DE102016005592B4

DE102016005592B4 - Verfahren zum Laserstrahlfügen und Vorrichtung mit einer Laserstrahlenquelle zum Laserstrahlfügen

Info

Publication number: DE102016005592B4
Application number: DE102016005592.8A
Authority: DE
Inventors: Jan-Philipp Weberpals; Tobias Kaiser; Thomas Grünberger; Friedrich Gröstlinger
Original assignee: Plasmo Ind GmbH; Audi AG; Plasmo Industrietechnik GmbH
Current assignee: Nlight Inc Camas Us; Audi AG
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2016-05-03
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-05-04
Also published as: AT517184B1; AT517184A1; DE102016005592A1

Abstract

Verfahren zum Laserstrahlfügen von zwei aneinander anliegenden Materialteilen (1, 2), wobei zwischen den zu fügenden Materialteilen (1, 2) im Fügebereich (F) eine Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) ausgebildet wird, und wobei im Zuge eines Schweißvorgangs in den Fügebereich (F) mit einer Laserbearbeitungsoptik (3) ein für das Fügen eingesetzte Laserbearbeitungsstrahl eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet,- dass ein von dem im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O) oder der Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) auf einen im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O') des anderen Materialteils (1) und der von dem im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O') des anderen Materialteils (1) auf den im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O) des einen Materialteils (2) und jeweils von dort in den Bereich einer Laserbearbeitungsoptik (3) zurück reflektierte Strahlungsanteil (7) des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird, und- dass eine Intensität der jeweils reflektierten Strahlungsanteile (7) als einen Übergang von dem einen Materialteil (2) zum anderen Materialteil (1) und damit eine Lage der Schweißnahtkante oder der zu führenden Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) bestimmend angesehen und zur Positionierung und Führung des Laserbearbeitungsstrahles mittels der Laserbearbeitungsoptik (3) herangezogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlfügen, insbesondere Laserstrahlschweißen oder Laserstrahllöten, von zwei aneinander anliegenden, insbesondere übereinander liegenden, Materialteilen, vorzugsweise zur Ausbildung von Überlapp- oder Bördelstößen zwischen den beiden, vorzugsweise von Platten gebildeten, Materialteilen, wobei zwischen den zu fügenden Materialteilen im Fügebereich, insbesondere längs der Stoß- bzw. Beschnittkante oder der Bördelkanten, eine Kehl- oder Bördelschweißnaht ausgebildet wird, und wobei im Zuge eines Schweißvorgangs in den Fügebereich, insbesondere auf den Bereich der Stoß- bzw. Beschnittkante oder der Bördelkante des einen Materialteils, mit einer Laserbearbeitungsoptik ein für das Fügen eingesetzte Laserbearbeitungsstrahl eingestrahlt wird.
Laserstrahlschweißen von Aluminium- aber auch Stahlteilen durch Kehlnahtverbindungen in einem Überlappstoß ist mit taktil geführten Prozessoptiken realisierbar. Dabei wird durch den in die Wechselwirkungszone von Laserstrahl und Material zugeführten Zusatzdrahtwerkstoff neben der Legierungsbeeinflussung auch die örtliche Positionierung des Laserstrahls bezüglich der beschnittenen Bauteilkante sichergestellt. Der durch Pass- und Beschnitt-Toleranzen behaftete Soll-Schweißnahtverlauf kann durch die taktile Prozessführung detektiert und der Laserstrahl darauf angepasst werden.
Durch die Zuführung des Zusatzdrahtwerkstoffs in die Wechselwirkungszone zur Sicherstellung der taktilen Prozessführung wird ein direkter mechanischer Kontakt zwischen Bauteiloberfläche und Bearbeitungskopf unumgänglich. Dadurch wird zwangsläufig die Störkontur zwischen Bearbeitungskopf und Bauteil vergrößert, was ein aufwendiges und zeitintensives Umfahren von Spannstellen erforderlich macht und somit die Prozesszeit durch entstehende Prozessnebenzeiten erhöht. Überdies können durch die Einflüsse bei der Drahtzufuhr, wie beispielsweise Gleichlaufschwankungen bei der Fördergeschwindigkeit, Verdrillen aufgrund der Lagerung und dadurch resultierender Fehlpositionierung sowie herstellungsbedingte Oberflächenverschmutzungen, Prozessinstabilitäten hervorgerufen werden. Können diese prozessbeeinflussenden Größen nicht vollständig sichergestellt bzw. ausgeschaltet werden, lässt sich der taktil geführte Fügeprozess nicht prozesssicher darstellen.
Kamerabasierte Positionierungssysteme gemäß der DE 102011016519 A1 vergleichen Sollauftreffstellen mit der Istposition und berechnen die notwendige Verstellung des Bearbeitungsstrahls. Hierbei werden die Istposition z.B. durch Verwendung verringerter Laserleistung und die Sollposition durch Verwendung einer geeigneten Beleuchtung aus dem Kamerabild berechnet. Entsprechende Erweiterungen hinsichtlich Verwendung unterschiedlicher Beleuchtungen wie in DE 102009050784 A1 dargestellt, sind möglich.
