DE102020002829A1

DE102020002829A1 - Verfahren zur Überwachung und Korrektur eines Laserschweißvorgangs

Info

Publication number: DE102020002829A1
Application number: DE102020002829.2A
Authority: DE
Inventors: Marius Schwarz; Andreas Leitz
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Korrektur eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenztomografie, wobei ein Bearbeitungslaser und eine Schweißoptik zum Fokussieren eines Laserstrahls in einer Hochrichtung auf einem zu schweißenden Bauteil bereitgestellt werden, wobei ein OCT-Scanner Licht eines OCT-Sensors durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils lenkt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert wird, wobei die Position des OCT-Scanners gegenüber der Schweißoptik fix und koaxial ist, wobei das Bauteil mittels eines Niederhalters fixiert wird, und dieser eine Nut aufweist, durch die das Bauteil vom Laserstrahl erreichbar ist, wobei der OCT-Scanner ferner Licht vom OCT-Sensor durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Niederhalters lenkt und dabei eine Scanlinie in einer Querrichtung über das Bauteil hinweg abfährt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert wird, wobei in einem Messsignal des OCT-Sensors eine Reflexion des Bauteils und Reflexionen von an die Nut angrenzenden Rändern des Niederhalters erkannt werden, wobei bei gleicher Länge der Reflexionen oder gleichen Abständen der Ränder zu einer neutralen Achse der Schweißoptik erkannt wird, dass der Laserstrahl mittig in der Nut liegt, wobei bei ungleicher Länge der Reflexionen oder ungleichen Abständen die Schweißoptik so verfahren wird, dass die Länge der Reflexionen gleich wird oder die Abstände gleich werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und Korrektur eines Laserschweißvorgangs gemäß Anspruch 1.
Beim Laserschweißen kann ein Spalt zwischen den zu fügenden Partnern für negative Einflüsse auf die Schweißnahtqualität sorgen. Im schlimmsten Fall herrscht zwischen den zu fügenden Partnern keine Anbindung mehr. Um einen Spalt zwischen Fügepartnern zu verhindern, werden in der Praxis Niederhalter eingesetzt, die die zu fügenden Bauteile miteinander verspannen, sodass möglichst kein Spalt zwischen den Fügepartnern besteht. Eine Nut im Niederhalter ermöglicht das spaltfreie Schweißen der Fügepartner in diesem Bereich. Dabei ist auf eine mittige Positionierung in Längs- und Querrichtung der Schweißnaht in der Nut zu achten, denn nur dort erhält man das beste Schweißergebnis. Eine Schweißposition zu nah an den Rändern des Niederhalters angrenzend an die Nut kann zu einer Abschattung des Laserstrahls und damit zu einer Schwächung der Intensität des Laserstrahls auf den Fügepartnern führen. Dies würde zu einer ungenügenden Schweißnahtgüte führen. Außerdem sollte der Schweißvorgang möglichst in einem definierten Arbeitsabstand der Schweißoptik des Lasers durchgeführt werden, damit die maximale Intensität auf dem Bauteil realisiert werden kann.
Bisher musste der Arbeitsabstand separat, außerhalb des Schweißbereichs ermittelt werden. Dies ist fehleranfällig und erfordert zusätzliche Taktzeit. Die Positionierung in Längs- und Querrichtung kann durch Bildverarbeitung und Erkennung gewisser geometrischer Merkmale erfolgen. Diese Positionierung ermöglicht jedoch eine langsame, fehleranfällige und minder genaue Positionierung. So ist man hierbei immer an die äußeren Lichtbedingungen gebunden.
