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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Laserschweißen zweier Bauteile, wie es beispielsweise zum Verbinden bzw. Verschweißen zweier Drahtenden zum Herstellen einer elektrischen Verbindung dient.
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Stand der Technik
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Bei automatisierten Schweißvorgängen ist es bereits bekannt, den Verbindungsbereich zweier Bauteile mittels einer Kamera zu erfassen, um eine Relativbewegung zwischen einem Laserstrahl und den Bauteilen im Schweiß- bzw. Verbindungsbereich zu steuern. Wichtig dabei ist eine sichere bzw. genaue Erkennung der miteinander zu verbindenden Bauteilen im Verbindungsbereich. Dies ist jedoch je nach Geometrie und sonstiger Rahmenbedingungen ggf. schwierig, sodass ggf. nach dem Schweißen zusätzliche Prüfvorgänge erforderlich sind, um die Qualität der Schweißnaht zu überprüfen oder aber die Einrichtung oft nachjustiert werden muss.
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Weiterhin ist es aus der
DE 2017 102 338 A1 bekannt, bei einer Prüfvorrichtung zur Erkennung von Oberflächendefekten in einer mehrschichtigen Oberfläche eine polarisationssensitive Kamera zu verwenden, die ein Bild einer Oberfläche aufnimmt, die nacheinander von unterschiedlichen, polarisiertes Licht ausstrahlenden Lichtquellen beleuchtet wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass es eine besonders sichere bzw. genaue Erkennung der Bauteile im Verbindungsbereich ermöglicht, sodass der zum Ausbilden der Schweißnaht verwendete Laserstrahl hochpräzise über den gewünschten Bereich der Bauteile geführt werden kann.
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Zur besonders sicheren bzw. zuverlässigen Erkennung der Position bzw. Lage der Bauteile im Verbindungsbereich macht sich die Erfindung die Erkenntnis zunutze, dass von einer geschnittenen bzw. teilweisen blanken Oberfläche reflektiertes Licht als polarisiertes Licht reflektiert wird, während von einer seitlichen Oberfläche reflektierte Licht unpolarisiert reflektiert wird. Durch den Einsatz einer polarisationssensitiven Kamera wird es somit ermöglicht, blanke bzw. ebene Bereiche der Bauteile gut zu erfassen.
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Somit schlägt es die Lehre der Erfindung vor, ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile vorzusehen, bei dem ein Laserstrahl über eine Optikeinrichtung auf einen Verbindungsbereich der beiden Bauteile geleitet wird, wobei die beiden Bauteile unter Ausbildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden, wobei der Verbindungsbereich der beiden Bauteile mittels einer polarisationssensitiven Kamera erfasst wird, welche zumindest mittelbar eine Polarisation des von dem Verbindungsbereich reflektierten Lichts erfasst, und wobei anhand der Polarisation die Position der Bauteile erfasst und eine Position oder eine Bewegung des Laserstrahls im Verbindungsbereich zumindest mittelbar gesteuert wird.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschweißen zweier Bauteile sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
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Da der Laserstrahl bereits zu Beginn in einem bestimmten Soll-Bereich der beiden Bauteile auftreffen soll, ist es wichtig, dass die Bauteile bzw. deren Position mittels der Kamera vor dem Einwirken des Laserstrahls im Verbindungsbereich erfasst wird. Darüber hinaus würde eine Erfassung bzw. Auswertung der Daten mittels der Kamera während der Einwirkung des Laserstrahls auch dahingehend erschwert bzw. nicht möglich, dass der Laserstrahl eine Auswertung der Daten nicht möglich macht.
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Um möglichst stets gleiche Rahmenbedingungen hinsichtlich der erfassten Daten zu ermöglichen, sieht es eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass der Verbindungsbereich mittels einer unpolarisiertes Licht emittierenden Lichtquelle beleuchtet wird.
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Das soweit beschriebene Verfahren ermöglicht es, den Laserstrahl zum Ausbilden der Schweißnaht in gewünschter Art und Weise zu führen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, die gebildete Schweißnaht anschließend auch hinsichtlich ihrer Qualität bzw. Geometrie zu überprüfen. Hierzu sieht es eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass zusätzlich nach dem Ausbilden der Schweißnaht die Schweißnaht mittels der polarisationssensitiven Kamera erfasst wird. Hierbei wird sich die Erkenntnis zunutze gemacht, dass auch die von der Kamera erfasste Wärmestrahlung einer Schweißnaht unterschiedlich hohe Polarisationen aufweist, je nach örtlicher Neigung der Schweißnaht, und diese Polarisation mittels der Kamera und entsprechender Auswertemittel erfasst und ausgewertet werden kann.
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Hierzu ist es darüber hinaus vorgesehen, dass die Schweißnaht vor dem Abkühlen der Schweißnaht während der Emittierung der Wärmestrahlung aufgrund der gebildeten Schweißnaht erfasst wird.