In der US 005280171 A wird eine Kantendetektion mittels eines eigenen Beleuchtungsstrahls und der Verwendung zweier Photodioden beschrieben. In der WO 2013/181598 A1 findet sich ein Ansatz zur Vermessung der Reflexion eines Beleuchtungslasers zur Objektfindung.
Die DE 10 2013 219 220 A1 offenbart ein Verfahren, bei dem der Arbeitsbereich des Laserstrahls auf dem Werkstück mit Beleuchtungsstrahlung beleuchtet wird und von mindestens einer ersten Bilderfassungseinrichtung erfasst wird. Die erfassten Bilddaten werden automatischen ausgewertet und anhand der Auswertung wird gegebenenfalls eine automatische Korrektur der Bahn des Laserstrahls vorgenommen. Die Auswertung der Bilddaten erfolgt z. B. unter Berücksichtigung der Beleuchtungsdaten und/oder der Leistungsdaten des Bearbeitungslasers unter Verwendung eines Bildverarbeitungsalgorithmus. Eine Auswertung erfolgt z. B. hinsichtlich der Lage der Kehle und hinsichtlich der tatsächlichen Position des Bearbeitungslaserstrahls. Entsprechend den Ergebnissen der Auswertung wird die Bahn des Laserstrahls zur Bearbeitung angepasst, um dem Sollverlauf möglichst zu entsprechen. Ferner offenbart die DE 10 2013 219 220 A1 eine zugehörige Vorrichtung.
Ziel der Erfindung ist die Erstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung, mit der die Lage der zu führenden Schweißnaht rasch, einfach und exakt ermittelt und der Laserbearbeitungsstrahl genau gesteuert werden kann.
Erfindungsgemäß ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art vorgesehen, dass ein von dem im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht nahen Oberflächenbereich oder der Front- oder Beschnittfläche des einen Materialteils auf einen im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht nahen Oberflächenbereich des anderen Materialteils und der von dem im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht nahen Oberflächenbereich des anderen Materialteils auf den im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht nahen Oberflächenbereich des einen Materialteils und jeweils von dort in den Bereich einer Laserbearbeitungsoptik zurück reflektierte Strahlungsanteil des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird, und dass eine Intensität der jeweils reflektierten Strahlungsanteile als einen Übergang von dem einen Materialteil zum anderen Materialteil und damit eine Lage der Schweißnahtkante oder der zu führenden Kehl- oder Bördelschweißnaht bestimmend angesehen und zur Positionierung und Führung des Laserbearbeitungsstrahles mittels der Laserbearbeitungsoptik herangezogen wird.
Erfindungsgemäß wird in Abhängigkeit der Stoßgeometrie, z.B. eines Überlapp- bzw. Bördelstoßes und der Schweißnahtgeometrie (z.B. der Kehlnaht), über die kontinuierliche Auswertung der laserstrahlbasierten Prozessemissionen ein der Intensität entsprechendes Sensorsignal für das exakte Positionieren des Laserstrahls erhalten und ausgewertet.
Bei übereinanderliegenden Materialteilen ist es von Vorteil, wenn der von der Front- oder Beschnittfläche des einen Materialteils auf die Oberfläche des anderen Materialteils und der von der Oberfläche des anderen Materialteils auf die Front- oder Beschnittfläche des einen Materialteils und jeweils von dort in den Bereich der Laserbearbeitungsoptik zurück reflektierte Strahlungsanteil des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird.
Bei nebeneinanderliegenden Materialteilen mit Bördelkanten ist es von Vorteil, wenn der von dem gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante des einen Materialteils auf den gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante des anderen Materialteils und der von dem gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante des anderen Materialteils auf den gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante des einen Materialteils und jeweils von dort in den Bereich der Laserbearbeitungsoptik zurück reflektierte Strahlungsanteil des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird.
Insbesondere bei einer Kehlnahtgeometrie an einem Überlappstoß wird in Abhängigkeit der Laserstrahlposition bezüglich der Front- oder Beschnittfläche des obenliegenden einen Materialteils die Prozessemission oder der kapillarbedingte Emissionskegel entsprechend des Reflexionsgesetzes (Einfallswinkel entspricht dem Ausfallswinkel) an den jeweiligen Oberflächen reflektiert. Während die Strahlungsanteile, die in einem zu großen Abstand zur Beschnittkante oder zum Fügebereich auftreffen in den Raum reflektiert werden, werden sie in unmittelbarer Nähe zur Beschnittkante oder Kehlnaht, das heißt im Fügebereich, wieder in Richtung auf die vorgesehene Empfangs- oder Detektionseinheit oder in Richtung der Laserstrahlenquelle zurückgeworfen. Anhand der diskreten Auswertung dieser Prozessemissionen kann anhand des Verlaufes der Signalintensitäten die Position der Beschnittkante lokalisiert und während des Prozessfortschritts oder Schweißvorgangs.laufend verfolgt werden. Bei einem Bördelstoß erfolgt die Reflexion des Laserlichts im Bereich der Außenkantenflächen oder an den einander gegenüberliegenden, gerundeten Kantenbereichen des jeweiligen Biegebereichs in vergleichbarer Weise wie bei einem Überlappungsstoß.
