DE102015115270A1

DE102015115270A1 - Method for producing a welded joint in a joint gap and process observation device

Info

Publication number: DE102015115270A1
Application number: DE102015115270.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kaierle; Oliver Seffer; Philipp von Witzendorff; Anas Moalem
Original assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Current assignee: LZH Laser Zentrum Hannover eV
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-03-16
Also published as: WO2017042116A1

Abstract

Bei der Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Materialflanken (9) in einem Fügespalt (2) eines metallischen Werkstücks (1) unter Verwendung eines Schweißstrahlgenerators, mit dem ein Schweißstrahl (4) von einer ersten Seite des metallischen Werkstücks (1) auf den Fügespalt (2) gerichtet wird, um eine vollständige Schweißverbindung der Materialflanken (9) über die gesamte Tiefe des Fügespalts (2) zu erreichen, und einer optischen Erfassungseinrichtung (5), mit der eine von dem Schweißstrahlgenerator abgewandte Oberfläche des Werkstücks (1) von einer zweiten Seite des Werkstücks (1) abgebildet wird, um optisch ein beim Schweißprozess entstehendes Schmelzbad (10) zu erkennen und mit einer Auswertungsstufe auszuwerten, wird eine Prozessbeobachtung des Schweißvorgangs zur Qualitätssicherung in einfacher Weise dadurch vorgenommen, dass mit der optischen Erfassungseinrichtung (5) und der Auswertungsstufe gleichzeitig die Lage des Schmelzbads (10) und die Lage des Fügespalts (2) bestimmt und die relative Lage zueinander als Parameter für die Nachregelung der Positionierung des Schweißstrahls (4) relativ zum Fügespalt (2) bereit gestellt wird.In the production of a welded joint between material flanks (9) in a joint gap (2) of a metallic workpiece (1) using a welding beam generator with which a welding beam (4) from a first side of the metallic workpiece (1) on the joint gap (2) is directed to achieve a complete weld connection of the material flanks (9) over the entire depth of the joint gap (2), and an optical detection device (5), with a surface of the workpiece (1) facing away from the welding beam generator from a second side of the Workpiece (1) is imaged to optically recognize a weld pool (10) arising during the welding process and to evaluate it with an evaluation stage, a process observation of the welding process for quality assurance is carried out in a simple manner that simultaneously with the optical detection device (5) and the evaluation stage the location of the molten bath (10) and the location of the joint espalts (2) determines and the relative position to each other as a parameter for the readjustment of the positioning of the welding beam (4) relative to the joint gap (2) is provided.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen Materialflanken in einem Fügespalt eines metallischen Werkstücks unter Verwendung eines Schweißstrahlgenerators, mit dem ein Schweißstrahl von einer ersten Seite des metallischen Werkstücks auf den Fügespalt gerichtet wird, um eine vollständige Schweißverbindung der Materialflanken über die gesamte Tiefe des Fügespalts zu erzielen, und einer optischen Erfassungseinrichtung, mit der eine von dem Schweißstrahlgenerator abgewandte Oberfläche des Werkstücks von einer zweiten Seite des Werkstücks abgebildet wird, um optisch ein beim Schweißprozess entstehendes Schmelzbad zu erkennen und mit einer Auswertungsstufe auszuwerten.The invention relates to a method for producing a welded connection between material flanks in a joining gap of a metallic workpiece using a welding beam generator, with which a welding beam is directed from a first side of the metallic workpiece to the joint gap, in order to ensure complete welding of the material flanks over the entire depth of the Achieve joint gap, and an optical detection device with a remote from the welding beam generator surface of the workpiece is imaged from a second side of the workpiece to optically detect a resulting during the welding process melt pool and evaluate with an evaluation stage.

Die Erfindung betrifft ferner eine Prozessbeobachtungsvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens. The invention further relates to a process observation device for use in carrying out the method.

Für die Herstellung von Schweißverbindungen in einem Fügespalt eines metallischen Werkstücks ist es bekannt, das Material der Materialflanken des Werkstücks am Fügespalt mittels eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls aufzuschmelzen, um beim Erkalten eine materialschlüssige Verbindung der Materialflanken über den Fügespalt hinweg herzustellen. Sofern der Fügespalt nicht ausreichend eng und mit parallelen Flanken herstellbar ist, kann neben dem Schweißen mit einem Schweißstrahl in einem Hybridverfahren ein weiteres Schweißverfahren eingesetzt werden, mit dem insbesondere ein für die Herstellung der Schweißverbindung geeignetes Zusatzmaterial in flüssiger Form in den Fügespalt eingebracht wird. For the production of welded joints in a joint gap of a metallic workpiece, it is known to melt the material of the material flanks of the workpiece at the joint gap by means of a laser beam or electron beam to produce a material connection of the material flanks over the joint gap on cooling away. If the joint gap is not sufficiently narrow and can be produced with parallel flanks, in addition to welding with a welding beam in a hybrid method, a further welding method can be used, with which in particular a suitable for the production of the weld compound in liquid form is introduced into the joint gap.

Die Belastbarkeit der hergestellten Schweißverbindung hängt wesentlich davon ab, dass die Schweißverbindung über die gesamte Höhe der Materialflanken in dem Fügespalt erfolgt ist. Es ist daher erforderlich, den Schweißstrahl genau entlang dem Fügespalt zu führen und darüber hinaus die Energie des Schweißstrahls so einzustellen, dass die geeignete Materialmenge der Materialflanken aufgeschmolzen wird, um die Schweißverbindung der Flanken herzustellen. Ist die Energie des Schweißstrahls zu gering, erfolgt die Schweißverbindung nur über einen Teil der Tiefe des Fügespalts – also der Materialstärke –. Dieser Effekt kann auch eintreten, wenn der Schweißstrahl nicht präzise entlang des Fügespalts geführt wird.The load capacity of the welded connection produced depends essentially on the fact that the welded connection has been made over the entire height of the material flanks in the joint gap. It is therefore necessary to guide the welding beam exactly along the joint gap and, moreover, to adjust the energy of the welding beam so that the appropriate amount of material of the material flanks is melted to produce the welded connection of the flanks. If the energy of the welding beam is too low, the welded connection takes place only over part of the depth of the joint gap - ie the material thickness -. This effect can also occur if the welding beam is not guided precisely along the joint gap.

Es ist grundsätzlich bekannt, den Schweißstrahl entlang dem Fügespalt zu führen, indem die Position des Schweißstrahls auf der Seite des Schweißstrahlgenerators relativ zum Fügespalt detektiert und ggf. nachgeführt wird. Da sich die bloße optische Beobachtung der Position des Schweißstrahls einerseits und des Fügespalts andererseits nicht als ausreichend herausgestellt hat, sind Verfahren entwickelt worden, um die Qualität des Schweißvorgangs optisch abzuschätzen. Dabei wird von dem Effekt einer Schlüssellochbildung („Keyhole“) im Schmelzbad durch den einfallenden Schweißstrahl ausgegangen. Der die Energie übertragende Schweißstrahl verursacht im Strahlquerschnitt eine Verdampfung des geschmolzenen Metalls, sodass sich im Schmelzbad innerhalb des Fügespalts ein Kanal ausbildet, in dem sich Metalldampf des geschmolzenen Metalls befindet. Gemäß DE 197 16 293 C2 wird beim Laserschweißen das Keyhole optisch von der Laserseite aus detektiert, um dadurch eine korrekte Fokussierung des Laserstrahls an der Materialoberfläche festzustellen. Ein kleiner Keyhole-Durchmesser spricht für eine korrekte Fokussierung, während eine Defokussierung zu einer Vergrößerung des Keyholedurchmessers führt. Ferner wird die Größe des Schmelzbads detektiert, insbesondere um Schmelzbadauswürfe (in Form von Spritzern o. ä.) erkennen zu können, die zu Fehlstellen der Schweißverbindung führen können. Die Beobachtung mit einer Kamera erfolgt unter einem Winkel zum Laser-Schweißstrahl, wobei die dabei entstehenden Abbildungsfehler berücksichtigt werden müssen. Es wird ein Kompromiss zwischen der Schärfe des Bildes und der Erfassbarkeit der gesamten Schmelzbadfläche erforderlich.It is generally known to guide the welding beam along the joint gap by detecting the position of the welding beam on the side of the welding beam generator relative to the joint gap and possibly tracked. Since the mere optical observation of the position of the welding beam on the one hand and the joint gap on the other hand, has not been found to be sufficient, methods have been developed to visually estimate the quality of the welding process. It is assumed that the effect of a keyhole in the melt by the incident welding beam. The energy-transmitting welding beam causes evaporation of the molten metal in the beam cross-section, so that a channel is formed in the molten bath within the joint gap, in which metal vapor of the molten metal is located. According to DE 197 16 293 C2 During laser welding, the keyhole is optically detected from the laser side to thereby determine a correct focusing of the laser beam on the material surface. A small keyhole diameter speaks for a correct focus, while a defocusing leads to an increase in the keyholed diameter. Furthermore, the size of the molten bath is detected, in particular in order to be able to recognize molten metal ejections (in the form of spatters or the like) which can lead to defects of the welded joint. The observation with a camera takes place at an angle to the laser welding beam, whereby the resulting aberrations must be taken into account. A compromise is required between the sharpness of the image and the detectability of the entire molten bath surface.