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Zur Ermöglichung einer möglichst guten Vorpositionierung aufgrund der zuletzt gemachten Resultaten bzw. Positionierung der Bauteile sieht eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass anhand der zuletzt erfassten Position der Bauteile im Verbindungsbereich eine Vorpositionierung der Optikeinrichtung bzw. des Laserstrahls erfolgt.
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Als besonders einfach bzw. effektiv zur Zuführung des von dem Verbindungsbereich emittierten Lichts bzw. der Wärmestrahlung zur Kamera hat es sich darüber hinaus herausgestellt, wenn das aus dem Verbindungsbereich reflektierte Licht oder eine aus dem Verbindungsbereich von der Schweißnaht emittierte Wärmestrahlung mittels einer Laserscanner-Optikeinrichtung der Kamera zugeführt wird.
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Wie bereits oben erläutert, findet das soweit beschriebene Verfahren bevorzugt Verwendung zur Erkennung des Verbindungsbereichs zweier Bauteile, bei dem die beiden Bauteile abgeschnittene bzw. zumindest teilweise blanke Oberflächen aufweisen, wie dies beispielsweise bei abgetrennten Drahtenden der Fall ist.
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Weiterhin umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei die Vorrichtung eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, eine Optikeinrichtung, insbesondere in Form einer Laserscanner-Einrichtung, zum Führen des Laserstrahls auf einen Verbindungsbereich der Bauteile, eine polarisationssensitive Kamera zur Erfassung der Bauteile im Verbindungsbereich und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und den Bauteilen aufgrund der von der polarisationssensitiven Kamera erfassten Daten aufweist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt zwei miteinander durch eine Schweißverbindung zu verbindende Drahtenden und den Pfad eines zum Ausbilden einer Schweißnaht dienenden Laserstrahls auf den Stirnflächen der Drahtenden in einer perspektivischen Darstellung,
- 2 eine Vorrichtung zum Laserschweißen der beiden Drahtenden unter Verwendung einer polarisationssensitiven Kamera in einer schematischen Darstellung,
- 3 den Bereich der an der Stirnseite der beiden Drahtenden gebildeten Schweißnaht unmittelbar nach der Bildung der Schweißnaht in einer schematischen Darstellung,
- 4 ein Diagramm zur Erläuterung der von der Schweißnaht gemäß 3 emittierten Wärmestrahlung und
- 5 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung eines Herstell- und Prüfungsprozesses der Schweißnaht.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
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In der 1 sind die axialen Endabschnitte zweier Drahtenden 1, 2 zweier Bauteile 11, 12 dargestellt. Die im Ausführungsbeispiel eine etwa rechteckförmige Querschnittsfläche aufweisenden Drahtenden 1, 2 weisen an ihren Stirnflächen 3, 4 durch einen Abtrenn- bzw. Schneidprozess bereichsweise blanke und/oder Oberflächen auf. Demgegenüber weisen die Seitenflächen 5 der Drahtenden 1, 2 bzw. der Bauteile 11, 12 eine aufgrund des Fertigungsprozesses bedingte Oberflächenrauigkeit in Form von insbesondere glatten Flächen auf.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Drahtenden 1, 2 bzw. die beiden Stirnflächen 3, 4 auf einer gemeinsamen Ebene angeordnet. Gegebenenfalls kann jedoch ein (geringer) Höhenversatz zwischen den beiden Stirnflächen 3, 4 oder ein Winkelversatz vorhanden sein. Des Weiteren ist erkennbar, dass die beiden Drahtenden 1, 2 nicht genau parallel zueinander angeordnet sind, sondern sich lediglich an einer Stelle 6 berühren, sodass sich ein V-förmiger Spalt 7 in Höhe der Stirnflächen 3, 4 einstellt. Zuletzt ist ein Pfad 9 eines Laserstrahls LS auf den Stirnflächen 3, 4 gezeigt, der den Weg des Laserstrahls LS auf den beiden Stirnflächen 3, 4 der Drahtenden 1, 2 darstellen soll, um beispielsweise eine in der 3 dargestellte, im Querschnitt kuppelförmige Schweißnaht SN zu erzeugen. Die beiden Stirnflächen 3, 4 stellen somit einen Verbindungsbereich der beiden Bauteile 11, 12 dar.
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Zur Erzeugung der Schweißnaht SN (3) dient eine in der 2 schematisch dargestellte Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Laserstrahleinrichtung 15 zum Erzeugen des Laserstrahls LS. Der Laserstrahl LS wird dabei über eine Optikeinrichtung in Form einer Laserscanner-Einrichtung 14 in Richtung der Stirnflächen 3, 4 der Drahtenden 1, 2 geführt. Beispielsweise ist die Laserscanner-Einrichtung 14 mit einer Verstelleinrichtung 16 verbunden, die eine Bewegung des Laserstrahls LS auf den beiden Stirnflächen 3, 4 der Drahtenden 1, 2 entlang des Pfads 9 ermöglicht.
