DE102020209705A1 - Method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces with regard to the seam height of a weld seam - Google Patents

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (2, 3) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, 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 wird, wird erfindungsgemäß der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich Intensitätsschwankungen ausgewertet und werden anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwankungen der Schweißnaht (8) ermittelt.In a method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces (2, 3) that are transparent to the laser wavelength, preferably made of glass, a melting volume (7) is melted in the area of the boundary surface (5) of the two workpieces (2, 3) in order to produce a weld seam (8), and the intensity of the process radiation (10) emitted by the melting volume (7) being detected, according to the invention the detected intensity curve evaluated with regard to intensity fluctuations and local seam height fluctuations of the weld seam (8) are determined on the basis of this evaluation.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren 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 for monitoring a laser welding process for welding two workpieces, preferably made of glass, which are transparent to the laser wavelength, wherein a melting volume in the area of the interface between the two workpieces is melted in the workpieces by a pulsed laser beam, in particular an ultrashort pulse laser beam, in order to form a weld seam to generate, and wherein the intensity of the process radiation emitted by the melt volume is detected.

Ein derartiges Überwachungsverfahren ist beispielsweise durch die DE 10 2018 128 377 A1 bekannt geworden.Such a monitoring method is, for example, by the DE 10 2018 128 377 A1 known.

Da sich beim Schweißen von transparenten Materialien mit der Nahthöhe die Nahtbreite ändert, können lokale Nahthöhenunterschiede die Festigkeit einer Schweißverbindung verringern. Zudem kann es in Bereichen, in denen sich die Nahthöhe abrupt ändert, zu erhöhten Spannungen kommen. Spannungen begünstigen Rissbildung, wodurch die Belastbarkeit der Verbindung in diesem Bereich schwächen.Since the seam width changes with the seam height when welding transparent materials, local seam height differences can reduce the strength of a welded joint. In addition, increased stresses can occur in areas where the seam height changes abruptly. Stresses encourage cracking, which weakens the load-bearing capacity of the connection in this area.

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. Die Identifikation von Fehlstellen entlang der Schweißnaht erfolgt zumeist optisch durch eine mikroskopische Untersuchung an den permanenten Schweißnähten nach Prozessende (Draufsicht). Zudem werden Festigkeitsmessungen durchgeführt. Die Einschätzung des gesamten Schweißergebnisses basiert auf der Erfahrung eines Facharbeiters.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. Defects along the weld seam are mostly identified optically by means of a microscopic examination of the permanent weld seams after the end of the process (top view). Strength measurements are also carried out. The assessment of the overall welding result is based on the experience of a skilled worker.

Aus der DE 10 2018 128 377 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas bekannt, wobei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Ultrakurzpulslaserstrahl beaufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Intensität der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung wird zeitaufgelöst detektiert und die Periodizität, die Frequenz und das Frequenzspektrum von Intensitätsschwankungen der detektierten Prozessstrahlung bestimmt, um daraus auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht zu schließen.From the DE 10 2018 128 377 A1 discloses a method for monitoring a welding process for welding two glass workpieces, a weld seam being formed in the workpieces in a process zone subjected to a pulsed ultra-short pulse laser beam. The intensity of the process radiation emitted by the process zone is detected in a time-resolved manner and the periodicity, the frequency and the frequency spectrum of intensity fluctuations of the detected process radiation are determined in order to draw conclusions about the quality of the weld seam produced.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Überwachungsverfahren dahingehend weiterbilden, dass lokale Nahthöhenänderungen innerhalb einer Schweißnaht beim Fügen von transparenten Materialien erkannt werden kann.The object of the present invention is to further develop the monitoring method mentioned at the outset such that local seam height changes within a weld seam can be detected when transparent materials are joined.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich Intensitätsschwankungen, ausgewertet wird und anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwankungen der Schweißnaht ermittelt werden.In the monitoring method mentioned at the outset, this object is achieved according to the invention in that the detected intensity curve is evaluated with regard to intensity fluctuations and local seam height fluctuations of the weld seam are determined on the basis of this evaluation.

