DE102020002826A1

DE102020002826A1 - Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie

Info

Publication number: DE102020002826A1
Application number: DE102020002826.8A
Authority: DE
Inventors: Michael BRANDNER; Andreas Leitz; Marius Schwarz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2020-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie, wobei ein Bearbeitungslaser (2) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren eines Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6) bereitgestellt werden, wobei Licht von einem OCT-Sensor (11) zur optischen Kohärenz-Tomografie durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt wird, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe des OCT-Sensors (11) eine Einschweißtiefe (ET) ermittelt wird, wobei zur Signalauswertung eine Regressionsanalyse angewandt wird, wobei das Licht aus dem OCT-Sensor (11) mittels eines OCT-Scanners (12) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt und auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wodurch sich eine Anzahl von Messintervallen (I) mit Einschweißtiefen (ET) ergibt, wobei zur Signalauswertung in jedes Messintervall (I) mit einer ausreichenden Anzahl (n) an Messpunkten eine Regressionsgerade (G) eingepasst wird, von der als Kennwerte eine Steigung (a) und ein Ordinatenabschnitt (b) ermittelt wird, wobei aus der Regressionsgeraden (G) ferner als Kennwert ein Bestimmtheitsmaß (R) ermittelt wird, welches angibt, wie groß die Varianz der Punkte von der Regressionsgeraden (G) ist, wobei dann, wenn die Kennwerte innerhalb jeweiliger bestimmter Bereiche liegen, auf eine ausreichende Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird, während dann, wenn Kennwerte außerhalb der jeweiligen bestimmten Bereiche liegen, auf eine mangelnde Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie, insbesondere bei Mehrblechverbindungen und vorzugsweise zur Bewertung der Güte von Schweißnähten beim Kontaktieren von Lithium-Ionen-Batterien.
Laserschweißverfahren mit Hilfe bekannter OCT-Verfahren werden zum Beispiel an Stromsammlern und/oder Zellverbindern als Teil eines Herstellungsprozesses von Lithium-Ionen-Batterien durchgeführt. Während des Schweißprozesses wird die Schweiß-Eindringtiefe mittels OTC bestimmt.
Aus der DE 102013015656 B4 ist ein Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück bekannt, umfassend die folgenden Schritte:

a) Fokussieren des Laserstrahls in einem Brennfleck mit Hilfe einer in einem Bearbeitungskopf angeordneten Fokussieroptik, wodurch der Brennfleck in dem Werkstück eine Dampfkapillare erzeugt;
b) Erzeugen eines ersten Messstrahls und eines zweiten Messstrahls mit einem optischen Kohärenztomographen;
c) Richten des ersten Messstrahls auf einen ersten Messpunkt in der Dampfkapillare, um dadurch einen ersten Abstand zwischen einem Referenzpunkt und dem ersten Messpunkt zu messen;
d) Gleichzeitig mit Schritt c) Richten des zweiten Messstrahls auf einen zweiten Messpunkt auf einer zum Bearbeitungskopf weisenden Oberfläche des Werkstücks außerhalb der Dampfkapillare, um dadurch einen zweiten Abstand zwischen dem Referenzpunkt und dem zweiten Messpunkt zu messen;
e) Bestimmen der Eindringtiefe des Laserstrahls aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie anzugeben, das sich zur Beurteilung der Schweißqualität und/oder Schweißgüte eignet.