DE102015016513A1

DE102015016513A1 - Online-Prozessüberwachung und Online-Prozessregelung beim Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen Verbinden zumindest zweier Bauteile durch ein Fügeverfahren mittels einer Radiometrievorrichtung

Info

Publication number: DE102015016513A1
Application number: DE102015016513.5A
Authority: DE
Inventors: Jochen Rintelmann; Frank Stohler
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2015-12-18
Filing date: 2015-12-18
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-19
Also published as: DE102015016513B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen zumindest abschnittsweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile (1, 2) durch ein Fügeverfahren mittels einer Fügevorrichtung (10). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass mittels der Fügevorrichtung (10) zusammen mit einem aus einer Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) und einem bildgebenden Detektor (12.1, 12.2) bestehenden Radiometrievorrichtung in Abhängigkeit eines Steuer- und/oder Regelsignals einer Steuereinheit (13) ein von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) erzeugter Röntgen- oder Gammastrahl (11.1) entlang des Fügebereichs (F) der Bauteile (1, 2) geführt und prozessgesteuert wird, mittels des bildgebenden Detektors (12.1, 12.2) ein digitales Strahlungsintensitätsbild des von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) während des Fügeverfahrens bestrahlten Fügebereichs (F) erzeugt wird, mittels einer Bildauswerteeinheit (14) das digitale Strahlungsintensitätsbild des Fügebereichs (F) hinsichtlich wenigstens eines die Qualität der form- oder stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile (1, 2) beeinflussenden Prozessparameters ausgewertet wird, und das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Istwertes des Prozessparameters von einem Sollwert erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen zumindest abschnittsweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile durch ein Fügeverfahren mittels einer Fügevorrichtung.
Die WO 2014/005603 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls, bei welchem mittels eines Kamerasystems eine Änderung eines mit der Änderung wenigstens einer ersten Regelgröße des Schweißprozesses einhergehenden und optisch erfassbaren Merkmals erfasst wird und durch eine Datenverarbeitungseinheit anhand der Merkmalsänderung wenigstens eine erste Stellgröße zur Verarbeitung durch eine Regeleinrichtung erzeugt wird. Um das Auftreten von Nahtfehlern zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass bei Auftreten einer Merkmalsänderung an dem optisch erfassbaren Merkmal zunächst die erste Stellgröße ausgewählt und geändert wird und zur Konstanthaltung einer zweiten Regelgröße des Schweißprozesses wenigstens eine weitere und von der ausgewählten ersten Stellgröße verschiedene Stellgröße zur entsprechenden Regelung der zweiten Regelgröße geändert wird.
Dieses bekannte Verfahren gemäß der WO 2014/005603 A1 realisiert eine Mehrgrößenregelung, bei der ein erster Regelkreis den Nahteinfall anhand der Änderung des optisch erfassbaren Merkmals der Kapillarlänge und der Kapillarbreite konstant hält. Ein zweiter Regelkreis hält demgegenüber die Einschweißtiefe bezogen auf eine bestimmte Grenzfläche konstant. Bei dieser Grenzfläche kann es sich bspw. um die Ober- oder Unterseite der Fügepartner handeln. Mittels des Kamerasystems wird die beim Laserschweißen entstehende Dampfkapillare geometrisch und thermisch, insbesondere auch 3-dimensional erfasst und hieraus geometrische Größen der Dampfkapillare als auch die Einschweißtiefe bestimmt.
Aus der WO 2008/028580 A1 ist ein Verfahren zur optischen Beurteilung der Schweißqualität beim Laserschweißen bekannt, bei welchem koaxial zum Laserstrahl durch eine Laseroptik hindurch der Schweißbereich abgebildet wird, wobei sowohl eine Triangulationslinie und ein Grau- oder Farbbild der erstarrten Schweißnaht als auch das Prozessleuchten des Schweißprozesses aufgenommen wird. Aus diesen drei Bildelementen soll eine optimale Qualitätsbeurteilung des Schweißprozesses und der Schweißnaht ermöglicht werden. Durch die Aufnahme der Triangulationslinie und des Grau- oder Farbbildes kann die Nahtbreite, die Nahtposition und die geometrischen Daten wie Konvexität, Konkavität und auch ein Kantenversatz oder Nahtvolumen vermessen werden. Das Erkennen lokaler und globaler Fehlstellen erfolgt über die Graubildanalyse und die Lasertriangulation. So soll mit diesem bekannten Verfahren gemäß der WO 2008/028580 A1 durch Auswertung des Prozessleuchtens auf Intensität zusammen mit der geometrischen Vermessung der Schweißnaht und mit der Graubildanalyse eine zuverlässige Aussage über die Qualität der Schweißnaht getroffen werden.
Ferner beschreibt die DE 10 2013 215 362 A1 ein Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe während eines Laser-Schweißprozesses von Werkstücken, bei welchem die Intensität der Strahlung zweidimensional detektiert wird, die während des Schweißprozesses von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad anschließenden, erstarrten Schmelze emittiert wird, anschließend geometrische Größen des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität bestimmt werden und schließlich eine Kenngröße für die Einschweißtiefe als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe des Schmelzbades und mindestens einer geometrischen Größe der erstarrten Schmelze bestimmt wird.
Schließlich ist aus der WO 97/33159 A1 ein Verfahren zur radioskopischen Lötstelleninspektion von elektronischen Bauelementen bekannt, bei welchem die zu untersuchende Baugruppe an einer Röntgenstrahlungsquelle vorbeigeführt und die die Baugruppe durchdringende Röntgenstrahlung mittels einer ein Ladungsbild erzeugende Zeilenkamera erfasst wird. Die Qualität der Lötstelle wird anhand des Ladungsbildes beurteilt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen Verbinden zumindest zweier Bauteile durch ein Fügeverfahren mit einer verbesserten Online-Prozessüberwachung und Online-Prozessregelung anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Bei einem solchen Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen zumindest abschnittsweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile durch ein Fügeverfahren mittels einer Fügevorrichtung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass

– mittels der Fügevorrichtung zusammen mit einer aus einer Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle und einem bildgebenden Detektor bestehenden Radiometrievorrichtung in Abhängigkeit eines Steuer- und/oder Regelsignals einer Steuereinheit ein von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle erzeugter Röntgen- oder Gammastrahl entlang eines Fügebereichs der Bauteile geführt und prozessgesteuert wird,
– mittels des bildgebenden Detektors ein digitales Strahlungsintensitätsbild des von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle während des Fügeverfahrens bestrahlten Fügebereichs erzeugt wird,
– mittels einer Bildauswerteeinheit das digitale Strahlungsintensitätsbild des Fügebereichs hinsichtlich wenigstens eines die Qualität der form- oder stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile beeinflussenden Prozessparameters ausgewertet wird, und
– das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Istwertes des Prozessparameters von einem Sollwert erzeugt wird.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Fügevorrichtung mit einer Radiometrievorrichtung kombiniert. Damit ist es möglich Online eine Prozessüberwachung und Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung des Fügeverfahrens durchzuführen, wobei durch die Verwendung einer Radiometrievorrichtung sowohl der Fügeprozess an sich als auch das Fügeergebnis hinsichtlich äußerer als auch innerer Qualitätsmerkmale überwacht und optimiert werden kann.
Somit ist eine Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung und Prozessüberwachung in einem Arbeitsschritt unter Beibehaltung der vollen Funktionsumfänge realisierbar, wie sie bspw. auch bei einem Großfeldscanner einer Laserschweißvorrichtung als Fügevorrichtung ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Online-Prozessüberwachung und Online-Prozessregelung bzw. Online-Prozesssteuerung kann für das formschlüssige Verbinden der Bauteile durch Clinchen (Durchsetzfügen) oder Nieten mittels einer Fügevorrichtung eingesetzt werden.
Ferner sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das stoffschlüssige Verbinden der Bauteile durch Schmelzschweißen oder Löten als Fügeverfahren mittels einer Schweiß- oder Lötvorrichtung als Fügevorrichtung durchgeführt wird. Hierzu wird eine bekannte Laserschweißvorrichtung oder eine konventionelle Schweiß- oder Lötvorrichtung als Fügevorrichtung mit einer Radiometrievorrichtung kombiniert. Damit ist es möglich Online eine Prozessüberwachung und Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung des Schweißprozesses als Fügeverfahren durchzuführen, wobei durch die Verwendung einer Radiometrievorrichtung sowohl der Schweißprozess als Fügeverfahren an sich als auch das Schweißergebnis als Fügeergebnis, insbesondere die Schweißnaht hinsichtlich äußerer als auch innerer Qualitätsmerkmale überwacht und optimiert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl beim berührungslosen Schweißen oder Löten mittels Laser als auch bei einem taktil geführten Prozess anwendbar, wobei auch Zusatzmaterialien bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden können. Somit sind alle stoffschlüssigen Fügetechnologien mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kombinierbar, insbesondere auch mit konventionellen Schweißverfahren, wie bspw. mit dem MIG- oder MAG-Verfahren. Zu den konventionellen Schweißverfahren zählen natürlich auch das Reibschweißen oder Reibrührschweißen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle als Durchlichtstrahlungsquelle verwendet und die Röntgen- oder Gammastrahlung nach Durchstrahlung der Bauteile in deren Fügebereich von dem bildgebenden Detektor erfasst. Neben einem solchen Durchlichtverfahren ist weiterbildungsgemäß auch ein Auflichtverfahren möglich, wonach die Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle als Auflichtstrahlungsquelle verwendet und die Streustrahlung der auf den Fügebereich gerichteten Röntgen- oder Gammastrahlung von dem bildgebenden Detektor erfasst wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass

– während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in die Fügestelle bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad erzeugt wird,
– die geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und
– aus den geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe bestimmt wird.

