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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessüberwachung, insbesondere zur Abgrenzung gegenüber Tiefschweißen, oder zum Regeln mindestens eines Bearbeitungsparameters beim Wärmeleitschweißen eines Werkstücks aus metallischem Werkstoff mittels eines Laserstrahls, wobei durch den Laserstrahl im Werkstück ein Schmelzbad aufgeschmolzen wird und durch Verdampfen von Werkstückmaterial ein Prozessleuchten erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine zum Wärmeleitschweißen von Werkstücken aus metallischem Werkstoff.
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Der Wärmeleitschweißprozess ist dadurch gekennzeichnet, dass keine oder nur geringfügige oberflächennahe Verdampfung im Bereich der Prozesszone auftritt. Insbesondere der Einsatz von Lasern im sichtbaren Spektralbereich (grün und blau) ermöglicht durch die höhere Absorption das Wärmeleitschweißen von Kupfermaterialien. Diese neuen Prozessmöglichkeiten finden besonders in der eMobility-Branche ihren Einsatz im Bereich der elektrischen Kontaktierung. Ein möglicher Anwendungsfall ist dabei das Schweißen von Kupferhairpins für die eMotoren-Fertigung.
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Beim Wärmeleitschweißen mittels eines Laserstrahls, insbesondere in Kupfer, kann es durch unregelmäßige Absorption auf der Oberfläche des Werkstücks dazu kommen, dass der Laserstrahl plötzlich ein Keyhole mit starker Verdampfung erzeugt, also einen Tiefschweißprozess durchführt. Durch diesen ungewollten Übergang vom Wärmeleit- in den Tiefschweißprozess werden Spritzer aus der Prozesszone gelöst, und die Neigung zur Porenentstehung nimmt zu. Zudem kann beim Wärmeleitschweißen von isolierten Kupfer-Hairpins die Isolation der Hairpins durch zu den beim Tiefschweißen auftretenden hohen Wärmeeintrag Schaden nehmen. Mit der Entstehung eines Keyholes nimmt die Verdampfung zu, so dass die Intensität des Prozessleuchtens und dessen geometrische Ausprägung ansteigen.
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Der Wärmeleitungsprozess ist durch eine geringe oder keine Verdampfung innerhalb der Prozesszone gekennzeichnet. Prozessstörungen können allerdings dazu führen, dass der Wärmeleitschweißprozess kurzfristig oder dauerhaft in einen Tiefschweißprozess übergeht, was mit inhomogenen Nahtoberflächen, Spritzern, Poren und einer erhöhten Einschweißtiefe einhergeht, die zur Zerstörung des Bauteils und damit zu Ausschuss führen kann.
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Aus der
EP 3 045 255 A1 ist ein Laserstrahlschweißdiagnoseverfahren bekannt, bei dem von der laserabgewandten Schmelzzone ein Bild aufgenommen wird. Durch die Binarisierung eines vorbestimmten Bereiches in dem aufgenommenen Bild wird ein Graustufenbild mit Pixelwerten zwischen 0 (dunkel) und 255 (hell) erhalten. Danach wird ein Graustufen-Maximalwertbild erzeugt, indem in dem Graustufenbild die Anzahl derjenigen Pixel bestimmt wird, die einen Pixelwert oberhalb eines vordefinierten Schwellwertes aufweisen. Die so bestimmte Pixelanzahl korreliert mit der momentanen Anzahl an Schmelzespritzern (Einzelereignisse) bzw. Schweißdefekten zum Aufnahmezeitpunkt des Bildes und erlaubt einen Rückschluss, ob bei der Werkstückbearbeitung ein gewünschtes Qualitätsniveau über- oder unterschritten worden ist.
