DE102020209692B4 - Method and device for controlling a laser welding process for welding two glass workpieces - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschwei-ßen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4) ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) detektiert und ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird:- die über einen Intensitätspeak (23, 24) integrierte Intensität der Prozessstrahlung (10),- Halbwertsbreite (ΔI) eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10),- zeitlicher Abstand (Δt) zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit einem als senkrecht definiertem Intensitätsabfall (22), in dem die Intensität innerhalb von höchstens 0,01 ms um 90% abfällt,- Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22) befindlichen Intensitätspeaks (24) der Prozessstrahlung (10) ohne senkrechten Intensitätsabfall, und- zeitlicher Abstand (δt) zwischen dem Beginn (t0) eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall (22) oder einer Intensitätsspitze (25) eines Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10), und dass mindestens ein Schweißparameter anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals angepasst oder geregelt wird.Method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces (2, 3) that are transparent to the laser wavelength, with a melt volume (7) being created in the workpieces (1, 2) by a pulsed laser beam (4) in the area of the interface (5) of the both workpieces (2, 3) is melted in order to produce a weld seam (8), and the intensity of the process radiation (10) emitted by the melting volume (7) being detected and evaluated, characterized in that the detected intensity profile with regard to at least one of the the following characteristics are evaluated: - the intensity of the process radiation (10) integrated via an intensity peak (23, 24), - full width at half maximum (ΔI) of an intensity peak (23, 24) of the process radiation (10), - time interval (Δt) between two intensity peaks (23) the process radiation (10) with an intensity drop (22) defined as vertical, in which the intensity drops by 90% within a maximum of 0.01 ms,- number of between two intensity peaks (23) of the process radiation (10) with a vertical drop in intensity (22) located intensity peaks (24) of the process radiation (10) without a vertical drop in intensity, and time interval (δt) between the beginning (t0) of an intensity increase and a vertical drop in intensity (22) or an intensity peak (25) of an intensity peak (23) of the process radiation (10), and in that at least one welding parameter is adjusted or regulated on the basis of the at least one evaluated feature.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken von einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen im Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen emittierten Prozessstrahlung detektiert wird.The present invention relates to a method and a device for monitoring a laser welding process for welding two workpieces, preferably made of glass, which are transparent to the laser wavelength, a melt volume in the workpieces being melted in the area of the interface between the two workpieces by a pulsed laser beam, in particular an ultra-short pulsed laser beam. to produce a weld seam, and wherein the intensity of the process radiation emitted by the melt volume is detected.
Ein derartiges Überwachungsverfahren ist beispielsweise durch die
Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt zumeist in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das geschweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzogen. Ob ein Spalt überbrückt wurde oder nicht, wird mit einem Mikroskop bestimmt. Die Position und die Größe des Spalts werden bisher aufwendig nach Prozessende anhand von Querschliffen mikroskopisch untersucht. Zudem werden Festigkeitsmessungen durchgeführt.The quality control of two laser-welded glass workpieces is usually carried out in a work step downstream of the welding process. The welded end workpiece is often subjected to a complex manual test. Whether or not a gap has been bridged is determined using a microscope. The position and the size of the gap have so far been examined under a microscope after the end of the process using cross sections. Strength measurements are also carried out.
Aus der
Laserschweißprozesse für transparente Materialien werden bisher gesteuert durchgeführt. Zur Verbesserung der Schweißnahtqualität wird die mittlere Laserleistung moduliert und/oder Strahlformung eingesetzt.Laser welding processes for transparent materials have so far been carried out in a controlled manner. To improve the quality of the weld seam, the average laser power is modulated and/or beam shaping is used.
