DE102019210618A1

DE102019210618A1 - Systeme und verfahren zum überwachen und/oder steuern einer wobbel-bearbeitung unter verwenden von kohärenter inline-bildgebung (ici)

Info

Publication number: DE102019210618A1
Application number: DE102019210618.8A
Authority: DE
Inventors: Christopher M. Galbraith; Jordan A. Kanko; Paul J.L. Webster
Original assignee: IPG Photonics Corp
Current assignee: IPG Photonics Corp
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2019-07-18
Publication date: 2020-01-23
Also published as: CN112469526B; SG11202100407UA; CA3106370A1; EP3807041A1; JP2021530360A; CN117680810A; US20200023461A1; KR20210032456A; BR112021000911A2; MX2021000687A; CN112469526A; WO2020018814A1; EP3807041A4

Abstract

Ein System und Verfahren kann zum Überwachen und/oder Steuern eines Wobbelschweißprozesses unter Verwenden von kohärenter Inline-Bildgebung (ICI) verwendet werden. Während mindestens ein Prozessstrahl gemäß einem Wobbelmuster an einer Schweißstelle eines Werkstücks bewegt wird, bewegt ein ICI-System mindestens einen Bildgebungsstrahl zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl zu einem oder mehreren Messorten in dem Wobbelmuster und erfasst ICI-Messungen (z. B. Tiefenmessungen) an diesen Orten. Die ICI-Messung(en) kann/können verwendet werden, um beispielsweise während des Schweißprozesses Dampfkapillar- und/oder Schmelzbadeigenschaften einzuschätzen. Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können auch bei anderen Werkstoffbearbeitungsanwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Laser oder ein anderer Energiestrahl während einer Bearbeitung in einer Wobbel- oder Taumelbewegung geführt wird, einschließlich unter anderem additiver Fertigung, Markieren und Materialabtrag.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Patentanmeldung beansprucht die Priorität der am 28. Mai 2019 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung 62/853,368 mit dem Titel „Systems and Methods for Monitoring and/or Controlling Wobble-Welding Using Inline Coherent Imaging (ICI)“ und beansprucht die Priorität der am 19. Juli 2018 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung 62/700,606 mit dem Titel „Wobble-Welding of Copper and Aluminum Allows with Inline Coherent Imaging“, deren beider Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Überwachen und/oder Steuern einer Werkstoffbearbeitung und insbesondere Systeme und Verfahren für den Einsatz von kohärenter Inline-Bildgebung (ICI, Inline Coherent Imaging) zum Überwachen und/oder Steuern einer Werkstoffbearbeitung, bei der ein Prozessstrahl in einem Wobbelmuster bewegt wird, wie beispielsweise beim Wobbel-Schweißen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Laserschweißen von Nichteisenlegierungen bei industriellen Anwendungen ist ein wachsender Zweig, der jedoch auch einige Herausforderungen stellt. Durch die geringe Absorption von Wellenlängen industrieller Nahinfrarot-Laser beispielsweise durch Aluminium- und Kupferlegierungen bildet sich keine anfängliche Dampfkapillare aus, was für ein wirksames Einkoppeln von Energie in dem Werkstück erforderlich sein kann. Sobald sich eine Dampfkapillare gebildet hat, kann die geringe Viskosität der Schmelze (z. B. im Vergleich zu Eisenlegierungen) zu verringerter Prozessstabilität und höherer Wahrscheinlichkeit von Defekten führen.
Bei anspruchsvollen Werkstoffen, wie Aluminium, Kupfer und anderen Nichteisenlegierungen, kann ein Kombinieren von (z. B. Single-Mode-/Low-Mode-) Faserlaserquellen mit hoher Lichtleistung mit dynamischer Strahlablenkung (oder Strahlwobbling) ein wirkungsvoller Ansatz für eine präzise Steuerung der Verteilung von Laserleistung auf der Werkstoffoberfläche bei gleichzeitigem Aufrechterhalten eines hohen Grads an Strahlungsintensität an der Stelle der Strahl-Stoff-Wechselwirkung sein. Eine „Wobbel-Schweiß“-Technik zum schnelleren und präziseren Bewegen des Strahls beinhaltet die Verwendung beweglicher Spiegel zum Bereitstellen von Wobbelmustern mit dem Strahl, wie dies zum Beispiel detaillierter in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2016/0368089 offenbart ist, die im Eigentum der Pateninhaberin steht und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird. Derartige Wobbel-Schweißprozesse können, insbesondere beim Schweißen von Kupfer und Aluminium, die Prozessstabilität verbessern und können zudem Spritzer und den Porenanteil verringern sowie ein höheres Maß an Steuerbarkeit der endgültigen Schweißgeometrie bereitstellen. Somit wurden stabile, wiederholbare und steuerbare Ergebnisse mit der Möglichkeit eines breiten Einsatzes bei industriellen Anwendungen aufgezeigt.
Eine detailliertere Untersuchung der Dynamiken von Dampfkapillare und Schmelzbad, die derartige industrielle Vorteile bietende Endergebnisse erzielen, wären für eine bessere Ausnutzung der Vorzüge von Wobbel-Schweißtechniken von großem Wert. Die zusätzlichen Freiheitsgrade, die durch das Wobbel-Schweißen erzielt werden, können jedoch die ohnehin bereits komplizierte Aufgabe des Aufzeichnens der Dampfkapillardynamiken unter Verwenden einer Prozessüberwachung mit fotodiodenbasierten Sensoren oder Hochgeschwindigkeitskameras weiter verkomplizieren.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Laser-Werkstoffbearbeitungssystem eine Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle zum Erzeugen eines Prozessstrahls und einen Bearbeitungskopf, der mit der Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle gekoppelt ist und mindestens einen Prozessstrahlscanaktor zum Lenken und Bewegen des Prozessstrahls gemäß einem Wobbelmuster in mindestens einer Achse an einer Bearbeitungsstelle eines Werkstücks aufweist. Ein kohärentes Inline-Bildgebungssystem (ICI, Inline Coherent Imaging) ist optisch mit dem Bearbeitungskopf gekoppelt und umfasst mindestens einen Bildgebungsstrahlscanaktor zum Positionieren des Bildgebungsstrahls zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl. Ein Steuersystem steuert zumindest die Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle, den Prozessstrahlscanaktor und den Bildgebungsstrahlscanaktor. Das Steuersystem ist programmiert, den Bearbeitungskopf zu veranlassen, den Prozessstrahl in dem Wobbelmuster zu scannen, und den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl zu mehreren Messorten an der Bearbeitungsstelle in Übereinstimmung mit dem Wobbelmuster zu bewegen.
Gemäß einem anderen Aspekt ist ein Verfahren zum Überwachen eines WobbelSchweißprozesses bereitgestellt. Das Verfahren umfasst: Lenken eines Prozessstrahls und mindestens eines Bildgebungsstrahls von einem kohärenten Inline-Bildgebungssystem (ICI) zu einer Schweißstelle eines Werkstücks; Bewegen des Prozessstrahls in einem Wobbelmuster an der Schweißstelle des Werkstücks; Bewegen des mindestens einen Bildgebungsstrahls zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl zu mehreren Messorten an der Schweißstelle; und Erfassen von ICI-Messungen von den mehreren Messorten, während sich der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster bewegt.
Figurenliste
Diese und andere Merkmale und Vorteile sind anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 eine schematische Blockdarstellung eines Laserschweißsystems ist, das Wobbel-Schweißmuster bereitstellt und unter Verwenden einer kohärenten Inline-Bildgebung (ICI) überwacht wird, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
1A eine schematische Darstellung eines fokussierten Laserstrahls mit einem relativ kleinen Bewegungsbereich ist, der durch zwei Spiegel zu Zwecken eines Wobbling bereitgestellt ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
2A-2D schematische Darstellungen sind, die unterschiedliche Wobbelmuster zusammen mit beispielhaften Schweißungen zeigen, die durch die Wobbelmuster ausgebildet sind, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
3A ein Gefügebild einer Standardschweißung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist.
3B ein Gefügebild einer unter Verwenden eines Wobbelmusters ausgebildeten Schweißung ist.
4 und 5 perspektivische Ansichten eines Laserschweißkopfes mit einem Kollimatormodul, einem Wobbiermodul und einem Kernblockmodul sind, die zusammengebaut sind, und der einen fokussierten Strahl abgibt, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
6 eine schematische Blockdarstellung eines ICI-Systems ist, das zum Überwachen von Wobbel-Schweißen verwendet werden kann, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
7 ein Flussdiagramm ist, das ein Verfahren zum Überwachen von Wobbel-Schweißen unter Verwenden von ICI darstellt, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
8 eine Darstellung eines Beispiels eines Überwachens von Wobbel-Schweißen unter Verwenden von ICI durch Bewegen eines Bildgebungsstrahls mit einem Rasterscanmuster über eine Schweißstelle und Umschließen eines Prozessstrahl-Wobbelmusters ist.
9 Abbildungen gemittelter Tiefen für Schweißungen von rostfreiem Stahl mit einem kreisförmigen Wobbelmuster und variierenden Wobbeldurchmessern darstellt, die durch Rasterscannen des Bildgebungsstrahls wie in 8 gezeigt ausgebildet sind.
10 eine Darstellung eines weiteren Beispiels eines Überwachens von Wobbel-Schweißen unter Verwenden von ICI durch Bewegen eines Bildgebungsstrahls zu mehreren festen Messorten entlang eines Prozessstrahl-Wobbelmusters ist.
11 ein Diagramm der Eindringtiefe in Abhängigkeit einer Schweißdistanz ist, die an den festen Messorten wie in 10 gezeigt gemessen ist.
12 ein Balkendiagramm der durchschnittlichen Eindringtiefe ist, die an den festen Messorten wie in 10 gezeigt gemessen ist.
13 eine Darstellung eines weiteren Beispiels eines Überwachens von WobbelSchweißen unter Verwenden von ICI durch Bewegen eines Bildgebungsstrahls in einer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung des Prozessstrahls entlang des Wobbelmusters ist.
14 ein Diagramm einer Eindringtiefe in Abhängigkeit einer Distanz entlang einer Schweißung ist, die gemessen wird, während sich der Bildgebungsstrahl wie in 13 gezeigt bewegt.
15 Diagramme der mittleren Eindringtiefe in Abhängigkeit eines Rotationswinkels bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten zeigt, während sich der Bildgebungsstrahl wie in 13 gezeigt bewegt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Systeme und Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung nutzen eine kohärente Inline-Bildgebung (ICI) zum Überwachen und/oder Steuern einer Werkstoffbearbeitung, bei der ein Prozessstrahl in einem Wobbelmuster bewegt wird, wie beispielsweise einem Wobbel-Schweißprozess. Während mindestens ein Prozessstrahl gemäß einem Wobbelmuster an einer Bearbeitungsstelle (z. B. einer Schweißstelle) eines Werkstücks bewegt wird, bewegt ein ICI-System einen Bildgebungsstrahl zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl zu einem oder mehreren Messorten in dem Wobbelmuster und erfasst ICI-Messungen (z. B. Tiefenmessungen) an diesen Orten. Die ICI-Messung(en) kann/können verwendet werden, um beispielsweise während eines Schweißprozesses Dampfkapillar- und/oder Schmelzbadeigenschaften einzuschätzen. Zwar sind in der vorliegenden Anmeldung Wobbel-Schweißprozesse beschrieben, die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können jedoch auch bei anderen Werkstoffbearbeitungsanwendungen eingesetzt werden, bei denen ein Laser oder ein anderer Energiestrahl während einer Bearbeitung in einer Wobbel- oder Taumelbewegung geführt wird, einschließlich unter anderem additiver Fertigung, Markieren und Materialabtrag.
In einer Ausführungsform wird der Bildgebungsstrahl bewegt, um die Schweißstelle in einem Scanmuster (z. B. Rasterscan) über mehrere das Wobbelmuster umschließende Messorte zu scannen, um eine Tiefenabbildung der Schweißstelle zu erzeugen. In einer anderen Ausführungsform werden ein oder mehrere Bildgebungsstrahlen zu einem oder mehreren festen Messorten in dem Wobbelmuster bewegt. In einer weiteren Ausführungsform wird der Bildgebungsstrahl entlang des Wobbelmusters in einer Richtung entgegengesetzt zu der Bewegung des Prozessstrahls bewegt. In noch einer anderen Ausführungsform wird der Bildgebungsstrahl in einer Richtung des Prozessstrahls entlang des Wobbelmusters, jedoch unabhängig von dem Prozessstrahl bewegt, beispielsweise um eine dynamische Versatzsteuerung und/oder eine zyklische Ausrichtungskorrektur bereitzustellen.
Wie hierin verwendet, bezeichnet „Wobbein“ eine hin- und hergehende Bewegung eines Laserstrahls (z. B. in mindestens einer Achse) und innerhalb eines relativ kleinen Sichtfelds, das durch einen Scanwinkel von kleiner als 10° oder durch einen maximalen Strahlwinkelversatz von ±5° definiert ist. In einem Beispiel kann das ICI-System mit einem Laserschweißkopf mit einem oder mehreren Scanaktoren, wie beispielsweise beweglichen Spiegeln, verwendet werden, der Schweißvorgänge mit Wobbelmustern durchführt, wie beispielsweise detaillierter in der US-Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2016/0368089 beschrieben, die im Eigentum der Pateninhaberin steht und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird. Die Scanaktoren stellen eine Wobbelbewegung eines oder mehrerer Strahlen innerhalb eines relativ kleinen Sichtfelds bereit, das beispielsweise durch einen Scanwinkel von 1-2° definiert ist. Die Scanaktoren können unter anderem Galvanometer-Scannerspiegel, Polygon-Scannerspiegel, MEMS-basierte Scannerspiegel, piezoelektrische Scannerspiegel, diffraktionsbasierte Strahlscanner, rotierende Prismen, Kalium-Tantal-Niobium-Oxid-(KTN)-Kristalle und andere Arten von Scannerspiegeln oder Optiken umfassen. Der Laserschweißkopf kann zudem ein optisches Beugungselement zum Formen des bewegten Strahls oder der bewegten Strahlen umfassen.
