DE102019107277A1

DE102019107277A1 - Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung

Info

Publication number: DE102019107277A1
Application number: DE102019107277.8A
Authority: DE
Inventors: Thorge Hammer; Martin Zubeil
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-09-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung (100), aufweisend: einen Schweißlaser (10) zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls (L), eine Messeinheit (20) zum Untersuchen einer Schweißnaht (N), und eine Laseroptik (30) zum Formen eines Laserstrahlengangs (G). Hierzu sieht die Erfindung vor, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:1) Erfassen eines Messwerts (B) durch die Messeinheit (20)2) Zuordnen eines Qualitätswertes (A1/A2) für den Messwert (B) der Messeinheit (20),3) Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik (30) anhand des Qualitätswertes (A1/A2) für den Messwert (B) der Messeinheit (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung, insbesondere einer kombinierten Laserscannerschweißvorrichtung, nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch und eine entsprechende Laserschweißvorrichtung, insbesondere eine kombinierte Laserscannerschweißvorrichtung, nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch.
Einige Bauteile für Fahrzeuge, wie z. B. Türen oder Klappen, werden mithilfe von Laserschweißen bearbeitet. Zur Qualitätskontrolle der Schweißnähte werden oft laserbasierte Messvorrichtungen verwendet, die bspw. nach dem Prinzip Kurzkohärenztomographie oder engl. „Optical Coherent Tomographie“ (kurz OCT) arbeiten. Dabei hat sich herausgestellt, dass optische Komponenten solcher Messvorrichtungen einer Verschmutzung unterliegen, die bspw. vom Laserschweißen kommen. Folglich kann passieren, dass die Messergebnisse solcher Messvorrichtungen qualitativ nachlassen können. Es sind Systeme bekannt, die auf Basis einer Streulichtmessung (vgl. DE 10 2014 118 205 A1 ) die Trübung von optischen Komponenten solcher Messvorrichtungen erfassen. Andere Systeme sind bekannt, die die Laserleistung eines Schweißlasers erfassen, um auf eine Verschmutzung der optischen Komponenten im Strahlengang des Schweißlasers zu schließen. Die erst genannten Systeme bedürfen eines hohen Pflegeaufwandes und haben eine zu hohe Pseudofehlerrate. Die Leistungsmesssysteme haben eine geringe Genauigkeit. Bei solchen Systemen kommt es oft zu früh zum Austauschen von kostspieligen optischen Komponenten der Laserschweißvorrichtungen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung, insbesondere einer kombinierten Laserscannerschweißvorrichtung, bereitzustellen. Insbesondere ist es die Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung, insbesondere einer kombinierten Laserscannerschweißvorrichtung, zur Verfügung zu stellen, welches eine Bestimmung von verschmutzten optischen Komponenten in der Laserschweißvorrichtung mit einer erhöhten Genauigkeit ermöglicht, welches die Einsatzdauer von optischen Komponenten in der Laserschweißvorrichtung verlängert und welches eine zuverlässige Qualitätskontrolle von Schweißnähten durch die Laserschweißvorrichtung ermöglicht. Zudem ist es die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Laserschweißvorrichtung, insbesondere eine kombinierte Laserscannerschweißvorrichtung, bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung, insbesondere einer kombinierten Laserscannerschweißvorrichtung, mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, und durch eine verbesserte Laserschweißvorrichtung, insbesondere eine kombinierte Laserscannerschweißvorrichtung, mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt. Merkmale, die zu den einzelnen Erfindungsaspekten offenbart werden, können in der Weise miteinander kombiniert werden, dass bzgl. der Offenbarung zu den Erfindungsaspekten der Erfindung stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Gemäß einem Aspekt stellt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung, insbesondere einer kombinierten Laserscannerschweißvorrichtung, bereit, aufweisend: einen Schweißlaser zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls, eine Messeinheit zum Untersuchen einer Schweißnaht, wobei insbesondere die Messeinheit mit einem Messlaser zum Generieren eines Abtaststrahls und eines Referenzstrahls und einer Auswerteinheit zum Vergleichen des Abtaststrahls mit dem Referenzstrahl ausgeführt sein kann, und eine, vorzugsweise gemeinsame, Laseroptik zum Formen eines Laserstrahlengangs, insbesondere für den Bearbeitungslaserstrahl sowie den Abtaststrahl und den Referenzstrahl. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

1) Erfassen (mindestens) eines Messwerts durch die Messeinheit, insbesondere durch die Auswerteinheit der Messeinheit,
2) Zuordnen eines Qualitätswertes für den Messwert der Messeinheit,
3) Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik anhand des Qualitätswertes für den Messwert der Messeinheit, wobei insbesondere der Qualitätswert für den Messwert ein Maß für die Sauberkeit oder Verschmutzung der Laseroptik bildet.

