DE102020211343A1 - Verfahren zum Laserschweißen mittels eines in einer Doppelkernfaser geführten Laserstrahls sowie zugehörige Laserschweißmaschine und Computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zum Laserschweißen mittels eines in einer Doppelkernfaser geführten Laserstrahls sowie zugehörige Laserschweißmaschine und Computerprogrammprodukt Download PDF

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls (3) unter Ausbildung eines Keyholes (16) im Werkstück (2), wobei der Laserstrahl (3) in einer optischen Multikernfaser (10), welche mindestens zwei Faserkerne (10a, 10b) aufweist, in Richtung auf das Werkstück (2) geführt wird, wird erfindungsgemäß während des Laserschweißens fortlaufend ein digitales Bild (24) des Keyholes (16) aufgenommen und die Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild (23) ausgewertet. In Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung wird der Laserstrahl (3) auf die mindestens zwei Faserkerne (10a, 10b) aufgeteilt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls unter Ausbildung eines Keyholes im Werkstück, wobei der Laserstrahl in einer optischen Faser, welche mindestens zwei Faserkerne aufweist, in Richtung auf das Werkstück geführt wird, als auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Laserschweißmaschine.
  • Beim Laserschweißen mit hohen Laserstrahlintensitäten im Fokus bildet sich in der vom Laserstrahl aufgeschmolzenen Schmelze eines Werkstücks in Strahlrichtung eine Dampfkapillare (mit Metalldampf oder teilionisiertem Metalldampf gefüllter, schlauchförmiger Hohlraum, auch Keyhole genannt) in der Tiefe des Werkstücks aus. Das Werkstück wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, wobei die Schmelzzone tiefer als breit sein kann. Das Keyhole erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweißen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Über entsprechende Optiken kann die Qualität der Schweißung online durch Begutachtung des Keyholes bestimmt werden.
  • Beim Laserschweißen erhitzt der Laserstrahl das Material bis hin zur Verdampfung. Der ausströmende Metalldampf setzt das Schmelzbad in Bewegung und beschleunigt es; bei zu hoher Beschleunigung lösen sich Spritzer von der Keyhole Rückwand ab. Infolgedessen entstehen in der Schweißnaht Auswürfe, und es bleibt weniger Material übrig, um die Schweißnaht zu bilden. Spritzer können am Bauteil selbst, der Maschine oder an der Fokussieroptik haften bleiben, welche wiederrum nachbearbeitet oder gereinigt werden müssen.
  • Wird die Laserstrahlung in einer Doppelkernfaser geführt, welche einen inneren Faserkern (Kernfaser) und einen den inneren Faserkern ringförmig umgebenden äußeren Faserkern (Ringfaser) aufweist, können Materialien wie Baustahl, Edelstahl oder sogar Kupfer und Aluminium fast ohne Spritzer geschweißt werden. Der Laserstrahl tritt jeweils stirnseitig aus der Kernfaser als Kernstrahl und aus der Ringfaser als zusätzlicher Ringstrahl in Richtung auf das Werkstück aus. Aufgrund des zusätzlichen Ringstrahls wird die Keyholeöffnung vergrößert, und der Metalldampf kann so leichter entweichen. Die in Richtung Oberfläche beschleunigte Schmelze wird nun vom Ringstrahl in Richtung Schmelzbad abgelenkt, und es entstehen weniger Spritzer. Die Laserleistung des Laserstrahls kann flexibel auf die Kern- und Ringfaser und somit an das applikationsspezifische Optimum verteilt werden. So kann je nach Material die Leistungsverteilung optimal für das gewünschte Ergebnis eingestellt werden.
