DE102013008085A1

DE102013008085A1 - Method and device for joining workpieces with a machining beam

Info

Publication number: DE102013008085A1
Application number: DE201310008085
Authority: DE
Inventors: Michael Ungers; Peter Abels; Raphael Rolser; Christoph Franz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-05-10
Filing date: 2013-05-10
Publication date: 2014-11-13
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: DE102013008085B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, der unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes entlang eines Fügestoßes geführt wird, um die Werkstücke durch lokales Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes unter Bildung einer Verbindungsnaht miteinander zu verbinden. Bei dem Verfahren und der Vorrichtung wird die Relativgeschwindigkeit des Bearbeitungsstrahls zum Werkstück durch aufeinanderfolgende Aufnahmen von Reflexionsmustern der Werkstückoberfläche ermittelt. Die Leistung des Bearbeitungsstrahls wird dann in Abhängigkeit von der ermittelten Relativgeschwindigkeit gesteuert und die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der ermittelten Relativgeschwindigkeit und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der Verbindungsnaht gesteuert und/oder geregelt. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung lässt sich eine zuverlässige und optisch ansprechende Verbindungsnaht zwischen den zu fügenden Werkstücken erzeugen.The present invention relates to a method and a device for joining workpieces with a machining beam, which is guided along a joint with the supply of a filler material in order to connect the workpieces to one another by locally melting the filler material to form a joining seam. In the method and the device, the relative speed of the machining beam to the workpiece is determined by successive recordings of reflection patterns of the workpiece surface. The power of the machining beam is then controlled as a function of the determined relative speed and the supply quantity of the filler material per unit of time is controlled and / or regulated as a function of the determined relative speed and / or as a function of an instantaneous seam width of the connecting seam. With the proposed method and the associated device, a reliable and visually appealing connection seam can be produced between the workpieces to be joined.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, bei dem der Bearbeitungsstrahl mit einem Bearbeitungskopf unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes entlang eines Fügestoßes zwischen den zu fügenden Werkstücken geführt wird, um die Werkstücke durch lokales Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes unter Bildung einer Verbindungsnaht miteinander zu verbinden.The present invention relates to a method and a device for joining workpieces with a machining beam, in particular a laser beam, wherein the machining beam is guided with a machining head with feeding a filler along a joint between the workpieces to be joined to the workpieces by local melting of the Supplementary material to connect together to form a connecting seam.

Zu den Fügetechniken zählen Verfahren, bei denen die zu fügenden Werkstücke mit einem energetischen Strahl, beispielsweise einem Elektronenstrahl oder einem Laserstrahl, gegebenenfalls unter Nutzung eines Zusatzwerkstoffes, miteinander verbunden werden. Unter dem Begriff „Laser-Fügen” werden hierbei Laser-Schweißverfahren und Laser-Hartlötverfahren zusammengefasst. Das Laser-Hartlöten erfolgt unter Zufuhr eines Drahtes aus einem geeigneten Lot als Zusatzwerkstoff, der durch den Laserstrahl lokal aufgeschmolzen wird und sich anschließend zur Verbindung der Werkstücke verfestigt. Das Laser-Schweißen erfolgt häufig ohne Zusatzwerkstoff durch lokales Aufschmelzen der zu fügenden Werkstücke entlang des Fügestoßes. Auch beim Laser-Schweißen kann jedoch bei Bedarf ein geeigneter Zusatzwerkstoff eingesetzt werden.Joining techniques include methods in which the workpieces to be joined are connected to one another with an energetic beam, for example an electron beam or a laser beam, optionally with the use of an additional material. The term "laser joining" here laser welding and laser brazing are summarized. The laser brazing is done by supplying a wire of a suitable solder as a filler, which is locally melted by the laser beam and then solidified to connect the workpieces. The laser welding is often done without additional material by local melting of the workpieces to be joined along the joint. However, in laser welding, if necessary, a suitable filler material can be used.

Beim Laser-Fügen unter Einsatz eines Drahtes aus einem Zusatzwerkstoff müssen sowohl die Laser-Leistung als auch die Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes aufeinander sowie auf die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungslaserstrahl und den zufügenden Werkstücken abgestimmt werden. In der Regel ist bei diesem Fügeprozess eine konstante Streckenenergie S = P_L/v sowie eine konstante Drahtförderrate r_D = v_D/v zur Gewährung eines stabilen Fügeprozesses erforderlich. P_L stellt hierbei die Laser-Leistung, v_D die Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes und v die Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungslaserstrahl und zu fügenden Werkstücken dar. Beim Laserstrahl-Hartlöten sowie beim Laserstrahl-Schweißen erfordert eine Änderung der Relativgeschwindigkeit v zwischen den Werkstücken und dem Bearbeitungskopf eine Anpassung der Laser-Leistung sowie der Zufuhrgeschwindigkeit des Lot- bzw. Zusatzdrahtes. Erfolgen beide Anpassungen nicht oder wird nur eine dieser beiden Prozessführungsgrößen angepasst, so verlässt der Prozess sein stabiles Prozessfenster. Die Verbindungsnaht wird dadurch ungleichmäßig, Nahtdefekte entstehen und die Stabilität der Naht wird beeinträchtigt. Die Nahtoberraupe erscheint ungleichmäßig und die Dichtigkeit der Naht kann nicht mehr gewährleistet werden.When laser-joining using a wire of a filler material, both the laser power and the feed rate of the wire must be matched to each other and to the relative speed between the processing laser beam and the zufügenden workpieces. As a rule, in this joining process a constant energy per unit length S = P _L / v and a constant wire delivery rate r _D = v _D / v are required to ensure a stable joining process. In this case, P _L represents the laser power, v _D the feed speed of the wire and v the relative speed between the processing laser beam and workpieces to be joined. In laser-beam brazing and laser-beam welding, a change in the relative velocity v between the workpieces and the machining head requires adaptation the laser power and the feed rate of the solder or additional wire. If both adjustments fail or if only one of these two process variables is adjusted, the process leaves its stable process window. As a result, the seam becomes uneven, seam defects occur and the stability of the seam is impaired. The seam caterpillar appears uneven and the tightness of the seam can no longer be guaranteed.

Die Drahtförderrate r_D, d. h. die relative Geschwindigkeit zwischen Draht und Werkstücken, spielt daher bei transienten Änderungen des Prozessfensters eine entscheidende Rolle. Insbesondere bei Änderungen der Fügerichtung, z. B. Umorientierung an einer Heckklappe eines Kraftfahrzeugs, muss die Bearbeitungsbahn z. B. eines den Bearbeitungskopf führenden Roboters aufwändig programmiert werden. Eine konstante Streckenenergie S in Bezug auf die Drahtförderrate r_D ist in diesem Fall schwer zu gewährleisten.The wire feed rate r _D , ie the relative speed between wire and workpieces, therefore plays a crucial role in transient changes of the process window. Especially with changes in the joining direction, z. B. reorientation on a tailgate of a motor vehicle, the machining path z. B. a machining head leading robot can be programmed consuming. A constant line energy S with respect to the wire feed rate r _D is difficult to ensure in this case.

