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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer jeweiligen Tiefe einer bei einer Herstellung einer Schweißnaht entstehenden Dampfkapillare, wobei die Schweißnaht durch Laserschweißen entlang einer Vorschubrichtung hergestellt wird.
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Der
DE 10 2016 001 661 B3 ist eine Messvorrichtung für ein Bearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls entlang eines Hauptbearbeitungspfads als bekannt zu entnehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, sodass eine besonders präzise Kapillartiefenermittlung realisiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln einer jeweiligen Tiefe einer bei einer Herstellung einer Schweißnaht entstehenden Dampfkapillare, wobei die Schweißnaht durch Laserschweißen entlang einer auch als Herstellrichtung bezeichneten Vorschubrichtung, das heißt entlang eines Bearbeitungs- und/oder Schweißpfads, hergestellt wird. Bei einem ersten Schritt des Verfahrens wird wenigstens eine Referenzmessung durchgeführt. Bei der Referenzmessung tastet ein vorzugsweise als Energiestrahl, insbesondere Laserstrahl, ausgebildeter Referenzstrahl eine Oberfläche eines Bauteils entlang der Vorschubrichtung ab, wobei das Bauteil mit der Schweißnaht versehen wird. Die Schweißnaht wird beispielsweise im Rahmen einer Lasermaterialbearbeitung hergestellt, insbesondere indem mittels eines als Laserstrahl ausgebildeten Prozessstrahls, welcher auf das Bauteil gestrahlt wird, das Bauteil zumindest in einem Schweißbereich aufgeschmolzen wird. Hierdurch entsteht eine Schmelze, die erstarrt, wodurch die Schweißnaht hergestellt wird. Der Prozessstrahl wird entlang der Vorschubrichtung relativ zu dem Bauteil bewegt, während der Prozessstrahl auf das Bauteil gestrahlt wird, wodurch die Schweißnaht entlang der Vorschubrichtung hergestellt wird. Durch das Abtasten der Oberfläche mittels des Referenzstrahls werden Referenzwerte erfasst, die eine jeweilige Höhe der Oberfläche an entlang der Vorschubrichtung aufeinanderfolgenden Referenzstellen der Oberfläche charakterisieren. Dies bedeutet, dass mittels des Referenzstrahls die Höhe gemessen wird. Unter der Höhe ist insbesondere ein Abstand zwischen der jeweiligen Referenzstelle und beispielsweise einer Referenzebene zu verstehen.
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Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Laserschweißen durchgeführt. Bei dem Laserschweißen wird die Schweißnaht entlang der Vorschubrichtung hergestellt, insbesondere derart, dass - wie zuvor beschrieben - der Prozessstrahl entlang der Vorschubrichtung relativ zu dem Bauteil bewegt wird, während der Laserstrahl auf die Oberfläche fällt. Außerdem wird bei dem Laserschweißen eine Kapillartiefenmessung durchgeführt. Bei der Kapillartiefenmessung wird an entlang der Vorschubrichtung aufeinanderfolgenden Messstellen ein jeweiliger Messwert erfasst, welcher die jeweilige Tiefe der bei der Herstellung der Schweißnaht entstehenden und sich entlang der Vorschubrichtung bewegenden Dampfkapillare an der jeweiligen Messstelle charakterisiert. Dies bedeutet, dass bei der Kapillartiefenmessung an der jeweiligen Messstelle die jeweilige, auch als Kapillartiefe bezeichnete Tiefe der Dampfkapillare gemessen wird. Vorzugsweise werden die Höhe und/oder die Kapillartiefe durch optische Kohärenztomographie (OCT) und nun vorzugsweise mittels eines optischen Kohärenztomographens gemessen. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Referenzstrahl durch den optischen Kohärenztomographen bereitgestellt wird. Der Referenzstrahl wird beispielsweise auch als Messstrahl bezeichnet. Da der Referenzstrahl vorzugsweise durch einen optischen Kohärenztomographen bereitgestellt wird, ist der Referenz- beziehungsweise Messstrahl vorzugsweise ein OCT-Strahl. Die jeweilige Tiefe wird beispielsweise mittels eines weiteren Messstrahls gemessen. Mit anderen Worten wird beispielsweise der jeweilige Messwert mittels eines weiteren Messstrahls erfasst. Der weitere Messstrahl ist beispielsweise der Laserstrahl, mittels welchem die Schweißnaht hergestellt wird, oder der weitere Messstrahl ist ein weiterer Energiestrahl, insbesondere ein weiterer Laserstrahl, wobei es denkbar ist, dass dem Laserstrahl, mittels welchem die Schweißnaht hergestellt wird, der weitere Messstrahl überlagert ist, sodass insbesondere während der Herstellung der Schweißnaht eine jeweilige, auch als Kapillartiefe bezeichnete Tiefe der Dampfkapillare gemessen werden kann. Vorzugsweise ist der weitere Messstrahl ein OCT-Strahl, sodass der weitere Messstrahl vorzugsweise mittels eines optischen Kohärenztomographen bereitgestellt wird, welcher beispielsweise der optische Kohärenztomograph ist, welcher auch den Referenzstrahl bereitstellt, oder ein zusätzlich dazu vorgesehener optischer Kohärenztomograph ist. Somit ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Messwerte durch optische Kohärenztomographie (OCT) erfasst werden.
