DE102020120670A1

DE102020120670A1 - Verfahren zum Analysieren eines Laserschweißprozesses und Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102020120670A1
Application number: DE102020120670.4A
Authority: DE
Inventors: Attila Boco; Dominik Esch; Tim Wünnemann; Matthias Strebel
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2022-02-10

Abstract

Offenbart ist ein Verfahren zum Analysieren eines Laserschweißprozesses, das Verfahren umfassend: Ausbilden einer Schweißnaht durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest eines von zu verschweißenden Werkstücken; eines Messstrahls auf die Schweißnaht; Erfassen eines Messsignals für einen von der Schweißnaht reflektierten Anteil des Messstrahls; und Bestimmen basierend auf dem Messsignal, ob ein Schweißfehler vorliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren eines Laserschweißprozesses, insbesondere ein Verfahren zum Analysieren eines Ergebnisses eines Laserschweißprozesses bzw. einer durch einen Laserschweißprozess hergestellten Schweißnaht, sowie ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen dieses Verfahrens.
Hintergrund und Stand der Technik
In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf ein zu bearbeitendes Werkstück fokussiert oder gebündelt, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen.
Um die Bearbeitungsqualität zu sichern, ist es erforderlich, das Ergebnis des Laserschwei-ßens, insbesondere die Schweißverbindung zwischen den verschweißten Werkstücken, zu analysieren bzw. überprüfen. Dies schließt die Erkennung von Schweißfehlern ein. Abhängig vom Ergebnis der Analyse können die verschweißten Werkstücke als „gut“ oder „Gutschweißung“ (d.h. als geeignet für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf) oder als „schlecht“ oder „Schlechtschweißung“ (d.h. als Ausschuss) gekennzeichnet werden. Insbesondere können die verschweißten Werkstücke als „gut“ gekennzeichnet werden, wenn kein Schweißfehler vorliegt, und die verschweißten Werkstücke können als „schlecht“ gekennzeichnet werden, wenn ein Schweißfehler vorliegt. Der Nachweis von Schweißfehlern beim Laserschweißen von Werkstücken, insbesondere Blechen, ist eine große Herausforderung.
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.
Die Anmeldung DE 10 2020 104 462 beschreibt ein Verfahren zum Analysieren einer Schweißverbindung beim Laserschweißen von Werkstücken. Das Verfahren wird während des Laserschweißprozesses durchgeführt und basiert auf dem Erfassen und Auswerten einer Plasmastrahlung oder einer Temperaturstrahlung zusätzlich zu einer von den Werkstücken reflektierten Laserstrahlung. Damit ist es möglich, zu erkennen, ob ein Spalt zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegt, und ob eine Schweißverbindung, insbesondere ein elektrischer Kontakt, zwischen den Werkstücken besteht.
Derartige Verfahren stoßen jedoch je nach Materialkombination und Blechstärken an seine Grenzen. Zudem erlauben es derartige Verfahren nicht, bestimmte Fehlerbilder, etwa einen Spalt mit einer sehr kleinen Größe, zuverlässig zu detektieren.
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. Typischerweise erfolgt das Verbinden durch Laserschweißen. Dabei werden beispielsweise die Ableiter der Batteriezellen, typischerweise im Überlappstoß, miteinander verschweißt. 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 bzw. Aluminium-Kupfer. Für das Verbinden von Batteriezellen zu Batteriemodulen und somit für einen erfolgreichen Modulbau ist es essentiell, dass zwischen den verschweißten Teilen der Batteriezellen, beispielsweise den Ableitern, ein elektrischer Kontakt besteht, d.h. dass zwischen den verschweißten Teilen bzw. über die Schweißnaht Strom fließen kann. Nur in diesem Fall ist die Kontaktierung erfolgreich.
Beim Verschweißen von Werkstücken mittels Laserschweißen, insbesondere im Überlappstoß mit I-Nähten, können typische Fehlerbilder bzw. Bearbeitungsfehler auftreten. Dazu zählt ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken. Dieser Fehler kann unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualität der Schweißnaht zwischen den Werkstücken haben. Bereits durch einen kleinen Spalt kann die mechanische Stabilität der Schweißnaht bzw. der Verbindung der beiden Werkstücke verringert werden. Ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken kann auch dazu führen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den verschweißten Werkstücken nicht mehr gewährleistet ist.
Für manche Schweißanwendungen kann dieser Fehler toleriert werden, wenn der Spalt klein ist und trotzdem eine ausreichend stabile mechanische Verbindung zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt. Bei anderen Schweißaufgaben kann der Fehler beispielsweise toleriert werden, wenn der Spalt durch aufgeschmolzenes Material der Werkstücke überbrückt wird, d.h. wenn trotz des vorhandenen Spalts eine Schweißverbindung besteht, und insbesondere ein elektrischer Kontakt zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt. Dieser Fall wird auch als „Schweißung mit Spaltüberbrückung“ bzw. als „Spalt mit (elektrischer) Anbindung“ bezeichnet.
Ein weiteres typisches Fehlerbild wird als „false friend“ oder „falscher Freund“ bezeichnet. Dabei ist ein Spalt zwischen den Werkstücken vorhanden, wobei der Spalt nicht überbrückt ist und somit kein (elektrischer) Kontakt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken besteht. Dies wird auch als „Schweißung ohne Spaltüberbrückung“, „Spalt ohne (elektrische) Anbindung“ bezeichnet.
Die Erkennung von Bearbeitungsfehlern ist daher entscheidend für die Qualität der verschweißten Werkstücke bzw. der Schweißnaht. Eine Schweißung ohne Bearbeitungsfehler kann auch als „Gutschweißung“ bezeichnet werden. Eine Schweißung mit (nicht tolerierbarem) Bearbeitungsfehler kann als „Schlechtschweißung“ bezeichnet werden. Bei einer rein visuellen Inspektion der Schweißnaht bzw. der verschweißten Werkstücke nach der Durchführung des Laserschweißprozesses ist bei einer Draufsicht nicht zu erkennen, ob und welcher Bearbeitungsfehler vorliegt, bzw. es kann nicht unterschieden werden, ob eine Gutschweißung oder ob eine Schlechtschweißung vorliegt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen dieses Verfahrens anzugeben, mit dem ein Laserschweißprozess, insbesondere ein Ergebnis des Laserschweißprozesses, einfach und schnell analysiert bzw. beurteilt werden kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen dieses Verfahrens anzugeben, mit dem einfach und schnell bestimmt werden kann, ob ein Schweißfehler vorliegt. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen dieses Verfahrens anzugeben, welches eine einfache und schnelle Klassifikation bzw. Unterscheidung von Gutschweißungen und Schlechtschweißungen ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die Erfindung basiert auf der Idee, die Qualität einer Schweißnaht und das Vorliegen eines Schweißfehlers durch Analyse einer Rückreflexion bzw. einer Rückstreuung eines Messstrahls von der Schweißnaht zu bewerten. Durch Aufnehmen und Bewerten der Rückreflexion des Messstrahls, z.B. mit Hilfe von Photodioden, kann die Topologie bzw. die Oberflächenbeschaffenheit der Schweißnaht analysiert werden, um zu bestimmen, ob ein Schweißfehler, vorliegt. Damit können Gutschweißungen und Schlechtschweißungen unterschieden werden. Eine Gutschweißung kann als eine Schweißung bzw. eine Schweißnaht ohne Schweißfehler definiert sein. Eine Schlechtschweißung kann als eine Schweißung bzw. eine Schweißnaht mit einem Schweißfehler definiert sein.
Der Schweißfehler kann mindestens einen der folgenden Fehler umfassen: eine fehlende Schweißverbindung zwischen den Werkstücken, einen Spalt zwischen den Werkstücken, und einen falschen Freund. Die Schweißverbindung kann einen Kontakt, insbesondere einen elektrischen Kontakt, zwischen den Werkstücken, herstellen oder bezeichnen. Es können Schweißungen bzw. Schweißnähte mit Spalt und Spaltüberbrückung und Schweißungen bzw. Schweißnähte mit Spalt aber ohne Spaltüberbrückung (falscher Freund) erkannt und unterschieden werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Analysieren eines Laserschweißprozesses, insbesondere zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess hergestellten Schweißnaht, angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ausbilden einer bzw. der Schweißnaht durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einer ersten Laserleistung auf zumindest eines von den zu verschweißenden Werkstücken; Einstrahlen eines Messstrahls auf die Schweißnaht; Erfassen eines Messsignals für einen von der Schweißnaht reflektierten bzw. zurückgestreuten Anteil des Messstrahls; und Bestimmen basierend auf dem Messsignal, ob ein Schweißfehler vorliegt. Der Messstrahl kann insbesondere ein Laserstrahl sein. Der Laserstrahl mit der ersten Laserleistung und der Messstrahl können aus derselben Laserstrahlquelle stammen bzw. dieselbe Wellenlänge aufweisen. In diesem Fall ist eine zweite Laserleistung des Messstrahls vorzugsweise geringer als die erste Laserleistung.
Der Messstrahl kann jede beliebige Wellenlänge aufweisen, insbesondere eine Wellenlänge im infraroten Bereich oder im sichtbaren grünen oder blauen Bereich. Insbesondere kann der Messstrahl ein Laserstrahl sein, beispielsweise ein Laserstrahl, der aus derselben Laserquelle stammt wie ein Laserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks (auch Bearbeitungslaserstrahl genannt) oder aus einer Pilotlaserstrahlquelle z.B. mit einer Wellenlänge von ca. 630 nm oder ca. 530 nm. Alternativ kann der Messstrahl auch LED Licht umfassen bzw. von einer LED erzeugt werden. Vorzugsweise verläuft zumindest ein Teil eines Strahlengangs des Messstrahls koaxial zum Strahlengang eines Bearbeitungslaserstrahls in dem Laserbearbeitungsprozess.
