DE102017119148A1

DE102017119148A1 - Laserschutzvorrichtung und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE102017119148A1
Application number: DE102017119148.8A
Authority: DE
Inventors: Igor Haschke; Sebastian Becker
Original assignee: Scansonic MI GmbH
Current assignee: Scansonic MI GmbH
Priority date: 2017-06-15
Filing date: 2017-08-22
Publication date: 2018-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschutzvorrichtung und ein Verfahren zur deren Betrieb zum Schutz vor dem unkontrollierte Austreten von direkter Laserstrahlung aus dem Nahbereich einer Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) beim Laserschweißen oder -bearbeiten durch sensorische Überwachung mittels eines optischen Messsystems (16). Das optische Messsystem (16) erfasst die elektromagnetischen Rückstrahlung (17) aus der Wechselwirkungszone (4) des Laserstrahls (2) mit den zu verschweißenden oder zu bearbeitenden Werkstücken (6) in einem vorgegebenen Bereich innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 100 nm bis 100 µm als Positions-, Geometrie- und/oder Intensitätswerte. Bei Überschreitung von Vorgabewerten im Rahmen eines Soll-/Ist-Vergleich erfolgt die Abschaltung des Laserstrahls (2). Die Laserschutzvorrichtung eignet sich besonders zur Online-Überwachung von Laserschweiß- und -bearbeitungsprozessen, insbesondere bei engen räumlichen Verhältnissen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Laserschutzvorrichtung und ein Verfahren zu deren Betrieb zum Schutz vor dem Austreten von Laserstrahlung beim Laserstrahlschweißen oder -bearbeiten; sie eignet sich besonders zur Online-Überwachung von Laserschweiß- und -bearbeitungsprozessen, insbesondere bei engen räumlichen Verhältnissen.
Bei Anwendungen von Lasern der DIN EN 60825-1 Klassen 3 und 4 kommen in der industriellen Praxis zum Großteil passive Laserschutzvorrichtungen zum Einsatz. Die meist massiven Laserschutzwände schirmen den Bearbeitungsbereich gegen den Austritt gefährlicher Laserstrahlung, indem sie die Laserenergie auftreffender Strahlung absorbieren. Sie bestehen gewöhnlich aus starren Wänden und Türen oder soliden, flexiblen Vorhangelementen. Bekannt sind derartige passive Laserschutzwände u. a. aus DE 20 2017 100 227 U1 oder DE 100 17 284 C1 .
Eine Alternative zu den meist massiven und schweren passiven Laserschutzwänden sind aktive Laserschutzwände. Diese besitzen auf der Oberfläche der Schutzwand oder integriert in diese Sensoren zur Detektion des Laserstrahls. Das Auftreffen des Laserstrahls auf die aktive Schutzwand löst ein Signal zur Abschaltung des Laserstrahls aus. Aktive Laserschutzwände dieser Art sind u. a. in DE 20 2007 012 255 U1 , DE 10 2012 106 278 B4 , DE 10 2012 106 277 B4 , EP 2 338 635 A1 oder DE 10 2014 116 746 A1 beschrieben. Aufgrund der hohen Kosten bleibt die Anwendung aktiver Laserschutzwände bislang allerdings eine Nischenanwendung - vor allem für Betriebsumfelder mit wenig Bauraum. In der Breite haben sich aktive Laserschutzwände bislang nicht durchgesetzt.
Neben diesen aktiven Laserschutzwänden sind weiterhin Laserschutzvorrichtungen bekannt, die vom abgelenkten Laserstrahl verursachte Überhitzungen auf passiven Laserschutzwänden detektieren. Solche Laserschutzvorrichtungen auf Basis von Wärmestrahlungssensoren sind zum Beispiel in GB 2 171 513 A und DE 10 2005 034 110 A1 offenbart.
Nachteil aller dieser Vorrichtungen ist die Notwendigkeit einer robusten passiven Laserschutzwand, die das Handling der Werkstücke erschwert und umfangreich Bauraum erfordert, oder alternativ einer kostenintensiven, aktiven Laserschutzwand. Zudem wirken die Laserschutzwände erst bei starken Ablenkungen des Laserstrahls vom Wirkort, d. h. der Schweiß- oder Bearbeitungsposition; Beschädigungen an Werkstücken oder Anlagenbauteilen innerhalb der Schutzwände können nicht vermieden werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, dies Nachteile zu beseitigen und eine Laserschutzvorrichtung bereitzustellen, die beim Laserschweißen bzw. -bearbeiten das unkontrollierte Austreten von direkter Laserstrahlung aus dem Nahbereich der Schweiß- oder Bearbeitungsposition wirksam verhindert und deren Betrieb ein sicheres Laserschweißen bzw. -bearbeiten gewährleistet.
Die Aufgabe wird durch die Laserschutzvorrichtungen mit den kennzeichnenden Merkmalen nach den Ansprüchen 1 und 2 gelöst; die Verfahren zu deren Betrieb beschreiben die Ansprüche 10 und 11. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich für die Laserschutzvorrichtungen aus den Ansprüchen 3 bis 9 sowie für die Verfahren aus den Ansprüchen 12 bis 15.
Die Laserschutzvorrichtung zum Schutz vor austretender Laserstrahlung aus dem Bereich einer vorgegebenen Schweiß- oder Bearbeitungsposition beim Schweißen oder Bearbeiten von Werkstücken, vorzugsweise von Blechen, mittels eines Laserstrahls besitzt neben mindestens einer Abschalteinheit mindestens ein optisches Messsystem zur Detektion einer aus einer oberflächennahen Wechselwirkungszone des Laserstrahls mit den Werkstücken ausgehenden elektromagnetischen Rückstrahlung. Die Wechselwirkungszone ist der Bereich der Werkstücke, in dem es nach Auftreffen des Laserstrahls an der Schweiß- oder Bearbeitungsposition zu energetischen Wechselwirkungen kommt. Die elektromagnetische Rückstrahlung entsteht in der Wechselwirkungszone durch Reflexion der Laserstrahlung an der Werkstückoberfläche und/oder durch Emission von Strahlung in Oberflächennähe der Werkstücke.
Nach Maßgabe der Erfindung ist das optische Messsystem derart ausgebildet, dass es die elektromagnetischen Rückstrahlung in einem vorgegebenen Bereich innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 100 nm bis 100 µm erfasst, d. h., die Sensoren des optischen Messsystems besitzen eine Empfindlichkeit in einem spezifischen Wellenlängenbereich. Das detektierte Bild im optischen Messsystem entspricht einer an der Werkstückoberfläche gebildeten Rückstrahlungsfläche. Sie umfasst die gesamte Fläche der Wechselwirkungszone, aus der vom optischen Messsystem detektierbare elektromagnetischen Rückstrahlung ausgeht, d. h., je nach Auswahl der Wellenlängenempfindlichkeit des optischen Messsystems ergibt sich eine wellenlängenspezifische Rückstrahlungsfläche.
Die Rückstrahlungsfläche entspricht bei Erfassung von sichtbarer elektromagnetischen Rückstrahlung (Licht) in erster Linie dem Laserspot, bei Erfassung von infraroter elektromagnetischen Rückstrahlung (Wärmestrahlung) den besonders stark erwärmten, insbesondere den schmelzflüssigen Oberflächenbereichen und bei Erfassung von ultravioletter Rückstrahlung (UV-Licht) insbesondere den Bereichen in Oberflächennähe, in denen es zur Bildung einer Metalldampffackel durch den auf die Werkstücke auftreffenden Laserstrahl kommt.
Das optische Messsystem kann eine Kamera, zum Beispiel eine Normallicht-, Thermo- oder UV-Kamera, oder eine aus Einzelsensoren bestehende Einheit sein. Es ist vorzugsweise koaxial im Strahlengang des Laserstrahls oder alternativ außerhalb des Strahlengangs neben der Schweiß- oder Bearbeitungsposition angeordnet.
Erfindungsgemäß ist das optische Messsystem dazu ausgebildet, die Ist-Position und/oder die Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche zu bestimmen und an die Abschalteinheit zu übermitteln. Die Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche umfasst deren Form und/oder deren Größe bzw. Ausdehnung.
Die Abschalteinheit besitzt eine integrierte Datenbank zur temporären Speicherung der Ist-Position und/oder der Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche und/oder des zeitlichen Verlaufs der Ist-Position als Ist-Positionsdaten und/oder der Ist-Geometrie als Ist-Geometriedaten.
Bei Betrieb der Laserschutzvorrichtung werden die Ist-Position und/oder die Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche in Relation zu mindestens zwei Bezugspunkten an der Oberfläche der zum Schweißen oder Bearbeiten fixierten Werkstücke bestimmt. Als Bezugspunkte eignen sich die Ecken oder die Kanten der Werkstücke, beim Schweißen insbesondere die Stoßkanten. Die Ist-Position und/oder die Ist-Geometrie können auch in Verbindung mit einem Zeitsignal in der Datenbank der Abschalteinheit gespeichert werden; diese zeitabhängige Datenreihen, d. h. der zeitliche Verlauf von Ist-Position und/oder Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche, werden als Ist-Positionsdaten bzw. die Ist-Geometriedaten bezeichnet.
Die integrierte Datenbank der Abschalteinheit dient des Weiteren zur dauerhaften oder temporären Speicherung von werkstückbezogenen Soll-Positionsdaten der Schweiß- oder Bearbeitungsposition und/oder werkstückbezogenen Soll-Geometriedaten der Rückstrahlungsfläche, d. h., die Soll-Daten sind ebenfalls in Relation zu den Bezugspunkten auf der Werkstückoberfläche in der Datenbank der Abschalteinheit abgelegt.
Bei Betrieb werden die Soll-Daten entweder für den gesamten Prozess vorgegeben oder kontinuierlich in situ während des Verfahrens bestimmt.
Erfindungsgemäß ist die Abschalteinheit dazu ausgebildet, Ist-/Sollvergleiche der gespeicherten, zeit- und ortsaufgelösten Daten, durchzuführen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Position und/oder der Ist-Positionsdaten von den Soll-Positionsdaten und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Geometrie und/oder den Ist-Geometriedaten von den Soll-Geometriedaten den Laserstrahl abzuschalten. Die Abschaltung erfolgt durch Steuerung des Laserstrahlgenerators.
In einer alternativen Variante der Erfindung erfasst das optische Messsystem die Ist-Intensität der elektromagnetischen Rückstrahlung an der aktuellen Schweiß- oder Bearbeitungsposition und/oder den zeitlichen Verlauf der Ist-Intensität als Ist-Intensitätsdaten. Die Datenbank der Abschalteinheit dient zur temporären Speicherung der Ist-Intensität bzw. der Ist-Intensitätsdaten sowie zur dauerhaften oder temporären Speicherung einer der jeweiligen Schweiß- oder Bearbeitungspositionen zugeordneten Soll-Intensität bzw. der jeweiligen Soll-Intensitätsdaten. Die Abschaltung des Laserstrahls erfolgt im Rahmen des Soll-/Ist-Datenvergleichs bei Überschreitung einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Intensität von der Soll-Intensität bzw. Ist-Intensitätsdaten von den Soll-Intensitätsdaten.
Durch die aktiv sensorisch arbeitende Laserüberwachungsvorrichtung, die ermöglicht, den Laserstrahl bereits bei geringen Abweichungen des Laserschweiß- oder -bearbeitungsprozesses von den Vorgabewerten, zum Beispiel bei Fehlpositionierungen der Laserstrahloptiken und/oder der Maschinenführung, abzuschalten, wird die Personengefährdung durch unkontrolliertes Austreten direkter Laserstrahlung verhindert. Auch die Beschädigung der Werkstücke oder der Laseranlagenbauteile durch fehlgeleitete Laserstrahlung wird durch die erfindungsgemäße Laserschutzvorrichtung nahezu vollständig eingedämmt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass Laserschutzwände bei Verwendung der erfindungsgemäßen Laserschutzvorrichtung entbehrlich sind bzw. einfache Schutzumhausungen genügen. Das Handling beim Einfahren der Werkstücke in Laserzellen bzw. beim Ausfahren aus Laserzellen wird infolgedessen erheblich effizienter.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserschutzvorrichtung eine Schutzschirmvorrichtung aus flexiblen Elementen auf, die den Bereich um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition umhausen. Die flexiblen Elemente können aus aus einem elastischen, nachgiebigen Material bestehen oder sind konstruktiv elastisch ausgeführt, zum Beispiel als Federelemente oder als Bürstenelemente ausgebildet. In der bevorzugten Ausführungsform bestehen sie im Wesentlichen aus einem Elastomer. Diese einfach ausgeführte Schutzumhausung kann bei Defekten problemlos ausgetauscht werden und gewährleistet ein einfaches Handling von Werkstücken beim Ein- und Ausfahren. Zudem stellt sie ein weiteres Sicherheitselement zum Laserschutz dar, da sie trotz einfacher Ausführung das Austreten eines abgelenkten Laserstrahls in der Latenzzeit zwischen Lageabweichungserkennung und Laserstrahlabweichung verhindert. Die Schutzschirmvorrichtung unterbindet außerdem das Austreten diffuser Strahlungsanteile aus dem Bereich der Schweiß- oder Bearbeitungsposition.
Beim Verfahren von Werkstücken während des Laserschweißens oder -bearbeitens wird die Schutzschirmvorrichtung mitgeführt, sodass diese stets den Bereich um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition umhaust.
Die Schutzschirmvorrichtung kann auch so ausgeführt sein, dass sie den Bereich um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition abdichtet, d. h., die flexiblen Elemente der Schutzschirmvorrichtung kontaktieren die zu verschweißenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücke permanent und schließen den Raum um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition vollständig gegen die Umgebungsatmosphäre ab.
Ferner kann die Schutzschirmvorrichtung auf- und zuklappbar ausgeführt sein. Dies ermöglicht, dass die Schutzschirmvorrichtung bei Betrieb geschlossen und zum Ein- und Ausfahren von Werkstücken die Schutzschirmvorrichtung geöffnet werden kann.
Zur Detektion der Schließung der Schutzschirmvorrichtung und/oder zur Detektion der Abdichtung des Bereiches um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition kann die Schutzschirmvorrichtung weiterhin eine Schutzschirmsensorik aufweisen. Die Schutzschirmsensorik kann zum Beispiel ein Kamerasystem oder ein Lichtsensor zur optischen Überwachung sein, die mittels Bildverarbeitung oder Helligkeitsmessung im Inneren der Schutzschirmvorrichtung deren korrekte Schließung kontrollieren. Die Schutzschirmsensorik kann auch Kontaktsensoren umfassen, die die Berührung bzw. das Anliegen der Elemente der Schutzschirmvorrichtung an den Werkstücken detektieren.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Laserschutzvorrichtung einen Laserüberwachungssensor zur Überwachung der Laserstrahlabschaltung besitzt. Der Laserüberwachungssensor detektiert permanent den Laserstrahl, d. h., er ist im oder seitlich vom Strahlengang des Laserstrahls angebracht. Dies ermöglicht eine unabhängige Überwachung der Laserstrahlabschaltung neben der Steuerung des Laserstrahlgenerators und dient der Erhöhung der Sicherheit beim Abschaltvorgang durch die redundante Überwachung des Laserstrahls.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist die Laserschutzvorrichtung zwei voneinander unabhängige optische Messsysteme sowie zwei, den jeweiligen optischen Messsystemen zugeordnete voneinander unabhängige Abschalteinheiten auf. Das weitere, unabhängige optisches Messsystem mit der diesem zugeordneten weiteren, ebenfalls unabhängigen Abschalteinheit dienen zu redundanten Absicherung des Abschaltvorgangs. Vorzugsweise sind beide optischen Messsysteme unterschiedlicher Bauart, d. h., zum Beispiel ist das erste ein lichtoptisches und das zweite ein Wärmestrahlung detektierendes Messsystem. Ebenso ist es zweckmäßig, unterschiedliche Messgrößen, d. h. Position, Geometrie oder Intensität, zu erfassen.
In einer Ausführung der Laservorrichtung zum Laserstrahlschweißen oder -bearbeiten der Werkstücke an einem Bördelstoß besitzt diese eine Abstandsmessvorrichtung mit zwei Klemmbacken zur Messung des Abstandes der Bördelstege. Die Klemmbacken kontaktieren die gegenüberliegenden Bördelstegaußenflächen mechanisch, d. h., die Funktionalität der Abstandsmessvorrichtung entspricht der eines Außenmaßtasters, zum Beispiel einer Bügelmessschraube. Die Bördelstegaußenflächen liegen an jedem der Werkstücke parallel zu den Bördelsteginnenflächen, die das jeweils andere Werkstück am Bördelstoß berühren. Durch die Messung des Abstandes der Bördelstege, d. h. der Bördelstegaußenflächen, wird indirekt der Abstand bzw. der Spalt zwischen den Werkstücken am Bördelstoß bestimmt.
Die Abstandsmessvorrichtung kann gleichzeitig als Spannvorrichtung zum Zusammenpressen der Bördelstege am Bördelstoß ausgebildet sein, indem z. B. zwei unterschiedliche Kräfte, nämlich eine Messkraft und eine Anpresskraft, aufgebracht werden. Dies ermöglicht es, unzulässig große Spalte, die sich u. a. störend beim Schweißen auswirken, direkt im Prozess zu korrigieren.
Beim Laserschweißen oder- bearbeiten kann der Ist-Abstand der Bördelstege mechanisch mittels der Abstandsmessvorrichtung erfasst, mit einem vorgegebenen Soll-Abstand verglichen und der Laser bei Überschreiten des vorgegebenen Soll-Abstandes abgeschaltet werden.
Der Vorteil der indirekten Abstands- bzw. Spaltmessung mittels der Abstandsmessvorrichtung und der in Abhängigkeit des vorhandenen Ist-Abstandes gesteuerten Abschaltung des Laserstrahls ist, dass das Austreten des Laserstrahls durch einen am Bördelstoß ggf. vorhanden großen Spalt vermieden wird.
Die Laserschutzvorrichtung eignet sich daher besonders zum stirnseitigen Laserschweißen bzw. Laserbearbeiten von zwei oder mehr Blechen an Bördelstößen, insbesondere dann, wenn der Laserstrahl weitestgehend senkrecht zur Stirnseite der Bördelstege auf den Bördelstoß auftrifft.
Die Abstands- bzw. Spaltmessung an einer Stoßstelle aneinandergrenzender Werkstücke kann alternativ auch unabhängig vom Vorhandensein der mechanischen Abstandsmessvorrichtung mittels des optischen Messsystems bestimmt werden. Mittels des optischen Messsystems, zum Beispiel einer Kamera, wird der Abstand der Werkstücke an der Stoßstelle bzw. der Spalt zwischen den Werkstücken direkt erfasst. Alternativ kann die Spalterfassung auch mittels Lichtschnittverfahren unter Verwendung eines Linienprojektors erfolgen, der beispielsweise Messlicht unter einem kleinen Triangulationswinkel zum Strahlgang des Laserstrahls auf die Werkstücke projiziert.
Das Abschalten des Laserstrahls erfolgt in gleicher Weise wie im Fall der Anwendung der mechanischen Abstandsmessvorrichtung: der Ist-Abstand der Werkstücke an der Stoßstelle wird optisch und/oder mechanisch erfasst, mit einem vorgegebenen Soll-Abstand verglichen und der Laserstrahl bei Überschreiten des vorgegebenen Soll-Abstandes abgeschaltet.
Das optische Messsystem kann - als Kamera mittels Konfokaltechnik oder als Triangulationssensor - gleichzeitig zur Messung der Entfernung der Bauteile von der Laserschweiß- oder Bearbeitungsvorrichtung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die schematischen Zeichnungen näher erläutert. Dazu zeigen

1: die die Laserschutzvorrichtung als Teil eine Anlage zum Laserschweißen im Längsschnitt, und
2: den Detailausschnitt aus dem Bereich der Schweißposition gemäß 1.

Die zwei Werkstücke 6 in der 1, im Ausführungsbeispiel zwei Bleche, weisen jeweils den Bördelsteg 6.1 auf; beide Bördelstege 6.1 berühren sich und bilden den Bördelstoß 7.
Der mit dem Laserstrahlgenerator 1 erzeugte Laserstrahl 2 wird mittels der Scanneroptik 10 lotrecht auf die Stirnseite des Bördelstoßes 7 an der Schweißposition 3 geleitet. Durch die Interaktion des Laserstrahls 2 mit dem Werkstückmaterial bildet sich die Wechselwirkungszone 4 aus, in der das Material der Werkstücke 6 erwärmt und zum Teil aufgeschmolzen wird.
Die elektromagnetische Rückstrahlung 17 entsteht in der Wechselwirkungszone 4 infolge der Reflexion des Laserlichts und/oder der Emission von Strahlung in Oberflächennähe der Werkstücke 6.
Die Scanneroptik 10 besitzt zur Führung und Ablenkung des Laserstrahls 2 die Kollimationseinheit 14, die passiven Ablenkungseinheit 12, die Fokussiereinheit 13 und der aktiven Ablenkungseinheit 11.
Die Messung der elektromagnetischen Rückstrahlung 17 aus der Wechselwirkungszone 4 erfolgt mittels des optischen Messsystems 16, im Ausführungsbeispiel einer Kamera mit vorgeschalteter Kamera-Fokussiereinheit 15. Die elektromagnetische Rückstrahlung 17 wird innerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs durch das optischen Messsystems 16 erfasst, d. h., die Rückstrahlungsfläche 5 entspricht dem Laserspot des an der Werkstückoberfläche reflektierten Laserstrahls 2.
Die von dem optischen Messsystem 16 erfassten Ist-Daten werden an die Abschalteinheit 18 weitergeleitet und mit den gespeicherten Soll-Daten verglichen. Bei Überschreiten einer vorgegeben Abweichung wird der Laserstrahl 2 abgeschaltet.
Zur Überwachung der Laserstrahlabschaltung dient der im Strahlengang des Laserstrahls 2 positionierte Laserüberwachungssensor 19. Dieser ist mit der Abschalteinheit 18 verbunden und bestätigt die Abschaltung des Laserstrahls 2.
Das zusätzliche optische Messsystem 16.1 ist eine Thermokamera, die die elektromagnetischen Rückstrahlung 17 im infraroten Wellenlängenbereich erfasst. Die Thermokamera ist durch Programmierung eines Temperaturschwellwertes so eingestellt, dass die von der Thermokamera erfasste Rückstrahlungsfläche 5 der Fläche des aufgeschmolzenen Materials der Werkstücke 6 an der Werkstückoberfläche entspricht.
Die beiden optischen Messsysteme 16 und 16.1 erfassen - aufgrund ihrer Empfindlichkeit für unterschiedliche Wellenlängenbereiche -jeweils unterschiedliche Rückstrahlungsflächen 5, sodass unterschiedliche Ist- und Solldaten auszuwerten sind. Das zusätzliche optische Messsystem 16.1 ist zu diesem Zweck mit der zusätzlichen Abschalteinheit 18.1 verbunden.
Durch die beiden unabhängigen optischen Messsysteme 16 und 16.1 in Verbindung mit den jeweiligen unabhängigen Abschalteinheiten 18 und 18.1 ist der Laserschweißprozess redundant bei Ausfall eines der Systeme gesichert.
Als zusätzliche Sicherung dient die Schutzschirmvorrichtung 8 mit den flexiblen Elementen, die aus Elastomer bestehen. Die Schutzschirmsensorik 9, im Ausführungsbeispiel Kontaktsensoren zur Detektion des Anliegens der Schutzschirmvorrichtung 8 an den Werkstücken 6, ermöglicht es zu überprüfen, ob die Schutzschirmvorrichtung 8 korrekt geschlossen ist.
Mittels der an den Bördelstegaußenflächen 6.2 anliegenden beiden Klemmbacken der Abstandsmessvorichtung 20 wird der Ist-Abstand der Bördelstegaußenflächen 6.2 gemessen und mit einem vorgegebenen maximalen Soll-Abstand verglichen. Bei Überschreiten des Soll-Abstandes wird der Laserstrahl 2 abgeschalten. Dadurch wird verhindert, dass Laserstrahlung durch zu große Spalte am Bördelstoß 7 austritt.
Die Darstellungen und Bezugszeichen in der Detaildarstellung in der 2 entsprechen denen der 1.
Bezugszeichenliste

1: Laserstrahlgenerator
2: Laserstrahl
3: Schweiß- oder Bearbeitungsposition
4: Wechselwirkungszone
5: Rückstrahlungsfläche
6: Werkstücke
6.1: Bördelsteg
6.2: Bördelstegaußenfläche
7: Bördelstoß
8: Schutzschirmvorrichtung
9: Schutzschirmsensorik
10: Scanneroptik
11: aktive Ablenkungseinheit
12: passive Ablenkungseinheit
13: Fokussiereinheit
14: Kollimationseinheit
15: Kamera-Fokussiereinheit
16: optisches Messsystem
16.1: alternatives bzw. zusätzliches optisches Messsystem
17: elektromagnetische Rückstrahlung
18: Abschalteinheit
18.1: alternative bzw. zusätzliche Abschalteinheit
19: Laserüberwachungssensor
20: Abstandsmessvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202017100227 U1 [0002]
DE 10017284 C1 [0002]
DE 202007012255 U1 [0003]
DE 102012106278 B4 [0003]
DE 102012106277 B4 [0003]
EP 2338635 A1 [0003]
DE 102014116746 A1 [0003]
GB 2171513 A [0004]
DE 102005034110 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 60825-1 [0002]

Claims

Laserschutzvorrichtung zum Schutz vor austretender Laserstrahlung aus dem Bereich einer vorgegebenen Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) beim Schweißen oder Bearbeiten von Werkstücken (6) mittels eines Laserstrahls (2), aufweisend mindestens ein optisches Messsystem (16) zur Detektion einer aus einer oberflächennahen Wechselwirkungszone (4) des Laserstrahls (2) mit den Werkstücken (6) ausgehenden elektromagnetischen Rückstrahlung (17) sowie mindestens einer Abschalteinheit (18), dadurch gekennzeichnet, dass - das optische Messsystem (16) die elektromagnetischen Rückstrahlung (17) in einem vorgegebenen Bereich innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 100 nm bis 100 µm erfasst und dazu ausgebildet ist, die Ist-Position und/oder die Ist-Geometrie der durch die erfasste elektromagnetischen Rückstrahlung (17) an der Werkstückoberfläche gebildete Rückstrahlungsfläche (5) zu bestimmen und an die Abschalteinheit (18) zu übermitteln, - die Abschalteinheit (18) eine integrierte Datenbank zur temporären Speicherung der Ist-Position und/oder der Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche (5) und/oder des zeitlichen Verlaufs der Ist-Position als Ist-Positionsdaten und/oder der Ist-Geometrie als Ist-Geometriedaten sowie zur dauerhaften oder temporären Speicherung von werkstückbezogenen Soll-Positionsdaten der Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) und/oder Soll-Geometriedaten der Rückstrahlungsfläche (5) aufweist, und - die Abschalteinheit (18) eingerichtet ist, Ist-/Sollvergleiche der gespeicherten Daten durchzuführen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Position und/oder der Ist-Positionsdaten von den Soll-Positionsdaten und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Geometrie und/oder den Ist-Geometriedaten von den Soll-Geometriedaten den Laserstrahl (2) abzuschalten.
Laserschutzvorrichtung zum Schutz vor austretender Laserstrahlung aus dem Bereich einer vorgegebenen Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) beim Schweißen oder Bearbeiten von Werkstücken (6) mittels eines Laserstrahls (2), aufweisend mindestens ein optisches Messsystem (16) zur Detektion einer aus einer oberflächennahen Wechselwirkungszone (4) des Laserstrahls (2) mit den Werkstücken (6) ausgehenden elektromagnetischen Rückstrahlung (17) sowie mindestens einer Abschalteinheit (18), dadurch gekennzeichnet, dass - das optische Messsystem (16) die elektromagnetischen Rückstrahlung (17) in einem vorgegebenen Bereich innerhalb eines Wellenlängenspektrums von 100 nm bis 100 µm erfasst und dazu ausgebildet ist, die Ist-Intensität der erfassten elektromagnetischen Rückstrahlung (17) an der Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) zu bestimmen und an die Abschalteinheit (18) zu übermitteln, - die Abschalteinheit (18) eine integrierte Datenbank zur temporären Speicherung der Ist-Intensität und/oder des zeitlichen Verlaufs der Ist-Intensität als Ist- Intensitätsdaten sowie zur dauerhaften oder temporären Speicherung von Soll-Intensitätsdaten aufweist, und - die Abschalteinheit (18) eingerichtet ist, Ist-/Sollvergleiche der gespeicherten Daten durchzuführen und bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Intensität und/oder der Ist-Intensitätsdaten von den Soll-Intensitätsdaten den Laserstrahl (2) abzuschalten.
Laserschutzvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 ferner aufweisend eine Schutzschirmvorrichtung (8), dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschirmvorrichtung (8) aus flexiblen Elementen besteht, die den Bereich um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) umhausen.
Laserschutzvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Elemente der Schutzschirmvorrichtung (8) im Wesentlichen aus einem Elastomer bestehen.
Laserschutzvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Schutzschirmsensorik (9) zur Detektion der Schließung der Schutzschirmvorrichtung (8) und/oder zur Detektion einer Abdichtung des Bereiches um die Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) durch die Schutzschirmvorrichtung (8) aufweist.
Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Laserüberwachungssensor (19) zur Überwachung der Laserstrahlabschaltung besitzt.
Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein weiteres, unabhängiges optisches Messsystem (16.1) mit einer diesem zugeordneten weiteren, ebenfalls unabhängigen Abschalteinheit (18.1) aufweist.
Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Laserstrahlschweißen oder -bearbeiten von Werkstücken (6) an einem Bördelstoß (7), dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Abstandsmessvorrichtung (20) mit zwei Klemmbacken zur Messung des Abstandes der Bördelstege (6.1) durch mechanische Kontaktierung der Klemmbacken an den sich gegenüberliegenden Bördelstegaußenflächen (6.2) aufweist.
Laserschutzvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessvorrichtung (20) gleichzeitig als Spannvorrichtung zum Zusammenpressen der Bördelstege (6.1) am Bördelstoß (7) dient.
Verfahren zum Betrieb einer Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißens oder Bearbeitens der Werkstücke (6) mittels des Laserstrahls (2) - die Ist-Position und/oder die Ist-Geometrie der Rückstrahlungsfläche (5) in Relation zu mindestens zwei Bezugspunkten an der Oberfläche der zum Schweißen oder Bearbeiten fixierten Werkstücke (6) und/oder der zeitlichen Verlauf der Ist-Position als Ist-Positionsdaten und/oder der Ist-Geometrie als Ist-Geometriedaten erfasst und an die Abschalteinheit (18) übermittelt werden, - in Relation zu den Bezugspunkten an der Oberfläche der Werkstücke (6) vor Verfahrensbeginn festgelegte oder kontinuierlich während des Verfahrens bestimmte, Soll-Positionsdaten der Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) und/oder Soll-Geometriedaten der Rückstrahlungsfläche (5) fortwährend mit der Ist-Position, den Ist-Positionsdaten, der Ist-Geometrie und/oder den Ist-Geometriedaten verglichen werden, und - der Laserstrahl (2) bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Position und/oder der Ist-Positionsdaten von den Soll-Positionsdaten und/oder bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Geometrie und/oder der Ist-Geometriedaten von den Soll-Geometriedaten abgeschaltet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass während des Schweißens oder Bearbeitens der Werkstücke (6) mittels des Laserstrahls (2) - die Ist-Intensität der elektromagnetischen Rückstrahlung (17) an der aktuellen Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) und/oder der zeitlichen Verlauf der Ist-Intensität als Ist-Intensitätsdaten erfasst und an die Abschalteinheit (18) übermittelt werden, - vor Verfahrensbeginn festgelegte oder kontinuierlich während des Verfahrens bestimmte Soll-Intensitäten der jeweiligen Schweiß- oder Bearbeitungsposition (3) und/oder Soll-Intensitätsdaten fortwährend mit der Ist-Intensität und/oder der Ist-Intensitätsdaten verglichen werden, und - der Laserstrahl (2) bei Überschreiten einer vorgegebenen Abweichung der Ist-Intensität von der Soll-Intensität und/oder der Ist-Intensitätsdaten von den Soll-Intensitätsdaten abgeschaltet wird.
Verfahren zum Betrieb einer Laserschutzvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 beim Laserschweißen oder -bearbeiten an einer Stoßstelle aneinandergrenzender Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, dass der Ist-Abstand der Werkstücke an der Stoßstelle optisch und/oder mechanisch erfasst, mit einem vorgegebenen Soll-Abstand verglichen und der Laserstrahl (2) bei Überschreiten des vorgegebenen Soll-Abstandes abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Rückstrahlung (17) mittels des optischen Messsystems (16) innerhalb des sichtbaren Wellenlängenbereichs erfasst und als Rückstrahlungsfläche (5) der Laserspot des auf die Werkstückoberfläche auftreffenden Laserstrahls (2) übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Rückstrahlung (17) mittels des optischen Messsystems (16) innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs erfasst und als Rückstrahlungsfläche (5) die Oberflächengeometrie des durch den Laserstrahl (2) aufgeschmolzenen Materials der Werkstücke (6) übermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetische Rückstrahlung (17) mittels des optischen Messsystems (16) mindestens innerhalb des ultravioletten Wellenlängenbereichs erfasst und als Rückstrahlungsfläche (5) die Geometrie der durch den Laserstrahl (2) erzeugten Metalldampffackel in Werkstückoberflächennähe übermittelt werden.