DE102020104462A1

DE102020104462A1 - Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken

Info

Publication number: DE102020104462A1
Application number: DE102020104462.3A
Authority: DE
Inventors: Jens Reiser; Lutz König; Erich Sauer; Matthias Strebel; Thorsten Lorenz; Jonas Nolte; Alexis Donke; Sascha Grau; Rüdiger Moser; Quang Wei Duong; Stefan Birmanns
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2021-08-26
Also published as: EP4106945A1; KR20220137125A; JP2023514403A; WO2021165380A1; US20230073549A1; CN115335183A

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken, das Verfahren umfassend: Erfassen eines ersten Messsignals für eine beim Laserschweißen erzeugte Prozessstrahlung; Erfassen eines zweiten Messsignals für eine von den Werkstücken reflektierte Laserstrahlung; Bestimmen basierend auf dem ersten Messsignal, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt; und wenn bestimmt wird, dass ein Spalt vorliegt, Bestimmen basierend auf dem zweiten Messsignal, ob eine Schweißverbindung besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere während des Laserschweißvorgangs.
Hintergrund und Stand der Technik
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert oder gebündelt. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen. Insbesondere beim Laserschweißen eines Werkstücks ist es wichtig, den Schweißprozess kontinuierlich zu überwachen, um die Qualität der Bearbeitung zu sichern. Dies schließt die Erkennung von Bearbeitungsfehlern ein.
Die Überwachung eines Bearbeitungsprozesses erfolgt typischerweise durch Erfassung und Analyse verschiedener Parameter einer Prozessstrahlung, auch Prozessstrahl, Prozesslicht oder Prozessemission genannt. Dazu zählen beispielsweise von Werkstückoberflächen durch die Bearbeitung entstehende Plasmastrahlung, Prozessemissionen im infraroten Bereich des Lichts, wie Temperaturstrahlung, oder Prozessemissionen im sichtbaren Bereich des Lichts. Anschließend erfolgt eine Beurteilung, bei der die entsprechenden Messsignale dahingehend überprüft werden, ob gewisse Bedingungen erfüllt sind. Wenn ein oder mehrere Messsignale während der Bearbeitung zuvor festgelegte Bedingungen erfüllen, wird ein Fehlersignal ausgegeben. Dementsprechend kann ein bearbeitetes Werkstück als „gut“ oder „Gutteil“ (d.h. geeignet für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf) oder als „schlecht“ oder „Schlechtteil“ (d.h. als Ausschuss) gekennzeichnet werden. Die kontinuierliche Überwachung eines Bearbeitungsprozesses erfolgt typischerweise in Echtzeit während der Durchführung des Bearbeitungsprozesses, und wird daher auch als Online-Prozessüberwachung oder In-Line-Prozessüberwachung bezeichnet.
Die Anmeldung DE 10 2019 122 047 beschreibt ein Sensormodul zur Überwachung von Laserschweißprozessen, welches mehrere Detektoren oder Sensoren aufweist, die verschiedene Parameter der Prozessstrahlung detektieren und als Messsignal ausgeben.
Im Bereich der Elektromobilität spielen Batterien eine zentrale Rolle. Einzelne Batteriezellen, auch „Akkuzellen“ genannt, werden dabei miteinander verbunden, d.h. kontaktiert. Ein Verbund aus mehreren Batteriezellen wird als „Batteriemodul“ bezeichnet. Das Verbinden erfolgt dabei zumeist durch Laserschweißen. Dabei werden die Ableiter der Batteriezellen durch Laserschweißen, typischerweise im Überlappstoß, miteinander verbunden. Die Schweißnähte haben beispielsweise eine sogenannte „I-Naht“-Geometrie. Werkstoffe sind für gewöhnlich Aluminium und Kupfer. Typische Verbindungen bzw. Materialkombinationen sind Kuper-Kupfer, Aluminium-Aluminium und Kupfer-Aluminium. Beim Verbinden von Batteriezellen zu Batteriemodulen und somit für einen erfolgreichen Modulbau ist es essentiell, dass zwischen den verbundenen Werkstücken ein elektrischer Kontakt besteht, d.h. dass zwischen den verbundenen Werkstücken bzw. über die Schweißnaht Strom fließen kann. Nur in diesem Fall ist die Kontaktierung erfolgreich.
Beim Laserschweißen, insbesondere im Überlappstoß mit I-Nähten, können typische Fehlerbilder auftreten. Dazu zählt ein Spalt zwischen den Werkstücken. Dieser Fehler kann toleriert werden, wenn eine Schweißverbindung vorliegt, d.h. der Spalt durch aufgeschmolzenes Material der Werkstücke überbrückt ist, d.h. wenn trotz des vorhandenen Spalts noch ein elektrischer Kontakt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken besteht. Dies wird auch als „Schweißung mit Spaltüberbrückung“ bzw. „Spalt mit (elektrischem) Kontakt“ bezeichnet. Ein weiteres typisches Fehlerbild wird als „false friend“ oder „falscher Freund“ bezeichnet. Dabei ist ein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorhanden, wobei der Spalt nicht überbrückt ist und somit kein (elektrischer) Kontakt zwischen den Werkstücken besteht. Dies wird auch als „Schweißung ohne Spaltüberbrückung“ oder „Spalt ohne (elektrischem) Kontakt“ bezeichnet.
Bei einer Draufsicht, insbesondere bei einer Inspektion nach Durchführung des Laserschweißens, ist rein visuell nicht zu unterscheiden, ob eine ordnungsgemäße Schweißung, d.h. eine Schweißverbindung ohne Spalt, auch als „Gutschweißung“ oder als „Schweißung mit Nullspalt“ bezeichnet, vorliegt, oder ob eine Schweißung mit Spalt aber mit Spaltüberbrückung, d.h. eine Schweißverbindung mit Spalt, oder eine Schweißung mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung vorliegt. Aktuell besteht keine Möglichkeit, einen falschen Freund während des Schweißprozesses zu erkennen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Laserschweißen eine Schweißverbindung zwischen Werkstücken einfach und schnell zu analysieren bzw. zu beurteilen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, beim Laserschweißen, eine einfache und schnelle Unterscheidung zwischen einer Schweißung ohne Spalt und einer Schweißung mit Spalt zu ermöglichen.
Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einer Schweißung mit einem zwischen den Werkstücken vorhandenen Spalt zu erkennen, ob ein Spalt mit Spaltüberbrückung, d.h. mit elektrischem Kontakt zwischen den Werkstücken, oder ein Spalt ohne Anbindung, d.h. ohne elektrischen Kontakt zwischen den Werkstücken, vorliegt.
Es ist weiter eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Analyse bzw. die Unterscheidung in Echtzeit, insbesondere während des Laserschweißvorgangs der Schweißverbindung, zu ermöglichen.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, basierend auf beim Laserschweißen von Schweißverbindungen entstandener Prozessstrahlung und rückreflektierter Laserstrahlung Messsignale, insbesondere während des Laserschweißvorgangs, zu erfassen und geeignet auszuwerten, um dadurch Schweißungen bzw. Schweißverbindungen zu analysieren bzw. zu unterscheiden. Die Messsignale können durch Sensoren, insbesondere durch Photodioden, erfasst werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Analysieren bzw. Beurteilen einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken angegeben wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen eines ersten Messsignals einer beim Laserschweißen erzeugten Prozessstrahlung; Erfassen eines zweiten Messsignals einer von den Werkstücken reflektierten Laserstrahlung; Bestimmen basierend auf dem ersten Messsignal, ob ein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegt; und wenn bestimmt wird, dass ein Spalt vorliegt, Bestimmen basierend auf dem zweiten Messsignal, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es demnach möglich, zu erkennen, ob ein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegt. Ferner wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht, zu erkennen, ob eine Schweißverbindung besteht. Die Schweißverbindung kann eine elektrische und/oder mechanische (d.h. physikalische) Schweißverbindung bezeichnen, d.h. es besteht ein elektrischer bzw. mechanischer Kontakt zwischen den Werkstücken. Eine Schweißverbindung liegt vor, wenn kein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorhanden ist (sogenannter Nullspalt), oder wenn ein Spalt vorhanden ist, dieser aber überbrückt wird (Spalt mit Spaltüberbrückung). Es besteht keine Schweißverbindung, wenn ein Spalt nicht überbrückt wird. Demnach kann das Verfahren zum Analysieren einer geschweißten elektrischen Verbindung, insbesondere zum Erkennen eines fehlenden elektrischen Kontakts zwischen verbundenen Werkstücken, z.B. bei der Kontaktierung von Batteriezellen zu Batteriemodulen, verwendet werden. Somit kann erfindungsgemäß eine Unterscheidung von Gutschweißungen bzw. Schweißungen ohne Spalt von Schweißungen mit Spalt und eine Unterscheidung der Schweißungen mit Spalt in solche mit Spaltüberbrückung und in solche ohne Spaltüberbrückung erfolgen.
Ferner ist es möglich, die Schweißung zu klassifizieren in: (i) eine ordnungsgemäße Schweißverbindung, d.h. eine Schweißverbindung ohne Spalt, auch als „Gutschweißung“ oder als „Schweißung mit Nullspalt“ bezeichnet, (ii) eine Schweißung mit Spalt und mit Spaltüberbrückung, sodass ein (elektrischer bzw. mechanischer) Kontakt zwischen den verbundenen Werkstücken besteht, und (iii) eine Schweißung mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung, sodass kein (elektrischer bzw. mechanischer) Kontakt zwischen den verbundenen Werkstücken besteht, vorliegt. Die Klassifizierung erfolgt vorzugsweise noch beim Laserschweißen, d.h. während des Laserschweißvorgangs zur Herstellung der Schweißung.
Vorzugsweise werden die durch das Laserschweißen verbundenen Werkstücke als „gut“ bzw. „Gutteil“ bewertet oder gekennzeichnet, wenn bestimmt wird, dass eine Schweißverbindung besteht, und als „schlecht“ bzw. „Schlechtteil“ bewertet oder gekennzeichnet, wenn bestimmt wird, dass keine Schweißverbindung besteht. Basierend darauf kann ferner das Laserschweißen geregelt bzw. gesteuert werden. Beispielsweise können Bearbeitungsparameter wie zugeführte Laserleistung, Abstand einer Laserbearbeitungsvorrichtung zu den Werkstücken, eine Fokusposition und/oder Fokuslage eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls etc., insbesondere in Echtzeit, angepasst bzw. geregelt werden. Das Verfahren kann weiter das Ausgeben eines Fehlers für Werkstücke umfassen, wenn bestimmt wird, dass keine Schweißverbindung besteht, und/oder das Ausgeben einer Warnung für Werkstücke umfassen, wenn bestimmt wird, dass ein Spalt, insbesondere ein Spalt mit Spaltbreite größer als einer vorgegebener Wert, vorliegt.
In einem Ausführungsbeispiel kann das Bestimmen basierend auf dem zweiten Messsignal, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht, nur dann erfolgen, wenn zuvor bestimmt wurde, dass ein Spalt vorhanden ist.
Zumindest ein Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann während des Laserschweißens der Schweißung, insbesondere in Echtzeit, durchgeführt werden. Demnach kann das erfindungsgemäße Verfahren als „In-Line-Verfahren“ bezeichnet werden. Vorzugsweise werden das erste und/oder zweite Messsignal während des Laserschweißens erfasst. Ebenso können das Bestimmen, ob ein Spalt vorliegt, und/oder das Bestimmen, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht, während des Laserschweißens erfolgen. Vorzugsweise wird das gesamte erfindungsgemäße Verfahren während des Laserschweißens ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere beim Laserschweißen im Überlapp- oder Parallelstoß verwendet werden.
Das erste Messsignal und/oder zweite Messsignal können auf einer Messung einer Strahlungsintensität basieren. Insbesondere kann das erste Messsignal auf einer Messung einer Strahlungsintensität der Prozessstrahlung basieren, und/oder das zweite Messsignal kann auf einer Messung einer Strahlungsintensität der reflektierten Laserstrahlung basieren. Die beim Laserschweißen erzeugte Prozessstrahlung kann eine Temperaturstrahlung im infraroten Wellenlängenbereich des Lichts und/oder eine Plasmastrahlung im sichtbaren Bereich des Lichts umfassen.