Das Verfahren umfasst also das Einstrahlen eines Laserstrahls mit einer ersten Laserleistung auf ein oder mehrere Werkstücke, um die Werkstücke miteinander zu verschweißen. Dabei entsteht eine Schweißnaht an zumindest einem der Werkstücke, um die Werkstücke zu verbinden. Im nächsten Schritt wird ein Messstrahl, z.B. ein Laserstrahl mit einer zweiten Laserleistung, auf die entstandene Schweißnaht eingestrahlt. Dabei kann die zweite Laserleistung geringer oder kleiner sein als die erste Laserleistung. Alternativ kann der Messstrahl, wie oben erwähnt, auch LED Licht sein. Gleichzeitig kann ein Messsignal, auch „Sensorsignal“ genannt, für einen von der Schweißnaht reflektierten Anteil des Messstrahls erfasst werden. Mit anderen Worten wird der von der Schweißnaht reflektierte Anteil des Messstrahls bzw. die Intensität des von der Schweißnaht reflektierten Messstrahls mittels eines Sensors, wie etwa einer Photodiode, detektiert oder gemessen und darauf basierend ein Messsignal erzeugt. Basierend auf dem Messsignal wird anschließend bestimmt, ob ein Schweißfehler vorliegt. Der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl kann auch als Bearbeitungslaserstrahl bezeichnet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Unterscheidung bzw. Klassifikation einer Gutschweißung von einer Schlechtschweißung ermöglicht, indem von der Schweißnaht reflektierte Messstrahlung gemessen bzw. detektiert und ausgewertet wird. Dazu kann nach Abschluss des eigentlichen Laserschweißprozesses, insbesondere nach dem Abkühlen bzw. dem Erstarren der Schweißnaht, die Schweißnaht mit dem Messstrahl noch einmal überfahren bzw. abgefahren werden. Der Messstrahl wird im Wesentlichen reflektiert bzw. zurück gestreut und koppelt möglichst wenig oder gar nicht in die Werkstücke bzw. in die Schweißnaht ein. Ein zu starkes Einkoppeln könnte nämlich zu einem erneuten Modifizieren bzw. Aufschmelzen des Materials führen. Die Intensität der von der Schweißnaht reflektierten Messstrahlung kann dann zur Analyse der Schweißnaht dienen.
Wie die Erfinder herausgefunden haben, unterscheiden sich die Topologie einer Schweißnaht bzw. einer Schweißraupe von einer Gutschweißung bzw. einer Schweißung ohne Schweißfehler und die Topologie einer Schweißnaht bzw. einer Schweißraupe von einer Schlechtschweißung bzw. einer Schweißung mit Schweißfehler dahingehend voneinander, dass die Rauigkeit der Schweißraupe bei einer Gutschweißung groß und bei einer Schlechtschweißung gering ist. Alternativ oder zusätzlich können sich eine Gutschweißung und eine Schlechtschweißung in der Form der Wölbung der Schweißnahtoberfläche unterscheiden. Beispielsweise kann, vereinfacht ausgedrückt, die Wölbung der Schweißnahtoberfläche bei einer Gutschweißung ohne Spalt konvex und bei einer Schlechtschweißung mit einem Spalt plan oder sogar konkav sein. Demnach ist der von der Schweißnaht bzw. von der Schweißraupe reflektierte Anteil des Messstrahls, auch „Rückreflex“ oder „reflektierte Messstrahlung“ genannt, im Fall der Gutschweißung geringer als im Fall der Schlechtschweißung. Mit anderen Worten ist die Intensität der reflektierten Messstrahlung beim Vorliegen einer Gutschweißung geringer als beim Vorliegen einer Schlechtschweißung. Basierend auf dieser Erkenntnis kann eine Gutschweißung von einer Schlechtschweißung durch Einstrahlen eines Messstrahls auf die Schweißnaht und durch Detektieren einer Intensität des von der Schweißnaht reflektierten Anteils des eingestrahlten Messstrahls unterschieden werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also, Gutschweißungen von Schlechtschweißungen zu unterscheiden. Bei einer Gutschweißung liegt kein zuvor genannter Schweißfehler vor. Insbesondere kann bei einer Gutschweißung eine Schweißverbindung zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegen. 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 Gutschweißung kann den Fall, dass zwischen den verschweißten Werkstücken kein Spalt vorhanden ist (sogenannter „Nullspalt“), und den Fall umfassen, dass ein Spalt vorhanden ist, dieser aber überbrückt wird (Schweißung mit Anbindung). Eine Schlechtschweißung kann den Fall umfassen, dass zwischen den verschweißten Werkstücken ein Spalt vorhanden ist, dieser aber nicht überbrückt wird (Schweißung ohne Anbindung). Demnach kann das Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserprozess hergestellten Schweißnaht bzw. einer mittels eines Laserstrahls geschweißten elektrischen Verbindung, zum Erkennen eines fehlenden elektrischen Kontakts zwischen verbundenen Werkstücken, z.B. beim Verbinden von Batteriezellen zu Batteriemodulen, verwendet werden.
Da das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, vorzugsweise nach dem eigentlichen Laserschweißen erfolgt, kann das erfindungsgemäße Verfahren als „Post-Process-Verfahren“ oder kurz „Post-Verfahren“ bezeichnet werden.
Vorzugsweise kann das Verfahren ferner umfassen, dass die durch das Laserschweißen verbundenen Werkstücke als „gut“ bzw. „Gutteil“ bewertet oder gekennzeichnet werden, wenn bestimmt wird, dass kein Schweißfehler vorliegt, und als „schlecht“ bzw. „Schlechtteil“ bewertet oder gekennzeichnet, wenn bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt. Basierend darauf können darauffolgende Laserschweißprozesse 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., für einen nächsten Laserschweißprozess angepasst bzw. geregelt werden. Das Verfahren kann weiter das Ausgeben eines Fehlers für Werkstücke umfassen, wenn bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, und/oder das Ausgeben einer Warnung für Werkstücke umfassen, wenn bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt.
Das Messsignal kann einer Strahlungsintensität des reflektierten Anteils des Messstrahls entsprechen. Mit anderen Worten kann das Messsignal auf einer Messung oder Detektion der Strahlungsintensität des reflektieren Anteils basieren. Somit können der Messstrahl und der als Messsignal erfasste reflektierte Anteil des Messstrahls dieselbe Wellenlänge aufweisen. Insbesondere können der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl, der Messstrahl und der als Messsignal erfasste reflektierte Anteil des Messstrahls dieselbe Wellenlänge aufweisen. Das Messen oder Detektieren der Strahlungsintensität des reflektierten Anteils kann mittels zumindest einer Photodiode erfolgen. Die Photodiode kann eine spektrale Empfindlichkeit in einem Wellenlängenbereich aufweisen, der die Wellenlänge des Messstrahls umfasst. Die Photodiode kann eine maximale spektrale Empfindlichkeit bei der Wellenlänge des Messstrahls aufweisen. Das Messsignal kann digital sein. Das Messsignal kann eine Vielzahl von Messwerten umfassen, die jeweils einem Zeitpunkt und/oder einem Ort auf einer Werkstück- oder Schweißnahtoberfläche zugeordnet sind. Das Messsignal kann zeitlich veränderlich sein.
Das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals kann entlang eines Messpfads erfolgen. Das Einstrahlen des Laserstrahls kann entlang eines vorgegebenen Pfades, eines sogenannten Bearbeitungs- oder Schweißpfads, bezüglich der Werkstücke, insbesondere bezüglich der Oberfläche eines oder mehrerer Werkstücke, erfolgen. Das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals kann entlang desselben vorgegebenen Pfades erfolgen. Anders gesagt kann der Schweißpfad und der Messpfad gleich sein. Das Einstrahlen des Messstrahls kann ein Nachfahren der Schweißnaht durch den Messstrahl umfassen. Mit anderen Worten wird der Messstrahl beim Nachfahren der Schweißnaht auf die Schweißnaht eingestrahlt. Das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals kann auf bzw. von einem Punkt der Schweißnaht oder zumindest teilweise entlang der und/oder quer zur Schweißnaht erfolgen. Das Einstrahlen des Messtrahls entlang des Messpfads bzw. das Nachfahren der Schweißnaht durch den Messstrahl kann mit derselben oder einer unterschiedlichen Geschwindigkeit, auch „Vorschubgeschwindigkeit“ genannt, bezüglich der Werkstücke bzw. der Schweißnaht erfolgen, wie das Einstrahlen des Laserstrahls zum Ausbilden der Schweißnaht.
Ist der Schweißfehler das Fehlen einer Schweißverbindung und erfolgt das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals zumindest teilweise entlang der Schweißnaht, können dadurch Bereiche entlang der Schweißnaht, in denen eine Schweißverbindung vorliegt, von Bereichen entlang der Schweißnaht, in denen keine Schweißnaht vorliegt, unterschieden werden. Demnach kann gemäß Ausführungsformen basierend auf dem Messsignal bestimmt werden, ob zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt. Falls bestimmt wurde, dass zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt, kann somit bestimmt werden, dass eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken vorliegt. Anders gesagt kann das Bestimmen basierend auf dem Messsignal, ob zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt, das Bestimmen eines ersten Bereichs entlang der Schweißnaht, in dem eine Schweißverbindung vorliegt, und das Bestimmen eines zweiten Bereichs entlang der Schweißnaht, in dem keine Schweißverbindung vorliegt, umfassen. Demnach kann eine heterogene Schweißnaht analysiert werden, bei der Bereiche mit Schweißverbindung und Bereiche ohne Schweißverbindung, insbesondere ohne elektrischen Kontakt, vorliegen. Ferner können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens weitere Schweißfehler, insbesondere „falsche Freunde“, entlang der Schweißnaht lokalisiert werden. Durch Auswertung der Anteile mit Anbindung und ohne Anbindung können physikalische Kennwerte, wie z.B. die Festigkeit oder die absolute elektrische Leitfähigkeit abgeschätzt werden.
