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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen.
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Aus dem Stand der Technik sind, wie in der
US 2018/0178320 A1 beschrieben, ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zur Überwachung und Charakterisierung einer Dynamik eines Phasenänderungsbereichs, der während des Laserschweißens, insbesondere des Keyholeschweißens, und anderer Materialmodifikationsprozesse unter Verwendung von Interferometrie mit niedriger Kohärenz erzeugt wird, bekannt. Indem ein Messstrahl auf mehrere Stellen innerhalb des Phasenänderungsbereichs und neben dem Phasenänderungsbereich gerichtet wird, werden mit dem System, der Vorrichtung und dem Verfahren in Echtzeit die räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der Schweißnaht wie Keyholetiefe, Länge, Breite, Form, sowie ob das Keyhole instabil ist, sich schließt oder kollabiert, bestimmt. Diese Informationen werden für die Bestimmung der Qualität und der Materialeigenschaften einer fertigen Schweißnaht verwendet. Dies kann auch als Rückmeldung verwendet werden, um den Materialmodifikationsprozess in Echtzeit zu verändern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einem Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen, insbesondere Laser-Remoteschweißen, eines oberen Fügepartners mit mindestens einem unteren Fügepartner werden mittels optischer Kohärenztomografie (OCT) Höheninformationen in einem sich durch das Laserstrahlschweißen bildenden Keyhole und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes ausgewertet. Das Keyhole, welches sich durch den Laserstrahl im Auftreffbereich des Laserstrahls auf die Fügepartner insbesondere durch Aufschmelzen eines Grundwerkstoffs der Fügepartner und zumindest teilweises Verdampfen und/oder Verdrängen einer dadurch erzeugten Schmelze bildet, wird auch als Kapillare oder Dampfkapillare bezeichnet.
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Erfindungsgemäß werden Höheninformationssignale der optischen Kohärenztomografie ausgewertet, die aus einer charakteristischen Tiefe stammen, die einer Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners zuzuordnen sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht durch den Einsatz der OCT-Technik, d. h. durch eine konfokale Messung im Keyhole und/oder durch eine Messung eines aufgezogenen Schweißbades insbesondere das Erkennen eines Fügespaltes zwischen den Fügepartnern, insbesondere beim Laserstrahlschweißen einer I-Naht an einem Überlappstoß. Durch die mittels des Verfahrens ermöglichte Messung des qualitätsrelevanten Merkmals des Fügespalts zwischen den Fügepartnern während des Schweißens kann eine Anbindung, insbesondere auch eine fehlerhafte Anbindung, der Schweißnaht, und/oder ein zu großer Fügespalt zwischen den Fügepartnern erkannt werden, insbesondere noch während eines aktuell durchgeführten Schweißprozesses und somit nicht erst in einer nachgelagerten Qualitätsbewertung der miteinander verschweißten Fügepartner.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit eine sofortige Prozessbewertung des Schweißprozesses, wodurch aufgetretene Fehler vorteilhafterweise sofort, insbesondere noch während des Schweißens der Fügepartner erkannt werden können. Durch diese mittels des Verfahrens ermöglichte Qualitätsbewertung kann eine Regelung des Schweißprozesses hinsichtlich dieses Merkmals des Fügespalts erfolgen. D. h. die Regelung des Laserstrahlschweißens kann beeinflusst werden, insbesondere können ein oder mehrere Schweißparameter angepasst werden, beispielsweise sofort noch während des aktuellen Schweißprozesses oder bei einem nachfolgenden Schweißprozess zum Verschweißen weiterer gleichartiger Fügepartner.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Verschweißen von drei Fügepartnern miteinander,
- 2 schematisch Histogramme von Höheninformationssignalen, und
- 3 schematisch Diagramme mit in einer jeweiligen Tiefenposition erfassten Höheninformationssignalen bei verschiedenen Messabständen in Schweißrichtung zu einem Laserstrahlmittelpunkt.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch ein Verschweißen von mehreren aufeinander angeordneten Fügepartnern F1, F2, F3, welche insbesondere jeweils als ein Blech ausgebildet sind, miteinander. Das Schweißen erfolgt mittels Laserstrahlschweißen, insbesondere mittels Laser-Remoteschweißen. Mindestens zwei Fügepartner F1, F2, F3 werden auf diese Weise miteinander verschweißt, ein oberer Fügepartner OF und ein unterer Fügepartner UF. Im hier dargestellten Beispiel werden drei Fügepartner F1, F2, F3 miteinander verschweißt, der erste Fügepartner F1 als oberer Fügepartner OF und der zweite Fügepartner F2 und der dritte Fügepartner F3 als untere Fügepartner UF. Für das im Folgenden beschriebene Verfahren bildet dabei insbesondere der zweite Fügepartner F2, d. h. derjenige, der direkt unter dem oberen Fügepartner OF angeordnet ist, den unteren Fügepartner UF.
