DE102020214125B3

DE102020214125B3 - Verfahren zur Ermittlung einer Schmelzperlengeometrie eines Laserschweißprozesses sowie zugehörige Bearbeitungsmaschine und Computerprogrammprodukt

Info

Publication number: DE102020214125B3
Application number: DE102020214125.8A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Oliver Bocksrocker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2040-11-11

Abstract

Bei einem Verfahren zur Ermittlung einer Schmelzperlengeometrie eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke (2) aus dem gleichen metallischen Werkstoff mittels eines Laserstrahls (3), der auf nebeneinander angeordnete Endflächen (4) der Werkstücke (2) gerichtet wird, um an den beiden Endflächen (4) eine Schmelzperle (8) aufzuschmelzen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass, nach Ausschalten des Laserstrahls (3), während eines Zeitfensters (Δt) vor der Erstarrung der Schmelzperle (8), in welchem die Temperatur (T) der Schmelzperle (8) konstant auf Schmelztemperatur (TS) ist, die Intensität (IS) einer von mindestens einem Oberflächensegment (16) der flüssigen Schmelzperle (8) in mindestens eine vorgegebene Beobachtungsrichtung (z) abgestrahlten und mittels eines Linearpolarisators (12) in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung (y) linearpolarisierten Wärmestrahlung (10) bei einer vorgegebenen Wellenlänge (λ) detektiert wird, wobei die Beobachtungsrichtung (z) und eine zur Polarisationsrichtung (y) und zur Beobachtungsrichtung (z) jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung (x) eine Messebene (17) definieren, und dass anhand der detektierten Intensität (IS) der in der Messebene (17) zwischen der Normalenvektorkomponente (nxz) und der Beobachtungsrichtung (z) liegende Abstrahlwinkel (φxz) und damit die räumliche Ausrichtung des mindestens einen Oberflächensegments (16) der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') ermittelt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Schmelzperlengeometrie eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke, vorzugsweise Stableiter, aus dem gleichen metallischen Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, mittels eines Laserstrahls, der auf nebeneinander angeordnete Endflächen der Werkstücke gerichtet wird, um an den beiden Endflächen eine Schmelzperle aufzuschmelzen, sowie auch eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine.
Beim Laserschweißen metallischer Werkstoffe kommt es aufgrund großer Material-, Positions- und Spalttoleranzen, Unreinheit oder glänzender/unregelmäßiger Oberflächen vereinzelt zu Fehlschweißungen (z. B. zu geringe Anbindung). Die Ermittlung der Schweißnahtgeometrie dient der Bewertung der Schweißnahtqualität. Insbesondere bei stabförmigen Kupferleitern (so genannte „Hairpins“) und auch bei anderen Werkstoffen werden so das homogene Aufschmelzen, die Anbindung, der Nahtqualität und die Positionierung der zu einer Schweißperle erstarrten Schmelzperle bewertet und überwacht.
Aus DE 10 2014 226 710 A1 ist das Verschweißen zweier Stableiter („Hairpins“) mittels eines Laserstrahls bekannt, der auf nebeneinander angeordnete Endflächen der Stableiter gerichtet wird, um an den beiden Endflächen eine Schmelzperle aufzuschmelzen.
Aus DE10 2016 204 577 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Qualität einer Schweißnaht bekannt, wobei während des Laserschweißens ein Schmelzbad mit einem Messsystem beobachtet wird und anhand des Beobachtungsergebnisses die Schweißnahqualität des geschweißten Werkstücks bestimmt wird. Während des Laserschweißens wird eine Kenngröße, die mit einer Schmelzbadoszillation korreliert, beobachtet. Aus dem beobachteten zeitlichen Verlauf der Kenngröße wird eine Maßgröße für Amplitude und Frequenz der Schmelzbadoszillation ermittelt und daraus auf eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Haarrissen an der Schweißnaht geschlossen.
Aus DE 10 2019 220 319 A1 ist weiter ein Verfahren zum Laserschweißen zweier Bauteile bekannt, bei dem ein Laserstrahl über eine Optikeinrichtung auf einen Verbindungsbereich der beiden Bauteile geleitet wird und die beiden Bauteile unter Ausbildung einer Schweißnaht miteinander verschweißt werden. Dabei wird der Verbindungsbereich mittels einer polarisationssensitiven Kamera erfasst, welche eine Polarisation des von dem Verbindungsbereich reflektierten Lichts erfasst. Anhand der erfassten Polarisation wird die Position der Bauteile erfasst und eine Position oder eine Bewegung des Laserstrahls im Verbindungsbereich gesteuert.
US 2019 / 0 210 158 A1 offenbart ein Verfahren zum Bestimmen, ob eine Schweißung an einem Statorkern gut oder schlecht durchgeführt ist. Mittels einer Kamera wird ein Bild der Schweißung aufgenommen und deren Schweißkontur mittels einer Unterscheidungseinheit erkannt und ausgewertet. Die Schweißung wird durch eine Maske hindurch mit Licht bestrahlt, wodurch die Schweißkontur auf die Kamera hervorgehoben abgebildet wird.
