DE102013215362A1 - Method and device for determining a welding depth during laser welding - Google Patents
Method and device for determining a welding depth during laser welding Download PDFInfo
- Publication number
- DE102013215362A1 DE102013215362A1 DE201310215362 DE102013215362A DE102013215362A1 DE 102013215362 A1 DE102013215362 A1 DE 102013215362A1 DE 201310215362 DE201310215362 DE 201310215362 DE 102013215362 A DE102013215362 A DE 102013215362A DE 102013215362 A1 DE102013215362 A1 DE 102013215362A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- welding
- molten bath
- determined
- melt
- solidified melt
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
- B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe (T) während eines Laser-Schweißprozesses und/oder nach einem Laser-Schweißprozess von Werkstücken (4), umfassend die Schritte: Zweidimensional ortsaufgelöstes Detektieren der Intensität von Strahlung (2b), die während des Schweißprozesses von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad anschließenden, erstarrten Schmelze emittiert wird, Bestimmen von geometrischen Größen (M1, ..., Mn) des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität, und Bestimmen einer Kenngröße (KT) für die Einschweißtiefe (T) als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe (M1) des Schmelzbades (21) und mindestens einer geometrischen Größe der erstarrten Schmelze (23). Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Laserschweißprozesses.The invention relates to a method for determining a welding depth (T) during a laser welding process and / or after a laser welding process of workpieces (4), comprising the steps: two-dimensionally spatially resolved detection of the intensity of radiation (2b) during the welding process is emitted from a liquid molten bath and a solidified melt adjoining the liquid molten bath, determination of geometrical quantities (M1,..., Mn) of the molten bath and the solidified melt on the basis of the two-dimensionally spatially resolved detected radiation intensity, and determination of a characteristic (KT ) for the welding depth (T) as a function of at least one geometric size (M1) of the molten bath (21) and at least one geometric size of the solidified melt (23). The invention also relates to a computer program product for carrying out the method and to a device (1) for carrying out a laser welding process.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe während eines Laser-Schweißprozesses und/oder nach einem Laser-Schweißprozess bzw. die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen, bei dem während eines Schweißprozesses und/oder nach dem Schweißprozess eine Bestimmung der Einschweißtiefe erfolgt. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Laserschweißen.The present invention relates to a method for determining a welding depth during a laser welding process and / or after a laser welding process. The invention relates to a method for laser welding in which a determination of the welding depth takes place during a welding process and / or after the welding process. The invention also relates to a computer program product for carrying out the method and to a device for laser welding.
Aus
Aus der
Aus der
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine Erkennung der Einschweißtiefe prozesssicher ermöglicht wird.It is the object of the present invention to provide a method and a device with which a detection of the welding depth is made possible process-reliable.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte: zweidimensional ortsaufgelöstes Detektieren der Intensität von Strahlung, die von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad in Schweißrichtung anschließenden, erstarrten Schmelze sowie deren Umgebung emittiert wird, Bestimmen von geometrischen Größen des Schmelzbades und der Wärmespur, d. h. der sich an das Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze und deren Umgebung, anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität, sowie Bestimmen einer Kenngröße für die Einschweißtiefe als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe des Schmelzbades und mindestens einer geometrischen Größe der erstarrten Schmelze.This object is achieved by a method of the type mentioned, which is characterized by the steps: two-dimensionally spatially resolved detecting the intensity of radiation emitted by a liquid melt and a subsequent to the liquid melt in the welding direction, solidified melt and the environment determining geometric sizes of the molten bath and the heat trace, d. H. the solidified melt adjoining the molten bath and its surroundings, based on the radiation intensity detected two-dimensionally spatially resolved, and determining a parameter for the welding depth as a function of at least one geometric size of the molten bath and at least one geometric size of the solidified melt.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Kenngröße für die Einschweißtiefe, d. h. eine Größe, die möglichst gut mit der Einschweißtiefe übereinstimmt, als Funktion von mindestens zwei geometrischen Größen zu bestimmen. Die Kenngröße wird anhand eines mathematischen Zusammenhangs bzw. einer mathematischen Funktion bestimmt, welche die geometrischen Größen miteinander kombiniert. Es hat sich gezeigt, dass durch eine geeignete Kombination bzw. einen geeigneten funktionalen Ansatz aus den auf die oben beschriebene Weise bestimmten geometrischen Größen eine gute Korrelation zur Einschweißtiefe hergestellt werden kann, wenn mindestens eine geometrische Größe des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze kombiniert werden.According to the invention, a parameter for the welding depth, d. H. To determine a size that corresponds as well as possible with the welding depth, as a function of at least two geometric sizes. The parameter is determined on the basis of a mathematical relationship or a mathematical function which combines the geometric variables. It has been found that a good correlation to the welding depth can be produced by a suitable combination or a suitable functional approach from the geometric variables determined in the manner described above, if at least one geometric size of the molten bath and the solidified melt are combined.