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 ein 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. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus, erneut, wodurch ein weiteres Schmelzvolumen gebildet wird. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten mit periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen (periodische Signatur). Liegt die Grenzfläche innerhalb des aufgeschmolzenen Volumens, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung.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 melt volume is generated. 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. If the absorption range is shifted too far into the convergent beam, the energy input breaks down and the process starts again, starting from the focus, whereby another melt volume is formed. Typically, this leads to modulated weld seams with periodically lined up, possibly overlapping melt volumes (periodic signature). If the interface lies within the melted volume, a material bond is created.

Bei der Schweißnahtentstehung können zwei Arten unterschieden werden. Material wird entweder kontinuierlich oder diskret aufgeschmolzen. Bei einem kontinuierlichen Schmelzprozess wird eine Wechselwirkungszone erzeugt, die in der longitudinalen Ausdehnung in etwa der der finalen Nahtausdehnung entspricht. Unter Vorschub wird das Material über die gesamte Weglänge homogen aufgeschmolzen und führt zu einer kontinuierlichen Schweißnaht. Die Wechselwirkungszone emittiert währenddessen Strahlung, deren Intensität mit dem Volumen der Wechselwirkungszone korreliert. Korreliert die Höhe der Schweißnaht mit dem Volumen Wechselwirkungszone, kann anhand der Strahlungsintensität auf die Schweißnahthöhe geschlossen werden. Beim diskreten Aufschmelzen bilden viele aneinandergereihte Schmelzvolumen eine zusammenhängende oder periodisch unterbrochene Schweißnaht, wobei jedes Schmelzvolumen für sich erzeugt wird. Die resultierende Schweißnaht weist dadurch eine periodische Signatur auf, wobei die Nahthöhe idealerweise durch die Höhe der einzelnen Schmelzvolumen bestimmt wird. Im ersten Fall wird die finale Höhe des Schmelzvolumens rein durch die maximale Ausdehnung der Wechselwirkungszone bestimmt. Im zweiten Fall Ist die Ausdehnungsänderung einer Bewegung der Wechselwirkungszone in Richtung der einfallenden Laserstrahlung überlagert, wobei die Position, an der die Wechselwirkungszone am größten ist, variieren kann. In beiden Fällen wird, entsprechend der Änderung des Volumens der Wechselwirkungszone, für jedes einzelne Schmelzvolumen Prozessstrahlung emittiert. Aus einem Vergleich der emittierten Strahlung aufeinanderfolgender Schmelzvolumen kann anhand der emittierten Maximalintensität oder der integrierten Strahlungsintensität eines Schmelzvolumens auf vorliegende Höhenunterschiede geschlossen werden.There are two types of weld formation. Material is melted either continuously or discretely. In a continuous melting process, an interaction zone is created, the longitudinal extent of which roughly corresponds to that of the final seam extent. With feed, the material is melted homogeneously over the entire length of the path and leads to a continuous weld seam. Meanwhile, the interaction zone emits radiation whose intensity correlates with the volume of the interaction zone. If the height of the weld seam correlates with the volume of the interaction zone, conclusions can be drawn about the weld seam height based on the radiation intensity. In the case of discrete melting, many melt volumes lined up in a row form a coherent or periodically interrupted weld seam, with each melt volume being produced separately. The resulting weld seam thus exhibits a periodic signature, with the seam height ideally being determined by the height of the individual melt volumes. In the first case, the final height of the melt volume is determined purely by the maximum extent of the interaction zone. In the second case, the change in extension of a movement of the interaction zone is in Direction of the incident laser radiation is superimposed, whereby the position at which the interaction zone is greatest can vary. In both cases, process radiation is emitted for each individual melt volume, corresponding to the change in the volume of the interaction zone. From a comparison of the emitted radiation of successive melt volumes, it is possible to draw conclusions about existing height differences based on the emitted maximum intensity or the integrated radiation intensity of a melt volume.