Aus dem derart bestimmten Istwert der Einschweißtiefe als Prozessparameter wird mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit der Abweichung von einem Sollwert ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur Prozesssteuerung der Schweiß- oder Lötvorrichtung erzeugt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass

– während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in die Fügestelle bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad erzeugt wird,
– die geometrischen Größen einer sich an das flüssige Schmelzbad sich anschließenden und erstarrten Schmelze als Schweißnaht aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und
– aus den geometrischen Größen der Schweißnaht eine Kenngröße als Prozessparameter für die Qualität der Schweißnaht bestimmt wird.

Mit einer solchen Kenngröße als Prozessparameter für die Qualität der Schweißnaht kann ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur entsprechenden Prozesssteuerung der Schweiß- oder Lötvorrichtung verwendet werden.
In vorteilhafterweise ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch möglich, im Vorlauf des Schweiß- oder Lötprozesses das Spaltmaß zwischen den Bauteilen als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild zu bestimmen.
Weiterhin kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch eine Nahtverfolgung realisiert werden, indem

– während des Schweiß- und Lötprozesses der Nahtverlauf als Prozessparameter zwischen den Bauteilen aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird, und
– das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Ist-Nahtverlaufs von einem Soll-Nahtverlauf erzeugt wird.

Vorzugsweise ist eine solche Nahtverfolgung erfindungsgemäß auch beim Schweißen eines Stumpfstoßes durchführbar, indem

– während des Schweiß- oder Lötprozesses zum Schweißen eines Stumpfstoßes der zu verbindenden Bauteile durch den in den Fügebereich bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad erzeugt wird,
– im Vorlauf des Schweiß- und Lötprozesses ein Versatz von Schmelzbad zu Stoßfuge als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird, und
– das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit des Versatzes erzeugt wird.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren, wenn zum stoffschlüssigen zumindest abschnittweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile das Laserstrahlschweißen als Schmelzschweißen mittels einer Laserschweißvorrichtung verwendet wird.
In Abhängigkeit der Laserenergie kann das sogenannte Wärmeleitungsschweißen oder das Lasertiefschweißen realisiert werden. Bei einem Wärmeleitungsschweißen wird die Oberfläche aufgeschmolzen, wobei die Energie nur durch Wärmeleitung in die Bauteile gelangt. Wenn die Laserenergie erhöht oder die Wärme nicht schnell genug abfließen kann, steigt die Bearbeitungstemperatur über die Verdampfungstemperatur, wodurch Metalldampf entsteht und dadurch die Einschweißtiefe sprunghaft ansteigt. Der Prozess geht ins Lasertiefschweißen über, bei dem eine das Tiefschweißen ermöglichende Dampfkapillare entsteht.
So sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass

– während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in die Fügestelle bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad und eine Dampfkapillare erzeugt wird,
– die geometrischen Größen der Dampfkapillare aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und
– aus den geometrischen Größen der Dampfkapillare eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe und/oder eine Restbodenstärke bei einer überlappenden Verbindung der Bauteile bestimmt wird.

