DE102016211782A1 - Method for monitoring a thermal processing of a workpiece and monitoring device - Google Patents

Method for monitoring a thermal processing of a workpiece and monitoring device Download PDF

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Steffen Kessler
Karin Heller
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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 DE 692 04 488 T2 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Oberflächenbehandlung mit Verwendung einer Abtastung mit einem Strahlungsbündel, insbesondere eines Laserbündels, bekannt. Bei diesem Verfahren werden Temperaturen im Inneren eines thermisch behandelten Werkstücks aus der Kenntnis von Oberflächentemperaturen des Werkstücks ermittelt. Jedoch erfolgt die Ermittlung der Temperaturen in der Tiefe auf Basis einer eindimensionalen Annäherung und unter Erfassung eines zeitlichen Temperaturverlaufs an einem Oberflächenpunkt des Werkstücks. Dreidimensionale Volumeneffekte bleiben hierbei weitgehend unberücksichtigt. Die Gültigkeit und Anwendbarkeit der mit diesem Verfahren gewonnenen Aussagen ist daher begrenzt.From the DE 692 04 488 T2 is a method for controlling a surface treatment using a scan with a radiation beam, in particular a laser beam, known. In this method, temperatures inside a thermally treated workpiece are determined from knowledge of surface temperatures of the workpiece. However, the determination of the temperatures in depth is made on the basis of a one-dimensional approximation and detecting a temporal temperature history at a surface point of the workpiece. Three-dimensional volume effects are largely ignored. The validity and applicability of the statements obtained by this method is therefore limited.

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)
The object is achieved by a method for monitoring and / or analyzing a thermal processing, in particular by laser beam welding, of a processing area of a workpiece comprising the method steps:
  • 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 T(X) = f(X; C1, ..., Cj, ..., Cn) (1) angenähert darstellt.In the method according to the invention, the entire temperature field T forming in the workpiece is governed by a mathematical function dependent on the location X and the coefficient values C j T (X) = f (X; C 1 , ..., C j , ..., C n ) (1) represents approximately.

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 TO(XO) = K + C1T1(XO) + ... + CjTj(XO) + ... + CnTn(XO) (2) ermittelbar ist.It is particularly preferred if the location-independent coefficient values C j are determined such that the surface temperature distribution T O is a linear combination of predefined location-dependent basic temperature fields T j , preferably with j = 1... N, weighted with the coefficient values C j and a calibration constant K according to FIG T O (X O ) = K + C 1 T 1 (X O ) + ... + C j T j (X O ) + ... + C n T n (X o ) (2) can be determined.

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 T(x, y, z) = TU + C1T1(x, y, z) + ... + CjTj(x, y, z) + ... + CnTn(x, y, z) (3) und an der Werkstückoberfläche gemäß TO(x, y) = T(x, y, 0) = TU + C1T1(x, y, 0) + ... CjTj(x, y, 0) + ... + CnTn(x, y, 0) (3') erfolgen.By a linear combination of these basic temperature T j fields by the coefficients values C j thus an approximation of the real temperature field that is of Cartesian coordinates, for example, using y T may everywhere, x, z, in the workpiece in accordance with T (x, y, z) = T U + C 1 T 1 (x, y, z) + ... + C j T j (x, y, z) + ... + C n T n (x , y, z) (3) and on the workpiece surface according to T O (x, y) = T (x, y, 0) = T U + C 1 T 1 (x, y, 0) + ... C j T j (x, y, 0) + ... + C n T n (x, y, 0) (3 ') respectively.

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:

Figure DE102016211782A1_0002
mit k = ρcν / 2λ (5) und den modifizierten Bessel-Funktionen
Figure DE102016211782A1_0003
wobei r, φ, z den Koordinaten eines Stützpunktes X im Werkstück in Polarkoordinatenform (mit x = rcosφ und y = rsinφ), h der Dicke des Werkstücks, ρ seiner Dichte, λ seiner Wärmeleitfähigkeit und c seiner Wärmekapazität entsprechen. v kennzeichnet die Geschwindigkeit einer Relativbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungsmaschine (bzw. Bearbeitungsstrahl). s stellt die Integrationsvariable und ds das Differential von s im Integral dar. Es versteht sich, dass ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen in analoger Weise die Basistemperaturfelder Bm,l auch mittels in anderen Koordinatensystemen, insbesondere kartesischen Koordinatensystemen, dargestellten Stützpunkten bzw. Orten X formuliert sein können.The base temperature fields T j can be defined in particular as base temperature fields B m, l with the indices j, an unambiguously assignable index pairs m, l. Preferably, the base temperature fields B m, l may form an orthogonal basis. The indices m can be chosen to be integers and the indices 1 to be non-negative integers. In particular, base temperature fields B m, l can be defined according to the following equations:
Figure DE102016211782A1_0002
With k = ρcν / 2λ (5) and the modified Bessel functions
Figure DE102016211782A1_0003
where r, φ, z correspond to the coordinates of a support point X in the workpiece in polar coordinate form (with x = rcosφ and y = rsinφ), h the thickness of the workpiece, ρ its density, λ its thermal conductivity and c its heat capacity. v denotes the speed of a relative movement between the workpiece and the processing machine (or processing beam). s represents the integration variable and ds the differential of s in the integral. It is understood that without departing from the scope of the invention in an analogous manner, the base temperature fields B m, l also by means of in other coordinate systems, in particular Cartesian coordinate systems, represented bases or locations X can be formulated.