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie werden ein Bearbeitungslaser und eine Schweißoptik zum Fokussieren eines Laserstrahls in einer Hochrichtung auf einem zu schweißenden Bauteil bereitgestellt, wobei Licht von einem OCT-Sensor zur optischen Kohärenz-Tomografie durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils gelenkt wird, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe des OCT-Sensors eine Einschweißtiefe ermittelt wird, wobei zur Signalauswertung eine Regressionsanalyse angewandt wird. Erfindungsgemäß wird das Licht aus dem OCT-Sensor mittels eines OCT-Scanners durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils gelenkt und auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert, wodurch sich eine Anzahl von Messintervallen mit Einschweißtiefen ergibt, wobei zur Signalauswertung in jedes Messintervall mit einer ausreichenden Anzahl an Messpunkten eine Regressionsgerade eingepasst wird, von der als Kennwerte eine Steigung und ein Ordinatenabschnitt ermittelt wird, wobei aus der Regressionsgeraden ferner als Kennwert ein Bestimmtheitsmaß ermittelt wird, welches angibt, wie groß die Varianz der Punkte von der Regressionsgeraden ist, wobei dann, wenn die Kennwerte innerhalb jeweiliger bestimmter Bereiche liegen, auf eine ausreichende Qualität der Schweißnaht geschlossen wird, während dann, wenn Kennwerte außerhalb der jeweiligen bestimmten Bereiche liegen, auf eine mangelnde Qualität der Schweißnaht geschlossen wird. Zur Erstellung von Intervallfiltern kann jedes Messintervall in eine Anzahl gleich großer Segmente aufgeteilt werden, wobei als Kennwerte für jedes Segment ein oberes und ein unteres Perzentil bestimmt wird, wobei das obere Perzentil einen Bereich zwischen 70 und 100 darstellt, wobei das untere Perzentil einen Bereich zwischen 0 und 30 darstellt, wobei als Kennwert ferner eine Differenz des oberen vom unteren Perzentils bestimmt wird.
Ein Messintervall kann vom darauffolgenden dadurch unterschieden werden, dass mittels des OCT Scanners die Messposition geändert wird und die unbearbeitete Oberfläche abgetastet wird. Diese Referenzmessung ermöglicht es erst, die Einschweißtiefenmessungen auf die Oberkante des oberen Bleches zu referenzieren.
Erfindungsgemäß werden die aufgenommenen Messdaten analysiert und spezifische Kennwerte werden berechnet. Eine Schweißnaht wird als hochqualitativ erkannt, wenn die berechneten Kennwerte sich innerhalb vorbestimmter Bereiche befinden. Werkstücke, die solche erkannten hochqualitativen Schweißnähte aufweisen, werden automatisch einem nachfolgenden Herstellungsprozess von Mehrblechverbindungen, beispielsweise beim Kontaktieren von Li-lon-Batterien zugeführt. Werkstücke, die keine derartigen als hochqualitativ erkannten Schweißnähte aufweisen, werden automatisch verworfen und mittels eines geeigneten Selektor-Geräts aussortiert.
Die oben erwähnten Kennwerte werden im Laufe einer Regressionsanalyse berechnet und umfassen eine Steigung, einen Achsenabschnitt, ein R²-Bestimmtheitsmaß, Anzahl der Messpunkte und optional einen Fehler, Überschreitungen, Perzentil oben, Perzentil unten und Perzentildifferenz.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt eine zuverlässige, automatische Qualitätskontrolle von Laserschweißnähten mit verringertem Personalaufwand. Daher können bei der Batterieproduktion signifikante Einsparungen erzielt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Laser-Schweißvorrichtung,
2 ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe über der Zeit bei einer Schweißung mit Anbindung,
3 ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe über der Zeit bei einer Schweißung ohne Anbindung,
4 ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Messintervalls mit der normierten Einschweißtiefe über der normierten Zeit,
5 ein schematisches Diagramm mit einer Anzahl Messpunkte über Messintervallen,
6 schematisch ein Verschaltungsprinzip von parallel geschalteten Batteriezellen,
7 eine schematische Queransicht eines Zellenverbinders,
8 eine schematische Draufsicht auf den Zellenverbinder,
9 ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe über der Zeit für zwei Nähte und mit Kennwerten zu beiden Nähten bei einem Schweißprozess ausreichender Qualität,
10 ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe über der Zeit für zwei Nähte und mit Kennwerten zu beiden Nähten bei einem Schweißprozess mit stellenweise fehlender Anbindung, und