WO 2012/ 037 955 A1 offenbart eine Überwachung einer Bearbeitung eines Werkstücks mit folgenden Schritten: Erfassen einer ersten Strahlungskomponente einer von einem Flächenelement in einem Bearbeitungsbereich des Werkstückes emittierten Wärmestrahlung mit einer ersten Polarisation der Wärmestrahlung; Erfassen einer zweiten Strahlungskomponente einer von dem Flächenelement in dem Bearbeitungsbereich des Werkstückes emittierten Wärmestrahlung mit einer von der ersten verschiedenen, zweiten Polarisation der Wärmestrahlung, und Ermitteln von Datenwerten einer Oberflächenstruktur des Werkstückes an dem Flächenelement aus der erfassten ersten und zweiten Strahlungskomponente.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzugeben, mit dem die Schmelzperlengeometrie ermittelt und insbesondere die Qualität der Schmelzperle überwacht werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass, nach Ausschalten des Laserstrahls, während eines Zeitfensters vor der Erstarrung der Schmelzperle, in welchem die Temperatur der Schmelzperle konstant auf Schmelztemperatur ist, die Intensität einer von mindestens einem Oberflächensegment der flüssigen Schmelzperle in mindestens eine vorgegebene Beobachtungsrichtung abgestrahlten und mittels eines Linearpolarisators in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung linearpolarisierten Wärmestrahlung oder die Intensität einer an mindestens einem Oberflächensegment der flüssigen Schmelzperle in mindestens eine vorgegebene Beobachtungsrichtung reflektierten und mittels eines Linearpolarisators in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung linearpolarisierten Beleuchtungsstrahlung bei einer vorgegebenen Wellenlänge oder in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich detektiert werden, wobei die Beobachtungsrichtung und eine zur Polarisationsrichtung und zur Beobachtungsrichtung jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung eine Messebene definieren, und dass anhand der detektierten Intensität der in der Messebene zwischen der Normalenvektorkomponente und der Beobachtungsrichtung liegende Abstrahlwinkel und damit die räumliche Ausrichtung des mindestens einen Oberflächensegments der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle ermittelt werden.
Erfindungsgemäß wird - bezogen auf die Messebene - der s-polarisierte Strahlungsanteil der Wärmestrahlung zur Messung des Abstrahlwinkels genutzt. Insbesondere im speziellen Fall des Hairpinschweißens verharrt die flüssige Schmelzperle eine ausreichend lange Zeit auf Schmelztemperatur, so dass der Emissionsgrad in diesem Zeitpunkt allein vom Abstrahlwinkel abhängt. Die Messung erfolgt kurz vor Erstarrung der Schmelzperle, wodurch die Temperatur entlang der Oberfläche als konstant angenommen werden kann. Dabei wird nur der s-polarisierte Strahlungsanteil der Wärmestrahlung ausgewertet, da nur dieser im Gegensatz zum p-polarisierten Strahlungsanteil einen eindeutigen Rückschluss auf den Abstrahlwinkel zulässt. Die Messrichtung ist rechtwinklig zur Polarisationsrichtung ausgerichtet. Die Erfindung kann einfach umgesetzt werden, da zusätzlich zum Standard-Schweißoptik-Equipment nur ein Polarisationsfilter zusätzlich benötigt wird. Die Auswertung ermöglicht eine iO/niO(„in Ordnung“/„nicht in Ordnung“)-Qualitätssicherung anhand geometrischer Merkmale der Schmelzperle, die mit bisheriger kamerabasierter Sensorik nicht möglich ist.
Besonders vorteilhaft kann anhand des für das mindestens eine Oberflächensegment ermittelten Abstrahlwinkels die Qualität der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle bestimmt und/oder überwacht werden.
Vorzugsweise wird während des Zeitfensters der Abstrahlwinkel jeweils für mehrere entlang der Messrichtung angeordnete Oberflächensegmente der Schmelzperle ermittelt, um anhand der ermittelten Abstrahlwinkel eine zweidimensionale Oberflächengeometrie der flüssigen bzw. erstarrten Schmelzperle entlang der Messrichtung zu ermitteln.
Zur Referenzierung der detektierten Intensität wird in einer bevorzugten Verfahrensvariante die Intensität der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung, die von dem mittigen Oberflächensegment der Schmelzperle in eine rechtwinklig zum mittigen Oberflächensegment verlaufende Beobachtungsrichtung abgestrahlt wird, als Referenzintensität detektiert und der Abstrahlwinkel des mindestens einen Oberflächensegments anhand eines Vergleichs der detektierten Intensität mit der Referenzintensität ermittelt. In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante werden sowohl die Intensität der in der Polarisationsrichtung linearpolarisierten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung des mindestens einen Oberflächensegments als auch die Intensität der rechtwinklig zur Polarisationsrichtung linearpolarisierten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung des mindestens einen Oberflächensegments detektiert, um dann aus dem Verhältnis der beiden detektierten Intensitäten den Abstrahlwinkel des mindestens einen Oberflächensegments zu ermitteln.