Unter einem Messlaser im Sinne der Erfindung kann eine Messlichtquelle verstanden werden, die das Licht mit speziellen Kohärenzeigenschaften emittiert und die in einem Kurzkohärenztomographiesystem genutzt werden kann. Das Kurzkohärenztomographiesystem dient zum Durchführen einer optischen Kohärenztomografie, um 2- und/oder 3-dimensionale Aufnahmen aus streuenden Materialien (hier der Schweißnaht) in der Mikrometerauflösung zu erhalten. Dazu generiert der Messlaser breitbandiges Licht von zeitlich geringer Kohärenzlänge, das in der Laseroptik in zwei Teile geteilt wird. Ein Teil wird auf die Schweißnaht gelenkt. Der andere Teil durchläuft eine Referenzstrecke. Das von der Schweißnaht reflektierte Licht wird mit dem Referenzlicht in einem Interferometer der Auswerteinheit überlagert, um ein Interferenzsignal zu erhalten. Aus dem Interferenzsignal lässt sich der Abstand zur und/oder die Tiefe der Schweißnaht erkennen. Durch laterales Scannen über die Schweißnaht erhält man dreidimensionale Bilder von der Schweißnaht.
Die Erfindung erkennt dabei, dass die, insbesondere außenliegenden, Komponenten der Laseroptik im Betrieb des Schweißlasers einer Verschmutzung (Schweißspritzer, Schmauch, Rauchablagerungen usw.) ausgesetzt sind, die den Qualitätswert für den Messwert der Messeinheit herabsetzten. Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass dieser Qualitätswert für den Messwert der Messeinheit ein Maß für die Sauberkeit oder Verschmutzung der Laseroptik bildet.
Im Rahmen der Erfindung kann der Qualitätswert in einem Normalbetrieb der Laserschweißvorrichtung, bspw. beim Schweißen einer Schweißnaht, funktionsbedingt aufgenommen werden. Eine zusätzliche Datenerfassung zum Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik ist in diesem Falle nicht erforderlich. Ferner ist es denkbar, dass der Messwert sowie der Qualitätswert hierzu in einem speziellen Überprüfungsmodus der Laserschweißvorrichtung aufgenommen werden. Der Qualitätswert kann schließlich untersucht werden, um die Sauberkeit oder Verschmutzung der Laseroptik zu analysieren.
Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem denkbar, dass der Messwert für eine Untersuchung der Schweißnaht erfasst wird, um den Qualitätswert zu erhalten. Hierbei kann ein niedriger Qualitätswert ein Zeichen für die Verschmutzung der Laseroptik sein, insbesondere der äußersten Komponente der Laseroptik, die der Schweißnaht zugewandt ist. Zudem ist es denkbar, dass der Messwert für eine Untersuchung der Komponente der Laseroptik aufgenommen wird. In diesem Falle kann ein hoher Qualitätswert ein Zeichen für die Verschmutzung dieser Komponente der Laseroptik sein.
Vorteilhafterweise kann mithilfe der Erfindung ein unmittelbar nutzbringender Messwert der Messeinheit herangezogen werden, um die Sauberkeit der Laseroptik beurteilen zu können. Ferner wird der Messwert im Sinne der Erfindung einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen, um willkürliche Störungen aus dem Messsignal herauszufiltern. Im Gegensatz zur reinen Streulichtmessung, die keine Absolutwerte zulässt und außerdem von den Umgebungslichtverhältnissen abhängig ist, liefert die Erfindung verbesserte Ergebnisse beim Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik mit einer erhöhten Genauigkeit. Somit kann mithilfe der Erfindung die Einsatzdauer von optischen Komponenten innerhalb der Laserschweißvorrichtung verlängert werden und nach einem weiteren Vorteil die Qualitätskontrolle von Schweißnähten verbessert werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung mindestens einen folgenden Schritt vorsehen:

4) Bereitstellen mindestens einer Warngrenze und/oder einer Eingriffsgrenze für den Qualitätswert, bei der eine Warnung für die Verschmutzung der Laseroptik und/oder ein Alarm die notwendige Reparatur der Laseroptik ausgegeben werden/wird.