11 ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe über der Zeit für zwei Nähte und mit Kennwerten zu beiden Nähten bei einem Schweißprozess mit Poren in einer Nahtoberraupe.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 ist eine schematische Ansicht einer Laser-Schweißvorrichtung 1, umfassend einen Bearbeitungslaser 2 und eine Schweißoptik 3, umfassend einen Kollimator 5 zum Parallelisieren eines Laserstrahls L des Bearbeitungslasers 2, einen halbdurchlässigen Spiegel 4 zum Reflektieren des Laserstrahls L in Richtung eines zu schweißenden Bauteils 6 und eine Sammellinse 7 zum Fokussieren des Laserstrahls L in einer Hochrichtung z auf dem Bauteil 6. Der Laserstrahl L ist mit qualitativer Strahlkaustik dargestellt. Des Weiteren sind ein OCT-Sensor 11 und ein OCT-Scanner 12 zur optischen Kohärenz-Tomografie vorgesehen. Der OCT-Scanner 12 lenkt Licht vom OCT-Sensor 11 durch den halbdurchlässigen Spiegel 4 und die Sammellinse 7 hindurch in Richtung des Bauteils 6, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor 11 zurück reflektiert wird. Die Position des OCT-Scanners 12 gegenüber der Schweißoptik 3 kann fix sein, beispielsweise koaxial, derart, dass ein Punkt des OCT-Scanners 12, an dem das Licht des OCT-Sensors 11 auftrifft oder seinen Mittelpunkt hat, in einer Verlängerung der optischen Achse der Sammellinse 7 liegt. Das vom OCT-Sensor 11 emittierte Licht kann ebenfalls als Laserlicht vorliegen. Der OCT-Scanner 12 kann die Messmodi Pre-Processing, In-Processing und Post-Processing aufweisen. Im Modus Pre-Processing wird das Bauteil 6, beispielsweise ein Batteriekontakt, vor einem Schweißprozess überwacht. Im Modus In-Processing wird das Bauteil 6 während eines Schweißprozesses überwacht. Im Modus Post-Processing wird das Bauteil 6 nach dem Schweißprozess überwacht.
Mittels des OCT-Sensors 11 und des OCT-Sensors 11 wird eine Einschweißtiefe ET beim Laserschweißen über die Zeit t gemessen.
Die Messung der Einschweißtiefe ET mittels OCT stellt eine notwendige, jedoch keine hinreichende Bedingung dar, um eine zuverlässige Aussage über alle möglichen Fehlerbilder der Laserschweißnähte treffen zu können. Allen voran ist die fehlerhafte und damit eingeschränkte Anbindung der zu fügenden Materialien zu nennen. Eine reduzierte Anbindefläche zwischen stromführenden Kontakten in oder an Batterien kann im schlimmsten Fall zu einem Ausfall der Batterie im Betrieb führen. Es kann in der Produktion auftreten, dass die geforderte Einschweißtiefe ET erreicht und entsprechend mittels OCT gemessen wird, jedoch die Anbindung fehlerhaft ist, beispielsweise aufgrund eines Spalts („falscher Freund“).
Um eine eindeutige Aussage über die Anbindung liefern zu können, soll mittels Methoden der Datenverarbeitung der OCT-Signale erkannt werden, ob eine Anbindung zwischen den Fügepartnern vorhanden ist. Dies kann unter Zuhilfenahme in der vorliegenden Erfindung entwickelter Signalauswertemethodiken detektiert werden. 2 zeigt ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe ET über der Zeit t bei einer Schweißung mit Anbindung. 3 zeigt ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe ET über der Zeit t bei einer Schweißung ohne Anbindung.
Um eine Aussage über die Anbindung der Fügepartner liefern zu können, werden Messintervalle I der Einschweißtiefe ET über der Zeit t mittels einer linearen Regression untersucht. 4 zeigt ein schematisches Diagramm eines beispielhaften Messintervalls I mit der normierten Einschweißtiefe ET über der normierten Zeit t_n. In jedes Messintervall I wird eine Regressionsgerade G eingepasst, welche eine Steigung a und einen Ordinatenabschnitt b als Ergebnis liefert. Die Regressionsgerade G wird durch die Gleichung f(x)=ax+b beschrieben, beispielsweise f(x)=0.0028x-1.3525.