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Durch Erfassen der Referenzwerte ist es möglich, die jeweilige Kapillartiefe, das heißt die Messwerte auf die auch als Bauteiloberfläche bezeichnete Oberfläche, insbesondere auf eine Oberkante des Bauteils, zu referenzieren. Beispielsweise wird der Referenzstrahl mittels wenigstens eines Scannerspiegels oder mittels mehrerer Scannerspiegel in lateraler Ebene relativ zu dem auch als Bearbeitungsstrahl bezeichneten Prozessstrahl positioniert, welcher durch ein einfach auch als Laser bezeichnetes Lasergerät bereitgestellt wird. Dies ermöglicht es, während des Laserschweißens den Referenzstrahl örtlich vor dem Prozessstrahl zu positionieren, um einen entlang der Vorschubrichtung vor dem Prozessstrahl angeordneten und noch unbearbeiteten Teilbereich der Oberfläche mittels des Referenzstrahls abzutasten und hierdurch die Höhe zu messen. Beispielsweise verläuft die Vorschubrichtung entlang einer auch als x-Richtung bezeichneten Richtung oder die Vorschubrichtung wird auch als x-Richtung bezeichnet. Eine y-Richtung spannt mit der x-Richtung eine x-y-Ebene auf, wobei beispielsweise der Prozessstrahl und/oder der Referenzstrahl entlang einer schräg oder senkrecht zu der x-y-Ebene verlaufenden Strahlrichtung auf die Oberfläche auftrifft. Senkrecht zu der genannten x-y-Ebene verläuft eine z-Richtung, wobei beispielsweise die zuvor genannte Referenzebene parallel zur x-y-Ebene verläuft. Somit verläuft beispielsweise die Höhe schräg oder parallel zur z-Richtung, sodass die Höhe auch als z-Position bezeichnet wird. Beispielsweise wird der Referenzstrahl lediglich in x-Richtung bewegt, sodass keine seitliche Verschiebung des Referenzstrahls in y-Richtung erfolgt.
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Um nun die Kapillartiefe besonders präzise ermitteln zu können, wird bei dem dritten Schritt des Verfahrens eine Korrekturberechnung durchgeführt. Bei der Korrekturberechnung werden für die Messwerte, die die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare an den jeweiligen Messstellen charakterisieren, die entlang der Vorschubrichtung (x-Richtung) zwischen zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen liegen, ein jeweiliger Korrekturwert durch eine Interpolation, insbesondere durch eine Spline-Interpolation, zwischen den Referenzwerten berechnet, die die jeweilige Höhe der Oberfläche an den zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen charakterisieren.
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Somit gehört der jeweilige Korrekturwert, der für den jeweiligen Messwert ermittelt wurde, zu dem jeweiligen Messwert, für den der jeweilige Korrekturwert ermittelt wurde.