Vorteilhaft wird während des Zeitfensters der Winkel jeweils für mehrere entlang mindestens zweier unterschiedlicher Messrichtungen, insbesondere zweier rechtwinkliger Messrichtungen, angeordnete Oberflächensegmente der Schmelzperle ermittelt und anhand der ermittelten Winkel die dreidimensionale Oberflächengeometrie der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle entlang der mehreren Messrichtungen ermittelt. Hierzu müssen innerhalb des Zeitfensters die Mess- und Polarisationsrichtungen um z. B. 90° gedreht werden. Alternativ kann auch ein Detektor mit zwei Detektorflächen eingesetzt werden, denen jeweils Linienpolarisatoren mit unterschiedlich orientierten Polarisationsrichtungen vorgeordnet sind. Die Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung kann mittels eines physikalischen Strahlteilers auf beide Detektorflächen aufgeteilt werden, deren Messrichtungen entsprechend rechtwinklig zu der jeweiligen Polarisationsrichtung ausgerichtet sind.
In einer bevorzugten Verfahrensvariante wird während des Zeitfensters mindestens ein digitales Bild der von der Schmelzperle abgestrahlten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung aufgenommen und für mehrere Bildpixel des digitalen Bildes entlang der Messrichtung der Abstrahlwinkel des zugehörigen Oberflächensegments anhand der detektierten Intensität des jeweiligen Bildpixels ermittelt. In einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante wird während des Zeitfensters die Schmelzperle entlang der Messrichtung abgescannt und die Intensität der jeweils in Scanrichtung abgestrahlten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung gemessen.
Vorzugsweise werden, nach Ausschalten des Laserstrahls, fortlaufend digitale Bilder der von der Schmelzperle abgestrahlten Wärmestrahlung aufgenommen. Das Zeitfenster kann dann anhand des zeitlichen Verlaufs der jeweils über alle Bildpixel eines digitalen Bildes gemittelten Graumittelwerte rückwirkend, also nach Messende, als die Zeitspanne vor der Erstarrung bestimmt werden, innerhalb der sich die Graumittelwerte zeitlich nicht ändern. Alternativ kann die Temperatur der Schmelzperle auch über einen Temperatursensor, z. B. Pyrometer, gemessen werden, insbesondere für den Fall, dass keine digitalen Bilder vorliegen, die ausgewertet werden könnten.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Bearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Werkstücke, vorzugsweise zweier Stableiter, aus dem gleichen metallischen Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen eines Laserstrahls, mit einer Bearbeitungsoptik zum Richten des Laserstrahls auf, bevorzugt auf gleicher Höhe, nebeneinander liegende Endflächen zweier Werkstücke, um an den beiden Endflächen eine Schweißperle aufzuschmelzen, mit einem Detektor zum Detektieren einer von mindestens einem Oberflächensegment der flüssigen Schmelzperle abgestrahlten Wärmestrahlung oder einer an mindestens einem Oberflächensegment der flüssigen Schmelzperle reflektierten Beleuchtungsstrahlung in mindestens einer vorgegebenen Beobachtungsrichtung, mit einem dem Detektor vorgeordneten Bandpassfilter zum spektralen Begrenzen der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung auf eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich, mit einem dem Detektor vorgeordneten Linearpolarisator zum Polarisieren der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung, wobei die Beobachtungsrichtung und eine zur Polarisationsrichtung und zur Beobachtungsrichtung jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung eine Messebene definieren, mit einer Auswertungseinheit, die ausgebildet oder programmiert ist, anhand der vom Detektor detektierten Intensität der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung den Abstrahlwinkel, welcher in der Messebene zwischen der Normalenvektorkomponente des mindestens einen Oberflächensegments und der Beobachtungsrichtung liegt, zu ermitteln, und mit einer Maschinensteuerung, die programmiert ist, das oben beschriebene, erfindungsgemäße Verfahren auszuführen. Der Detektor ist besonders bevorzugt koaxial zum Laserstrahl angeordnet.
Vorzugsweise weist die Bearbeitungsmaschine auch eine Überwachungseinheit auf, die ausgebildet oder programmiert ist, anhand des ermittelten Abstrahlwinkels die Qualität der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle, insbesondere hinsichtlich Oberflächenunregelmäßigkeiten, zu überwachen.
Die Bearbeitungsmaschine kann vorteilhaft eine Beleuchtungsquelle, insbesondere einen Beleuchtungslaser, aufweisen, um die an der Schmelzperle zu reflektierende Beleuchtungsstrahlung zu erzeugen.
Der Detektor kann beispielsweise als ein Flächendetektor, insbesondere eine Kamera, zum Aufnehmen von digitalen Bildern oder als ein Punktdetektor mit vorgeordneter Scanneroptik ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist die Auswertungseinheit ausgebildet oder programmiert, aus digitalen Bildern, die nach Abschalten des Laserstrahls von der Schmelzperle aufgenommen werden, ein Zeitfenster zu ermitteln, in welchem die Temperatur der Schmelzperle konstant auf Schmelztemperatur ist.