Die konkreten Werte der für den funktionalen Ansatz zu wählenden Parameter können mit Hilfe einer Versuchsreihe, d. h. anhand von Testmessungen an Testwerkstücken, bestimmt werden, bei denen bestimmte Schweißparameter, z. B. die Vorschubgeschwindigkeit oder die Laserleistung, variiert werden. Die optimalen Parameter, die in den funktionalen Ansatz eingehen, können durch ein statistisches Verfahren, z. B. durch eine Regressionsanalyse (beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate), aufgefunden werden. Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von weiteren Größen, die einen Einfluss auf des Schweißprozess haben, gegebenenfalls mehrere Parametersätze mit jeweils optimierten Parameterwerten verwendet werden können. Beispielsweise können ggf. unterschiedliche Parametersätze für unterschiedliche Arten von Werkstückmaterialien verwendet werden.The concrete values of the parameters to be chosen for the functional approach can be determined by means of a series of experiments, i. H. determined by test measurements on test workpieces, in which certain welding parameters, eg. As the feed rate or the laser power can be varied. The optimal parameters that enter into the functional approach can be determined by a statistical method, eg. B. by a regression analysis (for example, the method of least squares), be found. It goes without saying that, depending on further variables which have an influence on the welding process, it is possible if appropriate to use a plurality of parameter sets each with optimized parameter values. For example, different parameter sets may be used for different types of workpiece materials, if necessary.
Sind die Parameter des funktionalen Ansatzes bekannt, kann während des Schweißprozesses (ggf. in Echtzeit) und/oder anschließend an den Schweißprozess die Kenngröße für die Einschweißtiefe anhand der geometrischen Größen bestimmt werden, die aus der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität bzw. einer von dieser abhängigen Messgröße, z. B. der Temperatur, bestimmt werden. Um den Einfluss statistischer Schwankungen bei der Messung bzw. der Bestimmung der geometrischen Größen zu reduzieren, können diese als Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt werden, die mit Hilfe einer Kamera erfasst werden. Alternativ kann bei der Bestimmung der Kenngröße für die Einschweißtiefe eine Mittelung über mehrere Werte der Kenngröße durchgeführt werden, die zu mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten (entsprechend mehreren Kamerabildern) errechnet wurden. If the parameters of the functional approach are known, during the welding process (possibly in real time) and / or subsequent to the welding process, the parameter for the welding depth can be determined on the basis of the geometrical variables resulting from the two-dimensionally spatially resolved detected radiation intensity or one dependent thereon Measurand, z. As the temperature can be determined. In order to reduce the influence of statistical fluctuations in the measurement or the determination of the geometrical variables, these can be determined as an average value from a predetermined number of successive images which are acquired with the aid of a camera. Alternatively, when determining the parameter for the welding depth, an averaging can be carried out over a plurality of values of the parameter which were calculated at a plurality of successive times (corresponding to a plurality of camera images).
Bei einer Variante werden aus der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität eine Schmelzbadbreite, eine Schmelzbadlänge, eine Wärmespurbreite der erstarrten Schmelze und eine Abklinglänge der erstarrten Schmelze als geometrische Größen bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass ein funktionaler Ansatz, welcher diese vier geometrischen Größen berücksichtigt, eine besonders gute Korrelation bzw. Übereinstimmung mit der Einschweißtiefe ermöglicht.In one variant, a melt bath width, a melt bath length, a heat trace width of the solidified melt and a decay length of the solidified melt are determined as geometric variables from the radiation intensity detected two-dimensionally in a spatially resolved manner. It has been found that a functional approach, which takes into account these four geometric variables, allows a particularly good correlation or agreement with the welding depth.
Bei einer Variante wird die Schmelzbadbreite an der breitesten Stelle des Schmelzbades quer zur Schweißrichtung und/oder es wird die Schmelzbadlänge an der längsten Stelle des Schmelzbades parallel zur Schweißrichtung bestimmt. Zur Bestimmung der Schmelzbadbreite bzw. der Schmelzbadlänge aus der zweidimensional ortsaufgelöst bestimmten Strahlungsintensität bestehen mehrere Möglichkeiten: Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Strahlungsintensität entlang von einer oder mehreren Linien (sog. Profilschnitte), d. h. eindimensionalen Schnitten in der zweidimensionalen Intensitätsverteilung, senkrecht bzw. parallel zur Schweiß- bzw. Vorschubrichtung bestimmt werden, wobei zur Bestimmung der Schmelzbadbreite bzw. der Schmelzbadlänge charakteristische Merkmale des Verlaufs der Strahlungsintensität (z. B. eine plötzliche starke Abnahme der Intensität) entlang der Profilschnitte identifiziert werden.In one variant, the molten bath width at the widest point of the molten bath is transverse to the welding direction and / or the molten bath length at the longest point of the molten bath is determined parallel to the welding direction. There are several possibilities for determining the width of the molten bath or the length of the molten bath from the radiation intensity determined in two-dimensionally spatially resolved form: For example, for this purpose the radiation intensity along one or more lines (so-called profile sections), ie. H. one-dimensional sections in the two-dimensional intensity distribution, perpendicular or parallel to the welding or feed direction, wherein characteristic features of the course of the radiation intensity (eg a sudden sharp decrease in intensity) along the profile sections are used to determine the width of the bath be identified.