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DE 10 2013 017 795 B3 offenbart außerdem eine Prozessüberwachung, bei der aus einem aufgenommenen Bild der Schmelzzone ein Graustufenbild (beispielsweise mit Pixel(helligkeits)werten von 0 bis 255) erzeugt wird. Dieses Graustufenbild wird mit einem bestimmten Grenzwert zu einem Schwarz/Weiß-Binärbild verarbeitet, um anhand der Schwarz/Weiß-Grenze die Schweißnaht zu ermitteln.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Prozessüberwachung und/oder zum Regeln mindestens eines Bearbeitungsparameters beim Wärmeleitschweißen eines Werkstücks anzugeben, um einen Übergang in einen unerwünschten Tiefschweißprozess zu detektieren und diesem Übergang entgegenzuwirken.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Prozessüberwachung, insbesondere zur Abgrenzung gegenüber Tiefschweißen, oder zum Regeln mindestens eines Bearbeitungsparameters beim Wärmeleitschweißen eines Werkstücks aus metallischem Werkstoff mittels eines Laserstrahls, wobei durch den Laserstrahl im Werkstück ein Schmelzbad aufgeschmolzen wird und durch Verdampfen von Werkstückmaterial ein Prozessleuchten erzeugt wird, mit folgenden Verfahrensschritten:
- - fortlaufendes ortsaufgelöstes Detektieren des Prozessleuchtens mittels eines bevorzugt koaxial zum Laserstrahl angeordneten, ortsauflösenden Flächendetektors, und
- - Überwachen der Qualität des Wärmeleitschweißprozesses oder Regeln des mindestens einen Bearbeitungsparameters anhand der ortsaufgelösten Detektorbilder des Prozessleuchtens.
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Erfindungsgemäß wird für den Fall eines Keyholes die Zunahme der Verdampfung detektiert, indem beispielsweise ein Intensitätsstufenwertverlauf des Prozessverlaufs entlang der Prozesszone gemessen und in Bezug auf Intensität der Messkurve hin bewertet wird. Der Wärmeleitschweißprozess kann dann anhand der Prozesslichtintensität nachgeregelt werden. Zur Detektion der einsetzenden Verdampfung beim Übergang vom Wärmeleitschweißen zum Tiefschweißen, oder beim Verdampfen von Schmutz auf der Oberfläche, wird der Intensitätsstufenverlauf entlang eines ROI (region of interest) gemessen. Dieser liegt im Bereich der Prozesszone nahe der Kupferhairpinoberfläche. Das Verdampfungsevent beim kurzzeitigen Übergang in den Tiefschweißprozess ist daran zu erkennen, dass innerhalb des ROIs eine festzulegende Schwellintensität (Schwellwert) überschritten wird.
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Vorzugsweise werden die Bilder der Schmelzzone während der Werkstückbearbeitung mit einer Aufnahmefrequenz von mindestens 100 Hz, insbesondere von mindestens 1 kHz, aufgenommen.
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Erfindungsgemäß wird der gesamte zeitliche Ablauf der Werkstückbearbeitung überwacht. Volle Automatisierbarkeit und Online-Detektion ermöglichen eine Zustandsüberwachung der Werkstückbearbeitung nahezu in Echtzeit. Die Daten werden mit Standardequipment unter konstanten Randbedingungen erzeugt und sind damit gut geeignet für maschinelles Lernen. Der größte Kundennutzen beim Wärmeleitschweißen ist, dass Tiefschweißprozesse bereits vom ersten Moment ihrer Entstehung an entdeckt werden und durch Regeln eines oder mehrerer Bearbeitungsparameter Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, bevor Ausschuss erzeugt oder umliegende Komponenten verschmutzt oder zerstört wurden. Erfindungsgemäß wird also eine übermäßige Zunahme des Prozessleuchtens während des Schweißprozesses detektiert und durch eine Prozessregelung behoben, indem mindestens ein Bearbeitungsparameter anhand der bestimmten momentanen Spaltenanzahl aktiv geregelt wird. Die gewonnene Information wird als Regelgröße genutzt. Dabei ist eine durchgängige Überwachung der Werkstückbearbeitung vorgesehen, was einen Regeleingriff ermöglicht. Zu diesem Zweck kann eine Stellgröße wie z.B. die Fokuslage des Laserstrahls, ausgehend von einem Standardwert, in positive und negative Verstellrichtungen verstellt werden. Der Regelalgorithmus prüft anhand der gewonnenen Information, ob sich beispielsweise die momentane Intensität des Prozessleuchtens erhöht/verringert, und passt die Stellgröße entsprechend an. Durch diese Regelung kann bereits während der Werkstückbearbeitung Ausschuss reduziert werden.
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Bevorzugt wird aus dem vom Flächendetektor detektierten Licht zuvor die Laserstrahlung herausgefiltert und das Prozessleuchten im spektralen Bereich von 200 nm bis 2000 nm detektiert.