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Des Weiteren ist es bei der Korrekturberechnung vorgesehen, dass der jeweilige Messwert um den jeweiligen, zugehörigen Korrekturwert korrigiert wird, wodurch aus dem jeweiligen Messwert, für den der jeweilige, zugehörige Korrekturwert durch die Interpolation berechnet wurde, ein jeweiliger, die jeweilige Tiefe charakterisierender Tiefenwert berechnet wird. Durch die Korrektur des jeweiligen Messwerts um den jeweils zugehörigen Korrekturwert und dadurch, dass der jeweilige Korrekturwert durch Interpolation zwischen den benachbarten Referenzwerten berechnet wird, wird der jeweilige Messwert mit dem jeweiligen Referenzwert verrechnet. Dadurch, dass für den jeweiligen Messwert nicht der jeweilige Referenzwert an sich, sondern der durch Interpolation gewonnene Korrekturwert verwendet wird, um aus dem Messwert den Tiefenwert zu berechnen, erfolgt im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen eine verbesserte Verrechnung von Messwert und Referenzwert. Hierdurch kann die Kapillartiefe, insbesondere die tatsächliche Kapillartiefe, besonders präzise ermittelt werden. Mit anderen Worten ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine genauere Korrektur der Messwerte, sodass die jeweilige Kapillartiefe, insbesondere ein Verlauf der Tiefen der Dampfkapillare entlang der Vorschubrichtung, besonders präzise ermittelt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, insbesondere vor dem Hintergrund, dass eine Oberfläche eines Bauteils oder Werkstücks nicht vollkommen gleichmäßig beziehungsweise eben ist, sondern beispielsweise Unebenheiten, Krümmungen und/oder Wölbungen aufweisen kann, die gemessene Kapillartiefe zu den Unebenheiten, Krümmungen beziehungsweise Wölbungen in Bezug zu setzen, mithin die Messwerte auf die Oberfläche beziehungsweise auf die Referenzwerte zu referenzieren. Hierzu werden die Messwerte mithilfe der Referenzwerte korrigiert, und zwar dadurch, dass aus den Referenzwerten die Korrekturwerte berechnet werden, um die die Messwerte schließlich korrigiert werden. Das Korrigieren des jeweiligen Messwerts um den jeweiligen, zugehörigen Korrekturwert kann umfassen, dass der jeweilige, zugehörige Korrekturwert auf den jeweils zugehörigen Messwert addiert oder von dem zugehörigen Messwert subtrahiert wird. Durch die Referenzierung auf die Oberfläche kann eine besonders hohe Qualität der Schweißnaht insbesondere über ihre gesamte Erstreckung entlang der Vorschubrichtung gewährleistet werden. Durch die Referenzierung der Kapillartiefe auf die Oberfläche beziehungsweise durch die Referenzierung der Messwerte auf die Oberfläche macht es keinen Unterschied, .ob die Kapillartiefe an einer Erhebung oder Vertiefung der Oberfläche gemessen wird.
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Da der jeweilige Messwert, der bei dem Verfahren korrigiert wird, die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare an der jeweiligen Messstelle charakterisiert, die entlang der Vorschubrichtung zwischen zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen liegen, liegt sozusagen der jeweilige Messwert, der bei dem Verfahren korrigiert wird, zwischen zwei angrenzenden Referenzwerten, die die jeweilige Höhe der Oberfläche an den zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen charakterisieren. Unter dem Merkmal, dass die Referenzstellen, aus deren Referenzwerte der jeweilige Korrekturwert durch Interpolation berechnet wird, entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgen, ist insbesondere zu verstehen, dass entlang der Vorschubrichtung zwischen diesen Referenzstellen keine andere Referenzstelle liegt.
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Insbesondere ist es vorzugsweise vorgesehen, dass für jeden Messwert zwischen angrenzenden Referenzwerten aus den beiden angrenzenden Referenzwerten ein jeweiliger, zugehöriger Korrekturwert auf die beschriebene Weise berechnet wird. Somit können die beziehungsweise alle zwischen unmittelbar aufeinanderfolgenden und somit angrenzenden Referenzwerten liegende Messwerte besonders vorteilhaft und präzise korrigiert werden, und zwar um die jeweils zugehörigen Korrekturwerte, wodurch die tatsächliche Tiefe der Dampfkapillare besonders präzise ermittelt werden kann. Wird als die Interpolation zur Berechnung des jeweiligen Korrekturwerts eine Spline-Interpolation verwendet, so kann die Kapillartiefe besonders präzise ermittelt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische Darstellung einer Referenzmessung während eines Laserschweißprozesses;
- 2 eine schematische Darstellung des Laserschweißprozesses;
- 3 eine schematische Darstellung einer Funktionsweise einer f-Theta-Linse;
- 4 ein Diagramm zum Veranschaulichen von Messungen einer im Wesentlichen planen Oberfläche eines Werkstücks mittels optischer Kohärenztomographie;
- 5 oben ein Diagramm einer unkorrigierten Kapillartiefenmessung an dem Werkstück und unten eine Referenzmessung auf der Oberfläche des Werkstücks;
- 6 eine interpolierte Korrektur und eine Blockkorrektur vergleichsweise in zwei Diagrammen; und
- 7 eine Auswirkung der interpolierten Korrektur auf eine Kapillartiefenmessung im Vergleich zu der blockweisen Korrektur.
