DE102010013914A1

DE102010013914A1 - Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung und Vorrichtung

Info

Publication number: DE102010013914A1
Application number: DE102010013914A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Phys. Blug Andreas; Felix Abt; Leonardo Nicolosi
Original assignee: Baden Wuerttemberg Stiftung gGmbH
Current assignee: ABT, FELIX, CH; BLUG, ANDREAS, DR., DE
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-04-02
Also published as: WO2011120672A2; EP2552637A2; DE102010013914B4; WO2011120672A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung von Werkstücken mittels Laser (10), insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, bei welchem Verfahren mittels wenigstens eines Erfassungsmittels (17) zumindest ein den Bearbeitungsprozess charakterisierendes optisches Merkmals erfasst wird und durch wenigstens eine Datenverarbeitungseinheit (19) anhand des vom optischen Merkmal abgeleiteten Regelsignal (&rh zur Regelung der Prozessenergie (Θ) erzeugt wird. Um ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser zur Verfügung zu haben, bei welchem unter Verhinderung negativer Auswirkungen auf das bearbeitete Werkstück (i) auf einfache Weise eine Prozessregelung durchgeführt wird, die trotz beschränkten Wertebereiches des Regelsignals (ϱMerkmal(Θ)) stabil in demjenigen Sinne ist, dass sie jederzeit zu der Prozessenergie (Θ) zurückkehrt, bei der das den Prozess charakterisierende Merkmal seinen Zustand ändert, und, solange sich der Prozess in der Nähe der benötigten Prozessenergie (Θ) befindet, eine hohe Regelungsgüte aufweist, wird vorgeschlagen, bei dem Verfahren ein optisches Merkmal zu verwenden, das für zumindest einen bestimmten Wert der Prozessenergie (Θ) einen Übergang zwischen wenigstens zwei Zuständen aufweist und bei dem Verfahren die Prozessenergie (Θ) durch Berücksichtigung der Historie (H) des Regelsignals (ϱMerkmal(Θ)) und/oder der Stellgröße (P) mit kontrollierter Regelamplitude zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung von Werkstücken mittels Laser, insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, bei welchem Verfahren mittels wenigstens eines Erfassungsmittels zumindest ein den Bearbeitungsprozess charakterisierendes optisches Merkmals erfasst wird und durch wenigstens eine Regeleinrichtung anhand des optischen Merkmals das Regelsignal zumindest einer Stellgröße zur Regelung der Prozessenergie erzeugt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Verwendung in einem solchen Verfahren.
Bei Materialbearbeitungsverfahren wie dem Laserschweißen von Blechen bzw. Blechstapeln im Stumpfstoß oder Überlappstoß kommt es darauf an, soweit in den Blechstapel einzuschweißen, dass einerseits die Festigkeit der Verbindung garantiert werden kann, zum anderen jedoch die Auswirkungen auf die Blechunterseite minimiert werden. Diese Auswirkungen können z. B. die Sichtbarkeit von Schweißnähten in Form eines Wulst, von Spritzern, Schmauch oder Löchern sein, aber auch Änderungen der Materialzusammensetzung, welche durch das Abdampfen oder durch chemische Reaktionen bestimmter Komponenten, beispielsweise Zink in verzinkten Stahlblechen, hervorgerufen werden. Diese wirken sich auf Nacharbeiten am Werkstück oder auch dadurch auf die Haltbarkeit aus, dass etwa eine verstärkte Korrosion aufgrund des Abdampfens von Zink auftritt.
Es sind bereits Verfahren zur Materialbearbeitung bekannt, bei welchen optische Merkmale beobachtet und ausgewertet werden und über Bildverarbeitungssysteme aus diesen Merkmalen Sollwerte für Prozessgrößen generiert werden, etwa aus der DE 197 41 329 C1 für die Materialbearbeitung mittels Plasma induzierender Hochenergiestrahlung.
Bei Laserschweißprozessen geben die in DE 197 41 329 C1 erwähnten optischen Merkmale indirekt die Prozessenergie wieder, also den Energieeintrag in den Prozess entlang einer Schweißnaht. Entsprechend einer Veröffentlichung der Erfinder (auf der 14. GMA/ITG-Fachtagung „Sensoren und Messsysteme 2008 am 11. und 12. März 2008) kann bei solchen Laserschweißprozessen das betreffende Merkmal mit einer Kamera beobachtet werden, welche mit einer Bildfrequenz f Bilder aufnimmt. In Folge des beobachteten Merkmals wird der Energieeintrag in das Werkstück über die Laserleistung mit einer Schrittweite ΔP erhöht, solange das Merkmal eine zu niedrige Energiedichte anzeigt, und die Laserleistung im umgekehrten Fall bei zu hoher Energiedichte reduziert.
Auf diese Weise können sowohl langfristige Prozessdrifts wie beispielsweise die Verschmutzung des Schutzglases am Laserbearbeitungskopf, als auch kurzzeitige Änderungen, wie beispielsweise Änderungen der relativen Geschwindigkeit zwischen Laser und Werkstück, wie sie unter anderem beim Roboterschweißen auftreten können, aber auch Inhomogenitäten in Material und Oberfläche des Werkstückes ausgeglichen werden. Allerdings geben die oben genannten Bildmerkmale die aktuelle Prozessenergie nur zeitlich versetzt wieder, was dazu führt, dass die Laserleistung zu lange angepasst und somit die Prozessenergie über das vom Merkmal vorgegebene Maß hinaus erhöht oder erniedrigt wird.
Zu diesem zeitlichen Versatz kommt es aufgrund der technisch bedingten Reaktionszeit des Laserssystems sowie durch die physikalisch bedingte Trägheit des Prozesses selbst, beispielsweise dadurch, dass sich die Temperatur im Werkstück aufgrund der Wärmekapazität und der Konvektion im Schmelzbad nur langsam ändert.
Eine weitere Ursache ist der räumliche Versatz zwischen dem Punkt der Schweißnaht, an dem die Prozessenergie über das Merkmal gemessen wird, und dem Auftreffpunkt des Lasers. Dieser räumliche Versatz kann sich zeitlich sehr schnell ändern, da beispielsweise das Durchschweißloch seine Position innerhalb der Schmelze ändern kann.
Da die Strömungsgeschwindigkeiten in der Schmelze groß gegenüber dem Vorschub des Lasers sind, kann der räumliche Versatz Δs zwischen der optischen Achse des Lasers und der Position des Merkmals und die damit über den Vorschub u verbundene zeitliche Verschiebung τ = Δs/u zwischen der Leistungsänderung und der Messung des Merkmals sehr schnell fluktuieren. Diese räumliche Fluktuation kann daher dazu führen, dass auch die zeitliche Trägheit des Regelsystems fluktuiert. Die bekannten Regelstrategien führen daher zu sehr unregelmäßigen Schwankungen der Regelamplitude. Diese können zwar durch eine kleine Schrittweite ΔP verringert werden, allerdings nur um den Preis, dass damit gleichzeitig die Trägheit der Regelung gegenüber kurzzeitigen Schwankungen erhöht wird.
Die aus den oben genannten Quellen bekannten Merkmale weisen zusätzlich die Besonderheit auf, dass sie kein lineares Maß für die Prozessenergie darstellen, sondern sich in der Nähe eines bestimmten Wertes Θ₀ der Prozessenergie Θ sehr stark ändern, sie sich jedoch bei größeren Abweichungen der Prozessenergie von diesem Wert Θ₀ keine signifikante Information über die Abweichung ΔΘ = Θ – Θ₀ der aktuellen Prozessenergie Θ liefern.
Die Regelgröße, und hiermit verknüpft auch das Merkmal, hat daher nur einen eingeschränkten Wertebereich. Beispielsweise verschwindet das Durchschweißloch bei einer zu niedrigen Prozessenergie vollständig und auch bei einer zu hohen Prozessenergie ändert sich ab einem gewissen Überschuss ΔΘ die über die Fläche oder den Durchmesser gemessene Größe nur noch geringfügig. Dieser nichtlineare Charakter des Merkmals führt dazu, dass weit verbreitete Regelstrategien wie Proportional/Integral/Differentialregler nur in einem sehr engen Übergangsbereich um den Wert Θ₀ angewendet werden können.
Hinzu tritt, dass der in die Schweißnaht eingebrachte Energieüberschuss in vielen Fällen nicht beliebig klein gewählt werden kann, da es zu Hystereseeffekten kommen kann. Beispielsweise wirkt nämlich die Oberflächenspannung der Schmelze sowohl der Entstehung des Durchschweißloches als auch der Schließung des Durchschweißloches entgegen.