Vorzugsweise wird der Messstrahl auf einen Bereich der Schweißnaht eingestrahlt, in dem bestimmt werden soll, ob ein Schweißfehler vorliegt. Beispielsweise kann der Messstrahl auf die Schweißnaht in einem Überlappbereich eingestrahlt werden, in dem sich die Werkstücke überlappen. Der Messpfad kann also einen Überlappbereich umfassen, in dem sich die Werkstücke überlappen. Der Messpfad kann zusätzlich einen Bereich umfassen, der außerhalb des Überlappbereichs und/oder außerhalb der Schweißnaht liegt. Ein Messsignal von diesem Bereich kann beispielsweise zum Bestimmen eines Referenzwerts für die Intensität der von den Werkstücken bzw. der Schweißnaht reflektierten Messstrahlung dienen. Vorzugsweise umfasst der Messpfad einen ersten Bereich auf einem ersten Werkstück, die Schweißnaht und einen zweiten Bereich auf einem zweiten Werkstück, das mit dem ersten Werkstück verschweißt ist bzw. sein soll. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn der Messpfad entlang der Schweißnaht verläuft. Alternativ kann der Messpfad einen ersten Bereich auf einem Werkstück, die Schweißnaht und einen zweiten Bereich auf dem Werkstück umfassen. Dies ist vorzugsweise der Fall, wenn der Messpfad quer zur Schweißnaht verläuft.
Der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl und/oder der Messstrahl kann eine Wellenlänge im infraroten Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 1030 nm und 1070 nm, oder im sichtbaren grünen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 500 nm und 570 nm, vorzugsweise bei 515 nm, und/oder im sichtbaren blauen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich von 400 nm bis 500 nm, oder in einem Bereich zwischen 440 nm und 460 nm, vorzugsweise bei 450 nm, umfassen. Mit anderen Worten kann eine Laserstrahlquelle verwendet werden, die im infraroten Spektral- bzw. Wellenlängenbereich emittiert. Alternativ kann eine Laserstrahlquelle verwendet werden, die im grünen oder blauen Spektral- bzw. Wellenlängenbereich emittiert. Insbesondere können der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl und der Messstrahl aus derselben Laserstrahlquelle stammen bzw. von derselben Laserstrahlquelle erzeugt werden. Der Messstrahl kann auch ein Pilotlaserstrahl oder LED Licht sein. Der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl und der mit der Messstrahl können also dieselbe oder eine verschiedene Wellenlänge aufweisen.
Wenn der Messstrahl ein Laserstrahl ist, kann die zweite Laserleistung derart gewählt sein, dass der Messstrahl im Wesentlichen vollständig von den Werkstücken bzw. der Schweißnaht reflektiert wird. Vorzugsweise ist die zweite Laserleistung kleiner als eine Laserleistung zum Bearbeiten von Werkstücken und/oder die Vorschubgeschwindigkeit des Messstrahls ist gleich oder höher als die Vorschubgeschwindigkeit des mit der ersten Laserleistung eingestrahlten Laserstrahls zum Ausbilden der Schweißnaht. Die zweite Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit des Messstrahls kann derart gewählt sein, dass der Messstrahl nicht in das bzw. die Werkstücke eingekoppelt. Bei geeignet gewählter zweiten Laserleistung kann die Vorschubgeschwindigkeit des Messstrahls auch kleiner sein als die Vorschubgeschwindigkeit des mit der ersten Laserleistung eingestrahlten Laserstrahls, beispielsweise um ausreichend Daten für die Analyse zu sammeln. Mit anderen Worten kann eine Leistungsdichte des Messstrahls auf einer Oberfläche des bzw. der Werkstücke bzw. auf der Oberfläche der Schweißnaht so eingestellt werden, dass sie unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem der Messstrahl in das bzw. die Werkstücke einkoppelt oder bei dem das Werkstück schmilzt. Insbesondere kann die zweite Laserleistung und ein Querschnitt des Messstrahls derart gewählt sein, dass die daraus resultierende Leistungsdichte auf einer Oberfläche des bzw. der Werkstücke bzw. auf der Oberfläche der Schweißnaht unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem der Messstrahl in das bzw. die Werkstücke einkoppelt oder bei dem das Werkstück schmilzt. Mit anderen Worten kann ein lokaler Eintrag des Messstrahls in die Oberfläche des bzw. der Werkstücke so gering sein, dass dieser nicht zum Schmelzen des bzw. der Werkstücke führt und/oder dass der Laserstrahl nicht in das bzw. die Werkstücke eingekoppelt wird. Die zweite Laserleistung kann zwischen 1 W und 1 kW, vorzugsweise zwischen 5 W und 300 W, besonders vorzugsweise zwischen 5 W und 200 W, insbesondere bei 200 W liegen. Wenn der Messstrahl von einer Pilotlaserquelle stammt, kann die zweite Laserleistung kleiner 20 Watt sein, insbesondere kleiner als 1 Watt oder sogar zwischen 1 mW und 10 mW. Vorzugsweise wird der Messstrahl in einem Dauerstrich-Betriebsmodus (CW- Modus) der Laserquelle eingestrahlt. Die erste und/oder zweite Laserleistung kann eine mittlere Laserleistung angeben.
In einer Ausführungsform wird basierend auf dem Messsignal von der Schweißnaht bestimmt, ob ein Schweißfehler bzw. ob zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt. Mit anderen Worten wird vorzugsweise ein Bereich des Messsignals, der der Schweißnaht oder dem Überlappbereich entspricht, zur Analyse der Schweißnaht verwendet. Beispielsweise kann basierend auf einem Rauschanteil des Messsignals von der Schweißnaht bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt.
In einer Ausführungsform wird bestimmt, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn das Messsignal oder der Rauschanteil des Messsignals über einem Referenzwert oder einem Referenzverlauf (auch als „Referenzkurve“ bezeichnet) liegt. Dies kann auch als Ansteigen des Messsignals bzw. des Rauschanteils bezeichnet werden. Der Referenzwert bzw. der Referenzverlauf kann basierend auf einem Material und/oder einer Dicke der Werkstücke vorgegeben sein, mit anderen Worten kann der Referenzwert bzw. der Referenzverlauf von dem Material oder der Dicke der Werkstücke abhängen. Der Referenzverlauf kann insbesondere ein vorgegebener zeitlicher oder örtlicher Referenzverlauf sein. Der Referenzverlauf kann eine vorgegebene untere Hüllkurve sein. Der Referenzverlauf kann insbesondere entlang der Schweißnaht und/oder entlang des Messpfads vorgegeben sein.
Das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, kann das Bilden eines Integrals über das Messsignal oder über den Rauschanteil des Messignals umfassen. In einer Ausführungsform wird bestimmt, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn das Integral einen vorgegebenen Integral-Grenzwert überschreitet, bzw. dass kein Schweißfehler vorliegt, wenn das Integral einen vorgegebenen Integral-Grenzwert unterschreitet. Das Integral kann über einen Bereich des Messsignals oder des Rauschanteils gebildet werden, der der Schweißnaht entspricht oder einen Teil der Schweißnaht umfasst. In einer weiteren Ausführungsform kann das Bilden des Integrals über zumindest einen Bereich des Messsignals oder des Rauschanteils erfolgen, in denen das Messsignal bzw. der Rauschanteil ausschließlich über und/oder ausschließlich unter einem vorgegebenen Integral-Referenzwert liegt. Der zumindest eine Bereich des Messsignals bzw. des Rauschanteils kann einen globalen oder lokalen Extremwert, d.h. einen Maximalwert oder einen Minimalwert, des Messsignals bzw. des Rauschanteils umfassen und kann auch als „Peak“ des Messsignals bzw. des Rauschanteils bezeichnet werden. Gemäß Ausführungsformen kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Summe der Integrale über die Bereiche des Messsignals bzw. des Rauschanteils, in denen das Messsignal bzw. der Rauschanteil ausschließlich über und/oder ausschließlich unter einem vorgegebenen Integral-Referenzwert liegt, einen vorgegebenen Integral-Grenzwert überschreitet. Gemäß Ausführungsformen kann auch ein Integral von diesen Integralen bestimmt werden, das den größten Wert aufweist, d.h. das maximale Integral. Anschließend kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn dieses maximale Integral einen vorgegeben Integral-Grenzwert überschreitet.
Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, das Bilden eines Mittelwerts des Messsignals bzw. des Rauschanteils umfassen. Das Bilden eines Mittelwerts kann zumindest über einen Bereich des Messsignals bzw. des Rauschanteils erfolgen, beispielsweise über einen Bereich, der dem Überlappbereich oder der Schweißnaht entspricht. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn der Mittelwert einen vorgegebenen Mittelwert-Grenzwert überschreitet.
Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, das Ermitteln einer Ausreißerhäufigkeit des Messsignals umfassen. Die Ausreißerhäufigkeit kann auch als „Fehlerhäufigkeit“ bezeichnet werden. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Ausreißerhäufigkeit des Messsignals einen vorgegebenen Ausreißer-Grenzwert überschreitet. Die Ausreißerhäufigkeit kann über mindestens einen Bereich des Messsignals gebildet werden. Die Ausreißerhäufigkeit kann definiert sein als eine Häufigkeit bzw. Anzahl von Werten des Messsignals, die außerhalb von vorgegebenen Hüllkurven für das 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 Messsignals angegeben sein. Alternativ kann die Ausreißerhäufigkeit absolut angegeben sein.
Die zuvor erwähnten Referenzwerte, Referenzkurven und Grenzwerte können abhängig von oder basierend auf einem zu bestimmenden Schweißfehler bzw. einer Schweißaufgabe vorgegeben sein. Beispielsweise kann zum Bestimmen, ob ein Spalt vorliegt, ein anderer Referenzwert vorgegeben sein als zum Bestimmen, ob ein Spalt ohne Spaltüberbrückung, d.h. ein falscher Freund, vorliegt.
Gemäß Ausführungsformen umfasst das Verfahren eine Vorverarbeitung des Messsignals, insbesondere ein Glätten und/oder Filtern des Messsignals, insbesondere das Filtern des Rauschanteils aus dem Messsignal.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere beim Laserschweißen im Überlapp- oder Parallelstoßverwendet werden. Mit anderen Worten können die Werkstücke beim Einstrahlen des Laserstrahls mit der ersten Laserleistung, im Überlappstoß oder Parallelstoß, d.h. in Überlappgeometrie, angeordnet sein. Die Nahtgeometrie ist vorzugsweise eine 1-Naht oder eine Überlappnaht.