Das erste Messsignal kann in einem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls und/oder in einem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls erfasst werden. Der erste Wellenlängenbereich kann einem infraroten Wellenlängenbereich des Lichts entsprechen. Mit anderen Worten kann das erste Messsignal im ersten Wellenlängenbereich einer Temperaturstrahlung entsprechen. Der zweite Wellenlängenbereich kann einem sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts entsprechen. Mit anderen Worten kann das erste Messsignal im zweiten Wellenlängenbereich einer Plasmastrahlung entsprechen. Das erste Messsignal im ersten Wellenlängenbereich kann durch mindestes eine erste Photodiode mit spektraler Empfindlichkeit im ersten Wellenlängenbereich erfasst werden. Das erste Messsignal im zweiten Wellenlängenbereich kann durch mindestens eine zweite Photodiode mit spektraler Empfindlichkeit im zweiten Wellenlängenbereich erfasst werden. Mit anderen Worten wird das erste Messsignal vorzugsweise im ersten Wellenlängenbereich und im zweiten Wellenlängenbereich getrennt bzw. durch jeweils mindestens eine Photodiode erfasst.
Das zweite Messsignal bzw. die reflektierte Laserstrahlung bzw. der für das Laserschweißen verwendete Laserstrahl kann im infraroten, blauen oder grünen Wellenlängenbereich bzw. Spektralbereich liegen. Mit anderen Worten kann eine Infrarot-Laserstrahlquelle verwendet werden. Alternativ kann eine Laserstrahlquelle des für das Laserschweißen verwendeten Laserstrahls im grünen oder blauen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich emittieren.
Das erste Messsignal kann also basierend auf einer Detektion von Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls, insbesondere in einem infraroten Bereich, um Temperaturstrahlung zu detektieren, und/oder basierend auf einer Detektion von Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge des Laserstrahls, insbesondere in einem sichtbaren Bereich, um Plasmastrahlung zu detektieren, erfasst werden. Das in dem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge des zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls erfasste erste Messsignal kann dementsprechend als „Temperatursignal“ bezeichnet werden. Das in dem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge des zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls erfasste erste Messsignal kann dementsprechend als „Plasmasignal“ bezeichnet werden.
Die beim Laserschweißen erzeugte Prozessstrahlung kann durch mindestens eine (erste und/oder zweite) Photodiode als erstes Messsignal erfasst werden und/oder die reflektierte Laserstrahlung kann durch mindestens eine (dritte) Photodiode als zweites Messsignal erfasst werden. Die dritte Photodiode kann eine spektrale Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich des zum Laserschweißen verwendeten Lasers aufweisen. Mit anderen Worten werden das erste und das zweite Messsignal vorzugsweise getrennt bzw. durch jeweils mindestens eine Photodiode erfasst. Die Photodioden weisen vorzugsweise voneinander verschiedene spektrale Empfindlichkeiten auf.
Das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, kann das Bestimmen einer Spaltbreite basierend auf dem ersten Messsignal umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt vorliegt, wenn die Spaltbreite größer als ein vorgegebener Spaltbreiten-Grenzwert ist. Der Spaltbreiten-Grenzwert kann zwischen 50 µm und 200 µm, insbesondere 100 µm und 175 µm, liegen oder 50 µm, 100 µm oder 150 µm betragen.
Die Spaltbreite kann beispielsweise als kürzester Abstand zwischen den verbundenen Werkstücken angrenzend zu aber außerhalb der Schweißung bzw. einer Schweißnaht definiert sein. Beispielsweise kann die Spaltbreite beim Überlappstoß oder Parallelstoß als kürzester Abstand zwischen den gegenüberliegend angeordneten Werkstückoberflächen definiert sein.
Das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, kann das Bestimmen umfassen, ob das erste Messsignal unter einem Referenzwert oder einem Referenzverlauf liegt. Dies kann auch als Abfallen des ersten Messsignals bezeichnet werden. Wenn das erste Messsignal jeweils für den ersten Wellenlängenbereich und den zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird, kann bestimmt werden, ob das erste Messsignal des ersten Wellenlängenbereichs unter einem ersten Referenzwert bzw. Referenzverlauf liegt und ob das erste Messsignal des zweiten Wellenlängenbereichs unter einem zweiten Referenzwert bzw. Referenzverlauf liegt. Der Referenzverlauf kann eine untere Hüllkurve sein.
Das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, kann das Bilden eines ersten Integrals über das erste Messsignal umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet. Das erste Integral kann über mindestens einen Bereich des ersten Messsignals gebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, das Bilden eines ersten Mittelwerts über das erste Messsignal umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn der erste Mittelwert einen vorgegebenen ersten Mittelwert-Grenzwert unterschreitet. Der erste Mittelwert kann über mindestens einen Bereich des ersten Messsignals gebildet werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, das Ermitteln einer ersten Ausreißerhäufigkeit des ersten Messsignals umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn die erste Ausreißerhäufigkeit des ersten Messsignals einen vorgegebenen ersten Ausreißer-Grenzwert überschreitet. Die erste Ausreißerhäufigkeit kann über mindestens einen Bereich des ersten Messsignals gebildet werden.
Wenn das erste Messsignal jeweils für den ersten Wellenlängenbereich und den zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird, kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, das Bilden eines ersten Integrals über das im ersten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal, d.h. das Temperatursignal, und das Bilden eines zweiten Integrals über das im zweiten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal, d.h. das Plasmasignal, umfassen, wobei bestimmt wird, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn das zweite Integral einen vorgegebenen zweiten Integral-Grenzwert unterschreitet.
Wenn das erste Messsignal jeweils für den ersten Wellenlängenbereich und den zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird, kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, das Bilden eines ersten Mittelwerts über das im ersten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal, d.h. das Temperatursignal, und das Bilden eines zweiten Mittelwerts über das im zweiten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal, d.h. das Plasmasignal, umfassen, wobei bestimmt wird, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn der erste Mittelwert einen vorgegebenen ersten Mittelwert-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn der zweite Mittelwert einen vorgegebenen zweiten Mittelwert-Grenzwert unterschreitet.