Stand der TechnikState of the art

Die DE 100 40 920 A1 beschreibt eine Prozesssteuerung zur Laser-Materialbearbeitung, bei der die Laser-Leistung sowie die Zufuhrgeschwindigkeit eines Drahtes aus einem Zusatzwerkstoff in Abhängigkeit von der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück gesteuert werden. Zur Messung der Relativgeschwindigkeit sind am Düsenende des Bearbeitungskopfes Führungselemente mit Weg- bzw. Geschwindigkeitsaufnehmern, vorzugsweise Laufräder oder Kugeln, angeordnet. Eine derartige mechanische Messung ist jedoch aufgrund des erforderlichen Kontaktes mit der Werkstückoberfläche störanfällig. Auch auf eine berührungslose Messung über ein optisches System an der Düse wird in der Druckschrift hingewiesen, ohne jedoch auf eine konkrete Umsetzung einer derartigen optischen Lösung einzugehen. Insbesondere ist davon auszugehen, dass die Funktion eines optischen Systems an der Düse durch den Bearbeitungsprozess stark beeinträchtigt wird und daher ebenfalls störanfällig ist.The DE 100 40 920 A1 describes a process control for laser material processing, in which the laser power and the feed rate of a wire from a filler material are controlled in dependence on the relative speed between the machining head and the workpiece. For measuring the relative speed, guide elements with travel or speed sensors, preferably impellers or balls, are arranged at the nozzle end of the machining head. However, such a mechanical measurement is prone to failure due to the required contact with the workpiece surface. Reference is also made to a non-contact measurement via an optical system at the nozzle, without, however, going into a concrete implementation of such an optical solution. In particular, it can be assumed that the function of an optical system at the nozzle is severely impaired by the machining process and is therefore also susceptible to interference.

Die DE 10 2005 022 095 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer lateralen Relativbewegung zwischen einem Bearbeitungskopf und einem Werkstück bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit einem Bearbeitungsstrahl. Die Oberfläche des Werkstücks wird dabei im Bereich des Bearbeitungskopfes mit optischer Strahlung beleuchtet und die von der Oberfläche im Bereich Bearbeitungskopfes reflektierte optische Strahlung wiederholt mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, der mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, um optische Reflexionsmuster der Werkstückoberfläche zu unterschiedlichen Zeiten zu erhalten. Die wiederholte Erfassung erfolgt in zeitlichen Abständen, bei denen zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen des Werkstücks erhalten werden. Aus einem Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmuster kann dann die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück ermittelt werden. Die Druckschrift befasst sich nicht mit der Steuerung der Zufuhr eines Zusatzmaterials bei der Bearbeitung.The DE 10 2005 022 095 A1 describes a method and an apparatus for determining a lateral relative movement between a machining head and a workpiece during the machining of a workpiece with a machining beam. The surface of the workpiece is illuminated with optical radiation in the region of the machining head and the optical radiation reflected from the surface in the region of the machining head is repeatedly detected spatially resolved by an optical detector which is connected to the machining head in order to obtain optical reflection patterns of the workpiece surface at different times , The repeated detection takes place at time intervals at which temporally successive reflection patterns of overlapping surface areas of the workpiece are obtained. The relative speed between the machining head and the workpiece can then be determined from a comparison of the temporally successive reflection patterns. The document does not deal with the control of the supply of a supplementary material during processing.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes anzugeben, mit denen eine zuverlässige Fügeverbindung mit einer gleichmäßigen Verbindungsnaht auch bei transienten Änderungen des Prozessfensters während des Fügeprozesses erhalten wird. The object of the present invention is to provide a method and a device for joining workpieces with a processing beam with the supply of an additional material, with which a reliable joint connection is obtained with a uniform connection seam even with transient changes of the process window during the joining process.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method and the device according to claims 1 and 9. Advantageous embodiments of the method and the device are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, insbesondere einem Laserstrahl, wird der Bearbeitungsstrahl mit einem Bearbeitungskopf unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes, beispielsweise in Form eines Drahtes oder Pulvers oder eines viskosen Klebstoffes, entlang des Fügestoßes zwischen den zu fügenden Werkstücken geführt, um die Werkstücke durch lokales Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes – optional auch des Werkstückmaterials – unter Bildung einer Verbindungsnaht miteinander zu verbinden. Während des Fügeprozesses wird die momentane Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und den Werkstücken ermittelt und die Leistung des Bearbeitungsstrahls zumindest in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit gesteuert. Gleichzeitig wird auch die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der Verbindungsnaht gesteuert und/oder geregelt. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise nach einer jeweils vorgegebenen Kennlinie oder einer entsprechenden Tabelle, durch die unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten unterschiedlichen Laser-Leistungen und Zufuhrmengen des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit bzw. entsprechenden Steuergrößen für die Laser-Leistung und die Zufuhrmenge pro Zeiteinheit zugeordnet sind. Zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit wird die Oberfläche der Werkstücke im Bereich des Bearbeitungskopfes mit optischer Strahlung beleuchtet und von der Oberfläche im Bereich um die Fügezone reflektierte optische Strahlung wiederholt mit einem optischen Detektor ortsaufgelöst erfasst, um optische Reflexionsmuster der Oberfläche im Bereich um die Fügezone – und somit im Bereich des momentanen Bearbeitungsortes – zu unterschiedlichen Zeiten zu erhalten. Der optische Detektor ist dabei fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden. Die wiederholte Erfassung der Reflexionsmuster erfolgt in kurzen zeitlichen Abständen, bei denen zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen der Werkstücke erhalten werden. Die Relativgeschwindigkeit wird dann aus einem Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmuster ermittelt. Die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit erfolgt in Echtzeit, so dass die Steuerung der Leistung des Bearbeitungsstrahls, insbesondere der Laser-Leistung, sowie in einer Ausgestaltung auch der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit, bspw. der Zufuhrgeschwindigkeit eines entsprechenden Drahtes bzw. der Drahtförderrate, unmittelbar auf eine Änderung der Relativgeschwindigkeit reagiert. Vorzugsweise wird hierbei die Relativgeschwindigkeit nach der Erfassung jedes neuen Reflexionsmusters aus diesem und dem vorangehenden Reflexionsmuster berechnet, bevor das nächste Reflexionsmuster aufgezeichnet wird.In the proposed method for joining workpieces with a machining beam, in particular a laser beam, the machining beam is guided with a machining head while supplying a filler material, for example in the form of a wire or powder or a viscous adhesive, along the joint between the workpieces to be joined to connect the workpieces by local melting of the filler material - optionally also of the workpiece material - to form a joint seam. During the joining process, the instantaneous relative speed between the machining head and the workpieces is determined and the power of the machining beam is controlled at least as a function of the instantaneous relative speed. At the same time, the supply quantity of the additional material per unit of time is controlled and / or regulated as a function of the instantaneous relative speed and / or as a function of a current seam width of the connecting seam. The control is preferably carried out according to a respective predetermined characteristic curve or a corresponding table, are assigned by the different relative speeds different laser powers and supply quantities of the filler material per unit time or corresponding control variables for the laser power and the supply amount per unit time. In order to determine the relative speed, the surface of the workpieces in the region of the machining head is illuminated with optical radiation and optical radiation reflected from the surface in the region around the joining zone is repeatedly recorded in an area-resolved manner with an optical detector in order to obtain optical reflection patterns of the surface in the area around the joining zone - and thus in the area of the current processing location - to receive at different times. The optical detector is firmly connected to the machining head. The repeated detection of the reflection pattern takes place at short time intervals, in which temporally successive reflection patterns of overlapping surface areas of the workpieces are obtained. The relative speed is then determined from a comparison of the temporally successive reflection patterns. The relative velocity is determined in real time, so that the control of the power of the processing beam, in particular the laser power, and in one embodiment, the supply amount of the filler per unit time, for example., The feed rate of a corresponding wire or the wire feed rate, directly to a Change in the relative velocity responds. Preferably, the relative velocity after detection of each new reflection pattern from this and the preceding reflection pattern is calculated before the next reflection pattern is recorded.