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: TO(XO) = TU + Σm,lCm,lBm,l(XO) für alle XO (7) Vorzugsweise können die Koeffizientenwerte Cm,l über die eineindeutige Zuordnung der Indizes j zu Indexpaaren m, l eineindeutig den Koeffizientenwerten Cj zugeordnet werden. Es bedarf dann nur noch einer technisch realisierbaren Lösung eines linearen Gleichungssystems zur Bestimmung der Koeffizientenwerte Cm,l bzw. Cj.Thus, for a set of vertices X O of the surface of the workpiece at which a surface temperature T O (X O ) is detected and thus known, the equation: T O (X O ) = T U + Σ m, 1 C m, 1 B m, 1 (X O ) for all X O (7) Preferably, the coefficient values C m, l can be uniquely assigned to the coefficient values C j via the one-to-one assignment of the indices j to index pairs m, l. It then only requires a technically feasible solution of a linear equation system for determining the coefficient values C m, l or C j .

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: T(X) = TU + Σm,lCm,lBm,l(X) (8) Likewise, the three-dimensional temperature distribution T from the coefficient values C m, l and the base temperature fields B m, l at interpolation points X within the workpiece can then be determined directly as follows: T (X) = T U + Σ m, 1 C m, 1 B m, 1 (X) (8)

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.
To determine the basis functions B m, l , the following assumptions can preferably be made:
  • • 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

Figure DE102016211782A1_0004
und geeignet kalibrierten Konstanten a und b eine zur Intensität In korrespondierende Oberflächentemperatur Tn ermittelt werden.For example, by means of the relationship
Figure DE102016211782A1_0004
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:

1 eine Bearbeitungsanordnung mit einer Überwachungsvorrichtung, durch die das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden kann; 1 a processing arrangement with a monitoring device, by means of which the method according to the invention can be carried out;

2 eine schematische Darstellung der Schritte des Verfahrens; 2 a schematic representation of the steps of the method;

3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines thermisch bearbeiteten Werkstücks mit ermittelter Form eines Schmelzbades. 3 a schematic representation of a cross section of a thermally machined workpiece with determined shape of a molten bath.

Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Überwachungsvorrichtung 10 gemäß der Erfindung. Der 1 zu entnehmen ist eine Bearbeitungsanordnung 100. Mithilfe der Bearbeitungsanordnung 100 soll ein Werkstück 101 in einem Bearbeitungsbereich 108a thermisch bearbeitet, in diesem Fall laserstrahlgeschweißt, werden.The 1 shows an embodiment of a monitoring device 10 according to the invention. Of the 1 to be seen is a processing arrangement 100 , Using the editing arrangement 100 should a workpiece 101 in a editing area 108a thermally processed, in this case laser-welded.

Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Höhe h des Werkstücks 101 geringer als dessen Breite und Länge. Die Höhe h beträgt vorzugsweise 0,1 bis 10 mm, z. B. 2 mm. Insbesondere ist das Werkstück 101 als Blech ausgebildet.In the embodiment shown, the height h of the workpiece 101 less than its width and length. The height h is preferably 0.1 to 10 mm, z. B. 2 mm. In particular, the workpiece 101 designed as a sheet.

Das Werkstück 101 ist auf einer Bewegungsvorrichtung 104 angeordnet. Die Bewegungsvorrichtung 104 bewegt bzw. verlagert das Werkstück 101 relativ zu einer Wärmequelle, im Ausführungsbeispiel einem Laserstrahl 102a eines Lasers 102, entgegen einer mit x bezeichneten Richtung mit einer Geschwindigkeit v, in diesem Fall im Bereich von 0,5 bis 10 m/min, z. B. 6 m/min.The workpiece 101 is on a motor device 104 arranged. The movement device 104 moves or moves the workpiece 101 relative to a heat source, in the exemplary embodiment a laser beam 102 a laser 102 , opposite to a direction designated x at a speed v, in this case in the range of 0.5 to 10 m / min, z. B. 6 m / min.