Um bereits beim Laserschweißen Nahthöhenänderungen zu erkennen, wird erfindungsgemäß anhand der detektierten Intensität der emittierten Prozessstrahlung auf Änderungen in der Nahthöhe geschlossen. So kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann. Da die Intensitätsschwankungen gleichermaßen über das gesamte Emissionsspektrum beobachtet werden können, ist die Detektion über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv möglich.In order to detect changes in the seam height during laser welding, changes in the seam height are inferred according to the invention based on the detected intensity of the process radiation emitted. In this way, the quality inspection of welded joints on an industrial scale can be carried out directly during processing, which means that there is no need for a time-consuming manual inspection downstream of the process. Since the intensity fluctuations can be observed equally over the entire emission spectrum, detection is possible over a large wavelength range or wavelength-selectively.

Vorzugsweise wird für eine vorgegebene Nahthöhe einer zu erzeugenden Schweißnaht ein Intensitätstoleranzbereich mit einem unteren und einem oberen Intensitätsgrenzwert definiert, so dass die erzeugte Schweißnaht, wenn die detektierten Intensitätsschwankungen innerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe einhält und, wenn die detektierten Intensitätsschwankungen außerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe nicht einhält.An intensity tolerance range with a lower and an upper intensity limit value is preferably defined for a predetermined seam height of a weld seam to be produced, so that the weld seam produced maintains the predetermined seam height if the detected intensity fluctuations are within the intensity tolerance range and if the detected intensity fluctuations are outside the intensity tolerance range , does not comply with the specified seam height.

Nahthöhenänderungen werden, abhängig von der Nahtentstehung, anhand von Änderungen einer kontinuierlich überwachten Strahlungsintensität oder der Änderungen einer lokalen Maximalintensität bzw. einer integrierten Intensität lokalisiert. Depending on how the seam is formed, changes in seam height are localized based on changes in a continuously monitored radiation intensity or changes in a local maximum intensity or an integrated intensity.

Wird bei dem Laserschweißprozess Material kontinuierlich aufgeschmolzen, kann die Auswertung anhand des detektierten Intensitätsverlaufs erfolgen. Wird bei dem Laserschweißprozess hingegen Material diskret in einzelnen Schmelzvolumen aufgeschmolzen, erfolgt vorteilhaft die Auswertung anhand der Maximalintensitäten der jeweiligen Schmelzvolumen oder anhand der über jeweils ein Schmelzvolumen integrierten Intensitäten.If material is continuously melted during the laser welding process, the analysis can be based on the detected intensity profile. If, on the other hand, material is melted discretely in individual melting volumes during the laser welding process, the evaluation is advantageously carried out using the maximum intensities of the respective melting volumes or using the intensities integrated over a melting volume in each case.

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 Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas;
  • 2a, 2b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material kontinuierlich aufgeschmolzen wird, für eine Schweißnaht konstanter Nahthöhe ( 2a) und eine Schweißnaht mit Nahthöhenschwankungen (2b); und
  • 3a, 3b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material diskret aufgeschmolzen wird, für eine Schweißnaht konstanter Nahthöhe (3a) und eine Schweißnaht mit Nahthöhenschwankungen (3b).
Show it:
  • 1 a schematic representation of a device for monitoring a laser welding process for welding two workpieces made of glass;
  • 2a , 2 B Measured temporal intensity curves of the process radiation emitted during laser welding of two workpieces made of quartz glass in a welding process in which material is continuously melted, for a weld seam of constant seam height ( 2a) and a weld with seam height variations ( 2 B) ; and
  • 3a , 3b Measured temporal intensity curves of the process radiation emitted during laser welding of two workpieces made of quartz glass in a welding process in which material is melted discretely, for a weld seam of constant seam height ( 3a) and a weld with seam height variations ( 3b) .

Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, hier lediglich beispielhaft plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material, z.B. aus wie Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls 4. Als gepulster Laserstrahls 4 wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pulsen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet.In the 1 The device 1 shown schematically is used to monitor a laser welding process for welding two superimposed plate-shaped workpieces 2, 3 made of a material that is transparent to the laser wavelength, e.g. made of glass, by means of a pulsed laser beam 4 Pulses in the femtosecond or picosecond range and with frequencies of repetition rates from 100kHz to several MHz are used.

Die Unterseite des in 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 liegen aneinander an und bilden eine Grenzfläche 5, in der die Verschweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde. Der Laserstrahl 4 wird von einer Bearbeitungsoptik 6 durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 nahe der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, dessen mittlere Leistung zeitlich moduliert wird. Vorzugsweise werden die Bearbeitungsparameter so gewählt, dass je Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen 7 erzeugt wird.The bottom of the in 1 upper workpiece 2 and the upper side of the lower workpiece 3 abut one another and form an interface 5 in which the welding is to be carried out or has been carried out. The laser beam 4 is focused by processing optics 6 through the upper workpiece 2 into the lower workpiece 3 near the interface 5 in order to produce a melting volume 7 there. An ultra-short-pulse laser is preferably used, the mean power of which is modulated over time. The processing parameters are preferably selected in such a way that a single melting volume 7 is produced for each modulation period.

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 relativ den Werkstücken 2, 3 bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen.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 pulsed laser beam 4 it occurs to heat accumulation effects in the glass material, which leads to local melting of the glass material. The melting volume 7 is accordingly placed in the workpieces 2 , 3 in such a way that it is arranged close to the interface 5 or encompasses the interface 5 . When the previously melted material solidifies again, the workpieces 2, 3 are welded together in a material-to-material manner. The laser beam 4 is moved together with the processing optics 6 in a feed direction X relative to the workpieces 2, 3 in order to pull in a weld seam 8 in the workpieces 2, 3.

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 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. Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung.In particular over several pulses, the absorption in the lower workpiece 3 is pulled in the direction of the incident laser beam 4, since preferential absorption occurs at the upper side of the interaction zone due to the increased temperature. The longitudinal position of the local energy input thus varies over several pulses due to shielding. If the absorption area is shifted too far into the convergent beam, the energy input breaks down and the process starts again, starting from the focus F. Typically this leads to modulated weld seams 8 with a periodic signature. If the interface 5 lies within the melted melt volume 7, there is a material connection.

Während des Prozesses wird von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 4 im Werkstück 2, 3 eine Prozessstrahlung 10 emittiert. 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.During the process, a process radiation 10 is emitted from the interaction zone of the laser beam 4 in the workpiece 2, 3. The intensity of the emitted process radiation 10 is determined by a detector preferably arranged coaxially to the laser beam 4, here in the form of a photodiode 11. Alternatively, the detector can also be attached next to the processing optics 6 or below the workpieces 2, 3 (“off-axis”). Instead of using a photodiode, the emitted process radiation 10 can also be detected using a fast line sensor or a camera.

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, z.B. mit einer Linse 14, auf die Photodiode 11 fokussiert.The laser beam 4 is guided to the processing optics 6 with a dichroic mirror 12, which is, for example, highly reflective for the laser wavelength and transmits radiation in the visible wavelength range from 300 to 800 nm, and is focused in the lower workpiece 3 just below the interface 5. Alternatively, the dichroic mirror 12 can also be transmissive for the laser wavelength and reflective for the process radiation 10 . Instead of or in addition to the visible wavelength range, the process radiation 10 can also be observed in the infrared wavelength range. The process radiation 10 emitted by the process zone of the workpieces 2, 3 is captured with the aid of the processing optics 6 and decoupled from the laser beam beam path by the dichroic mirror 12. An optical filter element 13 is used to select a desired wavelength range and/or to suppress reflected laser radiation from the process radiation 10. Following the filter element 13, the process radiation 10 is focused onto the photodiode 11, e.g. with a lens 14.