Bei einer Weiterbildung wird die Schmelzbadbreite und/oder die Schmelzbadlänge anhand eines binärisierten Bildes der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität bestimmt. In diesem Fall wird die zweidimensional ortsaufgelöste Strahlungsintensität binärisiert, d. h. es erfolgt eine Filterung der ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität, um diese zu segmentieren, d. h. in zwei Bereiche mit Bildpixeln zu unterteilen, von denen die ersten dem Schmelzbad und die zweiten der Umgebung des Schmelzbades zugeordnet sind. Für die Segmentierung bestehen mehrere Möglichkeiten, die auch kombiniert werden können, um dadurch die Segmentierung robuster zu gestalten. Bei den Segmentierungsstrategien wird im Wesentlichen ausgenutzt, dass am Übergang zwischen Schmelze und Feststoff bzw. erstarrter Schmelze, d. h. am Rand des Schmelzbades, eine charakteristische Änderung der Strahlungsintensität auftritt. Für die Segmentierung kann beispielsweise mit Hilfe eines Kantenfilters ein Kantenbild erzeugt und durch Vergleich mit einem Schwellwert eine binäres Bild des Kantenbildes erzeugt werden. Alternativ kann für jedes zu schweißende Material anhand von Testmessungen ein Helligkeitsschwellwert festgelegt werden, der für die Binärisierung verwendet wird.In a development, the melt pool width and / or the melt pool length is determined on the basis of a binarized image of the two-dimensionally spatially resolved detected radiation intensity. In this case, the two-dimensionally spatially resolved radiation intensity is binarized, i. H. there is a filtering of the spatially resolved detected radiation intensity in order to segment them, d. H. into two areas with image pixels, the first of which are assigned to the molten bath and the second of the surroundings of the molten bath. There are several possibilities for segmentation, which can also be combined to make the segmentation more robust. In the segmentation strategies is essentially exploited that at the transition between melt and solid or solidified melt, d. H. at the edge of the molten pool, a characteristic change in radiation intensity occurs. For example, an edge image can be generated for the segmentation with the aid of an edge filter, and a binary image of the edge image can be generated by comparison with a threshold value. Alternatively, for each material to be welded, test threshold measurements can be used to set a brightness threshold used for binarization.
Bei einer weiteren Variante wird die Wärmespurbreite der erstarrten Schmelze durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität entlang einer Linie quer zur Schweißrichtung als Halbwertsbreite der Verteilung der Strahlungsintensität bestimmt. Die Bestimmung der Wärmespurbreite erfolgt in der Regel durch Auswertung eines Profilschnitts quer zur Schweißrichtung, und zwar in einem festgelegten Abstand (typischer Weise mehrere Millimeter) zum hinteren Ende des Schmelzbades. Die Strahlungsintensität weist entlang einer solchen Linie typischer Weise eine Gaußverteilung um ein Intensitätsmaximum herum auf, deren Halbwertsbreite mit der geometrischen Größe „Wärmespurbreite” identifiziert werden kann.In a further variant, the heat trace width of the solidified melt is determined by evaluating the detected radiation intensity along a line transverse to the welding direction as the half-width of the radiation intensity distribution. The determination of the heat trace width is generally carried out by evaluating a profile section transversely to the welding direction, namely at a fixed distance (typically several millimeters) to the rear end of the molten bath. The radiation intensity along such a line typically has a Gaussian distribution around an intensity maximum, whose half-width can be identified with the geometric dimension "heat trace width".
Bei einer weiteren Variante wird die Abklinglänge der erstarrten Schmelze durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität entlang der Schweißnaht als diejenige Länge bestimmt, in welcher die Strahlungsintensität auf das 1/e-fache, d. h. auf ca. 37%, abfällt. Die Strahlungsintensität hat entlang der Linie parallel zur Schweißrichtung insbesondere im Bereich der Symmetrieachse bzw. in dem vom Brennfleck bzw. vom Laserstrahl überstrichenen Bereich der Schweißnaht einen charakteristischen Intensitätsverlauf, der mit einem mathematischen Modell, beispielsweise mit einer Exponentialfunktion, beschrieben werden kann, deren Parameter an die detektierte Strahlungsintensität angepasst bzw. für diese optimiert werden. Die geometrische Größe „Abklinglänge” kann definiert werden als diejenige Länge, in welcher die Strahlungsintensität auf das 1/e-fache, d. h. auf ca. 37%, abfällt.In a further variant, the decay length of the solidified melt is determined by evaluating the detected radiation intensity along the weld as the length in which the radiation intensity to the 1 / e-fold, d. H. to about 37%, drops. The radiation intensity along the line parallel to the welding direction, in particular in the region of the axis of symmetry or in the swept from the focal spot or laser beam region of the weld a characteristic intensity profile that can be described with a mathematical model, for example, with an exponential function, whose parameters the detected radiation intensity can be adjusted or optimized for it. The geometric quantity "decay length" can be defined as the length in which the radiation intensity is reduced to 1 / e times, ie. H. to about 37%, drops.