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Im Folgenden wird anhand der Fig. ein Verfahren zum Ermitteln einer jeweiligen Tiefe einer bei einer Herstellung einer Schweißnaht 10 entstehenden und auch einfach als Kapillare bezeichneten Dampfkapillare 18 beschrieben, wobei die Schweißnaht 10 durch Laserschweißen entlang einer Vorschubrichtung 40 hergestellt wird. Aus 1 ist erkennbar, dass zumindest ein auch als Werkstück bezeichnetes Bauteil 12 mit der Schweißnaht 10 versehen wird. Dies bedeutet, dass die Schweißnaht 10 durch Laserschweißen, das heißt durch einen Laserschweißprozess, zumindest an dem Bauteil 12 hergestellt wird. Zum Herstellen der Schweißnaht 10 wird ein Bearbeitungslaser 13 verwendet, welcher eine Laserstrahlquelle aufweist. Über seine Laserstrahlquelle stellt der Bearbeitungslaser 13 einen als Laserstrahl ausgebildeten und auch als Bearbeitungsstrahl bezeichneten Prozessstrahl 14 bereit, mittels welchem die Schweißnaht 10 hergestellt wird. Mittels deiner Schweißoptik 33 wird der Prozessstrahl 14 auf das Bauteil 12 gelenkt und somit auf das Bauteil 12 gestrahlt. Hierzu umfasst die Schweißoptik 33 einen einfach auch als Spiegel bezeichneten Schwenkspiegel 34, mittels welchem der Prozessstrahl 14 auf das Bauteil 12 gelenkt wird. Der Prozessstrahl 14 ist ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl, mittels welchem das Bauteil 12 zumindest in einem Fügebereich, in welchem die Schweißnaht 10 entlang der Vorschubrichtung 40 hergestellt wird, aufgeschmolzen wird. Hierdurch entsteht eine Schmelze, welche erstarrt. Die erstarrte Schmelze ist in 1 mit 17 bezeichnet. Außerdem entsteht bei der Herstellung der Schweißnaht 10 die Dampfkapillare 18, welche auch einfach als Kapillare bezeichnet wird. Um die Schweißnaht 10 entlang der Vorschubrichtung 40 herzustellen, wird der Prozessstrahl 14, insbesondere mittels der Schweißoptik 33, entlang der Vorschubrichtung 40 relativ zu dem Bauteil 12 bewegt, während der Prozessstrahl 14 auf das Bauteil 12, insbesondere auf dessen Oberfläche 19, auftrifft. Die Dampfkapillare 18 bewegt sich mit dem Prozessstrahl 14, und da der Prozessstrahl 14 entlang der Vorschubrichtung 40 bewegt wird, bewegt sich die Dampfkapillare 18 entlang der Vorschubrichtung 40 und dabei entlang des Bauteils 12 während des Laserschweißens, das heißt während des Laserschweißprozesses. Daher weist die Dampfkapillare 18 ihre jeweilige Tiefe an jeweiligen, entlang der Vorschubrichtung aufeinanderfolgenden Stellen auf.
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Die Vorschubrichtung 40 ist in 1 durch einen Pfeil 28 veranschaulicht und wird auch als x-Richtung bezeichnet. Durch einen Pfeil 30 ist in 1 eine senkrecht zur x-Richtung verlaufende y-Richtung veranschaulicht, wobei die x-Richtung und die y-Richtung eine x-y-Ebene aufspannen. Senkrecht zur x-y-Ebene verläuft eine z-Richtung, entlang derer beispielsweise eine sich insbesondere auf eine Referenzebene beziehende Höhe der Oberfläche 19 verläuft, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird. Bei der Herstellung der Schweißnaht 10 fällt der Prozessstrahl 14, welcher ein Laserstrahl ist, auf die Oberfläche 19 und bildet auf der Oberfläche 19 einen auch als Laserspot bezeichneten und in 1 mit 20 bezeichneten Laserpunkt.