Mithilfe einer Überwachungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 ausgewertet, um lokale Nahthöhenschwankungen anhand der detektierten Prozessstrahlung 10 zu detektieren. Änderungen in der Intensität der emittierten Strahlung Prozessstrahlung 10 zeigen Nahthöhenänderungen an. Zur Überwachung der Nahthöhe wird anhand eines unteren und eines oberen Grenzwertes 11, 12 ein zulässiger Toleranzbereich definiert, innerhalb dem sich die Intensität der Prozessstrahlung 10 bewegen darf. Ist die detektierte Intensität kleiner als der untere Grenzwerte 11, wird die zulässige Höhe der Schweißnaht 8 unterschritten. Ist die detektierte Intensität größer als der obere Grenzwerte 12, wird die zulässige Höhe der Schweißnaht 8 überschritten.A monitoring unit 15 is used to evaluate the temporal intensity curve of the emitted process radiation 10 in order to detect local seam height fluctuations based on the detected process radiation 10 . Changes in the intensity of the emitted radiation process radiation 10 indicate seam height changes. To monitor the seam height, a lower and an upper limit value 11, 12 is used to define a permissible tolerance range within which the intensity of the process radiation 10 may vary. If the detected intensity is less than the lower limit value 11, the permissible height of the weld seam 8 is not reached. If the detected intensity is greater than the upper limit value 12, the permissible height of the weld seam 8 is exceeded.

2a, 2b zeigen gemessene zeitliche Intensitätsverläufe I(t) der detektierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke 2, 3 aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material kontinuierlich aufgeschmolzen wird. Bereiche, in denen die vorgegebene Nahthöhe eingehalten wird, sind mit einem „o“ gekennzeichnet. Bereiche, in denen die Nahthöhe vom Soll abweicht, sind mit einem „x“ gekennzeichnet. 2a zeigt einen Intensitätsverlauf I(t) mit gleichbleibender Intensität innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, so dass auf eine zulässige Schweißnaht 8 mit konstanter Nahthöhe geschlossen werden kann. 2b zeigt demgegenüber einen Intensitätsverlauf I(t) mit Intensitätsänderungen außerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, so dass auf eine Schweißnaht 8 mit unzulässigen Nahthöhenschwankungen geschlossen werden kann. 2a , 2 B show measured intensity curves I(t) over time of the detected process radiation 10 during laser welding of two workpieces 2, 3 made of quartz glass in a welding process in which material is continuously melted. Areas in which the specified seam height is maintained are marked with an "o". Areas in which the seam height deviates from the target are marked with an "x". 2a shows an intensity curve I(t) with a constant intensity within the permissible tolerance range, so that a permissible weld seam 8 with a constant seam height can be concluded. 2 B In contrast, FIG. 1 shows an intensity profile I(t) with intensity changes outside the permissible tolerance range, so that a welded seam 8 with impermissible seam height fluctuations can be inferred.

