DE102017010108A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem Laserschweißprozess zugeführten Schweißdrahtes - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem Laserschweißprozess zugeführten Schweißdrahtes Download PDF

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Christian Truckenbrodt
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) und ein Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem Laserschweißprozess zugeführten Schweißdrahtes (14), umfassend eine optische Erfassungseinrichtung (40), die mit einer Bearbeitungsstrahloptik (22) zur Bereitstellung eines Laserbearbeitungsstrahls (26) koppelbar ist, wobei während des Laserschweißprozesses der Schweißdraht (14) über den Laserbearbeitungsstrahl (26) unter Bildung einer Verbindungsnaht an einem Werkstück (16) lokal einer Bearbeitungsstelle (36) aufgeschmolzen wird, wobei die optische Erfassungseinrichtung (40) derart angeordnet ist, dass sie zur Erfassung von Prozesslicht ausgebildet ist, das bei der Bearbeitung des Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) in einem der Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) zugeordneten Überwachungsbereich (44) erzeugt wird, wobei die Vorrichtung (10) ferner eine Auswertungseinheit (42) umfasst, die zur Analyse der von der optischen Erfassungseinrichtung (40) innerhalb des Überwachungsbereichs erfassten Daten ausgebildet ist, um eine Relativlage zwischen der Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) und einer Drahtzufuhrstelle (18) zu ermitteln, an der der Schweißdraht (14) auf dem Werkstück (16) zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem Laserschweißprozess zugeführten Schweißdrahtes.
  • Das Zuführen eines Schweißdrahtes zu einem Laserschweißprozess, wobei der Schweißdrahtes an einer vorbestimmten Auftreffstelle eines von einer Bearbeitungsstrahloptik erzeugten Laserbearbeitungsstrahls lokal aufgeschmolzen wird, um an einem Werkstück eine Verbindungsfügenaht auszubilden, ist im Stand der Technik wohlbekannt.
  • Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise das Dokument DE 100 06 852 A1 . maßgeblich ist dabei, den Schweißdraht am Werkstück möglichst genau der Auftreffstelle des Laserbearbeitungsstrahls zuzuführen, um einen qualitativ hochwertigen Laserschweißprozess mit einer hohen Nahtgüte auszuführen. Dafür ist es auch erforderlich, genaue Kenntnis darüber zu haben, wo genau die Schweißnaht auszubilden ist. Diese Kenntnis über den Verlauf eines mit einer Schweißnaht zu versehenden Stoßes oder dergleichen an einem Werkstück ist regelmäßig zu überwachen, um im Laufe des Laserschweißprozesses sowohl den Schweißdraht als auch den Laserbearbeitungsstrahl exakt dem Stoßverlauf nachzuführen. Hierfür sieht das Dokument DE 100 06 852 A1 vor, den Schweißdraht als mechanisches Tastelement zu verwenden und die Drahtspitze kraftschlüssig und taktil entlang der Werkstückoberfläche zu führen. Dieses Verfahren stößt aber im Prozess an seine Grenzen, weil der Schweißdraht vom Laserbearbeitungsstrahl an seiner Kontaktstelle zum Werkstück aufgeschmolzen wird und so nur bedingt als taktiles Tastelement zuverlässig und zur genauen Datenerfassung nutzbar ist.
  • Das Dokument DE 10 2013 008 085 B1 beschreibt ein Verfahren, bei dem für einen Laserschweißprozess ein Zusatzwerkstoff, wie beispielsweise ein Schweißdraht, zugeführt wird. Bei diesem Verfahren wird während des Schweißprozesses die momentane Relativgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück ermittelt und nach Maßgabe zusätzlicher Parameter, wie etwa der Leistung des Laserbearbeitungsstrahls, die Zuführrate für den Schweißdraht gesteuert. Die Erfassung der Relativgeschwindigkeiten erfolgt über ein in dem Bearbeitungskopf integriertes Kamerasystem, dem eine entsprechende Auswertungseinheit zugeordnet ist.
  • Das Dokument DE 10 2014 008 265 B3 beschreibt eine Vorrichtung zum Durchführen eines Laserschweißprozesses, bei der ein Kamerasystem vorgesehen ist, um einen Laserschweißprozess zu überwachen. Dabei ist vorgesehen, mittels der Kamera auch Bereiche abzutasten, die nicht unmittelbar entlang eines Hauptbearbeitungspfads liegen.