So ist es bspw. im Auflichtverfahren möglich, die Restbodenstärke aus der Röntgenstreustrahlung, also aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild zu bestimmen. Wird diese derart bestimmte Restbodenstärke von der bekannten Materialstärke des Bauteils subtrahiert, wird als Ergebnis die Einschweißtiefe bzw. Fügetiefe erhalten. Aus dem derart bestimmten Istwert der Einschweißtiefe als Prozessparameter wird mittels der Steuereinheit in Abhängigkeit der Abweichung von einem Sollwert ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur Prozesssteuerung der Laserschweißvorrichtung erzeugt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren kann auch das Schutzgasschweißen, insbesondere MIG- oder MAG-Schweißen als Schmelzschweißen eingesetzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Laserschweißvorrichtung als Fügevorrichtung mit einer Radiometrievorrichtung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 eine schematische Darstellung eines mit der Laserschweißvorrichtung gemäß 1 erwärmten Fügebereichs von zwei zu fügenden Bauteile,
3 eine beispielhafte und schematische Darstellung von zu fügenden Bauteilen mittels der Laserschweißvorrichtung nach 1,
4 eine schematische Darstellung von auf Stumpf mittels der Laserschweißvorrichtung nach 1 zu fügenden Bauteile, und
5 eine schematische Darstellung von zu fügenden Bauteilen über eine punktuelle und mittels der Laserschweißvorrichtung nach 1 hergestellten Schweißverbindung.
Die 1 zeigt eine als Laserschweißvorrichtung ausgeführte Fügeeinrichtung 10 zum Fügen zweier Bauteile 1 und 2. Mittels eines eine intelligente Laseroptik aufweisenden Lasers 10.1 wird ein Laserstrahl 10.2 erzeugt, der auf einen Fügebereich F der beiden Bauteile 1 und 2 gerichtet ist und hierdurch in diesen Fügebereich F ein Wärmeeintrag zum Aufschmelzen der Materialien der beiden Bauteile 1 und 2 erzeugt wird. Des Weiteren weist diese Laserschweißvorrichtung 10 eine Radiometrievorrichtung auf, die aus einer eine Röntgen- oder Gammastrahlung 11.1 erzeugende Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle 11 und einem bildgebenden Detektor 12.1 bzw. 12.2 besteht, wobei die Röntgen- oder Gammastrahlung 11.1 auf die zu fügenden Bauteile 1 und 2 gerichtet ist, so dass der Fügebereich F mit erfasst und detektierbar ist. Der Detektor 12.1 bzw. 12.2 kann auch rotierend um die Bauteile 1 und 2 angeordnet werden. Schließlich weist diese Laserschweißvorrichtung 10 auch eine Transporteinrichtung (in der 1 nicht dargestellt) zum Transport der zu fügenden Bauteile 1 und 2 auf, um eine Relativbewegung zwischen dem Laser 10.1 und den beiden Bauteilen 1 und 2 zu erzeugen. Die Schweißrichtung in 1 ist mit einem Pfeil R bezeichnet.
Wird als Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle 11 eine Durchlichtstrahlungsquelle verwendet, so wird die Röntgen- oder Gammastrahlung 11.1 nach einer Durchstrahlung der Bauteile 1 und 2 in deren Fügebereich F von dem bildgebenden Detektor 12.1 erfasst. Neben einem solchen Durchlichtverfahren ist auch ein Auflichtverfahren möglich, bei dem die Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle 11 als Auflichtstrahlungsquelle ausgeführt ist und die Streustrahlung der auf den Fügebereich gerichteten Röntgen- oder Gammastrahlung 11.1 von dem bildgebenden Detektor 12.2 erfasst wird.
Mittels des bildgebenden Detektors 12.1 oder 12.1 wird ein digitales Strahlungsintensitätsbild während des Fügens von dem mittels der Röntgen- oder Gammastrahlung 11.1 bestrahlten Fügebereichs F erzeugt und zur Auswertung einer Bildauswerteeinheit 14 zugeführt. Mittels dieser Bildauswerteeinheit 14 wird das digitale Strahlungsintensitätsbild des Fügebereichs F hinsichtlich wenigstens eines die Qualität der stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile 1 und 2 beeinflussenden Prozessparameters ausgewertet und mittels einer Steuereinheit 13 ein Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Istwertes des Prozessparameters von einem Sollwert erzeugt, mit welchem der Laser 10.1 und/oder die Transporteinrichtung der Laserschweißvorrichtung 10 prozessgesteuert wird bzw. werden.