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Vorzugsweise werden die ortsaufgelösten Detektorbilder des Prozessleuchtens hinsichtlich der geometrischen Ausprägung oder der Leuchtintensität des Prozessleuchtens ausgewertet, um anhand der ausgewerteten geometrischen Ausprägung oder der ausgewerteten Leuchtintensität die Qualität des Wärmeleitschweißprozesses zu überwachen oder den mindestens einen Bearbeitungsparameter zu regeln. Dabei werden vorteilhaft die ortsaufgelösten Detektorbilder jeweils nur in einem Bildausschnitt ausgewertet, insbesondere nur in einem Bildausschnitt, welcher das Schmelzbad nicht aufweist.
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Besonders bevorzugt werden aus den ortsaufgelösten Detektorbildern Intensitätsstufen-Pixelbilder, insbesondere Graustufen-Pixelbilder, in einem x-y-Pixelraster erzeugt. In einer ersten Verfahrensvariante wird die Anzahl derjenigen Pixel bestimmt, deren Intensitätswerte jenseits eines vordefinierten Schwellwerts liegen, und die Überwachung der Qualität des Wärmeleitschweißprozesses oder die Regelung des mindestens einen Bearbeitungsparameters erfolgen anhand der bestimmten Pixelanzahl.
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In einer zweiten Verfahrensvariante wird für jede x-Spalte des x-y-Pixelrasters der Intensitätsmittelwert aller Bildpixel dieser x-Spalte ermittelt, und die Überwachung der Qualität des Wärmeleitschweißprozesses oder die Regelung des mindestens einen Bearbeitungsparameters erfolgen anhand der ermittelten Intensitätsmittelwerte der x-Spalten. Vorteilhaft wird die Anzahl derjenigen x-Spalten bestimmt, deren Intensitätsmittelwerte jenseits eines vordefinierten Schwellwerts liegen, und die Überwachung der Qualität des Wärmeleitschweißprozesses oder die Regelung des mindestens einen Bearbeitungsparameters erfolgen anhand der bestimmten Spaltenanzahl. Alternativ oder zusätzlich wird in einem Pixelspalte-Intensitätsmittelwert-Diagramm eine geometrische Ausprägung, insbesondere Höhe, Breite oder Fläche, eines jenseits eines vordefinierten Schwellwerts liegenden Kurvenbereichs bestimmt, und die Überwachung der Werkstückbearbeitung oder die Regelung des mindestens einen Bearbeitungsparameters erfolgen anhand der bestimmten geometrischen Ausprägung.
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Wird mit den Bildern allein die Wärmestrahlung aus dem Prozessleuchten der Schmelzzone erfasst, so erscheinen in den aufgenommenen Bildern Schmelze und Schmelzespritzer hell. In diesem Fall wird die momentane Spaltenanzahl derjenigen Pixelspalten bestimmt, deren Intensitätsmittelwerte größer als ein vordefinierter Schwellwert sind. Wird die Schmelzzone zusätzlich mit einer Beleuchtungsquelle beleuchtet, so erscheinen in den aufgenommenen Bildern hingegen Schmelze und Schmelzespritzer dunkel und beleuchtetes festes Material hell. In diesem Fall wird die momentane Spaltenanzahl derjenigen Pixelspalten bestimmt, deren Intensitätsmittelwerte kleiner als ein vordefinierter Schwellwert sind. Als Beleuchtungsquelle kann ein Beleuchtungslaser oder auch eine andere Lichtquelle mit einer roten oder nahinfraroten Wellenlänge, wie z.B. eine LED, zum Einsatz kommen. Genauer gesagt erscheinen Schmelze und Schmelzespritzer dunkel, wenn die Beleuchtung so eingestellt ist, dass der Hintergrund, beispielsweise ein reflektierender Fotoschirm aus Aluminium, Kupfer oder hellem Kunststoff, hell erstrahlt. Falls der Hintergrund hingegen abgedunkelt ist (schwarzer Hintergrund), so erscheinen die Spritzer bei ausreichender Beleuchtung hell.
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Vorzugsweise wird, wenn die bestimmte Pixelanzahl, die bestimmte Spaltenanzahl oder die bestimmte geometrische Ausprägung jenseits eines vorgegebenen Schwellwertes liegt, eine Warnmeldung ausgegeben. Beispielsweise können die Bilder, Intensitätsstufen-Pixelbilder und Bildausschnitte (rein informell) an die HMI (Human Machine Interface) weitergegeben und, sobald ein ungewollter Übergang vom Wärmeleit- in den Tiefschweißprozess detektiert wird, Warnhinweise ausgegeben werden. Anhand dieser Information kann der Maschinenbediener den Bearbeitungsprozess bewerten und anschließend die Bearbeitungsoptik und/oder Bearbeitungsparameter überprüfen.
