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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Einschweißtiefe während des thermischen Fügens von Werkstücken in einem Lasermodul.
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Beim thermischen Fügen mit lasertechnischen Anlagen ist eine konstante Einschweißtiefe während des Schweißprozesses in der Regel nur durch Anpassung der Schweißparameter an die Fügeaufgabe möglich, so dass für jede Fügeaufgabe spezielle Parameter notwendig werden. So sind für reproduzierbare Ergebnisse einerseits zeitaufwändige Parameterstudien notwendig, andererseits kann mit dieser sogenannten Offline-Methode während des Fügeprozesses nicht auf Schwankungen, beispielsweise in der Werkstoffdicke, reagiert werden.
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Für den Einsatz eines kompakten Laserwerkzeuges mit einseitiger Zugänglichkeit und ohne Schutzumhausung, also ohne Laserschutzzelle, sowie zur Einhaltung der gesetzlichen sicherheitstechnischen Bestimmungen zum Schutz von Mensch und Maschine ist es unabdingbar, dass die Laserstrahlung nicht in einer unvorhergesehenen Weise den sicheren Bereich verlässt. Wird diese Forderung erfüllt, kann unter Einhaltung der sicherheitstechnischen Anforderungen eine derartige Anlage mit der Laserklasse 1 klassifiziert werden. Diese Laserklasse gibt an, dass die Strahlung für den Menschen bei ordnungsgemäßem Umgang mit der Anlage ungefährlich ist.
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Bisher können Laserwerkzeuge aus sicherheitstechnischen Aspekten nur in Schutzumhausungen verwendet werden, die ein Austreten der Strahlungsemissionen in einen für den Menschen zugänglichen Bereich verhindern.
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Für die Verwendung eines Laserwerkzeuges mit gleichzeitigem Verzicht bzw. einer geometrischen Reduzierung der Schutzumhausung könnte ein System, das die Einschweißtiefe kontinuierlich während des Fügens kontrolliert und ggf. korrigiert, für eine sicherheitstechnische Plausibilitätsklärung der vorherrschenden Bedingungen verwendet werden. Ein solches Mess- und Überwachungssystem verhindert im Schweißbetrieb und unter vorgebbaren Bedingungen das Durchschweißen bzw. ein Austreten des Laserstrahls aus der Werkstückunterseite, d. h. die am Werkstück der Lasereintrittsfläche gegenüberliegende Fläche des Werkstücks.
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Bisher sind nur wenige Lösungen bekannt, die eine Einschweißtiefe bestimmen und regeln. Diese Lösungen sind in der Regel Insellösungen und finden nur in Großanlagen, wie z. B. Portalen, Anwendung. Derartige Anlagen können üblicherweise nur mit einer Schutzumhausung eingesetzt werden, da kein Strahlenschutz zwischen der Austrittsöffnung am Laserbearbeitungswerkzeug und den zu fügenden Werkstücken angeordnet ist. Eine geometrische Reduzierung der Schutzumhausung auf diesen Bereich ist aus prozesstechnischer Sicht nicht vorgesehen und schränkt zudem die Flexibilität des Fügeprozesses ein.
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Es sind aber auch Laserwerkzeuge auf Zangenbasis bekannt, die ohne Schutzumhausung betrieben werden können und in die Laserklasse 1 klassifiziert werden können. Jedoch schränkt der Aufbau der Werkzeuge in Form einer Zange die Flexibilität des Fügens, vor allem wegen der notwenigen beidseitigen Zugänglichkeit des Werkstücks bzw. der Werkstücke für die Zange, erheblich ein.
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Messsysteme und -technologien zur Online-Bestimmung der Einschweißtiefe, d.h. zur Echtzeitbestimmung der Einschweißtiefe während des Fügens sind in geringem Umfang bekannt. Sie ermitteln i.d.R. die Einschweißtiefe anhand spektrometrischer Analysen der Prozessemissionen. So wird beispielsweise die Leuchtdichte des Schweißplasmas, das sich durch das Auftreffen des Laserstrahls auf das Werkstück bildet, ausgewertet. Jedoch ist für die Messwertauswertung hinsichtlich der Einschweißtiefe die Berücksichtigung unterschiedlicher Werkstückzusammensetzungen, Werkstückdicken und anderer Parameter notwendig. Die spektrometrische Analyse ist damit eine quasistatische indirekte Methode zur Bestimmung der Einschweißtiefe, da keine direkte Messung der Einschweißtiefe vorgenommen wird, sondern nur Rückschlüsse auf die temporäre Einschweißtiefe anhand der Prozessemissionen gezogen werden.
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Als Auswerteeinheit kommen i.d.R. Fotodioden oder -arrays zum Einsatz. Die Detektion der Reflektionen des Laserstrahls im Bauteil durch Fotodioden und deren Auswertung kann als Eingangssignal für eine Regelung genutzt werden. Allerdings stellt die raumtechnische Unterbringung der Messtechnik, also u.a. der Fotodioden, am bzw. in unmittelbarer Nähe zum Laserwerkzeug eine besondere Herausforderung dar.
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Alle bekannten Lösungen für die benannten Probleme eignen sich nicht für eine spontane, prozessbedingte Änderung der temporären Einschweißtiefe, wie sie sich beispielsweise durch Werkstoffinhomogenitäten, Oberflächeneffekte, die Laserschweißanlage oder äußere Einflüsse ergeben.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit zur Regelung einer Einschweißtiefe vorzuschlagen, so dass während des Fügeprozesses kontinuierlich die Einschweißtiefe ermittelt und geregelt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den untergeordneten Ansprüchen bezeichnet.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Regelung einer Einschweißtiefe während des thermischen Fügens von Werkstücken in einem Lasermodul wird während des Fügens der Werkstücke in dem Lasermodul mit einer darin angeordneten Messeinrichtung eine erste Einschweißtiefe des Laserstrahls an mindestens einem Messpunkt bestimmt. Diese erste Einschweißtiefe wird an ein mit der Messeinrichtung verbundenes Rechenmodul übermittelt. Das Rechenmodul berechnet aus der ersten Einschweißtiefe mindestens ein Regelungssignal.
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Aus dem Regelungssignal, sowie Schweißparametern für die zu fügenden Werkstücke und Randbedingungen für das Fügen der Werkstücke berechnet das Rechenmodul mindestens eine Stellgröße zum Erreichen eines Sollwertes der Einschweißtiefe. Die Schweißparameter sind in einem Parametermodul, das mit dem Rechenmodul verbunden ist, hinterlegt. Die Randbedingungen für das Fügen der Werkstücke sind in einem mit der Recheneinheit verbundenen Randbedingungsmodul hinterlegt.
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Die mindestens eine berechnete Stellgröße wird an das Lasermodul übermittelt und die Parameter an die mindestens eine Stellgröße angepasst.
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Die mit der Messeinrichtung bestimmte erste Einschweißtiefe kann in Form eines analogen Spannungssignals ausgegeben, durch die Messeinrichtung in ein digitales Signal umgewandelt und das digitale Signal an das Rechenmodul übermittelt werden.
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Als Stellgröße für das Verfahren zum Erreichen eines Sollwerts der zu erreichenden Einschweißtiefe kann die Laserleistung des Laserstrahls, die Fokuslage des Laserstrahls, die Brennweite des Laserstrahls, die Vorschubgeschwindigkeit des Brennflecks des Laserstrahls und/oder die Position einer Laseroptik in dem Lasermodul in Bezug zu einem dem ersten Messpunkt folgenden Messpunkt angepasst werden. Dabei können auch mehrere Stellgrößen in Kombination zum Erreichen des Sollwerts der zu erreichenden Einschweißtiefe ausgewählt werden.
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Vorzugsweise kann die erste Einschweißtiefe kontinuierlich während des Fügeprozesses und/oder in vorgegebenen Zeitabständen bestimmt werden und daraus mindestens ein Regelungssignal und mindestens eine Stellgröße für jeden Messpunkt bestimmt werden. Eine kontinuierliche Messung hat den Vorteil, dass zum Beispiel Werkstoffinhomogenitäten in den zu fügenden Werkstücken, mechanische Schwingungen in der Schweißanlage, Änderungen der Schweißposition während des Fügeprozesses und/oder Leistungsschwankungen der Strahlquelle sofort erkannt werden und damit unverzüglich die Stellgröße(n) angepasst werden können.
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Im Randbedingungsmodul sind als Randbedingungen für das Fügen der Werkstücke Typ und Leistung des verwendeten Laserstrahls, Typ und Durchmesser verwendeter Lichtleitfasern, Typ der verwendeten Laserschweißoptik, Typ und Dimension einer Fügekonstellation, Werkstoff(en) der zu fügenden Werkstücke und/oder eine benutzerdefinierte Lage der Einschweißtiefe hinterlegt. Sie sollten bei der Berechnung der mindestens einen Stellgröße berücksichtigt werden.
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Die Randbedingen sind vorzugsweise von der verwendeten Schweißanlage abhängig und können von einem Benutzer der Schweißanlage in das Randbedingungsmodul eingegeben und/oder ergänzt werden. Die Randbedingungen erfassen dabei bevorzugt die Randbedingungen einer konkreten Schweißaufgabe, für die auch die Regelung der Einschweißtiefe erfolgen soll. Damit kann eine automatisierte Regelung der Stellgröße(n) für den Fügeprozess vereinfacht werden.
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Die Anzahl verschiedener Fügeaufgaben, die mit einer Schweißanalage realisiert werden, sind in der Regel durch die Größe der Anlage und/oder die Produktionssparte des Benutzers der Schweißanlagen begrenzt. Daher können auch eine Vielzahl von Randbedingungen und/oder Randbedingungskombinationen für die jeweiligen Fügeaufgaben in dem Randbedingungsmodul hinterlegt werden, aus denen ein Benutzer der Schweißanlage dann die konkreten Randbedingungen für die konkrete Fügeaufgabe auswählen kann.
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In dem Parametermodul sollten die Schweißparameter sämtlicher mit dem Lasermodul fügbarer Werkstücke hinterlegt sein. Dies sind bevorzugt die Dicke der zu fügenden Werkstücke, die Werkstoffe aus denen die Werkstücke gebildet sind, die Fügekonstellation, d.h. die Anzahl der am Verbund beteiligten Fügepartner und/oder das Laserleistungs-Aufschmelzäquivalent. Unter dem Laserleistungs-Aufschmelzäquivalent soll das Verhältnis der resultierenden Einschweißtiefe im Werkstück zur eingebrachten Laserleistung verstanden werden. Sie sollten bei der Berechnung der mindestens einen Stellgröße berücksichtigt werden. Diese Parameter ergeben sich aus den Fügeaufgaben, die von einem Benutzer der jeweiligen Schweißanlage zu realisieren sind, und können von diesem Benutzer in das Parametermodul eingegeben und/oder ergänzt werden.
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Da die Anzahl verschiedener Fügeaufgaben, die mit einer Schweißanalage realisiert werden, in der Regel begrenzt ist, können vorteilhaft auch die beschriebenen Parameter aller Werkstück- und Werkstoffkombinationen der für die jeweilige Schweißanlage anfallenden Fügeaufgaben in dem Parametermodul hinterlegt werden und es kann so stets eine automatisierte Regelung der Stellgrößen ohne manuelle Anpassung der Schweißanalage erfolgen.
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Das Rechenmodul kann dazu ausgebildet sein, aus den Randbedingungen aus dem Randbedingungsmodul und/oder den Parametern aus dem Parametermodul die Plausibilität des jeweiligen Regelungssignals zu überprüfen. Plausibilität bedeutet dabei, dass die ermittelten Parameter und Randbedingungen einen eindeutig sinnvollen und logischen Zusammenhang für die Regelung ergeben und damit die Richtigkeit der Messwerte und/oder der Rechenwerte bestätigen. Eine Strahlquelle des Lasermoduls wird also nur dann freigegeben, wenn plausibel ist, dass die Schweißung sicher und mit ausreichender Qualität durchgeführt werden kann. Damit kann vermieden werden, dass der Laserstrahl beim Fügen durch die zu fügenden Werkstücke hindurchtritt und damit eine Gefahr für Mensch und Maschine bildet, oder aber andere Beschädigungen an der Schweißanlage verursacht.
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Es kann außerdem vorgesehen sein, dass das Rechenmodul die Randbedingungen aus dem Randbedingungsmodul und/oder die Parameter aus dem Parametermodul prüft und daraus eine Aussage über die Fügbarkeit der Werkstücke unter den vorgegebenen Randbedingungen und Parametern ermittelt. So kann ein Benutzer der Schweißanlage von vorn herein erkennen, ob unter den vorgegebenen Randbedingungen eine Fügeverbindung grundsätzlich möglich ist, und ob mit den vorgegebenen Parametern eine ausreichende Qualität der Fügeverbindung erreichbar ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn vor dem Beginn eines Fügeprozesses das Messsignal zur Ermittlung der Einschweißtiefe kalibriert wird. Damit kann sichergestellt werden, dass die erste Einschweißtiefe als Basis für sämtliche Berechnungen und die Regelung der Einschweißtiefe korrekt bestimmt und die Stellgröße(n) entsprechend angepasst werden können.
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In einer Variante des Verfahrens kann eine Strahlquelle des Lasermoduls abgeschaltet werden, wenn mit dem Rechenmodul an mindestens einem Messpunkt eine erste Einschweißtiefe ermittelt wird, die außerhalb eines vorgebbaren Bereichs liegt. Zum einen kann so eine vorgegebene Qualität und Lage der Fügeverbindung sichergestellt werden, zum anderen kann auf diesem Weg das Durchtreten des Laserstrahls durch die zu fügenden Werkstücke infolge von Werkstoffinhomogenitäten verhindert werden.
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Ein Computerprogrammprodukt enthält eine auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherte Befehlsfolge zum Durchführen des Verfahrens zur Regelung einer Einschweißtiefe während des thermischen Fügens. Das Computerprogrammprodukt läuft dabei auf dem Rechenmodul ab.
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In dem Computerprogrammprodukt können die Randbedingungen des Randbedingungsmoduls und/oder die Schweißparameter des Parametermoduls in einem Datenspeicher hinterlegt sein. Sie können aber auch in separaten Datenspeichern hinterlegt werden, in die einzeln weitere Parameter bzw. Randbedingungen ergänzt werden können.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die automatisierte Regelung der Einschweißtiefe während eines Fügeprozesses in Echtzeit, die eine sofortige Anpassung an veränderte Bedingungen im Fügeprozess ermöglicht. Dies kann auch die Fügegeschwindigkeiten erhöhen. Durch die Verwendung von Parameter- und Randbedingungsmodulen kann die Regelung an jede mit der Schweißanlage durchzuführende Fügeaufgabe automatisiert angepasst werden.
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Da im Arbeitsraum der Schweißanlage kein separater Detektor angeordnet werden muss, wird die Zugänglichkeit zu fügender Werkstücke nicht eingeschränkt.
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Nachfolgend soll das Verfahren beispielhaft näher erläutert werden. Dabei zeigt:
- 1 einen beispielhaften schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Das Verfahren wird durch ein Computerprogrammprodukt, das eine auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherte Befehlsfolge zum Durchführen des Verfahrens enthält, durchgeführt. Das Computerprogrammprodukt läuft auf einem Rechenmodul 4 ab.
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Vor Beginn einer Fügeaufgabe, bei der Werkstücke 3 mit einem Laserstrahl 1 in einem Lasermodul 6 gefügt werden sollen, werden von einem Benutzer des Lasermoduls 6 die Randbedingungen der konkreten Schweißaufgabe, wie beispielsweise Typ und Leistung der Schweißanlage, Typ und Dimension der Fügekonstellation und die Werkstoffe der zu fügenden Werkstücke in das Randbedingungsmodul 8 eingegeben. Sie können aber auch bereits in dem Randbedingungsmodul 8 hinterlegt sein, so dass ein Benutzer nur noch die jeweiligen Randbedingungen auswählt.
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Unter einem Lasermodul 6 soll eine Laserschweißanlage verstanden werden, wobei damit auch alle Einrichtungen zur Beeinflussung der Position des Laserstrahls 1, also auch ein Manipulator und Steuereinrichtungen gemeint sind.
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In einem Parametermodul 7 ist eine Vielzahl von Randbedingungen für eine Vielzahl von Fügeaufgaben, die mit diesem Lasermodul 6 ausführbar sind, hinterlegt. Sie können aber auch durch den Benutzer des Lasermoduls 6 geändert und/oder ergänzt werden. Diese Randbedingungen beinhalten beispielsweise die Dicke von mit dem Lasermodul 6 zu fügender Werkstücke 3, die Werkstoffe dieser Werkstücke 3, die Fügekonstellation, also die Anzahl der am Verbund beteiligten Fügepartner und/oder das Laserleistungs-Aufschmelz-Äquivalent.
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Die Inhalte des Randbedingungsmoduls 8 und des Parametermoduls 7 sind in einem gemeinsamen Datenspeicher abgelegt.
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Wie 1 zeigt, sind die Messeinrichtung 2, das Randbedingungsmodul 8 und das Parametermodul 7 mit einem Rechenmodul 4 verbunden. Das Rechenmodul 4, das Parametermodul 8 und das Randbedingungsmodul 7 können an oder in dem Lasermodul 6 angeordnet sein. Die Messeinrichtung 2 ist in dem Lasermodul 6 angeordnet.
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Zunächst prüft das Rechenmodul 4, ob die Randbedingungen und die Parameter plausibel sind, also ob ein Fügen der Werkstücke 3 unter den vorgegebenen Bedingungen in dem Lasermodul 6 ohne Gefährdung von Benutzer und Lasermodul 6 möglich ist. Liegt Plausibilität vor, wird die Strahlquelle des Lasermoduls 6 freigeschaltet.
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Außerdem prüft das Rechenmodul 4, ob unter den vorgegebenen Randbedingungen und Parametern eine Fügeverbindung in einer vorgegebenen Qualität erreichbar ist und gibt diese Information an den Benutzer aus. Der Benutzer kann dann, falls erforderlich, die Parameter und/oder Randbedingungen für die konkrete Fügeaufgabe anpassen.
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Folgend wird die Laseroptik an eine Ausgangsposition für die Fügeaufgabe bewegt. Sobald diese Position erreicht ist, wird durch das Rechenmodul 4 ein Kalibriervorgang ausgelöst, bei dem das Messsignal der Messeinrichtung 2 zur Bestimmung der ersten Einschweißtiefe t1 auf eine Null-Position kalibriert wird. Anschließend wird die Strahlquelle des Laserstrahls 1 aktiviert und der Fügeprozess beginnt.
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Während des Fügens misst die Messeinrichtung 2 kontinuierlich eine erste Einschweißtiefe t1 an einer Vielzahl von Messpunkten P entlang des Fügebereichs der Werkstücke 3. Die Messeinrichtung 2 wandelt die dabei bestimmten analogen elektrischen Spannungssignale zu jedem Messpunkt P in digitale Signale um und übermittelt diese an das Rechenmodul 4. Das Rechenmodul 4 berechnet aus den übermittelten digitalen Signalen jeweils mindestens ein Regelungssignal R. Liegt das Regelungssignal R innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, kann der Fügeprozess unverändert fortgesetzt werden.
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Liegt das Regelungssignal R außerhalb eines vorgegebenen Bereichs, wird aus dem Regelungssignal R, den Parametern aus dem Parametermodul 7 und den Randbedingungen aus dem Randbedingungsmodul 8 durch das Rechenmodul 4 nun mindestens eine Stellgröße S berechnet, mit der eine Änderung mindestens eines Parameters, der zum Schweißen genutzt wird, erreicht wird. Eine Abweichung der Einschweißtiefe t1 und damit des Regelungssignals R kann beispielsweise durch eine Inhomogenität im Werkstoff eines der zu fügenden Werkstücke 3 entstehen.
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Die Stellgröße S kann die Laserleistung des Laserstrahls 1 sein, aber auch die Fokuslage des Laserstrahls 1, die durch eine Regelung des Abstandes zwischen Schweißoptik und der der Schweißoptik zugewandten Oberfläche der zu fügenden Werkstücke 3 angepasst werden kann. Es können auch weitere Stellgrößen S einzeln oder in Kombination berechnet werden. Die ermittelte(n) Stellgröße(n) S wird/werden von dem Rechenmodul 4 an das Lasermodul 6 übermittelt. In dem Lasermodul 6 wird/werden die jeweilige(n) Stellgröße(n) angepasst, so dass eine vorgegebene Einschweißtiefe t1 entlang der gesamten Fügeverbindung erreicht werden kann.
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Wird ein zulässiger Toleranzbereich um ein vorgegebenes Maß über- oder unterschritten, schaltet das Rechenmodul 4 die Strahlquelle des Lasermoduls 6 ab, um eine Gefahr für den Benutzer und/oder eine Beschädigung des Lasermoduls 6 zu vermeiden.