Somit kann die Erfindung eine intuitive und verständliche Beurteilung der Sauberkeit der Laseroptik ermöglichen. Unnötige Eingriffe in die Laseroptik und Ersatz von noch funktionstauglichen optischen Komponenten werden somit vermieden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass im Schritt 2) ein Abstand zum Signalrauschen mit Störung und ein Abstand zum Signalrauschen ohne Störung gebildet werden. Diese Werte können vorteilhafterweise zur Bildung des Qualitätswertes und/oder zur Bestimmung des Messrauschens herangezogen werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass im Schritt 1) der Messwert für einen Abstand zur Oberfläche der Schweißnaht und/oder einen Abstand zum Boden der Schweißnaht gebildet werden/wird, wobei insbesondere der Qualitätswert für den Messwert ein Maß für die Sauberkeit der Laseroptik bildet. Dabei wird primär die Schweißnaht untersucht. Ein niedriger Qualitätswert kann dabei ein Zeichen für die Verschmutzung der Laseroptik sein, insbesondere der äußersten Komponente der Laseroptik, die der Schweißnaht zugewandt ist. Der Qualitätswert, der den Messwert gemäß der Erfindung charakterisiert, liefert quasi als Nebenprodukt die Möglichkeit einer Beurteilung der Sauberkeit der Laseroptik. Somit kann die Laserschweißvorrichtung ohne jeglichen Zusatzaufwand, ohne Zusatzkomponenten und/oder ohne Verzögerungen im Betrieb auf die Sauberkeit der Laseroptik überprüft werden.
Noch weiter kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass im Schritt 1) der Messwert für einen Abstand zu einer Komponente, insbesondere zu einem Schutzglas, der Laseroptik gebildet wird, wobei insbesondere der Qualitätswert für den Messwert ein Maß für die Verschmutzung der Laseroptik bildet. Dabei kann die Messeinheit unmittelbar zum Untersuchen der Laseroptik herangezogen werden, insbesondere der äußersten Komponente der Laseroptik, die der Schweißnaht zugewandt ist. Dabei kann ein hoher Qualitätswert, wenn zu viel Licht nach innen reflektiert wird und die Laseroptik gar nicht verlässt, ein Zeichen für die Verschmutzung der äußersten Komponente der Laseroptik sein. Somit kann die Messeinheit unmittelbar die Sauberkeit der Laseroptik untersuchen.
Zudem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass beim Ausführen des Verfahrens die Laseroptik mit festbrennweitigen Optiken verwendet wird. Dabei können vorteilhafterweise laserbasierte Messeinheiten verwendet werden, die bspw. nach dem Prinzip Kurzkohärenztomographie oder engl. „Optical Coherent Tomographie“ (kurz OCT) arbeiten können. Bei diesen Messeinheiten wird das Messsignal einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen, um willkürliche Störungen im Messsignal herauszufiltern. Dabei bildet sich ein nutzbringender Messwert als Abstandswert zu einer zu untersuchenden Oberfläche und ein Messwert für ein Messrauschen.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass beim Ausführen des Verfahrens die Laseroptik mit beweglichen Scanneroptiken verwendet wird. Mithilfe von beweglichen Scanneroptiken kann der Bearbeitungslaserstrahl des Schweißlasers und/oder der Abtaststrahl der Messeinheit über der zu bearbeitenden und/oder zu untersuchenden Oberfläche, bspw. mithilfe von Spiegeln, abgelenkt werden. Somit kann die Bearbeitung und/oder die Untersuchung der Oberfläche schnell und effizient erfolgen. Dabei ist es sogar denkbar, dass die Laserschweißvorrichtung bei der Bearbeitung und/oder der Untersuchung der Oberfläche gar nicht bewegt werden braucht. Ein weiterer Vorteil der beweglichen Scanneroptiken liegt darin, dass somit die optischen Komponenten der Laseroptik gezielt nach Verschmutzungen abgetastet werden können.
Ferner kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass im Schritt 1) eine Komponente, insbesondere ein Schutzglas, der Laseroptik abgetastet wird. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass nicht nur eine verschmutzte optische Komponente der Laseroptik an sich erkannt werden kann, sondern auch die verschmutzte Bereiche der optischen Komponente bestimmt werden können.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass für die Komponente, insbesondere für das Schutzglas, der Laseroptik ein Abbild erfasst wird, welches saubere Bereiche und/oder verschmutzte Bereiche der Komponente, insbesondere des Schutzglases, bestimmt. Auf diese Weise kann eine bereichsweise Analyse der optischen Komponente auf Sauberkeit ausgeführt werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung mindestens einen weiteren Schritt vorsehen:

5) Ausrichten der Komponente, insbesondere des Schutzglases, der Laseroptik bezüglich des Laserstrahlgangs, um den Laserstrahlgang durch einen sauberen Bereich der Komponente, insbesondere des Schutzglases, durchzuführen.

Somit kann ein wesentlicher Vorteil erreicht werden, dass die Komponente trotz bereichsweise Verschmutzung weiter im Betrieb verbleiben kann, ohne die Qualität der Schweißnaht sowie der Untersuchung einer Schweißnaht zu beeinträchtigen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe eine Laserschweißvorrichtung, insbesondere eine kombinierte Laserscannerschweißvorrichtung, bereit, aufweisend: einen Schweißlaser zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls, eine Messeinheit zum Untersuchen einer Schweißnaht, wobei insbesondere die Messeinheit mit einem Messlaser zum Generieren eines Abtaststrahls und eines Referenzstrahls und einer Auswerteinheit zum Vergleichen des Abtaststrahls mit dem Referenzstrahl ausgeführt sein kann, und eine Laseroptik zum Formen eines Laserstrahlengangs. Hierzu ist erfindungsgemäß eine Steuereinheit vorgesehen, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist. Mithilfe der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. Die erfindungsgemäße Laserschweißvorrichtung kann vorteilhafterweise für die Produktion von Fahrzeugteilen, wie z. B. Türen oder Klappen, verwendet werden.
Zudem kann die Erfindung bei einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass die Messeinheit mit einem Messlaser zum Generieren eines Abtaststrahls und eines Referenzstrahls und einer Auswerteinheit zum Vergleichen des Abtaststrahls mit dem Referenzstrahl ausgeführt ist, und/oder dass die Messeinheit einen beweglichen Spiegel aufweist, um den optischen Weg des Referenzstrahls zu verändern. Somit kann die Messeinheit einen eigenen Messlaser aufweisen, der einen Abtaststrahl und einen Referenzstrahl generieren kann. Über den beweglichen Spiegel kann der optische Weg des Referenzstrahls an den optischen Weg des Abtaststrahls angepasst werden, um eine Interferenzbildung zwischen dem Abtaststrahl und dem Referenzstrahl zu ermöglichen. Mithin kann die Messeinheit dazu ausgelegt sein, nach dem Prinzip Kurzkohärenztomographie oder engl. „Optical Coherent Tomographie“ (kurz OCT) zu arbeiten.
Außerdem ist es denkbar, dass die Messeinheit in Form einer Kurzkohärenztomographie-Vorrichtung ausgeführt ist. Mithilfe einer Kurzkohärenztomographie-Vorrichtung können hochpräzise Abstandsmessungen realisiert werden, die zum Untersuchen einer Oberfläche einer Probe, wie z. B. eines Werkstücks mit einer Schweißnaht, genutzt werden können. Mithilfe einer solchen Vorrichtung können sehr präzise 3D-Bilder einer Oberfläche durchgeführt werden. Nach einem weiteren synergetischen Vorteil der Erfindung kann mithilfe einer solchen Vorrichtung quasi als Nebenprodukt eine hoch genaue Untersuchung der Sauberkeit der verwendeten Laseroptik durchgeführt werden.
Zudem kann die Erfindung im Rahmen einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass eine Scanneraktorik für bewegliche Scanneroptiken der Laseroptik vorgesehen ist, um den Abtaststrahl über der zu untersuchenden Oberfläche einer Probe auszurichten. Somit kann eine Laseroptik mit beweglichen Scanneroptiken realisiert werden.
Ferner kann die Erfindung im Rahmen einer Laserschweißvorrichtung vorsehen, dass eine Schutzglasaktorik vorgesehen ist, um eine Komponente, insbesondere ein Schutzglas, der Laseroptik bezüglich des Laserstrahlgangs auszurichten. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass die Komponente der Laseroptik, wie z. B. das Schutzglas, die nach außen hin offen und der Schweißnaht zugewandt ist, automatisch so ausgerichtet wird, um den Laserstrahlgang durch einen sauberen Bereich der Komponente, insbesondere des Schutzglases, durchzuführen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur einen beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:

1 eine Prinzipskizze einer möglichen Laserschweißvorrichtung im Sinne der Erfindung mit festbrennweitigen Optiken,
2 eine Prinzipskizze einer weiteren möglichen Laserschweißvorrichtung im Sinne der Erfindung mit beweglichen Scanneroptiken,
3 eine Prinzipskizze einer Messeinheit im Sinne der Erfindung, und
4 eine schematische Darstellung einer Erfassung eines Messwertes im Sinne der Erfindung.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Merkmale der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die 1 und 2 zeigen mögliche Ausführungsformen einer Laserschweißvorrichtung 100 im Sinne der Erfindung, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt ist. Die Laserschweißvorrichtung 100 kann vorteilhafterweise als eine kombinierte Laserscannerschweißvorrichtung ausgebildet sein, d. h. als eine Vorrichtung, welche eine Schweißnaht bildet und welche die eigens gebildete Schweißnaht auf Qualität untersucht.
Die Laserschweißvorrichtung 100 weist einen Schweißlaser 10 zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls L auf. Ferner weist die Laserschweißvorrichtung 100 eine Messeinheit 20 zum Untersuchen einer Schweißnaht N auf, die vorzugsweise als eine Kurzkohärenztomographie-Vorrichtung ausgeführt sein kann. Bei der Messeinheit 20 wird das Messsignal einer Fast-Fourier-Transformation unterzogen, um willkürliche Störungen im Messsignal herauszufiltern. Dabei werden ein nutzbringender Messwert B als Abstandswert A1, A2 zu einer zu untersuchenden Oberfläche einer Probe P und ein Messwert B für ein Messrauschen A2-A1 gebildet (vgl. die 4).
Die Messeinheit 20 ist wiederum mit einem Messlaser 21 zum Generieren eines Abtaststrahls S1 und eines Referenzstrahls S2, einer Auswerteinheit 22 zum Vergleichen des Abtaststrahls S1 mit dem Referenzstrahl S2 sowie mit einem beweglichen Spiegel 23 zum Anpassen des optischen Weges des Referenzstrahls S2 ausgeführt (vgl. die 3 und 4).
In den 3 und 4 ist ferner gezeigt, dass in der Auswerteinheit 22 ein Prisma 22a oder ein Gitter 22a vorgesehen sein kann, um die Laserstrahlen in Abhängigkeit deren Wellenlänge zu trennen. Zudem kann in der Auswerteinheit 22 ein Detektor 22b vorgesehen sein, um ein Interferenzbild zwischen dem Abtaststrahl S1 und dem Referenzstrahl S2 aufzuzeichnen. Hierzu wird der bewegliche Spiegel 23 im Referenzarm hin und her verfahren, um Interferenzsignale aus unterschiedlichen Tiefen der Probe P zu erhalten, wenn es dort reflektierende Strukturen gibt.
Weiterhin weist die Laserschweißvorrichtung 100 eine, vorzugsweise für den Schweißlaser 10 und den Messlaser 21 gemeinsame, Laseroptik 30 zum Formen eines Laserstrahlengangs G auf, insbesondere für den Bearbeitungslaserstrahl L sowie den Abtaststrahl S1 und den Referenzstrahl S2.
Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Verfahren zum Betreiben der Laserschweißvorrichtung 100, die gemäß den 1 oder 2 ausgebildet sein kann, folgende Schritte umfasst:

1) Erfassen (mindestens) eines Messwerts B durch die Messeinheit 20 (vgl. die Grafiken rechts in der 1, die eine Vielzahl n an Messwerten B als Punkte zeigen),
2) Zuordnen eines Qualitätswertes A1/A2 für den Messwert B der Messeinheit 20,
3) Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik 30 anhand des Qualitätswertes A1/A2 für den Messwert B der Messeinheit 20, wobei insbesondere der Qualitätswert A1/A2 für den Messwert B ein Maß für die Sauberkeit oder Verschmutzung der Laseroptik 30 bildet.