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 Bearbeitungsmaschine 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 gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Stableiter, wobei die von einer Schmelzperle ausgehende Wärmestrahlung detektiert wird;
2 schematisch die von der Schmelzperle in Beobachtungsrichtung abgestrahlte Wärmestrahlung;
3 den Emissionsgrad von Kupfer für s- und p-polarisierte Strahlungsanteile in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel;
4 den idealisierten zeitlichen Temperaturverlauf der Schmelzperle vom Abschalten des Laserstrahls bis zur Erstarrung der Schmelzperle;
5 die Polarisations- und Messrichtungen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung einer Schmelzperlengeometrie;
6 ein digitales Kamerabild der Schmelzperle; und
7 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Stableiter, wobei eine an der Schmelzperle reflektierte Beleuchtungsstrahlung detektiert wird.

Die in 1 schematisch gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschweißen zweier Werkstücke aus metallischem Werkstoff, hier beispielhaft in Form zweier gebogener Stableiter 2 („Hairpins“) aus Kupfer, mittels eines Laserstrahls 3. Die beiden Stableiter 2 sind mit ihren zu verschweißenden Endflächen 4 auf bevorzugt gleicher Höhe nebeneinander angeordnet.
Die Bearbeitungsmaschine 1 weist einen Laserstrahlerzeuger 5 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen Bearbeitungskopf 6 mit einer Bearbeitungsoptik (z. B. Scanneroptik) 7 zum Richten des Laserstrahls 3 auf die Endflächen 4 der beiden Stableiter 2, um an den Endflächen 4 eine Schmelzperle 8 aufzuschmelzen, einen Detektor 9 zum Detektieren der von der flüssigen Schmelzperle 8 abgestrahlten Wärmestrahlung 10, einen dem Detektor 9 vorgeordneten Bandpassfilter 11 zum spektralen Begrenzen der Wärmestrahlung 10 auf eine Wellenlänge λ oder einen Wellenlängenbereich (z. B. 810±10 nm), und einen dem Detektor 9 vorgeordneten Linearpolarisator 12 zum Polarisieren der Wärmestrahlung 10 in einer vorgegebenen Polarisationsrichtung auf. Weiterhin weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine Auswertungseinheit 13 zum Auswerten der vom Detektor 9 detektierten Wärmestrahlung 10 und eine Überwachungseinheit 14 auf, die anhand der Auswertung die zu einer Schweißperle 8' erstarrte Schmelzperle 8 überwacht.
Der vom Laserstrahlerzeuger 5 erzeugte Laserstrahl 3 trifft auf einen Strahlteiler (z. B. Dichroit- oder Lochspiegel) 15, der für die Wellenlänge des Laserstrahls 3 reflektiv ist. Vom Strahlteiler 15 wird der Laserstrahl 3 durch eine hier nicht gezeigte Fokussiereinrichtung (z. B. Fokussierlinse) auf die Bearbeitungsoptik 7 reflektiert und von dort auf die beiden Endflächen 4 gerichtet. Die Bearbeitungsoptik 7 kann beispielsweise ein Laserscanner sein, der zwei jeweils um zueinander rechtwinklig stehende Achsen drehbare Spiegel aufweist, um den Laserstrahl 3 zweidimensional abzulenken. Die von der Schmelzperle 8 in Beobachtungsrichtung z abgestrahlte Wärmestrahlung 10 gelangt über die Bearbeitungsoptik 7 und den für die Wärmestrahlung 10 durchlässigen Strahlteiler 15 zum Detektor 9, der bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 3 ausgerichtet ist.
2 zeigt die von unterschiedlichen Oberflächensegmenten 16 der idealerweise halbkugelförmigen, flüssigen Schmelzperle 8 in z-Richtung („Beobachtungsrichtung“) zum Detektor 9 abgestrahlten Wärmestrahlung 10. Die Beobachtungsrichtung z verläuft vorzugsweise koaxial zum Laserstrahl 3. In der vom Normalenvektor n des Oberflächenelements 16₁, 16₂ und von der Beobachtungsrichtung z aufgespannten Ebene ist der Emissionsgrad ε der abgestrahlten s- und p-polarisierten Anteile der Wärmestrahlung 10 abhängig von der Orientierung des Oberflächenelements 16₁, 16₂ zur Beobachtungsrichtung z, also abhängig vom Abstrahlwinkel φ zwischen dem Normalenvektor n und der Beobachtungsrichtung z. Das (mittige) Oberflächensegment der Schmelzperle 8, dessen Normalenvektor n in der Beobachtungsrichtung z ausgerichtet ist (also φ=0°), ist als Referenz-Oberflächensegment 16_Ref bezeichnet.
In 3 ist der Emissionsgrad ε von Kupfer für s- und p-polarisierte Anteile der abgestrahlten Strahlung abhängig vom Abstrahlwinkel φ dargestellt (für λ=1030 nm und T=298 K). Da bei dem s-polarisierten Anteil eine kontinuierliche Abnahme des Emissionsgrads ε mit steigendem Abstrahlwinkel φ einhergeht, kann hier eine eindeutige Zuordnung einer gemessenen Strahlungsintensität zum Abstrahlwinkel φ erfolgen. Der Emissionsgrad ε ist abhängig von Temperatur T und vom Brechungsindex n des Materials, sowie von Wellenlänge λ und vom Emissionswinkel φ der abgestrahlten Strahlung, also ε = ε(T, n, λ, φ).
Um von der Intensität der vom Detektor 9 detektierten Wärmestrahlung 10 auf deren Abstrahlwinkel φ an der Schweißperle 8 schließen zu können, müssen folgende Kriterien erfüllt sein:

1) Der Brechungsindex n der Schweißperle 8 muss konstant sein, also das Material entlang der zu vermessenden Oberfläche der Schmelzperle 8 gleich sein. Dieses Kriterium des räumlich konstanten Brechungsindex n ist erfüllt, da Stableiter 2 aus dem gleichen Material (Kupfer) verschweißt werden.
2) Die mit dem Detektor 9 detektierte Wellenlänge λ muss konstant und möglichst spektral eng begrenzt sein. Dieses Kriterium ist erfüllt, da die Wellenlänge λ der detektierten Wärmestrahlung 10 durch den Bandpassfilter 11 fest vorgegeben ist, und zwar bevorzugt im sichtbaren (VIS) oder im nahen Infrarot (NIR)-Bereich, z. B. 810±10 nm.
3) Das örtliche Temperaturfeld entlang der Oberfläche der Schweißperle 8 muss eine konstante und bekannte Temperatur aufweisen. In 4 ist schematisch der zeitliche Temperaturverlauf T(t) der Schmelzperle 8, beginnend mit dem Abschalten des Laserstrahls 3 zum Zeitpunkt t₀ bis zur Erstarrung der Schmelzperle 8 (Erstarrungszeitpunkt t_E), aufgetragen. Nach Abschalten des Laserstrahls 3 sinkt die Temperatur, ausgehend von der Verdampfungstemperatur T_V, kontinuierlich ab, bis sie kurz vor Erstarrung die Schmelztemperatur T_S erreicht (Zeitpunkt t₁) und einige Millisekunden bei dieser Schmelztemperatur T_S verharrt. Dies ist das Zeitfenster Δt mit zeitlich konstanter, bekannter Schmelztemperatur T_S, in welchem die Messung des Abstrahlwinkels cp erfolgen muss. Das Zeitfenster Δt zwischen t₁ und t_E ist abhängig von der Schweißnahtgeometrie, vom Material und von der Wärmeleitung der zu fügenden Werkstücke. Üblicherweise liegt das Zeitfenster Δt, insbesondere beim Schweißen von Stableitern 2 aus Kupfer, im Bereich von 1-1000 ms, bevorzugt 10-500 ms und besonders bevorzugt 50-100 ms, vor dem Erstarrungszeitpunkt t_E bzw. dem Phasenübergang von flüssig zu fest.

Somit ist der im Zeitfenster Δt kurz vor Erstarrung der Schmelzperle 8 detektierte Emissionsgrad ε der Wärmestrahlung 10 nur vom Abstrahlwinkel φ abhängig, also ε = ε(φ).
Da der Emissionsgrad ε bei den oben genannten Bedingungen ausschließlich vom Abstrahlwinkel φ abhängig ist, kann anhand der detektieren Intensität ein Rückschluss auf den Abstrahlwinkel cp erfolgen. Dabei muss der s-polarisierte Strahlungsanteil der Wärmestrahlung 10 ausgewertet werden, da nur dieser im Gegensatz zum p-polarisierten Strahlungsanteil einen eindeutigen Rückschluss auf den Abstrahlwinkel φ zulässt (siehe 3).
5 zeigt die von einem Oberflächensegment 16 der Schmelzperle 8 in Beobachtungsrichtung z abgestrahlte Wärmestrahlung 10. Die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators 12 ist mit y und die zur Polarisationsrichtung y und zur Beobachtungsrichtung z jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung des Detektors 9 mit x bezeichnet. Durch die Messrichtung x und die Beobachtungsrichtung z ist eine grau dargestellte xz-Messebene 17 definiert. Vom Linearpolarisator 12 wird nur der in Polarisationsrichtung y linearpolarisierte Strahlungsanteil der Wärmestrahlung 10 durchgelassen, also - bezogen auf die Messebene 17 - nur der s-polarisierte Strahlungsanteil der Wärmestrahlung 10, dessen Intensität I_S vom Detektor 9 detektiert wird. Die detektierte Intensität des Referenz-Oberflächensegments 16_Ref dient als Referenzintensität I_Ref, da hier der Abstrahlwinkel (φ=0°) bekannt ist.