Das Verfahren zur Auswertung des von dem Fügebereich F aufgenommenen digitalen Strahlungsintensitätsbildes kann mittels eines von dem Fraunhofer-Entwicklungszentrum für Röntgentechnik (EZRT) entwickelten 3D-Computertomografie-Verfahren realisiert werden (vgl. Informationsbroschüre Inline CT, Fraunhofer EZRT, 12/2014, K. Brohasga). Mit diesem Verfahren, Inline-Computertomografie genannt, ist die komplette Erfassung eines Objekts, vorliegend also der Fügebereich F der beiden Bauteile 1 und 2 mit all den innenliegenden Strukturen innerhalb von 30 Sekunden möglich, so dass eine vollautomatische und detaillierte 3D-Röntgenprüfung während des Fügens der beiden Bauteile 1 und 2 mittels der Laserschweißvorrichtung 10 realisiert werden kann. Zur Realisierung einer kurzen Mess- und Auswertezeit wurden von dem Fraunhofer EZRT zum einen neuartige und hocheffiziente Algorithmen zur Kombination von Volumenberechnung und Bildauswertung sowie extrem strahlungsresistente Detektoren entwickelt, die durch kurze Belichtungszeiten bis zu 1 ms, vorzugsweise sogar bis zu 1 μs eine schnelle Datenaufnahme erlauben. Zudem ist mit diesem 3D-Computertomografie-Verfahren eine automatische Rückkopplung in die Fügeprozess-Parametrisierung und damit eine verbesserte Regelung des Fügeprozesses durch die 3D-Charakterisierung des Fügebereichs F möglich.
Ferner ist auch aus dem Fachartikel „Novel X-ray System for in-situ Diagnostics of Laser Based Processes – First Experimental Results" (Physics Procedia, Volume 12, Part A, 2011, Pages 761–770, Felix Abt, Meiko Boley, Rudolf Weber, Thomas Graf, Gregor Popko, Siegfried Nau) ein solches 3D-Computertomografieverfahren beschrieben, bei welchem es sich um ein und hochauflösendes Hochgeschwindigkeits-Röntgensystem handelt. Mit einem solchen System lassen sich bspw. innere Defekte von lasergeschweißten Stahlblechen visualisieren.
In Abhängigkeit der Laserenergie des Laserstrahls 10.2 kann das sogenannte Wärmeleitungsschweißen oder das Lasertiefschweißen realisiert werden.
Bei einem Wärmeleitungsschweißen schmilzt der Laserstrahl 10.2 die beiden Bauteile 1 und 2 entlang des Fügebereichs F auf, wobei die Energie nur durch Wärmeleitung in die Bauteile 1 und 2 gelangt und dadurch ein flüssiges Schmelzbad erzeugt wird. Die Schmelzen der beiden Bauteile 1 und 2 fließen im Fügebereich F ineinander und erstarren anschließend zu einer Schweißnaht.
Aus dem von dem Detektor 12.1 oder 12.2 erzeugten digitalen Strahlungsintensitätsbild werden mittels des oben beschriebenen 3D-Computertomografie-Verfahrens die geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades bestimmt. Aus diesen geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades wird eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe bestimmt. Aus dem derart bestimmten Istwert der Einschweißtiefe als Prozessparameter wird mittels der Steuereinheit 13 in Abhängigkeit der Abweichung von einem Sollwert ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung der Schweiß- oder Lötvorrichtung 10 erzeugt.
Wenn die Laserenergie des Laserstrahls 10.2 erhöht oder die Wärme nicht schnell genug aus dem Fügebereich 11 abfließen kann, steigt die Bearbeitungstemperatur über die Verdampfungstemperatur, wodurch Metalldampf entsteht und dadurch die Einschweißtiefe sprunghaft ansteigt. Der Prozess geht ins Lasertiefschweißen über, bei dem eine das Tiefschweißen ermöglichende Dampfkapillare 20 entsteht, wie dies in 2 dargestellt ist. Hierbei erreicht die Dampfkapillare 20 eine durch das Bauteil 2 in durchgehende und bis in das darunterliegende Bauteil 1 reichende Tiefe T. Um diese Dampfkapillare 20 bildet sich ein flüssiges Schmelzbad 21, welches entgegen der Schweißrichtung R zu einer Schweißnaht 22 erstarrt.
Aus dem von dem Fügebereich F aufgenommenen digitalen Strahlungsintensitätsbild werden die geometrischen Größen der Dampfkapillare bestimmt. Aus den geometrischen Größen der Dampfkapillare wird eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe und/oder eine Restbodenstärke bei einer überlappenden Verbindung der Bauteile 1 und 2 bestimmt.