In einer weiteren Variante wird die Kenngröße KT für die Einschweißtiefe nach folgender Formel bestimmt:
Schmelzbadlänge, Wärmespurbreite und Abklinglänge bezeichnen und wobei C, O1 bis O4 (Offset) bzw. E1 bis E4 (Exponenten) Konstanten bezeichnen, die als Parameter dienen, um eine möglichst gute Korrelation zwischen der Kenngröße KT für die Einschweißtiefe und den geometrischen Größen M1 bis M4 zu erhalten. Wie weiter oben dargestellt wurde, können die Parameter durch Testschweißungen an Testwerkstücken beispielswiese mit Hilfe einer multilinearen Regression ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass der Produktansatz gemäß Gleichung (1) mit den vier oben angegebenen geometrischen Größen M1 bis M4 besonders gut zur Bestimmung der Einschweißtiefe geeignet ist.In a further variant, the parameter K T for the welding depth is determined according to the following formula:
Where C, O1 to O4 (offset) and E1 to E4 (exponents) denote constants which serve as parameters in order to achieve the best possible correlation between the parameter K T for the welding depth and the geometrical parameters M1 to get to M4. As described above, the parameters can be determined by test welding on test workpieces, for example using a multilinear regression. It has been shown that the product formulation according to equation (1) with the four geometric variables M1 to M4 given above is particularly well suited for determining the welding depth.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Erkennen einer Durchschweißung des Werkstücks durch Vergleichen der Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Kenngröße für die Dicke des Werkstücks. Wenn die Einschweißtiefe bzw. deren Kenngröße der Dicke des Werkstücks bzw. einer mit der Dicke des Werkstücks korrelierten Kenngröße entspricht, kann eine Durchschweißung erkannt werden, ohne dass zu diesem Zweck ein Leistungsüberschuss der Laserstrahlung oder ein geöffnetes Keyhole (Dampfkapillare an der Bestrahlungsfläche) detektiert werden muss. Es versteht sich, dass die Erkennung der Durchschweißung anhand der Einschweißtiefe auch mit den hier beschriebenen oder mit weiteren Methoden zur Erkennung der Durchschweißung kombiniert werden kann, um die Erkennung der Durchschweißung robuster zu gestalten.In a further variant, the method additionally comprises: detecting a through-welding of the workpiece by comparing the parameter for the welding depth with a parameter for the thickness of the workpiece. If the welding depth or its characteristic value corresponds to the thickness of the workpiece or to a parameter correlated with the thickness of the workpiece, through-welding can be detected without a power excess of the laser radiation or an opened keyhole (vapor capillary at the irradiation surface) being detected for this purpose got to. It goes without saying that the identification of the through-welding on the basis of the welding depth can also be combined with the methods described here or with further methods of detecting the through-welding in order to make the identification of the through-welding more robust.
Bei einer Variante wird die Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Soll-Kenngröße für die Einschweißtiefe verglichen. Die Abweichung kann beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung, z. B. einem Monitor, ausgegeben werden. Wenn die Abweichung der gemessenen Einschweißtiefe zur Soll-Einschweißtiefe einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet, kann ein Warnsignal auf der Anzeigeeinrichtung ausgegeben werden.In one variant, the parameter for the welding depth is compared with a desired characteristic for the welding depth. The deviation may, for example, on a display device, for. As a monitor. If the deviation of the measured welding depth from the setpoint welding depth exceeds a previously defined limit value, a warning signal can be output on the display device.