Aus der referenzierten, detektierten Intensität I_S können dann von der Auswertungseinheit 13 anhand 3 der Abstrahlwinkel des Oberflächensegments 16 in der Messebene 17, also der in der Messebene 17 zwischen der Beobachtungsrichtung z und der in die Messebene 17 projizierten Normalenvektorkomponente n _xz des Normalenvektors n liegende Abstrahlwinkel φ_xz des Oberflächensegments 16, und damit auch die räumliche Ausrichtung des Oberflächensegments 16 eindeutig ermittelt werden. Anhand des Abstrahlwinkels φ_xz kann die Überwachungseinheit 14 die Qualität der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle 8, 8' bestimmen und überwachen. Ist die ermittelte Oberflächengeometrie der Schmelzperle 8 zu unregelmäßig, ist zu wenig Schmelze vorhanden gewesen und das verschweißte Endprodukt wird als Schlechtteil aussortiert.
Der Abstrahlwinkel φ_xz kann alternativ auch ohne Referenzierung ermittelt werden, indem sowohl die Intensität I_S des s-polarisierten Strahlungsanteils als auch die Intensität Ip des p-polarisierten Strahlungsanteils der Wärmestrahlung 10 detektiert werden und der Abstrahlwinkel φ_xz anhand 3 aus dem Intensitätsverhältnis I_S/I_P ermittelt wird.
Vorzugsweise wird während des Zeitfensters Δt der Abstrahlwinkel φ_xz jeweils für mehrere entlang der Messrichtung x angeordnete Oberflächensegmente 16 der Schmelzperle 8 ermittelt, um so eine zweidimensionale Oberflächengeometrie der Schmelzperle 8 entlang der Messrichtung x zu bestimmen. Anhand dieser bestimmten Oberflächengeometrie kann die Überwachungseinheit 14 die erstarrte Schmelzperle 8' auf Defekte, z. B. auf Abweichung von einer perfekten Kugeloberfläche, überwachen.
Während des Zeitfensters Δt kann der Winkel φ_xz jeweils für mehrere entlang mindestens zweier unterschiedlicher Messrichtungen, insbesondere zweier rechtwinkliger Messrichtungen, angeordnete Oberflächensegmente 16 der Schmelzperle 8 ermittelt und anhand der ermittelten Winkel φ_xz eine dreidimensionale Oberflächengeometrie der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle 8, 8 entlang der mehreren Messrichtungen ermittelt werden. Hierzu müssen innerhalb des Zeitfensters Δt die Mess- und Polarisationsrichtungen x, y um z. B. 90° gedreht werden.
Der Detektor 9 kann beispielsweise als eine auf die Schmelzperle 8 gerichtete digitale Kamera ausgeführt sein, die während des Zeitfensters Δt mindestens ein digitales Kamerabild (Intensitätsrasterbild) 18 (6) der von der Schmelzperle 8 abgestrahlten Wärmestrahlung 10 aufnimmt. Die Grauwerte der einzelnen Bildpixel 19 des Kamerabildes 18 entsprechen den Intensitäten I_S der von den zugehörigen Oberflächensegmenten 16 der Schmelzperle 8 abgestrahlten Wärmestrahlung 10. Anhand des Grauwertverlaufs der Bildpixel 19 im Kamerabild 18 entlang der Messrichtung x können für die Oberflächensegmente 16 die jeweiligen Abstrahlwinkel φ_xz entlang der Messrichtung x anhand von 3 ermittelt werden. Die Mitte der beobachteten Schmelzperle 8 dient dabei als Referenzpunkt für die Referenz-Intensitätsmessung, da hier der Abstrahlwinkel cp=0° bekannt ist. Aus dem so ermittelten Verlauf der Abstrahlwinkel φ_xz entlang der Messrichtung x kann auf die zugrundeliegende Oberflächengeometrie der flüssigen und damit auch der erstarrten Schmelzperle 8, 8' geschlossen werden. Dabei ist zu beachten, dass der Abstrahlwinkel φ_xz der beobachteten Oberfläche nur in eine der beiden von der Kamera 9 aufgezeichneten Raumrichtungen x, y erfasst werden kann, nämlich im gezeigten Beispielfall nur in Messrichtung x.
Vorzugsweise werden, nach Ausschalten des Laserstrahls 3, fortlaufend digitale Kamerabilder 18 der von der Schmelzperle 8 abgestrahlten Wärmestrahlung 10 aufgenommen. Anhand des zeitlichen Verlaufs der jeweils über alle Bildpixel 19 eines Kamerabildes 18 gemittelten Graumittelwerte kann dann in der Auswertungseinheit 13 rückwirkend, also nach Messende, das Zeitfenster Δt, in welchem T = T_S = konstant gilt, ermittelt werden, nämlich als die Zeitspanne vor der Erstarrung, innerhalb der sich die Graumittelwerte zeitlich nicht ändern. Ein in diesem Zeitfenster Δt aufgenommenes Kamerabild 18 wird, wie oben beschrieben, anhand des Grauwertverlaufs ausgewertet.
