DE102019208037A1

DE102019208037A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verbessern eines Laserstrahlschweißprozesses

Info

Publication number: DE102019208037A1
Application number: DE102019208037.5A
Authority: DE
Inventors: Patrick Kesper; Heike ADEL; Sergei Chubanov; Meiko Boley
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-06-03
Filing date: 2019-06-03
Publication date: 2020-12-03

Abstract

Verfahren (10) zum Verbessern eines Laserstrahlschweißprozesses, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:- während des Laserstrahlschweißprozesses werden Sensordaten aufgezeichnet (11),- eine Klassifikation der Sensordaten wird vorgenommen (12),- der Zustand von Fügepartnern des Laserstrahlschweißprozesses wird erfasst (13),- mittels künstlicher neuronaler Netze werden Einflüsse des Zustandes der Fügepartner auf die Sensordaten erkannt (14),- abhängig von der Klassifikation und den erkannten Einflüssen werden Parameter des Laserstrahlschweißprozesses angepasst (15).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbessern eines Laserstrahlschweißprozesses. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium.
Stand der Technik
Unter den Schweißverfahren ist das gemäß EN ISO 4063 (hier: Prozess 52) standardisierte Laserschweißen oder Laserstrahlschweißen dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezuführung über einen Laser erfolgt. Ein gattungsmäßiger Laserstrahlschweißprozess wird vor allem zum Verschweißen von Bauteilen eingesetzt, die mit hoher Schweißgeschwindigkeit, schmaler und schlanker Schweißnahtform und geringem thermischem Verzug gefügt werden müssen.
DE10259177B4 offenbart ein Verfahren zur Durchführung eines Schweißprozesses unter Verwendung eines Laserstrahls zum Verbinden zumindest zweier Fügepartner, wobei der Schweißprozess als Punktschweißprozess mit einem gepulsten Laserstrahl durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur zumindest eines der Fügepartner während eines Laserpulses bestimmt wird und auf der Grundlage der so bestimmten Temperatur wenigstens ein Schweißparameter des verwendeten Laserstrahls während des Laserpulses gesteuert oder geregelt wird, sodass während des Laserpulses eine Pulsformung durchgeführt wird.
In DE102008002263A1 wird eine Vorrichtung zur Laserschweißung mit einer Laserquelle, einer Wechselwirkungszone und einer Laserstrahlung von der Laserquelle auf die Wechselwirkungszone führenden Bearbeitungsoptik vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung ferner eine Überwachungseinrichtung mit einer Kopplungseinheit, einer Strahlführungseinrichtung und einem Sensor aufweist und wobei ferner die Kopplungseinheit zwischen der Bearbeitungsoptik und der Strahlführungseinrichtung angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Verbessern eines Laserstrahlschweißprozesses, eine entsprechende Vorrichtung, ein entsprechendes Computerprogramm sowie ein entsprechendes Speichermedium gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Das vorgeschlagene Verfahren fußt auf der Erkenntnis, dass beim herkömmlichen Laserstrahlschweißen Prozessparameter so definiert werden, dass sie für möglichst viele zu erwartende Prozessbedingungen funktionieren. Beispielsweise können Fertigungstoleranzen in vorgelagerten Prozessen zu Spalten zwischen den Fügepartnern führen. Somit müssen die verwendeten Parameter so eingestellt werden, dass jeder zu erwartende Spalt überbrückt werden kann.
Dem nachfolgend beschriebenen Ansatz liegt hingegen der Gedanke zugrunde, die Daten von Sensoren, die üblicherweise nach der Fertigstellung ausgewertet werden, um den Erfolg des Prozesses zu bewerten, auch einzusetzen, um diesen zu verbessern.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt darin, dass Sensordaten mehr Informationen beinhalten als beispielsweise ein Kamerabild, dass vor dem Prozess aufgenommen wurde. Der Zustand der Fügepartner hat direkten Einfluss auf ein solches Sensorsignal; dieser Umstand wird gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren geschickt genutzt, um den Prozess unter Nutzung eines künstlichen neuronalen Netzes (artificial neural network, ANN) optimal auf diesen Zustand anzupassen.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Grundgedankens möglich. So kann - anstelle etwa eines rückgekoppelten neuronalen Netzes (recurrent neural network, RNN) - die Verwendung eines sogenannten faltenden oder Faltungsnetzes (convolutional neural network, CNN) vorgesehen sein, da die Filtermöglichkeiten eines CNNs besonders geeignet sind, die zeitlichen Unregelmäßigkeiten in den Messdaten zu erkennen.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Schweißdauer verkürzt wird, wenn ein Fügepartner überhitzt. Die Schweißdauer kann auf diese Weise minimiert und somit die Taktzeit optimiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann vorgesehen sein, dass die Schweißleistung angepasst wird, wenn die Klassifikation auf eine unzureichende Schweißtiefe oder Verbrennungen hinweist oder der Schweißpfad verlängert wird, wenn die Sensordaten gemäß der Klassifikation auf einen Spalt zwischen den Fügepartnern deuten. So kann die Qualität der resultierenden Fügestelle optimiert werden.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