  • Ferner beschreibt das Dokument DE 10 2009 050 784 A1 ein Verfahren, bei der mittels einer Kamera und unter Zuschaltung einer Fremdlichtquelle eine Bearbeitungsstelle überwacht wird. Unter Veränderung der Lichtverhältnisse durch gezieltes Einschalten und Ausschalten der Fremdlichtquelle können Bilddaten erzeugt werden, die bei geeigneter Auswertung Auskunft über die Güte des Laserbearbeitungsprozesses geben.
  • Die vorstehend geschilderten Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung verschiedener Laserschweißprozesse aus dem Stand der Technik tragen allerdings nicht dem Problem Rechnung, dass es im Laufe des Betriebs über einen längeren Zeitraum zu Ungenauigkeiten bei der Zufuhr des Schweißdrahtes kommen kann. Beispielsweise kann eine regelmäßig zur Zufuhr des Schweißdrahtes genutzte Drahtzuführdüse mit der Zeit Verschleiß unterliegen, sodass selbst bei Berücksichtigung von Toleranzen bei der Dicke des Schweißdrahtes ein gewisses Spiel zwischen Draht und Düse auftritt. Dies führt dazu, dass die Ist-Position der Drahtzufuhrstelle von der erwarteten Sollposition abweicht, sodass der Bearbeitungsstrahl den Schweißdraht verfehlt oder der Schweißdraht an einer Stelle aufgeschmolzen wird, die nicht mit einem Hauptbearbeitungspfad zum Erzielen der Schweißnaht zusammenfällt.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren der eingangs bezeichneten Art bereitzustellen, die es zum Zwecke der Erzielung einer hohen Schweißnahtgüte ermöglichen, exakt während eines Laserschweißprozesses die aktuelle Position eines zugeführten Schweißdrahtes zu ermitteln.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs bezeichneten Art gelöst, umfassend eine optische Erfassungseinrichtung, die mit einer Bearbeitungsstrahloptik zur Bereitstellung eines Laserbearbeitungsstrahls koppelbar ist, wobei während des Laserschweißprozesses der Schweißdraht über den Laserbearbeitungsstrahl unter Bildung einer Verbindungsnaht an einem Werkstück lokal an einer Bearbeitungsstelle aufgeschmolzen wird, wobei die optische Erfassungseinrichtung derart angeordnet ist, dass sie zur Erfassung von Prozesslicht ausgebildet ist, das bei der Bearbeitung des Werkstücks durch den Laserbearbeitungsstrahl in einem der Bearbeitungsstelle des Werkstücks zugeordneten Überwachungsbereich erzeugt wird, wobei die Vorrichtung ferner eine Auswertungseinheit umfasst, die zur Analyse der von der optischen Erfassungseinrichtung innerhalb des Überwachungsbereichs erfassten Daten ausgebildet ist, um eine Relativlage zwischen der Bearbeitungsstelle des Werkstücks durch den Laserbearbeitungsstrahl und einer Drahtzufuhrstelle zu ermitteln, an der der Schweißdraht an dem Werkstück zugeführt wird.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird gezielt die exakte Lage des Schweißdrahtes an dem Werkstück während des Laserschweißprozesses ermittelt. Für den Fall, dass der Schweißdraht mit seiner Drahtzufuhrstelle von seiner Sollposition an dem Werkstück bzw. bezüglich der Bearbeitungsstelle abweicht, ist es möglich, das Werkstück oder/und die Bearbeitungsstelle, d. h. die Auftreffstelle, an der der Laserbearbeitungsstrahl auf das Werkstück trifft, oder/und die Drahtzufuhrstelle zu korrigieren, um die Positionen wieder optimal aufeinander auszurichten. Zur Ermittlung der jeweiligen Positionen wird das während des Laserbearbeitungsprozesses genutzte Prozesslicht verwendet.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht in diesem Zusammenhang vor, dass die Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, die von der optischen Erfassungseinrichtung innerhalb des Überwachungsbereichs erfassten Daten auf Reflexionen von Prozesslicht und/oder Fremdlicht an einer Kontur des Schweißdrahtes auszuwerten und nach Maßgabe dessen auf die aktuelle Position der Drahtzufuhrstelle und der Relativlage zu der Bearbeitungsstelle zu schließen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass der Schweißdraht in der Regel eine kreiszylindrische metallisch reflektierende Oberfläche aufweist, die sich durch unmittelbares Bestrahlen nur schwer erfassen lässt. Es hat sich jedoch gezeigt, dass Reflexionen von Prozesslicht an der Oberfläche des Schweißdrahtes häufig ein bestimmtes wiederkehrendes Muster zeigen, wie etwa zwei parallele Linien entlang der Längsrichtung des Schweißdrahtes, welche sich bei einer optischen Überwachung des Überwachungsbereichs und bei geeigneter Analyse der dabei gewonnenen Bilddaten klar erkennen lassen.
  • Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung wenigstens eine Fremdlichtquelle umfassen, um das Werkstück im Überwachungsbereich zusätzlich zum Prozesslicht mit Fremdlicht einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs zu bestrahlen. Dabei ist es erfindungsgemäß möglich, dass die wenigstens eine Fremdlichtquelle wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist. Zur optischen Erfassung des Überwachungsbereichs kann in diesem Zusammenhang die Fremdlichtquelle wahlweise zugeschaltet oder abgeschaltet werden, um unterschiedlich beleuchtete Aufnahmen über die optische Überwachungseinrichtung zu erhalten. Vergleicht man dann diese Aufnahmen, so lässt sich auf die aktuelle Lage des Schweißdrahtes schließen. Insbesondere kann in diesem Zusammenhang vorgesehen sein, dass die Auswertungseinheit dazu ausgebildet ist, die von der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Daten, vorzugsweise Bilddaten, durch Addition oder Subtraktion zeitlich nacheinander erfasster Daten, vorzugsweise Bilddaten, auszuwerten. So ist es möglich, zumindest eine mit Fremdlicht beleuchtete und zumindest eine unmittelbar im Anschluss daran erlangte unbeleuchtete Aufnahme des Überwachungsbereichs, oder eine zeitliche Abfolge mehrerer Aufnahmen, im Rahmen einer digitalen Bilddatenverarbeitung digital voneinander zu subtrahieren, um so die Unterschiede zwischen beiden Aufnahmen digital zu extrahieren. Dabei treten regelmäßig Reflexionseffekte im Rahmen der Auswertung hervor, wie beispielsweise linienförmigen Reflexionen entlang der seitlichen Oberfläche des Schweißdrahtes. Alternativ zu einer Subtraktion können die einzelnen Aufnahmen auch digital aufaddiert werden, umso bestimmte Reflexionseffekte besonders hervorzuheben. Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die optische Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Überwachungsbereich mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zu erfassen.
  • Wie eingangs bereits angedeutet, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Schweißdraht über eine Schweißdrahtdüse zuführbar ist.
  • Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die optische Erfassungseinrichtung eine Kamera umfasst, die Bilddaten bereitstellt.
  • Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem mit einem Laserbearbeitungsstrahl an einer Bearbeitungsstelle eines Werkstücks ausgeführten Laserschweißprozess gelöst, wobei der Bearbeitungsstelle an einer Drahtzufuhrstelle ein Schweißdrahtes zugeführt wird, insbesondere mit einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art, umfassend die folgenden Schritte:
    • - Erfassen von Prozesslicht, das bei der Bearbeitung eines Werkstücks durch den Laserbearbeitungsstrahl in einem einer Bearbeitungsstelle des Werkstücks zugeordneten Überwachungsbereich erzeugt wird,
    • - Bereitstellen von Daten, die das im Überwachungsbereich erfasste Prozesslicht beschreiben,
    • - Auswerten der erfassten Daten, um eine Relativlage zwischen der Bearbeitungsstelle des Werkstücks durch den Laserbearbeitungsstrahl und der Drahtzufuhrstelle zu ermitteln, an der der Schweißdraht auf dem Werkstück zugeführt wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann ferner vorgesehen sein, dass die von der optischen Erfassungseinrichtung innerhalb des Überwachungsbereichs erfassten Daten mittels der Auswertungseinheit auf Reflexionen von Prozesslicht und oder Fremdlicht an einer Kontur des Schweißdrahtes ausgewertet werden und das darauf aufbauend auf die aktuelle Position der Drahtzufuhrstelle und der Relativlage zu der Bearbeitungsstelle geschlossen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einer Ausführungsvariante ferner vor, dass das Werkstück durch wenigstens eine Fremdlichtquelle im Überwachungsbereich zusätzlich zum Prozesslicht mit Fremdlicht einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs bestrahlt wird. In der Folge kann eine wellenlängenabhängige Analyse mittels der Kamera und der Auswertungseinheit auf Reflexionen erfolgen.
  • Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren vorsehen, dass die Auswertungseinheit die von der optischen Erfassungseinrichtung erfassten Daten, vorzugsweise Bilddaten, durch Addition oder Subtraktion zeitlich nacheinander erfasster Daten, vorzugsweise Bilddaten, auswertet.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
    • 1 eine schematisierte Übersichtsdarstellung zur Erläuterung der vorliegenden Erfindung;
    • 2 eine beispielhafte Aufnahme des Überwachungsbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung während eines Laserschweißprozesses;
    • 3 eine schematisierte Darstellung eines unbeleuchteten Überwachungsbereichs während eines Laserschweißprozesses;
    • 4 eine beispielhafte Aufnahme des Überwachungsbereichs gemäß der schematischen Darstellung nach 3 bei Anwendung der vorliegenden Erfindung;
    • 5 eine weitere schematisierte Darstellung des Überwachungsbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung;
    • 6 eine beispielhafte Aufnahme des Überwachungsbereichs gemäß der schematischen Darstellung nach 5 bei Anwendung der vorliegenden Erfindung;
    • 7 eine schematische Darstellung einer Bearbeitungssituation;
    • 8 eine schematisierte Darstellung des Überwachungsbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung in der Bearbeitungssituation nach 7; und
    • 9 eine beispielhafte Aufnahme des Überwachungsbereichs gemäß der vorliegenden Erfindung in der Bearbeitungssituation nach 7 bzw. 8.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung zur Durchführung eines Laserschweißprozesses.
  • Mit einer Schweißdrahtdüse 12 wird ein Schweißdraht 14 mit im wesentlichen kreiszylindrischer Umfangsfläche einem Werkstück 16 zugeführt, das entlang der drei Raumachsen X, Y, Z verlagerbar ist. Die Schweißdrahtdüse 12 lässt sich ebenfalls entlang wenigstens einer der drei Raumachsen, vorzugsweise entlang aller drei Raumachsen verlagern. Der Schweißdraht 14 wird entlang seiner Längsrichtung aus der Schweißdrahtdüse 12 einer Drahtzufuhrstelle 18 zugeführt. Diese fällt idealerweise mit einer Stoßstelle 20 am Werkstück 16 zusammen.
  • Über einen schematisch dargestellten Bearbeitungskopf 22 wird von einer Laserstrahlquelle 24 ein Laserbearbeitungsstrahl 26 erzeugt. Dieser wird über einen teildurchlässigen Scannerspiegel 28, eine über eine Linse 30 schematische angedeutete Fokussieroptik sowie zwei optisch durchlässige Schutzgläser 32, 34 auf das Werkstück 16 projiziert, sodass der Laserbearbeitungsstrahl 26 an einer Bearbeitungsstelle 36 auf das Werkstück 16 auftrifft. Idealerweise fallen die Bearbeitungsstelle 36 und die Drahtzufuhrstelle 18 unmittelbar an der Stoßstelle 20 zusammen, um eine ideale Schweißnaht 38 unter Aufschmelzen des Schweißdrahtes 14 an seinem freien Ende zu erreichen.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass zusätzlich zu den einzelnen Toleranzen bei den zusammenwirkenden Vorschubbewegungen, den Toleranzen bei den äußeren Abmessungen des Schweißdrahtes 14, aber insbesondere auch aufgrund von Verschleißerscheinungen an der Schweißdrahtdüse 12 Abweichungen der Ist-Position des Schweißdrahtes 14 mit seiner Drahtzufuhrstelle 18 von seiner erwarteten Sollposition auftreten. Es kommt also dazu, dass die tatsächlich Ist-Position der Drahtzufuhrstelle 18 von der gewünschten Sollposition abweicht, sodass die Drahtzufuhrstelle 18 des Schweißdrahts 14 nicht mehr deckungsgleich mit der Bearbeitungsstelle 36 des Laserbearbeitungsstrahls 26 (Auftreffstelle des Laserbearbeitungsstrahls 26 auf das Werkstück 16) ist. Dies führt zu Einbußen bei der Qualität der hergestellten Schweißnaht, weil beispielsweise der Schweißdraht 14 nicht mehr hinreichend aufgeschmolzen wird oder weil die Schweißnaht seitlich versetzt zu der Stoßstelle 20 erzeugt wird.