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Die bestimmte Pixelanzahl, die bestimmte Spaltenanzahl oder die bestimmte geometrische Ausprägung samt zugehörigen Bearbeitungsparametern können in einer Datenbank gespeichert werden, um die gespeicherten Daten, insbesondere mittels künstlicher Intelligenz (KI), auszuwerten. Die ausgewerteten Daten geben Aufschluss über weitere Qualitätsmerkmale oder Maschinen- oder Optikzustände. Die KI regelt den Bearbeitungsprozess in einem geschlossenen Regelkreis und passt die Bearbeitungsparameter, wie z.B. Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl führende Doppelcladfaser, Fokuslagenposition, Leistung oder Vorschub, an die jeweilige Bearbeitungssituation an. Die Bearbeitungsmaschine erzeugt keinen bzw. minimalen Ausschuss und nähert sich durch kontinuierliche Verbesserungsschleifen und maschinelles Lernen der physikalischen maximalen Produktivität und Qualität an.
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Besonders bevorzugt wird der vordefinierte Schwellwert derart gewählt, dass er Wärmeleitschweißprozesse von Tiefschweißprozessen abgrenzt, also z.B. oberhalb der beim Wärmeleitschweißen auftretenden Intensitätswerte gewählt, wodurch nur die beim Tiefschweißen auftretenden, höheren Intensitäten des Prozessleuchtens zu einem Überschreiten des Schwellwertes führen, nicht aber die beim Wärmeleitschweißen auftretenden, geringeren Intensitäten des Prozessleuchtens.
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Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Bearbeitungsmaschine zum Wärmeleitschweißen von Werkstücken aus metallischem Werkstoff mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls, mit einer Bearbeitungsoptik zum Richten des Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, um in dem Werkstück eine Schmelzzone sowie durch Verdampfen von Werkstückmaterial ein Prozessleuchten zu erzeugen, mit einem bevorzugt koaxial zum Laserstrahl angeordneten, ortsauflösenden Flächendetektor zum ortsaufgelöstes Detektieren des Prozessleuchtens, mit einer Bildverarbeitungseinheit zum Auswerten der vom Flächendetektor aufgenommenen ortsaufgelösten Detektorbilder und mit einer Überwachungs- oder Regeleinrichtung, die anhand der ausgewerteten ortsaufgelösten Detektorbilder des Prozessleuchtens die Qualität des Wärmeleitschweißprozesses, insbesondere die Abgrenzung gegenüber Tiefschweißprozessen, überwacht oder den mindestens einen Bearbeitungsparameter regelt. Statt koaxial kann der Flächendetektor auch schräg zum Laserstrahl angeordnet sein.
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Besonders bevorzugt weist die Bildverarbeitungsvorrichtung eine Intensitätsstufen-Pixelbild-Erzeugungseinrichtung zum Erzeugen von Intensitätsstufen-Pixelbildern in einem x-y-Pixelraster aus den aufgenommenen Detektorbildern und eine Auswertungseinrichtung zum pixelweisen oder pixelspaltenweisen Auswerten der Intensitätsstufen-Pixelbildern auf. Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine eine Datenbank, in der die Auswertungsergebnisse samt ihren zugehörigen Bearbeitungsparametern gespeichert sind, sowie eine auf die Schmelzzone gerichtete Beleuchtungsquelle, insbesondere einen Beleuchtungslaser, auf.
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Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Bearbeitungsmaschine abläuft.
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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.
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Es zeigen:
- 1 schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine zum Wärmeleitschweißen von Werkstücken;
- 2a-2d wesentliche Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prozessüberwachung am Beispiel eines Wärmeleitschweißprozesses; und
- 3a, 3b den 2c, 2d entsprechende Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Prozessüberwachung am Beispiel eines Tiefschweißprozesses.