  • Aus der WO 99/15302 A1 ist ein Verfahren zur Materialbearbeitung mit Plasma induzierender Laserstrahlung bekannt, bei dem der Bereich des Keyholes des Werkstücks mit einer die gesamte Werkstückdicke erfassenden Tiefenschärfe beobachtet und dabei die Intensität der Plasmastrahlung in Abhängigkeit von der Zeit gemessen wird. Um die Qualität der Materialbearbeitung hinreichend genau überwachen zu können, wird das Verfahren so durchgeführt, dass momentane Plasmaintensitäten an mindestens zwei Messstellen parallel zur Achse der induzierenden Laserstrahlung gemessen werden, dass die gemessenen Plasmaintensitäten vorbestimmten Kapillargeometriegrößen zugeordnet werden, und dass eine Steuerung der Materialbearbeitung in Abhängigkeit von den Kapillargeometriegrößen erfolgt.
  • DE 103 38 062 A1 offenbart ein Verfahren zur Qualitätskontrolle eines thermischen Fügeverfahrens mittels Hochenergiebestrahlung, wie z.B. beim Laserschweißen. Hierbei wird eine zeitabhängige Bewegung einer räumlichen Energie- und/oder Leistungsdichteverteilung eines Schmelzbads und eines Keyholes verfolgt und die Bewegung einer bezogen auf die Schweißrichtung hinteren Grenzfläche des Keyholes und einer vorderen Grenzfläche des Schmelzbades beobachtet. Als Qualitätsabweichung wird erkannt, wenn die vordere Grenzfläche des Schmelzbads sich entgegengesetzt zu der hinteren Grenzfläche des Keyholes bewegt.
  • Aus der WO 2014/005603 A1 ist weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer Laserschweißvorrichtung zum Schweißen von Werkstücken mittels eines Laserstrahls bekannt. Hierbei wird eine Änderung eines mit der Änderung einer Regelgröße des Schweißprozesses einhergehenden, optisch erfassbaren Merkmals erfasst und anhand dieser Merkmalsänderung eine Stellgröße (Laserleistung, Vorschubgeschwindigkeit, Laserstrahldurchmesser) zur Verarbeitung durch eine Regeleinrichtung erzeugt.
  • Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem Laserschweißverfahren der eingangs genannten Art die Spritzerbildung noch weiter zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden und eine entsprechende Laserschweißmaschine anzugeben.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Laserschweißens fortlaufend ein digitales Bild des Keyholes aufgenommen und die Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild ausgewertet wird und dass in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung die Aufteilung des Laserstrahls auf die Faserkerne in Richtung hin zu einer vorgegebenen Soll-Keyholeform geregelt wird. Der Laserstrahl bzw. die Laserleistung lässt sich dabei in jedem beliebigen Verhältnis auf die Faserkerne aufteilen.
  • Die digitalen Bilder des Keyholes werden beispielsweise mit einer Aufnahmefrequenz von mindestens 100 Hz, insbesondere von mindestens 1 kHz, aufgenommen. Vorteilhaft wird die Wellenlänge des Laserstrahls geblockt, um so nur das vom Schmelzbad ausgehende Prozessleuchten des Keyholes, nicht aber den am Werkstück reflektierten Laserstrahl aufzunehmen.
  • Erfindungsgemäß wird der Bereich rund um das Keyhole während des Laserschweißens, z.B. mit einer koaxial zum Laserstrahl angeordneten Kamera, erfasst und das Keyhole hinsichtlich spezieller (Geometrie)Merkmale der Keyholeform und/oder der Keyholehelligkeitsverteilung ausgewertet. Die Keyholeform eines „Gut-Prozesses“ unterscheidet sich von der Keyholeform eines spritzenden Prozesses in geometrischen Merkmalen, wodurch während des Laserschweißens Aussagen über die Qualität des Schweißprozesses vollzogen werden können. Entsprechendes gilt für die Keyholehelligkeitsverteilung. Beim Abweichen von angestrebten Soll-Merkmalen der Keyholeform und/oder der -helligkeitsverteilung kann durch Regelung der Prozessparameter eine spritzerarme bzw. -freie Keyholeform erzeugt werden. Durch diese geregelte Prozessführung werden Spritzer automatisiert vermieden.