Um die Verkippung eines Werkstücks zu korrigieren und die Schweißnaht optimal zu positionieren, werden bisher mehrstufige Verfahren eingesetzt (siehe z.B. Elke Kaiser, Laser Welding of Glass Replaces Glueing Procedure Glass welding with a femtosecond laser brings economic advantages and new design options, Laser Technik Journal, und Simone Russ, Strong connection: welding of different kinds of glass using femtosecond laser pulses, Lasers in Manufacturing). Im ersten Schritt wird die Position des Werkstücks entlang der Schweißnahtkontur oder anhand mehrerer Fixpunkte vermessen. Die Vermessung erfolgt dabei oftmals optisch über die Reflexion eines Messstrahls an der Grenzfläche oder der ersten Glasoberfläche. In einem zweiten Schritt wird das Werkstück ausgerichtet oder die Fokuslage gesteuert angepasst. Im letzten Schritt erfolgt der Schweißprozess.In order to correct the tilting of a workpiece and to optimally position the weld seam, multi-stage processes have been used up to now (see e.g. Elke Kaiser, Laser Welding of Glass Replaces Glueing Procedure Glass welding with a femtosecond laser brings economic advantages and new design options, Laser Technik Journal, and Simone Russ, Strong connection: welding of different kinds of glass using femtosecond laser pulses, Lasers in Manufacturing). In the first step, the position of the workpiece is measured along the weld seam contour or using several fixed points. The measurement often takes place optically via the reflection of a measuring beam at the interface or the first glass surface. In a second step, the workpiece is aligned or the focus position is adjusted in a controlled manner. The last step is the welding process.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Überwachungsverfahren dahingehend weiterbilden, dass durch eine Überwachung des Schweißprozesses frühzeitig Schweißfehler erkannt werden können, um entgegenwirkende Maßnahmen oder eine Regelung zu ermöglichen.The object of the present invention is to further develop the monitoring method mentioned at the outset such that welding defects can be detected at an early stage by monitoring the welding process in order to enable countermeasures or regulation.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird:
- - Maximalintensität eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- - die über einen Intensitätspeak integrierte Intensität der Prozessstrahlung,
- - Halbwertsbreite eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- - zeitlicher Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall,
- - Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall befindlichen Intensitätspeaks der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall, und
- - zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall oder einer Intensitätsspitze eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- - maximum intensity of an intensity peak of the process radiation,
- - the intensity of the process radiation integrated over an intensity peak,
- - FWHM of an intensity peak of the process radiation,
- - Time interval between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity,
- - number of intensity peaks of the process radiation without a vertical drop in intensity located between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity, and
- - time interval between the beginning of an intensity increase and a vertical decrease in intensity or an intensity peak of an intensity peak of the process radiation,
Vorzugsweise wird die mittlere Laserleistung des Laserstrahls moduliert, um innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen zu erzeugen.Preferably, the average laser power of the laser beam is modulated to produce a single melt volume within a modulation period.
Erfindungsgemäß wird die Prozessstrahlung, die von einem Wechselwirkungsbereich des Laserstrahls mit dem Werkstück ausgeht, genutzt, um Nahtausbildung und -position zu überwachen sowie Schweißfehler, wie z.B. Schweißnahtunregelmäßigkeiten, zu erkennen und entgegenwirkende Maßnahmen oder eine Regelung zu ermöglichen. Die Anpassung des oder der Schweißparameter erfolgt anhand von Merkmalen im Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung. Der Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall kann auf viele Arten bestimmt werden, bevorzugt aber von maximaler Peakintensität zu maximaler Peakintensität.According to the invention, the process radiation, which emanates from an interaction area of the laser beam with the workpiece, is used to monitor seam formation and position and to detect welding defects, such as weld seam irregularities, and to enable countermeasures or regulation. The adaptation of the welding parameter or parameters takes place using features in the intensity profile of the emitted process radiation. The distance between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity can be determined in many ways, but preferably from maximum peak intensity to maximum peak intensity.
Zur Erzeugung von Schweißnähten in Glas mit ultrakurzen Laserpulsen werden verschiedene Ansätze verfolgt. Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolumen nahe der Grenzfläche fokussiert und mit jeder Modulationssequenz ein einzelnes Schmelzvolumen erzeugt. Hierbei wird insbesondere über mehrere Pulse die Absorption in Richtung der einfallenden Wellenfront gezogen, da es dort aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Unter Vorschub bilden viele aneinandergereihte Schmelzvolumen eine zusammenhängende oder periodisch unterbrochene Schweißnaht. Die resultierende Schweißnaht weist eine periodische Signatur auf. Ein erweiterter Ansatz zum Schweißen stellt die Modulation der Laserleistung dar. Bearbeitungsparameter werden derart gewählt, dass innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes/eigenständiges Schmelzvolumen erzeugt wird.Various approaches are being pursued to produce weld seams in glass with ultra-short laser pulses. Classically, a Gaussian beam is focused into the glass volume near the interface and a single melt volume is generated with each modulation sequence. In this case, the absorption is pulled in the direction of the incident wave front, in particular over several pulses, since there is a preferred absorption due to the increased temperature. The longitudinal position of the local energy input thus varies over several pulses due to shielding. Under feed, many melt volumes lined up in a row form a continuous or periodically interrupted weld seam. The resulting weld shows a periodic signature. Modulation of the laser power represents an extended approach to welding. Processing parameters are selected in such a way that a single/independent melt volume is generated within a modulation period.
Die Wechselwirkungszone emittiert typischerweise Strahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum, deren Intensität mit dem Volumen der Wechselwirkungszone korreliert. Entsprechend der Änderung des Volumens der Wechselwirkungszone wird somit für jedes einzelne Schmelzvolumen Strahlung emittiert. Bei modulierter Laserleistung hat sich gezeigt, dass der Intensitätsverlauf, während der Schmelzvolumenbildung, durch die Laserleistungsmodulation reproduzierbar ist und einem festen Verlauf folgt. Außerdem steht der Intensitätsverlauf mit auftretenden Schweißnahtunregelmäßigkeiten in Zusammenhang. So kann anhand charakteristischer Merkmale im Signalverlauf auf Änderungen in der Nahtausdehnung, Prozessabbrüche oder die Position des Spalts innerhalb eines Schmelzvolumens geschlossen werden. Da sich die Änderungen in der Intensität auf den gesamten Spektralbereich gleichermaßen auswirken, kann die Überwachung breitbandig über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv erfolgen.The interaction zone typically emits radiation with a continuous spectrum, the intensity of which correlates with the volume of the interaction zone. Corresponding to the change in the volume of the interaction zone, radiation is thus emitted for each individual melt volume. With modulated laser power, it has been shown that the course of intensity during the formation of the melt volume is reproducible through the laser power modulation and follows a fixed course. In addition, the course of the intensity is related to any weld seam irregularities that occur. In this way, characteristic features in the signal curve can be used to draw conclusions about changes in the extent of the seam, process interruptions or the position of the gap within a melt volume. Since the changes in intensity affect the entire spectral range in the same way, the monitoring can be broadband over a large wavelength range or wavelength-selective.
Erfindungsgemäß sind beispielsweise folgende Regelungsvarianten für das Schweißen von Glas möglich:
- - Regelung der Nahthöhe durch Anpassung des Schmelzvolumenabstandes/mittlere Leistung/Modulationsmusters, z.B. für kleine Radien.
- - Regelung des Schmelzvolumenabstandes bei einem nicht überbrückten Spalt. Dadurch werden für jedes Schmelzvolumen gleichbleibende Bedingungen für Spaltüberbrückung gewährleistet, sowie Schmelzvolumen, welche die Grenzfläche nicht erreichen und damit nicht zum Schweißergebnis beitragen, und Risse, die die Einkopplung und damit den Prozess stören, vermieden.
- - Regelung der Schweißnahtposition, z.B. bei einem verkippten Werkstück. Die Nahtposition wird anhand eines überbrückten oder nicht überbrückbaren Spalts erkannt. Weicht die Position vom Soll ab, wird gegengesteuert.
- - Control of the seam height by adjusting the melt volume distance/average power/modulation pattern, e.g. for small radii.
- - Regulation of the melt volume distance in the case of an unbridged gap. This ensures constant conditions for gap bridging for each melt volume, as well as melt volumes that do not reach the interface and therefore do not contribute to the welding result, and cracks that disturb the coupling and thus the process are avoided.
- - Regulation of the welding seam position, eg with a tilted workpiece. The seam position is detected based on a bridged or non-bridgeable gap. If the position deviates from the target, countermeasures are taken.
Vorzugsweise ist der mindestens eine Schweißparameter die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls. Die mittlere Laserleistung des Laserstrahls kann beispielsweise durch Ändern der maximalen Pulsenergie oder durch Ändern des Abstands zwischen zwei Modulationssequenzen des Laserstrahls angepasst oder geregelt werden.The at least one welding parameter is preferably the average laser power or the feed rate of the laser beam. The average laser power of the laser beam can be adjusted or regulated, for example, by changing the maximum pulse energy or by changing the distance between two modulation sequences of the laser beam.