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Bei dem Verfahren kommt auch ein optischer Kohärenztomograph 16 zum Einsatz, welcher eine Erfassungseinrichtung aufweist oder ist. Mittels des optischen Kohärenztomographs 16 wird eine optische Kohärenztomographie (OCT) durchgeführt. Dabei stellt der optische Kohärenztomograph 16 einen auch als Messstrahl bezeichneten und beispielsweise als weiteren Laserstrahl ausgebildeten Referenzstrahl 26 bereit, welcher mittels eines Scannerspiegels 27, insbesondere des optischen Kohärenztomographs 16, auf das Bauteil 12 gelenkt wird, insbesondere derart, dass der Referenzstrahl 26 entlang der Vorschubrichtung 40 relativ zu dem Bauteil 12 bewegt wird, während er auf das Bauteil 12, insbesondere auf dessen Oberfläche 19, trifft. In 1 ist beispielhaft eine Referenzstelle 31 gezeigt, an welcher der Referenzstrahl 26 auf das Bauteil 12, insbesondere auf dessen Oberfläche 19, trifft, wobei mittels des Referenzstrahls 26 und somit durch die optische Kohärenztomographie an der Referenzstelle 31 eine insbesondere entlang der z-Richtung verlaufende und somit auch als z-Position bezeichnete Höhe der Oberfläche 19 gemessen wird. Insbesondere kann der optische Kohärenztomograph 26 einen OCT-Sensor 29 umfassen, mittels welchem die Höhe der Oberfläche 19 gemessen wird. Aus 1 ist erkennbar, dass die Referenzstelle 31, an welcher eine Referenzmessung zum Erfassen beziehungsweise Messen der Höhe der Oberfläche 19 durchgeführt wird, und der Laserpunkt 20 auf einer gemeinsamen Geraden liegen und beispielsweise entlang der Geraden um einen Abstand ΔIRef voneinander beabstandet sind. Insbesondere veranschaulicht der Laserpunkt 20 eine Messstelle, an welcher bei der Herstellung der Schweißnaht 10 die Tiefe der Dampfkapillare 10 gemessen wird.
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Um nun entlang der Vorschubrichtung die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare 18 besonders präzise ermitteln zu können, wird bei einem ersten Schritt des Verfahrens wenigstens eine Referenzmessung durchgeführt. Bei der Referenzmessung wird der Referenzstrahl 26 entlang der Vorschubrichtung 40 (x-Richtung) bewegt, während der Referenzstrahl 26 auf die Oberfläche 19 trifft, wodurch der Referenzstrahl 26 entlang der Vorschubrichtung 40 und somit entlang der x-Richtung die Oberfläche 19 des Bauteils abtastet. Hierdurch werden an jeweiligen, entlang der Vorschubrichtung aufeinanderfolgenden Referenzstellen der Oberflächen 19 jeweilige Referenzwerte erfasst, die die jeweilige Höhe der Oberfläche 19 an den jeweiligen, entlang der Vorschubrichtung 40 aufeinanderfolgenden Referenzstellen charakterisieren.
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Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird das Laserschweißen, mithin der Laserschweißprozess, durchgeführt. Bei dem Laserschweißprozess wird die Schweißnaht 10 hergestellt, in dem der Prozessstrahl 14 entlang der Vorschubrichtung 40 relativ zu dem Bauteil 12 bewegt wird, während der Prozessstrahl 14 auf das Bauteil 12 trifft. Somit wird die Schweißnaht 10 entlang der Vorschubrichtung 40 hergestellt. Außerdem wird bei dem zweiten Schritt des Verfahrens eine Kapillartiefenmessung durchgeführt. Bei der Kapillartiefenmessung wird an entlang der Vorschubrichtung 40 aufeinanderfolgenden Messstellen ein jeweiliger Messwert erfasst, welcher die jeweilige Tiefe der bei der Herstellung der Schweißnaht 10 entstehenden und sich mit dem Prozessstrahl 14 entlang der Vorschubrichtung 40 mitbewegenden und somit entlang der Vorschubrichtung 40 bewegenden Dampfkapillare 18 an der jeweiligen Messstelle charakterisiert.
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Beispielsweise wird die Kapillartiefenmessung durch optische Kohärenztomographie und dabei beispielsweise mittels des optischen Kohärenztomographs 16 durchgeführt. Mit anderen Worten wird beispielsweise die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare 18 entlang der Vorschubrichtung 40 durch optische Kohärenztomographie gemessen. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt werden an den Messstellen die Messwerte vorzugsweise durch optische Kohärenztomographie erfasst. Zum Erfassen der Messwerte an den Messstellen wird somit beispielsweise ein weiterer Messstrahl wie beispielsweise der als Laserstrahl ausgebildete Prozessstrahl 14 oder ein zusätzlich dazu vorgesehener, weiterer Messstrahl verwendet, der durch einen weiteren optischen Kohärenztomographen oder durch den optischen Kohärenztomographen 16 bereitgestellt wird und beispielsweise wie der auch als Bearbeitungsstrahl bezeichnete Prozessstrahl 14 auf die Oberfläche 19 trifft und beispielsweise einen Strahlpunkt wie den Laserpunkt 20 erzeugt.