Bei dem vorgestellten Verfahren werden somit die Laser-Leistung P_L und die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit, beispielsweise die Zufuhrgeschwindigkeit v_D eines Drahtes aus dem Zusatzwerkstoff, in Echtzeit auf Basis der aktuellen, im Bereich des Bearbeitungspunktes gemessenen Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeit v gesteuert. Im Falle der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit kann alternativ oder in Kombination auch eine Steuerung oder Regelung auf Basis der Nahtbreite erfolgen. Der optische Detektor, eine zur Bildaufzeichnung geeignete Kamera, ist dabei vorzugsweise koaxial zum Bearbeitungsstrahl am Bearbeitungskopf angebracht und nutzt – im Falle der Laserbearbeitung – einen Teil der gleichen Optik, durch die auch der Laserstrahl auf den Bearbeitungsort gerichtet wird. Durch die vom Bearbeitungsort entfernte Anordnung des optischen Detektors wird eine berührungslose und störungsfreie Erfassung der Relativgeschwindigkeit nahe am Bearbeitungsort ermöglicht. Die unmittelbare Nähe zum Bearbeitungsort gewährleistet, dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsstrahl und den Werkstücken korrekt erfasst wird. Bei einer Erfassung in einem größeren Abstand zum Bearbeitungsort besteht die Gefahr, dass beispielsweise bei einer Drehung des Bearbeitungskopfes bzw. der Werkstücke an einer Biegung des Fügestoßes eine falsche Relativgeschwindigkeit ermittelt wird.In the presented method, therefore, the laser power P _L and the feed quantity of the filler material per unit time, for example the supply speed v _{D of} a wire from the filler material, are controlled in real time on the basis of the current relative or feed rate v measured in the region of the processing point , In the case of the supply amount of the filler per unit time, alternatively or in combination, a control or regulation based on the seam width can be done. The optical detector, a suitable camera for image recording, is preferably mounted coaxially to the processing beam on the machining head and uses - in the case of laser processing - a part of the same optics, through which the laser beam is directed to the processing site. By remote from the processing location of the optical detector a non-contact and trouble-free detection of the relative speed is made possible near the processing site. The immediate proximity to the processing location ensures that the relative speed between the processing beam and the workpieces is detected correctly. In a detection at a greater distance from the processing location, there is a risk that, for example, a rotation of the machining head or the workpieces at a bend of the joint a false relative speed is determined.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren kann die Streckenenergie S auch bei veränderter Relativgeschwindigkeit zwischen den Werkstücken und dem Bearbeitungskopf konstant gehalten werden. Auch die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren automatisch an eine veränderte Relativgeschwindigkeit angepasst. Die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit kann dabei im Bereich der erstarrten Naht (Nachlauf) im Bereich des Fügestoßes (Vorlauf) oder im Bereich der Werkstückoberflächen neben dem Fügestoß gemessen werden.With the proposed method, the path energy S can be kept constant even when the relative speed between the workpieces and the machining head is changed. Also, the supply amount of the filler material per unit time is automatically adjusted in the proposed method to a modified relative speed. The relative velocity can be determined in the area of the solidified seam (caster) in the area of the joint (lead) or in the area the workpiece surfaces are measured next to the joint.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird für die Steuerung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit zusätzlich die momentane Nahtbreite der gerade erzeugten Verbindungsnaht gemessen. Der Zufuhrmenge pro Zeiteinheit wird dann so geregelt, dass eine möglichst konstante Nahtbreite entlang des Fügestoßes erhalten wird. Bei Detektion einer Änderung der Nahtbreite erfolgt somit unmittelbar eine Korrektur bzw. Anpassung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit, um der Änderung entgegenzuwirken. Diese Regelung hat Priorität gegenüber der Steuerung auf Basis der Relativgeschwindigkeit, greift jedoch vorzugsweise nur bei Detektion einer Änderung der Nahtbreite in die Steuerung des Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit ein. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Steuerung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit auf Basis der Relativgeschwindigkeit nach einer vorgegebenen Zeit oder Bearbeitungsstrecke oder bei erstmaliger Detektion einer Änderung der Nahtbreite abzubrechen und die Zufuhr des Zusatzwerkstoffes ab dann nur noch über die Nahtbreite zu regeln. Auch eine alleinige Regelung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit über die gemessene Nahtbreite ist möglich. Dies erfordert zunächst eine Anfangsphase, während der mit einer konstanten Relativgeschwindigkeit gefügt wird, um die entsprechende Nahtbreite bestimmen zu können.In an advantageous development of the proposed method and the associated device, the instantaneous seam width of the connecting seam just produced is additionally measured for the control of the feed quantity of the filler per unit time. The supply quantity per time unit is then controlled in such a way that the seam width as constant as possible along the joining joint is obtained. Upon detection of a change in the seam width, there is thus an immediate correction or adaptation of the supply quantity of the filler material per unit time in order to counteract the change. This control has priority over the control based on the relative speed, but preferably intervenes only upon detection of a change in the seam width in the control of the supply amount of the filler material per unit time. Another possibility is to stop the control of the feed quantity of the filler per unit time based on the relative speed after a predetermined time or processing path or first detection of a change in the seam width and then regulate the supply of filler material only over the seam width. Also, a sole control of the supply amount of the filler per unit time over the measured seam width is possible. This initially requires an initial phase, during which a constant relative speed is added in order to be able to determine the corresponding seam width.

Die Bestimmung der Nahtbreite kann durch Auswertung der Reflexionsmuster für die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit erfolgen. Dies erfordert die Erfassung eines Oberflächenbereiches, der die gerade fertig gestellte Nahtverbindung unmittelbar hinter dem Bearbeitungsort erfasst. Die Nahtbreite kann dann beispielsweise auf Basis einer Grauwertanalyse des jeweils mit dem optischen Detektor aufgezeichneten Bildes bestimmt werden.The determination of the seam width can be made by evaluating the reflection patterns for the determination of the relative velocity. This requires the detection of a surface area that captures the seam just completed, just past the machining location. The seam width can then be determined, for example, on the basis of a gray scale analysis of the image recorded in each case with the optical detector.

Es besteht auch die Möglichkeit, die Nahtbreite durch zusätzliche linienförmige Beleuchtung der Naht mit optischer Strahlung (Lichtlinie quer zur Naht) über ein Triangulations- bzw. Lichtschnittverfahren zu ermitteln. Das durch die linienförmige Beleuchtung gebildete Beleuchtungsmuster wird ebenfalls mit dem optischen Detektor erfasst und mittels Lichtschnittverfahren die momentane Breite der Verbindungsnaht ermittelt.It is also possible to determine the seam width by additional line-shaped illumination of the seam with optical radiation (light line across the seam) via a triangulation or light-section method. The illumination pattern formed by the line-shaped illumination is likewise detected by the optical detector and the instantaneous width of the connecting seam is determined by means of a light-section method.