Für Schweißnähte 8, die diskret erzeugt werden, erfolgt die Auswertung anhand der einzelnen Schmelzvolumen. Hierzu wird die Maximalintensität oder die über ein Schmelzvolumen integrierte Intensität herangezogen. 3a, 3b zeigen den Intensitätsverlauf I(t) der emittierten Prozessstrahlung für einen Schweißprozess, bei dem Material diskret aufgeschmolzen wurde. Das Messsignal setzt sich aus vielen Intensitätsspitzen 16 zusammen, wobei jede der Intensitätsspitzen 16 einem für sich erzeugten Schmelzvolumen entspricht. Änderungen in der Nahthöhe werden durch Änderungen in der Maximalintensität der Intensitätsspitzen (Kurve I'(t)) und in der integrierten Intensität der einzelnen Schmelzvolumen (Kurve I"(t)) angezeigt. Für eine Schweißnaht 8 mit gleichbleibender Höhe sind das Maximum der Intensitätsspitzen 16 und die über ein Schmelzvolumen integrierte Intensität konstant und liegen innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches (3a). 3b zeigt demgegenüber einen Intensitätsverlauf I'(t), I"(t) mit Intensitätsänderungen außerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, also für eine Schweißnaht 8 mit unzulässigen Nahthöhenschwankungen.For weld seams 8 that are produced discretely, the evaluation is based on the individual melt volumes. For this purpose, the maximum intensity or the intensity integrated over a melt volume is used. 3a , 3b show the intensity curve I(t) of the emitted process radiation for a welding process in which material was melted discretely. The measurement signal is made up of a large number of intensity peaks 16, each of the intensity peaks 16 corresponding to a melt volume produced for itself. Changes in seam height are indicated by changes in the maximum intensity of the intensity peaks (curve I'(t)) and in the integrated intensity of the individual melt volumes (curve I"(t)). For a weld seam 8 with constant height are the maximum of the intensity peaks 16 and the intensity integrated over a melt volume constant and are within the permissible tolerance range ( 3a) . 3b In contrast, FIG. 1 shows an intensity profile I′(t), I″(t) with intensity changes outside the permissible tolerance range, ie for a weld seam 8 with impermissible seam height fluctuations.

Mithilfe des beschriebenen Verfahrens kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.With the help of the method described, the quality inspection of welded joints on an industrial scale can be carried out directly during processing, which means that there is no need for a time-consuming manual inspection downstream of the process.

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  • DE 102018128377 A1 [0002, 0005]DE 102018128377 A1 [0002, 0005]

Claims (4)

Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, 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 wird, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich Intensitätsschwankungen, ausgewertet wird und anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwankungen der Schweißnaht (8) ermittelt werden.Method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces (2, 3) that are transparent to the laser wavelength, preferably made of glass, with a melting volume (7) being produced in the workpieces (1, 2) by a pulsed laser beam (4), in particular an ultra-short pulsed laser beam the boundary surface (5) of the two 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, characterized in that the detected intensity curve with regard to intensity fluctuations, is evaluated and local seam height fluctuations of the weld seam (8) are determined on the basis of this evaluation. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorgegebene Nahthöhe einer zu erzeugenden Schweißnaht (8) ein Intensitätstoleranzbereich mit einem unteren und einem oberen Intensitätsgrenzwert (11, 12) definiert wird und dass die erzeugte Schweißnaht (8), wenn die detektierten Intensitätsschwankungen innerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe einhält und, wenn die detektierten Intensitätsschwankungen außerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe nicht einhält.procedure after claim 1 , characterized in that for a predetermined seam height of a weld seam (8) to be produced, an intensity tolerance range with a lower and an upper intensity limit value (11, 12) is defined and in that the weld seam (8) produced if the detected intensity fluctuations lie within the intensity tolerance range, maintains the specified seam height and, if the detected intensity fluctuations lie outside the intensity tolerance range, does not maintain the specified seam height. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Laserschweißprozess Material kontinuierlich aufgeschmolzen wird und die Auswertung anhand des detektierten Intensitätsverlaufs erfolgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that material is continuously melted during the laser welding process and the evaluation is based on the detected intensity profile. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Laserschweißprozess Material diskret in einzelnen Schmelzvolumen aufgeschmolzen wird und die Auswertung anhand der Maximalintensitäten der jeweiligen Schmelzvolumen oder anhand der über jeweils ein Schmelzvolumen integrierten Intensitäten erfolgt.procedure after claim 1 or 2 , characterized in that during the laser welding process material is melted discretely in individual melting volumes and the evaluation is based on the maximum intensities of the respective melting volumes or on the basis of the intensities integrated over a melting volume in each case.
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Sebastian Hecker, Markus Blothe, Daniel Grossmann, Thomas Graf; "Process regimes during welding of glass by femtosecond laser pulse bursts" IN: Applied Optics, Vol. 59, Issue 22, pp. 6452-6458 (published 23 July 2020), doi.org/10.1364/AO.392702

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