  • Erfindungsgemäß wird der gesamte zeitliche Ablauf des Laserschweißens überwacht. Volle Automatisierbarkeit und Online-Detektion ermöglichen eine Zustandsüberwachung des Laserschweißens nahezu in Echtzeit. Die Daten werden mit Standardequipment unter konstanten Randbedingungen erzeugt und sind damit gut geeignet für maschinelles Lernen. Der größte Kundennutzen beim Laserschweißen ist, dass spritzerbehaftete Schweißprozesse bereits vom ersten Moment ihrer Entstehung an entdeckt werden und durch Regeln eines oder mehrerer Prozessparameter Gegenmaßnahmen ergriffen werden können, bevor Ausschuss erzeugt oder umliegende Komponenten verschmutzt oder zerstört werden. Der Regelalgorithmus prüft anhand der momentanen Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung, ob sich die momentane Spritzeraktivität erhöht/verringert, und passt die Aufteilung der Laserleistung auf die Faserkerne in Richtung einer vorgegebenen Soll-Keyholeform und/oder der -helligkeitsverteilung entsprechend an. Durch diese Regelung kann bereits während des Laserschweißens Ausschuss reduziert werden.
  • Die aktive Regelung der Keyholeform bzw. -geometrie ist vor allem bei kontinuierlichen Prozessen interessant, um auf mögliche Einflüsse wie beispielsweise Blechdickenänderungen zu reagieren. Vorteil durch die Regelung ist die Steigerung der Robustheit von Schweißprozessen, wobei sowohl Einschweiß- als auch Durchschweißprozesse detektiert werden können.
  • Zusätzlich zur Aufteilung der Laserleistung auf die Faserkerne können in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung auch andere Prozessparameter, wie z.B. die Laserleistung des Laserstrahls, eingestellt werden.
  • Zusätzlich zur Keyholeform kann auch deren zeitliche Änderung ausgewertet und bei der Regelung der Aufteilung des Laserstrahls auf die Faserkerne berücksichtigt werden.
  • Besonders bevorzugt weist die Multikernfaser einen inneren Faserkern (Kernfaser) und mindestens einen den inneren Faserkern ringförmig umgebenden äußeren Faserkern (Ringfaser) auf.
  • Vorzugsweise wird die Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet:
    • - eines in Vorschubrichtung vorderen Keyhole-Teilkreisrings,
    • - einer Breite des Keyhole-Teilkreisrings,
    • - einer Ringbreite eines zwischen einer vorderen Schmelzfront und einer vorderen Keyholefront vorhandenen Schmelzerings, und
    • - Helligkeitsverteilung auf dem Keyhole-Teilkreisring.
  • Geometrisches Hauptmerkmal der Keyholeform ist bei einer Kern/Ring-Faser eine spezielle halbkreisringförmige Keyholefront, die durch den aus der Ringfaser austretenden Ringstrahl entsteht. Für einen spritzerfreien Schweißprozess muss dieser oberflächennahe Keyhole-Teilkreisring in ausreichender Größe und Stabilität vorhanden sein. Vorteilhaft wird die Aufteilung des Laserstrahls auf die Faserkerne in Richtung hin zu mindestens einem der folgenden Merkmale geregelt:
    • - einem mindestens halbkreisförmigen Soll-Keyhole-Teilkreisring,
    • - einer Breite des Keyhole-Teilkreisrings innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, und
    • - einer homogenen Helligkeitsverteilung auf dem Keyhole-Teilkreisring.
  • Ist beispielsweise der Keyhole-Teilkreisring nicht stabil ausgeprägt, so ist der Leistungsanteil des Ringstrahls zu erhöhen und ggf. auch die Gesamt-Leistung anzupassen. Ist das Keyhole nach unten geöffnet, so ist der Leistungsanteil des Kernstrahls zu reduzieren.
  • Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserschweißmaschine zum Laserschweißen eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls unter Ausbildung eines Keyholes im Werkstück mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls und mit einer den Laserstrahl in Richtung auf das Werkstück führenden optischen Multikernfaser, welche mindestens zwei Faserkerne aufweist, auf welche die Laserleistung des Laserstrahls aufgeteilt wird, wobei die Laserschweißmaschine gekennzeichnet ist durch:
    • - eine Bildaufnahmeeinrichtung zum fortlaufenden Aufnehmen eines Bildes des Keyholes,
    • - eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten der Keyholeform im aufgenommenen Bild des Keyholes,
    • - eine zum variablen Aufteilen des Laserstrahls auf die Faserkerne ansteuerbare Ablenkoptik, und
    • - eine mit der Auswerteeinrichtung und mit der Ablenkoptik verbundene Regeleinrichtung, welche die Ablenkoptik in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform in Richtung hin zu einer vorgegebenen Soll-Keyholeform regelt.
  • Vorzugsweise ist die Bildaufnahmeeinrichtung koaxial zum Laserstrahl angeordnet und durch eine meist sowieso standardmäßig vorhandene Prozess-Beobachtungskamera gebildet. Durch geeignete Filter (bspw. Bandpassfilter) ist die Bildaufnahmeeinrichtung an die Prozessintensität (Helligkeit) angepasst und die Laserstrahlung geblockt.
  • 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 Maschinensteuerung einer Laserschweißmaschine abläuft.
  • 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 gezeigte und beschriebene Ausführungsform ist nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern hat vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch eine erfindungsgemäße Laserschweißmaschine zum Laserschweißen von Werkstücken; und
    • 2a, 2b eine schematische Draufsicht auf ein Schmelzbad mit einem Keyhole im Fall eines Gut-Schweißprozesses (2a) und im Fall eines Schlecht-Schweißprozesses (2b).
  • Die in 1 schematisch gezeigte Laserschweißmaschine 1 dient zum Laserschweißen eines Werkstücks 2 mittels eines Laserstrahls 3.
  • Die Laserschweißmaschine 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 ein aufgeschmolzenes Schmelzbad 7 zu erzeugen, eine auf das Schmelzbad 7 gerichtete Bildaufnahmeeinrichtung in Form einer Kamera 8 (z.B. CCD-Kamera) sowie eine Auswerteeinrichtung 9 zum Auswerten der von der Kamera 8 aufgenommenen digitalen Bilder.
  • Der vom Laserstrahlerzeuger 4 erzeugte Laserstrahl 3 wird in das eine Faserende einer Doppelkernfaser 10 eingekoppelt, die einen inneren Faserkern 10a und einen den inneren Faserkern 10a ringförmig umgebenden äußeren Faserkern 10b aufweist. Der Doppelkernfaser 10 ist eine ansteuerbare Ablenkoptik 11 (z.B. eine in den Strahlengang hineinbewegbare Keilweiche) vorgeordnet, welche den Laserstrahl 3 und damit die Laserleistung variabel auf die beiden Faserkerne 10a, 10b aufteilen kann. Der aus dem anderen Faserende der Doppelkernfaser 10 ausgekoppelte Laserstrahl 3 trifft auf einen Strahlteilerspiegel, z.B. einen dichroitischen Spiegel 12, der für die Wellenlänge des Laserstrahls 3 reflektiv ist. Vom dichroitischen Spiegel 12 wird der Laserstrahl 3 auf die Bearbeitungsoptik 6 reflektiert und von dort auf das Werkstück 2 gerichtet, wobei der Laserstrahl 3 von einer nicht gezeigten Fokussiereinrichtung (z.B. Fokussierlinse) auf das Werkstück 2 fokussiert wird. 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.
  • Von der Kamera 8 werden vom Schmelzbad 7 ausgehende Bildstrahlen 13 erfasst, die über die Bearbeitungsoptik 6 und den für die Bildstrahlen 13 durchlässigen Spiegel 12 zu der Kamera 8 gelangen und dort das Bild des Schmelzbads 7 abbilden. Wie gezeigt, ist die Kamera 8 mittels des Spiegels 12 koaxial zum Laserstrahl 3 ausgerichtet. Zwischen Spiegel 12 und Kamera 8 sind noch ein optischer Filter 14 und eine Kollimationslinse 15 zur Fokussierung der Bildstrahlen 13 angeordnet. Der optische Filter 14 blockt die Wellenlänge des Laserstrahls 3, um so nur das vom Schmelzbad 7 ausgehende Prozessleuchten, 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.