Das Werkstück 101 wird durch den Laserstrahl 102a mit einer Laserleistung im Bereich von ca. 0,5 bis 20 kW bearbeitet. Der Laserstrahl 102a trifft dazu im Bereich einer Einwirkzone 107 auf das Werkstück 101.The workpiece 101 is through the laser beam 102 processed with a laser power in the range of about 0.5 to 20 kW. The laser beam 102 in the area of an exposure zone 107 on the workpiece 101 ,

Der Auftreffpunkt des Laserstrahls 102a ist als Zentrum 107a der Einwirkzone 107 gekennzeichnet. Ferner ist in der 1 ein Radius R eines in z-Richtung verlaufenden Kreiszylinders 107b mit einer der Höhe h des Werkstücks 101 entsprechenden Höhe markiert, der die Einwirkzone 107 umschließt.The point of impact of the laser beam 102 is as a center 107a the exposure zone 107 characterized. Furthermore, in the 1 a radius R of a circular cylinder extending in the z-direction 107b with one of the height h of the workpiece 101 corresponding height marks the impact zone 107 encloses.

Somit wird das Werkstück 101 in x-Richtung lasergeschweißt. Zu erkennen ist, dass bereits ein Teil einer Schweißnaht 108 des Werkstücks 101 gefertigt ist.Thus, the workpiece becomes 101 laser-welded in x-direction. It can be seen that already a part of a weld 108 of the workpiece 101 is made.

Der 1 ist ferner eine mit y gekennzeichnete Richtung zu entnehmen, die senkrecht zur x-Richtung parallel zur Ebene einer Oberfläche des Werkstücks 101 verläuft. Senkrecht zur x- und zur y-Richtung sowie in Strahlrichtung des Laserstrahls 102a verlaufend ist ferner eine mit z markierte Richtung gekennzeichnet. Die x-, y- und z-Richtungen spannen somit ein kartesisches Koordinatensystem auf, dessen Ursprung mit dem Zentrum 107a zusammenfällt. Desgleichen ist der 1 ein Polarkoordinatensystem r, φ, z mit einem dem Ursprung entsprechenden Pol und einer der x-Richtung entsprechenden Polarachse zu entnehmen.Of the 1 Furthermore, a direction indicated by y, which is perpendicular to the x-direction parallel to the plane of a surface of the workpiece 101 runs. Perpendicular to the x- and y-direction and in the beam direction of the laser beam 102 extending a direction marked z is further marked. The x, y, and z directions thus span a Cartesian coordinate system whose origin coincides with the center 107a coincides. The same is the case 1 to take a polar coordinate system r, φ, z with a pole corresponding to the origin and a polar axis corresponding to the x-direction.

Ein Sensor 103 erfasst optisch einen vorgegebenen Bereich 103a der dem Laser 102 zugewandten Oberfläche des Werkstücks 101. Dazu ist der Sensor 103 als InGaAs-Kamera ausgebildet, die die Werkstückoberfläche unter einem Winkel zum Laserstrahl 102a erfasst. In alternativen Ausführungsbeispielen ist vorgesehen, dass der Sensor 103 als Kamera, beispielsweise als InGaAs-Kamera, ausgebildet ist, die die Werkstückoberfläche koaxial zum Laserstrahl 102a erfasst.A sensor 103 optically captures a given area 103a the laser 102 facing surface of the workpiece 101 , This is the sensor 103 formed as an InGaAs camera, the workpiece surface at an angle to the laser beam 102 detected. In alternative embodiments, it is provided that the sensor 103 as a camera, for example as an InGaAs camera, is formed, the workpiece surface coaxial with the laser beam 102 detected.