Durch EP 2 322 312 A1 und US 6,084,205 ist es bekannt, bei einem flächigen Werkstück, das auch als Rohrmantel ausgebildet sein kann, die Abbildung der Laserschweißnaht von der dem Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks aus vorzunehmen. Dabei wird ebenfalls die Größe des Keyholes detektiert. Allerdings wird wegen der Beobachtung von der dem Schweißlaser abgewandten Seite eine Mindestgröße des Keyholes als Qualitätsparameter für den Schweißvorgang angesehen. Eine ausreichende Größe des von der Schweißrückseite erkennbaren Keyholes wird als Maßstab dafür angesehen, dass ein Durchschweißen durch die gesamte Materialstärke erfolgt ist. Die optische Erkennung dient somit der Bestimmung der Größe der Keyholefläche. Gemäß EP 2 322 312 A1 kann eine Beleuchtung mit einer Plasmaquelle vorgenommen werden. Ferner ist es möglich, den Schweißlaser, der eine Laserleistung von über 15 kW aufweisen kann, mit einer zweiten Wärmequelle, beispielsweise einem Lichtbogen, zu kombinieren.By EP 2 322 312 A1 and US 6,084,205 It is known in a flat workpiece, which may also be designed as a tube jacket, to make the image of the laser weld from the laser beam side facing away from the workpiece. The size of the keyhole is also detected. However, because of the observation of the side facing away from the welding laser, a minimum size of the keyhole is considered as a quality parameter for the welding process. Sufficient size of the keyholes recognizable by the weld back is considered a measure of penetration through the entire material thickness. The optical recognition thus serves to determine the size of the keyholefläche. According to EP 2 322 312 A1 a lighting can be made with a plasma source. Furthermore, it is possible to combine the welding laser, which may have a laser power of more than 15 kW, with a second heat source, for example an arc.

Die Prozessbeobachtung zur Sicherstellung der Qualität des Schweißvorgangs über die Erkennung der Größe des Keyholes des Schmelzbads ist problematisch, weil sie wegen der geringen Größe des Keyholes erhebliche messtechnische Probleme aufwirft und wesentliche Schweißfehler nicht erkennen kann. The process monitoring to ensure the quality of the welding process by detecting the size of the keyholes of the molten bath is problematic because it raises significant metrological problems due to the small size of the keyholes and can not detect significant welding defects.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Schweißverbindung bei der Herstellung der Schweißverbindung mit messtechnisch gut erfassbaren Parametern überprüfen und als Regel- oder Steuerungsparameter zur Verfügung zu stellen. The present invention is therefore based on the object to check the quality of the welded joint during the production of the welded joint with metrologically well detectable parameters and to provide as control or control parameters.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass mit der optischen Erfassungseinrichtung und der Auswertungsstufe gleichzeitig die Lage des Schmelzbads und die Lage des Fügespalts (2) bestimmt und die relative Lage zueinander als Parameter für die Nachregelung der Positionierung des Schweißstrahls relativ zum Fügespalt bereit gestellt wird.To achieve this object, a method of the type mentioned above according to the invention is characterized in that the position of the molten bath and the position of the joint gap at the same time with the optical detection device and the evaluation stage ( 2 ) and the relative position is provided to each other as a parameter for the readjustment of the positioning of the welding beam relative to the joint gap.

Die Erfindung beruht somit auf der Beobachtung der Schweißnahtwurzel auf der dem Schweißstrahlgenerator abgewandten Rückseite des Werkstücks während des Schweißvorgangs. Im Bereich der Schweißnahtwurzel entsteht typischerweise ein ellipsenförmiges Schmelzbad, wenn die Energie des Schweißstrahls für ein Durchschweißen ausreicht. Für die Überprüfung der Schweißqualität ist es erfindungsgemäß relevant, die Lage des Schmelzbads relativ zum Fügespalt zu bestimmen. Hierfür muss die optische Erfassungseinrichtung geeignet sein, gleichzeitig sowohl das Schmelzbad als auch einen Abschnitt des noch nicht bearbeiteten Fügespalts zu erkennen. The invention is thus based on the observation of the weld root on the rear side of the workpiece facing away from the welding beam generator during the welding process. In the area of the weld root, an ellipsoidal melt pool is typically formed when the energy of the welding beam is sufficient for thorough penetration. For checking the welding quality, it is inventively relevant to determine the position of the molten bath relative to the joint gap. For this purpose, the optical detection device must be suitable for simultaneously detecting both the molten bath and a section of the unprocessed joint gap.

Die Lage des Schmelzbads kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch die Bestimmung der Längsachse des Schmelzbads erfolgen, wenn das Schmelzbad langgestreckt, beispielsweise ellipsenförmig, ausgebildet ist. Für die Ellipsenform entspricht die Längsachse der Hauptachse. In a preferred embodiment, the position of the molten bath can be determined by determining the longitudinal axis of the molten bath when the molten bath is elongated, for example elliptical. For the ellipse shape, the longitudinal axis corresponds to the major axis.

Zur sicheren optischen Erfassung sowohl des Schmelzbades als auch des sich daran anschließenden noch nicht bearbeiteten Fügespalts ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine gesonderte Beleuchtung vorgesehen, die auf das Schmelzbad und den noch nicht bearbeiteten Fügespalt gerichtet wird. Dadurch ist es möglich, die unmittelbare Strahlung des Schweißstrahlgenerators, insbesondere beim Einsatz eines Schweißlasers, für die Auswertung zumindest weitgehend auszublenden, indem für die Beleuchtung und/oder die optische Abtastung ein ausgefilteter Wellenlängenbereich verwendet wird, der einen Abstand zum Wellenlängenbereich des Schweißstrahlgenerators aufweist. Der Schweißstrahlgenerator ist bevorzugt ein Laser. For secure optical detection of both the molten bath and the adjoining not yet processed joint gap, a separate illumination is provided in a preferred embodiment of the invention, which is directed to the molten bath and the not yet processed joint gap. This makes it possible to at least largely hide the direct radiation of the welding beam generator, in particular when using a welding laser, for the evaluation by using a filtered wavelength range which has a distance from the wavelength range of the welding beam generator for the illumination and / or the optical scanning. The welding beam generator is preferably a laser.

Für die Bestimmung der Lage des Schweißstrahls relativ zum Fügespalt kann ferner eine Bestimmung des Verhältnisses der Längen der Halbachsen, also der Hauptachse und der Nebenachse, des zumindest angenähert ellipsenförmigen Schmelzbades vorgenommen werden, weil aus Veränderungen des Verhältnisses Schlüsse auf Fehlpositionierungen des Schweißstrahlgenerators relativ zum Fügespalt gezogen werden können, wie dies unten noch näher erläutert wird.For determining the position of the welding beam relative to the joint gap, a determination of the ratio of the lengths of the semi-axes, ie the main axis and the minor axis, of the at least approximately elliptical molten bath can also be carried out, because conclusions of changes in the ratio draw conclusions about incorrect positioning of the welding beam generator relative to the joint gap can be, as will be explained in more detail below.

Zur Verminderung des Einflusses von Streulicht und reflektiertem Licht kann es zweckmäßig sein, wenn die Beleuchtung mit einer polarisierten Strahlung erfolgt. Die optische Abtastung kann dann mit einem entsprechenden Polarisationsfilter vorgenommen werden. To reduce the influence of stray light and reflected light, it may be expedient if the illumination is carried out with a polarized radiation. The optical scan can then be made with a corresponding polarization filter.