Es besteht daher die Aufgabe, ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser zur Verfügung zu stellen, bei welchem unter Verhinderung negativer Auswirkungen auf das bearbeitete Werkstück auf einfache Weise eine Prozessregelung durchgeführt wird, die trotz beschränkten Wertebereiches des Regelsignals stabil in demjenigen Sinne ist, dass sie jederzeit zu der Prozessenergie zurückkehrt, bei der das den Prozess charakterisierende Merkmal seinen Zustand ändert, und eine hohe Regelungsgüte aufweist solange sich der Prozess in der Nähe der benötigten Prozessenergie befindet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, bei dem das optische Merkmal für zumindest einen bestimmten Wert der Prozessenergie einen Übergang zwischen wenigstens zwei Zuständen aufweist und die Prozessenergie durch Berücksichtigung der Historie des Regelsignals und/oder der Stellgröße mit kontrollierter Regelamplitude geregelt wird. Dabei können optische Merkmale vorteilhafter Weise das Auftreten des Durchschweißlochs, also der Öffnung der Dampfkapillare an der dem Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks, oder die Breite des Schmelzbades sein. Als Stellgrößen kommen hierbei zweckmäßigerweise zum Beispiel die sehr schnell anpassbare Laserleistung P, der Vorschub u oder die Fokuslage des Lasers relativ zur Werkzeugoberfläche, welche sich auf den Strahldurchmesser l auswirkt, in Betracht. Das beanspruchte Verfahren zeichnet sich also zuvorderst dadurch aus, dass es neben dem eigentlichen Bildmerkmal die Historie des Regelsignals und/oder der Stellgröße ausnutzt.
Insbesondere kann die Historie bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens dazu genutzt werden, um einen Arbeitspunkt P₀ für die Stellgröße P abzuleiten. Über diesen Arbeitspunkt kann der Wertebereich für die Stellgröße P und damit der während der Reaktionszeit in das Werkstück eingebrachte Überschuss an Prozessenergie kontrolliert werden. Gut ausnutzbar ist hierbei der Umstand, dass das aus dem optischen Merkmal abgeleitete Regelsignal zwischen den wenigstens zwei Zuständen, welche „Prozessenergie zu hoch” bzw. „Prozessenergie zu niedrig” anzeigen, oszilliert. Dieser Oszillation des Regelsignals entspricht dann auch eine Oszillation der Stellgröße. Der Arbeitspunkt kann dann beispielsweise als mittlere Leistung über mehrere Oszillationen bestimmt werden. Aus diesem Arbeitspunkt wiederum können Ober- und Untergrenzen P_max und P_min abgeleitet werden, innerhalb derer die Stellgröße P nach Algorithmen, wie sie durchaus bereits auf dem Gebiet der Prozessregelung bekannt sind, angepasst werden kann.
Eine enge Wahl der Grenzen P_max und P_min begrenzt den Überschuss der Prozessenergie nach oben, während eine schnelle Anpassung der Stellgröße über eine große Schrittweite ΔP zusammen mit der Reaktionszeit des Regelsystems die Schwingungsamplitude der Prozessenergie nach unten begrenzt. Eine enge Wahl der Grenzen P_max und P_min erhöht jedoch auch die Trägheit der Regelung, wenn sich die benötigte Prozessenergie ändert. In diesem Fall ändert sich jedoch auch die Historie der Stellgröße, beispielsweise bleiben die Oszillationen aus, und es kann anhand der Historie ein neuer Anpassungsalgorithmus für die Stellgröße, beispielsweise eine größere Schrittweite ΔP₀, verwendet werden. Vorteilhafterweise wird hierdurch also die Trägheit der Regelung von der Amplitude der Stellgröße P entkoppelt.
Es kann demnach auf einfache Weise eine Prozessregelung durchgeführt werden, welche trotz des beschränkten Wertebereiches des Regelsignals stabil ist in dem Sinn, dass sie jederzeit zu der Prozessenergie zurückkehrt, bei der das Merkmal auftritt, und welche eine kontrollierte Schwingungsamplitude und somit Güte der Regelung aufweist, solange sich der Prozess in der Nähe der benötigten Prozessenergie befindet.
Ein erneutes Anfahren von mehreren Arbeitspunkten, wie es in realen Prozessen vorkommen kann, kann bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens von außen durch ein Triggersignal vorgegeben werden, beispielsweise wenn sich beim Schweißen mit einem Roboter oder Scanner der Betrag oder die Richtung des Vorschubes u oder die Fokuslage ändern. Beim Hybridschweißen, wenn also neben dem Laser eine zweite Wärmequelle wie etwa ein Lichtbogen verwendet wird, kann das Anfahren der Arbeitspunkte mit dem Ein- und Ausschalten dieser zweiten Wärmequelle gekoppelt werden. So können beispielsweise beim Lichtbogen-unterstützten Laserschweißen jeweils zwei Arbeitspunkte mit und ohne Lichtbogen ermittelt und daraus ein Wert für die Laserleistung P(t) errechnet werden.
Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können als zumindest eine Stellgröße die Laserleistung, der als Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück definierbare Vorschub und/oder die Fokuslage des Laserstrahls relativ zur Werkstückoberfläche verwendet werden.
Ist das Materialbearbeitungsverfahren ein Laserschweißprozess, der eine Dampfkapillare ausbildet, so kann zweckmäßigerweise das optische Merkmal durch die Form eines Durchschweißlochs und/oder geometrische Merkmale des Schmelzbades gebildet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Verfahren bei als Blechstapel mit mindestens zwei Blechen ausgebildeten Werkstücken mit Überlapp-Schweißnähten zur Gewinnung von Arbeitspunkten an den Spalten zwischen den Blechen sowie an der Unterseite des untersten Bleches eingesetzt werden. In einer Weiterbildung lassen sich hierdurch die Lage und Größe der Spalte zwischen den Blechen kontrollieren.
Überdies ist bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens anhand von Arbeitspunkten wenigstens ein Wert für die zumindest eine Stellgröße ermittelbar, der ein gezieltes Einschweißen in vordefinierte Bleche ermöglicht.
Mit einer besonders zweckmäßigen Variante des Verfahrens kann überdies der Wert für die zumindest eine Stellgröße unter der Maßgabe ermittelt werden, dass bei einem Werkstück aus Blechen die Außenfläche des dem Laserstrahl äußerst abgewandten Bleches nicht verletzt wird, so dass für einen Betrachter des Werkstücks aus der betreffenden Richtung hier keine Schweißnaht sichtbar ist.
Weitere vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Aus den gleichen wie den oben erwähnten Gründen wird die gestellte Aufgabe auch durch eine Vorrichtung gelöst, die zur Verwendung in einem vorgenannten Verfahren vorgesehen ist und die einen Laser, ein Erfassungsmittel für wenigstens ein optisches Merkmal und wenigstens eine Datenverarbeitungseinheit aufweist, welche anhand wenigstens eines von dem optischen Merkmal abgeleiteten Regelsignals zumindest eine Stellgröße erzeugt, welche Einfluss auf die Prozessenergie des Materialbearbeitungsprozesses hat, und sich dadurch auszeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit unter Berücksichtigung der Historie von Regelsignal und/oder Stellgröße die Prozessenergie mit kontrollierter Regelamplitude regelt.
Insbesondere mit der betreffenden Vorrichtung wird ein Laserschweißvorgang als ein Materialbearbeitungsvorgang unter dem vorgenannten Verfahren dann etwa wie folgt ablaufen: Das Werkstück wird durch den Laser erhitzt, bis es Verdampfungstemperatur erreicht, was bei den meisten metallischen Werkstoffen bei Leistungsdichten um 10⁶ W/cm² und Bestrahlungsdauern im Bereich um 10^–2 bis 10^–3 s der Fall ist. Durch den dabei entstehenden Dampfdruck wird das schmelzflüssige Metall verdrängt und es entsteht eine Dampfkapillare im Auftreffbereich des Laserstrahls. Diese Dampfkapillare verstärkt die Einkopplung des Laserlichtes in das Werkstück durch Mehrfachreflexion an den Wänden. Ihre Tiefe steigt mit zunehmender Laserleistung bzw. mit abnehmendem Vorschub, während die Größe ihrer Öffnung an der Oberseite des Werkstückes durch den Auftreffbereich des Lasers begrenzt ist. Aufgrund der Wärmekapazität des Werkstücks benötigt der Prozess eine gewisse Zeit, bis die Dampfkapillare ihre endgültige Tiefe erreicht hat. Während des Vorschubs wird die Verdampfungsfront der Kapillaren eine gewisse Neigung aufweisen, die durch den Durchmesser des Laserstrahls und die Tiefe der Kapillare bestimmt wird.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in teilweise schematisierter Darstellung die
1 eine Vorrichtung für einen Laserschweißprozess mit zum Laserstrahl koaxialem Erfassungsmittel zusammen mit einer geschnittenen Seitenansicht eines dem Schweißprozess unterworfenen Werkstücks aus zwei Blechen sowie einer Draufsicht auf das von dem Erfassungsmittel hiervon aufgenommene Bild;
2 Auftragung der Abhängigkeit des Regelsignals ϱ_Merkmal von der Prozessenergie Θ mit Darstellung der Hysterese;
3 Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem messtechnisch nicht zugänglichen Prozessenergieüberschuss ΔΘ, der Laserleistung P am Auftreffpunkt des Laserstrahls und dem Regelsigϱ_Merkmal durch Auftragung über die Zeit;
4 Darstellung einer Regelstrategie für einen Laserschweißprozess, die durch ihren Regelalgorithmus beim Ausbleiben der Oszillationen den Arbeitspunkt P₀ anpasst und den Bereich der Laserleistung P(t), innerhalb dem das Signal schwingen kann, auf einen Bereich von P_min bis P_max eingrenzt;
5 Anhand der Gleichungen (2) und (5) simulierter Leistungsverlauf P(t), Prozessenergieüberschuss und Regelsignal für einen konstanten Wert von Θ₀ sowie für einen bestimmten Parametersatz nach bekannten Verfahren (strichliniert) und dem Algorithmus aus 4 (liniert);
6 Darstellung des Verhaltens der Laserleistung P(t) und des Regelsignals ϱ_Merkmal bei Anwendung des Algorithmus aus der 4 für einen Überlapp-Schweißstoß, bei welchem sich die Blechdicke d und damit die Energiedichte Θ₀ sprunghaft ändert.