Optische Kohärenz-Tomografie (OCT) im Kontext des Laserschweißens ist bekannt. Dabei wird während des Schweißprozesses die Schweiß-Eindringtiefe mittels OCT 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 und Korrektur eines Laserschweißvorgangs anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Überwachung und Korrektur eines Laserschweißvorgangs gemäß Anspruch 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung und Korrektur 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 ein OCT-Sensor und ein OCT-Scanner zur optischen Kohärenz-Tomografie bereitgestellt werden, wobei der OCT-Scanner Licht vom OCT-Sensor durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils lenkt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert wird, wobei die Position des OCT-Scanners gegenüber der Schweißoptik fix und koaxial ist. Erfindungsgemäß wird das Bauteil mittels eines Niederhalters an einer Unterlage fixiert, wobei der Niederhalter eine Nut aufweist, durch die das Bauteil vom Laserstrahl erreichbar ist, wobei der OCT-Scanner ferner Licht vom OCT-Sensor durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Niederhalters lenkt und dabei eine Scanlinie in einer Querrichtung über das Bauteil hinweg abfährt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor zurück reflektiert wird, wobei in einem Messsignal des OCT-Sensors eine Reflexion des Bauteils und Reflexionen von an die Nut angrenzenden Rändern des Niederhalters erkannt werden, wobei bei gleicher Länge der Reflexionen oder gleichen Abständen der an die Nut angrenzenden Ränder des Niederhalters zu einer neutralen Achse der Schweißoptik erkannt wird, dass der Laserstrahl mittig in der Nut liegt, wobei bei ungleicher Länge der Reflexionen oder ungleichen Abständen die Schweißoptik gegenüber dem Bauteil so in Querrichtung verfahren wird, dass die Länge der Reflexionen gleich wird oder die Abstände gleich werden.
Das Anfahren der Schweißposition mit einem Abstandsmesser, beispielsweise einem Triangulationssensor, ist bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht erforderlich. Entsprechende Taktzeitverlängerung entfallen. Die Positionsbestimmung in Längs- und Querrichtung erfolgt durch das Abscannen jeweils einer Scanlinie mit dem OCT-Scanner und der Bestimmung der Niederhalterflanken.
Eine Abstandsmessung mittels OCT zwischen Optik und Bauteil ist direkt im Schweißbereich möglich, kurz vor dem Schweißvorgang oder sogar währenddessen. Die Schweißposition wird koaxial ermittelt. Die Schweißoptik wird dafür lediglich über die Nut des Niederhalters positioniert und durch das Abscannen einer Scanlinie wird die Position der Nut relativ zur Schweißoptik ermittelt. Es resultiert eine Positionierung in Längs-, Quer- und Hochrichtung, die durch die koaxiale Messung eine erhebliche Taktzeitreduzierung mit sich bringt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer Laser-Schweißvorrichtung, wobei ein Laserstrahl mittig in einer Nut eines Niederhalters positioniert ist,
2 eine schematische Ansicht der Laser-Schweißvorrichtung, wobei der Laserstrahl nichtmittig zur Nut des Niederhalters positioniert ist,
3 eine schematische Ansicht des Niederhalters und ein Signal einer optischen Kohärenz-Tomografie beim Scannen der Nut des Niederhalters in einer Querrichtung, und
4 eine schematische Ansicht des Niederhalters und ein Signal einer optischen Kohärenz-Tomografie für eine Nachregelung des Lasers der Laser-Schweißvorrichtung in einer Hochrichtung.

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. Das Bauteil 6 wird von einem Niederhalter 8 an einer Unterlage 9 fixiert. Der Niederhalter 8 weist eine Nut 10 auf, durch die der Laserstrahl L das Bauteil 6 erreichen kann. Der Laserstrahl L ist mittig in der Nut 10 des Niederhalters 8 positioniert. 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 Niederhalters 8 und 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 12 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. Ein infolge Reflexion vom Niederhalter 8 und vom Bauteil 6 empfangenes Messsignal M des OCT-Sensors 11 ist ebenfalls dargestellt, wobei eine Reflexion 6' des Bauteils 6 und Reflexionen 8.1' und 8.2' von an die Nut 10 angrenzenden Rändern des Niederhalters 8 erkennbar sind. Die gleiche Länge der Reflexionen 8.1' und 8.2' zeigt an, dass der Laserstrahl L mittig in der Nut 10 liegt. Zusätzlich können noch Abstände a, b der an die Nut 10 angrenzenden Ränder des Niederhalters 8 zu einer neutralen Achse A der Schweißoptik 3 ausgewertet werden und anhand des Vergleichs der beiden Abstände a, b die Mitte der Nut 10 gefunden werden.