Die Kamera bzw. der Sensor 103 erfasst insbesondere Intensitätsverteilungen der von der Oberfläche des Werkstücks 101 abgestrahlten nahen Infrarotstrahlung. Der vorgegebene Bereich 103a ist in diesem Ausführungsbeispiel so gewählt, dass Infrarotstrahlung bzw. Temperaturen aufgenommen werden, die auch von dem Sensor 103 detektierbar sind, in diesem Ausführungsbeispiel entsprechend Temperaturen von mindestens ca. 1000 K, und die dennoch unterhalb des Schmelzpunktes des Materials des Werkstücks 101 liegen. Mit anderen Worten ist der vorgegebene Bereich 103a derart gewählt, dass sich innerhalb des vorgegebenen Bereichs 103a das Material des Werkstücks 101 zumindest weitgehend in festem Zustand befindet und die dortigen Temperaturen durch den Sensor 103 sicher erfasst werden können.The camera or the sensor 103 detects in particular intensity distributions of the surface of the workpiece 101 radiated near infrared radiation. The default range 103a is selected in this embodiment so that infrared radiation or temperatures are absorbed, which also from the sensor 103 detectable, in this embodiment according to temperatures of at least about 1000 K, and yet below the melting point of the material of the workpiece 101 lie. In other words, the default range 103a chosen so that within the given range 103a the material of the workpiece 101 at least largely in a solid state and the local temperatures through the sensor 103 can be safely detected.

Der Sensor 103 liefert eine ortsaufgelöste, in x- und y-Richtung ausgedehnte Abbildung dieser Intensitätsverteilungen innerhalb des Bereichs 103a.The sensor 103 provides a spatially resolved, in the x- and y-direction expanded mapping of these intensity distributions within the range 103a ,

Die vom Sensor 103 gewonnenen Informationen gelangen zu einer Auswerteeinheit 105, an die ein Anzeigegerät 106 angeschlossen ist. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Auswerteeinheit 105 als Rechnereinheit mit einer ersten und einer zweiten Recheneinheit 105a, 105b ausgebildet, die wiederum jeweils als Computerprogrammkomponenten gebildet sind.The from the sensor 103 The information obtained reaches an evaluation unit 105 to which a display device 106 connected. In this embodiment, the evaluation unit 105 when Computer unit with a first and a second processing unit 105a . 105b formed, which in turn are each formed as computer program components.

Die erste Recheneinheit 105a ist insbesondere ausgebildet, ein vieldimensionales, lineares Gleichungssystem zu lösen. Die zweite Recheneinheit 105b ist insbesondere ausgebildet, Produktsummen zu bilden.The first arithmetic unit 105a is in particular designed to solve a multi-dimensional, linear system of equations. The second arithmetic unit 105b is specifically designed to form product totals.

Die Auswerteeinheit 105 ist mit einen Umgebungstemperatursensor 109 verbunden. Der Umgebungstemperatursensor 109 erfasst die Umgebungstemperatur TU.The evaluation unit 105 is with an ambient temperature sensor 109 connected. The ambient temperature sensor 109 detects the ambient temperature T U.

Die Auswerteeinheit 105 ist außerdem an die Bewegungsvorrichtung 104 angeschlossen und erhält von dieser Informationen zur Bewegungs- bzw. Verlagerungsgeschwindigkeit v. Die Auswerteeinheit 105 ist eingerichtet, bedarfsweise die Verlagerungsgeschwindigkeit v zu steuern.The evaluation unit 105 is also on the movement device 104 connected and receives from this information to the movement or displacement speed v. The evaluation unit 105 is set up, if necessary, to control the displacement speed v.

Ferner ist die Auswerteeinheit 105 mit dem Laser 102 verbunden. Über diese Verbindung ist die Auswerteeinheit 105 in der Lage, den Laser 102 zu steuern bzw. Arbeitseinstellungen des Lasers 102 einzurichten.Furthermore, the evaluation unit 105 with the laser 102 connected. About this connection is the evaluation unit 105 capable of the laser 102 to control or work settings of the laser 102 to set up.

Der 2 ist nun das erfindungsgemäße Verfahren im Detail zu entnehmen.Of the 2 now the process of the invention can be seen in detail.

In einem ersten Schritt 201 wird eine zweidimensional ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO des Werkstücks 101 (1) innerhalb des vorgegebenen Bereichs 103a an einer vordefinierten Anzahl n außerhalb des Kreiszylinders 107b gelegener Oberflächenstützpunkte XO ermittelt.In a first step 201 becomes a two-dimensional spatially resolved surface temperature distribution T O of the workpiece 101 ( 1 ) within the given range 103a at a predefined number n outside the circular cylinder 107b situated surface points X o is determined.

Dazu werden zunächst mittels des Sensors 103 (1) jeweils Einzel-Intensitätsverteilungen IEO der vom Werkstück 101 abgestrahlten Infrarot- bzw. Wärmestrahlung aufgenommen, während das Werkstück 101 mittels der Bewegungsvorrichtung 104 (1) mit der Geschwindigkeit v entgegen der x-Richtung bewegt wird. Somit wird der vorgegebene Bereich 103a relativ zum Werkstück 101 in x-Richtung verlagert und die Einzel-Intensitätsverteilungen IEO erfassen jeweils relativ zum Werkstück 101 verlagerte Oberflächenbereiche.For this purpose, first by means of the sensor 103 ( 1 ) each individual intensity distributions I EO of the workpiece 101 emitted radiant infrared or thermal radiation while the workpiece 101 by means of the movement device 104 ( 1 ) is moved at the speed v against the x direction. Thus, the predetermined range 103a relative to the workpiece 101 displaced in the x direction and detect the individual intensity distributions I EO each relative to the workpiece 101 shifted surface areas.