1 das Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 schematisch ein Laserschweißgerät gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung
1 illustriert eine Möglichkeit, Sensordaten schon während des Schweißprozesses auszuwerten, mit dem Ziel, den Prozess auf die aktuellen Begebenheiten anzupassen. Konkret geschieht dies beispielsweise nach folgendem Ablauf:

Während einer Explorationsphase (Prozess 11) werden die Daten eines oder mehrerer Sensoren aufgezeichnet und ausgewertet. In Betracht kommen beispielsweise Fotodioden, ein im Rahmen optischer Kohärenztomografie (optical coherence tomography, OCT) genutztes Interferometer oder eine Eventkamera.

Das Ergebnis der Explorationsphase (11) wird nach einer maschinellen Lern-Methode in einer von n Klassen zugeordnet (Prozess 12). Dazu kann beispielsweise ein Faltungsnetz verwendet werden, welches die in der vorhergehenden Explorationsphase (11) gewonnenen Sensordaten direkt auswertet.
Der Zustand der Fügepartner - beispielsweise deren Abstand oder sonstige geometrische Beziehung, Verschmutzung oder anderweitiger Oberflächenzustand - beeinflusst die Sensordaten. Auch dieser Zustand wird daher erfasst (Prozess 13).
Mittels CNNs werden auch die Einflüsse des Zustandes der Fügepartner auf die Sensordaten erkannt (Prozess 14).
Basierend auf dem Ergebnis der Klassifikation (12) kann schließlich der Schweißprozess adaptiert und damit auf den konkreten Anwendungsfall optimiert werden (Prozess 15).
Beispielsweise sind folgende Szenarien denkbar:

a. Ein Tiefensensor meldet eine unzureichende Schweißtiefe: Die Leistung wird erhöht.
b. Eine Fotodiode zeigt Anzeichen von Verbrennungen: Die Leistung wird verringert.
c. Der Tiefensensor erkennt einen großen Spalt zwischen den Bauteilen:
- Der Schweißpfad wird vergrößert.
d. Ein Pyrometer erkennt die Überhitzung des Bauteils: Die Restliche Schweißdauer wird reduziert.

Dieses Verfahren kann innerhalb des beurteilten Fensters positionsunabhängig beispielsweise in Software oder Hardware oder in einer Mischform aus Software und Hardware beispielsweise in einem Laserschweißgerät (20) implementiert sein, wie die schematische Darstellung der 2 verdeutlicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10259177 B4 [0003]
DE 102008002263 A1 [0004]

Claims

Verfahren (10) zum Verbessern eines Laserstrahlschweißprozesses, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - während des Laserstrahlschweißprozesses werden Sensordaten aufgezeichnet (11), - eine Klassifikation der Sensordaten wird vorgenommen (12), - der Zustand von Fügepartnern des Laserstrahlschweißprozesses wird erfasst (13), - mittels künstlicher neuronaler Netze werden Einflüsse des Zustandes der Fügepartner auf die Sensordaten erkannt (14), - abhängig von der Klassifikation und den erkannten Einflüssen werden Parameter des Laserstrahlschweißprozesses angepasst (15).
Verfahren (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufzeichnen der Sensordaten mittels eines der folgenden Sensoren erfolgt: - einer Fotodiode, - einem Interferometer, - einer Ereigniskamera, - einem Tiefensensor oder - einem Pyrometer.
Verfahren (10) nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - das Netz ist ein Faltungsnetz.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zustand anhand mindestens einer der folgenden Eigenschaften der Fügepartner bestimmt wird: - einem Material der Fügepartner, - einer Raumform oder räumlichen Beziehung, insbesondere einem Abstand der Fügepartner voneinander oder - einem Oberflächenzustand, insbesondere einer Verschmutzung der Fügepartner.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Parameter umfassen eine Schweißleistung und - die Schweißleistung wird angepasst, wenn die Sensordaten gemäß der Klassifikation (12) auf eine unzureichende Schweißtiefe oder Verbrennungen deuten.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Parameter umfassen einen Schweißpfad und - der Schweißpfad wird verlängert, wenn die Sensordaten gemäß der Klassifikation (12) auf einen Spalt zwischen den Fügepartnern deuten.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Parameter umfassen eine Schweißdauer und - die Schweißdauer wird verkürzt, wenn die Sensordaten gemäß der Klassifikation (12) auf eine Überhitzung der Fügepartner deuten.
Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter mindestens einen der folgenden Schweißparameter umfassen: - einen Vorschub, - eine Fokuslage, - eine Intensität oder - eine Intensitätsverteilung.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 auszuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogramm nach Anspruch 9 gespeichert ist.
Vorrichtung (20), die eingerichtet ist, das Verfahren (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 auszuführen.