So wird gemäß 2 im Durchlicht- oder Auflichtverfahren die Restbodenstärke d aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild zu bestimmt. Wird diese derart bestimmte Restbodenstärke d von der bekannten Materialstärke D des Bauteils 1 subtrahiert, wird als Ergebnis die Einschweißtiefe t bzw. Fügetiefe erhalten. Aus dem derart bestimmten Istwert t der Einschweißtiefe als Prozessparameter wird mittels der Steuereinheit 13 in Abhängigkeit der Abweichung von einem Sollwert ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur Prozesssteuerung der Laserschweißvorrichtung 10 erzeugt. In dem Bauteil 1 ist eine Einschweißtiefe t von größer oder gleich als 0,2 mm für eine ausreichende Verbindungsfestigkeit ausreichend.
Auch die geometrischen Größen einer sich an das flüssige Schmelzbad 21 sich anschließenden und erstarrten Schmelze als Schweißnaht 22 werden aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt. Aus den geometrischen Größen der Schweißnaht wird eine Kenngröße als Prozessparameter für die Qualität der Schweißnaht bestimmt. Mit einer solchen Kenngröße als Prozessparameter für die Qualität der Schweißnaht wird ein Steuer- und/oder Regelsignal oder ein Regelsignal zur Prozesssteuerung der Laserschweißvorrichtung 10 erzeugt.
Auf der Basis des oben beschriebenen 3D-Computertomografie-Verfahrens wird im Vorlauf des Laserschweißprozesses das Spaltmaß zwischen den Bauteilen 1 und 2 als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt. So kann während des Laserschweißprozesses das Spaltmaß zwischen den Bauteilen 1 und 2 kontrolliert und gegebenenfalls der Schweißprozess unterbrochen werden.
Weiterhin ist mit mithilfe des oben beschriebenen 3D-Computertomografie-Verfahrens eine Nahtverfolgung im Vorlauf der Laserschweißvorrichtung 10 realisiert, indem während des Laserschweißverfahrens der Nahtverlauf als Prozessparameter zwischen den Bauteilen 1 und 2 aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird. Mittels der Steuereinheit 13 wird ein Steuer- und/oder Regelsignal zur Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung der Laserschweißvorrichtung 10 in Abhängigkeit der Abweichung des Ist-Nahtverlaufs von einem Soll-Nahtverlauf erzeugt.
Eine solche Nahtverfolgung wird auch beim Schweißen einer Stoßfuge 23 zwischen zwei Bauteilen 1 und 2 zur Herstellung einer Stumpfnaht 24 im Verbindungsbereich F gemäß 4 durchgeführt, indem während des Laserschweißprozesses zum Schweißen des Stumpfstoßes der zu verbindenden Bauteile 1 und 2 durch den in den Fügebereich F bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad erzeugt und im Vorlauf des Laserschweißprozesses ein Versatz von Schmelzbad zu Stoßfuge 23 als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird. Das Steuer- und/oder Regelsignal zur Prozesssteuerung bzw. Prozessregelung der Laserschweißvorrichtung 10 wird in Abhängigkeit des Versatzes erzeugt.
Die 3 bis 5 zeigen beispielhaft unterschiedliche Nahtverbindungen zwischen Bauteilen, wobei die zu verbindenden Bauteile sowohl identische als auch unterschiedliche Materialstärken aufweisen. Die zu verbindenden Bauteile bestehen nicht nur aus gleichen Werkstoffen, wie bspw. aus einem Stahlwerkstoff, sondern können auch aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Mit 3 soll beispielhaft gezeigt werden, dass mit einem einzigen Laserschweißprozess aufeinanderfolgend in Schweißrichtung R verschiedene Bauteile 1 bis 7 mittels der Laserschweißvorrichtung 10 gefügt werden, wobei sowohl Bauteile unterschiedliche Materialstärken aufweisen können als auch Bauteile mit unterschiedlichen Materialkombinationen gefügt werden. Aufgrund des parametergesteuerten Verfahrens mittels der Laserschweißvorrichtung 10 und der das oben beschriebene 3D-Computertomografie-Verfahren realisierenden Radiometrievorrichtung 11 und 12.1 bzw. 12.2 kann endlos über diese gesamte Kette aus den Bauteilen 1 bis 7 stoffschlüssig gefügt werden.
Nach 3 werden zwei dünne und gleich dicke Stahlbleche 1 und 2 als Bauteile in einem Fügebereich F1 mittels einer Kehlnaht 22.1 und in einem Fügebereich F2 mit einer verdeckten Naht 22.2 verbunden. Bei der Herstellung der Kehlnaht 22.1 kann die Lageerkennung der Bauteile 1 und 2 in allen Ebenen, der Abstand der Stahlbleche 1 und 2 zueinander als auch die Einschweißtiefe sowohl in dem Bauteil 2 auch in dem Bauteil 1 kontrolliert und prozessgesteuert bzw. prozessgeregelt erfolgen. Auch zur Herstellung der verdeckten Naht 22.2 wird der Bauteilabstand während des Laserschweißens kontrolliert und der Laserschweißprozess entsprechend geregelt.