Jede der aufgenommenen Einzel-Intensitätsverteilungen IEO stellt ein zweidimensional ortsaufgelöstes Abbild der vom Werkstück 101 ausgehenden Wärmestrahlung dar. Aus den einzelnen Einzel-Intensitätsverteilungen IEO wird durch Mittelwertbildung ein Mittelwertbild einer Intensitätsverteilung IO gewonnen. Unter Verwendung der Gl. (9) ermittelt dann die Auswerteeinheit 105 (1) aus der Intensitätsverteilung IO eine zweidimensional ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO für eine vordefinierte Anzahl n von Oberflächenstützpunkten XO.Each of the recorded individual intensity distributions I EO represents a two-dimensionally spatially resolved image of the workpiece 101 outgoing thermal radiation. From the individual individual intensity distributions I EO a mean value image of an intensity distribution I O is obtained by averaging. Using Eqs. (9) then determines the evaluation unit 105 ( 1 ) from the intensity distribution I O a two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T O for a predefined number n of surface support points X O.

Aufgrund der Mittelwertbildung entspricht die Oberflächentemperaturverteilung TO näherungsweise einer Temperaturverteilung eines stationären Zustandes des Werkstücks 101.Due to the averaging, the surface temperature distribution T O approximately corresponds to a temperature distribution of a stationary state of the workpiece 101 ,

In einem zweiten Schritt 202 wird nun ein Satz von insgesamt n Koeffizientenwerten Cj aus der zweidimensional ortsaufgelösten Oberflächentemperaturverteilung TO und der mittels des Umgebungstemperatursensors 109 ermittelten Umgebungstemperatur TU bestimmt.In a second step 202 Now, a set of n total coefficient values C j from the two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T o and the by means of the ambient temperature sensor 109 determined ambient temperature T U determined.

Mittels der ersten Recheneinheit 105a wird nun unter Einsetzen der bekannten Oberflächentemperaturverteilung TO, der in Polarkoordinaten ausgedrückten Koordinaten der Oberflächenstützpunkte XO der Parameter des Werkstücks 101, insbesondere seiner Dicke h, Wärmeleitfähigkeit λ, Wärmekapazität c sowie seiner Bewegungsgeschwindigkeit mit Betrag v, sowie der Umgebungstemperatur TU in die Gl. (7) ein n-dimensionales lineares Gleichungssystem gebildet und gelöst. Dazu werden n Werte für m und l (beispielsweise anhand von Testschweißungen) vordefiniert, wobei alle m ganzzahlig und alle l als nichtnegative Ganzzahlen gewählt werden.By means of the first arithmetic unit 105a Now, employing the known surface temperature distribution T O , the coordinates of the surface support points X O expressed in polar coordinates become the parameters of the workpiece 101 , in particular its thickness h, thermal conductivity λ, heat capacity c and its speed of movement with magnitude v, and the ambient temperature T U in the Eq. (7) formed and solved an n-dimensional system of linear equations. For this purpose, n values for m and l are predefined (for example based on test welds), where all m are chosen to be integers and all l to be nonnegative integers.

In einem dem Schritt 202 nachfolgenden Verfahrensschritt 203 wird durch die Auswerteeinheit 105 mit Hilfe von Gleichung (8) eine dreidimensionale Temperaturverteilung T innerhalb des Volumens des Werkstücks 101 (1) ermittelt.In one step 202 subsequent process step 203 is through the evaluation unit 105 using equation (8), a three-dimensional temperature distribution T within the volume of the workpiece 101 ( 1 ).

Zur Ermittlung der dreidimensionalen Temperaturverteilung T bildet die Recheneinheit 105b Produktsummen der Koeffizientenwerte Cm,l mit den Basistemperaturfeldern Bm,l entsprechend der Gl. (8).To determine the three-dimensional temperature distribution T forms the arithmetic unit 105b Product sums of the coefficient values C m, l with the base temperature fields B m, l corresponding to Eq. (8th).

