem dem Laser zugewandten Bauteil zu dem dem Laser abgewandten Bauteil aus, durch den sich Unterschiede im Wärmeabfluss in das dem Laser abgewandten Bauteil sehr viel deutlicher erkennen lassen. Das bedeutet unmittelbar, dass sich Unterschiede im Anbindungsquerschnitt bzw. der Anbindungsfläche zwischen beiden Bauteilen sehr deutlich auswirken. Bei kleiner Anbindung (geringe Festigkeit) ist der Wärmeabfluss geringer, dadurch die Oberfläche heißer, entsprechend erfolgt mehr Emission von Wärmestrahlung, was auf einer thermographischen Aufnahme sehr gut ersichtlich ist.
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Ohne die defokussierte Überfahrt kann es vorkommen, dass der Anfang der Naht, bzw. der erste Teil der Naht nach dem Schweißen bzw. Löten schon wieder soweit abgekühlt ist, bzw. die Wärme soweit in die Umgebung abgeflossen ist, dass für ein auswertbares I<amerabild nicht mehr ausreichend Wärmestrahlung aus diesem Nahtbereich emittiert wird. In diesem Fall können z.B. Löcher in diesem Nahtbereich nicht mehr sicher detektiert werden. Dieses Problem tritt insbesondere bei dickeren Blechkombinationen und damit verbundenen langsameren Schweißgeschwindigkeiten, oder bei größeren Nahtlängen (größer 20 mm) oder bei Werkstoffen mit guter Wärmeleitfähigkeit auf. Deshalb findet das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise Anwendung bei Blechkombination mit einer Dicke von mehr als 2 mm.
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Darüber hinaus wird durch die defokussierte Überfahrt die Bildung eines Endkraters vermieden bzw. stark reduziert und die Nahtoberseite geglättet bzw. eingeebnet.
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Vorzugsweise erfolgt die defokussierte Überfahrt entgegen der Schweißrichtung. Dadurch wird die Nahtoberseite relativ gleichmäßig über die gesamte Nahtlänge erwärmt, weil so der nach dem Schweißen bzw. Löten schon am meisten abgekühlte Nahtanfangsbereich als letztes erwärmt wird. Dies ist insbesondere von Vorteilen bei längeren Nähten ab circa 30 mm Längen und erlaubt eine sichere Detektion von Fehlstellen in der Naht über die gesamte Nahtlänge bis zu 60 mm und bei verminderten Qualitätsanforderungen auch darüber hinaus.
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Bevorzugt erfolgt die Defokussierung mittels eines 3D-Scanners, weil dieser besonders schnelle und präzise Fokusänderungen erlaubt.
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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 und/oder breiter 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.
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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.
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Die Verbindungsnaht kann anhand der ermittelten Qualität punktuell mit dem Laser nachbearbeitet werden. Auch die Nachbearbeitung kann auf gleiche Weise überwacht werden.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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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.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zumindest ein Teil der für die Laserbearbeitung genutzten Laseroptik auch für einen Strahlengang der Kamera mitgenutzt.
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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.
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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.
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Alternativ oder zusätzlich zum Scannerspiegel kann auch mindestens eine bewegliche Linse oder ein beweglicher Fokussierspiegel in der Laseroptik vorgesehen sein.
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Als Kamera kann insbesondere eine CCD-Kamera, eine CMOS-Kamera, ein Indium-Gallium-Arsenid-Kamera oder eine Thermographiekamera verwendet werden.
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Die Kamera detektiert vorzugsweise Strahlung in einem Wellenlängenbereich von sichtbarem Licht bis Infrarot, insbesondere bis 2000 nm.
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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.
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Durch die zeitliche Trennung von Laserbearbeitung und Bildaufnahme werden störende Prozesseinflüsse minimiert, wie z.B. Metalldampfleuchten, Plasmafackel, Überstrahlung oder Schmelzeeruptionen. Dennoch kann die Bildqualität durch Rauch-, Schmauch- oder Dampfwolken gestört werden, die über der wenige Millisekunden zuvor geschweißten Naht noch aufsteigen (z. B. durch Verdampfung von Blechbeölung oder Korrosionsschutzschichten) und so den „freien Blick“ auf die Naht stören. Diese „Störwolken“ können mit einer Gasdüse weggeblasen werden, die einen gleichmäßigen Gasstrom auf die Bauteiloberfläche lenkt. Ein derartiges „Wegblasen“ ist somit sowohl bei Beobachtung der Naht nach Beendigung der Schweißung bzw. Lötung als auch bei Beobachtung der Naht nach Ende der defokussierten Überfahrt vorteilhaft. Eine hierzu verwendete Düse kann am Laserbearbeitungskopf, am Scanner oder in der Nähe der Verbindungsstelle, beispielsweise an Spannelementen, vorgesehen werden.
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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.
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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.
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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.
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Der Zeitpunkt der Aufnahme nach dem Abschalten des Lasers kann in Abhängigkeit einer Materialkombination der Bauteile (Werkstoff, Dicke, Beschichtung) variiert werden.
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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.