  • Beim Laserschweißen mit hohen Laserstrahlintensitäten im Laserfokus bildet sich, wie schematisch in 2a, 2b gezeigt, im Schmelzbad 7 des Werkstücks 2 in Strahlrichtung ein Keyhole 16 in der Tiefe des Werkstückes 2 aus. Das Werkstück 2 wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, wobei das Keyhole 16 aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material erhöht. Das Schmelzbad 7 hat in Vorschubrichtung (Schweißrichtung) 17 des Laserstrahls 3 eine Tropfenform mit einer in Vorschubrichtung 17 vorderen Schmelzfront 18.
  • Der Laserstrahl 3 tritt aus dem inneren Faserkern 10a als Kernstrahl und aus dem äußeren Faserkern 10b als zusätzlicher Ringstrahl in Richtung auf das Werkstück 2 aus. Aufgrund des zusätzlichen Ringstrahls wird die Öffnung des Keyholes 16 vergrößert, und der Metalldampf kann so leichter entweichen. Die in Richtung Oberfläche beschleunigte Schmelze wird vom Ringstrahl in Richtung Schmelzbad 7 abgelenkt, und es entstehen weniger Spritzer. Durch den Kernstrahl entsteht ein innerer Keyholebereich 16a mit einem dem Kernstrahl entsprechenden, kreisrunden Querschnitt, und durch den Ringstrahl entsteht ein spezieller, in Vorschubrichtung 17 vorderer Keyhole-Teilkreisring 19 mit einer entsprechend teilkreisförmigen, vorderen Keyholefront 20. Die Abgrenzung des Teilkreisrings 19 zum inneren Keyholebereich 16a lässt sich bildverarbeitungstechnisch (zum Beispiel über einen Helligkeitsschwellwert oder über einen Helligkeitsgradienten) detektieren, da es sich um Bereiche unterschiedlicher Helligkeit handelt. Der innere Keyholebereich 16a entspricht dem klassischen Keyhole, gegenüber dem der Teilkreisring 19 „weniger hell“ ist. Da der innere Keyholebereich 16a viel tiefer als der Teilkreisring 19 ist, kann die Abgrenzung auch anhand der „Schärfe“ eines Keyholebildes oder mittels OCT (optical coherence tomography) detektiert werden.
  • Wie Versuche gezeigt haben, muss für einen in 2a gezeigten, spritzerfreien Gut-Schweißprozess der Keyhole-Teilkreisring 19 in ausreichender Größe und Stabilität vorhanden sein. Dafür muss die Ringstrahl-Intensität ausreichend hoch sein. Der Keyhole-Teilkreisring 19 muss sich entgegen der Vorschubrichtung 17 beidseitig jeweils bis mindestens auf Höhe der Laserstrahlachse erstrecken, also bezogen auf die Keyhole-Mitte einen Winkel α von mindestens 180° aufweisen. Dadurch wird erreicht, dass die Schmelze in diesem Bereich kontinuierlich entgegen der Vorschubrichtung 17 in das Schmelzbad 7 fließt. Der Keyhole-Teilkreisring 19 ist idealerweise spiegelsymmetrisch zu der in Vorschubrichtung 17 verlaufenden Längsmittelachse des Keyholes 16.
  • Außerdem haben Versuche gezeigt, dass für einen spritzerfreien Schweißprozess zusätzlich noch folgende weitere Keyhole-Parameter entscheidend sein können:
    • - Für einen spritzerfreien Schweißprozess darf die Breite B des Keyhole-Teilkreisrings 19 einerseits nicht zu gering und andererseits auch nicht zu groß sein, d.h., die Breite B sollte möglichst innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegen.
    • - Je homogener die vom Keyhole-Teilkreisring 19 abgestrahlte Intensitätsverteilung auf bzw. entlang des Keyhole-Teilkreisrings 19 ist, desto weniger Spritzer entstehen.