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Während des Schweißens erzeugt ein für dieses Laserstrahlschweißen verwendeter Laserstrahl 1 einer Laserstrahlschweißvorrichtung an einer Fügestelle ein so genanntes Keyhole 2, auch als Kapillare oder Dampfkapillare bezeichnet. Dieses Keyhole 2 wird durch Aufschmelzen eines Grundwerkstoffs 3 der Fügepartner F1, F2, F3 mittels des Laserstrahls 1 und zumindest teilweises Verdampfen und/oder Verdrängen einer dadurch erzeugten Schmelze 4 gebildet. Diese Schmelze 4 wird auch als Schmelzbad bezeichnet. Wird der Laserstrahl 1 relativ zu den Fügepartnern F1, F2, F3 in Schweißrichtung x bewegt, dann zieht sich das Schmelzbad an einer Oberfläche auf, wenn ein großer Fügespalt FS zwischen den Fügepartnern F1, F2, F3 vorhanden ist.
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Um eine Prozessbewertung dieses Schweißprozesses des Laserstrahlschweißens des oberen Fügepartners OF mit dem mindestens einen unteren Fügepartner UF, im hier dargestellten Beispiel mit den beiden unteren Fügepartnern UF, vornehmen zu können und vorteilhafterweise daraus resultierend auch eine Prozessregelung dieses Schweißprozesses vornehmen zu können, ist vorgesehen, mittels optischer Kohärenztomografie (OCT) Höheninformationen in diesem sich durch das Laserstrahlschweißen bildenden Keyhole 2 und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes 2 auszuwerten. Hierzu ist ein OCT-Messstrahl 5 vorgesehen, welcher in das Keyhole 2 und/oder in den Umgebungsbereich des Keyholes 2 gerichtet wird. Dieser OCT-Messstrahl 5 misst einen Abstand einer Schweißoptik der Laserstrahlschweißvorrichtung zu einer Messstelle. Es kann somit ein Abstand zur Oberfläche, auf welche der OCT-Messstrahl 5 auftrifft, ermittelt werden, und/oder es kann ein Abstand, genauer gesagt ein Höhenabstand, verschiedener Oberflächenbereiche, auf welche der OCT-Messstrahl 5 in verschiedenen Messpositionen auftrifft, ermittelt werden. Letzteres ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn eine Höhenposition der OCT-Messvorrichtung und/oder der Schweißoptik nicht genau bekannt ist und sich beispielsweise während des Schweißprozesses ändern kann, beispielsweise aufgrund einer Anordnung der OCT-Messvorrichtung an einem sich bewegenden Schweißroboter.
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Der OCT-Messstrahl 5 wird vorteilhafterweise durch die Schweißoptik der Lasertrahlschweißvorrichtung hindurch auf die Fügestelle fokussiert. Dabei ist jedoch vorteilhafterweise vorgesehen, dass die OCT-Messvorrichtung eigene Scannerspiegel zum Ablenken des OCT-Messstrahls 5 aufweist, so dass der OCT-Messstrahl 5 relativ zum Laserstrahl 1 der Laserstrahlschweißvorrichtung abgelenkt werden kann. Dabei ist vorteilhafterweise eine Ablenkung des OCT-Messstrahls 5 parallel zur Schweißrichtung x und/oder quer, insbesondere im rechten Winkel, zur Schweißrichtung x möglich. Dadurch kann vorteilhafterweise das Keyhole 2 in Längenrichtung, d. h. parallel zur Schweißrichtung x, und vorteilhafterweise auch in Breitenrichtung ausgewertet werden und beispielsweise können eine ausgebildete Schweißnaht und/oder Umgebungsbereiche des Keyholes 2 und/oder der ausgebildeten Schweißnaht ausgewertet werden. Beispielsweise können mittels des OCT-Messstrahls 5 im Bereich einer Nahtoberfläche und/oder einer Topographie 6, d. h. in einem bereits erstarrten Bereich 7 hinter dem Keyhole 2, und/oder im Keyhole 2 und/oder an einem Schmelzbadgrund Höheninformationen und somit eine jeweilige Tiefe ermittelt werden. Insbesondere wird dabei eine hintere Schmelzwand vermessen.
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Es werden insbesondere Höheninformationssignale der optischen Kohärenztomografie ausgewertet, die aus einer charakteristischen Tiefe stammen, die einer Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF zuzuordnen sind, im hier dargestellten Beispiel insbesondere der Oberseite des zweiten Fügepartners F2 und beispielsweise zusätzlich der Oberseite des dritten Fügepartners F3, wenn dies möglich ist. Dadurch kann eine mangelnde Anbindung der Schweißverbindung der Fügepartner F1, F2, F3 aufgrund eines zu großen Fügespalts FS zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner F1, F2 und beispielsweise auch zwischen dem zweiten und dritten Fügepartner F2, F3 erkannt werden. Vorteilhafterweise werden hierbei nur Höheninformationssignale ausgewertet, welche eine vorgegebene geringe Streuung aufweisen. Vorteilhafterweise wird zur Bewertung der Höheninformationssignale deren Varianz und/oder Streuung herangezogen. Dabei werden vorteilhafterweise Schweißnahtabschnitte, bei denen Höheninformationssignale mit einer vorgegeben geringen Varianz und/oder Streuung auftreten als „nicht in Ordnung“ klassifiziert.
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Mittels des hier beschriebenen Verfahrens wird somit insbesondere eine Höhenposition der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF in den erfassten Messdaten erkannt, insbesondere bei einem vorliegenden Fügespalt FS. Dieser Fügespalt FS führt zu einem sich aufziehenden Schmelzbad hinter dem auftreffenden Laserstrahl 1. Durch dieses sich dadurch ergebende Loch kann die Oberseite des unteren Fügepartners UF, hier mindestens des zweiten Fügepartners F2, detektiert werden. Bereits die Tatsache, dass sich das Schmelzbad aufzieht und dadurch die Oberseite des unteren Fügepartners UF detektiert werden kann, ist ein Indiz für eine schlechte Schweißnaht durch einen zu großen Fügespalt FS. Zudem kann mittels der Höheninformationssignale die Position der Oberfläche des unteren Fügepartners UF, hier insbesondere des zweiten Fügepartners F2, gemessen werden. Insbesondere in Kombination mit der Messung der Position der Oberseite des oberen Fügepartners OF aus entsprechenden Höheninformationssignalen ergibt sich bei einer bekannten Dicke des oberen Fügepartners OF das Maß des Fügespaltes FS, hier insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner F1, F2, als Messwert. Dieser Messwert kann mit einem Grenzwert verglichen werden. Bei einer Überschreitung des Grenzwertes wird die Schweißnaht als nicht in Ordnung, d. h. als fehlerhaft, bewertet.
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Wird im hier dargestellten Beispiel nur die Oberseite des zweiten Fügepartners F2 erfasst und deren Höheninformationssignale ausgewertet und somit deren Höhenposition ermittelt, wird nur der Fügespalt FS zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner F1, F2 ermittelt. Wird nur die Oberseite des dritten Fügepartners F3 erfasst und deren Höheninformationssignale ausgewertet und somit deren Höhenposition ermittelt, ergibt sich die Summe aus den beiden Fügespalten FS. Auch hier kann ein festgelegter Grenzwert vorgesehen sein, der nicht überschritten werden darf, andernfalls wird die Schweißnaht als fehlerhaft bewertet. Können sowohl die Oberseite des zweiten Fügepartners F2 als auch die Oberseite des dritten Fügepartners F3 erfasst und deren Höheninformationssignale ausgewertet und somit deren Höhenpositionen ermittelt werden, können beide Fügespalte FS ermittelt werden.
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Ein fehlerhafter Schweißprozess, insbesondere aufgrund mindestens eines zu großen Fügespalts FS, wird vorteilhafterweise aufgrund einer Auftretenshäufigkeit dieser Höheninformationssignale, die aus der charakteristischen Tiefe stammen, die der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF zuzuordnen sind, erkannt. Insbesondere wird erkannt, dass der Schweißprozess fehlerhaft ist, wenn eine Anzahl AS dieser Höheninformationssignale, insbesondere pro Zeiteinheit und/oder Längenabschnitt, im Vergleich zu einer vorhergehenden Auswertung und/oder im Vergleich zu einem anderen Schweißnahtabschnitt um mindestens 100% ansteigt. 2 zeigt auf der linken Seite ein Histogramm dieser Höheninformationssignale aus verschiedenen Tiefen für eine Schweißnaht mit Anbindung des unteren Fügepartners UF bei einem Fügespalt FS von 0,8 mm und auf der rechten Seite ein Histogramm dieser Höheninformationssignale aus verschiedenen Tiefen für eine Schweißnaht ohne Anbindung des unteren Fügepartners UF bei einem Fügespalt FS von 1,0 mm. Die drei Umrahmungen repräsentieren die drei Fügepartner F1, F2, F3. Dargestellt in den Histogrammen ist jeweils die Anzahl AS der erfassten Höheninformationssignale an einer jeweiligen Tiefenposition z. Zu erkennen ist im rechten Histogramm ein im Vergleich zum linken Histogramm deutlicher Anstieg der Anzahl AS der Höheninformationssignale in einem oberen Bereich des dritten Fügepartners F3, im dargestellten Beispiel bei einer Tiefenposition z von -4,5 mm bis -5 mm.