In einer weiteren Variante wird die Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Soll-Kenngröße für die Einschweißtiefe verglichen und bei einer Abweichung wird mindestens ein Prozessparameter des Laserschweißprozesses, insbesondere die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, geändert. Anhand der Soll-Kenngröße kann der Laserschweißprozess, genauer gesagt dessen Prozessparameter, so eingestellt werden, dass eine vorgegebene Einschweißtiefe erreicht wird.In a further variant, the parameter for the welding depth is compared with a desired characteristic for the welding depth and in the event of a deviation at least one process parameter of the laser welding process, in particular the laser power and / or the feed rate, is changed. On the basis of the desired characteristic, the laser welding process, more precisely its process parameters, can be adjusted so that a predetermined welding depth is achieved.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Bei der Datenverarbeitungsanlage kann es sich beispielsweise um eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung handeln, die in einer Vorrichtung (Bearbeitungsmaschine) zur Durchführung des Verfahrens untergebracht ist, aber auch um eine externe Einrichtung, beispielsweise um einen Steuerungs-PC.The invention also relates to a computer program product, which is designed to carry out all the steps of the method described above, when the computer program runs on a data processing system. The data processing system may, for example, be a control and / or regulating device which is accommodated in a device (processing machine) for carrying out the method, but also an external device, for example a control PC.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Vorrichtung zum Laserschweißen, umfassend: einen Laserbearbeitungskopf zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, einen Detektor, welcher zur zweidimensional ortsaufgelösten Detektion der Intensität von Strahlung ausgebildet ist, die während des Schweißprozesses von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze emittiert wird, eine Bildverarbeitungseinrichtung, die programmiert ist, anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität geometrische Größen des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze zu bestimmen, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eine Kenngröße für die Einschweißtiefe als Funktion von mindestens zwei der geometrischen Größen. Die Vorrichtung ermöglicht eine prozesssichere Erkennung der Einschweißtiefe. Mit Hilfe eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann der Laserschweißprozess insbesondere so gesteuert bzw. geregelt werden, dass die Einschweißtiefe einen Sollwert annimmt.A further aspect of the invention is realized in a device for laser welding, comprising: a laser processing head for aligning a laser beam on a workpiece to be machined, a detector, which is designed for two-dimensionally spatially resolved detection of the intensity of radiation during the welding process of a liquid molten bath and a solidified melt adjoining the liquid molten bath is emitted, an image processing device which is programmed to determine geometrical sizes of the molten bath and the solidified melt on the basis of the radiation intensity detected two-dimensionally spatially resolved, and an evaluation device for determining a parameter for the welding depth as a function of at least two of the geometric sizes. The device enables process-reliable detection of the welding depth. With the aid of a control or regulating device, the laser welding process can in particular be controlled or regulated such that the welding depth assumes a desired value.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einen Monitor, zur Anzeige der vom Detektor detektierten Strahlung, der geometrischen Größen und der ermittelten Kenngröße auf. Wenn die Abweichung der gemessenen Einschweißtiefe zur Soll-Einschweißtiefe einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet, kann ein Warnsignal auf der Anzeigeeinrichtung ausgegeben werden.The device preferably has a display device, for example a monitor, for displaying the radiation detected by the detector, the geometric variables and the determined parameter. If the deviation of the measured welding depth from the setpoint welding depth exceeds a previously defined limit value, a warning signal can be output on the display device.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:Show it:
Die in
Zur zweidimensional ortsaufgelösten Detektion der vom Bearbeitungsbereich
Die Vorrichtung
Die Bildverarbeitungseinrichtung
Die berechnete Kenngröße KT wird einer Regelungseinrichtung
Beim Laserschweißen zweier Werkstücke
In einem Bildbereich
Die Bestimmung der Schmelzbadlänge M1 und der Schmelzbadbreite M2 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit zur Bestimmung dieser Größen besteht in der Segmentierung des von der Kamera
Für die Segmentierung können verschiedene Segmentierungsstrategien genutzt werden, die nachfolgend anhand von
Eine Möglichkeit zur Realisierung eines Segmentierungsverfahrens besteht darin, für jedes zu schweißende Werkstückmaterial auf der Basis von Testmessungen einen Helligkeitsschwellwert festzulegen, mit dem der Bildbereich
Bei einem weiteren Segmentierungsverfahren, welches in
Alternativ zur oben beschriebenen Segmentierung kann zur Bestimmung der Schmelzbadbreite M1 der Helligkeitsverlauf der Bildpixel, d. h. die detektierte Intensität I der Strahlung
Während der Helligkeitsverlauf bzw. die Intensität I entlang von Profilschnitten
Wie in
Auch die Schmelzbadlänge M2 kann alternativ zur Segmentierung auch dadurch ermittelt werden, dass der Verlauf der detektierten Strahlungsintensität I entlang eines parallel zur Schweißrichtung
Um die geometrische Größe „Wärmespurbreite” M3 zu bestimmen, wird in dem von der Kamera
Zur Ermittlung der geometrischen Größe „Abklinglänge” M4 wird der in
Bei der Auswertung der gemessenen Strahlung
Die Abklinglänge M4 der erstarrten Schmelze
Die Erfinder haben erkannt, dass eine geeignete Kombination der auf die oben beschriebene Art ermittelten geometrischen Größen M1 bis M4 eine hohe Korrelation zur Einschweißtiefe T aufweist, so dass durch eine geeignete Kombination der vier oben genannten geometrischen Größen M1 bis M4 auf die Einschweißtiefe T geschlossen werden kann.The inventors have recognized that a suitable combination of the geometrical quantities M1 to M4 determined in the manner described above has a high correlation with the welding depth T, so that by a suitable combination of the four above said geometric sizes M1 to M4 can be closed to the welding depth T.