Wie hierin verwendet, bezeichnet kohärente Inline-Bildgebung (ICI) einen Prozess, in dem ein Bildgebungsstrahl zusammen oder „inline“ mit einem Prozessstrahl zu Zwecken des Messens von Eigenschaften des Prozesses und/oder des Werkstücks zu einem Werkstück gelenkt wird. Der Ausdruck „inline“ erfordert nicht, dass die Bildgebungs- und Prozessstrahlen koaxial sind. Der Bildgebungsstrahl kann koaxial mit dem Prozessstrahl sein oder kann in Relation zu dem Prozessstrahl versetzt oder abgewinkelt sein. In der vorliegenden Offenbarung beschriebene Ausführungsformen können mit beliebigen ICI-Systemen verwendet werden, wie beispielsweise detaillierter in den US-Patenten 8,822,875, 9,757,817 und 10,124,410 beschrieben, die im Eigentum der Pateninhaberin stehen und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird. Das ICI-System kann stromabwärts der Prozessstrahlscanaktoren mit dem Schweißkopf gekoppelt sein und kann Bildgebungsstrahlscanaktoren umfassen, um den Bildgebungsstrahl unabhängig von dem Prozessstrahl zu bewegen, wie unten detaillierter beschrieben ist. Die Scanaktoren können unter anderem Galvanometer-Scannerspiegel, Polygon-Scannerspiegel, MEMS-basierte Scannerspiegel, piezoelektrische Scannerspiegel, diffraktionsbasierte Strahlscanner, rotierende Prismen und andere Arten von Scannerspiegeln oder Optiken umfassen.
Eine ICI kann verwendet werden, um ein Wobbel-Schweißen von Kupfer- und Aluminiumlegierungen sowie anderen Nichteisenlegierungen zu überwachen. Insbesondere ermöglicht eine ICI direkte, geometrische Dampfkapillarmessungen und kann verwendet werden, um eine Dampfkapillartiefenabbildung in dem Wobbelmuster durchzuführen, um periodische Fluktuationen in der Dampfkapillare in Bezug auf eine Position nachzuweisen, die bei einer fertiggestellten Schweißung nicht immer wahrnehmbar sind. Die Dynamiken von Dampfkapillare und Schmelzbad können sowohl bei umlaufenden als auch bei normalen Dampfkapillar-Wobbelschweißbedingungen untersucht werden. ICI-Messungen können ein einzigartiges Fenster zu den Dynamiken von Schweißprozessen bereitstellen, die eine dynamische Strahlablenkung nutzen. ICI-Messungen, wie Schweißeindringtiefe oder -profile und/oder Teilevermessungen vor oder nach dem Prozess können ebenfalls verwendet werden, um Bearbeitungsparameter, wie beispielsweise Laserleistung oder Wobbelmuster, zu steuern.
Eine ICI bietet Vorteile gegenüber herkömmlichen fotodiodenbasierten Sensoren oder Hochgeschwindigkeitskameras bei einer Anwendung zur Messung von Laserschweißprozessen mit Dampfkapillare. Wie weiter unten detaillierter beschrieben, stellt eine ICI einen zweiten Bildgebungsstrahl (z. B. einen Infrarotstrahl) durch die Prozessoptik bereit, um direkte Geometriemessungen der Dampfkapillare, des Schmelzbads und des umgebenden Werkstoffs während des Schweißens vorzunehmen. Eine ICI bietet den Vorteil, dass sie nicht durch Schwarzkörperstrahlung oder zurückgestreutes Prozesslicht beeinträchtigt wird und dass sie in der Lage ist, die Eindringtiefe in die Dampfkapillare während eines Laserschweißens direkt zu messen. ICI-Messungen bieten eine Präzision im Mikronbereich sowie eine zeitliche Auflösung im Mikrosekundenbereich. Die Nutzung von ICI zum Prüfen des Verhaltens der Dampfkapillare während eines Wobbelschweißens bringt neue Erkenntnisse zu dem Verhalten dieser Art von Schweißprozess.
Unter Bezugnahme auf 1 kann ein Laserschweißsystem 100 zum Wobbelschweißen unter Verwenden eines ICI-Systems 150 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung überwacht werden. Das ICI-System 150 kann zum Überwachen und/oder Steuern des Wobbelschweißens verwendet werden, indem eine oder mehrere ICI-Messungen an einem oder mehreren Orten in der Schweißstelle und entlang des Wobbelmusters vorgenommen werden, wie unten detaillierter beschrieben ist. Zwar ist das ICI-System 150 im Kontext einer bestimmten Ausführungsform des Laserschweißsystems 100 beschrieben, das ICI-System 150 kann jedoch mit jeder Art von Laserschweißsystem für Wobbelschweißen oder mit anderen Werkstoffbearbeitungssystemen verwendet werden, bei denen ein Laser- oder Energiestrahl in einer Wobbel- oder Taumelbewegung geführt wird.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Laserschweißsystem 100 einen Laserschweißkopf 110, der mit einer Ausgangsfaser 111 eines Faserlasers 112 (z. B. mit einem Verbindungselement 111a) gekoppelt ist. Der Laserschweißkopf 110 kann verwendet werden, um ein Schweißen an einem Werkstück 102 durchzuführen, zum Beispiel durch Schweißen einer Naht 104, um eine Schweißraupe 106 auszubilden. Das ICI-System 150 kann mit dem Laserschweißkopf 110 gekoppelt sein, zum Beispiel mit einem Kameraanschluss oder einem anderen optischen Anschluss an dem Schweißkopf 110.
Der Laserschweißkopf 110 und/oder das Werkstück 102 können in Relation zueinander entlang der Richtung der Naht 104 bewegt oder verschoben werden. Der Laserschweißkopf 110 kann auf einer Verfahreinheit 114 zum Verschieben des Schweißkopfes 110 in Relation zu dem Werkstück 102 entlang mindestens einer Achse, zum Beispiel entlang der Länge der Naht 104, angeordnet sein. In einem Beispiel ist die Verfahreinheit 114 ein Mehrachsenroboter wie beispielsweise ein Sechsachsenroboter ABB IRB-4400 und die Werkstoffe oder das Werkstück ist/sind in einer stationären Spannvorrichtung eingespannt. Zusätzlich oder alternativ kann das Werkstück 102 auf einer Verfahreinheit 108 zum Bewegen oder Verschieben des Werkstücks 102 in Relation zu dem Laserschweißkopf 110 angeordnet sein.
Der Faserlaser 112 kann einen Ytterbium-Faserlaser umfassen, der in der Lage ist, einen Laser im Nahinfrarotspektralbereich (z. B. 1060-1080 nm) zu erzeugen. Der Ytterbium-Faserlaser kann ein Single-Mode- oder Multi-Mode-Dauerstrich-Ytterbium-Faserlaser sein, der in der Lage ist, einen Laserstrahl mit einer Leistung von bis zu 1 kW in einigen Ausführungsformen und höheren Leistungen von bis zu 50 kW in anderen Ausführungsformen zu erzeugen. Beispiele des Faserlasers 112 umfassen die Laser der Serie YLR SM oder der Serie YLR HP, die von der IPG Photonics Corporation verfügbar sind, wie beispielsweise der Faserlaser YLS-6000 (Wellenlänge von 1070 nm, geliefert durch einen 100-µm-Faserlaserkern). Der Faserlaser 112 kann zudem einen Mehrstrahlfaserlaser umfassen, beispielsweise der Art, wie sie in der am 13. August 2015 eingereichten internationalen Patentanmeldung PCT/ US2015/45037 mit dem Titel „Multibeam Fiber Laser System“ offenbart ist, die in der Lage ist, einen oder mehrere Laserstrahlen gezielt durch mehreren Fasern bereitzustellen.
In der dargestellten Ausführungsform umfasst der Laserschweißkopf im Allgemeinen einen Kollimator 122 zum Kollimieren des Laserstrahls von der Ausgangsfaser 111, mindestens erste und zweite bewegliche Spiegel 132, 134 zum Reflektieren und Bewegen des kollimierten Strahls 116 und eine Fokuslinse 142 zum Fokussieren und Richten eines fokussierten Strahls 118 auf das Werkstück 102. In einem Beispiel ist der Schweißkopf 110 ein WobbelschweißkopfIPG D50 mit einem 150-mm-Kollimator und einer finalen 300-mm-Fokussieroptik (für einen Nennfokusdurchmesser von 200 µm). Das ICI-System 150 kann stromabwärts der beweglichen Spiegel 132, 134 mit dem Schweißkopf 110 gekoppelt sein. In der dargestellten Ausführungsform wird auch ein feststehender Spiegel 144 verwendet, um den kollimierten Laserstrahl 116 von dem zweiten beweglichen Spiegel 134 zu der Fokussierlinse 142 zu lenken. Der Kollimator 122, die beweglichen Spiegel 132, 134 und die Fokussierlinse 142 und der feststehende Spiegel 144 können in separaten Modulen 120, 130, 140 bereitgestellt sein, die miteinander gekoppelt sein können, wie unten detaillierter beschrieben ist.
Die beweglichen Spiegel 132, 134, sind um unterschiedliche Achse 131, 133 drehbar, um eine Bewegung des kollimierten Strahls 116 zu bewirken und somit eine Bewegung des fokussierten Strahls 118 in Relation zu dem Werkstück 102 in mindestens zwei unterschiedlichen senkrechten Achsen 2, 4 zu bewirken. Die beweglichen Spiegel 132, 134 können Galvanometer-Spiegel sein, die durch Galvomotoren beweglich sind, die zu einem schnellen Richtungswechsel in der Lage sind. In anderen Ausführungsformen können andere Mechanismen verwendet sein, um die Spiegel zu bewegen, wie beispielsweise Schrittmotoren. Durch Verwenden der beweglichen Spiegel 132, 134 in dem Laserschweißkopf 110 kann der Laserstrahl 118 präzise, steuerbar und schnell zu Zwecken eines Strahlwobblings bewegt werden, ohne dass der gesamte Schweißkopf 110 bewegt werden muss und ohne Verwenden von rotierenden Prismen.
In einer Ausführungsform des Schweißkopfes 110 bewegen bewegliche Spiegel 132, 134 den Strahl 118 innerhalb eines nur relativ kleinen Sichtfelds (z. B. mit einem maximalen Strahlversatz an dem Werkstück von ±30 mm) durch Drehen des Strahls 118 in einem Scanwinkel α von kleiner 10° (oder mit einem maximalen Strahlwinkelversatz von ±5°) und insbesondere einem Scanwinkel von ca. 1-2°, wie in 1A gezeigt, wodurch eine Wobbelbewegung des Strahls möglich ist. Im Gegensatz dazu stellen herkömmliche Laserscanköpfe im Allgemeinen eine Bewegung des Laserstrahls innerhalb eines viel größeren Sichtfelds (z. B. größer als 50 x 50 mm und mit Größen bis 250 x 250 mm) bereit und sind derart konzipiert, dass sie Platz für das größere Sichtfeld und den Scanwinkel bieten. Somit ist die Verwendung der beweglichen Spiegel 132, 134, um nur ein relativ kleines Sichtfeld in dem Laserschweißkopf 110 bereitzustellen, kontraintuitiv und widerspricht der herkömmlichen Lehre, ein breiteres Sichtfeld bei Verwendung von Galvoscannern bereitzustellen. Ein Einschränken des Sichtfelds und des Scanwinkels bietet Vorteile bei Verwenden von Galvospiegeln in dem Schweißkopf 110, zum Beispiel durch Ermöglichen höherer Geschwindigkeiten, durch eine mögliche Verwendung von kostengünstigeren Komponenten wie Linsen und durch eine mögliche Verwendung von Zubehör wie beispielsweise ein Luftmesser und/oder Gasunterstützungszubehör.
Aufgrund des kleineren Sichtfelds und Scanwinkels in der beispielhaften Ausführungsform des Schweißkopfes 110 kann der zweite Spiegel 134 im Wesentlichen dieselbe Größe wie der erste Spiegel 132 aufweisen. Im Gegensatz dazu nutzen herkömmliche Galvoscanner im Allgemeinen einen größeren zweiten Spiegel, um das größere Sichtfeld und den größeren Scanwinkel bereitzustellen, und der größere zweite Spiegel kann die Bewegungsgeschwindigkeit in mindestens einer Achse begrenzen. Ein kleiner dimensionierter zweiter Spiegel 134 (z. B. mit etwa derselben Größe wie der erste Spiegel 132) in dem Schweißkopf 110 ermöglicht somit ein Bewegen des Spiegels 134 mit höheren Geschwindigkeiten im Vergleich zu größeren Spiegeln bei herkömmlichen Galvoscannern, die größere Scanwinkel bereitstellen.
Die Fokuslinse 142 kann Fokuslinsen umfassen, die für die Verwendung in Laserschweißköpfen bekannt sind und die verschiedene Brennweiten, zum Beispiel in einem Bereich von 100 mm bis 1000 mm, aufweisen. Herkömmliche Laserscanköpfe verwenden aus mehreren Elementen bestehende Scanlinsen, wie beispielsweise eine F-Theta-Linse, eine Bildfeldebnungslinse oder eine telezentrische Linse mit viel größeren Durchmessern (z. B. eine Linse mit einem Durchmesser von 300 mm für einen Strahl mit einem Durchmesser von 33 mm), um den Strahl innerhalb des größeren Sichtfelds zu fokussieren. Da die beweglichen Spiegel 132, 134 den Strahl innerhalb eines relativ kleinen Sichtfelds bewegen, ist eine aus mehreren Elementen bestehende größere Scanlinse (z. B. eine F-Theta-Linse) nicht erforderlich und wird nicht verwendet. In einer beispielhaften Ausführungsform des Schweißkopfes 110 gemäß der vorliegenden Offenbarung kann eine planokonvexe Fokuslinse mit F300 mit einem Durchmesser von 50 mm verwendet werden, um einen Strahl mit einem Durchmesser von ca. 40 mm zur Bewegung innerhalb eines Sichtfelds von ca. 15 x 5 mm zu fokussieren. Durch Verwendung der kleineren Fokuslinse 142 kann zudem zusätzliches Zubehör, wie beispielsweise ein Luftmesser und/oder Gasunterstützungszubehör, an dem Ende des Schweißkopfes 110 verwendet werden. Die größeren Scanlinsen, die bei herkömmlichen Laserscanköpfen erforderlich sind, begrenzen die Verwendung von solchem Zubehör.
Zwar umfasst die beispielhafte Ausführungsform des Laserschweißkopfes 110 zwei bewegliche Spiegel 132, 134, andere Arten und Anzahlen von Scanaktoren können jedoch ebenfalls verwendet werden, um das Wobbelmuster bereitzustellen. Andere optische Komponenten können ebenfalls in dem Laserschweißkopf 110 verwendet werden, wie beispielsweise ein Strahlteiler zum Teilen des Laserstrahls, um mindestens zwei Strahlflecken zum Schweißen bereitzustellen (z. B. an jeder Seite der Schweißung). Zusätzliche optische Komponenten können zudem Beugungsoptiken umfassen und können zwischen dem Kollimator 122 und den Spiegeln 132, 134 positioniert sein.
Ein Schutzfenster 146 kann vor der Linse 142 bereitgestellt sein, um die Linse und andere Optiken vor durch den Schweißprozess erzeugter Verschmutzung zu schützen. Der Laserschweißkopf 110 kann zudem ein Schweißkopfzubehör umfassen, wie beispielsweise ein Luftmesser zum Bereitstellen einer Luftströmung mit hoher Geschwindigkeit über das Schutzfenster 146 oder die Fokuslinse 142 zum Entfernen der Verschmutzung und/oder ein Gasunterstützungszubehör zum Bereitstellen von Schutzgas koaxial oder außeraxial an der Schweißstelle, um eine Schweißdampffahne zu unterdrücken. Somit kann der Laserschweißkopf 110 mit beweglichen Spiegeln mit existierendem Schweißkopfzubehör verwendet werden.
In der dargestellten Ausführungsform ist das ICI-System 150 optisch mit dem Laserschweißkopf 110 gekoppelt, zum Beispiel stromabwärts der Spiegel 132, 134. Das ICI-System 150 erzeugt einen Bildgebungsstrahl 152, der inline mit dem Prozessstrahl 118 gelenkt wird. Der feststehende Spiegel 144 kann ein dichroitischer Spiegel sein, der den Prozessstrahl 118 reflektiert und den Bildgebungsstrahl 152 passieren lässt. Das ICI-System 150 umfasst einen oder mehrere Scanaktoren (nicht gezeigt), um den Bildgebungsstrahl 152 zu dem einen oder den mehreren Messorten an der Schweißstelle und in dem Wobbelmuster zu bewegen, wie unten detaillierter beschrieben ist. In einem Beispiel umfasst das ICI-System 150 ein ICI-System IPG LDD-700 mit einem zweiten Paar von Galvanometer-Scannerspiegeln, wodurch der Bildgebungsstrahl unabhängig von dem Prozessstrahl positioniert werden kann. In anderen Ausführungsformen kann das ICI-System 150 stromaufwärts der Spiegel 132, 134 optisch gekoppelt sein.