Außerdem wird mit der linearen Regression noch das Bestimmtheitsmaß R² bestimmt, welches angibt, wie gut die Punkte auf der Regressionsgeraden G liegen, also wie groß die Varianz der Punkte von der Regressionsgeraden G ist. Die Kennwerte der Steigung a, des Ordinatenabschnitts b und des Bestimmtheitsmaßes R² werden noch durch den Kennwert der Punkteanzahl je Messintervall I, das heißt der Anzahl der Messpunkte im Messintervall I ergänzt. 5 zeigt ein schematisches Diagramm mit der Anzahl n Messpunkte über den Messintervallen I.
Die lineare Regression wird für alle Messintervalle I mit ausreichender Anzahl n der Messpunkte durchgeführt. Wegen der geringen Anzahl n in den Messintervallen I 0 und 13 wird dort keine lineare Regression bestimmt.
Es ist denkbar, die Kennwerte der linearen Regression und der Signalanzahl dem System, neben den Methoden der statischen Datenanalyse, mittels Methoden des maschinellen Lernens dynamisch einzulernen (Kl-Ansatz).
Zusätzlich zu den oben genannten Kennwerten können weitere Kennwerte zur Beurteilung der Güte der Schweißnaht 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 berücksichtigt werden. Dabei leitet sich ein Kennwert Fehler F direkt aus der linearen Regression durch die Messintervalle I ab. Dieser Wert bildet die Differenz auf der Ordinate, das heißt die Einschweißtiefe ET, jedes tatsächlich gemessenen Punktes von dessen theoretischem Wert auf der Regressionsgeraden G ab. Dabei werden die Differenzen aller Messpunkte pro Messintervall I aufsummiert und letztlich durch die Anzahl n der Messpunkte in dem Messintervall I geteilt. Dieser Wert Fehler F gibt also den durchschnittlichen Abstand der Messpunkte eines Messintervalls I von der Regressionsgeraden G wieder, jedoch nur in eine Dimension (die Einschweißtiefe ET, Ordinate). Der Kennwert Fehler F muss oberhalb eines gewissen Schwellwertes liegen, damit eine ausreichende Dynamik im Prozess vorliegt und eine Aufschmelzung der zu fügenden Partner stattfindet.
Ein weiterer möglicher Kennwert ist der Kennwert Überschreitungen Ü. Dieser gibt an, wie häufig es zu einer zeitweisen Unterbrechung der OCT-Signale kam. Da das OCT System mit 70kHz Signale aufzeichnen kann, beträgt der zeitliche Unterschied zwischen den Signalen im besten Fall 1/70000 s^-1. Der Kennwert Überschreitung Ü ermittelt die zeitlichen Abstände der einzelnen Signale. Beträgt der zeitliche Abstand zweier benachbarter Punkte mehr als 2/70000 s^-1 wird dies als eine Überschreitung Ü gewertet. Für jedes Messintervall I wird die Summe der Überschreitungen Ü geplottet und ausgewertet. Fällt diese über einen bestimmten Grenzwert, so ist von einem überdynamischen Prozess auszugehen, welcher meist mit einer ungenügenden Nahtgüte einhergeht. Hier ist auch eine Mittelung der Überschreitungen Ü denkbar, also die Anzahl der Überschreitungen Ü geteilt durch die Anzahl n der Signale pro Messintervall I.
Ferner können Intervallfilter erstellt werden, wobei jedes Messintervall I in eine Anzahl (zeitlich gesehen) gleich langer Segmente aufgeteilt wird. Hintergrund hierbei ist, dass ohne eine weitere Unterteilung der Messintervalle I in Segmente lediglich ein Wert für die Perzentilfilter pro Messintervall I ausgewertet wird. Dies kann zu ungenau sein und deswegen werden die Messintervalle I noch einmal in kleinere Messbereiche (Segmente) unterteilt, sodass für jedes Messintervall I mehrere Kennwerte für die Perzentilfilter ausgewertet werden. Für alle anderen Kennwerte (außer den Perzentilfiltern) wird pro Messintervall I nur ein Kennwert ausgegeben und ausgewertet.
Für jedes Segment wird das obere Perzentil P_O und das untere Perzentil P_U bestimmt. Dabei stellt das obere Perzentil P_O einen Rangordnungsbereich zwischen 70 und 100 dar, wobei das untere Perzentil P_U einen Bereich zwischen 0 und 30 darstellt.
9 ist ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe ET über der Zeit t für eine erste Naht N1 und eine zweite Naht N2 bei einem Schweißprozess ausreichender Qualität, sowie mit Kennwerten zu beiden Nähten N1, N2.
Die Kennwerte der oberen Perzentile P_O und unteren Perzentile P_U sollen innerhalb bestimmter Grenzen liegen, ansonsten ist von einem Prozess zu geringer Qualität auszugehen. Die Differenz Δ_P der Perzentile ist die Differenz des oberen Perzentil P_O vom unteren Perzentil P_U . Diese Differenz soll innerhalb eines gewissen Zahlenbereichs liegen. Liegt dieser Kennwert nahe bei 0, so ist von keinem großen Unterschied zwischen oberem Perzentil Po und unterem Perzentil Pu auszugehen, also von einer zu geringen Dynamik des Prozesses. Hier zeigt die Erfahrung, dass solche Prozesse oftmals den „falschen Freund“ darstellen, da es zu einer ungenügenden oder gar nicht vorhandenen Anbindung der Fügepartner kommt. Ist die Differenz Δ_P der Perzentile jedoch zu groß, ist der Prozess zu dynamisch, es können Löcher und Poren in der Schweißnaht 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 entstehen.
In 9 ist erkennbar, dass die Kennwerte überwiegend innerhalb der dort als zur Abszisse parallele Linien gezeigten Grenzen liegen und daher von einem Schweißprozess ausreichender Qualität ausgegangen werden kann.
10 ist ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe ET über der Zeit t für eine erste Naht N1 und eine zweite Naht N2 bei einem Schweißprozess mit stellenweise fehlender Anbindung in den Messintervallen I 3 bis 7 der ersten Naht N1 und in den Messintervallen I 4 bis 6 der zweiten Naht N2, sowie mit Kennwerten zu beiden Nähten N1, N2. Es ist erkennbar, dass insbesondere die Kennwerte Ordinatenabschnitt b, Fehler F, obere Perzentile P_O und Differenz Δ_P der Perzentile außerhalb der dort gezeigten Grenzen liegen und daher von einem Schweißprozess unzureichender Qualität ausgegangen werden muss.
11 ist ein schematisches Diagramm mit der Einschweißtiefe ET über der Zeit t für eine erste Naht N1 bei einem Schweißprozess mit Poren in einer Nahtoberraupe und für eine zweite Naht N2, sowie mit Kennwerten zu beiden Nähten N1, N2. Es ist erkennbar, dass insbesondere die Kennwerte Ordinatenabschnitt b, obere Perzentile P_O und Differenz Δ_P der Perzentile außerhalb der dort gezeigten Grenzen liegen und daher von einem Schweißprozess unzureichender Qualität ausgegangen werden muss.
Somit ergibt sich eine zuverlässigere Aussage über Schweißungen hoher Qualität und Schweißungen zu geringer Qualität im Vergleich zur reinen Auswertung der Einschweißtiefe ET. Im Falle von Schweißungen hoher Qualität sind Aussagen über die Fehlerursache möglich. Diese Informationen können genutzt werden, um zielgerichtete Anpassungen am Produkt vorzunehmen, beispielsweise zusätzliche Reinigungsverfahren bei einem erhöhten Verschmutzungsgrad.
Die in der vorliegenden Erfindung beschriebene Regressionsgerade G dient dazu, eine Aussage über die Dynamik des Prozesses zu liefern.
Die Regressionsgerade G liefert die beschriebenen Kennwerte. Bei einer Verschweißung hoher Qualität liegen diese Kennwerte (Steigung a, Bestimmtheitsmaß R², Ordinatenabschnitt b usw.) in einem bestimmten numerischen Bereich. Liegt ein Kennwert außerhalb dieses Bereichs, ist von einer Abweichung vom Soll-Prozess und dementsprechend von einer Verschweißung zu geringer Qualität auszugehen. Dementsprechend muss das entsprechende Werkstück aussortiert und nachgearbeitet oder verschrottet werden.
Bei der vorliegenden Erfindung können mittels scannender Bewegung die Positionen des Messlaser- und des Bearbeitungslaserstrahls zueinander flexibel variiert werden (in einem technisch sinnvollen Bereich), wohingegen das Werkstück ortsfest dazu bleibt. Es ist nur ein (sich scannend bewegender) Messlaserstrahl vorgesehen.
Bei der vorliegenden Erfindung wird nicht nur die Einschweißtiefe ET gemessen, sondern die Messwerte werden auf Charakteristika („Kennwerte“) hin analysiert. Unter „Dynamik“ wird bei der vorliegenden Erfindung die Streuung der Messwerte in einem Messintervall I verstanden.

Die folgende Tabelle zeigt Kennwert-Bereiche für eine ausreichende Qualität von Schweißnähten beim Verbinden zweier verschiedener Material-Kombinationen (Cu-Al, Cu-Cu):

	Kennwert	Bereich grob		Bereich fein
	Kennwert	von	bis	Von	bis
Cu 0,25 mm - Al 0,4 mm	Steigung a	-0,2	0,2	-0,1	0,1
	Ordinatenabschnitt b	-0,8	-0,1	-0,6	-0,2
	Bestimmtheitsmaß R²	0	0,9	0	0,85
	Fehler F	größer als 0,1		größer als 0,05
	Überschreitungen Ü	mehr als 70		mehr als 40
	Anzahl n der Messpunkte	100	300	160	300
	Perzentil unten	-1	-0,1	-0,8	-0,3
	Perzentil oben	-0,8	-0,05	-0,5	-0,1
	Perzentil delta	-0,4	-0,1	-0,2	-0,08
Cu 0,1 mm - Cu 0,25 mm	Steigung a	-0,2	0,2	-0,1	0,1
	Ordinatenabschnitt b	-0,6	-0,2	-0,3	-0,05
	Bestimmtheitsmaß R²	0	0,9	0	0,85
	Fehler F	größer als 0,1		größer als 0,05
	Überschreitungen Ü	mehr als 70		mehr als 40
	Anzahl n der Messpunkte	160	300	160	300
	Perzentil unten	-0,5	-0,2	-0,3	-0,05
	Perzentil oben	-0,3	-0,1	-0,2	-0,02
	Perzentil delta	-0,4	-0,1	-0,2	-0,08

6 zeigt schematisch ein Verschaltungsprinzip von parallel geschalteten Batteriezellen 20, beispielsweise Pouch-Zellen. Jede Batteriezelle 20 weist eine Anode 21 und eine Kathode 22 auf. Die Anode 21 kann als ein Aluminiumableiter ausgebildet sein. Es kommen auch andere Materialkombinationen in Frage. Die Kathode 22 kann als ein Kupferableiter ausgebildet sein. Jeweils zwei Batteriezellen 20 sind einander parallel geschaltet und bilden ein Zellenpaar. Mehrere Zellenpaare, beispielsweise vier Zellenpaare, sind zueinander in Reihe geschaltet. Zur Verschaltung der Batteriezellen 20 dienen Zellenverbinder 23.
7 zeigt eine schematische Queransicht eines Zellenverbinders 23, wobei zwei Anoden 21 eines Batteriepaares durch eine Schweißnaht 24.1 miteinander verbunden sind, wobei ferner zwei Katoden 22 eines benachbarten Batteriepaares durch eine weitere Schweißnaht 24.2 miteinander verbunden sind, wobei der Zellverbinder 23 durch jeweils eine weitere Schweißnaht 24.3, 24.4 mit den Anoden 21 des einen Batteriepaares und mit den Kathoden 22 des anderen Batteriepaares verbunden ist. 8 zeigt eine schematische Draufsicht auf den Zellenverbinder 23.