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Die in 1 schematisch gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dient zum Wärmeleitschweißen eines Werkstücks 2 aus metallischem Werkstoff mittels eines Laserstrahls 3. Beim Wärmeleitschweißen tritt keine oder eine nur geringfügige oberflächennahe Verdampfung im Bereich der Prozesszone auf. Insbesondere der Einsatz von Laserstrahlen im sichtbaren Spektralbereich (grün und blau) ermöglicht durch die höhere Absorption das Wärmeleitschweißen von Kupfermaterialien. Für das Wärmeleitschweißen von hochreflektiven Materialien, wie z.B. Kupfer, ist ein Laserstrahl 3 im grünen Wellenlängenbereich von 500 nm bis 550nm, insbesondere 515 nm, oder im blauen Wellenlängenbereich von 400 nm bis 480 nm, insbesondere 450 nm, besonders geeignet. Für das Wärmeleitschweißen von eisenbasierten Materialien ist ein Laserstrahl 3 im NIR-Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1200 nm, insbesondere 1030 nm oder 1070 nm, besonders geeignet.
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Die Bearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen Bearbeitungskopf 5 mit einer Bearbeitungsoptik 6 zum Richten des Laserstrahls 3 auf ein zu bearbeitendes Werkstück 2, um in dem Werkstück 2 eine aufgeschmolzene Schmelzzone 7 zu erzeugen, einen auf die Schmelzzone 7 gerichteten, ortsauflösenden Flächendetektor z.B. in Form einer Kamera 8, sowie eine Bildverarbeitungseinheit 9 zum Auswerten der von der Kamera 8 aufgenommenen Bilder. Durch Verdampfen von Werkstückmaterial wird ein Prozessleuchten 10 erzeugt, das von der Kamera 8 ortsaufgelöst detektiert wird.
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Der vom Laserstrahlerzeuger 4 erzeugte Laserstrahl 3 trifft auf einen dichroitischen Spiegel 11, der für die Wellenlänge des Laserstrahls 3 reflektiv ist. Vom dichroitischen Spiegel 11 wird der Laserstrahl 3 durch eine hier nicht gezeigte Fokussiereinrichtung (z.B. Fokussierlinse) auf die Bearbeitungsoptik 6 reflektiert und von dort auf das Werkstück 2 gerichtet. Die Bearbeitungsoptik 6 kann beispielsweise ein Laserscanner sein, der zwei jeweils um zueinander rechtwinklig stehende Achsen drehbare Spiegel aufweist, um den Laserstrahl 3 auf dem Werkstück 2 zweidimensional abzulenken.
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Durch die Kamera 8 werden von der Schmelzzone 7 ausgehende Bildstrahlen 12 des Prozessleuchtens 10 erfasst, die über die Bearbeitungsoptik 6, den für die Bildstrahlen 12 durchlässigen dichroitischen Spiegel 11 und einen für die Bildstrahlen 12 reflektiven, weiteren dichroitischen Spiegel 13 zu der Kamera 8 gelangen und dort das Bild der Schmelzzone 7 abbilden. Wie gezeigt, ist die Kamera 8 mittels des weiteren dichroitischen Spiegels 13 koaxial zum Laserstrahl 3 ausgerichtet. Statt koaxial kann die Kamera 8 auch schräg zum Laserstrahl 3 angeordnet sein. Zwischen dem weiteren dichroitischen Spiegel 13 und der Kamera 8 sind noch ein optischer Filter 14 und eine Kollimationslinse 15 zur Fokussierung der Bildstrahlen 12 angeordnet. Der optische Filter 14 blockt die Wellenlänge des Laserstrahls 3, um so nur das von der Schmelzzone 7 ausgehende Prozessleuchten 10, nicht aber den am Werkstück 2 reflektierten Laserstrahl 3 durchzulassen. Die Kamera 8 kann zur Aufnahme von Einzelbildern oder aber als eine Videokamera zur Aufnahme einer Videosequenz ausgeführt sein, wobei die Aufnahmefrequenz bevorzugt mindestens 100 Hz beträgt.
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Beim Wärmeleitschweißen, insbesondere in Kupfer, kann es durch unregelmäßige Absorption auf der Oberfläche des Werkstücks 2 dazu kommen, dass der Laserstrahl 3 plötzlich ein Keyhole mit starker Verdampfung erzeugt, also einen Tiefschweißprozess durchführt. Durch diesen ungewollten Übergang vom Wärmeleitin den Tiefschweißprozess werden Spritzer aus der Prozesszone gelöst, und die Neigung zur Porenentstehung nimmt zu. Zudem ist mit einer deutlichen Zunahme der Einschweißtiefe zu rechnen, was zu einer Zerstörung umliegender Bauteile führen kann. Mit der Entstehung eines Keyholes nimmt die Verdampfung zu, so dass die Intensität des Prozessleuchtens und dessen geometrische Ausprägung ansteigen.