7 Darstellung des kontrollierten Einschweißens in ein Unterblech durch Ermittlung eines zur Verschiebung der Solidus-Liquidus-Linie in das betreffende Unterblech notwendigen Leistungsmaßes P_S mit Auftragung von Laserleistung P(t), Regelsignal ϱ_Merkmal und Blechdicken d über die Zeit t;
8 Darstellung eines kontrollierten Einschweißprozesses in einen Stapel aus drei Blechen, zwischen denen sich jeweils ein Spalt befindet mit Auftragung von Laserleistung P(t) und Blechdicken d über die Zeit t.
In 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eines Laserschweißprozesses zu erkennen, in welche eine Kamera 17 zur koaxialen Beobachtung des Prozesses integriert wurde, zusammen mit einem Querschnitt durch einen Schweißprozess an einem Werkstück i und dem daraus resultierenden Kamerabild ii. Der Laser 10 erzeugt einen Laserstrahl 11, der über einen Strahlteiler 14 umgelenkt und über eine Fokussieroptik 13 auf das Werkstück i fokussiert wird. Die optische Achse des Laserstrahls ist dabei mit 12 bezeichnet. Bei hinreichend großer Leistungsdichte bildet sich an dem Werkstück i eine Durchschweißung aus. Diese ist gekennzeichnet durch eine Dampfkapillare 3, an deren Vorderwand 4 der Laserstrahl 11 absorbiert wird. Durch den Vorschub u des Laserstrahls 11 relativ zum Werkstück i werden bei hinreichend großer Leistungsdichte sowohl das Oberblech 6 als auch das Unterblech 6a des Werkstücks i aufgeschmolzen. Das dadurch entstehende Schmelzbad 1 erstarrt nach einer gewissen Zeit zur Schweißnaht 5.
Ist die Leistungsdichte des Laserstrahls hoch genug, durchdringt die Dampfkapillare 3 Ober- und Unterblech 6, 6a ebenso wie den dazwischen liegenden Spalt 7 vollständig und bildet an der Unterseite des Unterblechs 6a das Durchschweißloch 2.
Die Kamera 17 ist über eine Beobachtungsoptik 16 eingekoppelt, deren optische Achse 21 ab dem Strahlteiler 14 koaxial zur optischen Achse 12 des Laserstrahls 11 verläuft. Die Draufsicht ii auf das Werkstück i wird über die Fokussieroptik 13, den Strahlteiler 14, einen optischen Filter 15 und eine Abbildungsoptik 16 auf die Kamera 17 abgebildet.
In der Draufsicht ii auf das Werkstück i, welche auf die Kamera 17 abgebildet wird, sind sowohl das Schmelzbad 1', das Durchschweißloch 2', die Dampfkapillare 3', als auch der absorbierte Laserstrahl 11 auf der Kapillarvorderwand 4' zu erkennen. Der Durchmesser l der Draufsicht ii auf die Kapillarvorderwand 4' entspricht ungefähr dem tatsächlichen Durchmesser des Laserstrahls 11. Der Abstand der vorderen Begrenzung des Durchschweißloches 2' zur optischen Achse 12 des Laserstrahls 11 ist mit Δs bezeichnet. Die Breite des Schmelzbades 1' ist mit b bezeichnet.
Das von der Kamera 17 aufgezeichnete, im Wesentlichen der Draufsicht ii entsprechende Bild wird in Echtzeit über die Datenverbindung 18 zur Datenverarbeitungseinheit 19 übermittelt und dort ausgewertet. Entsprechend des Bildverarbeitungs- und Regelalgorithmus generiert die Datenverarbeitungseinheit 19 eine Stellgröße 20 mit dem das Lasergerät 10 in seiner Laserleistung, dem Vorschub u oder in der Fokusposition zum Werkstück geregelt wird.
Wenn, wie in 1 gezeigt, die Tiefe der Dampfkapillare 3 die Dicke d des Werkstückes i übersteigt, dann kann sie sich an der Unterseite des Werkstückes öffnen und es bildet sich das Durchschweißloch 2. Während die Oberflächentemperatur an den Wänden der Dampfkapillare 3 der Verdampfungstemperatur des Werkstückes ii entspricht, kühlt die Schmelze im Bereich der Öffnung ab oder es ist dort, wie in 1 dargestellt, keine Strahlungsquelle vorhanden. Aus diesem Grund ist die Vorrichtung in 1 mit einem optischen Filter 15 versehen, welcher das von der Kamera 17 beobachtete Spektrum auf den Bereich der thermischen Strahlung einschränkt. Die Intensitätswerte des Kamerabildes entsprechen somit weitgehend der Temperaturverteilung auf der Werkstückoberfläche und in diesem Temperaturbild ii erscheint das Durchschweißloch 2 als dunkler Bereich 2' in einer helleren Umgebung 3' bzw. 4'. Die Entstehung des Durchschweißloches 2 ist ein komplexer Prozess, welcher unter anderem durch die Strömungsverhältnisse in der verdrängten Schmelze und ihrer Oberflächenspannung sowie von der Strömung des Metalldampfes in der Dampfkapillaren abhängt. Größe, Form und Lage des Durchschweißloches 2 können daher sehr schnell fluktuieren. Da sich die Dampfkapillare 3 nach unten verjüngt, ist die Größe des Durchschweißloches 2 durch den Auftreffbereich des Laserstrahls 11 nach oben beschränkt.
Die Tiefe der Dampfkapillaren 3 und hierdurch auch das Durchschweißloch 2, welches entsteht, wenn die Dampfkapillare 3 die Unterseite des Werkstückes i erreicht, hängt von der während der Bestrahlungsdauer in den Schweißprozess eingebrachten flächenbezogenen Energiedichte entlang eines Streckenelementes ds in Richtung des Vorschubes u ab. Die Leistungsdichte ergibt sich aus optischen Laserleistung und der Fläche des Auftreffbereiches auf dem Werkstück i, welche durch den Strahldurchmesser l beschrieben wird. Der Strahldurchmesser l bestimmt zusammen mit dem Vorschub u auch die Bestrahlungsdauer. Für einen Laserstrahl 11 mit einer festen Intensitätsverteilung gibt daher der Quotient aus Laserleistung P_Laser und Vorschub u die Energie wieder, welche entlang der Schweißnaht auf ein Streckenelement ds eingestrahlt wird. Von dieser eingestrahlten Energie wird jedoch nur ein Anteil η im Prozess, und damit in der Dampfkapillaren 3 wirksam. Dieser prozesswirksame Anteil soll nachfolgend als Prozessenergie Θ bezeichnet werden, weswegen die Beziehung:
gilt. Die Streckenenergie Σ bezeichnet die entlang eines Streckenelementes ds eingestrahlte Energie P_Laser/u. Von dieser wird ein Anteil, welcher üblicherweise durch einen dimensionslosen Einkoppelgrad α beschrieben wird, in das Werkstück i eingekoppelt. Von dieser eingekoppelten Energie wird wiederum nur ein Teil für den Schweißprozess wirksam; andere Teile gehen beispielsweise durch Wärmeleitung oder Konvektion in der Schmelze sowie in der Gasphase verloren. Die meisten dieser Prozesse laufen sehr schnell ab und können sich durchaus auch während der Bestrahlungsdauer ändern. Für die Modellierung des Schweißprozesses soll jedoch davon ausgegangen werden, dass sie zumindest im zeitlichen Mittel und unter konstanten Prozessbedingungen konstant sind. Unter diesen Voraussetzungen besteht ein proportionaler Zusammenhang zwischen der Prozessenergie und der Streckenenergie; erstere beschreibt die im Prozess wirksame und daher für das Merkmal relevante Energie während letztere die leichter beobachtbare Energieeinstrahlung auf das Werkstück bezeichnet. Der Faktor η entspricht dann dem Prozesswirkungsgrad.
Wenn die Leistungsdichte des Laserstrahls die Tiefschweißschwelle nicht überschreitet, liegt ein sogenannter Wärmeleitungsschweißprozess vor. In diesem Fall bildet sich keine Dampfkapillare aus und das Schmelzbad wird nur durch die Wärmeleitung des Materials ausgebildet. Schweißnähte dieser Art sind in der Regel weniger tief als breit und es bildet sich auch kein Durchschweißloch, da es keine Dampfkapillare gibt. In solchen Fällen kann alternativ zum Durchschweißloch bei konstantem Vorschub u auch, wie ebenfalls der 1 entnehmbar ist, die Geometrie des Schmelzbades, wie z. B. die Schmelzbadbreite b als indirektes Maß für die Einschweißtiefe verwendet werden.