Aus den Merkmalen M1–Mn (im hier beschriebenen Beispiel: Schmelzbadbreite (M1), Schmelzbadlänge (M2), Wärmespurbreite (M3) und Abklinglänge (M4)) wird durch einen funktionalen Ansatz eine Kenngröße KT berechnet, die mit der Einschweißtiefe T korreliert, wobei allgemein gilt:
Es hat sich gezeigt, dass sich ein Potenzansatz der oben aufgeführten geometrischen Größen, nämlich Schmelzbadbreite (M1), Schmelzbadlänge (M2), Wärmespurbreite (M3) und Abklinglänge (M4), ggfs. mit spezifischer Gewichtung, besonders gut für die Korrelation zur Einschweißtiefe eignet, insbesondere eine Funktion folgender Form:
Die Werte für die Parameter C, E1 bis E4 können bei Vernachlässigung der Offsets O1 bis O4 beispielsweise durch eine multilineare Regression der logarithmierten Werte der gemessenen geometrischen Größen (Einschweißtiefe T ist aus Schliffen der Schweißnaht
Das Quadrat des Regressionskoeffizienten, das sog. Bestimmtheitsmaß, ist ein geeignetes Maß für die Güte der Korrelation.The square of the regression coefficient, the so-called coefficient of determination, is a suitable measure of the quality of the correlation.
Beim Schweißen von 8 mm dickem Baustahl am Stumpfstoß ohne Spalt mit einer Vorschubgeschwindigkeit v zwischen 2 m/min und 6 m/min und einer Laserleistung P zwischen 1 kW und 6 kW ergeben sich beispielsweise folgende Werte für die geometrischen Größen M1 bis M4 die zur vereinfachten Lesbarkeit explizit angegeben sind:
Gleichung (5) zeigt eine Reihenfolge der Gewichtungen (= Anteil des Exponenten an der Summe der Exponenten) der vier geometrischen Merkmale M1 bis M4:
Wärmespurbreite (M3) (44%), Schmelzbadlänge (M2) (32%), Abklinglänge (M4) (16%), Schmelzbadbreite (M1) (8%).Equation (5) shows an order of weights (= proportion of the exponent of the sum of the exponents) of the four geometric features M1 to M4:
Heat trace width (M3) (44%), melt pool length (M2) (32%), fade length (M4) (16%), melt width (M1) (8%).
Nach der Bestimmung der Parameter C und E1 bis E4 kann beim tatsächlichen Schweißprozess die Kenngröße KT für die Einschweißtiefe T während des Schweißens in Echtzeit aus den geometrischen Größen M1 bis M4 bestimmt werden. Um den Einfluss statistischer Schwankungen bei der Messung der geometrischen Größen M1 bis M4 zu reduzieren, können diese als Mittelwert aus einer gewissen Anzahl an aufeinanderfolgenden von der Kamera
Auch kann mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens eine Durchschweißung der Werkstücke
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.
Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 19716293 A1 [0002, 0002] DE 19716293 A1 [0002, 0002]
- JP 04127984 A [0002] JP 04127984 A [0002]
- US 6188041 B1 [0002] US 6188041 B1 [0002]
- US 6344625 B1 [0002] US 6344625 B1 [0002]
- DE 102010063236 A1 [0003] DE 102010063236 A1 [0003]
- DE 102007024789 B3 [0004] DE 102007024789 B3 [0004]
Claims (13)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013215362.7A DE102013215362B4 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method, computer program product and device for determining a welding depth in laser welding |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102013215362.7A DE102013215362B4 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method, computer program product and device for determining a welding depth in laser welding |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102013215362A1 true DE102013215362A1 (en) | 2015-02-05 |
DE102013215362B4 DE102013215362B4 (en) | 2015-09-03 |
Family
ID=52342003
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102013215362.7A Active DE102013215362B4 (en) | 2013-08-05 | 2013-08-05 | Method, computer program product and device for determining a welding depth in laser welding |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102013215362B4 (en) |
Cited By (18)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN106624266A (en) * | 2016-12-31 | 2017-05-10 | 东莞职业技术学院 | Weld seam deviation and penetration state monitoring method for automobile welding |
DE102015016513A1 (en) | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Audi Ag | Online process monitoring and online process control in the method for positive or cohesive bonding of at least two components by a joining method by means of a Radiometrievorrichtung |
DE102016218875A1 (en) | 2016-09-29 | 2018-03-29 | Audi Ag | Method and computer program product for controlling a welding depth during the thermal joining of workpieces in a laser module |
WO2018217246A1 (en) * | 2016-09-29 | 2018-11-29 | Nlight, Inc. | Method of forming an article, optical beam system with use of variable beam parameters to control solidification of a material |
CN109702333A (en) * | 2017-10-26 | 2019-05-03 | 松下知识产权经营株式会社 | Laser soldering device and method for laser welding |
US10434600B2 (en) | 2015-11-23 | 2019-10-08 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
US10520671B2 (en) | 2015-07-08 | 2019-12-31 | Nlight, Inc. | Fiber with depressed central index for increased beam parameter product |
US10535973B2 (en) | 2015-01-26 | 2020-01-14 | Nlight, Inc. | High-power, single-mode fiber sources |
US10673198B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-coupled laser with time varying beam characteristics |