Vorteilhaft erfolgen die Anpassung oder Regelung des mindestens einen Schweißparameters erst dann, wenn der mindestens eine Schweißparameter einen vorgegebenen Schwellwert unter- oder überschreitet. Wird der Schweißparameter anhand des Abstands zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall angepasst oder geregelt, so erfolgen vorteilhaft die Anpassung oder Regelung des Schweißparameters erst dann, wenn zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall mindestens ein Intensitätspeak der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall liegt. Dieser Fall bezieht sich auf die Regelung beim Prozessabbruch. Der Abstand zwischen den Schmelzvolumen soll minimal sein oder minimal gehalten werden. Ggf. kann es erforderlich sein, nicht auf ein Schmelzvolumen, welches nicht zum Schweißergebnis beiträgt, zu warten, sondern den Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall automatisch so lange zu verringern, bis gerade kein Schmelzvolumen erzeugt wird, welches nicht zum Schweißergebnis beiträgt.Advantageously, the at least one welding parameter is only adjusted or regulated when the at least one welding parameter falls below or exceeds a predetermined threshold value. If the welding parameter is adjusted or regulated based on the distance between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity, the welding parameters are advantageously only adjusted or regulated if there is at least one intensity peak of the process radiation without a vertical drop in intensity between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity. This case relates to the regulation when the process is terminated. The distance between the melt volumes should be minimal or kept minimal. It may be necessary not to wait for a melting volume that does not contribute to the welding result, but to automatically reduce the distance between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity until no melting volume is generated that does not contribute to the welding result .
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, der in den Werkstücken ein Schmelzvolumen aufschmilzt, um eine Schweißnaht zu erzeugen, mit einer Bearbeitungsoptik, die den Laserstrahl in den Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke abbildet, mit einem Detektor zum Detektieren der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung und mit einer Auswertungseinheit zum Auswerten des detektierten Intensitätsverlaufs, wobei die Auswerteeinheit programmiert ist, den detektierten Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale auszuwerten:
- - Maximalintensität eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- - die über einen Intensitätspeak integrierte Intensität der Prozessstrahlung,
- - Halbwertsbreite eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- - zeitlicher Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall,
- - Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall befindlichen Intensitätspeaks der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall, und
- - zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall oder einer Intensitätsspitze eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung.
- - maximum intensity of an intensity peak of the process radiation,
- - the intensity of the process radiation integrated over an intensity peak,
- - FWHM of an intensity peak of the process radiation,
- - Time interval between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity,
- - number of intensity peaks of the process radiation without a vertical drop in intensity located between two intensity peaks of the process radiation with a vertical drop in intensity, and
- - Time interval between the start of an intensity increase and a vertical decrease in intensity or an intensity peak of an intensity peak of the process radiation.
Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist bevorzugt eine Regelungseinrichtung zur Regelung mindestens eines Schweißparameters des Schweißprozesses anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals, eine Anzeigeeinheit zur Anzeige des ausgewerteten Intensitätsverlaufs und/oder einen Datenspeicher zum Speichern des detektierten Intensitätsverlaufs auf. Der mindestens eine Schweißparameter ist vorteilhaft die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls.The monitoring device according to the invention preferably has a control device for controlling at least one welding parameter of the welding process based on the at least one evaluated feature, a display unit for displaying the evaluated intensity profile and/or a data memory for storing the detected intensity profile. The at least one welding parameter is advantageously the average laser power or the feed rate of the laser beam.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages and advantageous configurations of the subject matter of the invention can be found in the description, the drawings and the claims. Likewise, the features mentioned above and those listed below can each be used individually or together in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as an exhaustive list, but rather have an exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas; und -
2a ,2b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Alkali-Aluminosilikat-Glas ohne Regelung (2a) und mit Regelung (2b) des zeitlichen Abstands zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls; und -
3a ,3b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas bei einem Nullspalt (3a) und mit einem überbrückten Spalt (3b) .