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Die Detektion von ungewollten Übergängen vom Wärmeleit- in den Tiefschweißprozess während des Schweißprozesses ist besonders von Interesse, falls
- - die Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl 3 führende Doppelcladfaser nicht korrekt ist.
- - die Fokuslage des Laserstrahls 3 falsch eingestellt ist oder durch Fokusshift aufgrund der Verschmutzung optischer Komponenten verstellt ist.
- - Änderungen von Material- und Chargenschwankungen auftreten.
- - Positions- oder Vorrichtungsdefizite auftreten.
- - die Laserintensität einen kritischen (materialabhängigen) Schwellwert überschreitet.
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Um beim Wärmeleitschweißen einen Übergang in den unerwünschten Tiefschweißprozess zu detektieren, wird wie folgt vorgegangen.
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Während der Werkstückbearbeitung werden mit der Kamera 8 fortlaufend zu Zeitpunkten ti Bilder 16i der Schmelzzone 7 aufgenommen (2a). Von der Kamera 8 wird das Prozessleuchten 10 der Schmelzzone 7 erfasst, so dass in den aufgenommenen Bildern 16i Schmelze und Schmelzespritzer 10 hell erscheinen. In einer Graustufen-Pixelbild-Erzeugungseinrichtung 9a der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 werden aus den aufgenommenen Bildern 16i jeweils Graustufen-Pixelbilder 17i mit Pixelwerten zwischen 0 (dunkel) und 255 (hell) in einem x-y-Pixelraster erzeugt (2b). In den Graustufen-Pixelbildern 17 wird von der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 jeweils ein gleichgroßer Bildausschnitt 18i definiert, der die Schmelzzone 7 umfasst (2c). In einer Bestimmungseinrichtung 9b der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 wird für jede der (hier 256) x-Spalten des x-y-Pixelrasters des Bildausschnitts 18i der Intensitätsmittelwert ī aller Bildpixel dieser x-Spalte ermittelt und anschließend die momentane Spaltenanzahl Ni derjenigen Pixelspalten bestimmt, deren Intensitätsmittelwerte ī größer als ein vordefinierter Schwellwert S sind (2d). Die so bestimmte momentane Spaltenanzahl Ni korreliert mit der Intensität des Prozessleuchtens 10.
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Der Schwellwert S ist so hoch gewählt, dass nur die beim Tiefschweißen auftretenden, höheren Intensitäten des Prozessleuchtens zu einem Überschreiten des Schwellwertes S führen, nicht aber die beim Wärmeleitschweißen auftretenden, geringeren Intensitäten des Prozessleuchtens. Anhand der bestimmten momentanen Spaltenanzahl Ni kann die Werkstückbearbeitung dahingehend überwacht bzw. bewertet werden, ob aktuell ein unerwünschter Tiefschweißprozess auftritt oder ob bei einer abgeschlossenen Werkstückbearbeitung unerwünschte Tiefschweißprozesse aufgetreten sind. Da in 2d die Intensitätsmittelwerte ī aller x-Pixelspalten des Bildausschnitts 18i unterhalb des Schwellwertes S liegen (Ni = 0), handelt es sich bei der aktuellen Werkstückbearbeitung um einen reinen Wärmeleitschweißprozess.
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In 3a, 3b sind ein Bildausschnitt 18i und der zugehörige Intensitätsmittelwerteverlauf der x-Pixelspalten für den Fall des Tiefschweißens gezeigt. In diesem Fall liegen die Intensitätsmittelwerte ī von etwa der Hälfte aller x-Pixelspalten des Bildausschnitts 18i oberhalb des Schwellwertes S (Ni » 0).
