DE102013008085B4

DE102013008085B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl

Info

Publication number: DE102013008085B4
Application number: DE102013008085.1A
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: 2017-02-16
Anticipated expiration: 2033-05-11
Also published as: DE102013008085A1

Abstract

Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, bei dem – der Bearbeitungsstrahl mit einem Bearbeitungskopf unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes (23) entlang eines Fügestoßes (15) zwischen den zu fügenden Werkstücken (7) geführt wird, um die Werkstücke (7) durch lokales Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes in einer Fügezone unter Bildung einer Verbindungsnaht (26) miteinander zu verbinden, – während des Fügens eine momentane Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und den Werkstücken (7) ermittelt wird, – eine Leistung des Bearbeitungsstrahls zumindest in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit gesteuert wird, und – eine Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der Verbindungsnaht (26) geregelt wird, – wobei zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit eine Oberfläche der Werkstücke (7) im Bereich des Bearbeitungskopfes mit optischer Strahlung beleuchtet wird, von der Oberfläche im Bereich um die Fügezone reflektierte optische Strahlung wiederholt mit einem optischen Detektor (1) ortsaufgelöst erfasst wird, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, um optische Reflexionsmuster der Oberfläche im Bereich um die Fügezone zu unterschiedlichen Zeiten zu erhalten, wobei die wiederholte Erfassung in zeitlichen Abständen erfolgt, bei denen zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen der Werkstücke (7) erhalten werden, und die Relativgeschwindigkeit aus einem Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmuster ermittelt wird, wobei während des Fügens zusätzlich zur Relativgeschwindigkeit die momentane Nahtbreite der Verbindungsnaht (26) erfasst und zumindest die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit so geregelt wird, dass eine möglichst konstante Nahtbreite entlang des Fügestoßes (15) erhalten wird, und wobei die momentane Nahtbreite durch Auswertung der Reflexionsmuster ermittelt wird.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
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.
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.
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.
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.
Stand der Technik
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.
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.
Die DE 198 17 629 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit einem Laserstrahl, bei dem der Laserstrahl 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. Die Vorschubgeschwindigkeit der Laserbearbeitungsvorrichtung wird über inkrementale Drehgeber erfasst. Aus der Kenntnis der Vorschubgeschwindigkeit kann der erforderliche Vorschub des Zusatzwerkstoffes gesteuert werden. Weiter kann anhand der Vorschubgeschwindigkeit und/oder anhand einer mittels eines Pyrometers gemessenen Temperatur eine Regelung der Laserleistung erfolgen.
Die DE 10 2007 006 114 A1 zeigt eine Regelung der Drahtzufuhrgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Nahtbreite oder Spaltbreite in einem thermischen Fügeverfahren. Als Prozessgröße wird die Widerstandskraft herangezogen, die auf den in dem Wirkpunkt des Laserstrahls geförderten Draht wirkt.
Die EP 2 567 773 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überprüfung der Nahtqualität während eines Laserschweißprozesses, bei dem die beim Schweißprozess vom Werkstück ausgehende Strahlung ortsaufgelöst in zwei unterschiedlichen Wellenlängenbereichen detektiert und zur Bestimmung geometrischer Kenngrößen ausgewertet wird.
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.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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 in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der Verbindungsnaht geregelt. Die Steuerung erfolgt vorzugsweise nach einer jeweils vorgegebenen Kennlinie oder einer entsprechenden Tabelle, durch die unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten unterschiedlichen Laser-Leistungen bzw. entsprechenden Steuergrößen für die Laser-Leistung 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, 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.
Bei dem vorgestellten Verfahren wird somit die Laser-Leistung P_L in Echtzeit auf Basis der aktuellen, im Bereich des Bearbeitungspunktes gemessenen Relativ- bzw. Vorschubgeschwindigkeit v gesteuert. Für die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit, beispielsweise die Zufuhrgeschwindigkeit v_D eines Drahtes aus dem Zusatzwerkstoff, erfolgt eine Regelung auf Basis der Nahtbreite. 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.