In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausbildung der Erfindung wird die gesamte Anordnung aus Kamera und Beleuchtung als ein einziges Modul mit einem einzigen Gehäuse ausgebildet, das auf der dem Schweißstrahlgenerator abgewandten Seite des Werkstücks angeordnet wird. Dabei ist es erforderlich, sowohl für den Beleuchtungsstrahl als auch für den Abtaststrahl in das Gehäuse ein Sichtfenster zu integrieren. Insbesondere das Sichtfenster für den Abtaststrahl zur optischen Erfassungseinrichtung hin sollte so ausgebildet sein, dass eine Geisterbilderzeugung durch eine Reflexion am Glas-Luft-Übergang vermieden wird. Hierfür könnte eine Antireflex-Beschichtung vorgesehen werden. Für den rauen Betrieb an einer Schweißvorrichtung, bei der durchaus Spritzer aus flüssigem Metall entstehen können, wird eine Antireflex-Beschichtung leicht beschädigt. In a particularly preferred structural embodiment of the invention, the entire arrangement of camera and lighting is formed as a single module with a single housing, which is arranged on the welding beam generator side facing away from the workpiece. It is necessary to integrate a viewing window into the housing for both the illumination beam and the scanning beam. In particular, the viewing window for the scanning beam to the optical detection device out should be designed so that a ghost imaging is avoided by a reflection at the glass-to-air transition. For this purpose, an anti-reflection coating could be provided. For harsh operation on a welding device, which can certainly cause splatters of liquid metal, an antireflection coating is easily damaged.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zumindest das Sichtfenster für die optische Abtastung im Brewster-Winkel zu dem durch das Sichtfenster hindurchtretenden Strahl auszurichten. Insbesondere bei der Verwendung von p-polarisierter Strahlung wird unter dem Brewster-Winkel die Reflexion auf praktisch Null herabgesetzt, sodass eine wenig stabile Antireflex-Beschichtung vermieden werden kann und dennoch keine die Auswertung störenden Geisterbilder entstehen.According to the invention, it is therefore provided to align at least the viewing window for the optical scanning at the Brewster angle to the beam passing through the viewing window. In particular, when using p-polarized radiation, the reflection is reduced to virtually zero at the Brewster angle, so that a less stable antireflection coating can be avoided and yet no ghosting disturbing the evaluation.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kamera ein Objektiv auf, dessen optische Achse geneigt zur Bildebene der Kameras angeordnet wird. Auf diese Weise kann der Schweißbereich von der Kamera beobachtet werden, ohne dass die Kameras in der optischen Achse des Schweißstrahls angeordnet ist. Dabei kann eine Verschwenkung der optischen Achse des Objektivs ohne Einbußen der Abbildungsschärfe erreicht werden, wenn das Objektiv in einer Scheimpfluganordnung (Tiltoptik) verwendet wird. Bekanntlich kann in der Scheimpfluganordnung, in der die Bildebene gegenüber der Objektivebene ebenfalls um ein vorgegebenes Maß verschwenkt ist, scharf abgebildet werden, wenn sich die Achsen der Objektebene, der Objektivebene und der Bildebene in einer Geraden schneiden. In einer weiter entwickelten Ausführungsform hat es sich bewährt, das Objektiv in einer Tilt-Shift-Anordnung zu verwenden, in der die Objektivebene zusätzlich etwas verschoben ist, um eine verzerrungsfreie Abbildung zu erreichen. In a further preferred embodiment of the invention, the camera has an objective whose optical axis is arranged inclined to the image plane of the cameras. In this way, the welding area can be observed by the camera without the cameras being arranged in the optical axis of the welding beam. In this case, a pivoting of the optical axis of the lens can be achieved without sacrificing the image sharpness when the lens is used in a Scheimpfluganordnung (tilt optics). As is well known, in the Scheimpflug arrangement, in which the image plane is also pivoted relative to the objective plane by a predetermined amount, sharp images are formed when the axes of the object plane, the objective plane and the image plane intersect in a straight line. In a further developed embodiment It has been proven to use the lens in a tilt-shift arrangement, in which the lens plane is also slightly shifted in order to achieve a distortion-free image.

Es ist für den Fachmann erkennbar, dass die oben beschriebene Ausbildung des separaten Moduls und die Ermöglichung der scharfen Abbildung auch bei einer schrägen Betrachtungsachse eine eigene erfinderische Bedeutung haben und auch unabhängig von dem Auswertungsverfahren für das Schmelzbad mit Vorteil realisierbar sind. It will be apparent to one skilled in the art that the above-described formation of the separate module and the enabling of the sharp image have their own inventive significance even with an oblique viewing axis and can also be realized with advantage regardless of the evaluation method for the molten bath.

Die oben erwähnte Aufgabe wird ferner durch eine Prozessbeobachtungsvorrichtung für die Durchführung des Verfahrens gelöst, die zur Anordnung auf einer zweiten Seite eines flächigen Werkstücks, das auf seiner ersten Seite mittels eines auf den Fügespalt gerichteten Schweißstrahls bearbeitet wird, vorgesehen und gekennzeichnet ist durch eine optische Erfassungseinrichtung zur gleichzeitigen Erfassung der Lage eines bei der Schweißbearbeitung auftretenden Schmelzbads sowie des Fügespalts und einer Auswertungsstufe zur Bestimmung der Lage des Schmelzbads relativ zum Fügespalt.The above-mentioned object is further achieved by a process observing device for carrying out the method, which is provided for being arranged on a second side of a flat workpiece, which is processed on its first side by means of a welding beam directed onto the joining gap, and is characterized by an optical detection device for simultaneously detecting the position of a molten bath occurring during welding and the joint gap and an evaluation stage for determining the position of the molten bath relative to the joint gap.

Die Prozessbeobachtungsvorrichtung ist dabei aus den oben erwähnten Gründen vorzugsweise mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der zweiten Seite des Werkstücks im Bereich des Schweißstrahls und einer Strecke des noch unbearbeiteten Fügespalts ausgebildet. For the reasons mentioned above, the process monitoring device is preferably designed with a lighting device for illuminating the second side of the workpiece in the region of the welding beam and a distance of the still unprocessed joining gap.

Weitere Merkmale der Prozessbeobachtungsvorrichtung ergeben sich aus der Umsetzung der vorteilhaften Ausführungsformen des obigen Verfahrens und aus den nachstehenden Erläuterungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:Further features of the process monitoring device will become apparent from the implementation of the advantageous embodiments of the above method and from the following explanations of preferred embodiments of the invention with reference to accompanying drawings. Show it:

1 eine schematische Anordnung eines Schweißkopfes auf einer ersten Seite eines Werkstücks sowie einer optischen Abtasteinrichtung in Form einer Kamera und einer Beleuchtungseinrichtung auf der zweiten Seite des Werkstücks; 1 a schematic arrangement of a welding head on a first side of a workpiece and an optical scanning device in the form of a camera and a lighting device on the second side of the workpiece;

2 eine schematische Darstellung der Ausbildung eines Schmelzbads durch einen unter einem Winkel zu einem Fügespalt einfallenden Schweißstrahl; 2 a schematic representation of the formation of a molten bath by an incident at an angle to a joint gap welding beam;

2a eine schematische Darstellung der Ausbildung eines Schmelzbads bei einem im Winkel verlaufenden Fügespalt und einem nicht kongruent verlaufenden Schweißstrahl; 2a a schematic representation of the formation of a molten bath at an angle joining gap and a non-congruent welding beam;

2b eine schematische Draufsicht auf die zweite Seite des Werkstücks bei Ausbildung eines ellipsenförmigen Schmelzbads für eine ordnungsgemäße Verschweißung; 2 B a schematic plan view of the second side of the workpiece with formation of an elliptical melt bath for proper welding;

3 eine schematische Darstellung einer Regelung der Positionierung des Schweißkopfes durch Feststellung der Lage der Hauptachse des ellipsenförmigen Schmelzbades relativ zum Fügespalt; 3 a schematic representation of a regulation of the positioning of the welding head by detecting the position of the major axis of the elliptical melt pool relative to the joint gap;

4 eine schematische Darstellung der Regelung der Schweißenergie in Abhängigkeit von gemessenen Solllängen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbades; 4 a schematic representation of the regulation of the welding energy as a function of measured nominal lengths of the semi-axes of the elliptical melt bath;

5 die Ausbildung der Kamera und der Beleuchtung gemäß 1 als ein Prozessbeobachtungsmodul; 5 the training of the camera and the lighting according to 1 as a process observation module;

6 die Ausbildung eines ellipsenförmigen Schmelzbades bei über die Länge des Fügespalts korrekt ausgeführter Schweißung; 6 the formation of an elliptical molten bath at the correct over the length of the joint gap performed welding;

7 eine Darstellung von drei Abbildungen des detektierten Schmelzbads bei abnehmender Schweißstrahlleistung; 7 a representation of three images of the detected molten bath with decreasing welding beam power;

8 Abbildungen des detektierten Schmelzbads bei einer zunehmenden Depositionierung des Schmelzbads relativ zum Fügespalt. 8th Images of the detected molten bath with increasing deposition of the molten bath relative to the joint gap.

1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Herstellung einer Schweißverbindung an einem Werkstück 1, das aus zwei Teilstücken besteht, die über eine Fügenaht 2 miteinander verschweißt werden sollen. Hierzu ist auf einer ersten Seite des Werkstücks 1 ein Schweißkopf 3 angeordnet, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schweißlaser enthält und somit einen Schweißstrahl 4 in Form eines Laserstrahls aussendet. 1 schematically shows an arrangement for producing a welded joint on a workpiece 1 , which consists of two sections, which have a joint seam 2 to be welded together. This is on a first side of the workpiece 1 a welding head 3 arranged, which contains a welding laser in the illustrated embodiment, and thus a welding beam 4 in the form of a laser beam.

Zur Prozessbeobachtung dient eine optische Abtasteinrichtung in Form einer Kamera 5, deren Abtaststrahl 6 in einem Winkel zur Achse des Schweißstrahls 4 steht. For process observation is an optical scanner in the form of a camera 5 , whose scanning beam 6 at an angle to the axis of the welding beam 4 stands.