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Bei einer Erfassung pro Zeiteinheit kann über eine Umrechnung von Zeit in Weg eine Länge einer schlechten Anbindung der Fügepartner F1, F2, F3 aneinander bestimmt werden, um sie beispielsweise mit einer noch erlaubten Fehlerlänge zu vergleichen.
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Diese Höheninformationssignale, die aus der Tiefe stammen, die der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF, im dargestellten Beispiel insbesondere des zweiten Fügepartners F2, entsprechen, werden insbesondere dann erfasst, wenn sich das Schmelzbad aufgrund eines zu großen Fügespalts FS, insbesondere zwischen dem ersten und zweiten Fügepartner F1, F2, zu stark aufzieht, so dass der OCT-Messstrahl 5 dann bis zur Oberfläche des unteren Fügepartners UF vordringen kann. Daher kann, wenn die oben beschriebene Auftretenshäufigkeit dieser Höheninformationssignale vorliegt, auf einen zu großen Fügespalt FS geschlossen werden.
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Beispielsweise werden Höheninformationen an mindestens zwei in Schweißrichtung x gelegenen Messpositionen ausgewertet. Dies ist, wie oben bereits erwähnt, besonders vorteilhaft, wenn die Höhenposition der Schweißoptik relativ zu den Fügepartnern F1, F2, F3 nicht bekannt ist. Dadurch können beispielsweise Höheninformationen der Oberfläche des oberen Fügepartners OF, d. h. des ersten Fügepartners F1, als Referenz erfasst werden, um die charakteristische Tiefe der Höheninformationen der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF, hier also insbesondere des zweiten Fügepartner F2 und beispielsweise zusätzlich des dritten Fügepartners F3, zu ermitteln.
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Um die Höheninformationssignale auszuwerten, die aus der charakteristischen Tiefe stammen, die der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF zuzuordnen sind, werden beispielsweise nur Höheninformationssignale ausgewertet, die in Schweißrichtung x in einem Messabstand a von mindestens -0,5 mm zum Laserstrahlmittelpunkt, d. h. hinter dem Laserstrahlmittelpunkt, erfasst werden. 3 zeigt die in einer jeweiligen Tiefenposition z erfassten Höheninformationssignale bei verschiedenen Messabständen a in Schweißrichtung x zum Laserstrahlmittelpunkt für eine Schweißnaht mit Anbindung des unteren Fügepartners UF (links) und für eine Schweißnaht ohne Anbindung des unteren Fügepartners UF (rechts). Im rechten Diagramm ist im Vergleich zum linken Diagramm in einem Messabstandsbereich von -0,55 mm bis -0,26 mm zum Laserstrahlmittelpunkt eine deutliche Häufung der Höheninformationssignale aus Tiefenpositionen z zwischen -2 mm und -3 mm zu erkennen, welche auf einen fehlerhaften Schweißprozess hindeuten.
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Vorteilhafterweise wird zusätzlich ein charakteristisches Abstandsmaß für einen Abstand dieser Höheninformationssignale zur Oberseite des oberen Fügepartner OF ausgewertet. Dieser Abstand wird in Verbindung mit der bekannten Dicke des oberen Fügepartners OF zur Ermittlung der Größe des Fügespaltes FS verwendet. Hierzu werden, wie oben bereits beschrieben, vorteilhafterweise auch Höheninformationssignale ausgewertet, die aus einer Tiefe stammen, die der Oberseite des oberen Fügepartners OF zuzuordnen sind. Dadurch kann ein Abstand der oben beschriebenen Höheninformationssignale der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners UF zu den weiteren Höheninformationssignalen von der Oberseite des oberen Fügepartners OF ermittelt werden. Aus diesem Abstand kann bei einer bekannten Dicke des oberen Fügepartners OF der Fügespalt FS zwischen dem oberen Fügepartner OF und dem mindestens einen unteren Fügepartner UF ermittelt werden.