-
1 a schematic representation of a device for controlling a laser welding process for welding two workpieces made of glass; and -
2a ,2 B Measured temporal intensity curves of the process radiation emitted during laser welding of two workpieces made of alkali aluminosilicate glass without control (2a) and with regulation (2 B) the time interval between the modulation sequences of the laser beam; and -
3a ,3b Measured temporal intensity curves of the process radiation emitted when laser welding two workpieces made of quartz glass with a zero gap (3a) and with a bridged gap (3b) .
Die in
Die Unterseite des in
Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Fokus F treten im Glasmaterial nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des gepulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmaterial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen 7 wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 5 angeordnet ist oder die Grenzfläche 5 umfasst. Beim erneuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüssige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt. Der Laserstrahl 4 wird gemeinsam mit der Bearbeitungsoptik 6 in einer Vorschubrichtung X, Y relativ den Werkstücken 2, 3 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Werkstücke 2, 3 relativ zur Bearbeitungsoptik 6 bewegt werden.Due to the very high intensities that can be achieved in the focus F, non-linear absorption effects occur in the glass material. With suitable repetition rates of the
Insbesondere über mehrere Pulse wird die Absorption im unteren Werkstück 3 in Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 gezogen, da es an der Oberseite der Wechselwirkungszone/Prozesszone aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus F, erneut. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten 8 mit periodischer Signatur. Durch eine Modulation wird die Schmelzvolumenbildung gezielt initiiert und wieder terminiert. Die Verlagerung der Absorption in den konvergenten Strahl wird durch Verringerung oder Abbruch der Laserleistung abgebrochen oder langsam beendet. Mit der nächsten Modulationssequenz startet die Absorption dann erneut im Fokus, und ein weiteres Schmelzvolumen wird erzeugt. Diese periodische Erzeugung von einzelnen Schmelzvolumen führt dann zu aneinander gereihten Schmelzvolumen, die überlappen können (periodische Signatur).In particular over several pulses, the absorption in the
Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügenden Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, wird durch den herrschenden Druck innerhalb der Prozesszone impulsartig Schmelze in den Spalt 9 ausgetrieben. Wird der Spalt 9 zwischen Werkstücken 2, 3 vollständig mit Material gefüllt, sodass die Absorption im oberen Werkstück 2 fortgesetzt werden kann, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Verteilt sich die Schmelze jedoch weitläufig im Spalt 9, kann die Absorption nicht aufrechterhalten werden. Der Spalt 9 wird nicht überbrückt, und es kommt zu keiner stoffschlüssigen Verbindung. Die Position und die Größe des Spalts 9 beeinflussen die Festigkeit und die Sichtbarkeit der Schweißverbindung und wirken sich auch auf die Intensität der während des Prozesses von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 3 im Werkstück 2, 3 emittierten Prozessstrahlung 10 aus.If the interface 5 lies within the melted
Die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 erfolgt durch einen bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 4 angeordneten Detektor, hier in Form einer Photodiode 11. Alternativ kann der Detektor auch neben der Bearbeitungsoptik 6 oder unterhalb der Werkstücke 2, 3 angebracht sein („off-axis“). Statt mit einer Photodiode kann die Detektion der emittierten Prozessstrahlung 10 auch mit einem schnellen Zeilensensor oder einer Kamera erfolgen. Neben dem sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Detektion der Prozessstrahlung 10 auch im nahen Infrarot Bereich erfolgen.The intensity of the emitted process radiation 10 is determined by a detector preferably arranged coaxially to the