    • - Für einen spritzerfreien Schweißprozess sollte die Ringbreite b eines zwischen der vorderen Schmelzfront 18 und der vorderen Keyholefront 20 noch vorhandenen Schmelzerings 21 möglichst minimal sein. Je geringer die Ringbreite b des Schmelzerings 21 ist, desto schärfer ist der Übergang von festem Material zum Keyhole 16.
  • Wie Versuche gezeigt haben, ist bei einem in 2b gezeigten, spritzenden Schlecht-Schweißprozess der Winkel α des Keyhole-Teilkreisrings 19 kleiner als 180°, meist, wie in 2b gezeigt, sogar kleiner als 150°. Dadurch erhöht sich die Dynamik in der Schmelze. Gleichzeitig wird der Anteil der Schmelze erhöht, der sich unter dem Keyhole 16 hindurch und anschließend, gesehen in Vorschubrichtung 17, hinter dem Keyhole 16 in Richtung Oberfläche bewegt. Diese Schmelze trifft anschließend auf den Keyhole-umströmenden Anteil und sorgt dafür, dass sich dort Spritzer ablösen.
  • Eine Regeleinrichtung 22, die Teil einer Maschinensteuerung 23 der Laserschweißmaschine 1 sein kann, aber nicht muss, ist mit der Auswerteeinrichtung 9 sowie mit der Ablenkoptik 11 und mit dem Laserstrahlerzeuger 4 verbunden.
  • Während der Werkstückbearbeitung werden mit der Kamera 8 fortlaufend digitale Bilder 24 des Schmelzbads 7 aufgenommen. Die Keyholeform im aufgenommenen Bild 24 wird von der Auswerteeinrichtung 9 hinsichtlich geometrischer Merkmale ausgewertet, und zwar vorzugsweise hinsichtlich des Winkels α des Keyhole-Teilkreisrings 19 und optional zusätzlich hinsichtlich der Breite B des Keyhole-Teilkreisrings 19 und der Ringbreite b des Schmelzerings 21. Alternativ oder zusätzlich kann von der Auswerteeinrichtung 9 auch die Helligkeitsverteilung des Keyholes 16 im aufgenommenen Bild 24 ausgewertet werden.
  • Für einen möglichst spritzerfreien Laserschweißprozess regelt die Regeleinrichtung 22 die Ablenkoptik 11 in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform in Richtung hin zu einer vorgegebenen Soll-Keyholeform, wie z.B. einem vorgegebenen, mindestens halbkreisförmigen Keyhole-Teilkreisring 19 (α ≥ 180°), und optional zusätzlich in Richtung hin zu mindestens einem der folgenden Merkmale:
    • - Breite B des Keyhole-Teilkreisrings 19 innerhalb des vorgegebenen Toleranzbereichs;
    • - homogene Helligkeitsverteilung auf bzw. entlang des Keyhole-Teilkreisrings 19;
    • - minimale Ringbreite b des Schmelzerings 21.