Zur Regelung der Einschweißtiefe stehen also mehrere Merkmale zur Verfügung, welche sich jedoch nicht proportional zur Einschweißtiefe verhalten, sondern sich nur in einem eingeschränkten Übergangsbereich ΔΘ₀ um einen Wert Θ₀ der Prozessenergie herum signifikant ändern. Auf jedes der Merkmale können verschiedene Maße ϱ_Merkmal angewendet werden. Beispielsweise kann die Schmelzbadbreite oder -länge als Maximalwert oder als mittlerer Wert in einem gewissen Bereich gemessen werden. Auch für das Durchschweißloch 2 können verschiedene geometrische Maße wie Fläche oder Durchmesser verwendet werden. Aufgrund der oben beschriebenen physikalischen Abläufe weisen diese Maße ϱ_Merkmal eine ähnliche Abhängigkeit von der Prozessenergie Θ auf, welche in 2 skizziert ist.
Die Bilder beider Merkmale fluktuieren während der Bestrahlungsdauer. Bei der Schmelzbadbreite liegt das insbesondere an Störungen durch Metalldampf, beim Durchschweißloch 2 tritt außerdem die Strömungsdynamik in der Schmelze hinzu. Letztere führt nicht nur zu kurzzeitigen Fluktuationen von Form und Größe des Durchschweißloches 2, sondern es können auch Hystereseeffekte auftreten, da beispielsweise die Oberflächenspannung der Schmelze sowohl der Öffnung der Dampfkapillaren 3 bei steigender Prozessenergie Θ als auch ihrer Verschließung im umgekehrten Fall entgegen wirkt. Dieses Verhalten wird durch die beiden Kurven in der 2 angedeutet.
In der Praxis wird man daher in der Regel einen komplexeren Algorithmus verwenden, welcher aus mehreren Kriterien ein Maß ϱ_Merkmal ermittelt. Für die Stabilität der Regelung ist es auch vorteilhaft, wenn der aktuelle Wert von ϱ_Merkmal innerhalb der Reaktionszeit des Schweißprozesses möglichst oft ermittelt wird. Für das nachfolgend beschriebene Modell zur Regelung des Laserschweißprozesses soll ϱ_Merkmal daher als Wahrscheinlichkeit dafür aufgefasst werden, dass das Merkmal bei einer aktuellen Prozessenergie Θ eine zu hohe Prozessenergie anzeigt.
In diesem Fall ist ϱ_Merkmal eine dimensionslose Größe und es gilt 0 ≤ ϱ_min < ϱ_max ≤ 1. Im Idealfall gelten ϱ_min = 0 und ϱ_max = 1. Für die Regelung spielt es keine Rolle, ob diese Werte aus physikalischen Gründen, beispielsweise weil das Durchschweißloch 2 aufgrund der Schmelzströmungen gerade nicht sichtbar ist, oder etwa aufgrund von Unzulänglichkeiten in der Detektion, nicht erreicht werden.
Soll ϱ_Merkmal(Θ), wie es in der 2 zu erkennen ist, als Regelsignal verwendet werden, dann ist für die Stabilität der Regelung das Verhalten des Regelsystems bei den Extremwerten ϱ_max und ϱ_min ausschlaggebend. Der Übergangsbereich kann hierbei in vielen Fällen vernachlässigt werden. In diesen Fällen kann ϱ_Merkmal(Θ) näherungsweise als „binäres” Regelsignal aufgefasst werden, welches bei der Prozessenergie Θ₀ vom Wert ϱ_min in den Wert ϱ_max übergeht. Es ist daher von einem unstetigen Zusammenhang zwischen der Regelgröße ϱ_Merkmal(Θ) und der Stellgröße P auszugehen.
Insbesondere beim Durchschweißloch 2 handelt es sich daher um ein Merkmal, welches im Übergangsbereich um Θ₀ sehr empfindlich auf Änderungen der Prozessbedingungen reagiert. Aufgrund der oben beschriebenen Unstetigkeit muss, um es für eine Regelung zu verwenden, eine Regelstrategie entworfen werden, welche die Stellgröße unter konstanten Prozessbedingungen mit einer möglichst hohen Güte auf den gewünschten Zustand anpasst und unter wechselnden Prozessbedingungen immer wieder schnell und stabil zu diesem Übergang zurückkehrt.
Zur Ableitung einer solchen Regelstrategie wird nachfolgend anhand der Zeichnungsfiguren ein Modell für den Zusammenhang zwischen der Prozessenergie Θ, der Stellgröße und den oben beschriebenen Merkmalen entwickelt. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Wert von Θ₀ unter konstanten Prozessbedingungen beispielsweise für die Werkstückdicke d, den Vorschub u und den Strahldurchmesser l, zeitlich konstant ist. Die Prozessenergie Θ(x →₀, t) zum Zeitpunkt t am Ort x →₀ des Merkmals kann dann in einen zeitlich konstanten Anteil Θ₀(d, u, l, ..) und eine zeitabhängige Abweichung ΔΘ(t) aufgespaltet werden. Werte von ΔΘ(t) > 0 bedeuten dann, dass das Merkmal mit großer Wahrscheinlichkeit eine zu hohe Prozessenergie anzeigt, bei Werten von ΔΘ(t) < 0 ist es dementsprechend umgekehrt.
Nach der Definition der Prozessenergie Θ in der obigen Gleichung (1) hängt diese von der Laserleistung P_Laser und dem Vorschub u ab. Allerdings kann es zu zeitlichen Verzögerungen kommen, beispielsweise aufgrund der physikalischen Trägheit des Schweißprozesses aufgrund von Wärmekapazität(en), der räumlichen Verschiebung des Durchschweißloches 2 gegenüber der optischen Achse 12 des Laserstrahls 11 und aufgrund der Reaktionszeit der Regelstrecke. Daher wird für Θ(x →₀, t) folgender Ansatz gewählt:
wobei Θ(x →₀, t) die Prozessenergie Θ zum Zeitpunkt t am Ort x →₀ des Merkmals bezeichnet, Θ₀ den in 2 skizzierten Übergangswert und ΔΘ(t) den Prozessenergieüberschuss, also die Abweichung der aktuellen Prozessenergie von dem Übergangswert Θ₀. Der genaue Wert von Θ₀ kann variieren, unter anderem mit der Blechdicke d, dem Fokusdurchmesser l und dem Vorschub u, beispielsweise weil bei langsamem Vorschub u mehr Wärme durch Wärmeleitung verloren geht.
Über die Gewichtungsfunktion ζ(t) wird der zeitliche Versatz zwischen Energieeintrag in den Prozess und der Messung der Prozessenergie Θ über das Merkmal berücksichtigt. Diese Gewichtungsfunktion ist normiert, d. h. es gilt
Sie besitzt daher die Einheit s^–1. Für Werte von t zwischen 0 und τ_max soll sie größer gleich Null sein, da sich nur die innerhalb dieser Zeit eingekoppelte Leistung auf die Prozessenergie Θ auswirkt, ansonsten gilt ζ(t) = 0. Die obere Grenze τ_max für den zeitlichen Versatz lässt sich aus der Bestrahlungsdauer, der Reaktionszeit des Prozesses und dem räumlichen Versatz zwischen Laserstrahl und Bildmerkmal abschätzen. Die effektive Reaktionszeit τ des Prozesses ergibt sich demnach als
Sie liegt zwischen Θ und τ_max. Unter den möglichen Stellgrößen zur Beeinflussung der Prozessenergie Θ, nämlich der Laserleistung P_Laser, dem Vorschub u und dem Durchmesser l des Laserstrahls 11 auf der Oberfläche des Werkstücks i, kann die Laserleistung P_Laser – zumindest bei Lasern mit Pumpdioden – am schnellsten angepasst werden. Für die weitere Betrachtung soll daher die Stellgröße P mit der Laserleistung P_Laser gleichgesetzt werden. Eine bevorzugte Variante ist die Anpassung der Leistungsänderung anhand des Regelsignals ϱ_Merkmal:
wobei der Punkt über der Leistungsänderung für die Ableitung nach der Zeit steht.
Bei der Funktion S(ϱ) handelt es sich um eine Skalierungsfunktion, welche das Regelsignal ϱ_Merkmal auf den Wertebereich von –1 bis 1 umskaliert. Ein Wert von –1 bedeutet, dass das Merkmal eine zu niedrige Prozessenergie Θ anzeigt, und ein Wert von 1 bedeutet, dass die aktuelle Prozessenergie Θ einen Überschuss aufweist. Der Parameter a(H) in der Einheit W/s bestimmt die Leistungsanpassung. Hierbei kann es sich, wie in Gleichung (6) gezeigt, um eine Konstante handeln, oder um einen Faktor, der anhand der Historie H des Regelsignals und/oder der Stellgröße angepasst wird. Die Schwierigkeit der Regelung besteht darin, dass der Prozessenergieüberschuss ΔΘ nur indirekt zugänglich ist, und, sofern die Hysterese-Effekte dies nicht verhindern, in einem sehr kleinen Bereich ΔΘ₀ um Θ₀ abgeschätzt werden kann.