Die optische Abtastung wird dadurch erleichtert, dass unter einem entsprechenden Winkel ein Beleuchtungsstrahl 7 einer Beleuchtungsvorrichtung 8 auf die zweite Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 gerichtet wird. Kamera 5 und Beleuchtungsvorrichtung 8 befinden sich daher auf der zweiten Seite des Werkstücks 1, die der ersten Seite, auf der sich der Schweißkopf 3 befindet, gegenüberliegt. The optical scanning is facilitated by the fact that at an appropriate angle an illumination beam 7 a lighting device 8th on the second side (underside) of the workpiece 1 is directed. camera 5 and lighting device 8th are therefore on the second side of the workpiece 1 that is the first side on which the welding head 3 located opposite.

In der Schweißbearbeitung mittels Laser- oder Elektronenstrahls werden aufgrund eines relativ hohen Aspektverhältnisses (Nahttiefe oder Einschweißtiefe zu Nahtbreite) hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit gestellt, insbesondere beim Fügen hoher Materialstärken. Eine Ausrichtung bzw. Positionierung der Schweißstrahlung entlang von Merkmalen auf der Oberseite des Werkstücks 1 ist nicht hinreichend, um eine zuverlässige Anbindung über die gesamte Dicke des Materials zu gewährleisten. Insbesondere treten Flankenbindefehler speziell im Bereich der Nahtwurzel auf. In welding by means of laser or electron beam high demands are placed on the positioning accuracy due to a relatively high aspect ratio (seam depth or weld depth to seam width), especially when joining high material thicknesses. An alignment or positioning of the welding radiation along features on the top of the workpiece 1 is not sufficient to provide a reliable connection across the entire thickness of the material guarantee. In particular, edge-banding errors occur especially in the area of the near-root.

Dies wird anhand der 2 verdeutlicht. Sie zeigt schematisch eine Fehlausrichtung bezüglich des Einstrahlwinkels des Schweißstrahls. Dargestellt ist daher ein Ausschnitt des Werkstücks 1 im Bereich des Fügespalts 2, der durch zwei parallele Materialflanken 9 begrenzt wird. Die ideale Einfallrichtung für einen Schweißstrahl 4 verliefe in der Mittenebene ME des Fügespalts. Dargestellt ist ein einfallender Schweißstrahl 4, der einen Winkel α mit der Mittenebene ME bildet. Da der Schweißstrahl 4 geradlinig durch das Material des Werkstücks 1 verläuft, bildet sich ein Schmelzbad 10 aus, das mit zunehmender Werkstücktiefe eine unsymmetrische Ausbildung erfährt. Wenn der Schweißstrahl 4 – wie angestrebt – auf die Mitte des Fügespalts 2 auf der ersten Oberseite des Werkstücks 1 justiert wird, bildet sich auf der ersten Seite eine Form des Schmelzbads 10 aus, die eine fehlerfreie Verschweißung für eine Beobachtung auf der ersten Seite des Werkstücks 1 vorspiegelt. Mit zunehmender Tiefe bildet sich das Schmelzbad 10 hingegen in verjüngter Form mit einem zunehmenden Abstand vom Fügespalt 2 aus, wie dies in 2 schematisch dargestellt ist. Demgemäß ist von der zweiten Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 das Schmelzbad 10 zu erkennen, wenn der Schweißstrahl 4 stark genug ist, um eine Durchschweißung bis zur zweiten Oberfläche (Rückseite) des Werkstücks 1 zu gewährleisten. Eine Prozessbeobachtung auf der Werkstückrückseite, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, würde unter Auswertung der Schmelzbadgröße und der Größe des Keyholes eine ordnungsgemäße Verschweißung anzeigen, obwohl die Verschweißung am unteren (zur zweiten Oberfläche hin gerichteten) Ende des Fügespalts nicht ordnungsgemäß erfolgt ist. Vielmehr hat nur eine Einschweißung in den Fügespalt 2 stattgefunden.This is based on the 2 clarified. It schematically shows a misalignment with respect to the angle of incidence of the welding beam. Therefore, a section of the workpiece is shown 1 in the area of the joint gap 2 by two parallel material flanks 9 is limited. The ideal direction of incidence for a welding beam 4 run in the middle plane ME of the joining gap. Shown is an incident welding beam 4 which forms an angle α with the center plane ME. Because the welding beam 4 straight through the material of the workpiece 1 runs, forms a molten bath 10 from, which undergoes an asymmetrical training with increasing workpiece depth. When the welding beam 4 - as desired - on the middle of the joint 2 on the first top of the workpiece 1 On the first page forms a mold of the molten bath 10 made a flawless weld for an observation on the first side of the workpiece 1 pretends. With increasing depth, the molten pool is formed 10 however, in a tapered shape with increasing distance from the joint gap 2 out, like this in 2 is shown schematically. Accordingly, from the second side (bottom) of the workpiece 1 the molten bath 10 to recognize when the welding beam 4 strong enough to weld through to the second surface (back) of the workpiece 1 to ensure. A process observation on the back of the workpiece, as known in the art, would indicate a proper weld, evaluating the size of the weld pool and the size of the keyhole, although the weld was not properly made at the bottom end (facing the second surface) of the join gap. Rather, only one weld in the joint gap 2 occurred.

Bereits eine leichte Fehlausrichtung (Verkippung) der Achse des Schweißstrahls 4 kann daher zu ungenügenden Schweißergebnissen führen. Die Ursachen einer Fehlausrichtung der Achse des Schweißstrahls können beispielsweise Formtoleranzen der Blechkanten oder bereits kleine Winkelfehler der Schweißstrahlachse bezogen auf die Flanken des Werkstücks 1 im Fügespalt 2 sein, die trotz einer exakten Ausrichtung und Positionierung des Schweißkopfes 3 entlang von Merkmalen auf der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Schweißnaht zur Folge haben. Already a slight misalignment (tilting) of the axis of the welding beam 4 can therefore lead to unsatisfactory welding results. The causes of a misalignment of the axis of the welding beam, for example, form tolerances of the sheet edges or even small angular error of the welding beam axis relative to the edges of the workpiece 1 in the joint gap 2 be that despite an exact alignment and positioning of the welding head 3 along flanks on the top of the workpiece result in flank-bonding errors in the root area of the weld.

Unabhängig von einem Winkelfehler bzw. der Positionierung des Schweißstrahls 4 können neben einer Verkippung der Achse des Schweißstrahls weiterhin Winkel durch die Werkstückkantenqualität bzw. den Werkstückkantenzustand resultieren, sodass trotz einer exakten Ausrichtung und Positionierung entlang von Merkmalen an der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Verbindung auftreten können, weil relative Verkippungen zwischen den Fügekanten und der Strahlachse auftreten, wie dies in 2a verdeutlicht ist. Diese Situation gilt entsprechend generell für alle nicht planen Kantenqualitäten, die keinen abschließenden Fräsbearbeitungen unterzogen wurden. Bei Blechdicken bis zu 12 mm werden häufig keine gefrästen Kanten, sondern Schlagscherenschnitte, Plasma- oder Laserstrahlschnitte eingesetzt, bei denen Fügekanten ohne Planheit resultieren. Bei größeren Materialstärken werden vorrangig Säge-, Plasma-, Laserstrahl- oder Wasserstrahlschnitte eingesetzt. Mit zunehmender Blechdicke resultieren geringere Kantenqualitäten bezüglich der Planarität und/oder der Rauheit der Fügekanten, sodass in Abhängigkeit vom Anwendungsfall kostenintensive Fräsprozesse erforderlich sein können. Eine ähnliche Situation bezüglich unterschiedlicher, nicht planer Fügekanten resultiert beispielsweise nach einer Rohreinformung bei längsnahtgeschweißten Rohren.Independent of an angle error or the positioning of the welding beam 4 In addition to tilting the axis of the welding beam, angles may still result from the workpiece edge quality or the workpiece edge condition, so that edge alignment errors may occur in the root area of the joint despite accurate alignment and positioning along features on the workpiece top because of relative tilting between the joint edges and the beam axis like this in 2a is clarified. Accordingly, this situation generally applies to all non-planar edge qualities that have not undergone any final milling work. With sheet thicknesses of up to 12 mm, frequently no milled edges are used, but impact cutouts, plasma or laser beam cuts, in which joint edges result without flatness. For larger material thicknesses, primarily saw, plasma, laser beam or water jet cuts are used. As the sheet thickness increases, lower edge qualities with respect to the planarity and / or the roughness of the joint edges result, so that costly milling processes may be required depending on the application. A similar situation with respect to different, non-planar joining edges results, for example, after a pipe molding in longitudinally welded pipes.

Weiterhin ist bei manchen Anwendungen bauteilbedingt keine senkrechte Einstrahlung des Laserstrahls möglich, sodass eine definierte Verkippung der Strahlachse erforderlich ist, deren Ausführung an die vorhandene Fügekantengeometrie angepasst werden muss, sodass eine exakte Ausrichtung und Positionierung entlang von Merkmalen an der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Verbindung zur Folge haben können.Furthermore, in some applications, no vertical irradiation of the laser beam is possible due to the component, so that a defined tilt of the beam axis is required, the design of which must be adapted to the existing joining edge geometry, so that an exact alignment and positioning along features on the workpiece top Flankenbindefehler in the root area of the connection to May have consequences.