In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante gemäß der Erfindung stellt anschließend die Auswerteeinheit 105 die ermittelte Temperaturverteilung T in perspektivischer Ansicht oder als Schnittbild auf dem Anzeigegerät 106 (1) dar. In a further alternative method variant according to the invention, the evaluation unit subsequently provides 105 the determined temperature distribution T in perspective view or as a sectional image on the display device 106 ( 1 ).

In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante ist ferner ein weiterer Schritt vorgesehen, in dem die Auswerteeinheit 105 aus der Temperaturverteilung T in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur des Materials des Werkstücks 101 die Begrenzung des Schmelzbads, mit anderen Worten die Form eines Schmelzbades, ermittelt.In a further alternative method variant, a further step is also provided, in which the evaluation unit 105 from the temperature distribution T as a function of the melting temperature of the material of the workpiece 101 the boundary of the molten bath, in other words the shape of a molten bath determined.

In einer weiteren alternativen Verfahrensvariante ist ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen, in dem die Auswerteeinheit 105 anhand der ermittelten dreidimensionalen Temperaturverteilung T ein Bearbeitungsgerät, in diesem Fall den Laser 102, steuert. Beispielsweise ist die Auswerteeinheit 105 in diesem Ausführungsbeispiel eingerichtet, dass, wenn das Werkstück 101 durchgeschweißt werden soll, jedoch anhand der ermittelten Form des Schmelzbades erkannt wird, dass das Schmelzbad nicht die gesamte Dicke h des Werkstücks 101 durchgreift, mit anderen Worten, dass die Einschweißtiefe geringer als die Dicke h ist, die Auswerteeinheit 105 den Laser 102 so steuert, dass dessen Impulsenergie sich erhöht. Alternativ kann die Auswerteeinheit die Bewegungs- bzw. Verlagerungsgeschwindigkeit v verringern.In a further alternative method variant, an additional method step is provided in which the evaluation unit 105 based on the determined three-dimensional temperature distribution T a processing device, in this case the laser 102 , controls. For example, the evaluation unit 105 in this embodiment set up that when the workpiece 101 is to be welded through, but it is recognized on the basis of the determined shape of the molten bath that the molten bath is not the entire thickness h of the workpiece 101 engages, in other words, that the welding depth is less than the thickness h, the evaluation unit 105 the laser 102 so controls that its pulse energy increases. Alternatively, the evaluation unit can reduce the movement or displacement speed v.

Die 3 zeigt nun einen Ausschnitt einer Abbildung 300 des Anzeigegeräts 106 der 1. Zu erkennen ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts eines Werkstücks 301 mit Dicke h'. In der Abbildung 300 eingetragen ist eine Einwirkzone 307 mit ihrem Zentrum 307a. Ein die Einwirkzone 307 einhüllender Zylinder 308 mit Radius R' ist in der Abbildung 300 markiert. Außerhalb dieses Zylinders 308 ist eine ermittelte dreidimensionale Temperaturverteilung T dargestellt. Insbesondere sind Grenzbereiche 303a, 303b eines Schmelzbads 302 markiert. Somit lässt sich aus einer solchen Abbildung 300 zerstörungsfrei beispielsweise Tiefe, Breite und Fläche des Schmelzbads bzw. der gebildeten Schweißnaht sowie die zu erwartende Qualität der Schweißnaht auf einfache Weise und kostengünstig überwachen.The 3 now shows a section of a picture 300 of the display device 106 of the 1 , Evident is a schematic representation of a cross section of a workpiece 301 with thickness h '. In the picture 300 registered is an exposure zone 307 with her center 307a , A the action zone 307 enveloping cylinder 308 with radius R 'is in the picture 300 marked. Outside of this cylinder 308 a determined three-dimensional temperature distribution T is shown. In particular, border areas 303a . 303b a molten bath 302 marked. Thus, from such an illustration 300 non-destructive example, depth, width and surface of the molten bath or the weld formed and the expected quality of the weld in a simple and cost-effective monitoring.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 69204488 T2 [0003] DE 69204488 T2 [0003]

Claims (11)