Bei bekannten Regelverfahren wird der aktuelle Überschuss ΔΘ der Prozessenergie Θ nicht berücksichtigt und für ein kamerabasiertes System mit der Bildfrequenz f eine konstante Schrittweite ΔP für die Anpassung der Leistung gewählt: a = fΔP (6).
3 zeigt diesen Zusammenhang zwischen dem zeitlichen Verlauf des Regelsignals ϱ_Merkmal, einem bevorzugten Stellsignal, nämlich der Laserleistung P am Auftreffpunkt des Laserstrahls 11, und dem messtechnisch nicht zugänglichen Überschuss ΔΘ der Prozessenergie Θ an der Stelle des Merkmals, wie er durch Gleichung (2) beschrieben wird. Zur Vereinfachung wird für das Regelsignal ϱ_Merkmal die oben beschriebene binäre Näherung verwendet und der Vorschub u sowie die Blechdicke d als konstant angenommen. Der reale Verlauf des Signals ϱ_Merkmal wird durch die gestrichelte Linie angedeutet. Zu Beginn zeigt das Merkmal eine zu niedrige Prozessenergie Θ und die Laserleistung P(t) wird aufgrund der Konstanten a linear erhöht. Ab dem Zeitpunkt t₁ übersteigt die Prozessenergie Θ den durch den Übergang des Merkmals festgelegten Wert Θ₀, d. h. der Prozessenergieüberschuss ΔΘ wird positiv. Aufgrund der zeitlichen und räumlichen Verzögerung, welche in Gleichung (2) über die Gewichtungsfunktion ζ(t) berücksichtigt wird, liegt die Leistung zum Zeitpunkt t₁ jedoch bereits über dem Wert, welcher für die Prozessenergie Θ₀ notwendig wäre. Aufgrund dieses Leistungsüberschusses steigt die Prozessenergie an der Stelle des Merkmals noch bis zum Zeitpunkt t₂ an und erreicht erst bei t₃ den Wert Θ₀, an dem das Regelsignal eine zu niedrige Prozessenergie anzeigt. Die Laserleistung P erreicht zu diesem Zeitpunkt ihr Minimum P_min, welches jedoch unter dem für Θ₀ notwendigen Wert P₀ liegt. Dieser Vorgang wiederholt sich periodisch und die Zeitkonstante τ kann abgeschätzt werden als τ = t₃ – t₁ ≈ t₅ – t₃ (7)
Die Auftragung der 3 legt nahe, den Verlauf der Laserleistung P(t) in den zeitlichen Mittelwert P₀ über mehrere Schwingungsperioden sowie in einen zeitabhängigen Teil ΔP(t) aufzuspalten. Setzt man dieses in Gleichung (2) ein, so ergibt sich für einen zeitlich konstanten Vorschub u die Beziehung
Wählt man die Leistungsanpassung a in Gleichung (5) symmetrisch zum Vorzeichen von S(ϱ), dann ist der zeitliche Mittelwert über mehrere Perioden sowohl von ΔΘ(t) als auch von P_t(t) gleich Null, weswegen die Beziehung P₀ ≈ u / ηΘ₀(d, u, l, ...) (9) gilt. Damit ist gezeigt, dass sich aus der Historie H des Verlaufs von P(t) eine Aussage über die mittlere Laserleistung treffen lässt, welche zum Erreichen der Prozessenergie Θ₀ notwendig ist, sofern sich der Vorschub u in der Zeit der Historienbetrachtung nicht signifikant ändert. Insbesondere stellt das Auftreten von Oszillationen der Laserleistung P ein Signal dar, welches sehr robust das Überschreiten der Prozessenergie Θ₀ anzeigt. Der Arbeitspunkt P₀ kann als gleitender Mittelwert über mehrere Schwingungsperioden der Laserleistung P(t) bestimmt werden.
Damit steht im Prinzip eine proportionale Regelgröße mit einem Sollwert zur Verfügung, auf die bekannte Regelstrategien wie ein Proportional/Differential/Integralregler angewandt werden können. Die Größe a in Gleichung (5) kann als Differential-Anteil und der gleitende Mittelwert P₀ als Integralanteil aufgefasst werden. Allerdings ist sie durch das Warten auf mehrere Oszillationen recht träge, da alleine die räumliche Verschiebung zwischen Merkmal und Auftreffpunkt zu Zeitverzögerungen im Bereich mehrerer Millisekunden führen kann. Befindet sich das Durchschweißloch 2 beispielsweise am hinteren Ende des Auftreffbereiches des Laserstrahls 11 auf dem Werkstück i, wie das etwa bei einer Blechdicke von 1.5 mm und einem Vorschub u von 9 m/min der Fall ist, dann ergibt sich bei einem Strahldurchmesser l von 0.6 mm eine Zeitkonstante τ = l/2u von 4 ms. Diese entspricht nach 3 einer halben Schwingungsperiode bzw. einer Oszillationsfrequenz von 125 Hz. Die Regelung wäre entsprechend träger.
Aufgrund dessen wurde eine Regelstrategie entwickelt, welche den oben beschriebenen Arbeitspunkt P₀ dazu verwendet, um den Wertebereich der Stellgröße, in diesem Fall die Laserleistung P(t), auf einen Bereich P_min bis P_max einzuschränken. Auf diese Weise wird der während der Zeitkonstanten τ in den Prozess eingebrachte Energieüberschuss und damit die Schwingungsamplitude der Prozessenergie Θ reduziert; die Oszillation bleibt jedoch erhalten. Über die Wahl der Schrittweite ΔP in Gleichung (6) kann sichergestellt werden, dass die Grenzen P_min bis P_max auch erreicht und somit eine Mindestamplitude erreicht wird. Dadurch kann die Robustheit der Regelung gegen Hystereseeffekte erhöht werden.
Auch die Trägheit im Fall plötzlicher Änderungen von Θ₀, beispielsweise dann, wenn sich die Blechdicke d oder der Vorschub u ändern, kann über das Ausbleiben der Oszillationen detektiert werden. Das Ausbleiben von Oszillationen kann sehr schnell über den Umstand detektiert werden, dass die Laserleistung dann länger als die Zeitkonstanten τ oder τ_max an einer der Leistungsgrenzen P_min oder P_max bleibt. In diesem Fall kann eine zweite Regelstrategie solange angewandt werden, bis der Arbeitspunkt P₀ wieder erreicht wird. Das Erreichen des Arbeitspunktes P₀ kann durch das erneute Einsetzen von Oszillationen festgestellt werden, also anhand der Änderungen des Regelsignals ϱ_Merkmal(Θ).
Im einfachsten Fall können beim Aussetzen der Oszillationen die Leistungsgrenzen P_min und P_max aufgehoben und es kann ein anderer, in der Regel höherer Wert ΔP₀ für die Schrittweite gewählt werden.
In der 4 ist ein möglicher Algorithmus zur Implementierung einer solchen Regelstrategie gezeigt, die beim Ausbleiben der Oszillationen den Arbeitspunkt P₀ anpasst und den Bereich der Laserleistung P(t), innerhalb dem das Signal schwingen kann, auf einen Bereich von P_min bis P_max eingrenzt.
Zu Beginn wird ein Anfangswert für den Arbeitspunkt P₀ vorgegeben und die Zähler NP_max und NP_min für die Anzahl der Bilder, in denen die Maximalwerte P_max bzw. P_min erreicht wurden, auf Null gesetzt. Danach wird das Regelsignal durch die Datenverarbeitungseinheit 19 ermittelt.
Wenn kein Durchschweißloch vorhanden und die Laserleistung P(t) noch kleiner als der Maximalwert P_max ist, wird das Regelsignal – also die vorgegebene Laserleistung – um eine feste Schrittweite ΔP erhöht. War der Maximalwert P_max bereits erreicht, wird – sofern noch kein Stopp-Signal empfangen wurde – der Zähler NP_max erhöht. Hat auch dieser seinen Maximalwert N_max = τ/f erreicht, wird der Arbeitspunkt um eine feste Schrittweite ΔP₀ erhöht und der Algorithmus beginnt mit dem neuen Arbeitspunkt von vorne. War N_max noch nicht erreicht, wird die Laserleistung auf dem Maximalwert belassen. Wird in dem Bild ein Durchschweißloch 2 erkannt, dann wird die Laserleistung P(t) in analoger Weise reduziert.
Der Algorithmus in 4 verzichtet auf eine explizite Detektion für das erneute Einsetzen der Oszillationen anhand des Regelsignals ϱ_Merkmal(Θ). Stattdessen wird beim Ausbleiben von Oszillationen lediglich der Arbeitspunkt P₀ über die Schrittweite ΔP₀ angepasst. Dadurch ergibt sich in diesem Fall die Konstante a als
Dies bedeutet keine Erhöhung der Trägheit, da der Wert für ΔP₀ frei gewählt werden kann, möglicherweise auch in Abhängigkeit von der Historie der Regel- und/oder der Stellgröße. Beispielsweise können bei einem größeren zeitlichen Abstand zur letzten Oszillation größere Werte für P_max und kleinere für P_min gewählt werden.