Wenn das erste Messsignal jeweils für den ersten Wellenlängenbereich und den zweiten Wellenlängenbereich erfasst wird, kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, das Ermitteln einer ersten Ausreißerhäufigkeit des im ersten Wellenlängenbereich erfassten ersten Messsignals, d.h. des Temperatursignals, und das Berechnen einer zweiten Ausreißerhäufigkeit des im zweiten Wellenlängenbereich erfassten ersten Messsignals, d.h. des Plasmasignals, umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn die erste Ausreißerhäufigkeit einen vorgegebenen ersten Ausreißer-Grenzwert überschreitet und/oder wenn die zweite Ausreißerhäufigkeit einen vorgegebenen zweiten Ausreißer-Grenzwert überschreitet.
Die Ausreißerhäufigkeit kann definiert sein als eine Häufigkeit bzw. Anzahl von Werten des ersten Messsignals, die außerhalb von vorgegebenen Hüllkurven für das erste Messsignal liegen. Die Ausreißerhäufigkeit kann prozentual bezogen auf ein betrachtetes und/oder vorgegebenes Zeitintervall bzw. Messintervall bzw. auf einen betrachteten und/oder vorgegebenen Bereich des ersten Messsignals angegeben sein. Alternativ kann die Ausreißerhäufigkeit absolut angegeben sein. Wird das erste Messsignal im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich erfasst, kann jeweils getrennt die erste Ausreißerhäufigkeit, basierend auf einer Häufigkeit bzw. Anzahl von Werten des ersten Messsignals im ersten Wellenlängenbereich, die außerhalb von vorgebebenen ersten Hüllkurven für das erste Messsignal liegen, und die zweite Ausreißerhäufigkeit, basierend auf einer Häufigkeit bzw. Anzahl von Werten des ersten Messsignals im zweiten Wellenlängenbereich, die außerhalb von vorgebebenen zweiten Hüllkurven für das erste Messsignal liegen, bestimmt werden.
Das Bestimmen, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht, kann basierend auf einem Rauschen des zweiten Messsignals bestimmt werden. Das Rauschen kann bestimmt werden als Abweichung von einem Mittelwert des zweiten Messsignals, z.B. in einem vorgegebenen Zeitintervall bzw. Messintervall bzw. in einem betrachteten und/oder vorgegebenen Bereich des zweiten Messsignals, und optional mit einem Verstärkungsfaktor versehen werden. Das Rauschen kann auch als „Rauschsignal“ oder als „Rauschanteil“ des zweiten Messsignals bezeichnet werden.
Es kann bestimmt werden, dass keine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht, wenn eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des zweiten Messsignals einen vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwert überschreitet, und/oder wenn ein Integral über das Rauschen des zweiten Messsignals einen vorgegebenen zweiten Rausch-Grenzwert überschreitet.
Die Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des zweiten Messsignals kann definiert sein als eine Häufigkeit bzw. Anzahl von Werten des Rauschens, die außerhalb vorgegebener Hüllkurven und/oder vorgegebener Toleranzbereiche für das Rauschen liegen. Die Ausreißerhäufigkeit kann prozentual bezogen auf ein betrachtetes Zeitintervall und/oder Messintervall bzw. auf einen Bereich des zweiten Messsignals angegeben sein. Alternativ kann die Ausreißerhäufigkeit absolut angegeben sein.
Zumindest eines der Werkstücke kann Aluminium und/oder Kupfer und/oder Nickel aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere kann eines der Werkstücke aus Aluminium bestehen und ein anderes der Werkstücke kann Kupfer umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Die Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein.
Zumindest eines der Werkstücke kann eine Dicke von 0,10 mm bis 0,50 mm, bevorzugt eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm, besonders bevorzugt eine Dicke von 0,20 mm bis 0,30 mm aufweisen.
Eines der Werkstücke kann eine Batterie, ein Batteriemodul und/oder eine Batteriezelle umfassen, und/oder ein weiteres der Werkstücke kann einen Ableiter umfassen. Als Schweißung kann ein geschweißter elektrischer Kontakt zwischen dem Ableiter und der Batteriezelle analysiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann durch ein Laserbearbeitungssystem durchgeführt werden, welches eine Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahl, insbesondere einen Laserschweißkopf, und ein Sensormodul umfasst. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen Strahlteiler zum Auskoppeln von Prozessstrahlung aus dem Strahlengang des Laserstrahls aufweisen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen optischen Ausgang zum Auskoppeln von Prozessstrahlung umfassen und das Sensormodul kann einen optischen Eingang zum Einkoppeln der aus der Laserbearbeitungsvorrichtung austretenden Prozessstrahlung umfassen. Das Sensormodul umfasst mindestens einen Detektor zum Detektieren der Prozessstrahlung und zum Detektieren der reflektierten Laserstrahlung. Das Sensormodul kann an die Laserbearbeitungsvorrichtung gekoppelt sein. Der zumindest eine Detektor kann eingerichtet sein, um zumindest einen Strahlparameter der Prozessstrahlung, insbesondere eine Intensität in einem bestimmten Wellenlängenbereich, zu detektieren. Der zumindest eine Detektor kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf der Detektion ein Messsignal auszugeben. Die Detektoren können eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray und/oder eine Kamera, beispielsweise eine CMOS- oder CCD-basierte Kamera, umfassen. Das Sensormodul kann mehrere Detektoren umfassen, die jeweils eingerichtet sind, um die Prozessstrahlung bei verschiedenen Wellenlängen bzw. in verschiedenen Wellenlängenbereichen zu detektieren. Das Laserbearbeitungssystem kann ferner eine Steuereinheit umfassen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um analoge Messsignale von dem zumindest einen Detektor zu empfangen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß einer der in dieser Offenbarung aufgeführten Ausführungsformen durchzuführen, um Schweißverbindungen zu analysieren. Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf einem Ergebnis der Analyse das Laserbearbeitungssystem, insbesondere die Laserbearbeitungsvorrichtung, wie vorstehend beschrieben zu regeln bzw. zu steuern.