  • Im Hinblick auf dieses Problem ist an dem Bearbeitungskopf 22 eine Kamera 40 mit einer zugeordneten Auswertungseinheit 42 vorgesehen. Die Kamera 40 ist derart positioniert, dass von einem Überwachungsbereich 44 um die Bearbeitungsstelle 36 herum reflektiertes Licht durch den teildurchlässigen Spiegel 28 hindurchgelassen und von der Kamera 40 erfasst wird. Dieses Licht kann dann innerhalb der Auswertungseinheit 42 analysiert werden.
  • Zusätzlich ist - als optionale Ausstattung - oberhalb des Werkstücks 16 in einem Bereich hinreichend weit entfernt von dem Verlauf des Laserbearbeitungsstrahl 26 wenigstens eine Fremdlichtquelle 46, 48 vorgesehen, um den Überwachungsbereich mit Fremdlicht 50 dauerhaft oder temporär auszuleuchten.
  • Im Rahmen der Bearbeitung mittels des Laserbearbeitungsstrahls kommt es zu verschiedenen Lichtreflexionen, wie 2 beispielhaft in einer bildlichen Darstellung des Überwachungsbereichs 44 zeigt, die mit der Kamera 40 aufgenommen werden können. Man erkennt in 2 einen Abschnitt der erkalteten Schweißnaht 52, sowie Werkstückabschnitte 54, 56 seitlich davon. In 2 links oben erkennt man einen Schatten einer Schutzgasdüse 58. Ferner erkennt man einen Bereich 60, in dem das aufgeschmolzene Material noch nicht erstarrt ist. Dieser wird als Schmelzbadbereich 60 bezeichnet. Unmittelbar benachbart zu dem Schmelzbadbereich 60 erkennt man die Bearbeitungsstelle 62, d. h. die Stelle, an der der Laserbearbeitungsstrahl 26 auf das Werkstück 16 auftrifft. Die Bearbeitungsstelle 62 ist der hellste Bereich. Wie eingangs ausgeführt, wird diesem Bearbeitungsbereich idealerweise der Schweißdraht 14 zugeführt. Dieser lässt sich aufgrund seiner geometrischen Form und seiner Oberflächenbeschaffenheit nur schwer bildlich erfassen. Allerdings erkennt man, dass sich die seitliche Kontur 64 und 66 durch linienförmige Reflexionen abzeichnet. Diese Reflexionen in den Konturbereichen 64, 66 sind Reflexionen von Prozesslicht (Laserlicht) und/oder Reflexionen von Fremdlicht, das von den Fremdlichtquellen 46, 48 ausgeht. Die Erfindung sieht vor, diese Reflexionen in den Konturbereichen 64, 66 des Schweißdrahtes mit der Kamera 40 und der Auswertungseinheit 42 zu erfassen, um so die aktuelle Position des Schweißdrahtes 14 zu ermitteln.
  • Im folgenden werden mit Bezug auf 3 bis 8 verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung und Ermittlung der Lage des Schweißdrahtes 14 beschrieben.
  • 3 zeigt eine schematische bildliche Darstellung des Überwachungsbereichs 44 ohne zusätzliches Fremdlicht. Man erkennt stichliniert die Kontur des Schmelzbads 60, wobei diese im Bild kaum oder nur schwach sichtbar ist. Ferner ist die Bearbeitungsstelle 36 mit einem Kreuz gekennzeichnet. Durch die einzelnen Punkte 70 ist in etwa die Kontur des Prozesslichts durch den Bearbeitungsstrahl 26 gekennzeichnet. Ebenfalls lediglich stichliniert ist die im Bild nicht klar erkennbare Kontur des Schweißdrahtes 14 eingezeichnet. Allerdings erkennt man an dem dem Bearbeitungsstrahl zugewandten freien Ende des Schweißdrahtes 14 mit den gekrümmt eingezeichneten Linien 72 Emissionen und Reflexionen von Prozesslicht, die im Kamerabild erkennbar sind. Dabei handelt es sich im wesentlichen um sekundäre Prozesslichtemissionen. Durch Vergrößerung der Belichtungszeit sowie durch selektive Addition bzw. Subtraktion aufeinanderfolgend aufgenommener Bilder lässt sich die Linie 72 stärker hervorheben. Diese gibt Auskunft über die Lage des vorderen Endes des Schweißdrahtes 14 relativ zum Mittelpunkt 36 des Laserbearbeitungsstrahls 26. Liegt ein Versatz, insbesondere in seitlicher Richtung (in 3 nach oben oder nach unten) zwischen dem Schweißdraht 14 und dem Mittelpunkt des Laserbearbeitungsstrahls 26 vor, kann dieser mit der Kamera 40 und der Auswertungseinheit 42 ermittelt werden und es kann eine Positionskorrektur durch korrigierende Verschieben der Lage der Drahtdüse 12 oder/und des Werkstücks 16 oder/und des Laserbearbeitungsstrahl 26 erfolgen.
  • 4 zeigt eine entsprechende Aufnahme der Kamera, wobei man insbesondere durch die hell erleuchtete bogenförmige Linie 72 als Hinweis auf das vordere Ende des Schweißdrahtes 14 auf dessen Lage schließen kann. Nach Maßgabe der so ermittelten Lage des Schweißdrahtes 14 lassen sich gegebenenfalls Positionskorrekturen vornehmen.
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung, bei der das Prozesslicht unmittelbar am vorderen abschmelzenden Ende des Schweißdrahtes 14 reflektiert wird und so durch die Kamera erfassbar wird. Während des Abschmelzens des Schweißdrahtes 14 erhält dieser nämlich eine leicht konkave Form im gerade abschmelzenden Bereich, an der sich das Prozesslicht spiegelt und so von der Kamera erfasst werden kann. Dies führt zu einer welligen Reflexionslinie 74 mit zwei seitlich liegenden Reflexionsbereichen 76, 78, die sich über die Auswertungseinheit 42 erfassen lassen.
  • 6 zeigt eine entsprechende Aufnahme der Kamera, die bei Kenntnis dieses Phänomens auf die Lage und den Verlauf des Schweißdrahtes 14 schließen lässt.
  • 7 zeigt eine Bearbeitungssituation, bei der der Schweißdraht 14 in einen V-förmigen Stoß zwischen zwei Werkstücken 16 und 17 zugeführt wird. In einer solchen Situation wird Prozesslicht oder/und Fremdlicht an der Kontur des Schweißdrahtes 14 oder an den beiden nahe liegenden Seitenflächen 80, 82 der Werkstücke 16 und 17 reflektiert. In der vereinfachten schematischen Darstellung des Überwachungsbereichs 44 gemäß 8 erkennt man jedenfalls wiederum den Laserbearbeitungsstrahl sowie zwei Reflexionslinien 84, 86. Diese repräsentieren im Bild die Kontur des Schweißdrahtes 14. Eine entsprechende fotografische Darstellung erkennt man in 9.
  • Mit der Erfindung ist es in Kenntnis der Tatsache, dass es an der Kontur oder an dem abschmelzenden vorderen Ende des Schweißdrahtes zu Reflexionen von Prozesslicht oder/und Fremdlicht kommt, möglich, gegebenenfalls unter selektivem Zuschalten von Fremdlicht, durch zusätzliches Anwenden bildverarbeitender Maßnahmen wie Subtraktion von aufeinanderfolgend aufgenommenen Bildern eines Überwachungsbereichs mit und ohne Fremdlicht, durch unterschiedliche Belichtungszeiten etc. während des Laserschweißprozesses auf die Lage des Schweißdrahtes rückzuschließen und so gegebenenfalls Positionskorrekturen im Hinblick auf die Drahtzufuhrstelle, die Bearbeitungsstelle mittels des Laserbearbeitungsstrahls oder die Positionierung und den Vorschub des Werkstücks vorzunehmen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10006852 A1 [0003]
    • DE 102013008085 B1 [0004]
    • DE 102014008265 B3 [0005]
    • DE 102009050784 A1 [0006]

Claims (13)

  1. Vorrichtung (10) zum Erkennen der aktuellen Position eines einem Laserschweißprozess zugeführten Schweißdrahtes (14), umfassend eine optische Erfassungseinrichtung (40), die mit einer Bearbeitungsstrahloptik (22) zur Bereitstellung eines Laserbearbeitungsstrahls (26) koppelbar ist, wobei während des Laserschweißprozesses der Schweißdraht (14) über den Laserbearbeitungsstrahl (26) unter Bildung einer Verbindungsnaht an einem Werkstück (16) lokal einer Bearbeitungsstelle (36) aufgeschmolzen wird, wobei die optische Erfassungseinrichtung (40) derart angeordnet ist, dass sie zur Erfassung von Prozesslicht ausgebildet ist, das bei der Bearbeitung des Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) in einem der Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) zugeordneten Überwachungsbereich (44) erzeugt wird, wobei die Vorrichtung (10) ferner eine Auswertungseinheit (42) umfasst, die zur Analyse der von der optischen Erfassungseinrichtung (40) innerhalb des Überwachungsbereichs erfassten Daten ausgebildet ist, um eine Relativlage zwischen der Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) und einer Drahtzufuhrstelle (18) zu ermitteln, an der der Schweißdraht (14) auf dem Werkstück (16) zugeführt wird.