Wie es die 4 andeutet, sind die, insbesondere außenliegenden, Komponenten 31 der Laseroptik 30 im Betrieb des Schweißlasers 10 einer Verschmutzung (Schweißspritzer, Schmauch, Rauchablagerungen usw.) ausgesetzt. Dabei können sich Schmutzpartikel V an den außen liegenden Komponenten 31 der Laseroptik 30 festsetzen, die den Qualitätswert A1/A2 für den Messwert B der Messeinheit 20 herabsetzen können.
Die 4 zeigt ferner, dass im Schritt 2) ein Abstand A1 zum Signalrauschen mit Störung V und ein Abstand A2 zum Signalrauschen ohne Störung V gebildet werden. Diese Werte werden vorteilhafterweise zur Bildung des Qualitätswertes A1/A2 und/oder zur Bestimmung des Messrauschens A2-A1 herangezogen.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der Qualitätswert A1/A2 für den Messwert B der Messeinheit 20 ein Maß für die Sauberkeit oder Verschmutzung der Laseroptik 30 bildet, insbesondere der äußersten Komponente 31 der Laseroptik 30, die der Schweißnaht N zugewandt ist. Diese Komponenten 31 der Laseroptik 30 ist in den 1 bis 4 beispielhaft in Form eines Schutzglases 31 dargestellt. Grundsätzlich ist es denkbar, dass eine Linse 32 die äußerste Komponente 31 der Laseroptik 30 darstellen kann.
Der Qualitätswert A1/A2 kann gemäß der Erfindung in einem Normalbetrieb der Laserschweißvorrichtung 100, bspw. beim Schweißen einer Schweißnaht N, funktionsbedingt aufgenommen werden. Die Messeinheit 20 untersucht die Schweißnaht N in diesem Falle parallel zur Bildung der Schweißnaht N durch den Schweißlase 10.
Der Messwert B sowie der Qualitätswert A1/A2 können ferner in einem speziellen Überprüfungsmodus der Laserschweißvorrichtung 100 aufgenommen werden.
Wenn der Messwert B bei der Untersuchung der Schweißnaht N erfasst wird, kann ein niedriger Qualitätswert A1/A2 ein Zeichen für die Verschmutzung der Laseroptik 30 sein, insbesondere der äußersten Komponente 31 der Laseroptik 30, die der Schweißnaht N zugewandt ist.
Wenn der Messwert B unmittelbar an der Komponente 31 der Laseroptik 30 aufgenommen wird, um die Komponente 31 zu untersuchen, die der Schweißnaht N zugewandt ist, kann ein hoher Qualitätswert A1/A2 ein Zeichen für die Verschmutzung dieser Komponente 31 der Laseroptik 30 sein.
Bei einem Verfahren im Sinne der Erfindung kann mindestens ein weiterer Schritt vorgesehen sein:

4) Bereitstellen mindestens einer Warngrenze und/oder einer Eingriffsgrenze für den Qualitätswert A1/A2, bei der eine Warnung für die Verschmutzung der Laseroptik 30 und/oder ein Alarm die notwendige Reparatur der Laseroptik 30, insbesondere der äußersten Komponente 31 der Laseroptik 30, die der Schweißnaht N zugewandt ist, ausgegeben werden/wird.