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). Method for monitoring and / or analyzing thermal processing, in particular by laser beam welding, of a processing area ( 108a ) of a workpiece ( 101 ) with a processing beam ( 102 ), in particular a laser beam, comprising the method steps: a) detecting a two-dimensionally spatially resolved surface temperature distribution T O within a predetermined range ( 103a ) of the surface of the workpiece ( 101 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 which satisfies the spatially resolved surface temperature distribution T o T O (X O ) = f (X O ; C 1 , .., C j , ..., C n ) at predeterminable surface support points X O relates to the location-independent coefficient values C j , c) determining a three-dimensional temperature distribution T at support points X within the workpiece ( 101 ) based on the coefficient values C j and the function f according to T (X) = f (X; C 1 , .., C j , ..., C n ). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 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 TO(XO) = K + C1T1(XO) + ... + CjTj(XO) + ... + CnTn(XO) ermittelbar ist.Method according to Claim 1, characterized in that the location-independent coefficient values C j are determined such that the surface temperature distribution T O is a linear combination of predefined, location-dependent base temperature fields T j , preferably j = 1 .. n, weighted with the coefficient values C j and a calibration constant K according to T O (X O ) = K + C 1 T 1 (X O ) + ... + C j T j (X O ) + ... + C n T n (X O ) can be determined. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Basistemperaturfelder Tj durch Eigenschaften des Werkstücks (101) und/oder durch Bewegungsdaten des Werkstücks (101) und/oder des Bearbeitungsstrahls (102a) parametrisiert vordefiniert werden.A method according to claim 2, characterized in that the base temperature fields T j by properties of the workpiece ( 101 ) and / or by movement data of the workpiece ( 101 ) and / or the processing beam ( 102 ) parameterized predefined. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Basistemperaturfelder Tj als Basistemperaturfelder Bm,l mit den Indizes j eineindeutig zuordenbaren Indexpaaren m, l gemäß der folgenden Gleichung definiert werden:
Figure DE102016211782A1_0005
wobei r, φ, z den Koordinaten eines Stützpunktes X im Werkstück (101) in Polarkoordinatenform, h der Dicke des Werkstücks (101), ρ der Dichte des Werkstücks (101), λ der Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks (101) und c der Wärmekapazität des Werkstücks (101) entsprechen sowie v die Geschwindigkeit einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (101) und dem Bearbeitungsstrahl (102a) darstellt.
Method according to one of claims 2 or 3, characterized in that the base temperature fields T j are defined as basic temperature fields B m, l with the indices j a uniquely assignable index pairs m, l according to the following equation:
Figure DE102016211782A1_0005
where r, φ, z are the coordinates of a support point X in the workpiece ( 101 ) in polar coordinate form, h the thickness of the workpiece ( 101 ), ρ the density of the workpiece ( 101 ), λ the thermal conductivity of the workpiece ( 101 ) and c the heat capacity of the workpiece ( 101 ) and v the speed of a relative movement between the workpiece ( 101 ) and the processing beam ( 102 ).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperaturverteilung TO außerhalb eines vordefinierten Radius R um ein Zentrum einer Einwirkzone (107) des Bearbeitungsstrahls (102a) herum und/oder außerhalb eines Schmelzbads erfasst und/oder ausgewertet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface temperature distribution T O outside a predefined radius R about a center of an action zone ( 107 ) of the processing beam ( 102 ) around and / or outside a molten pool is detected and / or evaluated. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperaturverteilung TO erfasst wird, indem zunächst eine Intensitätsverteilung IO der von der Oberfläche des Werkstücks (101) ausgehenden Wärmestrahlung erfasst wird und aus dieser die Oberflächentemperaturverteilung TO bestimmt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface temperature distribution T O is detected by first an intensity distribution I O of the surface of the workpiece ( 101 ) outgoing heat radiation is detected and from this the surface temperature distribution T O is determined. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensitätsverteilung IO erfasst wird, indem zunächst mehrere zeitlich aufeinanderfolgende Einzel-Intensitätsverteilungen IEO erfasst werden und aus diesen dann ein Mittelwertbild ermittelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that 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. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form und/oder ein Verlauf eines Schmelzbades (302) und/oder eine Form und/oder ein Verlauf einer Naht, insbesondere einer Schweißnaht, aus der dreidimensionalen Temperaturverteilung T bestimmt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a shape and / or a course of a molten bath ( 302 ) and / or a shape and / or a course of a seam, in particular a weld, are determined from the three-dimensional temperature distribution T. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.Method according to one of the preceding claims, characterized in that processing settings, in particular pulse energy, pulse duration, pulse frequency, power, focus position and / or surface and / or processing speed of a thermal processing device, preferably a laser beam welding device, selected on the basis of the determined three-dimensional temperature distribution T and / or be changed. Überwachungsvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Überwachung und/oder Analyse einer thermischen Bearbeitung eines Werkstücks (101) mit einem Sensor (103), einer Bewegungsvorrichtung (104) und einer Auswerteeinheit (105), wobei die Überwachungsvorrichtung (10) eingerichtet ist, mittels des Sensors (103) zunächst eine zweidimensional ortsaufgelöste Oberflächentemperaturverteilung TO in einem vorgegebenen Bereich (103a) der Oberfläche des Werkstücks (101) zu erfassen, und wobei die Überwachungsvorrichtung (10) eingerichtet ist, mittels der Auswerteeinheit (105) anschließend einen eine vordefinierte Anzahl n umfassenden Satz von ortsunabhängigen Koeffizientenwerten Cj, vorzugsweise mit j = 1 .. n, aus der Oberflächentemperaturverteilung TO zu bestimmen sowie eine dreidimensionale Temperaturverteilung T innerhalb des Werkstücks (101) anhand der Koeffizientenwerte Cj zu ermitteln.Monitoring device for carrying out the method according to one of the preceding claims for monitoring and / or analyzing a thermal processing of a workpiece ( 101 ) with a sensor ( 103 ), a movement device ( 104 ) and an evaluation unit ( 105 ), the monitoring device ( 10 ) is set up by means of the sensor ( 103 ) First, a two-dimensional spatially resolved surface temperature distribution T O in a predetermined range ( 103a ) of the surface of the workpiece ( 101 ), and wherein the monitoring device ( 10 ) is set up, by means of the evaluation unit ( 105 ) then to determine a predefined number n comprising set of location-independent 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 ( 101 ) based on the coefficient values C j . Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (105) wenigstens eine Recheneinheit (105a, 105b) aufweist, 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.Monitoring device according to claim 10, characterized in that the evaluation unit ( 105 ) at least one arithmetic unit ( 105a . 105b ), which is set up to solve a non-linear and / or a linear equation system and / or to determine an approximate solution for an over-determined system of equations and / or to determine a product sum.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108857027A (en) * 2018-08-17 2018-11-23 龙岩学院 Quality monitoring device and monitoring method during micro welding
CN109991270A (en) * 2019-04-08 2019-07-09 包头稀土研究院 Magnetothermal effect measuring instrument temperature sensor fixing means
CN112240802A (en) * 2019-07-18 2021-01-19 博世汽车部件(苏州)有限公司 Method and system for monitoring a processing temperature during processing of a workpiece
WO2021228989A1 (en) * 2020-05-15 2021-11-18 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method for monitoring a connection area during the laser welding of copper-containing, bent bar conductors
DE102021133930B3 (en) 2021-12-20 2023-06-22 Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts Method for determining a temperature distribution in and/or directly around a melt pool during laser or electron beam melting

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69204488T2 (en) 1991-02-14 1996-02-22 France Etat Method for controlling a surface treatment using a scan with a radiation beam, in particular a laser beam.
DE19650883C2 (en) * 1996-12-07 1999-09-23 Saechsisches Textilforsch Inst Process for non-contact and non-destructive testing of welds on moving webs
WO2008052591A1 (en) * 2006-11-04 2008-05-08 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co.Kg Method and device for process monitoring during the working of a material

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69204488T2 (en) 1991-02-14 1996-02-22 France Etat Method for controlling a surface treatment using a scan with a radiation beam, in particular a laser beam.
DE19650883C2 (en) * 1996-12-07 1999-09-23 Saechsisches Textilforsch Inst Process for non-contact and non-destructive testing of welds on moving webs
WO2008052591A1 (en) * 2006-11-04 2008-05-08 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co.Kg Method and device for process monitoring during the working of a material

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AL-KARAWI, Janan; SCHMIDT, Jürgen.: Application of Infrared Thermography to the analysis of Welding processes. In: 7th International Conference on Quantitative Infrared Thermography, Belgium. 2004. *
LEONG, K. H.; GARTNER, M.: Laser weld penetration estimation using temperature measurements. Journal of manufacturing science and engineering, 1999, 121. Jg., S. 179. *
WANG, Yuwen; CHIN, B. A.: On line sensing of weld penetration using infrared thermography. In: 1986 Quebec Symposium. International Society for Optics and Photonics, 1986. S. 314-320. *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108857027A (en) * 2018-08-17 2018-11-23 龙岩学院 Quality monitoring device and monitoring method during micro welding
CN109991270A (en) * 2019-04-08 2019-07-09 包头稀土研究院 Magnetothermal effect measuring instrument temperature sensor fixing means
CN112240802A (en) * 2019-07-18 2021-01-19 博世汽车部件(苏州)有限公司 Method and system for monitoring a processing temperature during processing of a workpiece
WO2021228989A1 (en) * 2020-05-15 2021-11-18 Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh Method for monitoring a connection area during the laser welding of copper-containing, bent bar conductors
DE102021133930B3 (en) 2021-12-20 2023-06-22 Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts Method for determining a temperature distribution in and/or directly around a melt pool during laser or electron beam melting

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