Die dargestellte Ausführungsform des Laserschweißsystems 100 umfasst ferner ein Steuersystem 160 zum Steuern des Faserlasers 112, der Positionierung der beweglichen Spiegel 132, 134 und/oder der Verfahreinheiten 108, 114, beispielsweise in Reaktion auf erfasste Bedingungen in dem Schweißkopf 110, einen detektierten Ort der Naht 104 und/oder eine Bewegung und/oder eine Position des Laserstrahls 118. Das Steuersystem 160 kann zudem den Schweißvorgang überwachen und/oder steuern, indem Daten von dem ICI-System 150 empfangen werden, die zum Beispiel Tiefenmessungen entlang der Schweißstelle darstellen.
Das Steuersystem 160 kann den Faserlaser 112 beispielsweise durch Abschalten des Lasers, Ändern der Laserleistung oder Anpassen eines beliebigen anderen einstellbaren Laserparameters steuern. Das Steuersystem 160 kann zudem die Laserparameter (z. B. Laserleistung) in Reaktion auf eine Bewegung oder eine Position des Strahls 118 steuern, ohne den Laser 112 auszuschalten. Wenn einer der beweglichen Spiegel 132, 134 den Strahl 118 außerhalb des zulässigen Bereichs oder zu langsam bewegt, kann das Steuersystem 160 die Laserleistung reduzieren, um die Energie des Strahlflecks dynamisch zu steuern, um Schaden durch den Laser zu vermeiden. Das Steuersystem 160 kann ferner eine Auswahl von Laserstrahlen bei einem Mehrstrahlfaserlaser steuern.
Das Steuersystem 160 kann einen oder beide der beweglichen Spiegel 132, 134 steuern, um die Wobbelbewegung während des Schweißen bereitzustellen, wie unten detaillierter beschrieben ist. Das Steuersystem 160 kann zudem die Scanaktoren in dem ICI-System 150 steuern, um Bewegungen und/oder eine Positionierung des Bildgebungsstrahls 152 an der Schweißstelle wie unten beschrieben zu steuern. Das Steuersystem 160 kann zudem Datenverarbeitungssysteme umfassen, um ICI-Messungen zu korrigieren. Das Steuersystem 160 kann ferner einen Aufzeichnungsgenerator zum Generieren von Aufzeichnungen der ICI-Messungen und ein Qualitätsbeurteilungssystem zum Durchführen einer Qualitätsanalyse von geschweißten Teilen umfassen.
Das Steuersystem 160 umfasst somit Lasersteuerung, Wobbelsteuerung, Bewegungssteuerung und ICI-Steuerung, die zusammenarbeiten, um sowohl den Wobbelschweißprozess als auch das Überwachen des Wobbelschweißprozesses zu steuern. Das Steuersystem 160 kann zum Beispiel Hardware (z. B. einen Allzweckrechner oder eine Mikrosteuerung) und Software umfassen, deren Einsatz beim Steuern von Faserlasern und Galvospiegeln bekannt ist. Existierende Galvosteuersoftware kann beispielsweise verwendet und modifiziert werden, um eine Steuerung der Galvospiegel wie hierin beschrieben zu ermöglichen.
Das Laserschweißsystem 100 kann zudem ein zusätzliches Messsystem 170 mit zusätzlichen Sensoren wie beispielsweise für Licht im sichtbaren und IR-Bereich empfindliche Fotodioden und/oder Kameras umfassen, von denen einige durch optische Fasern mit dem Schweißkopf 110 gekoppelt sein können. Das zusätzliche Messsystem 170 kann ausgelegt sein, eine Prozessstrahlung beispielsweise innerhalb eines Spektralbands von 100 nm bis 20 µm zu messen. Das zusätzliche Messsystem 170 kann optische Elemente wie beispielsweise Blenden, Linsen, Scanspiegel, optische Fasern (von denen einige mit dem Prozesslaser oder dem ICI-System selbst gekoppelt sein können) umfassen, um räumlich eingegrenzte Messungen in Relation zu dem Prozessstrahl und/oder dem Messstrahl durchzuführen. Beispiele für zusätzliche Sensoren sind detaillierter im US-Patent 10,124,410 beschrieben, dessen Inhalt hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Eine oder mehrere Ausgaben des zusätzlichen Messsystems 170 können verwendet werden, um den Bildgebungsstrahl dynamisch von dem Prozessstrahl an der Werkstückoberfläche gemäß einer Position des Prozessstrahls in dem Wobbelmuster während eines Schweißprozesses zu versetzen. Das zusätzliche Messsystem 170 kann ausgelegt sind, die räumlich eingegrenzte Messung an einem Messort durchzuführen, der von dem Prozessstrahl basierend auf mindestens einer Ausgabe des ICI-Systems dynamisch versetzt ist.
Die 2A-2D stellen Beispiele von zylindrischen oder sich wiederholenden Wobbelmustern dar, die zum Durchführen von Rührschweißen einer Naht verwendet werden können, sowie beispielhafte dadurch ausgebildete Schweißungen dar. Die 2A und 2B zeigen ein kreisförmiges Muster im Uhrzeigersinn, 2B zeigt ein lineares Muster, 2C zeigt ein Muster einer stehenden Acht und 2D zeigt ein Muster einer liegenden Acht. Zwar sind bestimmte Wobbelmuster dargestellt, andere Wobbelmuster fallen jedoch ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung, einschließlich unter anderem Spiralmuster. Ein Vorteil eines Verwendens der beweglichen Spiegel in dem Laserschweißkopf 110 ist die Möglichkeit, den Strahl gemäß einer Vielzahl von unterschiedlichen Wobbelmustern zu bewegen.
Die 3A und 3B stellen einen Vergleich einer Standardschweißung mit einer durch ein Wobbelmuster hergestellten Schweißung dar. Die hierin beschriebenen Laserschweißsysteme und -verfahren können verwendet werden, um ein Schweißen von Werkstoffen wie Titan zu verbessern, die in der Regel schwierig zu schweißen sind.
Die 4 und 5 stellen eine beispielhafte Ausführungsform eines Scanlaserschweißkopfes 410 detaillierter dar. Zwar ist eine spezielle Ausführungsform gezeigt, andere Ausführungsformen des Laserschweißkopfes und von hierin beschriebenen Systemen und Verfahren fallen jedoch ebenfalls in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung. Wie in den 4 und 5 gezeigt, umfasst der Laserschweißkopf 410 ein Kollimatormodul 420, ein Wobblermodul 430 und ein Kernblockmodul 440. Das Wobblermodul 430 umfasst den/die Scanaktor(en) wie beispielsweise die ersten und zweiten beweglichen Spiegel wie oben erörtert und ist zwischen dem Kollimatormodul 420 und dem Kernblockmodul 440 gekoppelt.
Das Kollimatormodul 420 kann einen Kollimator (nicht gezeigt) mit einem feststehenden Paar von Kollimatorlinsen umfassen, wie beispielsweise der Art, die für eine Verwendung in Laserschweißköpfen bekannt ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kollimator andere Linsenauslegungen umfassen, wie beispielsweise bewegliche Linsen, die die Strahlfleckgröße und/oder den Brennpunkt anpassen können. Das Wobbiermodul 430 kann erste und zweite Galvanometer (nicht gezeigt) zum Bewegen von Galvospiegeln (nicht gezeigt) um unterschiedliche senkrechte Achsen umfassen. Für einen Einsatz in Laserscanköpfen bekannte Galvanometer können verwendet werden. Die Galvanometer können mit einer Galvosteuerung (nicht gezeigt) verbunden sein. Die Galvosteuerung kann Hardware und/oder Software zum Steuern der Galvanometer umfassen, um eine Bewegung der Spiegel und somit eine Bewegung und/oder Positionierung des Laserstrahls zu steuern. Bekannte Galvosteuersoftware kann verwendet werden und kann modifiziert werden, um die hierin beschriebene Funktionalität bereitzustellen, zum Beispiel das Auffinden der Naht, die Wobbelmuster und eine Kommunikation mit dem Laser. Das Kernblockmodul 440 kann einen feststehenden Spiegel (nicht gezeigt) umfassen, der den von dem Wobblermodul 430 empfangenen Strahl zu einer Fokuslinse und dann zu dem Werkstück umlenkt. Das ICI-System kann zum Beispiel mit dem Kernblockmodul 440 gekoppelt sein und der feststehende Spiegel in dem Kernblockmodul 440 kann ein dichroitischer Spiegel sein, der ermöglicht, dass der reflektierte Bildgebungsstrahl zurück zu dem ICI-System passiert, wie unten detaillierter beschrieben ist.
Die 4 und 5 zeigen den zusammengebauten Laserschweißkopf 410 mit den einzelnen miteinander gekoppelten Modulen 420, 430, 440, der einen fokussierten Strahl 418 abgibt. Ein in das Kollimatormodul 420 gekoppelter Laserstrahl wird kollimiert und der kollimierte Strahl wird zu dem Wobbiermodul 430 gelenkt. Das Wobbiermodul 430 bewegt den kollimierten Strahl mithilfe der Spiegel und lenkt den sich bewegenden kollimierten Strahl auf das Kernblockmodul 440. Das Kernblockmodul 440 fokussiert dann den sich bewegenden Strahl und der fokussierte Strahl 418 wird auf ein Werkstück (nicht gezeigt) gelenkt.
6 zeigt ein Beispiel eines ICI-Systems 650, das eine Interferometerauslegung umfasst und Interferometrie mit niedriger Kohärenz nutzt, um ein Wobbelschweißsystem wie oben beschrieben zu überwachen. In der dargestellten Ausführungsform wird ein Michelsonartiges Interferometer verwendet; ICI-Systeme mit anderen Interferometrieauslegungen, wie beispielsweise Mach-Zehnder, können jedoch ebenfalls mit einem Wobbelschweißsystem verwendet werden und fallen in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung.
Das ICI-System 650 umfasst eine Bildgebungsstrahlquelle 652 zum Erzeugen eines oder mehrerer Bildgebungsstrahlen 652 und einen Teiler/Vereiniger 654 zum Teilen des Bildgebungsstrahls/der Bildgebungsstrahlen 652 derart, dass mindestens eine Bildgebungsstrahlkomponente 652a hin zu einem Werkstück 602 gelenkt (d. h. auf einen Messarm 656 projiziert) wird und mindestens eine Bildgebungsstrahlkomponente 652b hin zu einem Referenzspiegel 657 gelenkt (d. h. auf einen Referenzarm 658 projiziert) wird. In der dargestellten Ausführungsform passiert die hin zu dem Werkstück 602 gelenkte Bildgebungsstrahlkomponente 652a durch einen dichroitischen Spiegel 644, der einen Prozessstrahl 618 reflektiert, der zum Durchführen des Wobbelschweißens verwendet wird. Andere Vereinigungsoptiken können ebenfalls verwendet werden, um die Bildgebungsstrahlkomponente 652a mit dem Prozessstrahl 618 zu vereinen, während ermöglicht wird, dass die reflektierte Bildgebungsstrahlkomponente 652a zurück zu dem Vereiniger 654 passiert.
Die reflektierten Bildgebungsstrahlkomponenten von dem Werkstück 602 und dem Referenzspiegel 657 werden dann durch den Teiler/Vereiniger 654 vereint, um ein vereintes Signal als eine Interferometrieausgabe bereitzustellen. Das ICI-System 650 umfasst ferner einen Signaldetektor 655, wie beispielsweise einen Hochgeschwindigkeits-Spektraldetektor, um das aus den reflektierten Bildgebungsstrahlkomponenten 652a, 652b gebildete vereinte Signal zu empfangen und detektieren, wodurch ein Interferogramm aus der Interferometrieausgabe erzeugt wird. Das Interferogramm kann einem Interferogramm-Prozessor 661 bereitgestellt werden, um das Interferogramm zu verarbeiten und Messungen (z. B. Tiefenmessungen) daraus zu berechnen. Der Interferogramm-Prozessor 661 kann Teil des ICI-Systems 650 oder des Steuersystems 160 sein, die in 1 gezeigt sind.
In dieser Ausführungsform umfasst das ICI-System 650 ferner einen oder mehrere Bildgebungsstrahlscanaktoren 659, wie beispielsweise einen 2-Achsen-Galvoscanner oder andere aktive Ablenkungsvorrichtungen, um die Bildgebungsstrahlkomponente 652a unabhängig von dem Prozessstrahl 618 zu scannen. Die Scanaktoren 659 können zum Beispiel zum Scannen der Bildgebungsstrahlkomponente 652a verwendet werden, damit sie im Wesentlichen mit dem Prozessstrahl 618 ausgerichtet bleibt, während sie sich in einem Wobbelmuster bewegt. Die Scanaktoren 659 können zudem zum Scannen der Bildgebungsstrahlkomponente 652a in verschiedenen Scanmustern verwendet werden, die das Wobbelmuster des Prozessstrahls 618 umschließen, wie unten detaillierter beschrieben ist. In andere Ausführungsformen kann das ICI-System 650 mehrere Messarme 656 und/oder mehrere Referenzarme 658 umfassen. Zum Beispiel können mehrere Referenzarme 658 mit unterschiedlichen optischen Pfadlängen verwendet werden, um Änderungen in einer optischen Pfadlänge Rechnung zu tragen, wenn die Bildgebungsstrahlkomponente 652a gescannt wird.
Bezug nehmend auf 7 ist ein Verfahren zum Überwachen eines Wobbelschweißens unter Verwenden von ICI gezeigt und beschrieben. Das Verfahren umfasst Lenken 710 mindestens eines Prozessstrahls (z. B. Prozessstrahl 118, 618) und mindestens eines Bildgebungsstrahls (z. B. Bildgebungsstrahl 152, 652a) von einem ICI-System zu einer Schweißstelle. Der Prozessstrahl wird in einem Wobbelmuster an der Schweißstelle bewegt 712, beispielsweise wie oben beschrieben. Der Bildgebungsstrahl wird zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl zu einem oder mehreren Messorten an der Schweißstelle einschließlich zum Beispiel in dem Wobbelmuster bewegt 714. ICI-Messungen werden von dem einen oder den mehreren Messorten erfasst 716, während sich der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster bewegt. Der Bildgebungsstrahl kann bewegt werden, um die ICI-Messungen an unterschiedlichen Orten zu erfassen, wodurch verschiedene Aspekte des Wobbelschweißens einschließlich zum Beispiel Dampfkapillar- und/oder Schmelzbadeigenschaften beurteilt werden können, wie unten detaillierter beschrieben ist. Der Bildgebungsstrahl kann auch entlang desselben Wobbelpfads und im Wesentlichen mit dem Prozessstrahl ausgerichtet bewegt werden. Der Bildgebungsstrahl kann auch lokal an dem einen oder den mehreren Messorten in einer Taumel- oder Wobbelbewegung geführt werden.
Die ICI-Messungen können auch verwendet werden, um den Wobbelschweißprozess zu steuern, zum Beispiel durch Anpassen eines oder mehrerer Verarbeitungsparameter und/oder der Wobbelbewegung des Prozessstrahls. Beispiele für eine Steuerung umfassen auch eine Regelung, wie sie beispielsweise detaillierter in den US-Patenten 8,822,875, 9,757,817 und 10,124,410 beschrieben ist, die im Eigentum der Pateninhaberin stehen und deren Inhalt hiermit durch Bezugnahme in vollem Umfang hierin aufgenommen wird.