Für die Verschaltung von Batteriezellen zu einem Batterieblock ist eine Vielzahl von Schweißnähten 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 nötig. Die Gesamtlänge der Schweißnähte 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 pro Batterieblock liegt teils bei über 15 Metern. Wird ein Batterieblock mit einer fehlerhaften Schweißnaht 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 an einen Kunden ausgeliefert, droht im schlimmsten Fall ein Ausfall der Komponente. Deswegen wird eine Prüfung aller Schweißnähte 24.1, 24.2, 24.3, 24.4 eines Batterieblocks mit einem geeigneten Qualitätssicherungssystem (QS-System) gefordert. Das wichtigste Qualitätskriterium ist dabei die Anbindung der beiden Fügepartner. Die Herausforderung der Prozessüberwachung liegt hierbei in den hohen Vorschubgeschwindigkeiten und den geringen Materialdicken der zu fügenden Partner (auch in Mischverbindung). Daraus lässt sich der Bedarf nach einem zuverlässigen und störgrößenunanfälligem QS-System ableiten. Im Mittelpunkt stehen dabei solche QS-Systeme, die online, also in Echtzeit, den Prozess überwachen und anschließend eine Quantifizierung der Güte des Prozesses vornehmen. Bekannte Verfahren (Aufnahme Prozessleuchten & Laserrückreflexe) bringen einige Herausforderungen mit sich (hoher Personalaufwand zum Einrichten des Systems nötig, Prozessstabilität fraglich).
Wünschenswert ist eine Abstandsmessung zwischen Optik und Bauteil 6 direkt im Schweißbereich (bisher musste der Arbeitsabstand separat, außerhalb des Schweißbereichs ermittelt werden (fehleranfällig, zusätzlich Taktzeit)). Eine Positionsbestimmung ist ebenfalls wünschenswert.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene OCT-System ermöglicht durch eine Abtastrate von beispielsweise 70 kHz die Ermittlung der Einschweißtiefe ET während des Laserschweißens und ist somit ein absolut messendes System. Daraus leitet sich ab, dass der Einrichtaufwand des Systems deutlich geringer als bei den derzeit verfügbaren QS-Systemen ist. Weiter ist davon auszugehen, dass die Messergebnisse zuverlässiger und weniger störanfällig als bei bekannten Systemen sind.
Durch die hohen Vorschubgeschwindigkeiten beim Laserschweißen von Aluminium und Kupfer, den Hauptmaterialien zur elektrischen Verschaltung der Batterie, stellt sich eine stabile geöffnete Schweißkapillare ein. Durch diese stabil geöffnete Schweißkapillare lässt sich durch das OCT der Grund der Kapillare, welcher mit der Einschweißtiefe ET gleichzusetzen ist, dauerhaft abtasten. Somit ist das System besonders geeignet für die Messung der Einschweißtiefe ET beim Kontaktieren der Batterien. Die Abtastraten des OCT können weiter gesteigert werden. Dadurch sind noch mehr Informationen über den Schweißprozess ermittelbar.
Auf diese Weise kann die Bewertung der Schweißnahtgüte mit geringem Aufwand durchgeführt werden. Ferner ist eine zuverlässigere, weniger störungsanfällige Aussage bezüglich der Schweißqualität möglich.
Durch die kontinuierliche Messung der Einschweißtiefe ET mit einem absolut messenden, nicht störgrößenanfälligen System können Erkenntnisse über Trends des Laser-Werkzeugs, beispielsweise Schutzglasverschmutzung, als auch Abweichungen der zu fügenden Materialen entdeckt werden. Dadurch können weitere Einsparungen erzielt werden, beispielsweise durch kontinuierliche stichprobenhafte Materialprüfung.