Neben Fehlpositionierungen, Verkippungen und winkelbehafteten Fügekantenzuständen können weiterhin Schwankungen der Streckenenergie, also der Energie des Schweißstrahls 4, zu unterschiedlich tiefen Ein- bzw. Durchschweißungen führen. Bei einer abnehmenden Streckenenergie wird die Einschweißtiefe reduziert, sodass eine ungenügende Durchschweißung resultieren kann. Durch eine zunehmende Streckenenergie wird eine größere Schweißnahtwurzel ausgebildet, die hinsichtlich der Bewertung der Schweißnahtqualität neben einer zu großen Wurzelüberhöhung auch zu einer Nahtunterwölbung führen kann. Schwankungen der Streckenenergie können beispielsweise in einer variierenden, emittierten Ausgangsleistung der Strahlung der Schweißstrahlquelle sowie in einer veränderten Vorschubgeschwindigkeit eines Roboter- oder Achssystems begründet liegen.In addition to incorrect positioning, tilting and angular joining edge states can continue fluctuations in the path energy, ie the energy of the welding beam 4 , lead to different deep penetration or Durchschweißungen. As the path energy decreases, the welding depth is reduced, which may result in insufficient penetration. By increasing the energy of the track, a larger weld root is formed, which, in addition to a too large increase in root area, can also lead to a seam undershoot with regard to the assessment of the weld quality. Variations in the path energy can be due, for example, to a varying, emitted output power of the radiation of the welding beam source as well as to an altered feed rate of a robot or axis system.

Durch das erfindungsgemäße wurzelseitige Prozessbeobachtungssystem kann eine abnehmende Einschweißtiefe ermittelt werden, wie nachfolgend noch dargestellt wird. By virtue of the root-side process observation system according to the invention, a decreasing welding depth can be determined, as will be described below.

Neben einer variierenden Streckenenergie können auch veränderte Werkstückbedingungen, wie beispielsweise Variationen der Materialdicke, der Werkstückgeometrie oder der chemischen Zusammensetzung, eine Veränderung der Einschweißtiefe zur Folge haben. In addition to a varying energy path also changed workpiece conditions, such as variations in material thickness, workpiece geometry or chemical Composition, a change in the depth of penetration result.

Durch die vorliegende Erfindung kann eine homogene Wurzelausbildung sichergestellt werden, die zentral im Fügespalt 2 positioniert ist und eine gleichmäßige Wurzelüberhöhung bzw. -ausprägung zur Folge hat. Weiterhin wird eine vollständige Flankenerfassung durch die Schweißnaht sichergestellt, also das Auftreten von Flankenbindefehlern vermieden. By the present invention, a homogeneous root formation can be ensured, which centrally in the joint gap 2 is positioned and has a uniform root exaggeration or -ausprägung result. Furthermore, a complete edge detection is ensured by the weld, so the occurrence of Flankenbindefehlerern avoided.

Durch eine Beobachtung der Schweißnahtwurzelposition in Relation zum Fügespalt kann die oben beschriebene Fehlausrichtung bzw. -positionierung während des Schweißprozesses detektiert werden. By observing the weld root position in relation to the joint gap, the misalignment or positioning described above during the welding process can be detected.

Wie 2a verdeutlicht ist bei einer ordnungsgemäßen Verschweißung auf der zweiten Seite des Werkstücks 1 typischerweise ein ellipsenförmiges Schmelzbad 10 detektierbar, das symmetrisch zum Fügespalt 2 entsteht, wobei die Hauptachse HA der Ellipse des Schmelzbads 10 mit der Mittenebene ME das Fügespalts 2 zusammenfällt. Eine detektierte seitliche Abweichung zeigt somit eine nicht mehr ordnungsgemäße Verschweißung an. Die Hauptachse HA setzt sich aus den großen Halbachsen, die senkrecht dazu stehende Nebenachse NA aus den kleinen Halbachsen zusammen, wie aus der Geometrie der Ellipse dem Fachmann bekannt ist. Die Hauptachse HA entspricht der Längsachse des Schmelzbads 10, die für langgestreckte Schmelzbadformen bestimmbar ist, die von der Ellipsenform abweichen.As 2a Clarified in a proper welding on the second side of the workpiece 1 typically an ellipsoidal molten bath 10 detectable, symmetrical to the joint gap 2 arises, with the main axis HA of the ellipse of the molten bath 10 with the middle plane ME the joining gap 2 coincides. A detected lateral deviation thus indicates a no longer proper welding. The main axis HA is made up of the large semiaxes, and the minor axis NA perpendicular to them is composed of the small semiaxes, as is known to the person skilled in the art from the geometry of the ellipse. The major axis HA corresponds to the longitudinal axis of the molten bath 10 , which is determinable for elongated melt bath shapes that deviate from the elliptical shape.

Die erfindungsgemäße Detektion ist mit einem kamerabasierten Beobachtungssystem als regelungsfähiges System umsetzbar. Die Fehlausrichtung bzw. die Positionsabweichung der Strahlachse relativ zum Fügespalt wird über die Position der Hauptachse der ellipsenförmigen Geometrie des Schmelzbades 10 relativ zum Fügespalt 2 erfasst und über Bewegungen eines Roboter-/Achssystems ausgeglichen. Eine schematische Darstellung dieses Regelvorgangs ist in 3 dargestellt. Als Führungsgröße des Regelvorganges dient die Feststellung der Lage der Hauptachse des ellipsenförmigen Schmelzbades zum Fügespalt. Wird aufgrund einer Störgröße in der Regelstrecke eine Abweichung festgestellt, kann eine entsprechende Steuerung des Robotersystems oder Achssystems für den Schweißkopf 3 wirksam werden, um die Regelabweichung zu eliminieren.The detection according to the invention can be implemented with a camera-based observation system as a controllable system. The misalignment or positional deviation of the beam axis relative to the joint gap is determined by the position of the major axis of the elliptical geometry of the molten bath 10 relative to the joint gap 2 recorded and compensated for by movements of a robot / axis system. A schematic representation of this control process is in 3 shown. As a reference variable of the control process, the determination of the position of the main axis of the elliptical molten bath is used for joint gap. If a deviation is detected due to a disturbance in the controlled system, a corresponding control of the robot system or axle system for the welding head 3 take effect to eliminate the control deviation.

Für die Regelung der Durchschweißung werden die Längen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbades erfasst und die Regelung kann durch Anpassung der Strahlleistung des Schweißstrahlgenerators erfolgen. Die entsprechende Regelung ist in 4 schematisch dargestellt. Die Führungsgrößen sind die Solllängen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbads. Führt eine Störgröße in der Regelstrecke zu einer Regelabweichung, kann die Steuerspannung der Schweißstrahlquelle, insbesondere Laserstrahlquelle als Stellgröße dienen, um die Regelabweichung zu eliminieren. For the regulation of the through-welding, the lengths of the semi-axes of the elliptical melt bath are detected and the control can be effected by adjusting the beam power of the welding beam generator. The corresponding regulation is in 4 shown schematically. The reference variables are the nominal lengths of the semiaxes of the elliptical melt pool. If a disturbance variable in the controlled system leads to a system deviation, the control voltage of the welding beam source, in particular the laser beam source, can serve as a manipulated variable in order to eliminate the control deviation.

Zur Detektion der beschriebenen Abweichungen ergeben sich für die Prozessbeobachtung Anforderungen an die mittels der Kamera 5 zu erfassenden Informationen. Hierzu gehören der Austrittspunkt des Laserstrahls an der Unterseite (zweiten Seite) des Werkstücks 1, die Lage des Fügespalts 2 zwischen den Materialflanken 9 im noch ungefügten Bereich der Teile des Werkstücks 1. Erfasst wird ferner die Schweißnahtwurzel, also der Verlauf der ausgehärteten Schweißnaht auf der Unterseite des Werkstücks 1.In order to detect the deviations described, requirements for the observation of the process by means of the camera arise 5 information to be collected. These include the exit point of the laser beam at the bottom (second side) of the workpiece 1 , the location of the joint 2 between the material flanks 9 in the still unfused area of the parts of the workpiece 1 , Also included is the weld root, so the course of the hardened weld on the underside of the workpiece 1 ,