Zumindest eines der Werkstücke kann Aluminium, Stahl, Hilumin®, Kupfer, (vorzugsweise galvanisch) mit Nickel beschichtetes Kupfer, und/oder Nickel aufweisen oder daraus bestehen.
Zumindest eines der Werkstücke kann eine Dicke zwischen 0,05 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm, eine Dicke zwischen 0,05 mm und 0,5 mm, eine Dicke von ca. 0,07 mm, eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, oder eine Dicke von ca. 0,3 mm aufweisen.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren bei Batteriekontaktierung eingesetzt, um zu bestimmen, ob eine elektrische Verbindung vorliegt. Die Werkstücke können einen Teil, insbesondere einen Ableiter, einer ersten Batteriezelle und einen Teil, insbesondere einen Ableiter, einer zweiten Batteriezelle umfassen. Die Schweißnaht kann also zwischen Zellverbindern und/oder zwischen Bus-Bars ausgebildet werden. Als Schweißverbindung kann ein geschweißter elektrischer Kontakt zwischen den Teilen, insbesondere zwischen den Ableitern, der Batteriezellen analysiert werden. Die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle kann als Pouch- Batteriezelle, prismatische Batteriezelle oder zylindrische Batteriezelle ausgebildet sein oder zumindest eine dieser Batteriezellen umfassen. Insbesondere können die Batteriezellen als Pouch-Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Teil der einen Batteriezelle Aluminium umfassen und der Teil der anderen Batteriezelle kann Kupfer umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Alternativ können der Teil der einen Batteriezelle und der Teil der anderen Batteriezelle beide aus demselben Material sein, z.B. aus Kupfer oder aus Aluminium. Die Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Eine Dicke der Teile der Batteriezellen kann zwischen 0,2 mm und 0,4 mm betragen. Ferner können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall können der Teil der einen Batteriezelle und der Teil der anderen Batteriezelle beide aus demselben Material, z.B. aus Aluminium, bestehen. Eine Dicke der Teile der beiden Batteriezellen kann zwischen 1 mm und 5 mm betragen. Darüber hinaus können die Batteriezellen als zylindrische Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Teil der einen Batteriezelle aus Hilumin® oder Aluminium bestehen und der Teil der anderen Batteriezelle kann Hilumin®, Aluminium oder Kupfer umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Die Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Eine Dicke der Teile der beiden Batteriezellen kann zwischen 0,4 mm und 0,5 mm betragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Analysieren eines Laserschweißprozesses, insbesondere zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess hergestellten Schweißnaht, angegeben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Ausbilden einer bzw. der Schweißnaht durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einer ersten Laserleistung auf zumindest eines von den zu verschweißenden Werkstücken; Einstrahlen des Laserstrahls mit einer zweiten Laserleistung auf die Schweißnaht, wobei die zweite Laserleistung geringer als die erste Laserleistung ist; Erfassen eines Messsignals für einen von der Schweißnaht reflektierten bzw. zurück gestreuten Anteil des mit der zweiten Laserleistung eingestrahlten Laserstrahls; und Bestimmen basierend auf dem Messsignal, ob zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt. Der Laserstrahl mit der ersten Laserleistung und der Laserstrahl mit der zweiten Laserleistung können aus derselben Laserstrahlquelle stammen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht angegeben. Die oben beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren können durch das Laserbearbeitungssystem durchgeführt werden, welches einen Laserbearbeitungsvorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels Laserstrahl, insbesondere einen Laserschweißkopf, und ein Sensormodul umfasst.
Das Laserbearbeitungssystem kann zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht umfassen: einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, zum Einstrahlen eines Laserstrahls und/oder eines Messstrahls auf ein Werkstück; ein Sensormodul zum Erfassen eines von der Schweißnaht reflektierten Anteils des Messstrahls; und eine Steuervorrichtung, eingerichtet, das Laserbearbeitungssystem zu steuern, um ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung durchzuführen.
Der Laserschweißkopf kann als sogenannter Festoptik-Laserschweißkopf oder als sogenannter Scanner-Laserschweißkopf ausgebildet sein. Der Scanner-Laserschweißkopf kann eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Laserstrahls auf dem Werkstück aufweisen. Die Ablenkeinheit kann eine Scanner-Optik, Scanner-System, Scanner-Spiegel und/oder einen Galvano-Scanner aufweisen. Bei dem Festoptik-Laserschweißkopf kann der Laserstrahl durch Bewegung des Laserschweißkopfs selbst relativ zum Werkstück bewegt werden, oder das Werkstück wird relativ zum Laserschweißkopf bewegt.
Das Sensormodul umfasst zumindest einen Detektor zum Detektieren der reflektierten Laserstrahlung. Der Detektor kann eingerichtet sein, um eine Intensität in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu detektieren. Der Detektor kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf der Detektion ein Messsignal auszugeben. Der Detektor kann zumindest eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray und/oder eine Kamera, beispielsweise eine CMOS- oder CCD-basierte Kamera, umfassen. Der Detektor kann nur bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich sensitiv sein. Beispielsweise kann der Detektor in einem Wellenlängenbereich des Messstrahls bzw. in einem Laseremissions-Wellenlängenbereich der Laserbearbeitungsvorrichtung sensitiv sein. Gemäß einer Ausführung umfasst das Sensormodul einen Detektor mit zumindest einer Photodiode, die im Wellenlängenbereich des Messstrahls bzw. im Laseremissions-Wellenlängenbereich sensitiv ist, um die zurückreflektierte Messstrahlung zu detektieren. Demnach kann mit dem Laserbearbeitungssystem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere kann durch das beschriebene Sensormodul das Messsignal erfasst werden.
Das Sensormodul bzw. der Detektor kann gemäß Ausführungsformen an die Laserbearbeitungsvorrichtung gekoppelt sein. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen Strahlteiler zum Auskoppeln der reflektierten Strahlung aus dem Strahlengang des Laserstrahls aufweisen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung kann einen optischen Ausgang zum Auskoppeln der Strahlung umfassen und das Sensormodul kann einen optischen Eingang zum Einkoppeln der aus der Laserbearbeitungsvorrichtung ausgekoppelten Strahlung umfassen. Die Strahlung kann einen von der Schweißnaht reflektierten Anteil des Messstrahls umfassen oder der von der Schweißnaht reflektierte Anteil des Messstrahls sein. Das Sensormodul bzw. der Detektor bzw. die Photodiode kann entlang der bzw. koaxial zur optischen Achse der Laserbearbeitungsvorrichtung bzw. Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls angeordnet sein. Mit anderen Worten verläuft ein Strahlengang der reflektierten Messstrahlung zwischen dem Werkstück und dem Detektor zumindest teilweise innerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder koaxial mit dem Strahlengang des Laserstrahls. Alternativ kann das Sensormodul bzw. der Detektor so angeordnet sein, dass eine Strahlausbreitungsrichtung bzw. ein Strahlengang der reflektierten Messstrahlung zwischen dem Werkstück und dem Detektor vollständig außerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung verläuft.
Gemäß Ausführungsformen kann das Sensormodul alternativ oder zusätzlich zumindest einen Detektor innerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung, d.h. in einem Innenraum bzw. optischen Raum der Laserbearbeitungsvorrichtung, aufweisen. Hierfür kann ein Strahlteiler oder ein Scraperspiegel die reflektierte Messstrahlung auf den Detektor umlenken. Alternativ kann der Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls gewinkelt sein, und der Strahlengang für die reflektierte Messstrahlung geradlinig.
Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das Laserbearbeitungssystem eine Laserstrahlquelle zum Erzeugen des Laserstrahls mit der ersten und/oder zweiten Laserleistung und/oder eine Messstrahlquelle zum Erzeugen des Messstrahls umfassen. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann das das Sensormodul kann alternativ oder zusätzlich zumindest einen Detektor in der Laserstrahlquelle umfassen. Mit anderen Worten kann das Sensormodul einen laserinternen Detektor aufweisen. Die reflektierte Messstrahlung kann in diesem Fall über optische Elemente der Laserbearbeitungsvorrichtung in eine Lichtleitfaser für die Führung des von der Laserstrahlquelle erzeugten Laserstrahls eingekoppelt werden und in der Laserstrahlquelle auf den Detektor treffen.
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 Ausführungsformen der Erfindung durchzuführen, um Laserschweißprozesse bzw. Schweißnähte zu analysieren. Die Steuereinheit kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf einem Ergebnis der Analyse, insbesondere ob ein Schweißfehler vorliegt, das Laserbearbeitungssystem, insbesondere die Laserbearbeitungsvorrichtung, wie vorstehend beschrieben zu regeln bzw. zu steuern.