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Zur Beleuchtung der Schmelzzone 7 kann die Bearbeitungsmaschine 1 einen Beleuchtungslaser 19 aufweisen, dessen Beleuchtungsstrahl 20 durch die beiden für die Wellenlänge des Beleuchtungsstrahls 20 in dieser Richtung transmissiven dichroitischen Spiegel 11, 13 hindurch koaxial zum Laserstrahl 3 in den Bearbeitungskopf 5 eingekoppelt und auf die Schmelzzone 7 gerichtet werden. Der am Werkstück 2 reflektierte Beleuchtungsstrahl 20 gelangt auf dem umgekehrten Weg zurück zum weiteren dichroitischen Spiegel 13, der in dieser Richtung reflektiv ist und den Beleuchtungsstrahl 20 auf die Kamera 8 lenkt. Hierbei erscheinen in den aufgenommenen Bildern 16i Schmelze und Schmelzespritzer 10 dunkel und beleuchtetes festes Material hell. In diesem Fall muss die Spaltenanzahl Ni derjenigen Pixelspalten bestimmt werden, deren Intensitätsmittelwerte ī kleiner als der vordefinierte Schwellwert S sind.
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Um Störreflektionen von der Oberfläche der Schmelzzone 7 auszublenden, kann der Kamera 8 noch ein Polarisationsfilter (s-Polarisation) vorgeordnet sein. Statt dem Beleuchtungslaser 19 kann als Beleuchtungsquelle auch eine andere Lichtquelle mit einer roten oder nahinfraroten Wellenlänge, wie z.B. eine LED, zum Einsatz kommen.
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Die Bilder 16i, die Graustufen-Pixelbilder 17i und die Bildausschnitte 18i können von der Bildverarbeitungseinheit 9 rein informell an eine HMI (Human Machine Interface) 21 der Bearbeitungsmaschine 1 weiterleitet werden. Sobald ein Übergang vom Wärmeleit- in den unerwünschten Tiefschweißprozess detektiert wird, kann von einer das beschriebene Verfahren steuernden Maschinensteuerung 22 ein Warnhinweis ausgegeben werden. Anhand dieser Information kann der Maschinenbediener die Schweißung bewerten (in Ordnung / nicht in Ordnung) und anschließend die Bearbeitungsoptik 6 und/oder die Schweißparameter überprüfen.
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Die bestimmten momentanen Spaltenanzahlen Ni samt zugehörigen Schweißparametern werden in einer Datenbank 23 gespeichert und insbesondere mittels künstlicher Intelligenz (KI) ausgewertet. Die ausgewerteten Daten geben Aufschluss über weitere Qualitätsmerkmale oder Maschinen- oder Optikzustände. Die KI regelt den Bearbeitungsprozess in einem geschlossenen Regelkreis und passt die Bearbeitungsparameter, wie z.B. Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl führende Doppelcladfaser, Fokuslagenposition, Leistung oder Vorschub, an die jeweilige Bearbeitungssituation an.
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Abhängig von der bestimmten momentanen Spaltenanzahl Ni kann von einer Regeleinrichtung 24, welche Teil der Maschinensteuerung 22 sein kann, aber nicht muss, ein Schweißparameter, wie z.B. die optische Weichenstellung für die Leistungsaufteilung auf eine den Laserstrahl 3 führende Doppelcladfaser oder die Fokuslage des Laserstrahls 3, geregelt werden. Der Regelalgorithmus prüft, ob sich die momentane Spaltenanzahl Ni verbessert oder verringert, und passt die Stellgrößen entsprechend an. Dies ermöglichst eine aktive Reduzierung von Ausschuss.
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Zusätzlich zur momentanen Spaltenanzahl Ni kann zur Prozessüberwachung und/oder zur Regelung des Schweißparameters auch die geometrische Ausprägung des Intensitätsmittelwerteverlaufs von benachbarten x-Pixelspalten bestimmt werden, deren Intensitätsmittelwerte T jeweils größer bzw. kleiner als der vordefinierte Schwellwert S sind. Die geometrische Ausprägung kann, wie in 3b gezeigt, beispielsweise die Höhe H, die Breite B oder die Fläche A des Intensitätsmittelwerteverlaufs oberhalb des Schwellwerte S sein.
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Alternativ oder zusätzlich zur momentanen Spaltenanzahl Ni oder zur geometrische Ausprägung des Intensitätsmittelwerteverlaufs kann auch die Anzahl derjenigen Pixel bestimmt werden, deren Intensitätswerte jenseits eines vordefinierten Schwellwerts liegen, um anhand der so bestimmten Pixelanzahl Überwachung die Qualität des Wärmeleitschweißprozesses zu überwachen oder den mindestens einen Bearbeitungsparameter zu regeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3045255 A1 [0005]
- DE 102013017795 B3 [0006]