Wie es die 1 und 2 schematisch zeigen, ist im Rahmen der erfindungsgemäßen Laserschweißvorrichtung 100 eine Steuereinheit 40 vorgesehen, die speziell zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt ist.
Wie es außerdem aus der 4 erkennbar ist, kann im Schritt 1) der Messwert B für einen Abstand a zur Oberfläche der Schweißnaht N und/oder einen Abstand a+t zum Boden der Schweißnaht N gebildet werden. Wie oben bereits erwähnt, kann der Qualitätswert A1/A2 für den Messwert B ein Maß für die Sauberkeit der Laseroptik 30 bilden, wenn die Schweißnaht N untersucht wird.
Die 3 zeigt weiterhin, dass zum Untersuchen einer Probe P unterschiedliche Wellenlängen durch ein Prisma 22a oder ein (Beugungs-)Gitter 22a oder ein anderes den messstrahlbeugendes optisches Element getrennt werden, die am Detektor 22b unterschiedliche Interferenzbilder bilden können. In den 3 und 4 ist weiterhin gezeigt, dass eine erste Wellenlänge λ1 (bspw. grün) tiefer in die Probe P (bis zum Boden der Probe P) eindringen kann als eine zweite Wellenlänge Ä2 (bspw. blau), die bereits an der Oberfläche der Probe P reflektiert wird. Beide Messwerte B erscheinen mit einem Versatz für die Tiefe t der Schweißnaht N auf der Grafik der 4. Die zweite Wellenlänge Ä2 liefert dabei einen Messwert B für einen Abstand a zur Oberfläche der Schweißnaht N und die erste Wellenlänge λ1 einen Abstand a+t zum Boden der Schweißnaht N. Zwischen der ersten Wellenlänge λ1 und der zweiten Wellenlänge Ä2 gibt es viele verschiedene Wellenlängen die auf den Detektor 22b treffen und ausgewertet werden können. Bei dem Messlaser 21 handelt es sich mit anderen Worten um eine Messlichtquelle, die ein Kontinuum an Wellenlängen zwischen den beiden Extremwellenlängen λ1 und Ä2 emittiert.
Nach einem Vorteil der Erfindung ist es jedoch grundsätzlich möglich, dass im Schritt 1) der Messwert B für einen Abstand zu einer Komponente 31, insbesondere zu einem Schutzglas 31, der Laseroptik 30 gebildet wird. In diesem Falle bildet der Qualitätswert A1/ A2 für den Messwert B ein Maß für die Verschmutzung der Laseroptik 30, insbesondere der äußersten Komponente 31 der Laseroptik 30, die der Schweißnaht N zugewandt ist. Hierbei wird ein Messwert B überhaupt erfasst, wenn die Laserstrahlen an den schmutzigen Komponenten zurück in die Laseroptik 30 reflektiert werden, ohne die Laseroptik 30 zu verlassen.
Somit kann im Schritt 1) eine Komponente 31, insbesondere ein Schutzglas 31, der Laseroptik 30 unmittelbar abgetastet werden. Dabei kann für die Komponente 31, insbesondere für das Schutzglas 31, der Laseroptik 30 ein Abbild erfasst werden, welches saubere Bereiche und/oder verschmutzte Bereiche der Komponente 31, insbesondere des Schutzglases 31, bestimmt.
Vorteilhafterweise kann anschließend in einem weiteren Schritt 5) die Komponente 31, insbesondere das Schutzglas 31, der Laseroptik 30 bezüglich des Laserstrahlgangs G ausgerichtet werden (siehe den Pfeil D2 in der 2), um den Laserstrahlgang G durch einen sauberen Bereich der Komponente 31, insbesondere des Schutzglases 31, durchzuführen. Hierzu kann die Steuereinheit 40 eine speziell vorgesehene Schutzglasaktorik 42 entsprechend ansteuern.
Wie es aus der 1 ersichtlich ist, kann beim Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Laseroptik 30 mit festbrennweitigen Optiken verwendet werden.
Wie es weiterhin die 2 andeutet, kann beim Ausführen des Verfahrens die Laseroptik mit beweglichen Scanneroptiken verwendet werden(siehe den Pfeil D1 in der 2). Hierzu kann die Steuereinheit 40 eine speziell vorgesehene Scanneraktorik 41 entsprechend ansteuern. Mithilfe von beweglichen Scanneroptiken kann der Bearbeitungslaserstrahl L des Schweißlasers 10 und/oder der Abtaststrahl S1 der Messeinheit 20 über der zu bearbeitenden und/oder zu untersuchenden Oberfläche, bspw. mithilfe von Spiegeln 33, 34, abgelenkt werden. Somit kann die Bearbeitung und/oder die Untersuchung der Oberfläche einer Probe P schnell und effizient erfolgen.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