Die jeweiligen Detektoren können nur bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich sensitiv sein. Beispielsweise kann ein erster Detektor im sichtbaren Bereich des Lichts sensitiv sein, ein zweiter Detektor kann in einem infraroten Bereich sensitiv sein, und/oder ein dritter Detektor kann in einem Laseremissions-Wellenlängenbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung sensitiv sein. Die Detektoren können also so ausgebildet sein, dass sie in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen sensitiv sind. Gemäß einer Ausführung umfasst das Sensormodul einen ersten Detektor mit einer Photodiode, die im sichtbaren Spektrum des Lichts sensitiv ist, um Plasma-Prozessemissionen bzw. Plasmastrahlung zu detektieren, einen zweiten Detektor, mit einer Photodiode, die im infraroten Wellenlängenbereich sensitiv ist, um Temperatur-Prozessemissionen bzw. Temperaturstrahlung zu detektieren, und einen dritten Detektor mit einer Photodiode, die im Laseremissions-Wellenlängenbereich sensitiv ist, um Rückreflexe des Lasers der Laserbearbeitungsvorrichtung zu detektieren. Demnach kann mit dem Laserbearbeitungssystem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere können durch das beschriebene Sensormodul das erste Messsignal, insbesondere das Temperatursignal und/oder das Plasmasignal, und das zweite Messsignal erfasst werden.
Gemäß der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zur Detektion von Spalten und insbesondere zur Unterscheidung von Spalten mit Anbindung bzw. mit Kontakt und von Spalten ohne Anbindung bzw. ohne Kontakt, insbesondere mit Hilfe von Sensoren wie Photodioden, angegeben.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zum Durchführen eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißverbindung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
2 zeigt eine detaillierte schematische Darstellung eines Sensormoduls des in 1 dargestellten Laserbearbeitungssystems;
3 zeigt ein Flussidagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
4A-4D zeigen Schweißverbindungen, die mit einem Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung analysiert wurden;
5A-5D zeigen beispielhaft zeitliche Verläufe von Messsignalen, die von einem Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen erfasst wurden; und
6 zeigt beispielhaft eine Bestimmung von Spaltbreiten durch ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eine Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt eine detaillierte schematische Darstellung des Sensormoduls des in 1 dargestellten Laserbearbeitungssystems.
Das Laserbearbeitungssystem 1 umfasst eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10, ein Sensormodul 20 und eine Steuereinheit 40.
Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10, die beispielsweise als Laserbearbeitungskopf, insbesondere als Laserschweißkopf, ausgebildet sein kann, ist eingerichtet, um einen von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretenden Laserstrahl (nicht gezeigt) mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik (nicht gezeigt) auf das zu bearbeitende Werkstücke 30a, 30b zu fokussieren oder zu bündeln, um dadurch eine Bearbeitung oder einen Bearbeitungsprozess auszuführen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen umfassen. Bei der Bearbeitung entsteht Prozessstrahlung 11, die in die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eintritt und dort von einem Strahlteiler 12 aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelt wird. Die Prozessstrahlung wird in das Sensormodul 20 geleitet und trifft dort auf zumindest einen Detektor D1, D2, D3.
Wie in 2 gezeigt umfasst das Sensormodul 20 vorzugsweise mehrere Detektoren oder Sensoren D1, D2, D3 die eingerichtet sind, um verschiedene Parameter, wie beispielsweise eine Intensität, der Prozessstrahlung 11 zu erfassen und darauf basierend ein Messignal auszugeben. Jeder der Detektoren D1, D2, D3 kann eine Photodiode oder ein Photodioden- oder Pixelarray umfassen. Vorzugsweise umfassen die Detektoren eine Photodiode bzw. einen Sensor für den sichtbaren Spektralbereich, eine Photodiode bzw. einen Sensor für den infraroten Spektralbereich und eine Photodiode bzw. einen Sensor für einen Wellenlängenbereich des Lasers. Ferner kann das Sensormodul 20 mehrere Strahlteiler 221, 222 umfassen, um die Prozessstrahlung 11 aufzuspalten und auf die entsprechenden Detektoren D1, D2, D3 zu richten. Die Strahlteiler 221, 222 können als teildurchlässige Spiegel ausgebildet und können gemäß Ausführungsformen wellenlängenselektiv sein.
Die Steuereinheit 40 ist mit dem Sensormodul 20 verbunden und empfängt die Messignale der Detektoren D1, D2, D3. Die Steuereinheit 40 kann eingerichtet sein, um die Messsignale der Detektoren D1, D2, D3 aufzuzeichnen. Die Steuereinheit 40 ist eingerichtet, um ein Bearbeitungsergebnis der Laserbearbeitung zu bestimmen und/oder zu analysieren, und ist insbesondere eingerichtet, um Schweißverbindungen zu analysieren. Die Steuereinheit 40 kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf einem Ergebnis der Analyse die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 zu steuern.
Das Laserbearbeitungssystem 1 kann eingerichtet sein, um Laserbearbeitungsprozesse, insbesondere ein Laserschweißen durchzuführen, und um Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen.
3 zeigt ein Flussidagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Verfahren beginnt mit dem Erfassen eines ersten Messsignals für eine beim Laserschweißen erzeugte Prozessstrahlung (Schritt S1). Ferner umfasst das Verfahren das Erfassen eines zweiten Messsignals für eine von den Werkstücken reflektierte Laserstrahlung (Schritt S2). Das Erfassen des ersten Messignals und das Erfassen des zweiten Messsignals kann gemäß Ausführungsformen gleichzeitig erfolgen. Anschließend wird basierend auf dem ersten Messsignal bestimmt, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt (Schritt S3). Wenn bestimmt wird, dass ein Spalt vorliegt, wird basierend auf dem zweiten Messsignal bestimmt, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung zwischen den beiden Werkstücken besteht oder vorliegt (Schritt S4). Mit anderen Worten wird bestimmt, ob ein elektrischer bzw. mechanischer Kontakt zwischen den Werkstücken besteht.
Durch das Verfahren ist es demnach möglich, zu erkennen, ob ein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegt. Ferner wird durch das Verfahren ermöglicht, zu erkennen, ob eine Spaltüberbrückung, d.h. eine Schweißverbindung, insbesondere eine elektrische und mechanische Schweißverbindung, vorliegt. Insbesondere kann das Verfahren zum Analysieren einer geschweißten elektrischen Verbindung, beispielsweise zum Erkennen eines fehlenden elektrischen Kontakts zwischen verbundenen Werkstücken, verwendet werden. Demnach ist es möglich, zu unterscheiden, ob eine ordnungsgemäße Schweißung, d.h. eine Schweißung ohne Spalt, auch als „Gutschweißung“ oder als „Schweißung mit 0-Spalt“ bezeichnet, vorliegt, oder ob eine Schweißung mit Spalt und mit Spaltüberbrückung, sodass ein elektrischer Kontakt zwischen den verbundenen Werkstücken besteht, oder eine Schweißung mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen den verbundenen Werkstücken besteht, vorliegt.