Der Messstrahl kann jede beliebige Wellenlänge aufweisen, insbesondere eine Wellenlänge im infraroten Bereich oder im sichtbaren grünen oder blauen Bereich. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserquelle für den Laserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks (auch Bearbeitungslaserstrahl genannt) umfassen. Die Laserquelle kann eingerichtet sein, den Messstrahl zu erzeugen. In diesem Fall kann der Messstrahl ein Laserstrahl mit geringerer Leistung als der Laserstrahl zur Materialbearbeitung sein. Der Messstrahl kann ein Pilotlaserstrahl sein. In diesem Fall kann das Laserbearbeitungssystem eine Pilotlaserstrahlquelle, z.B. zum Erzeugen eines Pilotlaserstrahls mit einer Wellenlänge von ca. 630 nm oder ca. 530 nm, umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann das Laserbearbeitungssystem eine LED Quelle zur Erzeugung des Messstrahls umfassen. Der von der LED Quelle erzeugte Messstrahl bzw. das LED-Licht kann, z.B. mittels eines Strahlteilers, in einen Strahlengang des Bearbeitungslasers bzw. in die Laserbearbeitungsvorrichtung eingekoppelt werden. Vorzugsweise wird der Messstrahl in Messtrahlausbreitungsrichtung vor einer Ablenkeinheit in den Strahlengang der Laserbearbeitungsvorrichtung eingekoppelt.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1A zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zum Durchführen eines Verfahrens zum Analysieren eines Laserbearbeitungsprozesses bzw. zum Analysieren einer durch einen Laserbearbeitungsprozess hergestellten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
1B zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls zum Durchführen eines Verfahrens zum Analysieren eines Laserbearbeitungsprozesses bzw. zum Analysieren einer durch einen Laserbearbeitungsprozess hergestellten Schweißnaht gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2 zeigt ein Flussidagramm eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
3A-3C zeigen Messpfade eines Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
4A-4D zeigen Schweißnähte, die mit einem Verfahren zum Analysieren von Laserbearbeitungsprozessen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung analysiert wurden;
5A-5D zeigen beispielhaft Verläufe von Messsignalen, die von einem Verfahren gemäß Ausführungsformen für die in 4A-4D gezeigten Schweißnähte erfasst wurden;
6 zeigt beispielhaft Integralwerte für mehrere Messungen, die Gut-Schweißungen und Schlecht-Schweißungen umfassen, gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
7 zeigt Schweißnähte, die mit einem Verfahren zum Analysieren von Laserbearbeitungsprozessen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung analysiert wurden;
8 zeigen beispielhaft Verläufe von Messsignalen, die von einem Verfahren gemäß Ausführungsformen für die in 7 gezeigten Schweißnähte erfasst wurden; und
9 zeigt beispielhaft Integralwerte für die in 8 gezeigten Messsignale gemäß Ausführungsformen der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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 eines Laserstrahls zum Durchführen eines Verfahrens zum Analysieren eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zum Analysieren bzw. Bewerten einer durch einen Laserbearbeitungsprozess hergestellten Schweißnaht, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. In der vorliegenden detaillierten Beschreibung werden Ausführungsformen beschrieben, in denen der Messstrahl ein Laserstrahl ist. Der Messstrahl kann hierbei von einer Laserstrahlquelle zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahls stammen, oder von einer Pilotlaserquelle zur Erzeugung eines Pilotlaserstrahls. Die Offenbarung ist aber nicht hierauf beschränkt. Ohne Weiteres kann der Messstrahl von einer LED-Quelle stammen bzw. LED-Licht sein, das in einen Bearbeitungslaserstrahlengang der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eingekoppelt wird.
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 Laserstrahlquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretenden Laserstrahl (nicht gezeigt) mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik (nicht gezeigt) auf zu bearbeitende Werkstücke 30a, 30b zu fokussieren oder zu bündeln, um dadurch eine Bearbeitung oder einen Bearbeitungsprozess auszuführen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ist also eingerichtet, einen Bearbeitungsstrahl zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bereitzustellen. Die Bearbeitung kann insbesondere ein Laserschweißen umfassen. Ferner ist die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 eingerichtet, einen Messstrahl auf die bearbeitete Stelle zu richten. Beim Einstrahlen des Messstrahls auf die Werkstücke 30a, 30b wird ein Teil des Messstrahls an einer Werkstückoberfläche von den Werkstücken 30a, 30b reflektiert. Diese reflektierte Messstrahlung 11 tritt in die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 ein und wird dort von einem Strahlteiler 12 aus dem Strahlengang des Laserstrahls ausgekoppelt. Die reflektierte Messstrahlung 11 wird in das Sensormodul 20 geleitet und trifft dort auf einen Detektor (nicht gezeigt). Der Detektor ist eingerichtet, eine Intensität der reflektierten Messstrahlung 11 zu detektieren bzw. zu messen und basierend darauf ein Messsignal zu erzeugen bzw. auszugeben. Der Detektor kann eine Photodiode oder ein Photodioden- oder Pixelarray umfassen. Die Photodiode besitzt eine spektrale Empfindlichkeit im Wellenlängenbereich des eingestrahlten Messstrahls bzw. der reflektierten Messstrahlung 11.
Die Steuereinheit 40 ist mit dem Sensormodul 20 verbunden und empfängt das Messsignal des Detektors. Die Steuereinheit 40 kann eingerichtet sein, um das Messsignal aufzuzeichnen. Die Steuereinheit 40 ist eingerichtet, um ein Bearbeitungsergebnis der Laserbearbeitung zu bestimmen und/oder zu analysieren, und ist insbesondere eingerichtet, um den einen Laserschweißprozess bzw. ein Ergebnis des Laserschweißprozesses, insbesondere eine Schweißnaht, 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 Laserschweißen durchzuführen und/oder zu regeln, und um ein Verfahren zum Analysieren eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zum Analysieren bzw. Bewerten einer durch einen Laserbearbeitungsprozess hergestellten Schweißnaht, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform des Laserbearbeitungssystems 1 liegt ein Strahlverlauf der reflektierten Messstrahlung 11 zwischen den Werkstücken 30a, 30b und dem Detektor zumindest streckenweise innerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 und/oder koaxial mit dem Strahlengang des Laserstrahls.
1B zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Die in 1B gezeigte Ausführungsform ist der in 1A gezeigten Ausführungsform des Laserbearbeitungssystems ähnlich, weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede beschrieben werden. Wie in 1B gezeigt ist das Sensormodul 20 bzw. der Detektor so angeordnet, dass ein Strahlverlauf der reflektierten Messstrahlung 11 zwischen den Werkstücken 30a, 30b und dem Detektor vollständig außerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 liegt. In diesem Fall ist der in 1A gezeigte Strahlteiler 12, sowie die Schnittstelle zwischen dem Sensormodul 20 und der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 nicht erforderlich.
2 zeigt ein Flussidagramm eines Verfahrens zum Analysieren eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zum Analysieren bzw. Bewerten einer durch einen Laserbearbeitungsprozess hergestellten Schweißnaht, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren beginnt mit dem Ausbilden einer Schweißnaht durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einer ersten Laserleistung auf zumindest ein von zwei oder mehr zu verschweißenden Werkstücken (Schritt S1). Anschließend wird ein Messstrahl auf die im Schritt S1 ausgebildete Schweißnaht eingestrahlt (Schritt S2). Der Messstrahl kann beispielsweise ein Laserstrahl mit einer zweiten Laserleistung sein, die geringer als die erste Laserleistung ist. Die zweite Laserleistung ist hierbei geringer als die erste Laserleistung, um ein Einkoppeln in das Material zu verhindern. Ein Messsignal für einen von der Schweißnaht reflektierten Anteil des Messstrahls wird erfasst (Schritt S3). Als letzter Schritt wird basierend auf dem erfassten Messsignal bestimmt, ob ein Schweißfehler vorliegt (Schritt S4). Mit anderen Worten kann bestimmt werden, ob ein elektrischer bzw. mechanischer Kontakt zwischen den Werkstücken vorliegt oder nicht, bzw. ob ein Spalt zwischen den Werkstücken vorliegt oder nicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt, indem die von der Schweißnaht reflektierte Messstrahlung gemessen bzw. detektiert und ausgewertet wird. Die Auswertung kann basierend auf einer Intensität oder Signalhöhe des erfassten Messsignals und/oder basierend darauf, wie stark das Messsignal bezüglich einer Zeitbasis variiert (auch als „Rauschen“, „Rauschanteil“ oder „Rauschsignal“ oder als „Varianz“ des Messsignals bezeichnet), erfolgen.
Der Schweißfehler kann mindestens eines der folgenden umfassen: eine fehlende Schweißverbindung zwischen den Werkstücken, einen Spalt zwischen den Werkstücken, und einen falschen Freund. Die Schweißverbindung kann einen Kontakt, insbesondere einen elektrischen Kontakt, zwischen den Werkstücken, herstellen oder bezeichnen. In einem Beispiel können Schweißungen bzw. Schweißnähte ohne Spalt (d.h. mit Nullspalt) und Schweißungen bzw. Schweißnähte mit Spalt erkannt und unterschieden werden. In einem weiteren Beispiel können Schweißungen bzw. Schweißnähte mit Spalt und Spaltüberbrückung und Schweißungen bzw. Schweißnähte mit Spalt und ohne Spaltüberbrückung (falscher Freund) erkannt und unterschieden werden.
Dazu wird beispielsweise nach dem eigentlichen Laserschweißprozess im Schritt S1, insbesondere nach dem Abkühlen und/oder dem Erstarren der Schweißnaht, die Schweißnaht mit dem Laserstrahl, der in diesem Beispiel als Messstrahl dient, noch einmal überfahren, d.h. der Laserstrahl wird noch einmal auf die Schweißnaht gerichtet bzw. eingestrahlt (Schritt S2). Jedoch weist der erneut eingestrahlte Laserstrahl eine geringere Laserleistung als beim eigentlichen Laserschweißprozess auf, damit der Laserstrahl bzw. die Laserleistung möglichst wenig oder gar nicht in die Werkstücke bzw. in die Schweißnaht einkoppelt. Das Nachfahren der Schweißnaht durch den Laserstrahl mit der zweiten Laserleistung kann mit derselben oder einer anderen Vorschubgeschwindigkeit erfolgen als das Einstrahlen des Laserstrahls mit der ersten Laserleistung zum Ausbilden der Schweißnaht. Die Intensität der von der Schweißnaht reflektierten Laserstrahlung wird detektiert und ein entsprechendes Messsignal erfasst (Schritt S3). Die zweite Laserleistung beträgt gemäß Ausführungsformen zwischen 5 W und 300 W, vorzugsweise zwischen 5 W und 200 W, oder sogar zwischen 1 mW und 10 mW. Die Intensität der reflektierten Mess- bzw. Laserstrahlung kann beim Vorliegen eines Schweißfehlers höher sein als bei einer Gutschweißung, d.h. im Fall, dass kein Schweißfehler vorliegt. Beispielsweise kann die Oberflächenrauigkeit bei einem Schweißfehler geringer sein als bei einer Schweißnaht ohne Schweißfehler. Demnach kann im Schritt S4 basierend auf dem erfassten Messsignal bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt.