US10673197B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based optical modulator |
US10673199B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based saturable absorber |
US10730785B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-08-04 | Nlight, Inc. | Optical fiber bending mechanisms |
US10971885B2 (en) | 2014-06-02 | 2021-04-06 | Nlight, Inc. | Scalable high power fiber laser |
US10971884B2 (en) | 2015-03-26 | 2021-04-06 | Nlight, Inc. | Fiber source with cascaded gain stages and/or multimode delivery fiber with low splice loss |
CN113260479A (en) * | 2018-12-20 | 2021-08-13 | Etxe-Tar有限公司 | Method and system for processing an object with a light beam |
US11179807B2 (en) | 2015-11-23 | 2021-11-23 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
EP4104963A1 (en) * | 2021-06-14 | 2022-12-21 | Grob-Werke GmbH & Co. KG | Method of and device for welding conductor ends |
DE102022106540A1 (en) | 2022-03-21 | 2023-09-21 | Audi Aktiengesellschaft | Laser beam welding process |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04127984A (en) | 1990-09-19 | 1992-04-28 | Hitachi Ltd | Method and device for laser welding |
DE19716293A1 (en) | 1997-04-18 | 1998-10-22 | Daimler Benz Ag | Apparatus for controlling parameters of a laser welding process |
US6188041B1 (en) | 1998-11-13 | 2001-02-13 | Korea Atomic Energy Research Institute | Method and apparatus for real-time weld process monitoring in a pulsed laser welding |
US6344625B1 (en) | 2000-05-30 | 2002-02-05 | Korea Atomic Energy Research Institute | Method and apparatus for monitoring the size variation and the focus shift of a weld pool in laser welding |
DE102007024789B3 (en) | 2007-05-26 | 2008-10-23 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Method for detecting defects in a weld during a laser welding process |
DE102010063236A1 (en) | 2010-12-16 | 2012-06-21 | Robert Bosch Gmbh | Welding of components by means of a laser beam, comprises directing the laser beam for producing a welding seam to a joining zone of the components in the presence of a controller for monitoring the joining zone |
-
2013
- 2013-08-05 DE DE102013215362.7A patent/DE102013215362B4/en active Active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH04127984A (en) | 1990-09-19 | 1992-04-28 | Hitachi Ltd | Method and device for laser welding |
DE19716293A1 (en) | 1997-04-18 | 1998-10-22 | Daimler Benz Ag | Apparatus for controlling parameters of a laser welding process |
US6188041B1 (en) | 1998-11-13 | 2001-02-13 | Korea Atomic Energy Research Institute | Method and apparatus for real-time weld process monitoring in a pulsed laser welding |
US6344625B1 (en) | 2000-05-30 | 2002-02-05 | Korea Atomic Energy Research Institute | Method and apparatus for monitoring the size variation and the focus shift of a weld pool in laser welding |
DE102007024789B3 (en) | 2007-05-26 | 2008-10-23 | Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg | Method for detecting defects in a weld during a laser welding process |
DE102010063236A1 (en) | 2010-12-16 | 2012-06-21 | Robert Bosch Gmbh | Welding of components by means of a laser beam, comprises directing the laser beam for producing a welding seam to a joining zone of the components in the presence of a controller for monitoring the joining zone |
Cited By (27)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10971885B2 (en) | 2014-06-02 | 2021-04-06 | Nlight, Inc. | Scalable high power fiber laser |
US10916908B2 (en) | 2015-01-26 | 2021-02-09 | Nlight, Inc. | High-power, single-mode fiber sources |
US10535973B2 (en) | 2015-01-26 | 2020-01-14 | Nlight, Inc. | High-power, single-mode fiber sources |
US10971884B2 (en) | 2015-03-26 | 2021-04-06 | Nlight, Inc. | Fiber source with cascaded gain stages and/or multimode delivery fiber with low splice loss |
US10520671B2 (en) | 2015-07-08 | 2019-12-31 | Nlight, Inc. | Fiber with depressed central index for increased beam parameter product |
US11794282B2 (en) | 2015-11-23 | 2023-10-24 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
US11331756B2 (en) | 2015-11-23 | 2022-05-17 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
US11179807B2 (en) | 2015-11-23 | 2021-11-23 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
US10434600B2 (en) | 2015-11-23 | 2019-10-08 | Nlight, Inc. | Fine-scale temporal control for laser material processing |
DE102015016513A1 (en) | 2015-12-18 | 2017-06-22 | Audi Ag | Online process monitoring and online process control in the method for positive or cohesive bonding of at least two components by a joining method by means of a Radiometrievorrichtung |
DE102015016513B4 (en) | 2015-12-18 | 2021-08-05 | Audi Ag | Online process monitoring and online process control in the method for form-fitting or material-locking connection of at least two components by a joining process using a radiometric device |
US10673198B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-coupled laser with time varying beam characteristics |
WO2018217246A1 (en) * | 2016-09-29 | 2018-11-29 | Nlight, Inc. | Method of forming an article, optical beam system with use of variable beam parameters to control solidification of a material |
US10673197B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based optical modulator |