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Zusätzlich können beispielsweise Höheninformationssignale in einem charakteristischen Messabstandsmaß zum Laserstrahl 1 in Schweißrichtung x hinter dem Laserstrahl 1 ausgewertet werden, insbesondere in einem solchen Messabstandsmaß, welches charakteristisch für die Position der hinteren Schmelzwand ist. Dadurch kann das sich aufziehende Schmelzbad, welches auf einen zu großen Fügespalt FS hindeuten kann, detektiert werden.
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Die Messposition des OCT-Messstrahls 5 kann durch den OCT-Scanner vorteilhafterweise frei gewählt werden. Beispielsweise kann diese Messposition über zwei bewegliche Spiegel abgelenkt werden. Der OCT-Messstrahl 5 wird dabei auch durch den Schweißscanner der Laserstrahlschweißvorrichtung geleitet und auch durch diesen abgelenkt. Der OCT-Messstrahl 5 kann somit auf eine charakteristische Position hinter dem Laserstrahl 1 eingestellt werden, um dort die Höheninformationssignale auszuwerten, oder der Messabstand a des OCT-Messstrahls 5 zum Laserstahl 1 parallel zur Schweißrichtung x verändert werden, um Höheninformationssignale aus verschiedenen Messabständen a zum Laserstrahl 1 auszuwerten und dadurch den charakteristischen Messabstand a zum Laserstrahl 1 zu ermitteln, in welchem die charakteristischen Höheninformationssignale von der Oberseite des unteren Fügepartners UF erfasst werden, um daraus beispielsweise auf die jeweilige Ausformung des Keyholes 2 zu schlussfolgern, oder der OCT-Messtrahl 5 kann beispielsweise quer zur Schweißrichtung x hinter dem Laserstrahl 1 bewegt werden, um beispielsweise die Topographie 6 der Schweißnaht und dadurch beispielsweise eine eingefallene Schweißnaht als Indikator für einen zu großen Fügespalt FS zu erfassen und/oder um einen Abstand der Schweißnaht zu einem Randbereich der Fügepartner F1, F2, F3 zu erfassen. Liegt die Schweißnaht zu dicht am Randbereich, kommt es durch Abkühlmechanismen zu Rissen in der Schweißnaht, die nicht anderweitig erkannt werden können.
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Somit können beispielsweise zusätzlich zur Auswertung der Höheninformationssignale für die Oberfläche des unteren Fügepartners UF, insbesondere in Verbindung mit den Höheninformationen für die Oberfläche des oberen Fügepartners OF, um die Größe des Fügespalts FS zu ermitteln, beispielsweise Höheninformationssignale der Topographie 6 im erstarrten Bereich 7 ausgewertet werden und mit den anderen Auswertungen verknüpft werden und/oder eine Auswertung mindestens einer geometrischen Eigenschaft eines durch den Schweißprozess ausgebildeten Bauteils oder der Fügestelle mit den oben beschriebenen Auswertungen verknüpft werden. Bei dieser geometrischen Eigenschaft kann es sich beispielsweise um eine geometrische Relation der Fügepartner F1, F2, F3 zueinander handeln.
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Vorteilhafterweise werden die oben beschriebenen Messungen an den verschiedenen Messpositionen im Keyhole 2 und in dessen Umgebungsbereich durchgeführt und miteinander verknüpft, um eine möglichst gute Prozessbewertung anhand der oben genannten Kriterien durchführen zu können.
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Zusammengefasst werden somit vorteilhafterweise mittels der optischen Kohärenztomografie die Größe eines Fügespalts FS oder mehrerer Fügespalte FS zwischen den Fügepartnern F1, F2, F3 ermittelt und/oder eine Topographie 6 der Schweißnaht ermittelt und/oder eine Ausdehnung des Keyholes 2 und/oder des Schmelzbades ermittelt und/oder ein Abstand einer hinteren Schmelzwand zum Laserstrahl 1 ermittelt und/oder mindestens eine geometrische Eigenschaft des ausgebildeten Bauteils ermittelt, um den Schweißprozess zu bewerten und bei auftretenden Fehlern vorteilhafterweise eine Regelungsanpassung vornehmen zu können, vorteilhafterweise noch während des aktuellen Schweißprozesses, d. h. inline.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2018/0178320 A1 [0002]