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Statt eines 3D-Scanners kann auch ein 1 D-Scanner oder ein 2D-Scanner als Laserbearbeitungskopf verwendet werden.
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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.
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Die Kamera kann so eingestellt sein, dass nur der Punkt und seine Umgebung oder die gesamte Naht im Bild liegen.
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Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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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).
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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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.
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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.
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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 x 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.
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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 Bauteileri 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.
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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 x 25 mm der Bauteiloberfläche auf den Kamerachip scharf abgebildet werden, d.h. ungefähr eine der vorstehend beispielhaft 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.
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Ein optionaler Sperrfilter kann verwendet werden um zu verhindern, dass reflektierte oder gestreute Laserstrahlung (Stand-by-Leistung) auf den Kamerachip fällt.
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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.
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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.
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Unmittelbar nach der Schweißung wird der Laserstrahl mittels der Fokussieroptik defokussiert und es folgt eine erneute Überfahrt über die Naht ebenfalls „on the-fly“. Dazu wird die gerade geschweißte Klammernaht in entgegen gesetzter Richtung zur vorherigen Schweißung defokussiert (Fokuslage: +25 mm oberhalb der Bauteiloberfläche) erneut überfahren. Die defokussierte Überfahrt erfolgt mit 4 kW Laserleistung und mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 12 m/min und dauert somit 150 ms. Auf der Bauteiloberfläche beträgt der Durchmesser des defokussierten Laserstrahls circa 2 mm. Durch die schnelle defokussierte Überfahrt ist die Naht gleichmäßiger erwärmt als nach einer Schweißung ohne defokussierte Überfahrt. Außerdem wird die Bildung eines Endkraters vermieden bzw. stark reduziert und die Nahtoberseite geglättet bzw. eingeebnet
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Unmittelbar nach der erneuten Überfahrt 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. Von der Naht aufsteigender Dampf oder Schmauch wird von einer an der Bearbeitungsoptik angebrachten Gasdüse weggeblasen, die einen Luftstrom auf den zu beobachtenden Bereich lenkt. 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.
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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.
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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.
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4 zeigt ein mit der Kamera aufgenommenes Thermografiebild einer fehlerfreien Verbindungsnaht 4.
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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.
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Dieser Vorgang des Schweißens, Beobachtens und Auswertens wird für alle Verbindungsnähte 4 des Flansches in gleicher Art und Weise wiederholt.
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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.
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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.
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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 x 190 mm x 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.
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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 (Durchmesser 600 µm) 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, d.h. der Laserstrahl ist auf die Bauteiloberfläche fokussiert.
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Unmittelbar nach der Schweißung folgt eine erneute Überfahrt über die Naht ebenfalls „on the-fly“. Dazu wird die gerade geschweißte Strichnaht in entgegen gesetzter Richtung zur vorherigen Schweißung defokussiert (Fokuslage: +25 mm oberhalb der Bauteiloberfläche) erneut überfahren. Die defokussierte Überfahrt erfolgt mit 6 kW Laserleistung und mit einer Bearbeitungsgeschwindigkeit von 15 m/min und dauert somit 80 ms. Auf der Bauteiloberfläche beträgt der Durchmesser des defokussierten Laserstrahls circa 2 mm. Durch die schnelle defokussierte Überfahrt ist die Naht gleichmäßiger erwärmt als nach einer Schweißung ohne defokussierte Überfahrt. Außerdem wird die Bildung eines Endkraters vermieden bzw. stark reduziert und die Nahtoberseite geglättet bzw. eingeebnet
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Unmittelbar nach der erneuten Überfahrt 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“).
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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.
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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.
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Dieser Vorgang des Schweißens, Glättens, Beobachtens und Auswertens wird für alle Verbindungsnähte 4 des Flansches in gleicher Art und Weise wiederholt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung können auch zum ermitteln der Qualität einer Laserlötverbindung verwendet werden.
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Es werden mindestens zwei Bauteile 3 miteinander verbunden. Ebenso sind Verbindungen von drei oder mehr Bauteilen 3 möglich.
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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.
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Insbesondere durch den Wärmeabfluss kann die Qualität der Verbindungsstelle bzw. die Art eines Verbindungsfehlers ermittelt werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Anhand einer geringen Wärmestrahlung eines Punktes verglichen mit der übrigen Verbindungsnaht 4 kann ein fehlender Punkt in der Verbindungsnaht erkannt werden.
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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.
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Eine Wellenlänge des Lasers kann mittels eines Sperrfilters aus dem Strahlengang der Kamera ausgefiltert werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der Zeitpunkt der Aufnahme nach dem Abschalten des Lasers kann in Abhängigkeit einer Materialkombination der Bauteile 3 (Werkstoff, Dicke, Beschichtung) variiert werden.
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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.
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Statt eines 3D-Scanners kann auch ein 1 D-Scanner oder ein 2D-Scanner als Laserbearbeitungskopf 1, 1' verwendet werden.
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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.
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Die Kamera kann so eingestellt sein, dass nur der Punkt und seine Umgebung oder die gesamte Verbindungsnaht 4 im Bild liegen.
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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.