Unter Bezugnahme auf die 8 und 9 umfasst eine Ausführungsform eines Überwachens eines Wobbelschweißprozesses unter Verwenden von ICI Bewegen des Bildgebungsstrahls 152 zum Rasterscannen der Schweißstelle in einem Scanmuster über mehrere Messorte, die das Wobbelmuster umschließen, um eine Tiefenabbildung der Schweißstelle auszubilden. In einem Beispiel wurde der Prozessstrahl 118 mit einem kreisförmigen Muster gewobbelt und in Schweißrichtung 3 bewegt, um lineare Blindnahtschweißungen in Kupons aus rostfreiem Stahl (304) durchzuführen. Während jeder Schweißung wurde der ICI-Messstrahl oder Bildgebungsstrahl durch ein quadratisches Gittermuster mit einer Abmessung von 1,5 mal 1,5 mm, zentriert an der Prozessstrahlachse (falls statisch) rastergescannt. Tiefenmessungen von jedem Punkt in dem Gittermuster wurden vereint, um asynchrone dreidimensionale Bilder der Schweißstelle auszubilden. Die Prozessparameter wurden gemäß Tabelle 1 unten konstant gehalten, mit Ausnahme des Wobbelmusterdurchmessers, der von 0 µm (entsprechend einer Schweißung mit feststehender Optik) bis 500 µm variiert wurde. Dreidimensionale Bilder von aufeinanderfolgenden Schweißungen wurden durch Berechnen der mittleren Tiefe an jedem Ort in (x,y) vereint, um eine repräsentative Tiefenabbildung der Werkstoffoberfläche einschließlich unberührten Stahl, Dampfkapillare und Schmelzbad auszubilden. Tabelle 1: Prozessparameter für Experimente zur Dampfkapillarform