Das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, kann auf einem Integral des Messsignals und/oder einem Integral eines Rauschanteils des Messignals in zumindest einem Bereich des Messsignals basieren. Hierfür kann im Schritt S4 zum Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, ein Integral über mindestens einen Bereich des Messsignals bzw. des Rauschanteils gebildet werden. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn das Integral einen vorgegebenen Integral-Grenzwertüberschreitet. „Integral“ kann hier eine Fläche des Messsignals bzw. des Rauschanteils in dem betrachteten Bereich bezeichnen. Alternativ oder zusätzlich kann das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, auf zumindest einem von einer Amplitude bzw. einem Amplitudenmittelwert des Messsignals, von einer Fläche zwischen dem Messsignal und einer Referenzkurve bzw. auf einer Fläche des Messsignals oberhalb eines Referenzwerts, und von einer Fehlerhäufigkeit des Messsignals in zumindest einem Bereich des Messsignals basieren. „Amplitude“ kann hier durch eine Größe bzw. einen Betrag des Messsignal-Überschwingens im Vergleich zu einer Referenzkurve definiert sein. Die Fehlerhäufigkeit kann als Maß für die Anzahl der Überschwinger des Messsignals betrachtet werden.
Gemäß Ausführungsformen basiert das Messsignal auf einer Messung oder Detektion der Strahlungsintensität des reflektieren Anteils bzw. der reflektierten Messstrahlung. Das Messen oder Detektieren der Strahlungsintensität des reflektierten Anteils kann mittels einer Photodiode erfolgen. Die Photodiode kann eine spektrale Empfindlichkeit in einem Wellenlängenbereich aufweisen, der die Wellenlänge des Messstrahls umfasst. Die Photodiode kann gemäß Ausführungsformen eine maximale spektrale Empfindlichkeit bei der Wellenlänge des Messstrahls aufweisen. Das Messsignal kann beispielsweise durch den Detektor des Sensormoduls 20 der in 1 gezeigten Ausführungsform erfasst werden. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt.
Das von Photodiode ausgegebene Messsignal kann ein zeitlich variables Spannungssignal und insbesondere ein analoges Spannungssignal sein. Dieses Messsignal kann gemäß Ausführungsformen vorverarbeitet werden. Insbesondere kann das Messsignal in ein digitales Spannungssignal umgewandelt werden, welches Zeitpunkten zugeordneten Spannungswerte umfasst. Ferner kann das Messsignal geglättet und/oder gefiltert werden. Das Messsignal kann also einen zeitlichen Verlauf einer Ausgangspannung der Photodiode entsprechen.
Das Einstrahlen des Messstrahls (Schritt S2) kann gemäß Ausführungsformen entlang eines vorgegebenen Messpfads 302 erfolgen, wie in 3A-3C gezeigt ist. Das Einstrahlen des Messstrahls (Schritt S2) kann gemäß Ausführungsformen ein Nachfahren der Schweißnaht 301 durch den Messstrahl umfassen. Mit anderen Worten wird der Messstrahl auf der Schweißnaht 301 entlang derselben geführt. In diesem Beispiel kann der Messpfad 302 einen Bereich auf einer Oberfläche eines ersten Werkstücks 30a, einen Bereich auf der Schweißnaht 301 und einen Bereich auf einer Oberfläche des ersten Werkstücks 30a oder eines zweiten Werkstücks 30b umfassen (vgl. 3A und 3C). Gemäß weiterer Ausführungsformen kann das Einstrahlen des Messstrahls auch zumindest teilweise quer zur Schweißnaht 301 erfolgen. Hier kann beispielsweise die Schweißnaht 301 mit dem Messstrahl senkrecht zum Verlauf der Schweißnaht 301 überfahren werden. In diesem Beispiel kann der Messpfad 302 einen Bereich auf einer Oberfläche eines ersten Werkstücks 30a, einen Bereich auf der Schweißnaht 301 und einen weiteren Bereich auf der Oberfläche des ersten Werkstücks 30a enthalten (vgl. 3B). Erfolgt das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals zumindest teilweise entlang der Schweißnaht 301 bzw. wird die Schweißnaht 301 mit dem Messstrahl nachgefahren, können beispielsweise Bereiche entlang der Schweißnaht 301, in denen ein Schweißverbindung vorliegt, von Bereichen entlang der Schweißnaht 301, in denen keine Schweißverbindung vorliegt (d.h. ein Schweißfehler liegt vor), unterschieden werden. Demnach kann gemäß Ausführungsformen basierend auf dem Messsignal bestimmt werden, ob zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht 301 zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt. Falls bestimmt wurde, dass zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht 301 zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt, kann für die verschweißten Werkstücke insgesamt bestimmt werden, dass eine Schweißverbindung vorliegt. Demnach kann eine heterogene Schweißnaht 301 analysiert werden, bei der Bereiche mit Schweißverbindung und Bereiche ohne Schweißverbindung, insbesondere ohne elektrischen Kontakt, vorliegen. Ferner können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens Fehler entlang der Schweißnaht 301 lokalisiert werden. Anhand der Anteile mit Schweißverbindung und ohne Schweißverbindung können absolute Werte von physikalischen Kenngrößen wir der elektrischen Leitfähigkeit oder der Festigkeit abgeschätzt werden.
Ist das Messsignal, wie vorstehend beschrieben, ein zeitlich variables Spannungssignal, mit Zeitpunkten zugeordneten Spannungswerten, kann anhand der bekannten Vorschubgeschwindigkeit und der bekannten Position der Schweißnaht bzw. dem bekannten Verlauf des Messpfades das Messsignal derart umgewandelt werden, dass die Spannungswerte den Zeitpunkten entsprechenden Positionen des Messpfades zugeordnet sind. Das so umgewandelte Messsignal kann also ein örtlich variables, zeitlich unabhängiges Spannungssignal sein.
Das Einstrahlen des Laserstrahls mit der ersten Laserleistung zum Herstellen der Schweißnaht (Schritt S1) kann entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfades bezüglich der Werkstücke 30a, 30b, insbesondere bezüglich der Oberfläche eines oder mehrerer Werkstücke, erfolgen. Beispielsweise kann der Bearbeitungspfad ein Sägezahnmuster oder ein Zickzack-Muster umfassen, um eine geradlinige Schweißnaht mit einer vorgegebenen Breite zu erzeugen. Gemäß Ausführungsformen kann das Einstrahlen des Messstrahls und/oder das Erfassen des Messsignals (Schritte S2, S3) entlang desselben vorgegebenen Bearbeitungspfades erfolgen. Mit anderen Worten kann der Messpfad mit dem Bearbeitungspfad identisch sein.
Gemäß Ausführungsformen können der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl und der Messstrahl dieselbe Wellenlänge aufweisen. Der mit der ersten Laserleistung eingestrahlte Laserstrahl und der Messstrahl können aus derselben Laserstrahlquelle stammen bzw. von derselben Laserstrahlquelle erzeugt werden. Insbesondere kann zum Einstrahlen des Laserstrahls mit der ersten Laserleistung und zum Einstrahlen des Messstrahls dieselbe Laserbearbeitungsvorrichtung 10 der in 1 gezeigten Ausführungsform verwendet werden. Wenn der Messstrahl aus einer anderen Quelle als der Bearbeitungslaserstrahl stammt, kann der Messstrahl entweder in den Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls, z.B. durch einen Strahlteiler, eingekoppelt werden, oder der Strahlengang des eingestrahlten Messstrahls kann vollständig außerhalb der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 verlaufen. In letzterem Fall kann die Messstrahlquelle außen an der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 angebracht sein.
Das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann insbesondere zum Analysieren einer Schweißnaht beim Laserschweißen von Werkstücken im Überlapp- oder Parallelstoß, und insbesondere von I-Schweißnähten, verwendet werden.
Zumindest eines der Werkstücke kann eine Batterie, ein Batteriemodul und/oder eine Batteriezelle oder zumindest einen Teil davon, insbesondere einen Ableiter, ein Gehäuse, einen Zelldeckel, einen Zellverbinder oder einen Anschluss, umfassen. Die Batteriezelle kann als Pouch-Batteriezelle, prismatische Batteriezelle oder zylindrische Batteriezelle ausgebildet sein oder zumindest eine dieser Batteriezellen umfassen. Das Laserschweißen im Schritt S1 kann zum gasdichten Schweißen von Zellgehäusen von Batteriezellen, zum Schweißen von Membranen von Zelldeckeln von Batteriezellen, zum Schweißen von Anschlüssen in den Zelldeckeln von Batteriezellen und zum Schweißen einer Berstplatte von Zelldeckeln von Batteriezellen dienen. Gemäß weiterer Ausführungsformen werden Ableiter von zwei oder mehr Batterien verschweißt bzw. miteinander kontaktiert. In diesen Fällen kann das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung zum Analysieren eines geschweißten elektrischen Kontakts zwischen den Werkstücken eingesetzt werden.
Bei Pouch-Batteriezellen beispielsweise kann ein zu verschweißender Teil einer Batteriezelle, insbesondere ein Ableiter, aus Aluminium Al bestehen und ein zu verschweißender Teil, insbesondere ein Ableiter, einer anderen Batteriezelle kann Kupfer Cu umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Diese Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Alternativ können beide zu verschweißenden Teile der Pouch-Batteriezellen aus Aluminium oder aus Kupfer bestehen. Eine Dicke der zu verschweißenden Teile kann zwischen 0,2 mm und 0,4 mm betragen. Demnach kann die Schweißverbindung zwischen Kupfer und Aluminium (Cu-Al), oder zwischen Aluminium und Aluminium (Al-Al) oder zwischen Kupfer und Kupfer (Cu-Cu) oder zwischen Aluminium und Kupfer (Al-Cu) gebildet werden.
Bei prismatischen Batteriezellen können beide zu verschweißenden Teile der Batteriezellen aus Aluminium bestehen. Eine Dicke der zu verschweißenden Teile kann zwischen 1 mm und 5 mm betragen. In diesem Fall wird also die Schweißverbindung zwischen Aluminium und Aluminium Al-Al gebildet.