Das als dünnes Stahlblech ausgeführte Bauteil 2 wird mit einem dickeren Bauteil 3 in einem Fügebereich F3 mittels einer verdeckten Naht 22.3 gefügt, indem das dickere Bauteil 3 durchgeschweißt (der durchgeschweißte Bereich des Bauteils 3 ist punktiert dargestellt) und das darunterliegende dünnere Bauteil 2 kontrolliert und geregelt in das Bauteil 3 eingeschweist wird.
Das Bauteil 3 wird mit einem dünneren, bspw. als Stahlblech ausgeführten Bauteil 4 mittels einer Überlappnaht 22.4 im Bereich eines Fügebereichs F4 gefügt. Dieses Bauteil 4 besteht aus einem verzinkten Material und weist daher Abstandsprägungen auf, damit das Zink aus dem Fügespalt ausdiffundieren kann. Auch bei der Herstellung dieser Überlappnaht 20.4 wird das obere dünne Bauteil 4 durchgeschweißt und die Einschweißtiefe am unteren dickeren Bauteil 3 kontrolliert und prozessgeregelt.
Das Bauteil 4 wird mit einem weiteren dickeren Bauteil 5 über eine Überlappnaht 22.5 in einem Fügebereich F5 gefügt. Hierbei ist kein Abstand zwischen den beiden Bauteilen 4 und 5 zulässig; daher wird der Abstand während des Laserschweißprozesses überwacht und kontrolliert und gegebenenfalls geregelt. Zur Herstellung dieser Überlappnaht 22.5 wird das Bauteil 4 im Fügebereich F5 durchgeschweißt und im unteren und dickeren Bauteil 5 kontrolliert eingeschweißt.
Der Laserschweißprozess wird weitergeführt, indem das als dickes Stahlblech ausgeführte Bauteil 5 mit einem aus einem hochfesten Stahl hergestellten Bauteils 6 mittels einer Überlappnaht 22.6 in einem Fügebereich F6 gefügt wird. Hierbei erfolgt ein Durchschweißen des Bauteils 5 und ein kontrolliertes Einschweißen in das Bauteil 6.
In einem letzten Prozessschritt wird das Bauteil 6 aus einem hochfesten Stahl mit einem Gussbauteil als Bauteil 7 mittels einer Überlappnaht 22.7 in einem Fügebereich F7 gefügt. Hierzu wird das Bauteil 6 durchgeschweißt und ein kontrolliertes Einschweißen in das darunterliegende Gussbauteil 7 durchgeführt.
Die beiden Bauteile 1 und 2 gemäß 4 werden über eine Stumpfnaht 24 im Bereich einer Stoßfuge 23 als Fügebereich F gefügt. Die Stumpfnaht 24 kann auch als Bördelnaht realisiert werden. Die Realisierung dieser Schweißverbindung zwischen den Bauteilen 1 und 2 erfolgt hinsichtlich der Bauteile positions- und lagekontrolliert. Ebenso wird das Einschweißen in beide Bauteile 1 und 2 wird überwacht und prozessgeregelt.
Die 5 zeigt eine verdeckte und punktuelle Schweißnaht 22 zur Verbindung eines dicken Bauteils 1 aus einem Aluminiumwerkstoff mit einem dünnen Stahlblech als Bauteil 2.
Neben der in den 1 bis 5 erläuterten punktförmigen oder geradlinigen Realisierung einer Schweißnaht kann auch eine linienförmige Schweißnaht hergestellt werden. Ferner können nicht nur 2-lagige, sondern auch mehrlagige Schweißverbindung mit oder ohne Verankerungselement sowie mit oder ohne Funktionselement realisiert werden.
Das anhand der 1 bis 5 beschriebene erfindungsgemäße Laserschweißverfahren kann mit oder ohne Zusatzmaterial ausgeführt werden. Als Zusatzmaterial können Kleb-, Füll-, Dicht- und Isolierstoffe verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist sowohl beim berührungslosen Schweißen oder Löten mittels Laser als auch bei einem taktil geführten Prozess anwendbar. Alle stoffschlüssigen Fügetechnologien können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren realisiert werden, insbesondere auch konventionelle Schweißverfahren, wie bspw. mit dem MIG- oder MAG-Verfahren. Zu den konventionellen Schweißverfahren zählen natürlich auch das Reibschweißen oder Reibrührschweißen sowie das Induktionsschweißen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich nicht nur für thermische Fügeverfahren einsetzen, sondern ist auch für sämtliche nichtthermische Fügeverfahren, wie bspw. das formschlüssige Verbinden der Bauteile durch Clinchen (Durchsetzfügen) oder Nieten realisierbar.
Bezugszeichenliste