Parameter	Wert
Laserleistung	1500 W
Werkstoffvorschubgeschwindigkeit	50 mm/s
Laserfleckgröße	200 µm
Wobbelfrequenz	500 Hz
Wobbeldurchmesser	0 - 500 µm (variiert)
Wobbelform	kreisförmig

9 zeigt durchschnittliche Tiefenabbildungen für Schweißungen in rostfreiem Stahl mit variierenden Wobbeldurchmessern (z. B. kein Wobbel, 100 µm, 200 µm, 300 µm, 400 µm und 500 µm), wobei die Schweißrichtung in den Bildern von rechts nach links ist. Jede Abbildung ist eine Kombination aus fünf aufeinanderfolgenden dreidimensionalen Bildern, die während unterschiedlichen Schweißungen mit identischen Parametern erhalten wurden. Eine qualitative Änderung bei der Tiefenabbildung ist zwischen den Wobbeldurchmessern 100 µm und 200 µm zu sehen. Beim Schweißen mit festem Strahl und in dem Fall mit dem Wobbelstrahl von 100 µm erzeugt der Prozess eine eingegrenzte Dampfkapillare, die in der Mitte des Bildes tief ist.
Bei einem Durchmesser ab 200 µm beginnt sich das Schmelzbad in der Mitte des Wobbelmusters auszudehnen (z. B. wie durch gemessene Tiefen ähnlich zu der Oberfläche des Werkstoffs angezeigt wird). Bei einem höheren Durchmesser zeigen die Tiefenmessungen der Dampfkapillare eine ringförmige Verteilung. In diesem Bereich weist die Dampfkapillare ein kreisförmiges Muster in einem größeren Schmelzbad auf, das dem Prozessstrahl in seiner Bewegung folgt. Mit anderen Worten führt ein Erhöhen des Wobbeldurchmessers auf den fokussierten Durchmesser des Prozessstrahls zu einem Übergang der Dampfkapillartiefenverteilung von einem einzelnen, eingegrenzten Dampfkapillarbereich zu einer umlaufenden Dampfkapillare mit einer hohen mittleren Region von Schmelze, die mit der Werkstoffoberfläche eben ist.
Diese Ergebnisse sind bei Berücksichtigung des Durchmessers des Prozessstrahls intuitiv. Für diese Experimente betrug der nominale Strahldurchmesser 1/e^2 am Fokus 200 µm. Wird der Wobbeldurchmesser so erhöht, dass er dem Strahldurchmesser entspricht, gibt es keinen erkennbaren Bereich einer Intensitätsüberlagerung am Zentrum während jeder Umdrehung des Prozessstrahls mehr. Dies führt zu einem Mangel an Rückstoßdruck aus der Verdampfung an der Prozessachse im Vergleich zu Wobbelmustern mit kleinerem Durchmesser und führt dazu, dass die Dampfkapillare in eine deutliche Orbitalbewegung übergeht. Bei Wobbeldurchmessern, die kleiner als der Strahldurchmesser sind, scheint die Dampfkapillartiefenverteilung ähnlicher zu der einer Dampfkapillare eines festen Strahls. Es kann immer noch eine dem Prozessstrahl folgende kleinräumige Orbitalbewegung der Dampfkapillare in diesem Bereich auftreten, die nicht in den in 9 gezeigten Bildern zu sehen wäre. Dies könnte die Schmelzbaddynamiken und die Gesamtprozessstabilität auf eine Weise beeinflussen, die bei Verwenden eines Strahls mit größerem Durchmesser mit einer äquivalenten zeitgemittelten Intensitätsverteilung nicht möglich ist.
Bezug nehmend auf die 10-12 umfasst eine andere Ausführungsform eines Überwachens eines Wobbelschweißprozesses unter Verwenden von ICI Bewegen des ICI-Bildgebungsstrahls 152 zu einem oder mehreren festen Orten entlang des Wobbelmusters, um feste ICI-Messungen an dem/den Ort(en) zu erhalten. In einem Beispiel wurde der Prozessstrahl 118 mit einem kreisförmigen Muster gewobbelt und in Schweißrichtung 3 bewegt, um lineare Blindnahtschweißungen in Kupfer (110) zu produzieren, mit dem Ziel, eine Oszillationsstabilität der Dampfkapillartiefe an spezifizierten festen Punkten in dem Wobbelmuster zu beobachten und zu vergleichen. Dampfkapillarmessungen wurden kontinuierlich an festen Orten in dem Wobbelmuster während der gesamten Dauer jeder Schweißung gewonnen. Unterschiedliche Messpositionen wurden während aufeinanderfolgenden Schweißungen mit identischen Parametern gemäß Tabelle 2 unten untersucht. Tabelle 2: Prozessparameter für Dampfkapillarstabilität an festen Punkten.