Die 5 zeigt den anhand der Gleichungen (2) und (5) simulierten Leistungsverlauf für einen konstanten Wert von Θ₀ nach bekannten Verfahren (unterbrochene Linien) und nach dem Algorithmus aus 4 (durchgezogene Linien). In beiden Fällen beträgt die Bildrate 14 kHz und die Schrittweite ΔP 12 W. Die mittlere Leistung beträgt 5 kW für einen Vorschub von 9 m/min und eine Blechdicke von 1.5 mm. Der Durchmesser l des Laserstrahles wurde jeweils mit 0.6 mm angenommen.
Im Gegensatz zu bekannten Verfahren (gestrichelte Linie) wird nach dem Algorithmus aus 4 der Hub der Leistung anhand des lokalen Arbeitspunktes P₀ auf einen Bereich von P_min = 4.9 bis P_max = 5.1 kW eingegrenzt. Dadurch verringert sich die während der Reaktionszeit τ eingebrachte Leistungsüberschuss und damit die Schwingungsamplitude von ΔΘ von ca. 1 J/mm auf ca. 0.2 J/mm. Dadurch verbessern sich die Güte der Regelung und damit auch die Oberflächenqualität der Schweißnähte. Gleichzeitig verringert sich auch die Trägheit der Regelung, da der geringere Leistungsüberschuss auch schneller wieder abgebaut wird. Dies führt zu einer Steigerung der Oszillationsfrequenz von 125 auf 180 Hz und damit zu kürzeren Reaktionszeiten des in 4 dargestellten Algorithmus.
In der 6 ist das Verhalten des in 4 dargestellten Algorithmus für einen Überlapp-Schweißstoß gezeigt, bei dem sich die Blechdicke d und damit die Energiedichte Θ₀ sprunghaft ändert. Der obere Graph zeigt den zeitlichen Verlauf der Stellgröße P(t) (durchgezogene Linie) zusammen mit dem Arbeitspunkt P₀ (gepunktete Linie). Darunter wird der zugehörige Verlauf des Regelsignals ϱ_Merkmal dargestellt, was ab dem Zeitpunkt t₂ in der in 3 gezeigten binären Näherung erfolgt. Im unteren Graph wird die Blechdicke d, welche sich zum Zeitpunkt t am Auftreffpunkt des Laserstrahles 11 befindet, zusammen mit der Einschweißtiefe, also dem Verlauf der sogenannten Solidus-Liquidus-Grenze, dargestellt. Der Laser 10, der zum Zeitpunkt t = 0 eingeschaltet wird, trifft im vorliegenden Fall von unten auf das Oberblech 6 mit der Dicke d₀ = d₁. Die Dicke du des Unterbleches 6a beträgt zu diesem Zeitpunkt d₃ – d₂. Zwischen den beiden Blechen 6, 6a ist ein Abstand d_A = d₂ – d₁ eingezeichnet. Zum Zeitpunkt t₃ erreicht der Laserstrahl 11 die Stelle, an der sich die Dicke d_U des Unterbleches 6a auf den Wert d₄ – d₂ erhöht. An dieser Stelle wird für eine vollständige Durchschweißung eine höhere Prozessenergie Θ₀ benötigt. Der umgekehrte Fall tritt zum Zeitpunkt t₄ ein, wenn der Laserstrahl 11 die Kante erreicht, an der das Unterblech 6a wieder die ursprüngliche Dicke annimmt. Zum Zeitpunkt t₅ wird der Laser 10 abgeschaltet.
Die durchzogene Linie im unteren Graph der 6 skizziert den Verlauf der Einschweißtiefe bzw. der Solidus-Liquidus-Linie. Nach dem Einschalten wird das Material des Oberbleches 6 durch den Laserstrahl 11 erhitzt, bis es Verdampfungstemperatur erreicht. Durch den dabei entstehenden Dampfdruck wird das schmelzflüssige Metall verdrängt und es entsteht eine Dampfkapillare 3 im Wirkbereich des Laserstrahls 11. Aufgrund der Wärmekapazität des Werkstücks i benötigt der Laser 10 eine gewisse Zeit bis die Dampfkapillare 3 die Unterseite des Oberbleches 6 erreicht. Dies ist zum Zeitpunkt t₁ der Fall. Je nach Wahl der Laserleistung und des Abstandes d_A zwischen den Blechen 6, 6a kann es um diesen Zeitpunkt herum zu einer Situation kommen, dass die Dampfkapillare 3 an der Unterseite des Oberbleches 6 geöffnet, die Oberseite des Unterbleches 6a jedoch noch kalt ist. Das bedeutet, dass das Material unter der Öffnung der Dampfkapillare 3 nicht nennenswert Wärmestrahlung emittiert. In diesem Fall kann dort mit der in 1 gezeigten Vorrichtung kurzzeitig ein dem Durchschweißloch 2 ähnliches Bildmerkmal detektiert werden. Deshalb steigt zu diesem Zeitpunkt die Wahrscheinlichkeit der Detektion eines Durchschweißloches 2 kurzzeitig an, wie es durch den zugeordneten Verlauf des Regelsignals ϱ_Merkmal angedeutet ist.
Wenn, wie in 6 zu sehen, auf eine vollständige Durchschweißung beider Bleche 6, 6a geregelt werden soll, müssen die Startbedingungen des Algorithmus so gewählt werden, dass der erwähnte kurzzeitige Anstieg des Regelsignals ignoriert wird. Beim Leistungsverlauf P(t) wird im oberen Graph daher eine Startrampe angedeutet.
Zum Zeitpunkt t₂ erreicht die Einschweißtiefe die Unterseite des Unterbleches 6a und es tritt, wie im Regelsignal zu erkennen ist, erneut das Merkmal auf. Zu diesem Zeitpunkt setzt die Regelung ein und es entsteht ein Signalverlauf, wie er im rechten Teil von 5 gezeigt ist. Dies ist an den Oszillationen der Laserleistung P(t) und den Abflachungen beim erreichen der Leistungsgrenzen P_min und P_max zu erkennen. Der Arbeitspunkt P₀ liegt bis zu diesem Zeitpunkt bei einem konstanten Wert, welcher der Prozessenergie Θ₀(d₃ – d_A) entspricht. Um den Zeitpunkt t₃ herum setzen die Oszillationen aus und die Laserleistung P(t) erreicht für mehr als N_max Bilder die Leistungsobergrenze P_max. Daher wird ab diesem Zeitpunkt der Arbeitspunkt P₀ mit der in Gleichung (10) gezeigten Rate angepasst. Wird diese Rate zu niedrig gewählt, dann wird an dieser Stelle so lange nicht vollständig durchgeschweißt, bis der neue Wert Θ₀(d₄ – d_A) für das Auftreten des Merkmals erreicht wird. Dies ist an den erneut einsetzenden Oszillationen zu erkennen. Es stellt sich erneut ein mit 5 vergleichbarer Leistungsverlauf ein, bis zum Zeitpunkt t₄ die Oszillationen erneut ausbleiben, da die für den Übergang des Merkmals benötigte Prozessenergie wieder auf den Wert Θ₀(d₃ – d_A) absinkt. Um diesen Zeitpunkt herum zeigt das Regelsignal ϱ_Merkmal für einen längeren Zeitraum eine zu hohe Prozessenergie an, weshalb in mehr als N_max Bildern die Untergrenze P_min der Laserleistung erreicht wird. Daher wird der Arbeitspunkt mit der Rate aus Gleichung (10) verringert, bis die für den Übergang des Merkmals benötigte Prozessenergie Θ₀(d₃ – d_A) erreicht wird und die Oszillationen erneut einsetzen. Eine zu langsame Anpassung der Laserleistung P(t) führt in diesem Fall dazu, dass kurzzeitig zu stark durchschweißt wird. Dies ist durch den gestrichelten Verlauf der Solidus-Liquidus-Linie außerhalb des Unterbleches 6a angedeutet. Auch dieser Effekt kann, wie die mangelhafte Durchschweißung beim Zeitpunkt t₃, durch die Wahl eines großen Wertes für ΔP₀ unabhängig vom Regelverhalten zwischen den Übergängen minimiert werden.
Bisher wurde in allen Beispielen die Leistungsanpassung a in Gleichung (5) symmetrisch zum Vorzeichen der Skalierungsfunktion S(ϱ) vorgenommen, das heißt, wenn das Merkmal eine zu hohe Prozessenergie Θ anzeigt, wird die Laserleistung um den gleichen Betrag reduziert, um welchen sie im umgekehrten Fall erhöht wird. Unter dieser Voraussetzung gilt das in Gleichung (9) gezeigte Verhältnis zwischen dem zeitlichen Mittelwert P₀ der Laserleistung und der durch den Übergang des Merkmals markierten Prozessenergie Θ₀. Es kann jedoch verschoben werden, indem unterschiedliche Schrittweiten ΔP oder ΔP₀ für die Erhöhung bzw. Absenkung von Laserleistung P(t) und Arbeitspunkt P₀ gewählt werden. Wird beispielsweise die Laserleistung P(t) stärker abgesenkt als erhöht, so wird die dem Merkmalsübergang Θ₀ entsprechende Prozessenergie seltener erreicht, was zu einer niedrigeren mittleren Laserleistung führt. Auf diese Weise kann der zeitliche Mittelwert Θ der Prozessenergie gegenüber dem durch den Übergang des Merkmals definierten Wert Θ₀ verschoben werden. Da der Merkmalsübergang jedoch immer wieder erreicht werden muss, ist dieser Effekt auf die Amplitude der Oszillationen bzw. durch die Leistungsgrenzen P_min und P_max begrenzt.