In Abhängigkeit von der Schmelzbadausprägung werden bezüglich der Bildfeldgröße Breiten zwischen 5 und 20 mm erwartet. Hinsichtlich einer Prozessregelung sind aufgrund einer relativen trägen Reaktion des Material sowie einer Ermöglichung der Merkmalserfassung über verhältnismäßig wenige Punkte bereits Bildraten von 50 fps und Auflösungen um 640 × 480 ausreichend, um die beschriebenen Merkmale und relevanten Störungen detektieren zu können. Optional können höhere Bildraten und/oder Auflösungen verwendet werden, beispielsweise wenn höhere Bildfeldgrößen infolge zunehmender Schmelzbadausprägungen erforderlich sind. Depending on the degree of fusion, widths between 5 and 20 mm are expected with regard to the image field size. With regard to a process control, frame rates of 50 fps and resolutions of 640 × 480 are already sufficient due to a relatively sluggish reaction of the material and enabling feature detection over relatively few points in order to be able to detect the described features and relevant perturbations. Optionally, higher frame rates and / or resolutions may be used, for example, where higher frame sizes are required due to increasing melt bath levels.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Prozessbeobachtungsvorrichtung als ein Modul in einem robusten Gehäuse ausgeführt. Die Prozessbeobachtungsvorrichtung muss nämlich robust gegen Prozessemissionen in Form von Rauch, Dampf, Schweißspritzern und elektromagnetischer Strahlung sein. Zum Schutz vor diesen Prozessemissionen wird das Prozessbeobachtungssystem, gegebenenfalls einschließlich des Regelungssystems, in einem Gehäuse 11 implementiert, wie es in 5 schematisch dargestellt ist. Das Gehäuse weist integrierte Sichtfenster 12 auf, durch die der Beleuchtungsstrahl 8 aus dem Innenraum des Gehäuses 11 austreten und der Abtaststrahl 6 in den Innenraum des Gehäuses 11 eintreten kann. Wie 5 erkennen lässt, wird der Beleuchtungsstrahl 8 von der Beleuchtungsvorrichtung 7 gegen einen Umlenkspiegel 13 gerichtet und tritt nach der Umlenkung durch das zugehörige Sichtfenster 12 aus. Der Abtaststrahl 6 tritt durch sein zugehöriges Sichtfenster 12 in das Gehäuse 11 ein und gelangt auf eine Anordnung aus drei Umlenkspiegeln 14, durch die der Abtaststrahl 6 in ein Objektiv 15 gelenkt wird, das mit einer Tilt- und einer Shift-Vorrichtung versehen ist, um als Tilt-Shift-Objektiv eine modifizierte Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen. Zwischen dem Objektiv 15 und der Kamera 5 ist eine Filterkassette 16 für ein Polarisationsfilter angeordnet. Das Polarisationsfilter der Filterkassette 16 entspricht der Polarisation des von der Beleuchtungsvorrichtung 7 ausgesandten Beobachtungsstrahls, der vorzugsweise p-polarisiert ist.In a preferred embodiment, the process observing device is implemented as a module in a robust housing. Namely, the process observing device must be robust to process emissions in the form of smoke, steam, spatter and electromagnetic radiation. To protect against these process emissions, the process monitoring system, including the control system, if applicable, is housed in one enclosure 11 implemented as it is in 5 is shown schematically. The housing has integrated viewing windows 12 on, through which the illumination beam 8th from the interior of the housing 11 emerge and the scanning beam 6 in the interior of the case 11 can occur. As 5 the illumination beam becomes 8th from the lighting device 7 against a deflecting mirror 13 directed and occurs after the deflection through the associated window 12 out. The scanning beam 6 enters through its associated viewing window 12 in the case 11 and arrives at an arrangement of three deflecting mirrors 14 through which the scanning beam 6 in a lens 15 which is provided with a tilt and a shift device to meet as a tilt-shift lens a modified Scheimpflug condition. Between the lens 15 and the camera 5 is a filter cartridge 16 arranged for a polarizing filter. The polarizing filter of the filter cassette 16 corresponds to the polarization of the illumination device 7 emitted observation beam, which is preferably p-polarized.

Die Anordnung der justierbaren Spiegel ermöglicht eine Umlenkung der Strahlengänge von Kamera 5 und Beleuchtungsvorrichtung 7 zu einer kompakten Anordnung. Aufgrund einer kompakteren Bauform der Beleuchtungsvorrichtung sowie der Kamera ist auch eine direkte Beleuchtung ohne Umlenkung möglich. Zur Beleuchtung der Beobachtungszone auf der zweiten Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 wird optional eine Lichtquelle, beispielsweise eine Helium-Neonoder Dioden-Laserstrahlquelle eingesetzt. The arrangement of the adjustable mirrors allows a deflection of the beam paths of the camera 5 and lighting device 7 to a compact arrangement. Due to a more compact design of the lighting device and the camera, a direct lighting without deflection is possible. To illuminate the observation zone on the second side (underside) of the workpiece 1 Optionally, a light source, such as a helium neon or diode laser beam source is used.

Da Sichtfenster 12 durch Teilreflexionen zu sogenannten Geisterbildern führen können, muss die Reflektivität des beobachtungsseitigen Sichtfensters 12 reduziert werden. Üblicherweise werden zu diesem Zweck Antireflex-Beschichtungen auf die Glasoberflächen aufgebracht. Solche Oberflächenvergütungen sind jedoch anfällig gegenüber Schweißspritzern sowie -rauchen und können bei manueller Reinigung beschädigt werden. Erfindungsgemäß werden die Geisterbilder vermieden, indem die Fenster im sogenannten Brewster-Winkel angeordnet werden und die Beleuchtungsstrahlung mit einem Polarisationsfilter p-polarisiert wird. Im Brewster-Winkel hat die Reflektivität für p-polarisierte Strahlung ein Minimum mit dem theoretischen Wert Null. Durch die nicht erforderliche Oberflächenvergütung wird eine längere Standzeit der Sichtfenster 12 erreicht und die Sichtfenster können bei Bedarf kostengünstig, weil ohne Oberflächenvergütung, ausgetauscht werden.Because viewing window 12 may result in partial reflections to so-called ghost images, the reflectivity of the observation-side viewing window must 12 be reduced. Usually, antireflection coatings are applied to the glass surfaces for this purpose. However, such surface coatings are prone to spatter and smoke and can be damaged by manual cleaning. According to the ghost images are avoided by the windows are arranged in the so-called Brewster angle and the illumination radiation is p-polarized with a polarizing filter. At the Brewster angle, the reflectivity for p-polarized radiation has a minimum of the theoretical value of zero. Due to the unnecessary surface coating is a longer life of the window 12 achieved and the viewing window can cost if necessary, because without surface coating, to be replaced.

Mögliche Ausführungen der Prozessbeobachtungsvorrichtung sowie von Versuchsanordnungen sind in den nachfolgenden Beispielen erläutert.Possible embodiments of the process observation device and experimental arrangements are explained in the following examples.

Beispiel 1example 1

Für die Durchführung von Versuchen wurde eine Kamera des Herstellers Imaging Source vom Typ DFM 22BUC03-ML eingesetzt. Die Beobachtungskamera 5 wurde mit einem Objektiv der Firma Nikon vom Typ PC-E Micro-Nikkor Tilt-Shift-Objektiv- 85 mm – F/2.8 kombiniert. Die Kamera hat eine Auflösung von 640 × 480 und eine Bildrate von 76 fps. Das Objektiv hat eine maximale Vergrößerung von 1:2 und eine Naheinstellgrenze von 390 nm. For the execution of experiments, a camera manufacturer Imaging Source type DFM 22BUC03-ML was used. The observation camera 5 was combined with a lens of the company Nikon type PC-E Micro-Nikkor tilt-shift lens - 85 mm - F / 2.8. The camera has a resolution of 640 × 480 and a frame rate of 76 fps. The lens has a maximum magnification of 1: 2 and a minimum focusing distance of 390 nm.

In der Filterkassette 16 ist ein Bandpassfilter eingesetzt worden, das eine Wellenlängencharakteristik (CWL = 660 nm ± 2 nm; FWHM = 10 nm ± 2 nm) aufweist, die eine vollständige Transmission für Wellenlängen mit einer Ausprägung von 660 nm ± 2 nm erlaubt. In the filter cassette 16 For example, a bandpass filter has been used which has a wavelength characteristic (CWL = 660 nm ± 2 nm, FWHM = 10 nm ± 2 nm) which allows complete transmission for wavelengths of 660 nm ± 2 nm.

Als Beleuchtungsvorrichtung wurde eine Laserdiode mit einer maximalen Ausgangsleistung von 55 mW und einer Wellenlänge von 659 nm als optionales Beleuchtungsmodul eingesetzt. The illumination device used was a laser diode with a maximum output power of 55 mW and a wavelength of 659 nm as an optional illumination module.

Beispiel 2Example 2

Für die Schweißuntersuchungen wurde als Strahlquelle eine diodengepumpte Festkörperscheibenlaser-Strahlquelle der TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH vom Typ TruDisk 16002 eingesetzt. Mit Ausgangsleistungen von bis zu 16 kW am Werkstück 1 und einer hohen Strahlqualität von 8 mm·mrad ist diese Laserquelle sowohl zum Schweißen als auch zum Schneiden von Metallen geeignet. Die Ausgangs-Wellenlänge beträgt 1.030 nm. For the welding tests, a diode-pumped solid-state disk laser beam source from TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH type TruDisk 16002 was used as the beam source. With output powers of up to 16 kW on the workpiece 1 and a high beam quality of 8 mm · mrad, this laser source is suitable both for welding and for cutting metals. The output wavelength is 1,030 nm.