US10673199B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-06-02 | Nlight, Inc. | Fiber-based saturable absorber |
US10730785B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-08-04 | Nlight, Inc. | Optical fiber bending mechanisms |
US10663767B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-05-26 | Nlight, Inc. | Adjustable beam characteristics |
US10656330B2 (en) | 2016-09-29 | 2020-05-19 | Nlight, Inc. | Use of variable beam parameters to control solidification of a material |
DE102016218875A1 (en) | 2016-09-29 | 2018-03-29 | Audi Ag | Method and computer program product for controlling a welding depth during the thermal joining of workpieces in a laser module |
DE102016218875B4 (en) | 2016-09-29 | 2019-02-07 | Audi Ag | Method for controlling a welding depth during the thermal joining of workpieces in a laser module |
CN106624266A (en) * | 2016-12-31 | 2017-05-10 | 东莞职业技术学院 | Weld seam deviation and penetration state monitoring method for automobile welding |
CN106624266B (en) * | 2016-12-31 | 2018-08-07 | 东莞职业技术学院 | A kind of weld seam deviation and penetration signal monitoring method for Automobile Welding |
CN109702333A (en) * | 2017-10-26 | 2019-05-03 | 松下知识产权经营株式会社 | Laser soldering device and method for laser welding |
CN113260479A (en) * | 2018-12-20 | 2021-08-13 | Etxe-Tar有限公司 | Method and system for processing an object with a light beam |
EP4104963A1 (en) * | 2021-06-14 | 2022-12-21 | Grob-Werke GmbH & Co. KG | Method of and device for welding conductor ends |
DE102022106540A1 (en) | 2022-03-21 | 2023-09-21 | Audi Aktiengesellschaft | Laser beam welding process |
WO2023179900A1 (en) | 2022-03-21 | 2023-09-28 | Audi Ag | Laser-beam welding method |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102013215362B4 (en) | 2015-09-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102013215362B4 (en) | Method, computer program product and device for determining a welding depth in laser welding | |
EP3429794B1 (en) | Detection of hot cracks in laser welding | |
EP2726244B1 (en) | Method of detecting defects in a non-linear weld seam or a non-linear cutting gap during a laser-machining process ; corresponding laser-machining device | |
DE102007024789B3 (en) | Method for detecting defects in a weld during a laser welding process | |
EP2456592B1 (en) | Laser machining head and method of compensating for the change in focal position of a laser machining head | |
EP2567773B1 (en) | Method for inspecting seam quality during a laser welding process | |
EP1693141B1 (en) | Arrangement and process for localised temperature measurement in a laser treatment process | |
EP3525975B1 (en) | Method and device for determining and regulating a focal position of a machining beam | |
DE112019000521B4 (en) | Additive manufacturing system and additive manufacturing process | |
DE19716293A1 (en) | Apparatus for controlling parameters of a laser welding process | |
DE102016005021A1 (en) | Method and apparatus for measuring the depth of the vapor capillary during a high energy beam machining process | |
EP1099506A1 (en) | Method and device for measuring process parameters of a material machining process | |
DE102005010381A1 (en) | Method for measuring phase boundaries of a material during machining with a machining beam and associated apparatus | |
EP3192598B1 (en) | Method and apparatus for determining a concentration of at least one material in a sintered or molten powder mixture for an additive production method | |
EP2618958B1 (en) | Use of the polarity of a thermal emission for the detection of 3d-structures | |
EP3880395A1 (en) | Method and device for monitoring a welding process for welding glass workpieces | |
DE3507299A1 (en) | METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING WELDING PROCESSES BY ANALYZING THE INTENSITY OF THE LIGHT GENERATED BY WELDING | |
EP3880394A1 (en) | Method for capturing a working region of a generative manufacturing device and manufacturing device for generative manufacturing of components made of a powder material | |
DE102013112244A1 (en) | Apparatus and method for beam joining | |
DE102020104484A1 (en) | Method for optical distance measurement for a laser machining process, measuring system for optical distance measurement for a laser machining device and laser machining device with the same | |
EP1457286A2 (en) | Process, monitoring device and their use and laser machining device with optical component flaw monitoring | |
WO2009033928A1 (en) | Device for determining a temperature of a hot-rolled material and method for the open-loop and/or closed-loop control of a temperature of a hot-rolled material | |
DE102004057799B4 (en) | Method and device for controlling a powder coating process | |
DE102011085677A1 (en) | Monitoring a laser machining operation to be performed on a workpiece, comprises learning a process environment and classifying a current process result, where learning step comprises monitoring a laser machining process by a camera | |
WO2023138960A1 (en) | Method for determining a geometric result value and/or a quality characteristic of a weld on a workpiece, and a corresponding device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |