DE102016211782A1 - Method for monitoring a thermal processing of a workpiece and monitoring device - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Analyse einer thermischen Bearbeitung, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, eines Bearbeitungsbereichs (108a) eines Werkstücks (101) mit einem Bearbeitungsstrahl (102a), insbesondere einem Laserstrahl, umfassend die Verfahrensschritte: a) Erfassen einer zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO in einem vorgegebenen Bereich (103a) der Oberfläche des Werkstücks (101), b) Bestimmen eines eine vordefinierte Anzahl n umfassenden Satzes von ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj, vorzugsweise mit j = 1 .. n, aus der zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO mittels einer Funktion f, die die ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO gemäß To(XO) = f(XO; C1, .., Cj, ..., Cn)an vorgebbaren Oberflächenstützpunkten XO in Beziehung setzt zu den ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj, c) Ermitteln einer dreidimensionalen Temperaturverteilung T an Stützpunkten X innerhalb des Werkstücks (101) anhand der Koeffizientenwerte Cj und der Funktion f gemäß T(X) = f(X; C1, .., Cj, ..., Cn), Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Überwachungsvorrichtung (10) zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for monitoring and / or analyzing a thermal processing, in particular by laser beam welding, of a processing area (108a) of a workpiece (101) with a processing beam (102a), in particular a laser beam, comprising the method steps: a) detecting a two-dimensionally spatially resolved Surface temperature distribution TO in a predetermined area (103a) of the surface of the workpiece (101), b) Determining a predefined number n comprising set of location-independent coefficient values Cj, preferably with j = 1 .. n, from the two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution TO by means of a function f, which relates the spatially resolved surface temperature distribution TO according to To (XO) = f (XO; C1, .., Cj,..., Cn) at predefinable surface support points XO to the location-independent coefficient values Cj, c) determining a three-dimensional temperature distribution T at support point X within the workpiece (101) on the basis of the coefficient values Cj and the function f according to T (X) = f (X; C1, .., Cj, ..., Cn), The invention further relates to a monitoring device (10) for carrying out the method.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Analyse einer thermischen Bearbeitung, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, eines Bearbeitungsbereichs eines Werkstücks.The invention relates to a method for monitoring and / or analyzing a thermal processing, in particular by laser beam welding, a processing region of a workpiece.
Bisher wird eine Bearbeitungsqualität eines thermisch, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, bearbeiteten Werkstücks und insbesondere Form und/oder Verlauf einer erzeugten Schweißnaht in der Regel zerstörend geprüft. Hierzu werden Schliffe des Werkstücks, beispielsweise als Querschnitt einer Schweißnaht, angefertigt. Dies kann demnach nur nachgelagert durch eine zeit- und kostenintensive Zerstörung des Werkstücks und auch nur stichprobenartig erfolgen. Insbesondere um die Qualität der thermischen Bearbeitung, beispielsweise im Hinblick auf Nahtformen und/oder Einschweißtiefen, zu untersuchen bzw. um Rückschlüsse auf mögliche Nahtfehler ziehen zu können, ist es besonders wünschenswert, die Qualität der thermischen Bearbeitung möglichst jeden Werkstücks zerstörungsfrei überprüfen zu können.So far, a machining quality of a thermally, in particular by laser beam welding, machined workpiece and in particular form and / or course of a weld produced usually destructive tested. For this purpose, cuts of the workpiece, for example, as a cross section of a weld made. This can therefore be done only by a time-consuming and costly destruction of the workpiece and also only random samples. In particular in order to examine the quality of the thermal processing, for example with regard to seam shapes and / or welding depths or to draw conclusions about possible seam defects, it is particularly desirable to be able to non-destructively check the quality of the thermal processing of each workpiece as possible.
Aus der
Um Einschweißtiefen, Formen von Schweißbädern beziehungsweise von Schweißnähten oder dergleichen ermitteln bzw. überwachen zu können, ist jedoch eine möglichst genaue Kenntnis der dreidimensionalen Temperaturverteilung im Inneren eines Werkstücks während und/oder nach einem Schweißvorgang wünschenswert.However, in order to be able to determine or monitor welding depths, shapes of welding baths or of welds or the like, as accurate a knowledge as possible of the three-dimensional temperature distribution in the interior of a workpiece during and / or after a welding operation is desirable.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung oder Analyse einer thermischen Bearbeitung eines Werkstücks anzubieten.The invention is therefore based on the object to offer an improved method for monitoring or analysis of a thermal processing of a workpiece.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Überwachung und/oder Analyse einer thermischen Bearbeitung, insbesondere durch Laserstrahlschweißen, eines Bearbeitungsbereichs eines Werkstücks umfassend die Verfahrensschritte:
- a) Erfassen einer zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO in einem vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Werkstücks,
- b) Bestimmen eines eine vordefinierte Anzahl n umfassenden Satzes von ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj, vorzugsweise mit j = 1 .. n, aus der zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO mittels einer Funktion f, die die ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO gemäß TO(XO) = f(XO; C1, .., Cj, ..., Cn) an vorgebbaren Oberflächenstützpunkten XO in Beziehung setzt zu den ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj,
- c) Ermitteln einer dreidimensionalen Temperaturverteilung T an Stützpunkten X innerhalb des Werkstücks anhand der Koeffizientenwerte Cj und der Funktion f gemäß T(X) = f(X; C1, .., Cj, ..., Cn)
- a) detecting a two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T O in a predetermined area of the surface of the workpiece,
- b) Determining a set of n-independent coefficient values C j , preferably with j = 1... n, from the two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T O by means of a function f that satisfies the spatially resolved surface temperature distribution T O according to T O (X O ) = f (X O ; C 1 , .., C j , ..., C n ) at predefinable surface support points X O relates to the location-independent coefficient values C j ,
- c) determining a three-dimensional temperature distribution T at interpolation points X within the workpiece on the basis of the coefficient values C j and the function f according to T (X) = f (X; C 1 , .., C j , ..., C n )
Das Verfahren gemäß der Erfindung sieht somit vor, dass eine zweidimensional ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO erfasst wird und von dieser ausgehend ein Satz von ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj bestimmt wird. Anhand der Koeffizientenwerte Cj wird dann eine dreidimensionale Temperaturverteilung T innerhalb des Werkstücks ermittelt.The method according to the invention thus provides that a two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T o is detected and from this a set of location-independent coefficient values C j is determined. Based on the coefficient values C j , a three-dimensional temperature distribution T within the workpiece is then determined.
Zur Lokalisierung der Oberflächenstützpunkte XO und/oder der Stützpunkte X im Werkstück kann dazu vorzugsweise ein kartesisches Koordinatensystem mit x, y, z als Koordinaten verwendet werden, bei dem die x-Achse entgegen einer Bearbeitungsrichtung zeigt, die z-Achse senkrecht zur Werkstückoberfläche steht und die y-Achse senkrecht zur x- und z-Achse steht. Der Ursprung des Koordinatensystems kann dazu im Bereich eines Auftreffpunktes des Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche gewählt werden. Insbesondere kann der Ursprung des Koordinatensystem derart gewählt sein, dass Oberflächenstützpunkten XO Koordinaten mit z = 0 entsprechen.To localize the surface support points X O and / or the support points X in the workpiece, a Cartesian coordinate system with x, y, z can be used as coordinates, in which the x-axis points against a machining direction, the z-axis is perpendicular to the workpiece surface and the y-axis is perpendicular to the x and z axes. The origin of the coordinate system can be selected in the region of a point of impact of the machining beam on the workpiece surface. In particular, the origin of the coordinate system can be selected such that surface support points X O correspond to coordinates with z = 0.
Die Oberflächenstützpunkte XO und/oder die Stützpunkte X können auch mittels andersartiger Koordinatensysteme, insbesondere in Polarkoordinatenform, beschrieben werden.The surface support points X O and / or the support points X can also be described by means of different coordinate systems, in particular in polar coordinate form.
Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass sich unter geeigneten Umständen, d. h. unter Annahme eines geeigneten Modells und bei Gültigkeit geeigneter Prozessbedingungen (z. B. konstanter Materialparameter des Werkstücks) aus den an der Oberfläche des Werkstücks zweidimensional ortsaufgelöst ermittelten Temperaturen TO mit Hilfe einer sich aus dem Modell ergebenden Funktion f mit hinreichender Genauigkeit auf eine Temperaturverteilung T innerhalb des Werkstücks schließen lässt. According to the invention, it has been recognized that, under suitable circumstances, ie assuming a suitable model and with the validity of suitable process conditions (eg constant material parameters of the workpiece), the temperatures T o determined spatially resolved at the surface of the workpiece two times with the aid of a Model resulting function f with sufficient accuracy close to a temperature distribution T within the workpiece.
Der Wertebereich des Index j bzw. die vordefinierte Anzahl n können beispielsweise in Abhängigkeit einer gewünschten Genauigkeit der Überwachung bzw. der Analyse und/oder in Abhängigkeit von einem Bearbeitungsmodus, beispielsweise Durchschweißung oder Einschweißung, gewählt werden. Es versteht sich, dass anstelle eines Index j auch mehrere Indexebenen, beispielsweise zwei Indexebenen m, l bzw. ein hieraus gebildetes Indexpaar m, l, vorgesehen sein können. Dazu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass Indizes mehrerer Indexebenen jeweils einem Index j eineindeutig zuordenbar sind, so dass sich Darstellungen von Parametern mit mehreren Indexebenen auf eine äquivalente Darstellung der Parameter mit einer Indexebene j überführen lassen.The value range of the index j or the predefined number n can be selected, for example, as a function of a desired accuracy of the monitoring or the analysis and / or depending on a processing mode, for example through-welding or welding. It is understood that instead of an index j, it is also possible to provide a plurality of index levels, for example two index levels m, l or an index pair m, l formed therefrom. For this purpose, it can preferably be provided that indices of several index levels are each uniquely assignable to an index j, so that representations of parameters with multiple index levels can be converted to an equivalent representation of the parameters with an index level j.
Die vordefinierte Anzahl n kann dabei bei einer Verfahrensvariante, bei der eine Durchschweißung analysiert wird, im Bereich von 6000 bis 6500, gewählt werden. Beispielsweise kann ein n von ca. 6200 gewählt werden.The predefined number n can be selected in a process variant in which a through-welding is analyzed in the range of 6,000 to 6,500. For example, an n of about 6200 can be chosen.
Bei einer alternativen Verfahrensvariante, bei der eine Einschweißung analysiert wird, kann die vordefinierte Anzahl n im Bereich von 3000 bis 3600, gewählt werden. Beispielsweise kann ein n von ca. 3600 gewählt werden.In an alternative method variant, in which a weld is analyzed, the predefined number n in the range of 3000 to 3600, can be selected. For example, an n of about 3600 can be selected.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das gesamte, sich im Werkstück ausbildende Temperaturfeld T durch eine vom Ort X sowie den Koeffizientenwerten Cj abhängige mathematische Funktion
Vorzugsweise kann die Funktion f noch von weiteren Parametern, insbesondere einer Umgebungstemperatur TU abhängen.Preferably, the function f can still depend on further parameters, in particular an ambient temperature T U.
Vorzugsweise wird die Funktion f so gewählt, dass Gleichung (1) an der Werkstückoberfläche (d. h. in kartesischen Koordinaten bei z = 0) eindeutig nach den Koeffizientenwerten Cj lösbar ist, d. h. dass entweder eine analytisch eindeutige Lösung existiert oder dass es numerische Verfahren gibt, die zu einem eindeutigen Satz an Koeffizientenwerten Cj führen.Preferably, the function f is chosen so that equation (1) on the workpiece surface (ie in Cartesian coordinates at z = 0) is uniquely solvable after the coefficient values C j , ie that either an analytically unique solution exists or there are numerical methods, leading to a unique set of coefficient values C j .
Die Koeffizientenwerte Cj werden ortsunabhängig beziehungsweise ortsübergreifend definiert. Die Oberflächentemperaturverteilung TO kann somit durch eine Kombination von ortsabhängigen und ortsunabhängigen Komponenten beschrieben werden. Dadurch wird eine Bestimmung der Koeffizientenwerte Cj ermöglicht. Die Koeffizientenwerte Cj können dann in erneute Beziehung zu den ortsabhängigen Komponenten gesetzt werden, wobei nunmehr zur Ermittlung der dreidimensionalen Temperaturverteilung T innerhalb des Volumens des Werkstücks als Orte X Stützpunkte innerhalb des Volumens des Werkstücks gewählt werden können. Dadurch lässt sich eine – nunmehr wiederum ortsabhängige – dreidimensionale Temperaturverteilung T für diese Stützpunkte X innerhalb des Werkstücks ermitteln, insbesondere berechnen.The coefficient values C j are defined location-independently or across locations. The surface temperature distribution T O can thus be described by a combination of location-dependent and location-independent components. This allows a determination of the coefficient values C j . The coefficient values C j can then be set in a renewed relationship with the location-dependent components, and now points of intersection within the volume of the workpiece can be selected as locations X for determining the three-dimensional temperature distribution T within the volume of the workpiece. This makes it possible to determine, in particular calculate, a three-dimensional temperature distribution T for these interpolation points X within the workpiece, which in turn is dependent on location.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die ortsunabhängigen Koeffizientenwerte Cj derart bestimmt werden, dass die Oberflächentemperaturverteilung TO als mit den Koeffizientenwerten Cj gewichtete Linearkombination vordefinierter ortsabhängiger Basistemperaturfelder Tj, vorzugsweise mit j = 1 .. n, und einer Kalibrierkonstanten K gemäß
Vorzugsweise kann die Kalibrierkonstante K in Abhängigkeit, besonders bevorzugt entsprechend, der Umgebungstemperatur TU gewählt werden. Dazu kann vorteilhafterweise die Umgebungstemperatur TU vor, während und/oder nach der Messung der ortsaufgelösten Temperaturverteilung TO gemessen werden und der Kalibrierkonstanten zugeordnet werden.Preferably, the calibration constant K can be selected as a function of, particularly preferably in accordance with, the ambient temperature T U. For this purpose, advantageously, the ambient temperature T U before, during and / or after the measurement of the spatially resolved temperature distribution T O are measured and the calibration constants are assigned.
In alternativen Verfahrensvarianten kann die Kalibrierkonstante K auch anhand eines typischen Festwertes, beispielsweise im Bereich von 270–330 K, definiert werden. In alternative process variants, the calibration constant K can also be defined on the basis of a typical fixed value, for example in the range of 270-330 K.
Durch eine Linearkombination dieser Basistemperaturfelder Tj mit den Koeffizientenwerten Cj kann somit eine Approximation des echten Temperaturfeldes T überall, d. h. beispielsweise unter Verwendung kartesischer Koordinaten x, y, z, im Werkstück gemäß
Aus der bei der Umgebungstemperatur TU gemessenen zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO können mit Hilfe von Gleichung (3') die Koeffizientenwerte C1, ..., Cn bestimmt werden, womit anschließend die Temperaturverteilung T innerhalb des Werkstücks berechenbar ist.From the two-dimensional spatially resolved surface temperature distribution T O measured at the ambient temperature T U, the coefficient values C 1 ,..., C n can be determined with the aid of equation (3 '), with which subsequently the temperature distribution T within the workpiece can be calculated.
Insbesondere können die Basistemperaturfelder Tj durch Eigenschaften des Werkstücks, beispielsweise Dichte, spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit, Dicke, und/oder durch Bewegungsdaten des Werkstücks und/oder des Bearbeitungsstrahls bzw. eines Bearbeitungskopfes, insbesondere einer Wärmequelle der Bearbeitungsmaschine, parametrisiert vordefiniert werden. Bewegungsdaten können beispielsweise Geschwindigkeit und/oder Richtung einer Relativbewegung des Werkstücks zu einer Wärmequelle einer Bearbeitungsmaschine (bzw. umgekehrt) sein.In particular, the basic temperature fields T j can be predefined in a parameterized manner by properties of the workpiece, for example density, specific heat capacity, thermal conductivity, thickness, and / or by movement data of the workpiece and / or the machining beam or a machining head, in particular a heat source of the machine tool. Movement data can be, for example, the speed and / or direction of a relative movement of the workpiece to a heat source of a processing machine (or vice versa).
Die Basistemperaturfelder Tj können insbesondere als Basistemperaturfeldern Bm,l mit den Indizes j eineindeutig zuordenbaren Indexpaaren m, l definiert werden. Vorzugsweise können die Basistemperaturfelder Bm,l eine orthogonale Basis bilden. Die Indizes m können ganzzahlig und die Indizes l nicht-negativ ganzzahlig gewählt sein. Insbesondere können Basistemperaturfelder Bm,l gemäß der folgenden Gleichungen definiert werden: mit
Damit gilt für einen Satz von Stützpunkten XO der Oberfläche des Werkstücks, an denen eine Oberflächentemperatur TO(XO) erfasst und somit bekannt ist, die Gleichung:
In einer alternativen Verfahrensvariante können eine Anzahl n2 an Werten der Indizes m, l vordefiniert und die sich hieraus ergebenden Koeffizienten Cm,l anhand der Gl. (7) ermittelt werden. Dazu kann in dieser Verfahrensvariante die Anzahl n2 kleiner als die Anzahl n gewählt werden. Somit ergibt sich in der Regel ein überbestimmtes Gleichungssystem aus der Gl. (7), das in dieser Verfahrensvariante mittels eines Näherungsverfahrens, beispielsweise mittels der Methode der kleinsten Quadrate, näherungsweise gelöst werden kann.In an alternative method variant, a number n 2 of values of the indices m, l can be predefined and the resulting coefficients C m, l based on Eq. (7). For this purpose, the number n 2 can be selected smaller than the number n in this process variant. Thus, as a rule, an overdetermined equation system results from Eq. (7), which can be approximately solved in this process variant by means of an approximation method, for example by means of the method of least squares.
Für die Analyse einer Durchschweißung können folgende 7 Indexwerte für m
m ∊ {–3; –2; –1; 0; 1; 2; 3}
sowie folgende 5 Indexwerte für l
l ∊ {0; 1; 2; 3; 4}
gewählt werden. Somit ergibt sich in dieser Verfahrensvariante eine Anzahl n2 = 35.For the analysis of a penetration weld the following 7 index values for m
m ε {-3; -2; -1; 0; 1; 2; 3}
and the following 5 index values for l
l ∈ {0; 1; 2; 3; 4}
to get voted. This results in a number n 2 = 35 in this process variant.
In der alternativen Verfahrensvariante, bei der eine Einschweißung analysiert wird, können folgende 11 Indexwerte für m
m ∊ {–5; –4; –3; –2; –1; 0; 1; 2; 3; 4; 5}
sowie folgende 4 Indexwerte für l
l ∊ {0; 1; 2; 3}
gewählt werden. Somit ergibt sich in dieser alternativen Verfahrensvariante eine Anzahl n2 = 44.In the alternative method variant, in which a weld-in is analyzed, the following 11 index values for m
m ε {-5; -4; -3; -2; -1; 0; 1; 2; 3; 4; 5}
and the following 4 index values for l
l ∈ {0; 1; 2; 3}
to get voted. This results in a number n 2 = 44 in this alternative method variant.
Desgleichen kann dann die dreidimensionale Temperaturverteilung T aus den Koeffizientenwerten Cm,l und den Basistemperaturfeldern Bm,l an Stützpunkten X innerhalb des Werkstücks direkt wie folgt ermittelt werden:
Somit können Informationen über einen Zustand im Inneren des Werkstücks in Form der dreidimensionalen Temperaturverteilung T gewonnen und zur Überwachung und/oder Analyse der thermischen Bearbeitung genutzt werden.Thus, information about a state inside the workpiece in the form of the three-dimensional temperature distribution T can be obtained and used for monitoring and / or analysis of the thermal processing.
Zur Bestimmung der Basisfunktionen Bm,l können vorzugsweise folgende Annahmen getroffen werden:
- • Wärmetransport im Werkstück erfolgt nur durch Wärmeleitung.
- • Das Werkstück weist eine unendliche Länge und Breite aber eine endliche Dicke auf.
- • Die Materialparameter des Werkstücks sind nicht temperaturabhängig.
- • Die Werkstückober- und -unterseite ist gegenüber der Umgebung isoliert.
- • In weiter Entfernung zu der Wärmequelle stellt sich Umgebungstemperatur ein.
- • Heat transport in the workpiece only occurs through heat conduction.
- • The workpiece has an infinite length and width but a finite thickness.
- • The material parameters of the workpiece are not temperature dependent.
- • The upper and lower sides of the workpiece are insulated from the environment.
- • Ambient temperature is set far from the heat source.
Vorteilhaft ist, dass die mit diesen Annahmen erreichbare Genauigkeit typischerweise ausreichend für eine Überwachung bzw. Analyse eines Prozesses hinsichtlich der gewünschten Informationen beispielsweise über Tiefe und Form eines Schmelzbads bzw. einer gebildeten Naht ist.It is advantageous that the accuracy achievable with these assumptions is typically sufficient for monitoring or analyzing a process with regard to the desired information, for example about the depth and shape of a weld seam or a formed seam.
Eine besonders genaue Überwachung beziehungsweise Analyse kann durch die gemäß Gl. (4) vordefinierten Basistemperaturfelder Bm,l erzielt werden, wenn die Oberflächentemperaturverteilung TO außerhalb eines vordefinierten Radius R um ein Zentrum einer Einwirkzone herum und/oder außerhalb des Schmelzbads erfasst und/oder ausgewertet wird. Unter der Einwirkzone wird ein Bereich an der Oberfläche des Werkstücks oder innerhalb eines Volumens des Werkstücks verstanden, innerhalb dessen durch die Bearbeitung thermische Leistung in das Werkstück eingetragen wird. Wird nur der Bereich der Werkstückoberfläche außerhalb des Schmelzbades analysiert, kann die Genauigkeit der Temperaturfeldberechnung verbessert werden, da dadurch die im Schmelzbad auftretende Konvektion keinen Einfluss auf die Temperaturfeldbestimmung hat. Schließt der analysierte Bereich das Schmelzbad (außerhalb der Einwirkzone) mit ein, so kann sich zwar die Genauigkeit der Auswertung verringern, jedoch können hierdurch Rückschlüsse auf das Schmelzbad, z. B. die Schmelzbadgeometrie, ermöglicht werden.A particularly accurate monitoring or analysis can be achieved by the according to Eq. (4) predefined basis temperature fields B m, l are obtained when the surface temperature distribution T O outside a predefined radius R around a center of an exposure zone and / or outside the weld pool is detected and / or evaluated. The action zone is understood to be an area on the surface of the workpiece or within a volume of the workpiece within which thermal power is introduced into the workpiece as a result of the machining. If only the area of the workpiece surface outside the molten bath is analyzed, the accuracy of the temperature field calculation can be improved since the convection occurring in the molten bath has no influence on the temperature field determination. If the analyzed area includes the molten bath (outside of the exposure zone), the accuracy of the evaluation may be reduced, however, conclusions can be drawn about the molten bath, eg. As the Schmelzbadgeometrie be enabled.
Dazu kann ein Radius R eines das Werkstück in seiner Dickenrichtung durchdringenden Zylinders gewählt werden, der die Einwirkzone zur Gänze oder zumindest größtenteils umschließt.For this purpose, a radius R of a cylinder penetrating the workpiece in its thickness direction can be selected, which completely or at least largely encloses the zone of action.
Um die Ausdehnung eines Schmelzbades ermitteln zu können, kann vorzugsweise der Radius R so klein gewählt werden, dass erwartbar ist, dass sich das Schmelzbad bis außerhalb des Zylinders erstreckt. In order to be able to determine the extent of a molten bath, the radius R can preferably be selected to be so small that it is expected that the molten bath extends to outside the cylinder.
Bevorzugt können in diesem Falle analog zur Oberflächentemperaturverteilung TO außerhalb des Zylinders liegende Stützpunkte X der dreidimensionalen Temperaturverteilung T betrachtet und deren Temperatur mit hoher Präzision überwacht bzw. analysiert werden. Für diese Stützpunkte gilt in Polarkoordinatenform ausgedrückt r > R, sofern die Zylindermittellinie durch den Ursprung des Polarkoordinatensystems verläuft.Preferably, in this case analogous to the surface temperature distribution T O lying outside the cylinder points X of the three-dimensional temperature distribution T are considered and their temperature can be monitored or analyzed with high precision. In terms of the polar coordinate form, r> R applies to these interpolation points if the cylinder center line runs through the origin of the polar coordinate system.
Vorteilhafterweise kann die Oberflächentemperaturverteilung TO erfasst werden, indem zunächst eine Intensitätsverteilung IO der von der Oberfläche des Werkstücks ausgehenden Wärmestrahlung erfasst wird und aus dieser die Oberflächentemperaturverteilung TO bestimmt wird. Beispielsweise kann mithilfe einer InGaAs-Kamera eine Intensitätsverteilung IO der vom Werkstück abgestrahlten Infrarotstrahlung oder Strahlung eines definierten Wellenlängenbandes erfasst werden. Aus der so gewonnenen Intensitätsverteilung IO kann dann unter Zugrundelegung eines geeigneten Strahlungsmodells, beispielsweise des Wienschen Strahlungsmodells, die Oberflächentemperaturverteilung TO bestimmt werden.Advantageously, the surface temperature distribution T O can be detected by first detecting an intensity distribution I O of the heat radiation emanating from the surface of the workpiece and from this determining the surface temperature distribution T O. For example, an intensity distribution I O of the emitted infrared radiation from the workpiece or radiation of a defined wavelength band can be detected using an InGaAs camera. From the intensity distribution I O obtained in this way, the surface temperature distribution T O can then be determined on the basis of a suitable radiation model, for example of the Wien radiation model.
Beispielsweise kann mittels der Beziehung und geeignet kalibrierten Konstanten a und b eine zur Intensität In korrespondierende Oberflächentemperatur Tn ermittelt werden.For example, by means of the relationship and suitably calibrated constants a and b, a surface temperature T n corresponding to the intensity I n are determined.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Intensitätsverteilung IO erfasst wird, indem zunächst mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Einzel-Intensitätsverteilungen IEO erfasst werden und aus diesen dann ein Mittelwertbild ermittelt wird. Dadurch wird es möglich, eine näherungsweise als stationär betrachtbare Intensitätsverteilung IO bzw. Oberflächentemperaturverteilung TO zu ermitteln.It is particularly preferred if the intensity distribution I O is detected by first a plurality of temporally successive individual intensity distributions I EO are detected and then an average image is determined from these. As a result, it is possible to determine an intensity distribution I O or surface temperature distribution T O that can be considered approximately as stationary.
In besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine Form, beispielsweise Tiefe, Breite, Fläche, und/oder ein Verlauf eines Schmelzbades und/oder eine Form, beispielsweise Tiefe, Breite und/oder Fläche, und/oder ein Verlauf einer Naht, insbesondere einer Schweißnaht, aus der dreidimensionalen Temperaturverteilung T bestimmt werden. Beispielsweise können eine Form und ein Verlauf eines Schmelzbades bestimmt werden, indem aus der dreidimensionalen Temperaturverteilung T die Schmelzbadgrenze ermittelt wird.In particularly advantageous embodiments of the invention can be provided that a shape, such as depth, width, area, and / or a course of a molten bath and / or a shape, such as depth, width and / or surface, and / or a course of a seam , in particular a weld, are determined from the three-dimensional temperature distribution T. For example, a shape and a course of a molten bath can be determined by determining the molten bath boundary from the three-dimensional temperature distribution T.
Somit können zerstörungsfrei eine Form und/oder ein Verlauf eines Schmelzbades und/oder eine Form und/oder ein Verlauf einer Naht an bzw. innerhalb des Werkstücks ermittelt und untersucht werden.Thus, a shape and / or a course of a molten bath and / or a shape and / or a course of a seam on or within the workpiece can be determined and investigated without destruction.
Auch kann vorgesehen sein, dass Bearbeitungseinstellungen, insbesondere Impulsenergie, Impulsdauer, Impulsfrequenz, Leistung, Brennpunktlage und/oder -fläche und/oder Bearbeitungsgeschwindigkeit eines thermischen Bearbeitungsgerätes, vorzugsweise eines Laserstrahlschweißgerätes, anhand der ermittelten dreidimensionalen Temperaturverteilung T ausgewählt und/oder geändert werden. Somit können die gewonnenen Informationen verwendet werden, um die thermische Bearbeitung des Werkstücks während der Werkstückbearbeitung weiter zu optimieren. Somit kann auf einfache Weise die Qualität der thermischen Bearbeitung verbessert werden. Beispielsweise kann dadurch sichergestellt werden, dass eine gewünschte Einschweißtiefe oder eine gewünschte Schweißnahtform erzielt wird.It can also be provided that machining settings, in particular pulse energy, pulse duration, pulse frequency, power, focal point position and / or surface and / or machining speed of a thermal processing device, preferably a laser beam welding device, are selected and / or changed on the basis of the determined three-dimensional temperature distribution T. Thus, the information obtained can be used to further optimize the thermal processing of the workpiece during workpiece machining. Thus, the quality of the thermal processing can be improved easily. For example, this can ensure that a desired weld depth or a desired weld shape is achieved.
Eine Überwachung der thermischen Bearbeitung kann in Echtzeit bzw. simultan zur Werkstückbearbeitung erfolgen.A monitoring of the thermal processing can be done in real time or simultaneously to the workpiece machining.
Eine Analyse der thermischen Bearbeitung, beispielsweise hinsichtlich der erreichten Fertigungsqualität, kann dadurch erfolgen, dass zunächst die thermische Bearbeitung zumindest in einem Abschnitt oder Bereich des Werkstücks ausgeführt wird und währenddessen Oberflächentemperaturverteilungen TO ermittelt und zwischengespeichert werden. Nach Abschluss der Bearbeitung können dann die weiteren Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden. Aus der ermittelten dreidimensionalen Temperaturverteilung kann dann beispielsweise die Form des Schmelzbades ermittelt werden. Ein Qualitätsmaß zur Beurteilung der erfolgten thermischen Bearbeitung kann dann beispielsweise aus dem Vergleich dieser Schmelzbad-Form mit einer Soll-Form gewonnen werden.An analysis of the thermal processing, for example with regard to the achieved manufacturing quality, can be carried out by first carrying out the thermal processing at least in a section or area of the workpiece, during which surface temperature distributions T O are determined and intermediately stored. After completion of the processing, the further steps of the method according to the invention can then be carried out. From the determined three-dimensional temperature distribution can then be determined, for example, the shape of the molten bath. A quality measure for evaluating the completed thermal processing can then be obtained, for example, from the comparison of this molten bath mold with a desired shape.
In den Rahmen der Erfindung fällt auch eine Überwachungsvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Sensor, einer Bewegungsvorrichtung und einer Auswerteeinheit. Die Überwachungsvorrichtung ist vorzugsweise eingerichtet, mittels des Sensors zunächst eine zweidimensional ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO in einem vorgegebenen Bereich der Oberfläche des Werkstücks zu erfassen. Sie ist weiter eingerichtet, mittels der Auswerteeinheit anschließend einen eine vordefinierte Anzahl n umfassenden Satz von Koeffizientenwerten Cj, vorzugsweise mit j = 1 .. n, aus der Oberflächentemperaturverteilung TO zu bestimmen sowie eine dreidimensionale Temperaturverteilung T innerhalb des Werkstücks anhand der Koeffizientenwerte Cj zu ermitteln. Der Sensor kann als Infrarotkamera, insbesondere als InGaAs-Kamera, ausgebildet sein. The scope of the invention also includes a monitoring device for carrying out the method according to the invention with a sensor, a movement device and an evaluation unit. The monitoring device is preferably set up by means of the sensor first to detect a two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T O in a predetermined region of the surface of the workpiece. It is further set up, by means of the evaluation unit, subsequently to determine a predefined number n of coefficient values C j , preferably with j = 1 .. n, from the surface temperature distribution T o and a three-dimensional temperature distribution T within the workpiece based on the coefficient values C j to investigate. The sensor can be designed as an infrared camera, in particular as an InGaAs camera.
Die Auswerteeinheit kann wenigstens eine Recheneinheit aufweisen, die eingerichtet ist, ein nichtlineares und/oder ein lineares Gleichungssystem zu lösen und/oder eine Näherungslösung für ein überbestimmtes Gleichungssystem zu ermitteln und/oder eine Produktsumme zu ermitteln. Dazu kann vorzugsweise die Auswerteeinheit eine Rechnereinheit aufweisen. Die Recheneinheit kann vorzugsweise als Computerprogrammkomponente ausgebildet sein. Dann kann in besonders bevorzugter Weise die Recheneinheit in der Rechnereinheit der Auswerteeinheit installiert sein und bedarfsweise auf der Rechnereinheit ausgeführt werden.The evaluation unit may have at least one arithmetic unit which is set up to solve a non-linear and / or a linear system of equations and / or to determine an approximate solution for an over-determined system of equations and / or to determine a product sum. For this purpose, the evaluation unit can preferably have a computer unit. The arithmetic unit can preferably be designed as a computer program component. Then, in a particularly preferred manner, the arithmetic unit can be installed in the computer unit of the evaluation unit and, if necessary, be executed on the computer unit.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung kann die Rechnereinheit auch eine Koeffizientenermittlungseinrichtung mit einer Recheneinheit aufweisen, die eingerichtet ist, ein lineares oder nicht-lineares Gleichungssystem zu lösen bzw. Näherungslösungen zu ermitteln. Die Rechnereinheit kann ferner eine weitere Recheneinheit aufweisen, die eingerichtet ist, eine Produktsumme zu berechnen.In a further preferred embodiment, the computer unit can also have a coefficient determination device with a computing unit which is set up to solve a linear or non-linear system of equations or to determine approximate solutions. The computer unit can also have a further computing unit which is set up to calculate a product sum.
Auch kann die Auswerteeinheit eine Anzeigeeinheit aufweisen zur Anzeige von Überwachungs- und/oder Analyseergebnissen.The evaluation unit can also have a display unit for displaying monitoring and / or analysis results.
Das Verfahren zur Überwachung einer thermischen Bearbeitung sowie die Überwachungsvorrichtung eignen sich für unterschiedlichste Arten thermischer Bearbeitungsmethoden, insbesondere Laserstrahlschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Gasschmelzschweißen, Lichtbogenhandschweißen, Schutzgasschweißen, Plasmaschweißen, Löten, Härten und dergleichen. Mit anderen Worten kann das Verfahren in besonders vorteilhafter Weise zur Überwachung und/oder Analyse von thermischen Bearbeitungen eingesetzt werden, die in einem Bereich an der Oberfläche eines Werkstücks oder innerhalb eines Volumens des Werkstücks thermische Leistung in das Werkstück eintragen.The method for monitoring a thermal processing and the monitoring device are suitable for a variety of types of thermal processing methods, in particular laser beam welding, electron beam welding, gas fusion welding, manual arc welding, inert gas welding, plasma welding, brazing, hardening and the like. In other words, the method can be used in a particularly advantageous manner for monitoring and / or analyzing thermal processes which introduce thermal power into the workpiece in a region on the surface of a workpiece or within a volume of the workpiece.
Auch lassen sich das Verfahren sowie die Überwachungsvorrichtung in vorteilhafter Weise für eine Vielzahl unterschiedlichster Materialien bzw. Werkstücke einsetzen. Materialspezifische Eigenschaften können dabei in dem Verfahren berücksichtigt werden, indem die Koeffizientenwerte Cj und/oder die Basistemperaturfelder Tj anhand einer Probe des Werkstücks geeicht bzw. kalibriert werden und/oder indem materialspezifische Kennwerte, insbesondere Dichte, Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit des Materials, und/oder werkstückspezifische Charakteristika, insbesondere Dicke des Werkstücks, und/oder bearbeitungsspezifische Charakteristika, insbesondere Bewegungsgeschwindigkeit des Werkstücks bzw. Schweißgeschwindigkeit, berücksichtigt werden. Vorteilhaft ist es, wenn das Werkstück näherungsweise quaderförmig, band- und/oder blechförmig geformt ist, d. h. in Relation zu seiner Breite und seiner Länge eine geringe Dicke aufweist.Also, the method and the monitoring device can be advantageously used for a variety of different materials or workpieces. Material-specific properties can be taken into account in the method by calibrating the coefficient values C j and / or the base temperature fields T j on the basis of a sample of the workpiece and / or by material-specific characteristics, in particular density, heat capacity and thermal conductivity of the material, and / or or workpiece-specific characteristics, in particular thickness of the workpiece, and / or machining-specific characteristics, in particular movement speed of the workpiece or welding speed, are taken into account. It is advantageous if the workpiece is approximately cuboid-shaped, band-shaped and / or sheet-shaped, ie has a small thickness in relation to its width and its length.
Es versteht sich ferner, dass unter Werkstück im Sinne der Erfindung jedwede Art eines Teils oder einer Kombination von Teilen verstanden werden kann, die thermisch bearbeitet werden sollen. Beispielsweise sind auch zwei oder mehr Einzelteile, die miteinander laserverschweißt werden, als ein thermisch zu bearbeitendes Werkstück zu verstehen.It is further understood that the term workpiece in the sense of the invention means any kind of part or combination of parts to be thermally processed. For example, two or more individual parts, which are laser-welded together, are to be understood as a workpiece to be thermally processed.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigt, sowie aus den Ansprüchen. Die dort gezeigten Merkmale sind nicht notwendig maßstäblich zu verstehen und derart dargestellt, dass die erfindungsgemäßen Besonderheiten deutlich sichtbar gemacht werden können. Die verschiedenen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen bei Varianten der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, with reference to the figures of the drawing showing essential to the invention details, and from the claims. The features shown there are not necessarily to scale and presented in such a way that the features of the invention can be made clearly visible. The various features may be implemented individually for themselves or for a plurality of combinations in variants of the invention.
In der schematischen Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.In the schematic drawing embodiments of the invention are illustrated and explained in more detail in the following description.
Es zeigen:Show it:
Die
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Höhe h des Werkstücks
Das Werkstück
Das Werkstück
Der Auftreffpunkt des Laserstrahls
Somit wird das Werkstück
Der
Ein Sensor
Die Kamera bzw. der Sensor
Der Sensor
Die vom Sensor
Die erste Recheneinheit
Die Auswerteeinheit
Die Auswerteeinheit
Ferner ist die Auswerteeinheit
Der
In einem ersten Schritt
Dazu werden zunächst mittels des Sensors
Jede der aufgenommenen Einzel-Intensitätsverteilungen IEO stellt ein zweidimensional ortsaufgelöstes Abbild der vom Werkstück
Aufgrund der Mittelwertbildung entspricht die Oberflächentemperaturverteilung TO näherungsweise einer Temperaturverteilung eines stationären Zustandes des Werkstücks
In einem zweiten Schritt
Mittels der ersten Recheneinheit
In einem dem Schritt
Zur Ermittlung der dreidimensionalen Temperaturverteilung T bildet die Recheneinheit
In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante gemäß der Erfindung stellt anschließend die Auswerteeinheit
In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante ist ferner ein weiterer Schritt vorgesehen, in dem die Auswerteeinheit
In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen, in dem die Auswerteeinheit
Die
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