  2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei die Auswertungseinheit (42) dazu ausgebildet ist, die von der optischen Erfassungseinrichtung (40) innerhalb des Überwachungsbereichs (44) erfassten Daten auf Reflexionen von Prozesslicht und/oder Fremdlicht an einer Kontur des Schweißdrahtes (14) auszuwerten und nach Maßgabe dessen auf die aktuelle Position der Drahtzufuhrstelle (18) und der Relativlage zu der Bearbeitungsstelle (36) zu schließen.
  3. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend wenigstens eine Fremdlichtquelle (46, 48), um das Werkstück (16) im Überwachungsbereich (44) zusätzlich zum Prozesslicht mit Fremdlicht einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs zu bestrahlen.
  4. Vorrichtung (10) nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Fremdlichtquelle (46, 48) wahlweise zuschaltbar oder abschaltbar ist.
  5. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ferner die Auswertungseinheit (42) dazu ausgebildet ist, die von der optischen Erfassungseinrichtung (40) erfassten Daten, vorzugsweise Bilddaten, durch Addition oder Subtraktion zeitlich nacheinander erfasster Daten, vorzugsweise Bilddaten, darauf auszuwerten.
  6. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Schweißdraht (14) über eine Schweißdrahtdüse zuführbar ist.
  7. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Erfassungseinrichtung eine Kamera umfasst, die Bilddaten bereitstellt.
  8. Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die optische Erfassungseinrichtung (44) dazu ausgebildet ist, den Überwachungsbereich (44) mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zu erfassen.
  9. Verfahren zum Erkennen der aktuellen Position eines einem mit einem Laserbearbeitungsstrahl (26) an einer Bearbeitungsstelle (36) eines Werkstücks (16) ausgeführten Laserschweißprozess, wobei der Bearbeitungsstelle (36) an einer Drahtzufuhrstelle (18) ein Schweißdrahtes (14) zugeführt wird, insbesondere mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: - Erfassen von Prozesslicht, das bei der Bearbeitung eines Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) in einem einer Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) zugeordneten Überwachungsbereich (44) erzeugt wird, - Bereitstellen von Daten, die das im Überwachungsbereich (44) erfasste Prozesslicht beschreiben, - Auswerten der erfassten Daten, um eine Relativlage zwischen der Bearbeitungsstelle (36) des Werkstücks (16) durch den Laserbearbeitungsstrahl (26) und der Drahtzufuhrstelle (18) zu ermitteln, an der der Schweißdraht (14) auf dem Werkstück (16) zugeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die von der optischen Erfassungseinrichtung (40) innerhalb des Überwachungsbereichs (44) erfassten Daten mittels der Auswertungseinheit (42) auf Reflexionen von Prozesslicht und oder Fremdlicht an einer Kontur des Schweißdrahtes (14) ausgewertet werden und darauf aufbauend auf die aktuelle Position der Drahtzufuhrstelle (18) und der Relativlage zu der Bearbeitungsstelle (36) geschlossen wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei das Werkstück (16) durch wenigstens eine Fremdlichtquelle (46, 48) im Überwachungsbereich (44) zusätzlich zum Prozesslicht mit Fremdlicht einer vorgegebenen Wellenlänge oder eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs bestrahlt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Auswertungseinheit (42) die von der optischen Erfassungseinrichtung (40) erfassten Daten, vorzugsweise Bilddaten, durch Addition oder Subtraktion zeitlich nacheinander erfasster Daten, vorzugsweise Bilddaten, auswertet.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die optische Erfassungseinrichtung dazu ausgebildet ist, den Überwachungsbereich (44) mit unterschiedlichen Belichtungszeiten zu erfassen.
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