1–7: Bauteil
10: Fügevorrichtung, Laserschweißvorrichtung
10.1: Laser der Laserschweißvorrichtung 10
10.2: Laserstrahl des Lasers 10.1
11: Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle
11.1: Röntgen- oder Gammastrahlung
12.1: Detektor der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle
12.2: Detektor der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle
13: Steuereinheit
14: Bildauswerteeinheit
20: Dampfkapillare
21: Schmelzbad
22: Schweißnaht
22.1–22.7: Schweißnaht
23: Stoßfuge
24: Stumpfnaht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

WO 2014/005603 A1 [0002, 0003]
WO 2008/028580 A1 [0004, 0004]
DE 102013215362 A1 [0005]
WO 97/33159 A1 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Informationsbroschüre Inline CT, Fraunhofer EZRT, 12/2014, K. Brohasga [0037]
Fachartikel „Novel X-ray System for in-situ Diagnostics of Laser Based Processes – First Experimental Results” (Physics Procedia, Volume 12, Part A, 2011, Pages 761–770, Felix Abt, Meiko Boley, Rudolf Weber, Thomas Graf, Gregor Popko, Siegfried Nau) [0038]

Claims

Verfahren zum form- oder stoffschlüssigen zumindest abschnittsweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile (1, 2) durch ein Fügeverfahren mittels einer Fügevorrichtung (10), bei dem – mittels der Fügevorrichtung (10) zusammen mit einer aus einer Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) und einem bildgebenden Detektor (12.1, 12.2) bestehenden Radiometrievorrichtung in Abhängigkeit eines Steuer- und/Regelsignals einer Steuereinheit (13) ein von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) erzeugter Röntgen- oder Gammastrahl (11.1) entlang eines Fügebereichs (F) der Bauteile (1, 2) geführt und prozessgesteuert wird, – mittels des bildgebenden Detektors (12.1, 12.2) ein digitales Strahlungsintensitätsbild des von der Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) während des Fügeverfahrens bestrahlten Fügebereichs (F) erzeugt wird, – mittels einer Bildauswerteeinheit (14) das digitale Strahlungsintensitätsbild des Fügebereichs (F) hinsichtlich wenigstens eines die Qualität der form- oder stoffschlüssigen Verbindung der Bauteile (1, 2) beeinflussenden Prozessparameters ausgewertet wird, und – das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Istwertes des Prozessparameters von einem Sollwert erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das formschlüssige Verbinden der Bauteile (1, 2) durch Clinchen (Durchsetzfügen) oder Nieten mittels einer Fügevorrichtung (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das stoffschlüssige Verbinden der Bauteile (1, 2) durch Schmelzschweißen oder Löten als Fügeverfahren mittels einer Schweiß- oder Lötvorrichtung (10) als Fügevorrichtung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3, bei dem – die Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) als Durchlichtstrahlungsquelle verwendet wird, und – die Röntgen- oder Gammastrahlung nach Durchstrahlung der Bauteile (1, 2) in deren Fügebereich (F) von dem bildgebenden Detektor (12.1) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem – die Röntgen- oder Gammastrahlungsquelle (11) als Auflichtstrahlungsquelle verwendet wird, und – und die Streustrahlung der auf den Fügebereich (12.1) gerichteten Röntgen- oder Gammastrahlung von dem bildgebenden Detektor (12.2) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem – während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in die Fügestelle (F) bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad (21) erzeugt wird, – die geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades (21) aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und – aus den geometrischen Größen des flüssigen Schmelzbades (21) eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, bei dem – während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in die Fügestelle (F) bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad (21) erzeugt wird, – die geometrischen Größen einer sich an das flüssige Schmelzbad (21) sich anschließenden und erstarrten Schmelze als Schweißnaht (22) aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und – aus den geometrischen Größen der Schweißnaht (22) eine Kenngröße als Prozessparameter für die Qualität der Schweißnaht bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, bei dem im Vorlauf des Schweiß- oder Lötprozesses das Spaltmaß zwischen den Bauteilen (1, 2) als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, bei dem – während des Schweiß- und Lötprozesses der Nahtverlauf als Prozessparameter zwischen den Bauteilen (1, 2) aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird, und – das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit der Abweichung des Ist-Nahtverlaufs von einem Soll-Nahtverlauf erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 9, bei dem – während des Schweiß- oder Lötprozesses zum Schweißen eines Stumpfstoßes der zu verbindenden Bauteile (1, 2) durch den in den Fügebereich (F) bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad (21) erzeugt wird, – im Vorlauf des Schweiß- und Lötprozesses ein Versatz von Schmelzbad (21) zu Stoßfuge (23) als Prozessparameter aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt wird, und – das Steuer- und/oder Regelsignal in Abhängigkeit des Versatzes erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei dem das Verfahren zum stoffschlüssigen zumindest abschnittweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile durch Laserstrahlschweißen als Schmelzschweißen mittels einer Laserschweißvorrichtung (10) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem – während des Schweiß- oder Lötprozesses durch den in den Fügebereich (F) bewirkten Wärmeeintrag ein flüssiges Schmelzbad (21) und eine Dampfkapillare (20) erzeugt wird, – die geometrischen Größen der Dampfkapillare (20) aus dem digitalen Strahlungsintensitätsbild bestimmt werden, und – aus den geometrischen Größen der Dampfkapillare (20) eine Kenngröße als Prozessparameter für eine Einschweißtiefe und/oder eine Restbodenstärke bei einer überlappenden Verbindung der Bauteile (1, 2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 10, bei dem das Verfahren zum stoffschlüssigen zumindest abschnittweisen Verbinden zumindest zweier Bauteile (1, 2) durch Schutzgasschweißen, insbesondere MIG- oder MAG-Schweißen als Schmelzschweißen durchgeführt wird.