Das erste Messsignal wird vorzugsweise in zwei verschiedenen Wellenlängenbereichen erfasst. Beispielsweise kann das erste Messsignal auf einer Detektion von Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge des zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls, insbesondere in einem infraroten Bereich, und auf einer Detektion von Strahlungsintensität der Prozessstrahlung in einem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge des Laserstrahls, insbesondere in einem sichtbaren Bereich erfasst werden. Das in dem ersten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal kann einer Temperaturstrahlung entsprechen und als „Temperatursignal“ bezeichnet werden. Das in dem zweiten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal kann einer Plasmastrahlung entsprechen und als „Plasmasignal“ bezeichnet werden. Es ist aber auch möglich, nur das erste Messsignal nur in einem dieser Wellenlängenbereiche zu erfassen bzw. auszuwerten.
In dem Ausführungsbeispiel von 1 und 2 kann das Plasmasignal durch den Detektor D1 erfasst werden, welcher in einem Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge des Laserstrahls, insbesondere im sichtbaren Wellenlängenbereich des Lichts, sensitiv ist, um die Intensität von Plasma-Prozessemissionen zu detektieren. Das Temperatursignal kann durch den Detektor D2 erfasst werden, welcher in einem Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge des Laserstrahls, insbesondere in einem infraroten Wellenlängenbereich des Lichts, sensitiv ist, um die Intensität von Prozessemissionen im Infrarot- oder Temperatur-Spektralbereich, d.h. von Temperaturstrahlung, zu detektieren. Das zweite Messsignal kann durch den Detektor D3 erfasst werden, welcher im Wellenlängenbereich des Laserstrahls sensitiv ist, um Rückreflexe des Lasers der Laserbearbeitungsvorrichtung zu detektieren.
Gemäß Ausführungsformen kann das Bestimmen, ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, (Schritt S3) das Bilden eines ersten Integrals über das Plasmasignal und das Bilden eines zweiten Integrals über das Temperatursignal umfassen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn das zweite Integral einen vorgegebenen zweiten Integral-Grenzwert unterschreitet.
Gemäß Ausführungsformen kann das Bestimmen, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht, (Schritt S4) basierend auf einem Rauschen des zweiten Messsignals erfolgen. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass keine Schweißverbindung bzw. keine Spaltüberbrückung besteht, wenn eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des zweiten Messsignals einen vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwert überschreitet, und/oder wenn ein Integral über das Rauschen des zweiten Messsignals einen vorgegebenen zweiten Rausch-Grenzwert überschreitet. Das Rauschen kann als eine Abweichung von einem Mittelwert des zweiten Messsignals, vorzugsweise in einem vorgegebenen Zeitintervall bzw. Messsignal, und insbesondere verstärkt um einen vorgegebenen Faktor, definiert sein. Der Mittelwert kann vorgegeben sein oder basierend auf dem zweiten Messsignal bestimmt werden.
Gemäß Ausführungsformen kann zumindest einer der Schritte S1 bis S4 während des Laserschweißens der Schweißverbindung erfolgen.
Vorzugsweise umfasst eines der Werkstücke eine Batterie, ein Batteriemodul und/oder eine Batteriezelle und ein weiteres der Werkstücke umfasst einen Ableiter. In diesem Fall kann das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zum Analysieren eines geschweißten elektrischen Kontakts zwischen dem Ableiter und der Batterie, dem Batteriemodul bzw. der Batteriezelle eingesetzt werden. Insbesondere kann eines der Werkstücke aus Aluminium bestehen und ein anderes der Werkstücke kann Kupfer umfassen und mit Nickel beschichtet sein. Die Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Zumindest einer der Werkstücke kann eine Dicke von 0,10 mm bis 0,50 mm, bevorzugt eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm, besonders bevorzugt eine Dicke von 0,20 mm bis 0,30 mm aufweisen.
In einer Ausführungsform werden Ableiter von zwei oder mehr Batterien verschweißt bzw. miteinander kontaktiert. Die Ableiter können aus Kupfer Cu oder Aluminium Al sein. Insbesondere kann ein Ableiter einer ersten Batterie aus Aluminium oder Kupfer sein und ein Ableiter einer zweiten Batterie kann aus Aluminium oder Kupfer sein, sodass die Schweißverbindung zwischen Aluminium und Aluminium Al-Al, oder zwischen Kupfer und Kupfer Cu-Cu oder zwischen Aluminium und Kupfer Al-Cu gebildet wird.
Das Laserschweißen kann das gasdichte Schweißen von Zellgehäusen von Batteriezellen, das Schweißen von Membranen von Zelldeckeln von Batteriezellen, das Schweißen von Anschlüssen in den Zelldeckeln von Batteriezellen und das Schweißen einer Berstplatte von Zelldeckeln von Batteriezellen umfassen.
Das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann insbesondere zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken im Überlapp- oder Parallelstoß, und insbesondere bei 1-Schweißnähten, verwendet werden.
4A-4D zeigen Schweißverbindungen, die mit einem Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung analysiert wurden.
4A-4D zeigen jeweils in der oberen Zeile („Camera“) eine Draufsicht von beim Laserschweißen im Überlappstoß entstanden 1-Schweißnähten und zeigen jeweils in der mittleren Zeile eine Schnittansicht der jeweiligen Schweißnaht. In der unteren Zeile ist jeweils eine schematische Ansicht der Schnittansicht gezeigt. Bei der Draufsicht auf die jeweiligen Schweißnähte ist nicht zu unterscheiden, ob eine Schweißung ohne Spalt, eine Schweißung mit Spalt und Spaltüberbrückung, oder eine Schweißung mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung vorliegt.
4A zeigt in der ersten Spalte („Gap: 0 µm“) eine ordnungsgemäße Schweißnaht, auch als „Gutschweißung“ bezeichnet, die mithilfe des Verfahrens zum Analysieren von Schweißverbindungen beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erkannt wurde. Die verschweißten Werkstücke 30a, 30b, hier als Bleche gezeigt, weisen keinen Spalt dazwischen auf und über die Schweißnaht kann Strom fließen. Die entstandene Schweißverbindung wird als „Gutschweißung“ oder mit „0-Spalt“ gekennzeichnet.
4B-4D zeigen typische Fehlerbilder, die mithilfe des Verfahrens zum Analysieren von Schweißverbindungen beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erkannt wurden.
4B zeigt in der zweiten Spalte („Gap: 100 µm“) einen Spalt S zwischen den beiden verschweißten Werkstücken 30a, 30b. Dieser Spalt S kann toleriert werden, denn der Spalt S ist überbrückt (Spaltüberbrückung „B“ in 4B). Somit besteht trotz des vorhandenen Spaltes S noch ein elektrischer Kontakt zwischen den verschweißten Werkstücken, d.h. es besteht eine Schweißverbindung. Dies wird auch als „Schweißung mit Spaltüberbrückung“ bzw. „Spalt mit (elektrischer) Anbindung bzw. (elektrischem) Kontakt“ bezeichnet.
4C und 4B zeigen in der dritten und vierten Spalte („Gap: 150 µm“ und „Gap: 200 µm“) ein weiteres typisches Fehlerbild, auch als „false friend“ oder „falscher Freund“ bezeichnet. Dabei liegt ein Spalt S zwischen den verschweißten Werkstücken 30a, 30b vor, der nicht überbrückt ist, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen den Werkstücken besteht. Dies wird auch als „Schweißung ohne Spaltüberbrückung“ „Spalt ohne (elektrische) Anbindung bzw. (elektrischem) Kontakt“ bezeichnet. Es besteht also keine Schweißverbindung.
In 5A bis 5D sind beispielhaft zeitliche Verläufe von Messsignalen, die von einem Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken gemäß Ausführungsformen erfasst wurden, gezeigt.
In der in 5A bis 5D gezeigten Ausführungsform wurde das erste Messsignal im ersten und im zweiten Wellenlängenbereich aufgenommen und umfasst das Plasmasignal P1 und das Temperatursignal P2. Das zweite Messsignal für das reflektierte Laserlicht wird als Rückreflexsignal P3 bezeichnet. 5A-5D zeigen beispielhafte Verläufe der Messsignale P1, P2 und P3 jeweils für einen Laserschweißprozess. Zudem ist der Verlauf eines Rauschens des Messignals P3 als „P3 noise“ dargestellt.
Das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung umfasst das Erfassen des Plasmasignals P1 und des Temperatursignals P2. Es wird bestimmt, dass ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt, wenn beispielsweise das Plasmasignal P1 und/oder das Temperatursignal P2 abfällt, d.h. auf einer jeweiligen unteren Hüllkurve liegt oder darunter. Dies kann beispielsweise ermittelt werden, indem ein erstes Integral über das Plasmasignal P1 und ein zweites Integral über das Temperatursignal P2 gebildet wird. Wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn das zweite Integral einen vorgegebenen zweiten Integral-Grenzwert unterschreitet, liegt ein Spalt vor. Wenn ein Spalt vorliegt, wird basierend auf dem Rückreflexsignal P3 bestimmt, ob eine Schweißverbindung bzw. eine Spaltüberbrückung besteht. Keine Schweißverbindung bzw. Spaltüberbrückung besteht, wenn eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des Rückreflexsignals P3 einen vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwert überschreitet, und/oder wenn ein Integral über das Rauschen des Rückreflexsignals P3 einen vorgegebenen zweiten Rausch-Grenzwert überschreitet. Andernfalls liegt ein Spalt mit Spaltüberbrückung, d.h. eine Schweißverbindung, vor.
Durch das Verfahren können einerseits Gutschweißungen, also Schweißungen ohne Spalt zwischen den Werkstücken, von Schweißungen mit Spalt unterschieden werden. Andererseits können durch das Verfahren Schweißungen mit einem Spalt aber mit Spaltüberbrückung von Schweißungen mit einem Spalt aber ohne Spaltüberbrückung unterschieden werden.
In 5A überschreiten die Integrale des Plasmasignals P1 und des Temperatursignals P2 die jeweiligen Grenzwerte. Die beim Laserschweißprozess entstandene Schweißung wird als „Gutschweißung“ gekennzeichnet. Zwischen den so verbundenen Werkstücken ist eine Schweißverbindung mit einem 0-Spalt vorhanden. Insbesondere ist zwischen den verbundenen Werkstücken ein elektrischer Kontakt, bzw. eine elektrische Anbindung vorhanden. Dies entspricht der in 4A dargestellten Schweißverbindung.
In 5B-5D sind das Plasmasignal P1 und das Temperatursignal P2 gegenüber jeweils vorgegebenen Referenzwerten bzw. Hüllkurven abgefallen. Mit anderen Worten unterschreiten die Integrale des Plasmasignals P1 und des Temperatursignals P2 die jeweiligen Grenzwerte. Die beim jeweiligen Laserschweißprozess entstandenen Schweißungen werden als Schweißungen mit Spalt gekennzeichnet.
Gemäß Ausführungsformen ist es ausreichend, wenn entweder das Integral des Plasmasignals P1 oder das Integral des Temperatursignals P2 den jeweiligen Grenzwert unterschreitet. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann bestimmt werden, dass ein Spalt nur vorliegt, wenn sowohl das Integral des Plasmasignals P1 und das Integral des Temperatursignals P2 den jeweiligen Grenzwert unterschreiten.
In 5B ist zwischen den Werkstücken ein Spalt mit 100 µm Spaltbreite vorhanden, in 5C ist zwischen den Werkstücken ein Spalt mit 150 µm Spaltbreite vorhanden und in 5D ist zwischen den Werkstücken ein Spalt mit 200 µm Spaltbreite vorhanden. Die in 5B-5D gezeigten Schweißungen entsprechen den in 4B-4D dargestellten Schweißungen. Die Spaltbreite kann basierend auf dem Integralwert des Plasmasignals P1 und/oder des Temperatursignals P2 bestimmt werden. Liegt der Integralwert in einem ersten Bereich, kann der entsprechenden Schweißung eine Spaltbreite von einem ersten Wert bzw. Wertebereich zugeordnet werden. Entsprechend kann einem Integralwert, der in einem zweiten Bereich liegt, eine Spaltbreite von einem zweiten Wert bzw. Wertebereich zugeordnet werden, etc. Dies ist in 6 für das Plasmasignal P1 beispielhaft veranschaulicht.