Die Anordnung der Sensoren kann hierbei koaxial zum Laserbearbeitungsstrahl oder seitlich der Laserbearbeitungsoptik erfolgen. Um einen größeren Arbeitsbereich abzudecken und auch nichtlineare Konturen bearbeiten zu können, können auch mehrere, insbesondere bezüglich der Laserbearbeitungsoptik seitlich gelegene, Detektoren verwendet werden.
Die Verwendung von diodenbasierten Sensoren ermöglicht den Aufbau von Bearbeitungssystemen mit geringer Störkontur und geringem Gewicht. Werden die Prozessemissionen darüber hinaus mittels Lichtleitfasern an die Auswerteeinheit herangeführt, so ist keine Elektronik am Bearbeitungskopf notwendig.
Weiters sind keine zusätzlichen Referenzmarkierungen oder Zusatzbeleuchtungen notwendig.
Um den Laserbearbeitungsstrahl zu verschwenken oder zu verstellen und auf die gewünschte Stelle richten zu können, kann eine Scannereinrichtung, z.B. ein oder mehrere Schwingspiegel, eingesetzt werden.
Für die Qualität der Detektion des reflektierten Laserlichts ist es von Vorteil, wenn die Front- oder Beschnittfläche des einen Materialteils in einem Winkel von 90° ± 10°, vorzugsweise ± 5°, insbesondere senkrecht, zur Oberfläche des überstehenden Materialteils verlaufend ausgerichtet oder ausgebildet wird und/oder wenn das vom Fügebereich in den Bereich des oder zum Ausgangspunkt des für das Fügen eingesetzten Laserlichtstrahls rückgestrahlte Laserlicht dort detektiert wird.
Eine einfache Führung für die Laserlichtquelle ergibt sich, wenn zur Detektion des Übergangs von dem einen Materialteil zum anderen Materialteil der Intensitätsverlauf des reflektierten Laserstrahlungsanteils der Laserlichtquelle oder das ausgesandte Laserlicht längs einer den Verlauf der Beschnittkante oder Bördelkante oder der Front- oder Beschnittfläche des einen Materialteils oder den Verlauf des Fügebereichs schneidenden Richtung, vorzugsweise mit einem Schnittwinkel von 70 bis 110°, insbesondere 85 bis 95°, aufgestrahlt wird.
Eine exakte Detektion wird erreicht, wenn das Maximum oder die beiden Maxima der Intensität der reflektierten Strahlungsanteils in der quer oder unter schrägem Winkel zum Fügebereich verlaufenden Richtung ermittelt wird oder werden, und die Lage des Kehlgrundes oder der Beschnittkante als durch das detektierte Maximum oder als durch das die zwischen den beiden Maxima liegende Minimum bestimmt angesehen wird.
Eine einfache Verfahrensführung ergibt sich, wenn längs einer die auszubildende Kehl- oder Bördelschweißnaht oder die Front- oder Beschnittfläche oder den Fügebereich oder die Bördelkanten schneidenden Richtung Laserlicht mit einer gegenüber dem zum Schweißen eingesetzten Laserlicht reduzierter Intensität eingestrahlt wird und das Minimum der detektierten Intensität als Lage des Fügebereichs oder Position der auszubildenden Kehl- oder Bördelschweißnaht oder der Beschnittkanten oder Bördelkante angesehen wird.
Die Erfindung betrifft des Weiteren auch eine Vorrichtung mit einer Laserstrahlenquelle zum Laserstrahlfügen, insbesondere Laserstrahlschweißen oder Laserstrahllöten, von zwei aneinander anliegenden, insbesondere übereinander liegenden, Materialteilen, wobei im Bereich des Übergangs und/oder der Beschnittkante oder Bördelkanten der Materialbereiche im Fügebereich zwischen den miteinander zu fügenden Materialteilen eine Kehl- oder Bördelschweißnaht ausgebildet wird, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit aufweist, mit der der Laserbearbeitungsstrahl über die Laserbearbeitungsoptik positions- und richtungssteuerbar und lagemäßig, insbesondere in allen drei Dimensionen, verstellbar oder in alle Raumrichtungen verschwenkbar ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Erfindungsgemäß ist eine derartige Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Empfangseinheit für aus dem Fügebereich der zu fügenden Materialteile reflektiertes Laserlicht vorgesehen ist, dass die Empfangseinheit an die Steuereinheit angeschlossen ist und eine Auswerteeinheit zur Feststellung eines Maximums oder eines zwischen zwei Maxima liegenden Minimums in der Intensität des reflektierten, aufgenommenen Laserlichts aufweist, und dass in Abhängigkeit von den festgestellten Maxima oder von dem Minimums die Laserlichtquelle von der Steuereinheit zur Ausbildung oder Positionierung einer auszubildenden Schweißnaht positionierbar oder verschwenkbar ist.