In 6 wurde beschrieben, dass zum Zeitpunkt t₁ kurzzeitig ein dem Durchschweißloch 2 ähnliches Bildmerkmal erscheint. Das Aussehen und die Zeitdauer, in der es auftritt, hängen stark vom Abstand und von der Beschaffenheit der angrenzenden Oberflächen beider Bleche ab. Die reproduzierbare Herstellung dieses Abstandes unter Produktionsbedingungen ist jedoch schwierig und kann zu Fehlern in der Schweißverbindung führen. Beispielsweise kann in einem zu großen Spalt Schmelze verloren gehen, was die Festigkeit der Schweißnaht verringert. Ein zu kleiner Spalt kann ebenfalls zu Schmelzverlusten führen, beispielsweise weil bei verzinkten Stahlblechen das abdampfende Zink nicht durch den Spalt entweichen kann, was zu Spritzern an den Ober- und Unterseiten der Schweißnaht führt. Das Auftreten des Durchschweißloches 2 an dieser Stelle kann daher zur Charakterisierung des Spaltes herangezogen werden.
Das Auftreten des Durchschweißloches 2 an dieser Stelle kann aber auch zum kontrollierten Einschweißen in das Unterblech 6a verwendet werden. Hierzu wird ein Maß für die Leistung PS benötigt, welche zur Verschiebung der Solidus-Liquidus-Linie über den Spalt hinweg in das Unterblech 6a benötigt wird. Dieses Maß ist nicht durch den in 6 zum Zeitpunkt t₁ gezeichneten Peak im Regelsignal ϱ_Merkmal gegeben, da man sich zu diesem Zeitpunkt noch im thermischen Einschwingvorgang des Prozesses befindet. Würde man die Leistung P auf dem an dieser Stelle anliegenden Wert festhalten, dann würde die Solidus-Liquidus-Linie am Ende des Einschwingvorgangs in einer Tiefe d zwischen den Werten d₂ und d₃ liegen. Man kann jedoch das Auftreten des Durchschweißloches 2 dazu nutzen, um die Solidus-Liquidus-Linie in der Nähe des Spaltes festzuhalten, das thermische Gleichgewicht erreicht ist. Um dies zu erreichen sind grundsätzlich zwei Ansätze möglich, die sich in der Bestimmung des Leistungspunktes zur Erreichung des Spaltes unterscheiden.
Ansatz 1: 7 skizziert das hierfür prinzipiell notwendige Vorgehen. Anders als in 6 dargestellt, muss beim ersten Ansatz die Regelung beim Erscheinen des Durchschweißloches 2 einsetzen und die Laserleistung P(t) zurück nehmen, sobald das Unterblech 6a soweit aufgeheizt ist, dass das Durchschweißloch 2 verschwindet. Dies ist in 7 beim Zeitpunkt t₁ der Fall. Sobald die Oberfläche des Unterbleches 6a durch die Leistungsrücknahme wieder ausreichend abgekühlt ist, erscheint das Durchschweißloch 2 erneut. An dieser Stelle muss die Leistung P(t) schnell erhöht werden, weil bei einer zu starken Leistungsrücknahme das Durchschweißloch 2 ebenfalls wieder verschwindet, sobald sich die Dampfkapillare 3 im Oberblech 6 schließt. Auf diese Weise erreicht man, dass, ähnlich wie beim vollständigen Durchschweißen, eine Oszillation der Laserleistung P(t) auftritt, welche die Solidus-Liquidus-Linie in der Nähe des Spaltes hält. Hierzu kann der in 4 dargestellte Algorithmus mit geeigneten Parametern verwendet werden. Allerdings bedeutet die Anwesenheit des Durchschweißloches 2 hier, dass die Oberfläche des Unterbleches 6a zu kalt ist. Es muss daher das Vorzeichen der Konstanten a in Gleichung (5) vertauscht werden, also: Ṗ_Laser = α(ΔΘ)S(ϱ_Merkmal) (10).
Ansatz 2: Auch für den Ansatz 2 skizziert 7 das prinzipiell notwendige Vorgehen. Jedoch wird beim Ansatz 2 genau wie in 6 zum Zeitpunkt t₁ dargestellt, die Regelung beim Erscheinen des Durchschweißloches 2 einsetzen und die Laserleistung P(t) zurück nehmen, sobald das Durchschweißloch 2 beim Durchstich durch das erste Blech 6 auftritt. Dies ist in 7 beim Zeitpunkt t₁ der Fall. Wichtig hierbei ist, dass das sich das zweite Blech 6a in keinem Fall so weit erhitzt, dass das Durchschweißloch 2 im ersten Blech 6 durch die thermische Strahlung des zweiten Blechs 6a überlagert wird. Darum muss die Leistung P(t) schnell verringert werden sobald das Durchschweißloch 2 sichtbar wird, weil bei einer zu langen Einwirkdauer auf das zweite Blech 6a, das Durchschweißloch 2, aufgrund des thermischen Leuchtens des zweiten Blechs 6a wieder verschwindet. Auf diese Weise erreicht man, dass, ähnlich wie beim vollständigen Durchschweißen, eine Oszillation der Laserleistung P(t) auftritt, welche die Solidus-Liquidus-Linie in der Nähe des Spaltes hält. Hierzu kann der in 4 dargestellte Algorithmus mit geeigneten Parametern verwendet werden.
Der gleitende Mittelwert der Laserleistung P(t) über mehrere Oszillationen kann zur Bestimmung der für die Einschweißtiefe d₂ notwendigen Laserleistung P(t) herangezogen werden. Zunächst sinkt dieser Mittelwert, welcher im Leistungsdiagramm als gepunktete Linie gezeichnet ist, aufgrund des thermischen Einschwingvorgangs ab. Zum Zeitpunkt t₂ erreicht er jedoch einen stabilen Wert P₁, welcher als Arbeitspunkt für die Einschweißtiefe d₂ verwendet werden kann.
Der Arbeitspunkt P₁ kann nun jedoch nicht als Leistung für eine stabile Schweißverbindung verwendet werden, da das Unterblech 6a lediglich angeschmolzen ist. Er muss daher zumindest um einen konstanten Betrag erhöht werden. Alternativ kann jedoch auch ein zweiter Arbeitspunkt P₂ für eine vollständige Durchschweißung gewonnen werden, wie es der 7 entnehmbar ist. Dazu wird die Regelung beim Zeitpunkt t₂ abgebrochen und analog zu 6 die Durchschweißung an der Unterseite des Unterbleches 6a angefahren. Dort setzt dann zum Zeitpunkt t₃ die Regelung wieder ein und es wird bis zum Zeitpunkt t₄ ein zweiter Arbeitspunkt 22 ermittelt. Um die Schädigungen an der Unterseite zu minimieren, kann die Zeitspanne t₄ – t₃, in der der zweite Arbeitspunkt P₂ ermittelt wird, möglichst kurz gehalten werden, beispielsweise nur wenige Oszillationen. Anschließend kann aus den beiden Arbeitspunkten eine Leistung P(P₁, P₂) ermittelt werden, welche sicher stellt, dass die Solidus-Liquidus-Linie für die Festigkeit ausreichend tief im Unterblech 6a liegt, dass aber die Oberfläche des Unterbleches 6a möglichst wenig beschädigt wird.
Die Leistung P(P₁, P₂) kann entweder über die verbleibende Länge der Schweißnaht beibehalten werden, oder es können nach einem bestimmten Zeitintervall die Arbeitspunkte erneut bestimmt werden. Das geschieht in der 7 beim Zeitpunkt t₅. Um erneut, wie beim Arbeitspunkt P₁, auf das Durchschweißloch 2 regeln zu können, welches bei der Solidus-Liquidus-Line am Spalt auftritt, muss die Leistung zunächst auf einen Wert P_N zurückgefahren werden, welcher eine Einschweißtiefe d_N < d₁ entspricht, also kleiner als der Wert P₁ ist. Das liegt daran, dass das Unterblech 6a nach einer tiefen Einschweißung noch heiß ist und daher bei fallender Laserleistung P(t) beim Wert P₁ in der Regel kein Durchschweißloch 2 erkennbar ist. Durch die Leistungsabsenkung auf den Wert P_N < P₁ erreicht man, dass die Oberseite des Unterbleches 6a soweit abkühlt, dass bei einem Leistungsanstieg ab dem Zeitpunkt t₆ wieder das Durchschweißloch 2 zu erkennen ist. Ab dem Zeitpunkt t₇ setzt die Regelung nach dem gleichen Schema ein, wie es für den Zeitpunkt t₁ beschrieben wurde. Wenn am Zeitpunkt t₈ der neue Arbeitspunkt P₃ für die Einschweißtiefe d₂ bestimmt ist, kann die Regelung wieder abgebrochen und bei Bedarf, wie zum Zeitpunkt t₃, ein weiterer Arbeitspunkt P₄ für die vollständige Durchschweißung bestimmt werden. Aus den Arbeitspunkten kann wieder eine neue Leistung P(P₃, P₄) bestimmt werden, mit der die Schweißung ab dem Zeitpunkt t₉ fortgesetzt wird.