100: Laserschweißvorrichtung
10: Schweißlaser
20: Messeinheit
21: Messlaser, Messlichtquelle
22: Auswerteinheit, Detektor
22a: Prisma, Gitter
22b: Detektor
23: Spiegel
30: Laseroptik
31: Komponente, Schutzglas
32: Linse
33: Spiegel
34: Spiegel
40: Steuereinheit
41: Scanneraktorik
42: Schutzglasaktorik
a: Abstand zur Oberfläche der Schweißnaht
a+t: Abstand zum Boden der Schweißnaht
n: Vielzahl n an Messwerten
t: Tiefe der Schweißnaht
A1: Abstand zum Signalrauschen mit Störung
A2: Abstand zum Signalrauschen ohne Störung
A1/A2: Qualitätswert für den Messwert
A2-A1: Messwertrauschen
B: Messwert, Signallevel
D1: Ausrichten der beweglichen Scanneroptiken
D2: Ausrichten der äußersten Komponente der Laseroptik
L: Bearbeitungslaserstrahl
G: Laserstrahlengang
N: Schweißnaht
P: Probe
V: Störung, Schmutzpartikel
S1: Abtaststrahl
S2: Referenzstrahl
λ1: erste Wellenlänge
λ2: zweite Wellenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014118205 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Laserschweißvorrichtung (100), aufweisend: einen Schweißlaser (10) zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls (L), eine Messeinheit (20) zum Untersuchen einer Schweißnaht (N), und eine Laseroptik (30) zum Formen eines Laserstrahlengangs (G), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: 1) Erfassen eines Messwerts (B) durch die Messeinheit (20) 2) Zuordnen eines Qualitätswertes (A1/A2) für den Messwert (B) der Messeinheit (20), 3) Beurteilen der Sauberkeit der Laseroptik (30) anhand des Qualitätswertes (A1/A2) für den Messwert (B) der Messeinheit (20).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen folgenden Schritt umfasst: 4) Bereitstellen mindestens einer Warngrenze und/oder einer Eingriffsgrenze für den Qualitätswert (A1/A2), bei der eine Warnung für die Verschmutzung der Laseroptik (30) und/oder ein Alarm die notwendige Reparatur der Laseroptik (30) ausgegeben werden/wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 2) ein Abstand (A1) und zum Signalrauschen mit Störung (V) und ein Abstand (A2) zum Signalrauschen ohne Störung (V) gebildet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) der Messwert (B) für einen Abstand (a) zur Oberfläche der Schweißnaht (N) und/oder einen Abstand (a+t) zum Boden der Schweißnaht (N) gebildet werden/wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) der Messwert (B) für einen Abstand zu einer Komponente (31) der Laseroptik (30) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausführen des Verfahrens die Laseroptik (30) mit festbrennweitigen Optiken verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass beim Ausführen des Verfahrens die Laseroptik (30) mit beweglichen Scanneroptiken verwendet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt 1) eine Komponente (31) der Laseroptik (30) abgetastet wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Komponente (31) der Laseroptik (30) ein Abbild erfasst wird, welches saubere Bereiche und/oder verschmutzte Bereiche der Komponente (31) bestimmt.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: 5) Ausrichten (D2) der Komponente (31) der Laseroptik (30) bezüglich des Laserstrahlgangs (G), um den Laserstrahlgang (G) durch einen sauberen Bereich der Komponente (31) durchzuführen.
Laserschweißvorrichtung (100), aufweisend: einen Schweißlaser (10) zum Generieren eines Bearbeitungslaserstrahls (L), eine Messeinheit (20) zum Untersuchen einer Schweißnaht (N), und eine Laseroptik (30) zum Formen eines Laserstrahlengangs (G), dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinheit (40) vorgesehen ist, die zum Ausführen eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgeführt ist.
Laserschweißvorrichtung (100) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (20) mit einem Messlaser (21) zum Generieren eines Abtaststrahls (S1) und eines Referenzstrahls (S2) und einer Auswerteinheit (22) zum Vergleichen des Abtaststrahls (S1) mit dem Referenzstrahl (S2) ausgeführt ist, und/oder dass die Messeinheit (20) einen beweglichen Spiegel (23) aufweist, um den optischen Weg des Referenzstrahls (S2) zu verändern.
Laserschweißvorrichtung (100), nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinheit (20) in Form einer Kurzkohärenztomographie-Vorrichtung ausgeführt ist.
Laserschweißvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scanneraktorik (41) für bewegliche Scanneroptiken der Laseroptik (30) vorgesehen ist, um den Abtaststrahl (S1) über der zu untersuchenden Oberfläche einer Probe (P) auszurichten.
Laserschweißvorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schutzglasaktorik (42) vorgesehen ist, um eine Komponente (31) der Laseroptik (30) bezüglich des Laserstrahlgangs (G) auszurichten.