Ein einfacher und betriebssicherer Aufbau der Vorrichtung sieht vor, dass die auf den Fügebereich gerichtete Empfangseinheit mit der Laserbearbeitungsoptik bewegungsmäßig gekoppelt oder fix mitbewegbar, vorzugsweise mit dieser verstellbar und/oder verschwenkbar, angeordnet oder an dieser befestigt ist und/oder dass die Empfangseinheit in einer die auszubildende Kehl- oder Bördelschweißnaht oder den vorgegebenen Fügebereich schneidenden Richtung verstellbar oder verschwenkbar gelagert ist und/oder dass der Aufnahmebereich der Empfangseinheit für das reflektierte Laserlicht in die Richtung ausgerichtet ist, in der die Laserstrahlenquelle das zum Fügen eingesetzte Laserlicht ausstrahlt.
Die Genauigkeit der Detektion kann erhöht werden, wenn eine weitere Detektionseinheit vorgesehen ist, die längs einer den Verlauf des Fügebereichs schneidenden Richtung auf den Fügebereich eingestrahltes und reflektiertes Laserlicht detektiert und an die Auswerteeinheit angeschlossen ist, und wenn die Auswerteeinheit die Laserlichtstrahlenquelle in Abhängigkeit von einem von dieser weiteren Detektionseinheit festgestellten Minimum verstellt, wobei die Lage des Minimums als der Lage des Fügebereichs und/oder der auszubildenden Kehl- oder Bördelschweißnaht entsprechend angesehen wird.
Der Aufbau der Vorrichtung wird verbessert, wenn eine Steuerungseinheit zur Verringerung der Intensität des zum Fügen eingesetzten Laserlichts vorgesehen ist, die das Laserlicht der zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsoptik zur Detektion des Minimums dämpft.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.
1 zeigt schematisch im Querschnitt das Ausbilden einer Kehlnaht mit einem Laserbearbeitungsstrahl. 2 zeigt einen Detailschnitt durch übereinanderliegende, zu fügende Materialteile. 2a zeigt einen Schnitt durch einen zu verschweißenden Bördelstoß zweier Materialteile. 3 zeigt eine schematische Draufsicht auf die zu fügenden Materialteile. 4 zeigt den Intensitätsverlauf des vom Fügebereich reflektierten Laserlichts. 5 zeigt schematisch das Abtasten des Fügebereichs. 6 zeigt schematisch eine weitere Detektionsmöglichkeit des Fügebereichs. 7 zeigt das Abtasten des Fügebereichs mit einer weiteren Detektionseinheit und 8 den aufgenommenen Intensitätsverlauf des zur weiteren Detektion eingesetzten Laserlichts. 9 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient vor allem zum Laserstrahlfügen wie z.B. dem Laserstrahlschweißen bzw. dem Laserstrahllöten von zwei aneinander angelegten, nebeneinander oder übereinander liegenden Materialteilen 1, 2, wobei der eine Materialteil 2 gegenüber dem anderen Materialteil 1 rückspringend zu diesem oder seitlich neben diesem angeordnet ist. Längs der Füge- bzw. Anlagekante bzw. der innenliegenden, unteren Kante 20 der Frontfläche 4 des obenliegenden Materialteils 2 wird eine Kehlschweißnaht K im Fügebereich F ausgebildet. Wie in 1 und 2 dargestellt, wird eine Kehlschweißnaht K ausgebildet, mit der die Materialteile 1 und 2 miteinander verbunden werden. Zum Verschweißen bzw. Verlöten wird von einer Laserbearbeitungsoptik 3 in den Fügebereich F zwischen den beiden Materialteilen 1, 2, insbesondere in den Bereich der Kante 20 bzw. auf den Oberflächenbereich O, Laserlicht 6 zur Ausbildung der Kehlschweißnaht K eingestrahlt und der Fügebereich F wird in der Richtung R, insbesondere in einer nicht parallel zur Kante 20 verlaufenden, beliebigen Richtung) gescannt bzw. abgetastet. Gegebenenfalls wird in dem Eckbereich, in dem die Kehlschweißnaht K ausgebildet werden soll, zusätzlich Schweißdraht eingebracht, der zur Ausbildung der Kehlschweißnaht K geschmolzen bzw. mit der Front- bzw. Beschnittfläche 4 des einen Materialteils 2 und mit der Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 verschweißt wird.