Parameter Wert

Laserleistung 3000 W

Werkstoffvorschubgeschwindigkeit 50 mm/s

Laserfleckgröße 200 µm

Wobbelfrequenz 500 Hz

Wobbeidurchmesser 500 µm

Wobbelform kreisförmig
In diesem Beispiel wurden statische ICI-Tiefenmessungen an den vier Kardinalpunkten (z. B. 152a-d) um das kreisförmige Wobbelmuster gewonnen. Die zwei Punkte (z. B. 152a, 152b) entlang der Achse parallel zu der Schweißrichtung werden als vorlaufend (152a) und nachlaufend (152b) bezeichnet, und die zwei Punkte (z. B. 152c, 152d) entlang der Achse im rechten Winkel zu der Schweißrichtung 3 werden als schnell (152c) und langsam (152d) bezeichnet. Die Bewegung des Prozessstrahls in Verbindung mit der Verfahrgeschwindigkeit des Kopfes in Relation zu dem Teil erzeugt eine Asymmetrie in der lokalen Verfahrgeschwindigkeit des Strahls zwischen den schnellen und langsamen Seiten des Wobbelmusters. Basierend auf den Wobbelparametern war die Umlaufgeschwindigkeit des Prozessstrahls in dem Referenzrahmen des Prozesskopfes 785 mm/s. Auf der schnellen Seite des Wobbelmusters bewegte sich der Prozessstrahl mit 835 mm/s in der Vorwärtsschweißrichtung 3 (in Relation zu dem Werkstoff), während auf der langsamen Seite des Wobbelmusters sich der Strahl mit 735 mm/s in Richtung des hinteren Bereichs der Schweißung bewegte.
Auf diese Weise erhaltene Tiefendaten umfassen Messungen von dem Boden der Dampfkapillare, wenn der Prozessstrahl 118 den Messstrahl (152a-d) durchkreuzt, und Messungen von der Oberfläche des Schmelzbads zu anderen Zeiten. Die Tiefendaten wurden auf einen Satz von Dampfkapillarminima durch Suchen nach einem lokalen Minimum in jedem erwarteten Kreuzungsintervall der zwei Strahlen reduziert. 11 zeigt resultierende Dampfkapillartiefen für alle vier Messorte (d. h. die vorlaufenden, nachlaufenden, langsamen und schnellen Kanten des Wobbelmusters) während unterschiedlicher Blindnahtschweißungen in Kupfer mit identischen Parametern. 12 zeigt mittlere Tiefen und Standardabweichungen für jeden dieser Messorte an den Kardinalpunkten eines kreisförmigen Wobbelmusters.
Jeder der vier Tiefenmessungssätze in 11 zeigt eigene charakteristische Tiefen- und Stabilitätsmerkmale. Die vorlaufenden und nachlaufenden Messungen zeigen einen ausgeprägten Unterschied bei der Eindringtiefe (z. B. ca. 400 µm). Wenn sich die Dampfkapillare über die nachlaufende Kante des Wobbelmusters (am nächsten zu dem Großteil des Schmelzvolumens) bewegt, erreicht sie größere Eindringtiefen als an der vorlaufenden Kante des Musters. Die langsamen und schnellen Kanten des Musters zeigen Unterschiede sowohl bei Tiefe als auch Stabilität. Bei der langsamen Kante des Wobbelmusters ist ein Erreichen von durchschnittlich größeren Tiefen als bei der schnellen Kante des Musters zu beobachten. Die erhöhte Eindringtiefe an der langsamen Kante geht mit einer größeren Variabilität der Tiefenmessungen im Vergleich zu den anderen Messorten einher. Die bei den schnellen Kantendaten beobachteten tieferen „Spitzen“ stimmen damit überein, dass dies die am wenigsten stabile Region des Dampfkapillarorbits für die hier geprüften Parameter ist. Zusätzlich zu den Unterschieden bei der Oberflächengeschwindigkeit des Prozessstrahls zwischen den langsamen und schnellen Seiten des Wobbelmusters, kann diese Asymmetrie teilweise auch auf Schmelzendynamiken zurückzuführen sein, die durch einen Rühreffekt der sich bewegenden Dampfkapillare induziert ist.

Bezug nehmend auf die 13-15 umfasst eine weitere Ausführungsform eines Überwachens eines Wobbelschweißprozesses unter Verwenden von ICI Bewegen des Bildgebungsstrahls 152 entlang des Wobbelmusters in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegung des Prozessstrahls 118 und synchron mit der Wobbelperiode. In einem Beispiel wurde der Prozessstrahl 118 mit einem kreisförmigen Muster gewobbelt und in Schweißrichtung 3 bewegt, um lineare Blindnahtschweißungen in Kupfer (110) und Aluminium (6061) zu erzeugen, um die Variation der Dampfkapillartiefe in dem Wobbelmuster zu beurteilen. Die Schweißparameter wurden für jeden Werkstoff konstant gehalten, mit Ausnahme der Schweißgeschwindigkeit, die wie in Tabelle 3 unten angegeben variiert wurde. Der ICI-Messstrahl oder Bildgebungsstrahl 152 wurde in entgegengesetzter Richtung in Relation zu dem Prozessstrahl 118 rotiert, was zu mehreren Überkreuzungen der Dampfkapillare und des Messstrahls pro Wobbelperiode führte. Tabelle 3: Prozessparameter für Dampfkapillartiefenvariation in dem Wobbelmuster.

Parameter	Wert
Laserleistung	Aluminium: 1500 W
	Kupfer: 3000 W
Werkstoffvorschubgeschwindigkeit	50, 75, 100 mm/s
Laserfleckgröße	200 µm
Wobbelfrequenz	500 Hz
Wobbeldurchmesser	500 µm
Wobbelform	kreisförmig