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Der Bereich der Drahtenden 1, 2 wird mittels einer Licht emittierenden Lichtquelle 18 beleuchtet. Das von den Stirnflächen 3, 4 der Drahtenden 1, 2 reflektierte Licht wird aus der Laserscanner-Einrichtung 14 ausgekoppelt und einer polarisationssensitiven Kamera 20 zugeführt. Die Kamera 20 ist zumindest mittelbar mit einer Auswerteeinrichtung 22 verbunden, die zur Datenaufbereitung der von der Kamera 20 erfassten Werte der Polarisation dient. Die Auswerteeinrichtung 22 ist vorzugsweise zumindest mittelbar wiederum mit der Verstelleinrichtung 16 gekoppelt.
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Bei der Bestrahlung der beiden Drahtenden 1, 2 bzw. der Stirnflächen 3, 4 durch die unpolarisiertes oder auch polarisiertes Licht emittierende Lichtquelle 18 wird das Licht von den Stirnflächen 3, 4 polarisiert reflektiert, während das Licht an den Seitenflächen 7 der Drahtenden 1, 2 unpolarisiert gesteuert bzw. reflektiert wird. Somit ist die Kamera 20 in der Lage, das von den Stirnflächen 3, 4 reflektierte, polarisierte Licht zu erkennen und daraus auf die Position der Stirnflächen 3, 4 zu schließen. Insbesondere können auch direkte Reflexionen, die das Bild stören, unterdrückt werden. Dies erfolgt mittels eines in der Auswerteeinrichtung 22 vorgesehenen Algorithmus. Aufgrund der erfassten Ist-Position der beiden Stirnflächen 3, 4 der Drahtenden 1, 2 kann anschließend, während der Aktivierung des Laserstrahls LS bzw. dessen Einwirkung auf die Stirnflächen 3, 4, die Verstelleinrichtung 16 entsprechend zur Ausbildung des Pfads 9 entlang der Stirnflächen 3, 4 angesteuert werden.
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In der 3 ist dargestellt, dass von der noch heißen Schweißnaht SN Wärmestrahlung 28 emittiert wird. Aufgrund der im Querschnitt kuppel- bzw. teilkreisförmigen Form der Schweißnaht SN entsteht eine winkelabhängige, polarisierte Emission der Wärmestrahlung 28. So erkennt man in der 4 zum einen die Kontur K der Schweißnaht SN, und zum anderen den Quotienten Q aus parallel und senkrecht polarisierter Intensität. Im Falle einer wie in der 3 ausgebildeten, optimierten Kontur K ergibt sich ebenso eine typische Form des Quotienten Q. Weicht die Form der Kontur K der Schweißnaht SN von der in der 3 dargestellten Form ab, so ergibt sich ein anderer Verlauf des Quotienten Q, woraus auf die Geometrie der Schweißnaht SN geschlossen werden kann.
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Die Vorrichtung 10, wie sie soweit beschrieben wurde, ist daher nicht nur dazu ausgebildet, den Pfad 9 mittels der Verstelleinrichtung 16 auszuführen, nachdem die Position der Drahtenden 1, 2 bzw. der Stirnflächen 3, 4 mittels der Kamera 20 erfasst wurde, sondern auch dazu, nach dem Ausbilden der Schweißnaht SN die korrekte Form der Kontur K der Schweißnaht SN zu überprüfen.
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Zuletzt wird auf das Ablaufdiagramm der 5 verwiesen. Darin ist in einem ersten Schritt 101 gezeigt, dass ggf. eine Vorpositionierung des Laserstrahl LS zu den Drahtenden 1, 2 mittels der Verstelleinrichtung 16 vor der Aktivierung der Laserstrahleinrichtung 12 erfolgen kann aufgrund der zuletzt detektierten Positionen der Stirnflächen 3, 4. In einem zweiten Schritt 102 wird dann bei deaktivierter Laserstrahleinrichtung 12 und aktivierter Lichtquelle 18 mittels der Kamera 20 der Bereich der Drahtenden 1, 2 bzw. die Position der Stirnflächen 3, 4 erfasst. In einem dritten Schritt 103 erfolgt daraufhin die Berechnung des Pfads 9 anhand der erfassten Ist-Position der Stirnflächen 3, 4 bei aktivierter Laserstrahleinrichtung 12 zur Ausbildung der Schweißnaht SN. Vorzugsweise unmittelbar nach dem Ausbilden der Schweißnaht SN bzw. der Deaktivierung der Laserstrahleinrichtung 12 erfolgt anschließend in einem vierten Schritt 104 eine nochmalige Erfassung der beiden Drahtenden 1, 2 bzw. der Schweißnaht SN mittels der Kamera 20, um die Form der gebildeten Schweißnaht SN entsprechend der zu den 3 und 4 gemachten Erläuterungen zu überprüfen. Prinzipiell wäre auch ein weiterer Schritt mit einer polarisierten Beleuchtung denkbar, welche je nach Winkel von der Schweißnaht SN unterschiedlich reflektiert wird. Gegebenenfalls von der idealen Kontur K abweichende Konturen K der Schweißnaht SN können im Rahmen von Regelmechanismen bei der nächsten Ansteuerung der Verstelleinrichtung 16 berücksichtigt bzw. kompensiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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