Die Scheibenlaser-Strahlquelle verbindet die Vorteile einer Festkörperlaser-Strahlquelle mit denen einer Diodenlaser-Strahlquelle. Energieeffiziente Diodenlaser-Strahlquellen liefern als Pumpquelle die Anregungsenergie und sorgen für einen hohen Wirkungsgrad, während die Scheibe als Festkörperlaser die hohe Strahlqualität bedingt. The disk laser beam source combines the advantages of a solid state laser beam source with those of a diode laser beam source. Energy-efficient diode laser beam sources deliver the excitation energy as a pump source and ensure high efficiency, while the disk as a solid-state laser requires the high beam quality.

Weiterhin sind aufgrund der hohen Strahlqualität große Arbeitsabstände realisierbar. Die Laserstrahlquelle ist mit mehreren Lichtleitfasern ausgestattet und kann aufgrund einer fasergeführten Strahlführung flexibel in Fertigungslinien integriert sowie mit Industrierobotern oder anderen Handhabungssystemen kombiniert werden. Furthermore, due to the high beam quality, large working distances can be realized. The laser beam source is equipped with multiple optical fibers and can be flexibly integrated into production lines as well as combined with industrial robots or other handling systems due to a fiber-guided beam guidance.

Bei den durchgeführten Schweißuntersuchungen ist der Laserstrahl über einen Lichtwellenleiter mit einem Faserdurchmesser von 200 µm zur wassergekühlten Laserstrahlschweißoptik geführt worden. In the welding tests carried out, the laser beam was guided over an optical waveguide with a fiber diameter of 200 μm to the water-cooled laser beam welding optics.

Beispiel 3Example 3

Als Laserstrahlschweißoptik wurde ein Bearbeitungskopf der TRUMPF Laser GmbH mit einem starren, linsenbasierten Strahlformungssystem eingesetzt. Der Bearbeitungskopf besteht im Wesentlichen aus einer Faseraufnahme für den Lichtwellenleiter, einem Kollimator (Kollimationsbrennweite 200 mm), einer Fokussierung (Fokussierbrennweite 200 mm), einer Schutzglasaufnahme sowie einem Crossjetmodul. The laser beam welding optics used was a machining head from TRUMPF Laser GmbH with a rigid, lens-based beam shaping system. The machining head essentially consists of a fiber receptacle for the fiber optic cable, a collimator (collimating focal length 200 mm), a focus (focusing focal length 200 mm), a protective glass receptacle and a Crossjet module.

Aus dem verwendeten Lichtwellenleiter mit einem Faserdurchmesser von 200 µm resultiert in Kombination mit der verwendeten Laserstrahloptik (Abbildungsverhältnis von 1:1) ein Fokusdurchmesser von 200 µm.From the optical waveguide with a fiber diameter of 200 microns used results in combination with the laser beam optics used (imaging ratio of 1: 1), a focus diameter of 200 microns.

Beispiel 4 Example 4

Der Laserstrahlbearbeitungskopf wurde an einem sechsachsigen Roboter der KUKA Roboter GmbH vom Typ KR 60 HA montiert. Mittels spezieller Getriebe, genauer Vermessung und einer hohen Steifigkeit der Mechanik erreicht der KR 60 HA eine hohe Positioniergenauigkeit, mit Punktwiederholgenauigkeiten von ±0,05 mm und linearen Bahnwiederholgenauigkeiten von ±0,16 mm. Hinsichtlich der hohen Torsions- und Biegefestigkeit weist dieser Typ eine CAD- und FEM-optimierte Struktur auf, woraus eine hohe Steifigkeit der Mechanik resultiert, die eine hohe Prozessgenauigkeit auch bei Kontakt gewährleistet. The laser beam machining head was mounted on a KUKA Roboter GmbH type KR 60 HA six-axis robot. By means of special gearboxes, precise measuring and a high rigidity of the mechanics, the KR 60 HA achieves a high positioning accuracy, with point repeat accuracy of ± 0.05 mm and linear path repetition accuracies of ± 0.16 mm. In terms of high torsional and bending strength, this type has a CAD- and FEM-optimized structure, resulting in a high rigidity of the mechanism, which ensures a high process accuracy even at contact.

Beispiel 5Example 5

Für die exemplarisch vorgestellten Schweißuntersuchungen zur prototypischen Demonstration der Funktionalität wurden Werkstückbleche der Stahlgüte S700MC eingesetzt. Die Schweißproben wiesen eine Blechdicke von 7 mm, eine Länge von 300 mm und eine Breite 120 mm auf. Work piece plates of steel grade S700MC were used for the prototype demonstration of functionality presented as examples. The weld samples had a plate thickness of 7 mm, a length of 300 mm and a width of 120 mm.

Beispiel 6Example 6

Für den Laserstrahlschweißprozess der Schweißuntersuchungen zur prototypischen Funktionalitätsdemonstration wurden eine Laserstrahlleistung von 4 kW, eine Vorschubgeschwindigkeit von 1 m/min sowie eine Fokuslage des Laserstrahls auf der Blechoberseite (Werkstückoberseite) eingesetzt. For the laser beam welding process of the welding tests for the prototype functionality demonstration, a laser beam power of 4 kW, a feed speed of 1 m / min and a focus position of the laser beam on the upper side of the sheet (workpiece top side) were used.

Beispiel 7Example 7

6 zeigt als Referenz exemplarische Prozessbeobachtungsaufnahmen eines Schweißprozesses, der ohne Störungen korrekt abläuft. Dargestellt sind Aufnahmen der Prozesszone an der Werkstückunterseite zu verschiedenen Zeitpunkten sowie die zugehörige Schweißnahtwurzel. Mittels des wurzelseitigen Prozessbeobachtungs- und Regelungsmoduls kann eine Durchschweißung deutlich detektiert werden. Bei gleichbleibenden Schweißparametern und Werkstückbedingungen (Schwankungen bzw. Toleranzen der Materialstärke und Werkstückgeometrie, lokale Unterschiede bezüglich der chemischen Werkstoffzusammensetzung) weist die ellipsenförmige Geometrie des Schmelzbads 10 über die Dauer der Schweißprozesses (Position a), Position b) und Position c)) keine Änderungen auf. Demgemäß zeigen die Aufnahmen für die Positionen a), b) und c) übereinstimmende Ausbildungen des Schmelzbades 10. 6 shows as a reference exemplary process observation images of a welding process, which runs correctly without disturbances. Images of the process zone on the underside of the workpiece at different times as well as the associated weld root are shown. By means of the root-side process monitoring and control module, penetration can be clearly detected. If the welding parameters and workpiece conditions remain constant (fluctuations or tolerances of the material thickness and workpiece geometry, local differences in the composition of the chemical material), the elliptical geometry of the molten bath indicates 10 over the duration of the welding process (position a), position b) and position c)) no changes. Accordingly, the images for the positions a), b) and c) show consistent formations of the molten bath 10 ,

Beispiel 8Example 8

7 zeigt demgegenüber wurzelseitige Aufnahmen, die für eine Schweißverbindung mit abnehmender Laserleistung durchgeführt worden sind. Die Laserleistung ist gemäß der oben rechts dargestellten Kurven7 zunächst konstant gehalten und wird dann linear mit einer Rampenform abgesenkt. Während an Position a) die volle Laserleistung wirksam ist, wurde die Position b) eine verringerte und für die Position c) eine noch weiter verringerte Laserleistung angewendet. 7 on the other hand shows root-side recordings, which have been carried out for a welded joint with decreasing laser power. The laser power is according to the curves shown on the top right 7 initially kept constant and then lowered linearly with a ramp shape. While full laser power is effective at position a), position b) has been reduced and laser power has been reduced for position c).

Infolge der abnehmenden Laserstrahlleistung nimmt die Wurzelüberhöhung ab und geht in Wurzelrückfall über. Bei einer weiteren Reduzierung der Strahlleistung wird die zum Durchschweißen notwendige Streckenenergie unterschritten und lediglich eine Einschweißung erzielt, wodurch der untere Bereich der Materialflanken 9 im Wurzelbereich nicht erfasst wird. Die Aufnahmen der Positionen a), b) und c) zeigen eine Abhängigkeit zwischen der Größe der Ausbildung der ellipsenförmigen Schmelzbadgeometrie sowie der Laserstrahlleistung, sodass anhand der Aufnahmen eine Veränderung der Prozessbedingungen festgestellt werden kann. Neben einer abnehmenden Laserstrahlleistung können aber auch eine steigende Vorschubgeschwindigkeit oder eine Zunahme der Materialstärke Streckenenergieänderungen in dieser Form verursachen.As a result of the decreasing laser beam power, the root exaggeration decreases and changes into root recession. In a further reduction of the beam power, the energy required for penetration welding is exceeded and only a weld is achieved, whereby the lower portion of the material flanks 9 is not detected in the root area. The images of the positions a), b) and c) show a dependence between the size of the formation of the ellipse-shaped Schmelzbadgeometrie and the laser beam power, so that a change in the process conditions can be determined from the recordings. In addition to a decreasing laser beam power but also an increasing feed rate or an increase in material thickness can cause line energy changes in this form.