Die resultierenden Tiefeninformationen umfassen Messungen der Dampfkapillare (wenn die Strahlen ausgerichtet sind) und der Schmelzbadoberfläche (wenn sich die Strahlen an unterschiedlichen Orten um den Wobbelpfad befinden). Die Mess- und Prozessstrahlen trafen sich in regelmäßigen Intervallen, die durch ihre jeweiligen Rotationsfrequenzen bestimmt sind, was hierin als „Kreuzungsintervall“ bezeichnet ist. Ein Satz von Dampfkapillarminima wurde aus jedem Satz von Tiefendaten durch Suchen nach einem lokalen Minimum in jedem erwarteten Kreuzungsintervall extrahiert. 14 zeigt Dampfkapillartiefen, die von den vorlaufenden, nachlaufenden, linken und rechten Punkten des Wobbelmusters während Blindnahtschweißungen in Kupfer gemessen wurden, wobei jeder Ort in dem Wobbelmuster unterschiedliche Tiefen- und Stabilitätseigenschaften aufzeigt.
Diese Dampfkapillarminima wurden dann als Funktion eines Polarwinkels um die Prozessachse graphisch dargestellt. Die Tiefenwerte wurden in 10-Grad-Intervallen um das kreisförmige Wobbelmuster gruppiert, und die mittlere und Standardabweichung für jede Gruppe wurde berechnet. Um die Stärke der Dampfkapillarvariation sowie die Orientierung der Dampfkapillartiefenextreme in Relation zu der Schweißrichtung charakterisieren zu können, wurde eine Sinuskurve zu jedem Satz von Tiefen unter Verwenden nur einer Phase und Amplitude als freie Variablen hinzugefügt. 15 zeigt die mittlere Eindringtiefe der Dampfkapillarminima als Funktion eines Rotationswinkels um das Wobbelmuster für Schweißungen in Kupfer und Aluminium bei unterschiedlichen Schweißgeschwindigkeiten. Die mittlere Eindringtiefe ist in jedem Fall mit einer Sinuskurve versehen, um sowohl die vorhandene Anzahl an Tiefenvariationen als auch die Orientierung der Eindringtiefenextrema in Relation zu der Richtung des Schweißvorschubs beurteilen zu können. In jedem Diagramm ist die Nachlaufrichtung durch die gestrichelte Linie bei 180 Grad gekennzeichnet, die langsame Seite des Wobbelmusters ist bei 90 Grad und die schnelle Seite ist bei 270 Grad.
Auf Grundlage der in 15 gezeigten Ergebnisse, können zwei unterschiedliche Effekte einen Einfluss auf die Dampfkapillartiefe an unterschiedlichen Orten um das Wobbelmuster haben. Bei dem ersten Effekt wird angenommen, dass sich die Dampfkapillartiefe in Abhängigkeit von der Verfahrgeschwindigkeit des Prozessstrahls über die Werkstoffoberfläche ändert. Isoliert betrachtet, würden durch diesen Effekt die Dampfkapillartiefenextrema tendenziell hin zu den langsamen und schnellen Kanten des Wobbelmusters neigen, wo die höchsten und niedrigsten Prozessstrahlverfahrgeschwindigkeiten auftreten. Bei dem zweiten Effekt wird angenommen, dass sich die Dampfkapillartiefe in Abhängigkeit von einer Werkstofftemperatur ändert, die durch die Nähe zu dem Großteil des Schmelzenvolumens beeinflusst ist (das hinter dem Prozess nachläuft). Theoretisch sollte, sobald die Schweißung so lange fortgeschritten ist, dass das Schmelzbad vollständig hergestellt ist, der Werkstoff, auf den der Prozessstrahl an der nachlaufenden Kante des Wobbelmusters auftrifft, eine höhere Temperatur aufweisen als der an der Vorderkante.
Auf Grundlage der Ergebnisse in 15, scheinen bei Aluminium und Kupfer die Tiefenextrema in Richtung der vorlaufenden/nachlaufenden Achse des Wobbelmusters aufzutreten. Dies stimmt damit überein, dass die Nähe zu dem nachlaufenden Schmelzenvolumen die stärkste Wirkung auf die Dampfkapillartiefe in dem Wobbelmuster ausübt. Es wäre trotzdem noch ein gewisses Neigen zu entweder der langsamen oder der schnellen Seite des Wobbelmusters anhand von Oberflächengeschwindigkeitseffekten zu erwarten. Eine derartige Tendenz scheint bei den Kupferschweißungen vorhanden zu sein, die alle eine Verschiebung des Tiefenmaximums um ca. 20 Grad hin zu der langsamen Seite des Wobbelmusters aufzeigen. Die Ergebnisse mit Aluminium zeigen keine anhaltende Tendenz hin zu entweder der langsamen oder der schnellen Kante, die Aluminiumtiefendaten wiesen jedoch ein deutlich höheres Rauschen auf als die Kupferdaten und dies könnte Unstimmigkeiten bei der Position der angepassten Tiefenextrema verursacht haben. In dem Fall dieses speziellen Prozesses bei Aluminium scheint die stärkste Dampfkapillartiefenvariation zwischen den vorlaufenden und nachlaufenden Kanten des Wobbelmusters zu liegen.
Zwar wurden oben Beispiele von Bildgebungsstrahl-Scanmustern beschrieben, andere Bildgebungsstrahl-Scanmuster sind jedoch möglich und fallen in den Schutzbereich der vorliegenden Offenbarung.
In weiteren Ausführungsformen kann ein Wobbelschweißprozesses unter Verwenden eines ICI-Systems durch Bewegen des Bildgebungsstrahls in der Richtung des Prozessstrahls und synchron zu der Wobbelperiode überwacht werden. Der Bildgebungsstrahl kann in der Richtung des Prozessstrahls bewegt werden, jedoch unabhängig von dem Prozessstrahl, beispielsweise um eine dynamische Versatzsteuerung bereitzustellen und/oder eine zyklische Ausrichtungskorrektur zu ermöglichen. Der Bildgebungsstrahl kann im Wesentlichen koaxial mit dem Prozessstrahl ausgerichtet sein oder kann verzögert zu dem Prozessstrahl ausgerichtet sein, um Merkmale zu überwachen, die verzögert zu dem Prozessstrahl auftreten, beispielsweise um einen Betrag in Zusammenhang mit der Verarbeitungsgeschwindigkeit. Wie oben beschrieben, ändert sich bei bestimmten Wobbelmustern die Verarbeitungsgeschwindigkeit zyklisch um das Wobbelmuster. Bei einem kreisförmigen Wobbelmuster gibt es beispielsweise eine langsame Seite und eine schnelle Seite des Wobbelmusters und somit kann die Sollausrichtung des Bildgebungsstrahls beeinträchtigt sein, während sich die Strahlen entlang des kreisförmigen Wobbelmusters bewegen.
Um eine zyklische Ausrichtungskorrektur bereitzustellen, kann das Steuersystem derart programmiert sein, dass der/die Bildgebungsstrahlscanaktor(en) den Bildgebungsstrahl in Relation zu dem Prozessstrahl bewegen, um die Ausrichtung des Bildgebungsstrahls in Relation zu dem Prozessstrahl zumindest teilweise basierend auf einer Position der Strahlen in dem Wobbelmuster zu korrigieren. Bei einem kreisförmigen Wobbelmuster kann die Ausrichtung zum Beispiel zyklisch für die langsame Seite und die schnelle Seite geändert werden. Die zyklische Ausrichtungskorrektur kann auch auf anderen Parametern basiert sein, wie beispielsweise der Prozessgeschwindigkeit, der Werkstoffart und der Werkstoffdicke.
In einigen Ausführungsformen kann das Steuersystem des hierin beschriebenen Laserschweißsystems programmiert sein, eine dynamische Versatzsteuerung des Bildgebungsstrahls basierend auf einem oder mehreren Faktoren oder Parametern bereitzustellen. Diese Faktoren oder Parameter umfassen unter anderem: die Position des Prozessstrahls in seinem Wobbelmuster; das Prozessstrahl-Wobbelmuster (z. B. Wobbelgeometrie, Wobbelamplitude und/oder Wobbelperiode); eine Werkstückgeometrie; eine Nachschlagetabelle mit Versatzparametern basierend auf Werkstoff und Schweißprozessparametern; thermomechanische Schweißmodelle; ICI-Messungen von vorhergehenden Schweißprozessen; vorhergehende ICI-Messungen in demselben Schweißprozess; mindestens eine Komponente des momentanen Geschwindigkeitsvektors des Prozessstrahls in Relation zu dem Werkstoff; der kurvenförmige Schweißpfad über den Werkstoff; und eine oder mehrere Korrekturen des Laserstrahlabgabesystems (z. B. chromatische Aberrationsbereichskorrekturen, Brennebenenbereichskorrekturen, Fleckgrößenbereichskorrekturen und/oder Strahlformkorrekturen). Alternativ oder zusätzlich können die ICI-Messungen auch basierend auf einem oder mehreren der obigen Faktoren oder Parameter korrigiert werden (z. B. unter Verwenden von Datenverarbeitungssystemen), um zum Beispiel ICI-Messungen zu glätten und eine Einheitlichkeit in einem Schweißprozess sicherzustellen.
Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können verwendet werden, um ein Schweißeindringprofil zu überwachen. In einem Beispiel kann das ICI-System den Bildgebungsstrahl quer zu der Schweißrichtung an verschiedenen Punkten entlang der Schweißung scannen (z. B. unter Verwenden von Rasterscannen), um eine Anzeige eines Schweißeindringprofils quer zu der Schweißrichtung an diesen Orten zu erzeugen. In einem anderen Beispiel kann das ICI-System den Bildgebungsstrahl entlang der Schweißrichtung scannen, um eine Anzeige des Schweißeindringprofils entlang der Schweißrichtung an verschiedenen Punkten entlang der Schweißung zu erzeugen. In einem weiteren Beispiel kann das ICI-System den Bildgebungsstrahl scannen, um eine Anzeige des Schweißeindringprofils entlang eines virtuellen Querschnitts zu erzeugen, der durch eine frei wählbare geometrische Fläche definiert ist. Das Steuersystem kann ausgestaltet sein, die Laserleistung basierend auf Schweißeindringmessungen von dem ICI-System an mehr als einem Ort während eines Wobbelzyklus anzupassen. Insbesondere kann das Steuersystem ausgestaltet sein, die Laserleistung anzupassen, um die Schweißeindringvariation während eines Wobbelzyklus zu reduzieren. Wie oben erwähnt, können die ICI-Messungen basierend auf einem oder mehreren zusätzlichen Faktoren oder Parametern korrigiert werden, zum Beispiel um sicherzustellen, dass die Wobbelschweißtiefen eine einheitliche Tiefe zur Qualitätssicherung bereitstellen und/oder dass die gewobbelte Schweißraupe nicht versetzt ist.
In weiteren Ausführungsformen kann das Steuersystem eine Verarbeitung basierend auf Teilemessungsausgaben von dem ICI-System anpassen. Das Steuersystem kann ausgestaltet sein, zum Beispiel das Prozessstrahl-Wobbelmuster basierend auf vor einem Prozess erhaltenen Teilemessungsausgaben und/oder nach einem Prozess erhaltenen Teilemessungsausgaben von dem ICI-System anzupassen.
Das Schweißsystem kann den Messstrahl in Relation zu dem Prozessstrahl auch auf andere Weisen steuern. Wenn das ICI-System stromaufwärts der Scanaktoren in dem Wobbelkopf gekoppelt ist, kann das Steuersystem zum Beispiel programmiert sein, die Bildgebungsstrahlscanaktoren komplementär zu den Prozessstrahlscanaktoren und auf synchronisierte Weise derart zu bewegen, dass der Bildgebungsstrahl wirksam von dem Prozessstrahl-Wobbelmuster an der Werkstückoberfläche entkoppelt ist. Alternativ oder zusätzlich kann das Steuersystem programmiert sein, die Prozessstrahlscanaktoren zwischen ihrem Wobbelmuster und einer festen Position zu verschieben, um ICI-Messungen der Werkstückoberfläche zu erhalten, die von dem Wobbelmuster entkoppelt sind. Das Steuersystem kann auch programmiert sein, die ICI-Systemmessungen derart auszulösen, dass sie zeitlich mit dem Wobbelzyklus synchronisiert sind.
Einer der primären Vorteile von Wobbelschweißen liegt in seiner vorteilhaften Wirkung auf ein qualitativ hochwertiges Fügen von verschiedenartigen Metallen, wie beispielsweise Permutationen der verbreiteten technischen Legierungen von Kupfer, Aluminium, Stahl, rostfreiem Stahl, Titan und verschiedenen beschichteten oder plattierten Versionen davon. Das Fügen verschiedenartiger Metalle findet Einsatz in verschiedenen Anwendungen, einschließlich unter anderem elektrifizierten Transportsystemen (z. B. Automobile, Züge und Flugzeuge).
Sobald ein wirksames Mittel zum Messen der Eindringtiefe und/oder Prozessdynamiken unter Verwenden eines Wobbelkopfes und eines ICI-Systems ausgestaltet ist, können die ICI-Messungen insbesondere als Maßstab für den Grad einer Vermischung zwischen den Werkstoffen, aus denen die Schweißverbindung besteht, dienen. Bei Überlappschweißen von Kupfer und Aluminium führt zum Beispiel ein ungenügendes Vermischen zu einer schlechten mechanischen und elektrischen Verbindung. Eine zu hohe Vermischung erzeugt aufgrund des deutlichen Vorhandenseins intermetallischer Phasen eine Versprödung. Mit einer ICI-Überwachung und/oder einer ICI-basierter Steuerung des Fügeprozesses können diese Aspekte der Metallurgie der Schweißung zur Qualitätssicherung überwacht und/oder gesteuert werden, um Schwankungen bei Herstellungsprozess, Rohwerkstoff und Umgebung auszugleichen. Dieser Prozess wird durch eine Kalibrierung vor Beginn und einen Vergleich mit einer metallurgischen Analyse unterstützt.
Dementsprechend kann eine kohärente Inline-Bildgebung (ICI) vorteilhaft verwendet werden, um Wobbelschweißen zu überwachen, sogar wenn komplexe Wobbelmuster durch den Prozesslaser ausgebildet werden. Unter Verwenden verschiedener Techniken zum Bewegen des Bildgebungsstrahls zu verschiedenen Messorten können verschiedene Aspekte des Wobbelschweißens überwacht werden, einschließlich Dampfkapillartiefe und Stabilität sowie Schmelzbadbildung.
Zwar sind die Grundsätze der Erfindung hierin beschrieben, für den Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass die Beschreibung nur beispielhaft ist und den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränkt. Zusätzlich zu den hierin gezeigten und beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen sind andere Ausführungsformen denkbar, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen. Modifikationen und Ergänzungen durch Fachleute werden als in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung fallend betrachtet, die ausschließlich durch die folgenden Ansprüche definiert ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62853368 [0001]
US 62700606 [0001]
US 8822875 [0012, 0042]
US 9757817 [0012, 0042]
US 10124410 [0012, 0031, 0042]
US 2015/45037 [0018]