Bei zylindrischen Batteriezellen kann ein zu verschweißender Teil einer Batteriezelle, insbesondere das Zellgehäuse aus Hilumin® oder Aluminium bestehen und ein zu verschweißender Teil, insbesondere ein Ableiter/Zellverbinder, einer anderen Batteriezelle kann Hilumin®, Aluminium Kupfer Cu umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Die Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Alternativ kann ein zu verschweißender Teil einer Batteriezelle, insbesondere ein Ableiter, aus Hilumin® bestehen und ein zu verschweißender Teil, insbesondere ein Ableiter, einer anderen Batteriezelle kann Aluminium Al umfassen. In beiden Beispielen wird vorzugsweise in den Teil aus Kupfer bzw. Aluminium eingeschweißt. Eine Dicke der zu verschweißenden Teile kann zwischen 0,4 mm und 0,5 mm betragen.
4A-4D zeigen Schweißnähte, die mit einem Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung analysiert wurden. 4A-4D zeigen jeweils in der oberen Zeile („Camera“) eine Draufsicht von beim Laserschweißen im Überlappstoß entstanden I-Schweißnähten, in der mittleren Zeile eine Schnittansicht der jeweiligen Schweißnaht und in der unteren Zeile eine schematische Darstellung der Schnittansicht. In der Draufsicht auf die jeweiligen Schweißnähte ist nicht zu unterscheiden, ob eine Gutschweißung oder eine Schlechtschweißung vorliegt. Gemäß Ausführungsformen kann eine Gutschweißung als Schweißung oder Schweißnaht ohne Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken oder als Schweißung mit Spalt und mit Spaltüberbrückung und eine Schlechtschweißung als Schweißung mit Spalt und ohne Spaltüberbrückung definiert sein.
4A zeigt in der ersten Spalte („Gap: 0 µm“) eine Schweißnaht ohne Spalt. Die verschweißten Werkstücke 30a, 30b, hier als Bleche gezeigt, weisen keinen Spalt dazwischen auf und über die Schweißnaht kann Strom fließen. Die entstandene Schweißung kann dementsprechend als „Gutschweißung“ gekennzeichnet werden. Wie gezeigt ist die Schweißraupe relativ rau und konvex geformt.
4B zeigt in der zweiten Spalte („Gap: 100 µm“) eine Schweißnaht mit einem Spalt S zwischen den beiden 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 eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken, d.h. ein elektrischer Kontakt. Die Schweißung kann dementsprechend ebenfalls als „Gutschweißung“ bezeichnet werden. Wie gezeigt ist die Schweißraupe relativ rau und konkavgeformt.
4C-4D zeigen typische Fehlerbilder bzw. Bearbeitungsfehler, die mithilfe des Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erkannt werden können. 4C und 4D zeigen in der dritten und vierten Spalte („Gap: 150 µm“ und „Gap: 200 µm“) ein typisches Fehlerbild, auch als „false friend“ oder „falscher Freund“ bezeichnet. Dabei liegt ein Spalt S zwischen den Werkstücken 30a, 30b vor, der nicht überbrückt ist, sodass kein elektrischer Kontakt zwischen den Werkstücken besteht. Es besteht also keine Schweißverbindung. Die Schweißungen können dementsprechend als „Schlechtschweißung“ bezeichnet werden. Wie gezeigt ist die Schweißraupe in beiden Fällen relativ glatt und gegenüber der Werkstückoberfläche kaum erhaben oder vertieft.
5A-5D zeigen beispielhaft Verläufe von Messsignalen, die entlang eines Messpfads in einem Verfahren zum Analysieren von Laserbearbeitungsprozessen gemäß Ausführungsformen erfasst wurden. Die in 5A-5D gezeigten Verläufe des Messsignals wurden jeweils für die in 4A-4D gezeigten Schweißungen bzw. Schweißnähte mit dem Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erfasst. Der Messpfad 302 kann entweder entlang der Schweißnaht 301 (vgl. 3A und 3C) oder quer zur Schweißnaht 301 (vgl. 3B) verlaufen und umfasst in den gezeigten Beispielen sowohl Bereiche auf der Werkstückoberfläche als auch einen Bereich auf der Schweißnaht 301.
Das Messsignal kann durch Detektion der Intensität der Leistung, die beim Einstrahlen des Messstrahls reflektiert wird, erfasst werden. Eine höhere Intensität entspricht dabei einem größeren Wert des Messsignals. In den 5A-5D sind jeweils drei Bereiche des Messsignals eingezeichnet. Ein erster und dritter Bereich „Werkstück“ entspricht einem Bereich, in dem der Messstrahl auf eine Oberfläche eines Werkstücks 30a, 30b, insbesondere eine nicht bearbeitete Oberfläche, d.h. einer Oberfläche außerhalb der Schweißnaht 301, trifft. Die Intensität der reflektierten Messstrahlung ist hoch, da die Oberfläche der Werkstücke 30a, 30b im Vergleich zur Schweißnaht 301 glatt ist. Ein zweiter Bereich „Schweißnaht“, der zwischen dem ersten Bereich und dem dritten Bereich liegt, entspricht einem Bereich, in dem der Messstrahl auf die Schweißnaht 301, bzw. auf die Schweißraupe trifft. Die Intensität der reflektierten Messstrahlung ist verglichen mit der von der unbearbeiteten Oberfläche der Werkstücke 30a, 30b niedrig, da die Oberfläche der Schweißnaht 301 bzw. der Schweißraupe rau ist. In den 5A-5D ist zu erkennen, dass ein Mittelwert des Messsignals im Bereich „Schweißnaht“ stets niedriger ist als ein Mittelwert des Messsignals in den Bereichen „Werkstück“. Der in den 5A-5D grau hinterlegte Bereich des Messsignals entspricht einem Auswertebereich, in dem das Messsignal zum Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, ausgewertet wurde. In den 5A-5D ist zudem ein Referenzwert bzw. eine Referenzkurve für das Messsignal eingezeichnet. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung wird bestimmt, dass ein Schweißfehler vorliegt, falls ein Integral des erfassten Messsignals größer ist als ein vorgegebener Grenzwert, bzw. eine Fläche des Messsignals oberhalb des Referenzwerts größer ist als ein vorgegebener Grenzwert.
Die in 5A und 5B gezeigten Verläufe des erfassten Messsignals entsprechen den Schweißungen von 4A und 4B. In 5A liegt das Messsignal unter dem Referenzwert. In 5B liegt das Messsignal ebenfalls meist unter dem Referenzwert, und das Integral bzw. die zwischen der Referenzkurve und dem Messsignal eingeschlossene Fläche in den Bereichen, in denen das Messsignal über dem Referenzwert liegt, ist kleiner als der vorgegebene Grenzwert. Somit wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, dass kein Schweißfehler vorliegt. Das heißt in diesem Fall, dass zwischen den Werkstücken eine Schweißverbindung vorliegt, bzw. dass ein elektrischer Kontakt zwischen den Werkstücken vorliegt.
Die in 5C und 5D gezeigten Verläufe des erfassten Messsignals entsprechen den Schweißungen von 4C und 4D. In den 5C und 5D ist das Integral bzw. die zwischen der Referenzkurve und dem Messsignal eingeschlossene Fläche in den Bereichen, in denen das Messsignal über dem Referenzwert liegt, größer als der vorgegebene Grenzwert. Somit wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt, dass ein Schweißfehler vorliegt, bzw. dass keine Schweißverbindung, insbesondere kein elektrischer Kontakt, zwischen den Werkstücken vorliegt.
Demnach kann anhand des Integral- bzw. Flächenwerts bestimmt werden, ob eine Gutschweißung oder eine Schlechtschweißung vorliegt. Ist ein Integralwert kleiner als ein vorgegebener Integral-Grenzwert, kann die entsprechenden Schweißung als Gutschweißung erkannt werden. Entsprechend kann, wenn ein Integralwert größer als der vorgegebene Integral-Grenzwert ist, die entsprechende Schweißung als Schlechtschweißung erkannt werden. Dies ist in 6 für mehrere verschiedenen Schweißungen bzw. Schweißnähte beispielhaft veranschaulicht. Hier sind mehrere Messungen an verschiedenen Schweißnähten und der jeweilige ermittelte Integralwert veranschaulicht. Wie in 6 gezeigt, trennt ein Integral-Grenzwert Gutschweißungen von Schlechtschweißungen.
Das mit Bezug auf 5A-5D erläuterte Bilden des Integrals kann das Bilden eines Integrals über das Messsignal in einem Auswertebereich umfassen, d.h. über einen Bereich des Messsignals, das zumindest einen Teil der Schweißnaht umfasst. Das mit Bezug auf 5A-5D erläuterte Bilden des Integrals kann alternativ das Bilden von Integralen über einen oder mehrere Bereiche des Messsignals umfassen, in denen das Messsignal ausschließlich über dem Referenzwert liegt. Diese Bereiche des Messsignals können einen globalen oder lokalen Maximalwert des Messsignals umfassen, der auch als „Peak“ des Messsignals‟ bezeichnet werden kann. Beispielsweise umfasst das in 5C dargestellte Messsignal fünf derartige Bereiche im grau hinterlegten Auswertebereich bzw. sechs derartige Bereiche auf der Schweißnaht. Gemäß Ausführungsformen kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Summe der Integrale über den zumindest einen Bereich des Messsignals oberhalb des Referenzwerts einen vorgegebenen Grenzwertüberschreitet. Gemäß Ausführungsformen kann auch ein Integral von diesen Integralen bestimmt werden, das einen Maximalwert aufweist. Anschließend kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn dieser maximale Integralwert einen vorgegebenen Grenzwertüberschreitet.