Als Fügebereich F wird hier der Bereich bzw. Oberflächenbereich O verstanden, der durch die Höhe bzw. die Dicke d des Materialteils 2 bzw. die Front- bzw. Beschnittfläche 4 des Materialteils 2 und auf dem anderen Materialteil 1 durch den Bereich der Oberfläche 4' bzw. den Oberflächenbereich O' vorgegeben ist, der sich bis zu einem Abstand von der Kehlschweißnaht K weg erstreckt, der der Dicke d des einen Materialteils 2 entspricht. Dieser Fügebereich F wird mit Laserlicht von der Laserbearbeitungsoptik 3 abgetastet bzw. gescannt. Dabei wird das eingestrahlte Laserlicht 6 von der Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 auf die Front- bzw. Beschnittfläche 4 des einen Materialteils 2 reflektiert und von dieser Front- bzw. Beschnittfläche 4 zurück zur Laserbearbeitungsoptik 3 reflektiert. Gleiches gilt natürlich umgekehrt. Laserlicht, das auf die Front- bzw. Beschnittfläche 4 trifft, wird über die Oberfläche 4' zur Laserbearbeitungsoptik 3 reflektiert. Diese Reflexion ist mit der Reflexion eines Lichtstrahls in einem Retroreflektor vergleichbar. Diese Reflexion des eingestrahlten Laserlichts 6 kann nur für Laserlicht erfolgen, das in den Fügebereich F eingestrahlt wird, da eine doppelte Reflexion des eingestrahlten Laserlichts erfolgen muss, um als zum eingestrahlten Laserlicht 6 parallel verlaufender Strahlungsanteil 7 zur Laserbearbeitungsoptik 3 zurückzugelangen.
Bei der Ausbildung einer Bördelstoßschweißnaht 20', wie in 2a dargestellt, wird Laserlicht z.B. in Richtung des Pfeils 7 auf den Kantenbereich 30 bzw. die an diesen angrenzende Spaltfläche des einen Materialsteils 1 eingestrahlt und von diesem bzw. dieser auf den Kantenbereich 30' bzw. den entsprechenden Flächenbereich des anderen Materialteils 2 und von dort in die Empfangseinheit 16 gemäß Pfeil 6 reflektiert. Der Fügebereich F, der mit einer Schweißnaht K gefüllt wird, ist in diesem Fall der dreieckförmige Spaltbereich zwischen den einander gegenüberliegenden Eckkantenbereichen der Materialteile 1, 2. Die Detektion des Laserlichts erfolgt vergleichbar mit der Vorgangsweise, wie sie in Zusammenhang mit 2 beschrieben ist. Die Oberflächenbereiche O, O' werden hier von den gekrümmten Außenflächen der Bördelkanten 30, 30' dargestellt.
Es ist nun möglich, die beiden jeweils reflektierten Strahlungsanteile 7 als Lage des Fügebereichs F bzw. als Ort für die zu führenden Kehlschweißnaht K bestimmend anzusehen und auszuwerten.
Sofern man die Laserstrahlen in einer Richtung R bzw. in einer nicht parallel zur Kante 20 verlaufenden, beliebigen Richtung verschwenkt, wie diese in 3 dargestellt ist, so wandert das eingestrahlte Laserlicht 6 von der Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 über den Fügebereich F zur Oberfläche 5 des einen Materialteils 2, wobei der in 4 dargestellte Intensitätsverlauf für die beiden reflektierten Strahlungsanteile 7 erhalten wird. Sofern die Detektion nicht ausreichend exakt erfolgt bzw. weniger hohe Ansprüche an die Genauigkeit gestellt werden, erhält man ein Maximum M, dessen Mittenbereich dem Übergangsbereich bzw. dem Eckbereich 20 des Übergangs von der Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 zur Frontfläche 4 des einen Materialteils 2 entspricht.
Tatsächlich ergibt sich jedoch bei einer exakten Messung ein Maximum M, sobald das eingestrahlte Laserlicht 6 knapp vor der Kante 20 bzw. der Position der auszubildenden Kehlschweißnaht K auf die Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 auftrifft. Bei einem Auftreffen im Kantenbereich wird eine Reflexion nahezu völlig unterbunden bzw. findet diese nicht statt. Trifft das eingestrahlte Laserlicht 6 beim Weiterscannen auf die Front- bzw. Beschnittfläche 4, so erfolgt von dieser Front- bzw. Beschnittfläche 4 wiederum eine maximale Reflexion auf die Oberfläche 4' des anderen Materialteils 1 und von dieser zurück zur Laserbearbeitungsoptik 3, sodass durch das zwischen den beiden Maxima M₁ und M₂ liegende Minimum Mi die Lage der Kehlschweißnaht K bzw. der Kante 20 der Beschnittfläche 4 eindeutig definiert werden kann. Durch fortdauerndes Scannen und Detektieren des Minimums Mi kann die Laserbearbeitungsoptik 3 bzw. das zum Fügen eingesetzte Laserlicht längs der Kante 20 zur Ausbildung der Kehlschweißnaht K in Richtung des Pfeils 21, wie er in 5 dargestellt ist, verschoben bzw. bewegt werden.