Bezugszeichenliste

1: Laser-Schweißvorrichtung
2: Bearbeitungslaser
3: Schweißoptik
4: Spiegel
5: Kollimator
6: Bauteil
7: Sammellinse
11: OCT-Sensor
12: OCT-Scanner
20: Batteriezelle
21: Anode
22: Kathode
23: Zellenverbinder
24.1: Schweißnaht
24.2: Schweißnaht
24.3: Schweißnaht
24.4: Schweißnaht
a: Steigung
b: Ordinatenabschnitt
Δ_P: Differenz der Perzentile
ET: Einschweißtiefe
F: Fehler
G: Regressionsgerade
I: Messintervall
L: Laserstrahl
n: Anzahl Messpunkte
N1: erste Naht

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013015656 B4 [0003]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie, wobei ein Bearbeitungslaser (2) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren eines Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6) bereitgestellt werden, wobei Licht von einem OCT-Sensor (11) zur optischen Kohärenz-Tomografie durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt wird, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe des OCT-Sensors (11) eine Einschweißtiefe (ET) ermittelt wird, wobei zur Signalauswertung eine Regressionsanalyse angewandt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht aus dem OCT-Sensor (11) mittels eines OCT-Scanners (12) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt und auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wodurch sich eine Anzahl von Messintervallen (I) mit Einschweißtiefen (ET) ergibt, wobei zur Signalauswertung in jedes Messintervall (I) mit einer ausreichenden Anzahl (n) an Messpunkten eine Regressionsgerade (G) eingepasst wird, von der als Kennwerte eine Steigung (a) und ein Ordinatenabschnitt (b) ermittelt wird, wobei aus der Regressionsgeraden (G) ferner als Kennwert ein Bestimmtheitsmaß (R²) ermittelt wird, welches angibt, wie groß die Varianz der Punkte von der Regressionsgeraden (G) ist, wobei dann, wenn die Kennwerte innerhalb jeweiliger bestimmter Bereiche liegen, auf eine ausreichende Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird, während dann, wenn Kennwerte außerhalb der jeweiligen bestimmten Bereiche liegen, auf eine mangelnde Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kennwert ferner ein Fehler (F) aus einer Summe der Differenzen der Einschweißtiefe (ET) jedes gemessenen Punktes von dessen theoretischem Wert auf der Regressionsgeraden (G) geteilt durch die Anzahl (n) der Messpunkte in dem Messintervall (I) ermittelt wird, wobei dann, wenn der Fehler (F) oberhalb eines bestimmten Schwellwertes liegt, auf eine ausreichende Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird, während dann, wenn der Fehler (F) unterhalb des bestimmten Schwellwertes liegt, auf eine mangelnde Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der OCT-Sensor (11) Signale mit einer Abtastrate von mindestens 70 kHz aufzeichnet, wobei als Kennwert ferner für jedes Messintervall (I) eine Summe von Überschreitungen (Ü) ermittelt wird, wobei als Überschreitung (Ü) gewertet wird, wenn ein zeitlicher Abstand zweier benachbarter Punkte mehr als 2/70000 s^-1 beträgt, wobei dann, wenn die Überschreitungen (Ü) unterhalb eines bestimmten Schwellwertes liegen, auf eine ausreichende Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird, während dann, wenn die Überschreitungen (Ü) oberhalb des bestimmten Schwellwertes liegen, auf eine mangelnde Qualität der Schweißnaht (24.1, 24.2, 24.3, 24.4) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erstellung von Intervallfiltern jedes Messintervall (I) in eine Anzahl gleich großer Segmente aufgeteilt wird, wobei als Kennwerte für jedes Segment ein oberes und ein unteres Perzentil bestimmt wird, wobei das obere Perzentil einen Bereich zwischen 70 und 100 darstellt, wobei das untere Perzentil einen Bereich zwischen 0 und 30 darstellt, wobei als Kennwert ferner eine Differenz des oberen vom unteren Perzentils bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Verfahrens Batteriezellen (20) miteinander kontaktiert und dabei entstehende Schweißnähte (24.1 bis 24.4) überwacht werden.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine als ein Aluminiumableiter ausgebildete Anode (21) einer Batteriezelle (20) über einen Zellenverbinder (23) mit einer als ein Kupferableiter ausgebildeten Kathode (22) einer weiteren Batteriezelle (20) verschweißt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Batteriezellen (20) durch Verschweißen ihrer Anoden (21) miteinander und ihrer Kathoden (22) miteinander zur Bildung eines Zellenpaars parallel geschaltet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bauteile (6), bei deren Schweißnähte auf ausreichende Qualität geschlossen wurde, automatisch einem nachfolgenden Herstellungsprozess von Li-lon-Batterien zugeführt werden, während die Bauteile (6) anderenfalls automatisch verworfen und mittels eines geeigneten Selektor-Geräts aussortiert werden.