Mit dieser vorteilhaften Weiterbildung des vorgeschlagenen Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung kann vor allem auf transiente Änderungen während des Fügeprozesses reagiert werden, die nicht auf einer Änderung der Relativgeschwindigkeit beruhen. Dies können beispielsweise thermische Effekte sein, die eine Änderung der Breite des Fügestoßes hervorrufen können. Weiterhin kann in einer Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung in diesem Fall auch auf eine Kennlinie für die Steuerung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit verzichtet werden, da dann eine Regelung der Zufuhr des Zusatzwerkstoffes allein über die Detektion der Nahtbreite mit dem Ziel einer entlang des Fügestoßes konstanten Nahtbreite eingestellt wird. Sowohl eine Änderung der Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungskopf und Werkstücken als auch auf transiente Änderungen des Prozessfensters kann damit vollautomatisch reagiert werden, so dass die Nahtqualität, insbesondere die Nahtbreite, konstant bleibt.With this advantageous development of the proposed method and the associated device can be responded to transient changes during the joining process, in particular, which are not based on a change in the relative velocity. These can be, for example, thermal effects that can cause a change in the width of the joint. Furthermore, in one embodiment of the method and the device in this case can be dispensed with a characteristic for the control of the supply amount of filler material per unit time, since then a control of the supply of filler material alone on the detection of the seam width with the aim of along the joint constant seam width is set. Both a change in the relative speed between the machining head and workpieces as well as transient changes in the process window can thus be fully automatically reacted, so that the seam quality, in particular the seam width, remains constant.

Die Steuerung bzw. Regelung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit bzw. der Laser-Leistung erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren vorzugsweise in Form eines analogen Steuersignals, das durch die Auswerteeinrichtung zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit und gegebenenfalls der Nahtbreite bereitgestellt wird. Die Auswertezeit ist dabei vorzugsweise kleiner oder gleich dem Kehrwert der Bildaufnahmerate der eingesetzten Kamera.The control or regulation of the feed quantity of the filler per unit time or the laser power is preferably carried out in the proposed method in the form of an analog control signal, which is provided by the evaluation device for determining the relative speed and optionally the seam width. The evaluation time is preferably less than or equal to the reciprocal of the image acquisition rate of the camera used.

Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst entsprechend einen Bearbeitungskopf, der eine Einkoppelöffnung für den Bearbeitungsstrahl, eine Strahlformungsoptik, mit der der Bearbeitungsstrahl entlang einer Strahlachse durch eine Austrittsöffnung auf eine vor dem Bearbeitungskopf liegende Bearbeitungsebene gerichtet wird, eine Zufuhreinrichtung für ein Zusatzmaterial, bspw. einen Draht, und einen optischen Detektor aufweist, der mechanisch fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist. Der optische Detektor ist so angeordnet, dass er von der Bearbeitungsebene parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Strahlachse reflektierte optische Strahlung ortsaufgelöst erfassen kann. Hierbei kann ein Aufbau gewählt werden, wie er beispielsweise aus der WO 00/29166 A1 bekannt ist. Die Vorrichtung umfasst auch eine mit dem optischen Detektor verbundene Auswerteeinrichtung, die einen Bildverarbeitungsalgorithmus zur Auswertung zeitlich aufeinanderfolgender Bilder bzw. Reflexionsmuster für die automatisierte Ermittlung der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und einem Werkstück aufweist, und eine Steuereinrichtung, die die Leistung des Bearbeitungsstrahls in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit steuert und die Zufuhrmenge des Zusatzmaterials pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und/oder in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der mit dem Bearbeitungsstrahl in der Bearbeitungsebene erzeugten Verbindungsnaht steuert oder regelt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ermittelt die Auswerteeinrichtung auch die Nahtbreite der Verbindungsnaht in Echtzeit und die Steuereinrichtung regelt auf Basis dieser Information die Zufuhrmenge des Zusatzmaterials pro Zeiteinheit zur Beibehaltung einer möglichst konstanten Nahtbreite.The proposed device accordingly comprises a machining head which has a coupling opening for the machining beam, beam shaping optics with which the machining beam is directed along a beam axis through an outlet opening onto a working plane in front of the machining head, a feed device for a supplementary material, for example a wire, and an optical detector mechanically fixed to the machining head. The optical detector is arranged so that it can detect spatially resolved optical radiation reflected by the working plane parallel or at a small angle to the beam axis. Here, a structure can be selected, as he, for example, from the WO 00/29166 A1 is known. The device also comprises an evaluation device connected to the optical detector, which has an image processing algorithm for evaluating temporally successive images or reflection patterns for the automated determination of the relative speed between the processing head and a workpiece, and a control device which determines the power of the processing beam as a function of the controls instantaneous relative speed and controls the supply amount of the additional material per unit time as a function of the instantaneous relative speed and / or in dependence on a current seam width of the seam produced with the processing beam in the working plane connecting seam. In an advantageous embodiment, the evaluation device also determines the seam width of the connecting seam in real time and the controller controls based on this information, the supply amount of the additional material per unit time to maintain a constant possible seam width.

In einer weiteren Ausgestaltung ist zusätzlich eine Beleuchtungsoptik zur Erzeugung einer Lichtlinie unter einem Triangulationswinkel auf der Bearbeitungsebene vorgesehen, die vom optischen Detektor erfassbar ist. Die Auswerteeinrichtung ermittelt aus diesem Lichtmuster dann die Nahtbreite, auf deren Basis die Steuereinrichtung die Zufuhrmenge des Zusatzmaterials pro Zeiteinheit regelt.In a further embodiment, an illumination optical system for generating a light line at a triangulation angle on the working plane is additionally provided, which can be detected by the optical detector. From this light pattern, the evaluation device then determines the seam width, on the basis of which the control device regulates the supply quantity of the additional material per unit of time.

Die Auswertung der Bilder mit den Reflexionsmustern zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. In einer Ausgestaltung des Verfahrens und der Vorrichtung werden in zeitlich aufeinanderfolgenden Bildern bzw. Reflexionsmustern Teilabschnitte größter Ähnlichkeit ermittelt und die Relativgeschwindigkeit dann aus einem Versatz der Teilabschnitte und dem zeitlichen Abstand der erfassten Bilder bzw. Reflexionsmuster berechnet. Die Ermittlung der Teilabschnitte größter Ähnlichkeit kann beispielsweise über ein Kreuzkorrelationsverfahren erfolgen. In einer anderen Ausgestaltung erfolgt die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit mit der Technik des Full-Search-Block-Matching, wie dies beispielsweise in D. Liu et al.; „Block-based Fast Motion Estimation Algorithms in Video Compression”, Department of Electrical Engineering and Computer-Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ 07030, August 24, 1998, Seiten 1 bis 24 beschrieben ist. Alternativ können selbstverständlich auch andere Techniken der optischen Erkennung von Bewegung eingesetzt werden, z. B. mit einem Optical Flow Verfahren.The evaluation of the images with the reflection patterns to determine the relative speed can be done in different ways. In one embodiment of the method and the device, subsections of greatest similarity are determined in temporally successive images or reflection patterns, and the relative velocity is then calculated from an offset of the subsections and the time interval of the acquired images or reflection patterns. The determination of the subsections of greatest similarity can be carried out, for example, by means of a cross-correlation method. In another embodiment, the relative velocity is determined using the technique of full search block matching, as described, for example, in US Pat D. Liu et al .; "Block-based Fast Motion Estimation Algorithms in Video Compression," Department of Electrical Engineering and Computer Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ 07030, August 24, 1998, pages 1 to 24 is described. Alternatively, of course, other techniques of optical detection of motion can be used, for. B. with an optical flow method.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method and the associated device will be explained in more detail below with reference to embodiments in conjunction with the drawings. Hereby show:

1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit koaxialer Beleuchtung; 1 a first example of an embodiment of the proposed device with coaxial illumination;

2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit lateral stechender Beleuchtung; 2 a second example of an embodiment of the proposed device with laterally stabbing illumination;

3 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit lateral symmetrischer Beleuchtung; 3 a third example of an embodiment of the proposed device with laterally symmetrical illumination;

4 eine Draufsicht auf einen Bearbeitungsbereich mit einer Anordnung der Vektoren und Suchbereiche gemäß einem Beispiel des vorgeschlagenen Verfahrens; 4 a plan view of a processing area with an array of vectors and search areas according to an example of the proposed method;

5 die Draufsicht gemäß 4, in der die Ermittlung der Nahtbreite angedeutet ist; 5 the top view according to 4 in which the determination of the seam width is indicated;

6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Auswerteeinheit und Steuerung der vorgeschlagenen Vorrichtung; und 6 a schematic representation of an exemplary embodiment of the evaluation and control of the proposed device; and

7 eine schematische Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung der Auswerteeinheit und Steuerung der vorgeschlagenen Vorrichtung. 7 a schematic representation of another exemplary embodiment of the evaluation and control of the proposed device.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention

In den folgenden Beispielen wird eine Vorrichtung eingesetzt, bei der als optischer Detektor eine Kamera 1 in einen Bearbeitungskopf zur Laserstrahlbearbeitung integriert ist, um von der Werkstückoberfläche reflektierte optische Strahlung koaxial zum Bearbeitungsstrahl ortsaufgelöst in Form eines Reflexionsmusters aufzunehmen. Eine abbildende Optik aus einem Linsensystem 2 sorgt zusammen mit der Fokussieroptik 5 für eine Abbildung des Bereiches um die Fügezone auf den Kamerachip. Die Kamera 1 empfängt das von den Werkstücken 7 sowie von der Fügezone gestreute bzw. reflektierte Licht einer entfernten Beleuchtungsquelle. Die Wellenlänge der Beleuchtung wird über einen dichroitischen Spiegel 4 von der Wellenlänge des Bearbeitungslasers separiert, der über einen Faseranschluss 9 eingekoppelt wird. Bei der externen Beleuchtungsquelle kann es sich sowohl um kohärente als auch um inkohärente Strahlung handeln. Die externe Beleuchtung kann hierbei in unterschiedlicher Weise angeordnet sein, wie dies beispielhaft in den 1 bis 3 dargestellt ist.In the following examples, a device is used, in which a camera is used as an optical detector 1 is integrated in a machining head for laser beam machining, to receive from the workpiece surface reflected optical radiation coaxial with the processing beam spatially resolved in the form of a reflection pattern. An imaging optic made of a lens system 2 ensures together with the focusing optics 5 for a mapping of the area around the joining zone on the camera chip. The camera 1 receives this from the workpieces 7 as well as scattered from the joining zone or reflected light of a remote illumination source. The wavelength of illumination is via a dichroic mirror 4 separated from the wavelength of the processing laser, via a fiber connection 9 is coupled. The external illumination source may be both coherent and incoherent. The external lighting can be arranged in different ways, as exemplified in the 1 to 3 is shown.

In einer ersten beispielhaften Ausgestaltung erfolgt eine koaxiale Integration der an einem Beleuchtungsanschluss 11 angeschlossenen Beleuchtungsquelle über einen Strahlteiler 3 oder Lochspiegel mit geeigneter Kollimationsoptik 10 in den Bearbeitungskopf, wie dies in der 1 dargestellt ist. 2 zeigt ein Beispiel mit lateral stechender Beleuchtung. Die Beleuchtungsquelle 13 ist dabei seitlich an dem Bearbeitungskopf befestigt. Auch eine lateral schleppende Beleuchtung ist selbstverständlich möglich. 3 zeigt schließlich eine symmetrische Beleuchtung der Fügezone von zwei Seiten, wie dies durch die beiden Beleuchtungsquellen 12 angedeutet ist. Gegebenenfalls kann diese Beleuchtung auch wechselseitig erfolgen. In jedem Fall sollten die Werkstücke 7 im Bereich der Fügezone gleichmäßig ausgeleuchtet sein. 3 zeigt hierbei auch den Fügestoß 15 zwischen den beiden zu fügenden Werkstücken 7. Die Richtung der Relativbewegung zwischen dem Bearbeitungskopf und den Werkstücken 7 ist durch den Pfeil 14 angedeutet. Der über den Faseranschluss 9 eingekoppelte Laserstrahl des Bearbeitungslasers wird über eine Kollimationsoptik 8 und den dichroitischen Spiegel 4 sowie die Fokussieroptik 5 auf die Fügezone gerichtet. Die Drahtzufuhreinrichtung 6 ist in den Figuren ebenfalls dargestellt. Optional kann die beschriebene Vorrichtung auch um eine Linienoptik zu Triangulationszwecken erweitert werden. Dabei wird eine Lichtlinie in den Bereich der unmittelbaren Fügezone projiziert, welche ebenfalls von der Kamera 1 erfasst wird. Zur Auswertung beider Signale mit einer Kamera kann gegebenenfalls auch eine gepulste Beleuchtung, wechselnd zwischen Lichtlinie und flächiger Beleuchtung, eingesetzt werden.In a first exemplary embodiment, a coaxial integration takes place at a lighting connection 11 connected illumination source via a beam splitter 3 or perforated mirror with suitable collimation optics 10 in the machining head, as in the 1 is shown. 2 shows an example with laterally stabbing illumination. The illumination source 13 is attached to the side of the machining head. A laterally sluggish lighting is of course possible. 3 Finally, a symmetrical illumination of the joint zone from two sides, as by the two sources of illumination 12 is indicated. Optionally, this lighting can also be done mutually. In any case, the workpieces should 7 be evenly lit in the joining zone. 3 shows here also the joining 15 between the two workpieces to be joined 7 , The direction of the relative movement between the machining head and the workpieces 7 is by the arrow 14 indicated. The over the fiber connection 9 coupled laser beam of the processing laser is via a collimation optics 8th and the dichroic mirror 4 as well as the focusing optics 5 directed to the joining zone. The wire feeder 6 is also shown in the figures. Optionally, the device described can also be extended by line optics for triangulation purposes. In this case, a light line is projected into the area of the immediate joining zone, which is also from the camera 1 is detected. For evaluating both signals with a camera, it is also possible if appropriate to use a pulsed illumination, alternating between light line and planar illumination.