Es ist zweckmäßig, das Maximum M oder die beiden Maxima M₁ , M₂ der reflektierten Laserstrahlung 7 in der quer zum Fügebereich verlaufenden Richtung R (bzw. in einer nicht parallel zur Kante beliebigen schrägen Richtung) zu ermitteln, und die Lage des Kehlgrundes als durch das detektierte Maximum M oder als durch das die zwischen den beiden Maxima M₁ , M₂ liegende Minimum Mi bestimmt anzusehen.
Es kann auch vorgesehen werden, lediglich die Lage eines Maximums M₁ , M₂ zur Steuerung der Laserbearbeitungsoptik 3 heranzuziehen.
Die Detektion des reflektierten Laserstrahlenlichtanteils 7 erfolgt somit bei einer Bewegung bzw. Verschwenkung der Strahlenquelle 3 in einer beliebigen, nicht parallel zur Kante verlaufenden Richtung R, die die auszubildende Kehlschweißnaht K bzw. den Fügebereich F schneidet, wobei zweckmäßigerweise vorgesehen ist, dass zur Detektion des Übergangs von dem einen Materialteil zum anderen Materialteil der Intensitätsverlauf des reflektierten Laserstrahlungsanteils die Laserlichtquelle bzw. das ausgesandte Laserlicht längs einer den Verlauf der Front- bzw. Beschnittfläche des einen Materialteils bzw. den Verlauf des Fügebereichs schneidenden Richtung, vorzugsweise mit einem Schnittwinkel von 70 bis 110°, insbesondere 85 bis 95°, aufgestrahlt wird. Für die Detektion des reflektierten Lichts ist es vorteilhaft, wenn die Frontfläche 4 in einem Winkel von 90° ± 10°, vorzugsweise ± 5°, insbesondere senkrecht, zur Oberfläche des überstehenden Materialteils 1 verläuft bzw. ausgerichtet ist.
Die Detektion des vom Fügebereich F reflektierten Strahlungsanteils 7 erfolgt vorteilhaft im Bereich des Ausgangspunkts 8 des für die Detektion eingesetzten Laserlichtstrahls 6.
1 erläutert die Vorgangsweise bzw. den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Laserstrahlschweißen bzw. Laserstrahllöten von mindestens zwei Fügepartnern bzw. Materialteilen 1, 2 mittels einer kontinuierlichen Auswertung der laserstrahlbasierten Prozessemissionen zur Nahtführung. In Abhängigkeit der Laserstrahlpositionierung bezüglich der Front- bzw. Beschnittkante 4 des obenliegenden Fügepartners bzw. Materialteils 2 werden die laserstrahlbasierten Prozessemissionen bzw. der kapillarbedingte Emissionskegel reflektiert.
Der Sensor bzw. die Empfangseinheit 16 mit seiner bzw. ihrer Auswerteorientierung kann koaxial zur Prozesslaserstrahlung oder auch außerhalb der optischen Achse des Laserstrahlenbündels - wie mit 16' angedeutet - angeordnet sein. Die Prozessemission wird in einem unmittelbaren Umfeld zur Beschnittkante K bzw. im Fügebereich F direkt in Richtung der Empfangseinheit 16 einer der Laserbearbeitungsoptik 3 nahe liegenden und somit zu den Auswertesensoren reflektiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann, wie in 6, 7 und 8 dargestellt, zusätzlich noch vorgesehen sein, dass längs einer den Verlauf der projektierten Kehlschweißnaht K bzw. die Kante 20 der Front- bzw. Beschnittsfläche 4 schneidenden Richtung R', insbesondere in einer nicht parallel zur Kante verlaufenden, beliebigen Richtung, Laserlicht, insbesondere mit einer gegenüber dem zum Fügen eingesetzten Laserlicht reduzierter Intensität, eingestrahlt wird und das Minimum Mi der detektierten Intensität als Lage des Fügebereichs F bzw. Position der Kante 20 bzw. der auszubildenden Kehlschweißnaht K angesehen wird. Damit kann der Verlauf des Fügebereichs zusätzlich überprüft oder vorab detektiert oder überwacht werden und eine Positionierungssteuerung des Laserbearbeitungsstrahles erfolgen.
Eine Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung ist schematisch in 9 dargestellt. Es ist zumindest eine Empfangseinheit 16 für aus dem Fügebereich der zu fügenden Materialteile reflektiertes Laserlicht 7 vorgesehen. Die Empfangseinheit 16 ist an die Steuereinheit 15 angeschlossen und weist eine Auswerteeinheit 14 zur Feststellung eines Maximums M und/oder eines zwischen zwei Maxima M₁ , M₂ liegenden Minimums Mi in der Intensität des reflektierten, aufgenommenen Laserlichts 7 auf. In Abhängigkeit von den festgestellten Maxima M₁ , M₂ und/oder des Minimums Mi wird der Laserbearbeitungsstrahl über die Laserbearbeitungsoptik 3 von der Steuereinheit 15 zur Ausbildung oder Positionierung einer auszubildenden Schweißnaht K positioniert und/oder verschwenkt.
Bei der Auswertung der Signalverläufe zeigt sich, dass ein Maximum M bzw. jeweils ein Signalmaximum M₁ , M₂ unmittelbar links- bzw. rechtsseitig des Kehlgrunds bzw. der Kante 20 vorhanden ist, während sich für den Kehlgrund bzw. die Kante 20 ein Signalminimum Mi abzeichnet.
Es kann ferner eine weitere Detektionseinheit 13 vorgesehen sein, die längs einer den Verlauf des Fügebereichs F schneidenden Richtung R' (bzw. in einer nicht parallel zur Kante beliebigen Richtung) vom Fügebereich F reflektiertes Laserlicht detektiert, wie in 6, 7 und 8 erläutert ist. Mit einer Auswerteeinheit 14 wird der Verlauf der Intensität des empfangenen Laserlichts bzgl. ihres Minimums Mi ermittelt und die Lage des Minimums Mi als der Lage des Fügebereichs F bzw. der auszubildende Kehlschweißnaht K entsprechend angesehen.
Zur Durchführung dieser zusätzlichen Detektion, so wie diese in 6, 7 und 8 dargestellt ist, ist es zweckmäßig, wenn eine Steuerungsmöglichkeit zur Verringerung der Intensität des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles vorgesehen ist, sodass Laserlicht von der Laserbearbeitungsoptik 3 mit gedämpfter Intensität zur Detektion des Minimums Mi einsetzbar bzw. ausstrahlbar ist.
Diese charakteristische Signatur des Signalverlaufs in Abhängigkeit von der Kantenposition kann für verschiedene laserstrahlbasierte Prozessstrategien herangezogen werden, insbesondere zur Koordinatenberechnung für Schweiß- bzw. Lötnahtpositionierung und zur Realisierung der Schweiß-/Lötnaht.
Die Prozessemissionen sind bei optimaler Positionierung des Laserbearbeitungsstrahls im Kantenbereich am geringsten und daher werden Regelungsstrategien angewendet, welche auf dieses Minimum Mi hinregeln.
Insbesondere zum Finden des Startpunktes des Fügebereichs kann vorzugsweise der gedämpfte Bearbeitungsstrahl quer bzw. unter schrägem Winkel zum Fügebereich F bewegt werden, und es wird das Maximum M bzw. das entsprechende Minimum Mi zwischen den beiden Maxima M₁ und M₂ - Mi des Signalverlaufes bestimmt. In weiterer Folge bzw. während des Schweißvorgangs erfolgt die Regelung auf das oben beschriebene Minimum Mi hin.

Claims

Verfahren zum Laserstrahlfügen von zwei aneinander anliegenden Materialteilen (1, 2), wobei zwischen den zu fügenden Materialteilen (1, 2) im Fügebereich (F) eine Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) ausgebildet wird, und wobei im Zuge eines Schweißvorgangs in den Fügebereich (F) mit einer Laserbearbeitungsoptik (3) ein für das Fügen eingesetzte Laserbearbeitungsstrahl eingestrahlt wird, dadurch gekennzeichnet, - dass ein von dem im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O) oder der Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) auf einen im Fügebereich befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O') des anderen Materialteils (1) und der von dem im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O') des anderen Materialteils (1) auf den im Fügebereich (F) befindlichen oder dem der Schweißnaht (K) nahen Oberflächenbereich (O) des einen Materialteils (2) und jeweils von dort in den Bereich einer Laserbearbeitungsoptik (3) zurück reflektierte Strahlungsanteil (7) des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird, und - dass eine Intensität der jeweils reflektierten Strahlungsanteile (7) als einen Übergang von dem einen Materialteil (2) zum anderen Materialteil (1) und damit eine Lage der Schweißnahtkante oder der zu führenden Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) bestimmend angesehen und zur Positionierung und Führung des Laserbearbeitungsstrahles mittels der Laserbearbeitungsoptik (3) herangezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) auf die Oberfläche (4') des anderen Materialteils (1) und der von der Oberfläche (4') des anderen Materialteils (1) auf die Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) und jeweils von dort in den Bereich der Laserbearbeitungsoptik (3) zurück reflektierte Strahlungsanteil (7) des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante (30) des einen Materialteils (2) auf den gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante (30') des anderen Materialteils (1) und der von dem gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante (30') des anderen Materialteils (1) auf den gekrümmten Außenflächenbereich der Bördelkante (30) des einen Materialteils (2) und jeweils von dort in den Bereich der Laserbearbeitungsoptik (3) zurück reflektierte Strahlungsanteil (7) des zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsstrahles detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) in einem Winkel von 90° ± 10° zur Oberfläche des überstehenden Materialteils (1) verlaufend ausgerichtet oder ausgebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Detektion des Übergangs von dem einen Materialteil (2) zum anderen Materialteil (1) der Intensitätsverlauf des reflektierten Laserstrahlungsanteils (7) der Laserlichtquelle (3) oder das ausgesandte Laserlicht längs einer den Verlauf der Beschnittkante (20) oder Bördelkante (30) oder der Front- oder Beschnittfläche (4) des einen Materialteils (2) oder den Verlauf des Fügebereichs (F) schneidenden Richtung (R) aufgestrahlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Fügebereich (F) in den Bereich des oder zum Ausgangspunkt (8) des für das Fügen eingesetzten Laserlichtstrahls (6) rückgestrahlte Laserlicht dort detektiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Maximum (M) oder die beiden Maxima (M₁, M₂) der Intensität der reflektierten Strahlungsanteils (7) in der quer oder unter schrägem Winkel zum Fügebereich (F) verlaufenden Richtung (R) ermittelt wird oder werden, und die Lage des Kehlgrundes oder der Beschnittkante (20) als durch das detektierte Maximum (M) oder als durch das die zwischen den beiden Maxima (M₁, M₂) liegende Minimum (Mi) bestimmt angesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass längs einer die auszubildende Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) oder die Front- oder Beschnittfläche (4) oder den Fügebereich (F) oder die Bördelkanten (30, 30') schneidenden Richtung (R') Laserlicht mit einer gegenüber dem zum Schweißen eingesetzten Laserlicht reduzierter Intensität eingestrahlt wird und das Minimum (Mi) der detektierten Intensität als Lage des Fügebereichs (F) oder Position der auszubildenden Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) oder der Beschnittkanten (30, 30') oder Bördelkante (20') angesehen wird.
Vorrichtung mit einer Laserstrahlenquelle (3) zum Laserstrahlfügen von zwei aneinander anliegenden Materialteilen (1, 2), wobei im Bereich des Übergangs oder der Beschnittkante (20) oder Bördelkanten (30, 30') der Materialbereiche (1, 2) im Fügebereich (F) zwischen den miteinander zu fügenden Materialteilen (1, 2) eine Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) ausgebildet wird, wobei die Vorrichtung eine Steuereinheit (15) aufweist, mit der der Laserbearbeitungsstrahl über die Laserbearbeitungsoptik (3) positions- und richtungssteuerbar und lagemäßig verstellbar oder in alle Raumrichtungen verschwenkbar ist, dadurch gekennzeichnet, - dass zumindest eine Empfangseinheit (16) für aus dem Fügebereich (F) der zu fügenden Materialteile (1, 2) reflektiertes Laserlicht (7) vorgesehen ist, - dass die Empfangseinheit (16) an die Steuereinheit (15) angeschlossen ist und eine Auswerteeinheit (14) zur Feststellung eines Maximums (M) oder eines zwischen zwei Maxima (M₁, M₂) liegenden Minimums (Mi) in der Intensität des reflektierten, aufgenommenen Laserlichts (7) aufweist, und - dass in Abhängigkeit von den festgestellten Maxima (M, M₁, M₂) oder von dem Minimums (Mi) die Laserlichtquelle (3) von der Steuereinheit (15) zur Ausbildung oder Positionierung einer auszubildenden Schweißnaht (K) positionierbar oder verschwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die auf den Fügebereich (F) gerichtete Empfangseinheit (16) mit der Laserbearbeitungsoptik (3) bewegungsmäßig gekoppelt oder fix mitbewegbar angeordnet oder an dieser befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinheit (16) in einer die auszubildende Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) oder den vorgegebenen Fügebereich (F) schneidenden Richtung (R) verstellbar oder verschwenkbar gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufnahmebereich der Empfangseinheit (16) für das reflektierte Laserlicht (7) in die Richtung ausgerichtet ist, in der die Laserstrahlenquelle (3) das zum Fügen eingesetzte Laserlicht (6) ausstrahlt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, - dass eine weitere Detektionseinheit (13) vorgesehen ist, die längs einer den Verlauf des Fügebereichs (F) schneidenden Richtung (R') auf den Fügebereich (F) eingestrahltes und reflektiertes Laserlicht detektiert und an die Auswerteeinheit (14) angeschlossen ist, und - dass die Auswerteeinheit (14) die Laserlichtstrahlenquelle (3) in Abhängigkeit von einem von dieser weiteren Detektionseinheit (13) festgestellten Minimum (Mi) verstellt, wobei die Lage des Minimums (Mi) als der Lage des Fügebereichs (F) oder der auszubildenden Kehl- oder Bördelschweißnaht (K) entsprechend angesehen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinheit zur Verringerung der Intensität des zum Fügen eingesetzten Laserlichts vorgesehen ist, die das Laserlicht der zum Fügen eingesetzten Laserbearbeitungsoptik (3) zur Detektion des Minimums (Mi) dämpft.