  • In Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und ggf. -helligkeit kann auch die Laserleistung des Laserstrahls 3 von der Regeleinrichtung 22 entsprechend eingestellt werden. Zusätzlich kann auch die zeitliche Änderung der Keyholeform und ggf. -helligkeit anhand von mehreren Bildern 24 ausgewertet und bei der Regelung der Aufteilung des Laserstrahls 3 auf die Faserkerne 10a, 10b mitberücksichtigt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • 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.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 9915302 A1 [0005]
    • DE 10338062 A1 [0006]
    • WO 2014/005603 A1 [0007]

Claims (12)

  1. Verfahren zum Laserschweißen eines Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls (3) unter Ausbildung eines Keyholes (16) im Werkstück (2), wobei der Laserstrahl (3) in einer optischen Multikernfaser (10), welche mindestens zwei Faserkerne (10a, 10b) aufweist, in Richtung auf das Werkstück (2) geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Laserschweißens fortlaufend ein digitales Bild (24) des Keyholes (16) aufgenommen und die Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild (24) ausgewertet wird und dass in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung die Aufteilung des Laserstrahls (3) auf die Faserkerne (10a, 10b) in Richtung hin zu einer vorgegebenen Soll-Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung auch die Laserleistung des Laserstrahls (3) eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch die zeitliche Änderung der Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung ausgewertet wird und dass bei der Regelung der Aufteilung des Laserstrahls (3) auf die Faserkerne (10a, 10b) auch die ausgewertete zeitliche Änderung der Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung berücksichtigt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Multikernfaser (10) einen inneren Faserkern (10a) und mindestens einen den inneren Faserkern (10a) ringförmig umgebenden, äußeren Faserkern (10b) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (24) des Keyholes (16) aus einer zum Laserstrahl (3) koaxialen Richtung aufgenommen werden.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keyholeform oder -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild (24) hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird: - eines in Vorschubrichtung (17) vorderen Keyhole-Teilkreisrings (19), - einer Breite (B) des Keyhole-Teilkreisrings (19), - einer Ringbreite (b) eines zwischen einer vorderen Schmelzfront (18) und einer vorderen Keyholefront (20) vorhandenen Schmelzerings (21), und - Helligkeitsverteilung auf dem Keyhole-Teilkreisring (19).
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Laserstrahls (3) auf die Faserkerne (10a, 10b) in Richtung hin zu mindestens einem der folgenden Merkmale geregelt wird: - einem mindestens halbkreisförmigen Soll-Keyhole-Teilkreisring (19), - einer Breite (B) des Keyhole-Teilkreisrings (19) innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs, und - einer homogenen Helligkeitsverteilung auf dem Keyhole-Teilkreisring (19).
  8. Laserschweißmaschine (1) zum Laserschweißen eines Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls (3) unter Ausbildung eines Keyholes (16) im Werkstück (2), mit einem Laserstrahlerzeuger (4) zum Erzeugen des Laserstrahls (3) und mit einer den Laserstrahl (3) in Richtung auf das Werkstück (2) führenden optischen Multikernfaser (10), welche mindestens zwei Faserkerne (10a, 10b) aufweist, auf welche die Laserleistung des Laserstrahls (3) aufgeteilt wird, gekennzeichnet durch: - eine Bildaufnahmeeinrichtung (8) zum fortlaufenden Aufnehmen eines digitalen Bildes (24) des Keyholes (16), - eine Auswerteeinrichtung (9) zum Auswerten der Keyholeform und -helligkeitsverteilung im aufgenommenen Bild (24) des Keyholes (16), - eine zum variablen Aufteilen des Laserstrahls (3) auf die Faserkerne (10a, 10b) ansteuerbare Ablenkoptik (11), und - eine mit der Auswerteeinrichtung (9) und mit der Ablenkoptik (11) verbundene Regeleinrichtung (22), welche die Ablenkoptik (11) in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung in Richtung hin zu einer vorgegebenen Soll-Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung regelt.
  9. Laserschweißmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufnahmeeinrichtung (8) koaxial zum Laserstrahl (3) angeordnet ist.
  10. Laserschweißmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regeleinrichtung (22) mit dem Laserstrahlerzeuger (4) verbunden ist, um die Laserleistung des Laserstrahls (3) in Abhängigkeit von der ausgewerteten Keyholeform und/oder -helligkeitsverteilung einzustellen oder zu regeln.
  11. Laserschweißmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Multikernfaser (10) einen inneren Faserkern (10a) und mindestens einen den inneren Faserkern (10a) ringförmig umgebenden, äußeren Faserkern (10b) aufweist.
  12. Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung (23) einer Laserschweißmaschine (1) abläuft.
DE102020211343.2A 2020-09-10 2020-09-10 Verfahren zum Laserschweißen mittels eines in einer Doppelkernfaser geführten Laserstrahls sowie zugehörige Laserschweißmaschine und Computerprogrammprodukt Pending DE102020211343A1 (de)

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