7 zeigt eine Tabelle mit Mikroskopaufnahmen von Schweißnähten bzw. Schweißungen für verschiedene Spaltgrößen, d.h. verschiedenen Abständen zwischen den Werkstücken im Bereich der Schweißnaht. Es ist ein deutlicher Unterschied in der Wölbung des Nahtprofils zu erkennen. „Spalt“ gibt die Größe eines Spalts zwischen den jeweiligen verschweißten Werkstücken an. „3D Ansicht“ stellt eine dreidimensionale Ansicht der jeweiligen Schweißnaht dar. „Schliff‟ zeigt einen Schnitt durch die Schweißnaht und die Werkstücke. „2D Ansicht“ stellt eine zweidimensionale, mikroskopische Draufsicht auf die jeweilige Schweißnaht dar. „Schweißraupe und Messsignal“ stellt eine schematische Querschnittsansicht der Form der jeweiligen Schweißnahtoberfläche und einen Wert des entsprechenden erfassten Messsignals entsprechend einer Anzahl von Pfeilen an. In der Draufsicht auf die jeweiligen Schweißnähte ist nicht zu unterscheiden, ob eine Gutschweißung oder eine Schlechtschweißung vorliegt.
8 zeigt detaillierte Verläufe des erfassten Messsignals für die in 7 gezeigten Schweißungen. Dabei wurden für die in 7 gezeigten Schweißungen jeweils mehrere Messignale erfasst, deren Verläufe in 8 überlagert dargestellt sind. Die Messsignale können durch Detektion der Intensität der Laserleistung, die beim Einstrahlen des Messstrahls reflektiert wird, erfasst werden. Eine höhere Intensität entspricht dabei einem größeren Wert der Messsignale.
Die Topologien der Schweißnähte bzw. Schweißraupen einer Schweißung ohne Schweißfehler, insbesondere wenn kein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt, und einer Schweißung mit Schweißfehler, insbesondere wenn ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt, können sich signifikant unterscheiden. Beispielweise ist in 7 in der Spalte „2D-Ansicht“, die eine mikroskopische Aufnahme der jeweiligen Schweißnaht zeigt, ein Unterschied der Topologie zwischen einer Schweißung mit Nullspalt (0 µm) und einer Schweißung mit einem Spalt mit 10 µm deutlich zu erkennen. Mit anderen Worten hängt die Topologie der Oberfläche Schweißnaht bzw. Schweißraupe von der Größe des Spalts zwischen den verschweißten Werkstücken ab. Beim Nullspalt ist die Oberfläche der Schweißnaht konvex geformt. Mit zunehmender Größe des Spalts (5 µm und 10 µm) zwischen den verschweißten Werkstücken ist, wird die konvexe Wölbung kleiner bzw. die Oberfläche der Schweißnaht wird flacher. Bei einer gewissen Spaltgröße, hier beispielsweise größer als 20 µm, ist die Oberfläche der der Schweißnaht konkav geformt, d.h. die Oberfläche der Schweißnaht hat eine konkave Form.
Die Erfinder haben erkannt, dass insbesondere bei diesen sehr kleinen Spaltgrößen im Bereich von 0 µm bis 20 µm, bzw. in einem Bereich von 0 bis 1/10 der Dicke eines der verschweißten Werkstücke, insbesondere des oberen Werkstücks bzw. des näher zur Laserbearbeitungsvorrichtung liegenden Werkstücks, angegeben werden kann, die Intensität des Messsignals von der Spaltgröße abhängt. Beispielsweise wird bei der konvexen Wölbung der Schweißnahtoberfläche wenig Messstrahlung zurückreflektiert bzw. die Messstrahlung wird abweichend von der Einfallsrichtung des Messstrahls zurückreflektiert. Demnach nimmt die Stärke des Messsignals ab. Mit abnehmender Wölbung bzw. mit zunehmender Größe des Spalts, bis ungefähr 20 µm, wird aufgrund der geringeren Wölbung der Schweißnaht mehr Messstrahlung zurückreflektiert. Demnach nimmt die Stärke des Messsignals zu. Die Erkennung eines Schweißfehlers, insbesondere ob ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt oder nicht, und/oder die Erkennung einer Spaltgröße kann also anhand einer Auswertung des Messsignals erfolgen. Das Messsignal erlaubt die eindeutige Klassifikation einer Schweißung als Gutschweißung oder als Schlechtschweißung. Beispielsweise kann definiert sein, dass ein Schweißfehler und damit eine Schlechtschweißung vorliegt, wenn die Größe des Spalts gleich oder größer als 5 µm oder gleich oder größer als 20 µm ist.
Gemäß Ausführungsformen der Erfindung basiert das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, auf einem Integral des Messsignals in zumindest einem Bereich des Messsignals. In diesem Fall kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, falls der Integralwert des erfassten Messsignals größer ist als ein vorgegebener Grenzwert. Dies ist in Verbindung mit 9 veranschaulicht. 9 zeigt auf der Abszissen-Achse die Nummer der Messung für die in 8 dargestellten und für die Schweißungen 0 µm, 5 µm, 10 µm, 20 µm, 30 µm erfassten Messsignale und zeigt auf der Ordinaten-Achse die entsprechenden Integralwerte. Wie in 8 gezeigt trennt ein Integral-Grenzwert Gutschweißungen mit Nullspalt von Schlechtschweißungen mit einer Spaltgröße von 5 µm oder mehr.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Analyse von Schweißnähten, und insbesondere zur Erkennung von Schweißfehlern bzw. zur Unterscheidung von Gutschwei-ßungen und Schlechtschweißungen sowie ein Laserbearbeitungssystem zur Durchführung dieses Verfahrens angegeben. Dabei wird nach dem Durchführen des eigentlichen Laserschweißprozesses ein Laserstahl mit geringerer Laserleistung als beim Laserschweißprozess auf die Schweißnaht eingestrahlt und von der Schweißnaht reflektierte Messstrahlung detektiert und ausgewertet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist unabhängig von der Dicke und/oder der Materialart der Werkstücke. Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass aufgrund der unterschiedlichen Topologie bzw. Oberflächenbeschaffenheit der Schweißnaht von Gut- und Schlechtschweißungen basierend auf der reflektierten Messstrahlung Rückschlüsse auf das Vorliegen eines Schweißfehlers gezogen werden können. Dadurch kann die Bearbeitungsqualität des Laserschweißprozesses und die Qualität der Schweißnaht unkompliziert und schnell beurteilt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019122047 [0004]
DE 102020104462 [0005]

Claims

Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht (301), umfassend: - Ausbilden (S1) einer Schweißnaht (301) zum Verschweißen von mindestens zwei Werkstücken (30a, 30b) durch Einstrahlen eines Laserstrahls mit einer ersten Laserleistung auf eines der Werkstücke (30a, 30b); - Einstrahlen (S2) eines Messstrahls auf die Schweißnaht (301); - Erfassen (S3) eines von der Schweißnaht (301) reflektierten Anteils des Messstrahls mittels zumindest einer Photodiode und Erzeugen eines entsprechenden Messsignals; und - Bestimmen (S4) basierend auf dem Messsignal, ob ein Schweißfehler vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schweißfehler mindestens eines der folgenden umfasst: eine fehlende Schweißverbindung zwischen den Werkstücken (30a, 30b), und einen Spalt zwischen den Werkstücken (30a, 30b).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Messstrahl ein Laserstrahl, ein Pilotlaserstrahl oder LED Licht ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstrahlen (S1) des Laserstrahls entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfades bezüglich des Werkstücks (30a, 30b) erfolgt und wobei das Einstrahlen (S2) des Messstrahls entlang eines Messpfads (302) erfolgt, der mit dem Bearbeitungspfad identisch ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstrahlen (S2) des Messstrahls auf einen Punkt der Schweißnaht (301) oder entlang eines Messpfads (302) erfolgt, der entlang und/oder quer zur Schweißnaht (301) verläuft.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Laserstrahl und/oder der Messstrahl eine Wellenlänge im infraroten Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 1030 nm und 1070 nm, oder im sichtbaren grünen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 500 nm und 570 nm, vorzugsweise bei 515 nm, und/oder blauen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich von 400 nm bis 500 nm oder in einem Bereich zwischen 440 nm und 460 nm, vorzugsweise bei 450 nm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Messstrahl ein Laserstrahl mit einer zweiten Laserleistung ist, die kleiner als die erste Laserleistung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Laserleistung zwischen 1 mW und 10 mW oder zwischen 1 W und 1 kW, vorzugsweise zwischen 5 W und 300 W, besonders vorzugsweise zwischen 5 W und 200 W, liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn das Messsignal oder ein Rauschanteil des Messsignals über einem Referenzwert oder einer Referenzkurve liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen (S4), ob ein Schweißfehler vorliegt, umfasst: das Bilden eines Integrals über das Messsignal oder über einen Rauschanteil des Messsignals, wobei bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn das Integral einen vorgegebenen Integral-Grenzwertüberschreitet; und/oder das Bilden eines Mittelwerts des Messsignals oder eines Rauschanteils des Messsignals, wobei bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn der Mittelwert einen vorgegebenen Mittelwert-Grenzwertüberschreitet; und/oder das Bestimmen einer Fläche des Messsignals oder des Rauschanteils des Messsignals oberhalb eines Referenzwerts, wobei bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Fläche größer als ein vorgegebener Grenzwert ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke (30a, 30b) beim Einstrahlen des Laserstrahls im Überlappstoß oder im Parallelstoß angeordnet sind.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Material von mindestens einem der Werkstücke (30a, 30b) Aluminium, Stahl, Kupfer, mit Nickel beschichtetes Kupfer und/oder Nickel aufweist oder daraus besteht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der Werkstücke eine Dicke zwischen 0,05 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm, eine Dicke zwischen 0,05 mm und 1 mm, eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, oder eine Dicke von 0,3 mm oder von 0,07 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke (30a, 30b) einen Ableiter einer Batteriezelle und/oder einen Anschluss einer Batteriezelle umfassen.
Laserbearbeitungssystem (1) zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht (301), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (10) zum Einstrahlen eines Laserstrahls und eines Messstrahls auf ein Werkstück (30a, 30b); ein Sensormodul (20) mit zumindest einer Photodiode zum Erfassen eines von der Schweißnaht (301) reflektierten Anteils des Messstrahls; und eine Steuervorrichtung (40), eingerichtet, das Laserbearbeitungssystem (1) zu steuern, um ein Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche durchzuführen.