2 ist eine schematische Ansicht der Laser-Schweißvorrichtung 1, wobei der Laserstrahl L nichtmittig zur Nut 10 des Niederhalters 8 positioniert ist. Der Laserstrahl L ist außermittig zur Nut 10 des Niederhalters 8 positioniert, so dass ein Teil des Laserstrahls L durch die Ränder des Niederhalters 8 neben der Nut 10 abgeschattet wird, so dass der Laserstrahl L das Bauteil 6 mit entsprechend geringerer Intensität erreicht..
Ein infolge Reflexion vom Niederhalter 8 und vom Bauteil 6 empfangenes Messsignal M des OCT-Sensors 11 zeigt eine Reflexion 6' des Bauteils 6 und Reflexionen 8.1' und 8.2' von an die Nut 10 angrenzenden Rändern des Niederhalters 8. Die unterschiedliche Länge der Reflexionen 8.1' und 8.2' zeigt an, dass der Laserstrahl L außermittig zur Nut 10 liegt. Zusätzlich werden die Abstände a, b der an die Nut 10 angrenzenden Ränder des Niederhalters 8 zur neutralen Achse A der Schweißoptik 3 ausgewertet und anhand des Vergleichs der beiden Abstände a, b wird die Mitte der Nut 10 gefunden, um festzustellen, wie weit außermittig der Laserstrahl L liegt.
3 zeigt eine schematische Ansicht des Niederhalters 8 und ein Messsignal M des OCT-Sensors 11 beim Scannen der Nut 10 des Niederhalters 8 in einer Querrichtung y. Zur Positionsbestimmung in der Querrichtung y wird eine in der Querrichtung y liegende Scanlinie 13 mit dem OCT-Scanner 12 abgefahren. Die Position des Laserstrahls L kann durch Verfahren der Schweißoptik 3 gegenüber dem Bauteil 6 in der Querrichtung y so korrigiert werden, dass die Länge der Reflexionen 8.1' und 8.2' gleich ist, so dass der Laserstrahl L mittig in der Nut 10 liegt und keine Abschattung erfolgt. Eine Positionsbestimmung in einer Längsrichtung x der Nut 10 kann ebenfalls durch Abfahren einer Scanlinie 13 erfolgen (nicht dargestellt).
4 zeigt eine schematische Ansicht des Niederhalters 8 und ein Messsignal M des OCT-Sensors 11 beim Scannen der Nut 10 des Niederhalters 8 für eine Nachregelung des Bearbeitungslasers 2 der Laser-Schweißvorrichtung 1 in einer Hochrichtung z. Da die optische Kohärenz-Tomografie auch eine Ermittlung des Abstands eines reflektierenden Objekts vom OCT-Scanner 12 erlaubt, kann auch eine Messung und Nachregelung in Hochrichtung z erfolgen. Dargestellt ist eine Fokuslage LF des Laserstrahls L, für die in der Hochrichtung z eine Referenz mit z=0 definiert werden kann. Ferner ist eine Lage des Bauteils 6 in Hochrichtung z durch die entsprechende Reflexion 6' dargestellt. Die Schweißoptik 3 kann in Hochrichtung z gegenüber der Bauteil 6 so eingestellt oder geregelt werden, dass sich ein gewünschter Abstand Δz in Hochrichtung z zwischen dem Bauteil 6 und der Fokuslage FL des Laserstrahls L ergibt.