Von der Bearbeitungsmaschine der 1 unterscheidet sich die in 7 gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dadurch, dass hier nicht die Wärmestrahlung der Schmelzperle 8, sondern eine an der Schmelzperle 8 reflektierte Beleuchtungsstrahlung 20 detektiert wird. Ein Beleuchtungslaser 21 erzeugt einen Beleuchtungsstrahl 22, der über einen für die Beleuchtungslaserwellenlänge durchlässigen weiteren Strahlteiler 23 (z. B. Dichroit- oder Lochspiegel) koaxial zum Laserstrahl 3 auf die Schmelzperle 8 gerichtet wird. Die an der Schmelzperle 8 reflektierte Beleuchtungsstrahlung 20 gelangt über die Bearbeitungsoptik 7 und den für die Beleuchtungsstrahlung 20 reflektiven Strahlteiler 23 zum Detektor 9. Auch hier ist die Messrichtung x rechtwinklig zur Polarisationsrichtung y des Linienpolarisators 12. Nach Abschalten des Laserstrahls 3 wird die Intensität I_S der an der Schmelzperle 8 reflektierten Beleuchtungsstrahlung 20 detektiert und wie oben beschrieben ausgewertet.
Der Detektor 9 kann auch als ein Punktdetektor (z. B. Photodiode) mit vorgeordneter Scanneroptik (z. B. Laserscanner der Bearbeitungsoptik 7) ausgeführt sein. Während des Zeitfensters Δt wird die Schmelzperle 8 entlang der Messrichtung x abgescannt und die Intensität I_S der jeweils in Scanrichtung abgestrahlten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung 10, 20 mittels des Punktdetektors gemessen.
Wie in 1 und 7 gezeigt, weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine Maschinensteuerung 24 auf, die programmiert ist, das oben beschriebene Verfahren auszuführen.
Statt, wie in 1, 2 und 7 gezeigt, rechtwinklig zu den Endflächen 4 der Stableiter 2 kann die Beobachtungsrichtung z auch schräg zu den Endflächen 4 ausgerichtet sein, wobei dann eine andere Referenzfläche zur Verfügung stehen muss.

Claims

Verfahren zur Ermittlung einer Schmelzperlengeometrie eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke (2) aus dem gleichen metallischen Werkstoff mittels eines Laserstrahls (3), der auf nebeneinander angeordnete Endflächen (4) der Werkstücke (2) gerichtet wird, um an den beiden Endflächen (4) eine Schmelzperle (8) aufzuschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass, nach Ausschalten des Laserstrahls (3), während eines Zeitfensters (Δt) vor der Erstarrung der Schmelzperle (8), in welchem die Temperatur (T) der Schmelzperle (8) konstant auf Schmelztemperatur (T_S) ist, die Intensität (I_S) einer von mindestens einem Oberflächensegment (16) der flüssigen Schmelzperle (8) in mindestens eine vorgegebene Beobachtungsrichtung (z) abgestrahlten und mittels eines Linearpolarisators (12) in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung (y) linearpolarisierten Wärmestrahlung (10) oder die Intensität (I_S) einer an mindestens einem Oberflächensegment (16) der flüssigen Schmelzperle (8) in mindestens eine vorgegebene Beobachtungsrichtung (z) reflektierten und mittels eines Linearpolarisators (12) in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung (y) linearpolarisierten Beleuchtungsstrahlung (20) bei einer vorgegebenen Wellenlänge (λ) oder in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich detektiert werden, wobei die Beobachtungsrichtung (z) und eine zur Polarisationsrichtung (y) und zur Beobachtungsrichtung (z) jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung (x) eine Messebene (17) definieren, und dass anhand der detektierten Intensität (I_S) der in der Messebene (17) zwischen der Normalenvektorkomponente (n_xz) und der Beobachtungsrichtung (z) liegende Abstrahlwinkel (φ_xz) und damit die räumliche Ausrichtung des mindestens einen Oberflächensegments (16) der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass anhand des für das mindestens eine Oberflächensegment (16) ermittelten Abstrahlwinkels (φ_xz) die Qualität der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') bestimmt oder überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zeitfensters (Δt) der Abstrahlwinkel (φ_xz) jeweils für mehrere entlang der Messrichtung (x) angeordnete Oberflächensegmente (16) der Schmelzperle (8) ermittelt wird und dass anhand der ermittelten Abstrahlwinkel (φ_xz) die Oberflächengeometrie der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') entlang der Messrichtung (x) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität (I_S) der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20), die von dem mittigen Oberflächensegment (16_Ref) der Schmelzperle (8) in eine rechtwinklig zum mittigen Oberflächensegment (16_Ref) verlaufende Beobachtungsrichtung (z) abgestrahlt wird, als Referenzintensität (I_Ref) detektiert wird und der Abstrahlwinkel (φ_xz) des mindestens einen Oberflächensegments (16) anhand eines Vergleichs der detektierten Intensität (I_S) mit der Referenzintensität (I_Ref) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Intensität (I_S) der in der Polarisationsrichtung (y) linearpolarisierten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) des mindestens einen Oberflächensegments (16) als auch die Intensität (I_P) der rechtwinklig zur Polarisationsrichtung (y) linearpolarisierten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) des mindestens einen Oberflächensegments (16) detektiert werden und dass der Abstrahlwinkel (φ_xz) des mindestens einen Oberflächensegments (16) aus dem Verhältnis (I_S/I_P) der beiden detektierten Intensitäten (I_S, I_P) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zeitfensters (Δt) der Winkel (φ_xz) jeweils für mehrere entlang mindestens zweier unterschiedlicher Messrichtungen angeordnete Oberflächensegmente (16) der Schmelzperle (8) ermittelt wird und dass anhand der ermittelten Winkel (φ_xz) die Oberflächengeometrie der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') entlang der mehreren Messrichtungen ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zeitfensters (Δt) mindestens ein digitales Bild (18) der von der Schmelzperle (8) abgestrahlten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) aufgenommen wird und dass für mehrere Bildpixel (19) des digitalen Bildes (18) entlang der Messrichtung (x) der Abstrahlwinkel (φ_xz) des zugehörigen Oberflächensegments (16) anhand der detektierten Intensität des jeweiligen Bildpixels (19) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während des Zeitfensters (Δt) die Schmelzperle (8) entlang der Messrichtung (x) abgescannt wird und die Intensität (I_S) der jeweils in Scanrichtung abgestrahlten Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, nach Ausschalten des Laserstrahls (3), fortlaufend digitale Bilder (18) der von der Schmelzperle (8) abgestrahlten Wärmestrahlung (10) aufgenommen werden und dass das Zeitfenster (Δt) anhand des zeitlichen Verlaufs der jeweils über alle Bildpixel (19) eines digitalen Bildes (18) gemittelten Graumittelwerte ermittelt wird.
Bearbeitungsmaschine (1) zum Laserschweißen zweier Werkstücke (2) aus dem gleichen metallischen Werkstoff, mit einem Laserstrahlerzeuger (5) zum Erzeugen eines Laserstrahls (3), mit einer Bearbeitungsoptik (7) zum Richten des Laserstrahls (3) auf nebeneinander liegende Endflächen (4) zweier Werkstücke (2), um an den beiden Endflächen (4) eine Schweißperle (8) aufzuschmelzen, mit einem Detektor (9) zum Detektieren einer von mindestens einem Oberflächensegment (16) der flüssigen Schmelzperle (8) abgestrahlten Wärmestrahlung (10) oder einer an mindestens einem Oberflächensegment (16) der flüssigen Schmelzperle (8) reflektierten Beleuchtungsstrahlung (20) in mindestens einer vorgegebenen Beobachtungsrichtung (z), mit einem dem Detektor (9) vorgeordneten Bandpassfilter (11) zum spektralen Begrenzen der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) auf eine Wellenlänge (λ) oder einen Wellenlängenbereich, mit einem dem Detektor (9) vorgeordneten Linearpolarisator (12) zum Polarisieren der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) in mindestens einer vorgegebenen Polarisationsrichtung (y), wobei die Beobachtungsrichtung (z) und eine zur Polarisationsrichtung (y) und zur Beobachtungsrichtung (z) jeweils rechtwinklig verlaufende Messrichtung (x) eine Messebene (17) definieren, mit einer Auswertungseinheit (13), die ausgebildet oder programmiert ist, anhand der vom Detektor (9) detektierten Intensität (I_S) der Wärme- oder Beleuchtungsstrahlung (10, 20) den Abstrahlwinkel (φ_xz), welcher in der Messebene (17) zwischen der Normalenvektorkomponente (n_xz) des mindestens einen Oberflächensegments (16) und der Beobachtungsrichtung (z) liegt, zu ermitteln, und mit einer Maschinensteuerung (24), die programmiert ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinheit (14), die ausgebildet oder programmiert ist, anhand des ermittelten Abstrahlwinkels (φ_xz) die Qualität der flüssigen oder erstarrten Schmelzperle (8, 8') zu überwachen.
Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) koaxial zum Laserstrahl (3) angeordnet ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch eine Beleuchtungsquelle (18) zum Erzeugen der Beleuchtungsstrahlung (20).
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (9) als ein Flächendetektor zum Aufnehmen von digitalen Bildern (18) oder als ein Punktdetektor mit vorgeordneter Scanneroptik ausgebildet ist.
Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (13) ausgebildet oder programmiert ist, aus digitalen Bildern (18), die nach Abschalten des Laserstrahls (3) von der Schmelzperle (8) aufgenommen werden, ein Zeitfenster (Δt) zu ermitteln, in welchem die Temperatur (T) der Schmelzperle (8) konstant auf Schmelztemperatur (T_S) ist.
Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung (24) einer Bearbeitungsmaschine (1) abläuft.