Claims

Laser-Werkstoffbearbeitungssystem, umfassend: eine Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle zum Erzeugen eines Prozessstrahls; einen Bearbeitungskopf, der mit der Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle gekoppelt ist und mindestens einen Prozessstrahlscanaktor zum Lenken und Bewegen des Prozessstrahls gemäß einem Wobbelmuster in mindestens einer Achse an einer Bearbeitungsstelle eines Werkstücks aufweist; ein kohärentes Inline-Bildgebungssystem (ICI, Inline Coherent Imaging), das optisch mit dem Bearbeitungskopf gekoppelt ist, wobei das ICI-System mindestens einen Bildgebungsstrahlscanaktor zum Positionieren des Bildgebungsstrahls zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl aufweist; und ein Steuersystem zum Steuern zumindest der Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle, des Prozessstrahlscanaktors und des Bildgebungsstrahlscanaktors, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bearbeitungskopf zu veranlassen, den Prozessstrahl in dem Wobbelmuster zu scannen, und wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl zu mehreren Messorten an der Bearbeitungsstelle in Übereinstimmung mit dem Wobbelmuster zu bewegen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 1, wobei der Bearbeitungskopf ein Schweißkopf zum Lenken und Bewegen des Prozessstrahls gemäß dem Wobbelmuster an einer Schweißstelle ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Werkstoffmodifizierungsstrahlquelle ein Faserlaser ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend mindestens eine Verfahreinheit zum Verschieben zumindest eines des Bearbeitungskopfes und des Werkstücks in Relation zueinander, während der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster an dem Werkstück bewegt wird.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ICI-System mit dem Bearbeitungskopf stromabwärts des mindestens einen Prozessstrahlscanaktors optisch gekoppelt ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl entlang des Wobbelmusters in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegung des Prozessstrahls und synchron zu dem Wobbelmuster zu bewegen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 5, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl entlang des Wobbelmusters in einer Richtung des Prozessstrahls und synchron zu einem Wobbelmuster zu bewegen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das ICI-System mit dem Schweißkopf stromaufwärts des mindestens einen Prozessstrahlscanaktors optisch gekoppelt ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl derart zu bewegen, dass der Bildgebungsstrahl die Bearbeitungsstelle in einem Scanmuster scannt, das zumindest teilweise ein Wobbelmuster umschließt.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersystem ausgestaltet ist, den Prozessstrahlscanaktor zu steuern, um mindestens eines von Wobbelgeometrie, Wobbeiperiode, Wobbelgeschwindigkeit und Wobbelamplitude in Reaktion auf Messungen von dem ICI-System anzupassen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersystem ausgestaltet ist, eine Leistung des Prozessstrahls in Reaktion auf Messungen von dem ICI-System zu steuern.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessstrahlscanaktor ausgestaltet ist, den Prozessstrahl mit einem maximalen Strahlversatz an dem Werkstück von ±30 mm zu bewegen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Prozessstrahlscanaktor ausgestaltet ist, den Prozessstrahl mit einem maximalen Strahlwinkelversatz von ±5° zu bewegen, um eine Wobbelamplitude bereitzustellen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der mindestens eine Prozessstrahlscanaktor und der mindestens eine Bildgebungsstrahlscanaktor aus der Gruppe ausgewählt sind, bestehend aus Galvanometer-Scannerspiegeln, Polygon-Scannerspiegeln, MEMS-basierten Scannerspiegeln, piezoelektrischen Scannerspiegeln und diffraktionsbasierten Strahlscannern.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlscanaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl derart zu bewegen, dass der Bildgebungsstrahl dynamisch von dem Prozessstrahl an der Werkstückoberfläche gemäß einer Position des Prozessstrahls in dem Wobbelmuster versetzt ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend ein zusätzliches Messsystem, das ausgestaltet ist, eine Prozessstrahlung zu messen.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 16, wobei das zusätzliche Messsystem eine Prozessstrahlung in einem Spektralband von 100 nm bis 1 mm misst.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 16 oder 17, wobei das zusätzliche Messsystem optische Elemente zum Durchführen einer räumlich eingegrenzten Messung in Relation zu dem Prozessstrahl umfasst.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 18, wobei das zusätzliche Messsystem ausgelegt ist, die räumlich eingegrenzte Messung an einem Messort durchzuführen, der von dem Prozessstrahl basierend auf mindestens einer Ausgabe von dem ICI-System dynamisch versetzt ist.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach Anspruch 16 oder 17, wobei das zusätzliche Messsystem optische Elemente zum Durchführen einer räumlich eingegrenzten Messung in Relation zu dem Bildgebungsstrahl umfasst.
Laser-Werkstoffbearbeitungssystem nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei das Steuersystem programmiert ist, den Bildgebungsstrahlaktor zu veranlassen, den Bildgebungsstrahl derart zu bewegen, dass der Bildgebungsstrahl von dem Prozessstrahl basierend auf mindestens einer Ausgabe von dem zusätzlichen Messsystem dynamisch versetzt ist.
Verfahren zum Überwachen eines Wobbelschweißprozesses, wobei das Verfahren umfasst: Lenken eines Prozessstrahls und mindestens eines Bildgebungsstrahls von einem kohärenten Inline-Bildgebungssystem (ICI) zu einer Schweißstelle eines Werkstücks; Bewegen des Prozessstrahls in einem Wobbelmuster an der Schweißstelle des Werkstücks; Bewegen des mindestens einen Bildgebungsstrahls zumindest teilweise unabhängig von dem Prozessstrahl zu mehreren Messorten an der Schweißstelle; und Erfassen von ICI-Messungen von den mehreren Messorten, während sich der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster bewegt.
Verfahren nach Anspruch 22, ferner umfassend Verschieben zumindest eines des Prozessstrahls und des Werkstücks in Relation zueinander, während der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster an der Schweißstelle bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Bewegen des Bildgebungsstrahls Scannen des Bildgebungsstrahls unabhängig von dem Prozessstrahl in einem ICI-Scanmuster über die Schweißstelle des Werkstücks umfasst, wobei das ICI-Scanmuster zumindest teilweise das Wobbelmuster umschließt.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das Erfassen von ICI-Messungen Erfassen von Tiefenmessungen an Punkten in dem ICI-Scanmuster umfasst und ferner umfassend Vereinen der Tiefenmessungen zum Ausbilden eines dreidimensionalen Bilds der Schweißstelle.
Verfahren nach Anspruch 24 oder 25, wobei das Scannen Rasterscannen umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei das Bewegen des Bildgebungsstrahls Bewegen des Messstrahls in einer Taumelbewegung lokal um zumindest einen Teil des Wobbelmusters umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 27, wobei das Bewegen des Bildgebungsstrahls Bewegen des Bildgebungsstrahls unabhängig von dem Prozessstrahl zu mehreren festen Messorten in dem Wobbelmuster umfasst, und wobei das Erfassen von ICI-Messungen Erfassen von Tiefenmessungen an den festen Messorten, während sich der Prozessstrahl in dem Wobbelmuster bewegt, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei der mindestens eine feste Messort vier Messorte um das Wobbelmuster einschließlich eines vorlaufenden Messorts, eines nachlaufenden Messorts, eines schnellen Messorts und eines langsamen Messorts umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 29, wobei das Bewegen des Bildgebungsstrahls Bewegen des Bildgebungsstrahls unabhängig von dem Prozessstrahl entlang des Wobbelmusters in einer Richtung entgegengesetzt zu einer Bewegung des Prozessstrahls umfasst, wobei der Bildgebungsstrahl den Prozessstrahl an Kreuzungsintervallen kreuzt, und wobei das Erfassen von ICI-Messungen Erfassen von Tiefenmessungen an Punkten entlang des Wobbelmusters unter Verwenden des ICI-Systems umfasst.
Verfahren nach Anspruch 30, wobei die Tiefenmessung von einem Boden einer Dampfkapillare vorgenommen wird, wenn sich der Prozessstrahl und der Bildgebungsstrahl kreuzen, und die Tiefenmessung zu anderen Zeiten von einer Oberfläche eines Schmelzbads vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 30, ferner umfassend Bestimmen von Dampfkapillartiefen aus den Tiefenmessungen, die von einem Boden einer Dampfkapillare vorgenommen wurden, wenn sich der Prozessstrahl und der Bildgebungsstrahl kreuzen.
Verfahren nach Anspruch 32, wobei das Bestimmen der Dampfkapillartiefen Suchen nach einer lokalen Mindesttiefe in einem Bereich um jedes Kreuzungsintervall, an dem sich der Prozessstrahl und der Bildgebungsstrahl kreuzen, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 33, wobei das Bewegen des Bildgebungsstrahls Bewegen des Bildgebungsstrahls unabhängig von dem Prozessstrahl und mit dem Prozessstrahl entlang des Wobbelmusters umfasst, und wobei ICI-Messungen erfasst werden, während sich der Bildgebungsstrahl entlang des Wobbelmusters bewegt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Bildgebungsstrahl derart bewegt wird, dass der Bildgebungsstrahl dynamisch von dem Prozessstrahl an der Werkstückoberfläche gemäß einer Position des Prozessstrahls in dem Wobbelmuster versetzt ist.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Bildgebungsstrahl derart bewegt wird, dass der Bildgebungsstrahl dynamisch von dem Prozessstrahl an der Werkstückoberfläche versetzt ist, um eine sich ändernde Dampfkapillarposition in dem Wobbelmuster auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei das Wobbelmuster ein zylindrisches Muster ist, und wobei der Bildgebungsstrahl bewegt wird, um eine zyklische Ausrichtungskorrektur zumindest teilweise basierend auf einer Position des Prozessstrahls bereitzustellen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 37, ferner umfassend Bewegen eines Schweißkopfes in Relation zu dem Werkstück, um den Prozessstrahl in Relation zu dem Werkstück zu verschieben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 38, ferner umfassend Bewegen des Werkstücks in Relation zu einem Schweißkopf, um das Werkstück in Relation zu dem Prozessstrahl zu verschieben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 39, wobei das Werkstück verschiedenartige Metalle umfasst, und wobei die ICI-Messungen indikativ für einen Grad eines Vermischens zwischen den verschiedenartigen Metallen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 40, wobei das Werkstück einen Werkstoff umfasst, der aus mindestens einem von Kupfer und Aluminium ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 41, wobei das Werkstück eine Nichteisenlegierung umfasst.