Bezugszeichenliste

1: Laser-Schweißvorrichtung
2: Bearbeitungslaser
3: Schweißoptik
4: halbdurchlässiger Spiegel
5: Kollimator
6: Bauteil
6': Reflexion
7: Sammellinse
8: Niederhalter
8.1': Reflexion
8.2': Reflexion
9: Unterlage
10: Nut
11: OCT-Sensor
12: OCT-Scanner
13: Scanlinie
A: neutrale Achse
a, b: Abstand
LF: Fokuslage
L: Laserstrahl
M: Messsignal
x: Längsrichtung
y: Querrichtung
z: Hochrichtung
Δz: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013015656 B4 [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung und Korrektur 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 ein OCT-Sensor (11) und ein OCT-Scanner (12) zur optischen Kohärenz-Tomografie bereitgestellt werden, wobei der OCT-Scanner (12) Licht vom OCT-Sensor (11) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) lenkt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei die Position des OCT-Scanners (12) gegenüber der Schweißoptik (3) fix und koaxial ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (6) mittels eines Niederhalters (8) an einer Unterlage (9) fixiert wird, wobei der Niederhalter (8) eine Nut (10) aufweist, durch die das Bauteil (6) vom Laserstrahl (L) erreichbar ist, wobei der OCT-Scanner (12) ferner Licht vom OCT-Sensor (11) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Niederhalters (8) lenkt und dabei eine Scanlinie (13) in einer Querrichtung (y) über das Bauteil (6) hinweg abfährt, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei in einem Messsignal (M) des OCT-Sensors (11) eine Reflexion (6') des Bauteils (6) und Reflexionen (8.1', 8.2') von an die Nut (10) angrenzenden Rändern des Niederhalters (8) erkannt werden, wobei bei gleicher Länge der Reflexionen (8.1', 8.2') oder gleichen Abständen (a, b) der an die Nut (10) angrenzenden Ränder des Niederhalters (8) zu einer neutralen Achse (A) der Schweißoptik (3) erkannt wird, dass der Laserstrahl (L) mittig in der Nut (10) liegt, wobei bei ungleicher Länge der Reflexionen (8.1', 8.2') oder ungleichen Abständen (a, b) die Schweißoptik (3) gegenüber dem Bauteil (6) so in Querrichtung (y) verfahren wird, dass die Länge der Reflexionen (8.1', 8.2') gleich wird oder die Abstände (a, b) gleich werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsbestimmung in einer Längsrichtung (x) der Nut (10) ebenfalls durch Abfahren einer Scanlinie (13) und Erkennung von Rändern des Niederhalters (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Positionsbestimmung in einer Hochrichtung (z) gegenüber dem Bauteil (6) erfolgt, wobei die Schweißoptik (3) in Hochrichtung (z) gegenüber dem Bauteil (6) so eingestellt oder geregelt wird, dass sich ein gewünschter Abstand (Δz) zwischen dem Bauteil (6) und einer bekannten Fokuslage (FL) des Laserstrahls (L) ergibt.
Laser-Schweißvorrichtung (1), umfassend einen Bearbeitungslaser (2) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren eines Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6), wobei ein OCT-Sensor (11) und ein OCT-Scanner (12) zur optischen Kohärenz-Tomografie vorgesehen sind, wobei der OCT-Scanner (12) ausgebildet ist, Licht vom OCT-Sensor (11) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) zu lenken, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei die Position des OCT-Scanners (12) gegenüber der Schweißoptik (3) fix und koaxial ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Niederhalter (8) zum Fixieren des Bauteils (6) an einer Unterlage (9) vorgesehen ist, wobei der Niederhalter (8) eine Nut (10) aufweist, durch die das Bauteil (6) vom Laserstrahl (L) erreichbar ist, wobei der OCT-Scanner (12) ferner ausgebildet ist, Licht vom OCT-Sensor (11) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Niederhalters (8) zu lenken, von wo das Licht auf gleichem Wege in den OCT-Sensor (11) zurück reflektiert wird, wobei eine elektronische Verarbeitungseinheit ausgebildet ist, das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 auszuführen.