Die Auswertung der von der Kamera 1 erfassten Bilder bzw. Reflexionsmuster kann in gleicher Weise erfolgen, wie bereits in der eingangs genannten DE 10 2005 022 095 A1 beschrieben. Die Geschwindigkeitsermittlung erfolgt dabei in einer geeigneten Auswerteeinheit. Diese kann bereits in der Kamera integriert sein oder sich in einer externen Recheneinheit befinden. Die Bildauswertung erfolgt in Echtzeit. Das Ergebnis der Geschwindigkeitsmessung wird dann vorzugsweise in Form eines analogen Spannungssignals bereitgestellt und an die Steuerung für den Laser sowie die Drahtzuführung weitergegeben, bevor das nächste aufgenommene Bild die Auswerteeinheit erreicht. Hierbei besteht auch die Möglichkeit, andere für den Prozess relevante Parameter, wie bspw. die Fokuslage (x, y, z), den Fokusdurchmesser und/oder den Anstellwinkel, ebenfalls auf Basis der erfassten Geschwindigkeit zu steuern. Die benötigte Auswertegeschwindigkeit ist damit abhängig von der verwendeten Aufnahmerate. Die Auswertezeit pro Bild sollte vorzugsweise kleiner sein als der Kehrwert der Bildaufnahmerate. Eine derartige Auswertung der Relativgeschwindigkeit v kann beispielsweise hardware-basiert auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) erfolgen, beispielsweise mit Hilfe des so genannten Full-Search-Block-Matching.The evaluation of the camera 1 Captured images or reflection pattern can be done in the same manner as already mentioned in the introduction DE 10 2005 022 095 A1 described. The speed determination takes place in a suitable evaluation unit. This can already be integrated in the camera or be in an external processing unit. The image analysis is done in real time. The result of the speed measurement is then preferably provided in the form of an analog voltage signal and passed on to the controller for the laser and the wire feed before the next recorded image reaches the evaluation unit. In this case, it is also possible to control other parameters relevant to the process, such as the focus position (x, y, z), the focus diameter and / or the angle of attack, likewise on the basis of the detected speed. The required evaluation speed is thus dependent on the recording rate used. The evaluation time per image should preferably be smaller than the reciprocal of the image acquisition rate. Such an evaluation of the relative velocity v can, for example, be hardware-based on an FPGA (Field Programmable Gate Array), for example with the aid of the so-called full search block matching.

Das von der Auswerteeinheit generierte, analoge Spannungssignal wird dadurch direkt zur Steuerung der Laser-Leistung P_L bzw. der Drahtvorschubgeschwindigkeit v_D verwendet. Zur sinnvollen Steuerung beider Größen ist eine Kennlinie erforderlich, welche die Korrelation zwischen gemessener Geschwindigkeit und auszugebender Spannung – Eingangssignal zur Steuerung von P_L bzw. v_D – herstellt. Diese Kennlinien, die in den LUTs 17, 18 (LUT: Look-Up Table) abgespeichert werden, können beispielsweise durch Referenzversuche vorab bestimmt werden. In einer alternativen Ausgestaltung ist für die Steuerung des Drahtvorschubes keine Kennlinie bzw. LUT erforderlich. In diesem Falle erfolgt eine Regelung der Drahtzufuhr über eine Detektion bzw. Auswertung der Nahtbreite. Die erstmalig detektierte Nahtbreite wird dabei als Führungsgröße einer entsprechenden Regelschleife eingesetzt.The analog voltage signal generated by the evaluation unit is thereby used directly for controlling the laser power P _L or the wire feed speed v _D. For meaningful control of both variables, a characteristic curve is required which establishes the correlation between the measured speed and the voltage to be output - input signal for controlling P _L or v _D -. These characteristics in the LUTs 17 . 18 (LUT: Look-Up Table) can be pre-determined, for example by reference experiments. In an alternative embodiment, no characteristic curve or LUT is required for the control of the wire feed. In this case, a control of the wire feed takes place via a detection or evaluation of the seam width. The first detected seam width is used as a reference variable of a corresponding control loop.

Die Auswerteeinheit besteht dabei vorzugsweise aus einem PC mit Frame-Grabber zum Ansteuern und Auslesen der Kamera sowie mindestens zwei D/A-Wandlern zur Generierung von analogen Steuersignalen.The evaluation unit preferably consists of a PC with frame grabber for driving and reading the camera and at least two D / A converters for generating analog control signals.

6 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Auswerteeinheit und Steuerung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit der Einheit 16 zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit aus den von der Kamera 1 übermittelten Bildern, entsprechenden LUTs 17, 18 für den Laser und den Drahtvorschub, die mit Signalgeneratoren 19 und D/A-Wandlern 20 verbunden sind, um ein entsprechendes Spannungssignal U_Laser bzw. U_Draht für die Lasersteuerung 21 und die Steuerung 22 für den Drahtvorschub bereitzustellen. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels einer Auswerteeinheit und Steuerung der vorgeschlagenen Vorrichtung, bei der zusätzlich zu der Einheit 16 zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit auch eine Einheit 29 zur Ermittlung der Nahtbreite aus den von der Kamera 1 übermittelten Bildern vorgesehen ist, auf deren Basis der Drahtvorschub zusätzlich gesteuert oder geregelt wird. 6 shows a schematic representation of an example of an evaluation and control of the proposed device with the unit 16 for determining the relative speed from that of the camera 1 submitted images, corresponding LUTs 17 . 18 for the laser and the wire feed, with signal generators 19 and D / A converters 20 are connected to a corresponding voltage signal U _laser or U _wire for the laser control 21 and the controller 22 to provide for the wire feed. 7 shows a schematic representation of another example of an evaluation and control of the proposed device, in addition to the unit 16 to determine the relative speed also a unit 29 to determine the seam width from that of the camera 1 provided images is provided, based on the wire feed additionally controlled or regulated.

4 zeigt eine beispielhafte Draufsicht auf einen Bearbeitungsbereich, wie sie mit der Kamera bei flächiger Beleuchtung als Bild erfassbar ist. In der Draufsicht sind der Lotdraht 23, das durch den Laserfleck 25 erzeugte Schmelzbad 24 und die erstarrte Verbindungsnaht 26 zu erkennen. Die Figur deutet auch die hier beispielhaft eingesetzte Technik des Block-Matching an. Hierbei wird ein Block (z. B. 8×8 Pixel) aus dem Bild i im zeitlich darauf folgenden Bild i + 1 gesucht. Um den Rechenaufwand überschaubar zu halten wird ein Suchbereich 27, z. B. 256×256 Pixel), um die Position des Ursprungs des Blocks in Bild i definiert. In diesem Suchbereich 27 wird der Block im Bild i + 1 solange verschoben und mit dem Muster im Bild i + 1 verglichen bis das Muster des Blocks wiedergefunden wird (maximale Übereinstimmung). Aus der Verschiebung zwischen Ursprung des Blocks im Bild i und der Position des wiedergefundenen Blocks im Bild i + 1 ergibt sich dann der Verschiebungsvektor. Zur Erhöhung der Robustheit wird das Verfahren nicht nur für einen Block sondern für mehrere durchgeführt, in diesem Beispiel für 16 Blöcke, die durch die im Bild dargestellten Vektoren angedeutet sind. Durch eine geschickte Algorithmik wird dann der Hauptvorschubvektor bestimmt, z. B. durch Bildung eines Histogramms. 4 shows an exemplary plan view of a processing area, as it can be detected with the camera in area illumination as an image. In the plan view are the solder wire 23 that by the laser spot 25 generated molten bath 24 and the solidified seam 26 to recognize. The figure also suggests the block-matching technique used here by way of example. In this case, a block (eg 8 × 8 pixels) is searched from the image i in the temporally following image i + 1. To keep the computational effort manageable becomes a search area 27 , z. 256 × 256 pixels) to the position of the origin of the block defined in image i. In this search area 27 the block in frame i + 1 is shifted and compared with the pattern in frame i + 1 until the pattern of the block is found again (maximum match). The displacement vector then results from the shift between the origin of the block in the image i and the position of the found block in the image i + 1. To increase the robustness, the method is carried out not just for one block but for several, in this example for 16 blocks, which are indicated by the vectors shown in the picture. By a clever algorithm then the main feed vector is determined, for. B. by forming a histogram.