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.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren sowie der zugehörigen Vorrichtung wird für die Regelung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit zusätzlich die momentane Nahtbreite der gerade erzeugten Verbindungsnaht gemessen. Der Zufuhrmenge pro Zeiteinheit wird 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. Dies erfordert zunächst eine Anfangsphase, während der mit einer konstanten Relativgeschwindigkeit gefügt wird, um die entsprechende Nahtbreite bestimmen zu können.
Die Bestimmung der Nahtbreite erfolgt durch Auswertung der Reflexionsmuster für die Bestimmung der Relativgeschwindigkeit. 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.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren 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 auf eine Kennlinie für die Steuerung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes pro Zeiteinheit verzichtet werden, da 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.
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 der Nahtbreite bereitgestellt wird. Die Auswertezeit ist dabei vorzugsweise kleiner oder gleich dem Kehrwert der Bildaufnahmerate der eingesetzten Kamera.
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 einer momentanen Nahtbreite der mit dem Bearbeitungsstrahl in der Bearbeitungsebene erzeugten Verbindungsnaht regelt. Die Auswerteeinrichtung ermittelt 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.
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.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 ein erstes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit koaxialer Beleuchtung;
2 ein zweites Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit lateral stechender Beleuchtung;
3 ein drittes Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen Vorrichtung mit lateral symmetrischer Beleuchtung;
4 eine Draufsicht auf einen Bearbeitungsbereich mit einer Anordnung der Vektoren und Suchbereiche gemäß einem Beispiel des vorgeschlagenen Verfahrens;
5 die Draufsicht gemäß 4, in der die Ermittlung der Nahtbreite angedeutet ist;
6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Auswerteeinheit und Steuerung einer Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl; und
7 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung der Auswerteeinheit und Steuerung der vorgeschlagenen Vorrichtung.
Wege zur Ausführung der Erfindung
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 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.
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 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 hardwarebasiert auf einem FPGA (Field Programmable Gate Array) erfolgen, beispielsweise mit Hilfe des so genannten Full-Search-Block-Matching.
Das von der Auswerteeinheit generierte, analoge Spannungssignal wird dadurch direkt zur Steuerung der Laser-Leistung P_L verwendet. Zur sinnvollen Steuerung dieser Größe ist eine Kennlinie erforderlich, welche die Korrelation zwischen gemessener Geschwindigkeit und auszugebender Spannung – Eingangssignal zur Steuerung von P_L – herstellt. Diese Kennlinie, die in der LUT 17 (LUT: Look-Up Table) abgespeichert wird, kann beispielsweise durch Referenzversuche vorab bestimmt werden. Für die Steuerung des Drahtvorschubes ist 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.
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.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels einer Auswerteeinheit und Steuerung einer Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, die sich von der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch eine Steuerung der Drahtvorschubgeschwindigkeit v_D über eine LUT 18 unterscheidet. Die Darstellung zeigt eine Auswerteeinheit und Steuerung 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 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 geregelt wird.
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.
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.
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. Insbesondere bei transienten Änderungen des Prozessfensters liefert das vorgeschlagene Verfahren eine konstante Nahtbreite.
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.
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 Fugentiefebeispielsweise 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 bzw. Regelung der Laser-Leistung P_L sowie der Drahtvorschubgeschwindigkeit v_D. Die Steuerung der Laser-Leistung P_L auf Basis der echtzeitfähigen Geschwindigkeitsmessung und die 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.
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 Lotbzw. 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.
Bezugszeichenliste