Der Laserstrahl 4 wird mit einem dichroitischen Spiegel 12, der beispielsweise hochreflektierend für die Laserwellenlänge und transmittierend für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm ist, zur Bearbeitungsoptik 6 geführt und im unteren Werkstück 3 kurz unterhalb der Grenzfläche 5 fokussiert. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 12 auch transmissiv für die Laserwellenlänge und reflektiv für die Prozessstrahlung 10 sein. Statt oder zusätzlich zum sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Beobachtung der Prozessstrahlung 10 auch im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Die dabei von der Prozesszone der Werkstücke 2, 3 emittierte Prozessstrahlung 10 wird mithilfe der Bearbeitungsoptik 6 eingefangen und durch den dichroitischen Spiegel 12 aus dem Laserstrahlenstrahlengang ausgekoppelt. Ein optisches Filterelement 13 dient zur Selektion eines gewünschten Wellenlängenbereiches und/oder zur Unterdrückung reflektierter Laserstrahlung aus der Prozessstrahlung 10. Im Anschluss an das Filterelement 13 wird die Prozessstrahlung 10 mit einer Linse 14 auf die Photodiode 11 fokussiert. Mithilfe einer Auswertungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 für jedes erzeugte Schmelzvolumen auf eine Änderung in der Strahlungsintensität hin ausgewertet.The
Wie in
Beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern sind oftmals komplexe Konturen mit kleinen Radien erforderlich. Diese Bereiche sind besonders anfällig für Rissbildung. Aufgrund der Achsträgheit kann die Vorschubgeschwindigkeit v nicht konstant gehalten werden. Durch die verringerte Vorschubgeschwindigkeit v verringert sich der Abstand zwischen den einzelnen Schmelzvolumen 7, was eine Änderung der inneren Nahtstruktur zur Folge hat. Zudem kommt es bei gleichbleibender Energieeinbringung dazu, dass mehr Wärme akkumuliert wird, wodurch sich die Ausdehnung der aufgeschmolzenen Volumina ändert. Dies geht mit einer Zunahme der thermischen Spannungen einher, was letzten Endes zur Rissbildung führen kann. Die größere Ausdehnung des aufgeschmolzenen Volumens resultiert in einer Zunahme der emittierten Prozessstrahlung 10. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schweißbearbeitungsparameter (z.B. Vorschubgeschwindigkeit v, mittlere Laserleistung des Laserstrahls 4) in Abhängigkeit vom ausgewerteten Intensitätsmaximum eines Schmelzvolumens 7 oder von der über ein Schmelzvolumen 7 integrierten Strahlungsintensität angepasst bzw. geregelt. Die Anpassung kann beispielsweise erfolgen, wenn die integrierte Intensität oberhalb eines Schwellwertes liegt.Complex contours with small radii are often required when welding
In einer vorteilhaften Variante wird der Schweißparameter von der Regelungseinrichtung 21 derart angepasst bzw. geregelt, dass der Erhöhung der Schweißnahtausdehnung entgegengewirkt wird, indem die mittlere Laserleistung des Laserstrahls 4 verringert wird. Die Reduzierung der mittleren Laserleistung kann dabei über die Reduzierung der maximalen Pulsenergie erfolgen. Alternativ kann die Nahtausdehnung durch Vergrößern des zeitlichen Abstands zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls 4 verringert werden. Dies führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht.In an advantageous variant, the welding parameter is adjusted or controlled by the
In einer weiteren Variante werden die innere Struktur der Schweißnaht 8 und die Nahtausdehnung konstant gehalten. Die Anpassung bzw. Regelung des Schweißparameters erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v der Achsen und vom ausgewerteten Intensitätsmaximum eines Schmelzvolumens 7 bzw. von der über ein Schmelzvolumen 7 integrierten Strahlungsintensität. Die Anpassung bzw. Regelung kann beispielsweise erfolgen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit v unterhalb eines Schwellwertes liegt. Vorzugsweise wird der Schweißparameter derart angepasst, dass einer Änderung der inneren Nahtstruktur entgegengewirkt wird, indem der zeitliche Abstand zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls 4 vergrößert wird. Die führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht und sich gleichzeitig die Nahtausdehnung verringert. Eine Kombination der beiden Varianten ist denkbar und sinnvoll.In a further variant, the internal structure of the