Für die entsprechenden Schweißungen der 5B-5D wird nun bestimmt, ob dennoch eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken, und entsprechend ein elektrischer Kontakt bzw. eine elektrische Anbindung, vorhanden ist. Dazu wird das Rauschen des Rückreflexsignals P3, P3 noise, analysiert.
In 5B liegt eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des Rückreflexsignals P3 unterhalb eines vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwerts. Deshalb wird bestimmt, dass trotz des vorhandenen Spalts eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken bzw. eine Spaltüberbrückung vorhanden ist.
In 5C und 5D liegt eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des Rückreflexsignals P3 über dem vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwert. Deshalb wird bestimmt, dass keine Schweißverbindung bzw. Spaltüberbrückung, und somit kein elektrischer Kontakt, zwischen den Werkstücken vorliegt.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass beim Laserschweißen im Überlappstoß eine Gutschweißung von Schweißungen mit Spalt dadurch unterschieden werden kann, dass die Intensität eines Plasmasignal und die Intensität eines Temperatursignal des Laserschweißprozesses abfallen. Des Weiteren beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis, dass eine Schweißung mit Spalt und mit Spaltüberbrückung von einer Schweißung mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung dadurch unterschieden werden kann, dass im letzten Fall das Rauschen eines Rückreflexsignals der von den Werkstücken zurückreflektierten Laserstrahlung signifikant zunimmt. Demnach liefert eine Kombination des Plasmasignals und des Temperatursignals mit dem Rückreflexsignal eine eindeutige Aussage über das Vorhandensein bzw. das Fehlen einer Schweißverbindung, insbesondere eines elektrischen Kontakts, zwischen den Werkstücken. Hier kann „Spalt liegt vor“ als notwendige Bedingung betrachtet werden, ein übermäßiges Rauschen als hinreichende Bedingung dafür, dass der Spalt nicht überbrückt wird. Demnach kann eindeutig erkannt werden, ob ein falscher Freund vorliegt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019122047 [0004]

Claims

Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken (30a, 30b), umfassend: - Erfassen (S1) eines ersten Messsignals (P1, P2) für eine beim Laserschweißen erzeugte Prozessstrahlung; - Erfassen (S2) eines zweiten Messsignals (P3) für eine von den Werkstücken (30a, 30b) reflektierte Laserstrahlung; - Bestimmen (S3) basierend auf dem ersten Messsignal (P1, P2), ob ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt; und - wenn bestimmt wird, dass ein Spalt (S) vorliegt, Bestimmen (S4) basierend auf dem zweiten Messsignal (P3), ob eine Schweißverbindung besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Messsignal (P1, P2) und/oder zweite Messsignal (P3) auf einer Detektion einer Strahlungsintensität basiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Messsignal (P1, P2) in einem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls und/oder in einem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die als erstes Messsignal (P1, P2) erfasste Prozessstrahlung eine Temperaturstrahlung im infraroten Spektralbereich und/oder eine Plasmastrahlung im sichtbaren Spektralbereich ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die als zweites Messsignal (P3) erfasste reflektierte Laserstrahlung im infraroten Spektralbereich oder im sichtbaren grünen oder blauen Spektralbereich liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S3), ob ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, das Bestimmen einer Spaltbreite basierend auf dem ersten Messsignal (P1, P2) umfasst, und wobei bestimmt wird, dass ein Spalt (S) vorliegt, wenn die Spaltbreite größer als ein vorgegebener Spaltbreiten-Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S3), ob ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, das Bestimmen umfasst, ob das erste Messsignal (P1, P2) unter einem Referenzwert oder einem Referenzverlauf liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S3), ob ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, das Bilden eines ersten Integrals über das erste Messsignal (P1, P2) und/oder eines ersten Mittelwerts des ersten Messsignals (P1, P2) umfasst, wobei bestimmt wird, dass ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn der erste Mittelwert einen vorgegebenen ersten Mittelwert-Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Messsignal (P1, P2) in einem ersten Wellenlängenbereich oberhalb der Wellenlänge eines zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls und in einem zweiten Wellenlängenbereich unterhalb der Wellenlänge des zum Laserschweißen verwendeten Laserstrahls erfasst wird, und das Bestimmen (S3), ob ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, das Bilden eines ersten Integrals über das im ersten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal (P1) und das Bilden eines zweiten Integrals über das im zweiten Wellenlängenbereich erfasste erste Messsignal (P2) umfasst, und wobei bestimmt wird, dass ein Spalt (S) zwischen den Werkstücken (30a, 30b) vorliegt, wenn das erste Integral einen vorgegebenen ersten Integral-Grenzwert unterschreitet und/oder wenn das zweite Integral einen vorgegebenen zweiten Integral-Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei basierend auf einem Rauschen des zweiten Messsignals (P3) bestimmt wird, ob eine Schweißverbindung besteht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei bestimmt wird, dass keine Schweißverbindung besteht, - wenn eine Ausreißerhäufigkeit des Rauschens des zweiten Messsignals (P3) einen vorgegebenen ersten Rausch-Grenzwert überschreitet, und/oder - wenn ein Integral über das Rauschen des zweiten Messsignals (P3) einen vorgegebenen zweiten Rausch-Grenzwert überschreitet.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens eines der Werkstücke (30a, 30b) Aluminium und/oder Kupfer und/oder Nickel aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Werkstücke eine Dicke von 0,10 mm bis 0,50 mm, bevorzugt eine Dicke von 0,15 mm bis 0,35 mm, besonders bevorzugt eine Dicke von 0,20 mm bis 0,30 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke (30a, 30b) einen Ableiter einer ersten Batterie und einen Ableiter einer zweiten Batterie umfassen, und wobei als Schweißverbindung ein geschweißter elektrischer Kontakt zwischen den Ableitern der Batterien analysiert wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke beim Laserschweißen im Überlappstoß oder Parallelstoß angeordnet sind.