Die Nahtbreite kann ebenfalls aus einem derartigen Bild des Oberflächenbereiches ermittelt werden, wie dies in 5 angedeutet ist. In diesem Beispiel wurde eine Nahtbreite von b = 2,2 mm durch Auswertung des flächig Graustufenbildes ermittelt.The seam width can also be determined from such an image of the surface area, as shown in FIG 5 is indicated. In this Example, a seam width of b = 2.2 mm was determined by evaluating the area gray scale image.

Durch eine Steuerung der Zufuhrgeschwindigkeit v_D des Drahtes und gegebenenfalls der Laser-Leistung P_L wird die Steuerung der Schmelzbadbreite bzw. Nahtbreite ermöglicht. Eine zusätzliche Steuerung der Laser-Leistung auf Basis der Nahtbreite bzw. der Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes kann bei hoher Sensibilität des Prozesses von Vorteil sein. Bei einer auf Basis der Nahtbreite erhöhten oder erniedrigten Zufuhrgeschwindigkeit des Drahtes wird dann auch die Laser-Leistung erhöht bzw. erniedrigt. Eine exakte Darstellung der Situation wäre der Hinweis auf das zu erzeugende Füllvolumen/Zeit der Naht. Daraus ergibt sich der energetische Zusammenhang, dass mehr Intensität (Laserleistung/Fläche) benötigt wird, je mehr Volumen/Zeit aufgeschmolzen werden muss. Auch eine entsprechende Variation des Laserspots in seiner Ausdehnung kann dabei sinnvoll sein kann. Das kann über Linsenverstellung ebenso erfolgen wie über Ortsmodulation.By controlling the supply speed v _{D of} the wire and, where appropriate, the laser power P _L , the control of the melt width or seam width is made possible. An additional control of the laser power based on the seam width or the feeding speed of the wire can be advantageous with high sensitivity of the process. In the case of an increased or reduced feed speed of the wire on the basis of the seam width, the laser power is then also increased or decreased. An exact representation of the situation would be the reference to the filling volume / time of the seam to be produced. This results in the energetic context that more intensity (laser power / area) is required, the more volume / time must be melted. A corresponding variation of the laser spot in its extent can be useful. This can be done via lens adjustment as well as via spatial modulation.

Insbesondere bei transienten Änderungen des Prozessfensters liefert das vorgeschlagene Verfahren eine konstante Nahtbreite.Particularly in the case of transient changes of the process window, the proposed method provides a constant seam width.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich zur Lasermaterialbearbeitung mit Zusatzwerkstoff, beispielsweise zum Laser-Hartlöten und Laser-Schweißen, einsetzen. Insbesondere im Bereich der Automobilindustrie bietet das Verfahren in der speziellen Anwendung des Karosseriebaus besondere Vorteile, beispielsweise für die Fertigung einer zweiteiligen Heckklappe oder die Erzeugung einer Dachnaht, da die optische Qualität der mit dem Verfahren und der Vorrichtung erzeugbaren Naht sehr hoch ist. Das Verfahren lässt sich selbstverständlich auch in anderen Bereichen einsetzen, beispielsweise im allgemeinen Gerätebau.The proposed method and the associated device can be used for laser material processing with additional material, for example for laser brazing and laser welding. Particularly in the automotive industry, the method offers special advantages in the specific application of bodywork, for example for the production of a two-part tailgate or the production of a roof seam, since the optical quality of the seam that can be produced with the method and the device is very high. Of course, the method can also be used in other areas, for example in general device construction.

Bei Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens in einer industriellen Anwendung, bei dem der Bearbeitungskopf über ein Handling-System, beispielsweise einen Roboter, geführt wird, bringt das vorgeschlagene Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung Vorteile. So führt das Handling-System unter Umständen nicht die einprogrammierte, gleichförmige Bewegung aus. Aufgrund mehrerer Achsen kommt es oft zu einer Schwingbewegung des Handling-Systems, die sich in Vorschubrichtung des Bearbeitungskopfes bemerkbar macht. Durch die vorgeschlagene Messung der Relativgeschwindigkeit zum Werkstück direkt am bzw. nahe am Bearbeitungspunkt kann eine solche Schwingung relativ zum Werkstück erfasst werden. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens können dann die Laser-Leistung und auch der Drahtvorschub entsprechend angepasst werden. Die Streckenenergie S bleibt dadurch konstant. Ein weiterer Vorteil besteht bei einer Änderung der Fugenbreite oder Fugentiefe – beispielsweise bei einer Änderung des Biegeradius bei einer Bördelnaht – oder bei einer Änderung des Spaltmaßes der Fuge – beispielsweise bei Entstehung eines Spaltes bei der Kehlnaht aufgrund thermischen Verzuges. In einem derartigen Fall muss zur Auffüllung des Volumens die Drahtvorschubgeschwindigkeit v_D relativ zur Vorschubgeschwindigkeit v – also die Drahtförderrate r_D – angepasst werden. Nur so kann eine konstante Nahtbreite b gewährleistet werden. In der Regel ist eine solche Änderung der Fugengeometrie mit einer Umorientierung des Laserbearbeitungskopfes verbunden, mit der Folge, dass die Geschwindigkeit v minimiert wird. Dies erfordert eine Steuerung der Laser-Leistung P_L sowie der Drahtvorschubgeschwindigkeit v_D. Die Steuerung der Laser-Leistung P_L und der Drahtfördergeschwindigkeit v_D auf Basis der echtzeitfähigen Geschwindigkeitsmessung und die zusätzliche Regelung der Drahtförderrate r_D auf Basis der in Echtzeit ermittelten Nahtbreite b ermöglichen einen stabilen Prozess auch bei transienten Änderungen der Prozessgegebenheiten, z. B. Änderung der Fugengeometrie oder Umorientierung des Bearbeitungskopfes.When using the proposed method in an industrial application, in which the machining head is guided by a handling system, for example a robot, the proposed method and the associated device have advantages. Thus, the handling system may not perform the programmed, uniform motion. Due to several axes, it often comes to a swinging movement of the handling system, which is noticeable in the feed direction of the machining head. By the proposed measurement of the relative speed to the workpiece directly on or near the processing point, such a vibration can be detected relative to the workpiece. With the help of the proposed method, the laser power and the wire feed can then be adjusted accordingly. The path energy S remains constant. Another advantage is a change in the joint width or joint depth - for example, in a change in the bending radius in a flanged seam - or a change in the gap of the joint - for example, when a gap in the fillet weld due to thermal distortion. In such a case, the wire feed speed v _D relative to the feed rate v - ie the wire feed rate r _D - must be adjusted to fill the volume. Only then can a constant seam width b be guaranteed. In general, such a change in the joint geometry is associated with a reorientation of the laser processing head, with the result that the speed v is minimized. This requires a control of the laser power P _L and the wire feed speed v _D. The control of the laser power P _L and the wire feed speed v _D based on the real-time speed measurement and the additional control of the wire feed rate r _D based on the measured real-time seam width b allow a stable process even with transient changes in the process conditions, eg. B. Change of joint geometry or reorientation of the machining head.