Das erneute Anfahren der Arbeitspunkte, wie es in 7 am Zeitpunkt t₅ gezeigt ist, muss nicht nach einem festen Zeitintervall erfolgen. Es kann auch von außen durch ein Triggersignal vorgegeben werden, beispielsweise wenn sich beim Schweißen mit einem Roboter oder Scanner der Betrag oder die Richtung des Vorschubes u oder die Fokuslage ändern. Beim Hybridschweißen, wenn also neben dem Laser eine zweite Wärmequelle wie etwa ein Lichtbogen verwendet wird, kann das Anfahren der Arbeitspunkte mit dem Ein- und Ausschalten dieser zweiten Wärmequelle gekoppelt werden. So können beispielsweise beim Lichtbogen-unterstützten Laserschweißen jeweils zwei Arbeitspunkte mit und ohne Lichtbogen ermittelt und daraus ein Wert für die Laserleistung P(t) errechnet werden.
Die 8 zeigt schließlich eine weitere Anwendung für das kontrollierte Einschweißen in Blechstapel. In diesem Fall handelt es sich um einen Stapel aus drei Blechen, zwischen denen sich jeweils ein Spalt befindet. Zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ wird, wie zu 7 beschrieben, auf den Spalt zwischen dem Ober- und dem Mittelblech geregelt, um diesen zu kontrollieren. Zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₅ wird dasselbe Verfahren für den Spalt zwischen Mittel- und Unterblech wiederholt. Danach wird die Leistung auf einen Wert P(P₁, P₂), welcher aus den Arbeitspunkten P₁ und P₂ an den beiden Spalten bestimmt wird, für den Rest der Schweißung verwendet. Auf diese Weise können die beiden Spalte kontrolliert werden und es ist sichergestellt, dass sich die Schweißnaht bis in das Unterblech erstreckt, ohne jedoch dessen Unterseite zu verletzen. Das Verfahren ermöglicht daher das kontrollierte Einschweißen in einen Stapel aus zwei und mehr Blechen, ohne dass die Unterseite des letzten Bleches verletzt wird. Dies ist insbesondere im Karosseriebau vorteilhaft, wo Schweißnähte an der Außenseite nicht sichtbar sein dürfen. Beim Verschweißen von verzinkten Stahlblechen kann so das Abdampfen von Zink verhindert bzw. verringert werden, was die Korrosionsanfälligkeit an diesen Stellen verringert.
Demnach betrifft die vorstehend beschriebene Erfindung also ein Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung von Werkstücken mittels Laser 10, insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, bei welchem Verfahren mittels wenigstens eines Erfassungsmittels 17 zumindest ein den Bearbeitungsprozess charakterisierendes optisches Merkmal erfasst wird und durch wenigstens eine Regeleinrichtung 19 anhand des optischen Merkmals das Regelsignal ϱ_Merkmal(Θ) zumindest einer Stellgröße P zur Regelung der Prozessenergie Θ erzeugt wird. Um ein Verfahren zur Materialbearbeitung mittels Laser zur Verfügung zu haben, bei welchem unter Verhinderung negativer Auswirkungen auf das bearbeitete Werkstück i auf einfache Weise eine Prozessregelung durchgeführt wird, die trotz beschränkten Wertebereiches des Regelsignals ϱ_Merkmal(Θ) stabil in demjenigen Sinne ist, dass sie jederzeit in den Bereich der Prozessenergie Θ zurückkehrt, in dem das den Prozess charakterisierende Merkmal seinen Zustand ändert, und, solange sich der Prozess in der Nähe der benötigten Prozessenergie Θ befindet, eine hohe Regelungsgüte aufweist, wird vorgeschlagen, bei dem Verfahren ein optisches Merkmal zu verwenden, das für zumindest einen bestimmten Wert der Prozessenergie Θ einen Übergang zwischen wenigstens zwei Zuständen aufweist und bei dem Verfahren die Prozessenergie Θ durch Berücksichtigung der Historie H des Regelsignals ϱ_Merkmal(Θ) und/oder der Stellgröße P mit kontrollierter Regelamplitude geregelt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19741329 C1 [0003, 0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

14. GMA/ITG-Fachtagung „Sensoren und Messsysteme 2008 am 11. und 12. März 2008 [0004]

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung von Werkstücken mittels Laser (10), insbesondere einer Laserschweißvorrichtung, bei welchem Verfahren mittels wenigstens eines Erfassungsmittels (17) zumindest ein den Bearbeitungsprozess charakterisierendes optisches Merkmal erfasst wird und durch wenigstens eine Datenverarbeitungsheinheit (19) anhand des vom optischen Merkmal abgeleiteten Regelsignals (ϱ_Merkmal(Θ)) zumindest eine Stellgröße (P) zur Regelung der Prozessenergie (Θ) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Merkmal für zumindest einen bestimmten Wert der Prozessenergie (Θ) einen Übergang zwischen wenigstens zwei Zuständen aufweist und die Prozessenergie (Θ) durch Berücksichtigung der Historie (H) des Regelsignals (ϱ_Merkmal(Θ)) und/oder der Stellgröße (P) mit kontrollierter Regelamplitude geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Regeleinrichtung aus dem Bildmerkmal und der Historie H des Regelsignals (ϱ_Merkmal(Θ)) und/oder der Stellgröße (P) zumindest ein temporärer Arbeitspunkt P₀ des Bearbeitungsprozesses ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass über den wenigstens einen Arbeitspunkt P₀ der Wertebereich der Stellgröße (P) kontrolliert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Arbeitspunkt P₀ als mittlere Stellgröße über eine Mehrzahl von Oszillationen des optischen Merkmals um seinen Übergang bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der Stellgröße (P) für die wenigstens zwei Zustände des Regelsignals (ϱ_Merkmal(Θ)) asymmetrisch erfolgt, um den zeitliche Mittelwert Θ der Prozessenergie gegenüber dem Übergangswert Θ₀ zwischen diesen wenigstens zwei Zuständen zu verschieben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Arbeitspunkt P₀ Ober- und Untergrenzen P_max und P_min bestimmt werden, innerhalb derer die Stellgröße (P) angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewinnung von Arbeitspunkten (P₀, P₁, P₂, P₃, P₄) extern durch Einsatz wenigstens eines Roboters, eines Scanners oder einer zweiten Wärmequelle getriggert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als zumindest eine Stellgröße (P) die Laserleistung (P(t)), der Vorschub (u) und/oder die Fokuslage des Laserstrahls (11) relativ zur Werkstückoberfläche verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem eine Dampfkapillare (3) ausbildenden Laserschweißprozess das optische Merkmal durch die Form eines Durchschweißlochs (2) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Merkmal durch geometrische Größen, wie z. B. die Breite b, eines Schmelzbades (1') gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung der Dampfkapillare (3) zu einem Durchschweißloch (2) mit einem koaxial oder kollinear zur optischen Achse (12) des Laserstrahls (11) detektierenden und/oder die dem Strahl des Lasers (10) abgewandte Seite des Werkstücks (i) überwachenden Erfassungsmittel (17) beobachtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Erfassungsmittel (17) wenigstens eine Kamera oder eine oder mehrere Photodioden eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei verschiedenen Schweißgeometrien, beispielsweise mit Überlapp-Stoß, Stumpfstoß, Kehlnaht zur Regelung auf vollständige Durchschweißung verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei als Blechstapel mit mindestens zwei Blechen (6, 6a) ausgebildeten Werkstücken (i) mit Überlapp-Schweißnähten zur Gewinnung von Arbeitspunkten (P₀, P₁, P₂, P₃, P₄) an den Spalten zwischen den Blechen (6, 6a) sowie an der Unterseite des untersten Bleches verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mit diesem die Lage und Größe der Spalte zwischen den Blechen (6, 6a) kontrolliert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des oder der Arbeitspunkte (P₀, P₁, P₂, P₃, P₄) wenigstens ein Wert für die zumindest eine Stellgröße (P) ermittelt wird, welcher ein gezieltes Einschweißen in vordefinierte Bleche (6, 6a) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für die zumindest eine Stellgröße (P) unter der Maßgabe ermittelt wird, dass bei einem Werkstück (i) aus Blechen (6, 6a) die Außenfläche des dem Laserstrahl (11) äußerst abgewandten Bleches nicht verletzt wird.
Materialbearbeitungsvorrichtung zur Verwendung in einem Bearbeitungsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Laser (10), einem Erfassungsmittel (17) für wenigstens ein optisches Merkmal und einer Datenverarbeitungseinheit (19), die anhand wenigstens eines von dem optischen Merkmal abgeleiteten Regelsignals zumindest eine Stellgröße (P) erzeugt, welche Einfluss auf die Prozessenergie (Θ) des Materialbearbeitungsprozesses hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungseinheit (19) unter Berücksichtigung der Historie von Regelsignal (ϱ_Merkmal(Θ)) und/oder Stellgröße (P) die Prozessenergie (Θ) mit kontrollierter Regelamplitude regelt.