1: Kamera
2: Linsensystem
3: Strahlteiler oder Lochspiegel
4: dichroitischer Spiegel
5: Fokussieroptik
6: Drahtzufuhreinrichtung
7: Werkstücke
8: Kollimationsoptik
9: Faseranschluss für Bearbeitungslaser
10: Kollimationsoptik
11: Anschluss koaxiale Beleuchtung
12: Beleuchtungsquellen für lateral symmetrische Beleuchtung
13: Beleuchtungsquelle
14: Vorschubrichtung des Bearbeitungskopfes
15: Fügestoß
16: Einheit zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit
17: LUT Laser
18: LUT Drahtvorschub
19: Signalgeneratoren
20: D/A-Wandler
21: Lasersteuerung
22: Drahtvorschubsteuerung
23: Lotdraht
24: Schmelzbad
25: Laserfleck
26: Verbindungnaht
27: Suchbereich des ersten Vektors
28: Suchbereich Nahtbreite
29: Einheit zur Ermittlung der Nahtbreite

Claims

Verfahren zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, bei dem – der Bearbeitungsstrahl mit einem Bearbeitungskopf unter Zufuhr eines Zusatzwerkstoffes (23) entlang eines Fügestoßes (15) zwischen den zu fügenden Werkstücken (7) geführt wird, um die Werkstücke (7) durch lokales Aufschmelzen des Zusatzwerkstoffes in einer Fügezone unter Bildung einer Verbindungsnaht (26) miteinander zu verbinden, – während des Fügens eine momentane Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und den Werkstücken (7) ermittelt wird, – eine Leistung des Bearbeitungsstrahls zumindest in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit gesteuert wird, und – eine Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite der Verbindungsnaht (26) geregelt wird, – wobei zur Ermittlung der Relativgeschwindigkeit eine Oberfläche der Werkstücke (7) im Bereich des Bearbeitungskopfes mit optischer Strahlung beleuchtet wird, von der Oberfläche im Bereich um die Fügezone reflektierte optische Strahlung wiederholt mit einem optischen Detektor (1) ortsaufgelöst erfasst wird, der fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden ist, um optische Reflexionsmuster der Oberfläche im Bereich um die Fügezone zu unterschiedlichen Zeiten zu erhalten, wobei die wiederholte Erfassung in zeitlichen Abständen erfolgt, bei denen zeitlich aufeinanderfolgende Reflexionsmuster von überlappenden Oberflächenbereichen der Werkstücke (7) erhalten werden, und die Relativgeschwindigkeit aus einem Vergleich der zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmuster ermittelt wird, wobei während des Fügens zusätzlich zur Relativgeschwindigkeit die momentane Nahtbreite der Verbindungsnaht (26) erfasst und zumindest die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit so geregelt wird, dass eine möglichst konstante Nahtbreite entlang des Fügestoßes (15) erhalten wird, und wobei die momentane Nahtbreite durch Auswertung der Reflexionsmuster ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den zeitlich aufeinanderfolgenden Reflexionsmustern Teilabschnitte größter Ähnlichkeit ermittelt werden und die Relativgeschwindigkeit aus einem Versatz der Teilabschnitte und einem zeitlichen Abstand der erfassten Reflexionsmuster berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Relativgeschwindigkeit mit der Technik des Full-Search-Block-Matching erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassung der von der Oberfläche der Werkstücke (7) reflektierten optischen Strahlung zumindest annähernd koaxial zum Bearbeitungsstrahl erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere Verfahrensparameter in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und/oder der momentanen Nahtbreite gesteuert oder geregelt werden.
Vorrichtung zum Fügen von Werkstücken mit einem Bearbeitungsstrahl, zumindest umfassend – einen Bearbeitungskopf, der eine Einkoppelöffnung für den Bearbeitungsstrahl, eine Strahlformungsoptik (5), mit der der Bearbeitungsstrahl entlang einer Strahlachse durch eine Austrittsöffnung auf eine vor dem Bearbeitungskopf liegende Bearbeitungsebene gerichtet wird, eine Zufuhreinrichtung (6) für einen Zusatzwerkstoff (23) und einen optischen Detektor (1) aufweist, der mechanisch fest mit dem Bearbeitungskopf verbunden und so angeordnet ist, dass er von der Bearbeitungsebene parallel oder unter einem kleinen Winkel zur Strahlachse reflektierte optische Strahlung ortsaufgelöst erfassen kann, – eine mit dem optischen Detektor (1) verbundene Auswerteeinrichtung (16), die einen Bildverarbeitungsalgorithmus zur Auswertung von Bildern zeitlich aufeinanderfolgender Reflexionsmuster für die automatisierte Ermittlung einer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und einem Werkstück aufweist, – eine Steuereinrichtung (21, 22), die eine Leistung des Bearbeitungsstrahls in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit steuert und eine Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit in Abhängigkeit von der momentanen Relativgeschwindigkeit und in Abhängigkeit von einer momentanen Nahtbreite einer mit dem Bearbeitungsstrahl in der Bearbeitungsebene erzeugten Verbindungsnaht (26) regelt, wobei die Auswerteeinrichtung (16) und die Steuereinrichtung (21, 22) so ausgebildet sind, dass die Auswerteeinrichtung zusätzlich zur Relativgeschwindigkeit die momentane Nahtbreite der mit dem Bearbeitungsstrahl in der Bearbeitungsebene erzeugten Verbindungsnaht (26) durch Auswertung der Bilder ermittelt und die Steuereinrichtung (21, 22) die Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit so regelt, dass eine möglichst konstante Nahtbreite erhalten wird.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie auf Basis der erfassten Relativgeschwindigkeit ein analoges Spannungssignal für die Steuereinrichtung (21, 22) generiert, das direkt zur Steuerung der Leistung des Bearbeitungsstrahls eingesetzt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung so ausgebildet ist, dass sie auf Basis der erfassten Relativgeschwindigkeit und/oder der momentanen Nahtbreite ein weiteres analoges Spannungssignal für die Steuereinrichtung (21, 22) generiert, das direkt zur Regelung der Zufuhrmenge des Zusatzwerkstoffes (23) pro Zeiteinheit eingesetzt wird.