Weiterhin ist die Geometrie des Werkstückes bzw. der Fügepartner zu berücksichtigen. Auch eine Änderung der Wärmeableitung, z. B. hervorgerufen durch eine Änderung der Blechdicke, beeinflusst die Prozesstemperatur und damit das Abschmelzverhalten des Lot- bzw. Zusatzdrahtes und erfordert daher eine Regelung der Drahtförderrate r_D bei gleichzeitiger Steuerung der Laser-Leistung P_L. Auch dies kann mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der vorgeschlagenen Vorrichtung realisiert werden.Furthermore, the geometry of the workpiece or the joining partner is taken into account. Also, a change in heat dissipation, z. B. caused by a change in the sheet thickness, affects the process temperature and thus the melting behavior of the solder or filler wire and therefore requires a control of the wire feed rate r _D with simultaneous control of the laser power P _L. This too can be realized with the proposed method and the proposed device.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Kameracamera
22: Linsensystemlens system
33: Strahlteiler oder LochspiegelBeam splitter or perforated mirror
44: dichroitischer Spiegeldichroic mirror
55: Fokussieroptikfocusing optics
66: DrahtzufuhreinrichtungWire feeder
77: Werkstückeworkpieces
88th: Kollimationsoptikcollimating optics
99: Faseranschluss für BearbeitungslaserFiber connection for processing laser
1010: Kollimationsoptikcollimating optics
1111: Anschluss koaxiale BeleuchtungConnection coaxial lighting
1212: Beleuchtungsquellen für lateral symmetrische BeleuchtungIllumination sources for laterally symmetrical illumination
1313: Beleuchtungsquellelighting source
1414: Vorschubrichtung des BearbeitungskopfesFeed direction of the machining head
1515: FügestoßAdd shock
1616: Einheit zur Ermittlung der RelativgeschwindigkeitUnit for determining the relative speed
1717: LUT LaserLUT laser
1818: LUT DrahtvorschubLUT wire feed
1919: Signalgeneratorensignal generators
20 20: D/A-WandlerD / A converter
2121: Lasersteuerunglaser control
2222: DrahtvorschubsteuerungWire feed control
2323: Lotdrahtsolder wire
2424: Schmelzbadmelting bath
2525: Laserflecklaser spot
2626: Verbindungnahtseam
2727: Suchbereich des ersten VektorsSearch area of the first vector
2828: Suchbereich NahtbreiteSearch area seam width
2929: Einheit zur Ermittlung der NahtbreiteUnit for determining the seam width

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10040920 A1 [0005]
DE 102005022095 A1 [0006, 0030]
WO 00/29166 A1 [0017]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

D. Liu et al .; "Block-based Fast Motion Estimation Algorithms in Video Compression", Department of Electrical Engineering and Computer Engineering, Stevens Institute of Technology, Hoboken, NJ 07030, August 24, 1998, pages 1 to 24 [0019]

Claims

Method for joining workpieces with a machining beam, in particular a laser beam, in which - the machining beam with a machining head while supplying a filler material ( 23 ) along a joint ( 15 ) between the workpieces to be joined ( 7 ) is guided around the workpieces ( 7 ) by local melting of the filler material in a joining zone to form a connecting seam ( 26 ), during joining a momentary relative speed between the machining head and the workpieces ( 7 ), - a power of the processing beam is controlled at least as a function of the instantaneous relative speed, and - a supply quantity of the filler material ( 23 ) per unit time as a function of the instantaneous relative speed and / or as a function of a current seam width of the connecting seam ( 26 ) are controlled and / or regulated, - wherein for determining the relative speed, a surface of the workpieces ( 7 ) is illuminated with optical radiation in the region of the machining head, optical radiation reflected from the surface in the region around the joining zone is repeatedly recorded with an optical detector ( 1 ) which is fixedly connected to the machining head in order to obtain optical reflection patterns of the surface in the region around the joining zone at different times, wherein the repeated detection takes place at time intervals, in which temporally successive reflection patterns of overlapping surface regions of the workpieces ( 7 ), and the relative velocity is determined from a comparison of the temporally successive reflection patterns.

A method according to claim 1, characterized in that during the joining in addition to the relative speed, the instantaneous seam width of the connecting seam ( 26 ) and at least the supply amount of the filler ( 23 ) is regulated per unit of time so that a seam width as constant as possible along the joint ( 15 ).

A method according to claim 2, characterized in that the instantaneous seam width is determined by evaluation of the reflection pattern.

A method according to claim 2, characterized in that the connecting seam additionally illuminated line-shaped with optical radiation, an illumination pattern formed thereby with the optical detector ( 1 ) is detected and the instantaneous seam width is determined by light-section method by evaluation of the illumination pattern.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the temporally successive reflection patterns sections of greatest similarity are determined and the relative velocity of an offset of the subsections and a time interval of the detected reflection pattern is calculated.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the determination of the relative velocity with the technique of full search block matching takes place.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the detection of the surface of the workpieces ( 7 ) reflected optical radiation is at least approximately coaxial with the processing beam.

Method according to one of claims 1 to 7, characterized in that one or more further process parameters are controlled and / or regulated in dependence on the instantaneous relative speed and / or the instantaneous seam width.

Device for joining workpieces with a machining beam, in particular a laser beam, at least comprising - a machining head having a coupling opening for the machining beam, a beam shaping optical system ( 5 ), with which the processing beam is directed along a beam axis through an exit opening onto a processing plane lying in front of the processing head, a feed device (FIG. 6 ) for a filler material ( 23 ) and an optical detector ( 1 ) which is mechanically fixedly connected to the machining head and arranged so that it can detect spatially resolved optical radiation reflected from the working plane parallel or at a small angle to the beam axis, - one with the optical detector ( 1 ) associated evaluation device ( 16 ) having an image processing algorithm for evaluating images of temporally successive reflection patterns for the automated determination of a relative speed between the processing head and a workpiece, and - a control device ( 21 . 22 ), which controls a power of the machining beam in dependence on the instantaneous relative speed and a supply amount of the filler material ( 23 ) per unit of time as a function of the instantaneous relative speed and / or as a function of a current seam width of a connecting seam produced with the machining beam in the working plane ( 26 ) controls or regulates.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the evaluation device ( 16 ) and the control device ( 21 . 22 ) are formed so that the evaluation device, in addition to the relative speed, the instantaneous seam width of the seam produced by the machining beam in the working plane ( 26 ) determined by evaluation of the images and the control device ( 21 . 22 ) the supply quantity of the additional material ( 23 ) per unit of time so that a seam width as constant as possible is obtained.

Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the evaluation device is designed such that it based on the detected relative speed, an analog voltage signal for the control device ( 21 . 22 ), which is used directly to control the power of the machining beam.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the evaluation device is designed such that, on the basis of the detected relative speed and / or the instantaneous seam width, a further analog voltage signal for the control device ( 21 . 22 ), which is used directly to control the feed rate of the filler ( 23 ) is used per unit time.

Device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the machining head has a lighting device which generates a line of light in the working plane, which from the optical detector ( 1 ) is detectable.