Beispiel 9Example 9

Es wurde ein Schweißversuch durchgeführt, bei dem zu Prozessbeginn eine exakte Positionierung des Schweißstrahls 5 bezüglich des Fügespalts 2 vorliegt. Über eine Verbindungslänge des Fügespalts wird eine zunehmende lineare Depositionierung durchgeführt, sodass zum Verbindungsende der Wurzelbereich der Schweißnaht seitlich neben dem Fügespalt 2 versetzt positioniert ist. A welding test was carried out, in which at the beginning of the process an exact positioning of the welding beam 5 concerning the joint gap 2 is present. Over a connection length of the joining gap, an increasing linear deposition is carried out, so that at the end of the connection, the root area of the weld seam is laterally adjacent to the joint gap 2 is positioned offset.

8 verdeutlicht die zunehmende lineare Abweichung in den Positionen a), b) und c). 8th illustrates the increasing linear deviation in positions a), b) and c).

Aufgrund der zu großen Depositionierung werden zum Schweißnahtende hin die im Stoß positionierten Werkstückkanten der fixierten Fügepartner nicht mehr erfasst, sodass eine mangelnde Anbindung mit Flankenbindefehlern resultiert bzw. keine Anbindung vorliegt. Die Prozessbeobachtungsaufnahmen a, b und c zeigen eine Streckung der ellipsenförmigen Geometrie des Schmelzbades 10, wenn der Fügespalt 2 nicht mehr erfasst wird, sodass anhand der Aufnahmen eine Veränderung der Prozessbedingungen festgestellt werden kann. Die Streckung des ellipsenförmigen Schmelzbades nimmt mit zunehmender Depositionierung zu. Die laterale Abweichung ist deutlich zu erfassen. Due to the excessive deposition, the workpiece edges of the fixed joining partners positioned in the joint are no longer detected at the weld seam end, resulting in a lack of connection with flank bond defects or no connection. The process observation images a, b and c show an extension of the elliptical geometry of the molten bath 10 when the joint gap 2 is no longer detected so that a change in the process conditions can be determined on the basis of the recordings. The elongation of the elliptical melt pool increases with increasing deposition. The lateral deviation is clearly visible.

Die durchgeführten Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung, ohne dass eine Einschränkung auf die durchgeführten Beispiele beabsichtigt ist. Die Erfindung kann für unterschiedliche metallische Werkstoffe, beispielsweise weitere Stahlwerkstoffe, Aluminium- oder Kupferlegierungen verwendet werden. Sie ist für unterschiedliche Materialstärken (vom Dünn- zum Dickblechbereich) verwendbar. Die Beschreibung für ebene Werkstückgeometrien schließt ebenso die Verwendung von gebogenen flächigen Geometrien, beispielsweise für Rohre, ein. In diesem Fall können die Werkstückbearbeitung mit der Schweißvorrichtung von der Rohraußenseite und die Prozessbeobachtung von der Rohrinnenseite aus erfolgen, um beispielsweise die Qualität einer Rohrlängsnaht sicher zu stellen. Selbstverständlich können auch andere Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Ebenso ist die Erfindung für Elektronenstrahlschweißverfahren verwendbar. The examples carried out serve to illustrate the invention without any intention to limit it to the examples carried out. The invention may be for different metallic materials, for example other steel materials, aluminum or copper alloys are used. It can be used for different material thicknesses (from thin to thick sheet metal). The description for planar workpiece geometries also includes the use of curved sheet geometries, for example for pipes. In this case, the workpiece processing with the welding device from the outside of the tube and the process observation from the inside of the tube can be made, for example, to ensure the quality of a tube longitudinal seam. Of course, other laser beam sources with different wavelengths can be used. Likewise, the invention is applicable to electron beam welding processes.

Die Strahlschweißverfahren können dabei auch mit anderen Schweißverfahren kombiniert werden (Hybrid-Schweißen), insbesondere um ggf. Zusatzwerkstoffe in die Schweißnaht einzubringen. In this case, the beam welding methods can also be combined with other welding methods (hybrid welding), in particular in order to possibly introduce additional materials into the weld seam.

Die Auswertung der Größe und Ausprägung des Schmelzbades 10 ermöglicht eine Prozessbeobachtung, die weitgehend unabhängig von eingesetzten Materialstärken und Werkstoffen ist. Infolge eines höheren aufgeschmolzenen Werkstoffvolumens weisen die Schweißnahtwurzeln dickerer Werkstücke größere Dimensionen auf, ohne jedoch ihre geometrische Grundform zu verändern. The evaluation of the size and characteristics of the molten bath 10 enables process monitoring that is largely independent of the material thicknesses and materials used. Due to a higher molten volume of material, the weld roots of thicker workpieces have larger dimensions, but without changing their basic geometric shape.

Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, auch Werkstückteile unterschiedlicher Materialien zu einem Werkstück 1 zu verbinden, sofern die Materialien für eine Schweißverbindung verträglich sind. Furthermore, it is possible according to the invention, also workpiece parts of different materials to a workpiece 1 if the materials are compatible for a welded joint.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19716293 C2 [0005]
EP 2322312 A1 [0006, 0006]
US 6084205 [0006]

Claims

Method for producing a welded connection between material flanks ( 9 ) in a joint gap ( 2 ) of a metallic workpiece ( 1 ) using a welding jet generator with which a welding beam ( 4 ) from a first side of the metallic workpiece ( 1 ) on the joint gap ( 2 ) is directed to a complete weld connection of the material flanks ( 9 ) over the entire depth of the joint gap ( 2 ) and an optical detection device ( 5 ), with a surface remote from the welding beam generator surface of the workpiece ( 1 ) from a second side of the workpiece ( 1 ) to optically form a molten bath ( 10 ) and evaluated with an evaluation stage, characterized in that with the optical detection device ( 5 ) and the evaluation stage at the same time the location of the molten bath ( 10 ) and the position of the joint gap ( 2 ) and the relative position to each other as a parameter for the readjustment of the positioning of the welding beam ( 4 ) relative to the joint gap ( 2 ) provided.

A method according to claim 1, characterized in that for the optical imaging a separate illumination ( 7 ) on the molten bath and the not yet processed joint gap ( 2 ).

Method according to claim 1, characterized in that with the optical detection device ( 5 ) and the evaluation stage further a change in the ratio of the lengths of mutually perpendicular half-axes of the molten bath ( 10 ) and as a parameter for the readjustment of the position of the welding beam ( 4 ) relative to the joint gap ( 2 ) is used.

A method according to claim 2 or 3, characterized in that the illumination is carried out with a P-polarized radiation.

A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the entire arrangement of a camera and lighting (as a single module with a single housing 11 ) is formed, which on the side facing away from the welding beam generator side of the workpiece ( 1 ) is arranged.

A method according to claim 5, characterized in that the optical scanning through at least one viewing window ( 12 ) of the housing ( 11 ), which is at Brewster angle to the passing through the scanning ( 6 ) is aligned.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the optical scanning device ( 5 ) a lens ( 15 ) whose optical axis inclined to the image plane of the scanning device ( 5 ) is arranged.

A method according to claim 7, characterized in that the lens is used in a Scheimpflug arrangement (tilt optics).

A method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the position of the molten bath ( 10 ) by determining a longitudinal axis (main axis HA).

Process observation device for carrying out the method according to one of claims 1 to 9 for arrangement on a second side of a flat workpiece ( 1 ), which on its first side by means of a welding beam directed to a joint gap ( 4 ), characterized by an optical detection device ( 5 ) for simultaneously detecting the position of a molten bath occurring during welding ( 10 ) as well as the joining gap ( 2 ) and an evaluation stage for determining the position of the molten bath ( 10 ) relative to the joint gap ( 2 ).

Process observation device according to claim 8, characterized by a lighting device ( 7 ) for illuminating the second side of the workpiece ( 1 ) in the area of the welding beam ( 4 ) and a section of the still unprocessed joining gap ( 2 ).

Process observation device according to claim 10 or 11, characterized in that the evaluation stage is further adapted to determine the ratio of the lengths of the semiaxes of the molten bath ( 10 ) is set up.

Process observation device according to claim 11 or 12, characterized by a polarization filter for generating a P-polarized light of the illumination device ( 7 ).

Process observation device according to one of claims 10 to 13, characterized in that the entire arrangement of scanning device ( 5 ) and lighting as a single module in a single housing ( 11 ) is trained.

Process observation device according to claim 14, characterized in that in the housing ( 11 ) at least one viewing window ( 12 ) which is Brewster's angle to an optical axis formed in the scanning device for a scanning beam ( 6 ) is aligned.

Process observation device according to one of claims 10 to 15, characterized in that the scanning device ( 5 ) a lens ( 15 ) whose optical axis is inclined to the image plane of the scanning device ( 5 ) is arranged.

Process observation device according to claim 16, characterized in that the lens has a Scheimpfluganordnung (tilt optics).