Gibt es beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern zwischen den zu fügenden Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Prozessabbruch. Ein Prozessabbruch ist dadurch gekennzeichnet, dass periodisch Schmelze in den Spalt 9 ausgeworfen wird und die Ausbildung weiterer Schmelzvolumen 7 durch erstarrte Schmelze an der Glasoberfläche und Hohlräume beeinträchtigt wird. Die gebildeten Schmelzvolumen 7 zwischen den Schmelzauswürfen erreichen die Grenzfläche nicht und tragen damit nicht zum Prozessergebnis bei und verringern die Prozesseffizienz. Schmelzauswürfe führen zu einem plötzlichen Abbruch der Strahlungsemission. Bei kleinen aufgeschmolzenen Schmelzvolumen 7, welche die Grenzfläche 5 nicht erreichen, ist die Strahlungsemission reduziert.If, when welding
Nach einem Schmelzauswurf, der durch einen schlagartigen bzw. senkrechten Abfall 22 in der Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10gekennzeichnet ist, können kleinere Signalausschläge 24 beobachtet werden. Diese kennzeichnen zunehmend größer werdende Schmelzvolumen 7. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schweißparameter in Abhängigkeit von einem der folgenden Merkmale angepasst bzw. geregelt:
- -
23, 24,Maximalintensität eines Intensitätspeaks - - die über einen Intensitätspeak 23, 24 integrierte Intensität,
- - Halbwertsbreite ΔI eines Intensitätspeaks 23, 24,
- - zeitlicher Abstand Δt zwischen zwei Intensitätspeaks 23
mit senkrechtem Intensitätsabfall 22, - - Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks 23
mit senkrechtem Intensitätsabfall 22 befindlichen Intensitätspeaks 24 ohne senkrechten Intensitätsabfall, und - - zeitlicher Abstand δt zwischen dem Beginn t0 eines Intensitätsanstiegs und dem Zeitpunkt ta eines senkrechten Intensitätsabfalls 22 oder einer unmittelbar vorangehenden Intensitätsspitze 25 eines Intensitätspeaks 23 (
3b) .
- - maximum intensity of an
23, 24,intensity peak - - the intensity integrated over an
23, 24,intensity peak - - FWHM ΔI of an
23, 24,intensity peak - - Time interval Δt between two
intensity peaks 23 with a vertical drop inintensity 22, - - number of intensity peaks 24 located between two
intensity peaks 23 with a vertical drop inintensity 22 without a vertical drop in intensity, and - - Time interval δt between the start t 0 of an intensity increase and the time t a of a
vertical intensity drop 22 or an immediately precedingintensity peak 25 of an intensity peak 23 (3b) .
Die Anpassung bzw. Regelung kann beispielsweise erfolgen, wenn zwischen zwei Schmelzauswürfen Schmelzvolumen auftreten, die nicht zum Schweißergebnis beitragen, und somit die Strahlungsintensität bei zwei aufeinanderfolgenden Schmelzvolumen 7 nicht vollständig einbricht, also wenn zwischen zwei Intensitätspeaks 23 mit senkrechtem Intensitätsabfall 22 mindestens ein Intensitätspeak 24 ohne senkrechten Intensitätsabfall liegt.The adaptation or regulation can take place, for example, if melt volumes occur between two melt ejections that do not contribute to the welding result, and thus the radiation intensity does not collapse completely for two
In einer vorteilhaften Variante wird mindestens ein Schweißparameter derart angepasst, dass auf jeden Schmelzauswurf ein weiterer Schmelzauswurf folgt. Dazwischenliegenden Schmelzvolumen, die nicht zum Schweißergebnis beitragen, kann dadurch entgegengewirkt werden, dass der zeitliche Abstand zwischen den Modulationssequenzen vergrößert wird. Dies führt dazu, dass sich der Abstand Δt zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht und die Nahtausbildung durch ausgeworfene Schmelze an der Grenzfläche oder Hohlräumen nicht mehr beeinflusst wird.In an advantageous variant, at least one welding parameter is adjusted in such a way that each melt ejection is followed by a further melt ejection. Melt volumes in between, which do not contribute to the welding result, can be counteracted by increasing the time interval between the modulation sequences. This means that the distance Δt between the
Die Schweißnahtposition hat beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern einen großen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißverbindungen, die Überbrückbarkeit eines Spalts 9 sowie die Anfälligkeit für Rissbildung. Eine Verkippung des Werkstücks 2, 3 kann jedoch dazu führen, dass die Nahtposition zum Spalt 9 entlang der Bauteilgeometrie variiert. Wird ein Spalt 9 überbrückt, kann dies zu einer Emissionsspitze und oder einem kurzzeitigen Einbruch in der Strahlungsemission führen. Die Position dieses Merkmals im detektierten Intensitätsverlauf gibt Aufschluss über die Spaltposition innerhalb der Schweißnaht 8.When welding
Wie in
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