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Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird, insbesondere mittels einer elektronischen Recheneinrichtung 22, eine Korrekturberechnung durchgeführt. Da die Referenzstellen entlang der Vorschubrichtung aufeinanderfolgen und insbesondere voneinander beabstandet sind, liegen entlang der Vorschubrichtung zwischen zwei jeweils entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen Messstellen, deren Messwerte sozusagen entlang der Vorschubrichtung zwischen den zu den entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen gehörenden Referenzwerten liegen, sodass sozusagen die zu den entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen gehörenden Referenzwerte an die dazwischenliegenden Messwerte angrenzen. Bei der Korrekturberechnung wird nun für die Messwerte, die die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare 18 an den jeweiligen Messstellen charakterisieren, die entlang der Vorschubrichtung 40 zwischen zwei entlang der Vorschubrichtung 40 unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen liegen, ein jeweiliger Korrekturwert durch eine Interpolation, insbesondere durch eine Spline-Interpolation, zwischen den angrenzenden Referenzdaten berechnet, die die jeweilige Höhe der Oberfläche 19 an den zwei entlang der Vorschubrichtung 40 unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen charakterisieren. Außerdem wird, insbesondere mittels der elektronischen Recheneinrichtung 22, der jeweilige, zwischen den angrenzenden Referenzwerten liegende Messwert um den jeweiligen, zugehörigen Korrekturwert korrigiert, wodurch aus dem jeweiligen, zwischen den angrenzenden Referenzwerten liegenden Messwert ein jeweiliger, die jeweilige Tiefe der Dampfkapillare 18 an der jeweiligen Messstelle charakterisierender Tiefenwert berechnet wird. Die Tiefenwerte charakterisieren nun die Tiefe der Dampfkapillare 18 entlang der Vorschubrichtung 40 besonders präzise. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass die Tiefenwerte nicht oder nur sehr geringfügig von der tatsächlichen Tiefe der Dampfkapillare 18 entlang der Vorschubrichtung 40 abweichen. Das Verfahren ermöglicht es somit, die Tiefe der Dampfkapillare 18 entlang der Vorschubrichtung 40 besonders präzise zu ermitteln.
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Anhand der Referenzwerte werden die Messwerte und somit die Tiefe der Dampfkapillare 18 auf die Oberfläche 19 des Bauteils 12 referenziert. Diese Referenzierung ermöglicht es, die Kapillartiefenmessung beziehungsweise die Tiefe der Dampfkapillare 18 direkt auf die Oberfläche 19 und somit beispielsweise auf eine Oberkante des Bauteils 12 zu referenzieren. Dadurch werden beispielsweise Einflüsse wie Wölbungen des Bauteils 12 bei der Kapillartiefenmessung berücksichtigt. Eine Schwankung der gemessenen beziehungsweise ermittelten Kapillartiefe kann somit als Folge einer Wölbung der Oberfläche 19 ausgeschlossen werden, denn die Kapillartiefenmessung und die Referenzmessung erfahren die gleiche Wölbung. Des Weiteren kann ein Einfluss eliminiert oder zumindest verringert werden, der im Folgenden genauer beschrieben wird.
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Die auch als Laserbearbeitungsoptik bezeichnete Schweißoptik 33 fokussiert den auch als Bearbeitungsstrahl bezeichneten Prozessstrahl 14 auf die sogenannte Fokalebene. Dabei ist die Schweißoptik 33 fähig, eine zweidimensionale Ablenkung des Bearbeitungsstrahls durchzuführen, das heißt den Bearbeitungsstrahl in x- und y-Richtung auszulenken beziehungsweise zu bewegen, insbesondere relativ zu dem Bauteil 12. Hierzu kommen beispielsweise wenigstens oder genau zwei Schwenkspiegel 34 ( 2) zum Einsatz, welche um jeweilige, orthogonal zueinander verlaufende Schwenkachsen 32 verschwenkbar sind. Bezüglich 2 sei ferner beschrieben, dass beispielsweise der weitere Messstrahl vorzugsweise ein OCT-Strahl ist und dabei vorzugsweise zumindest im Wesentlichen koaxial zu dem Bearbeitungsstrahl verläuft, wobei beispielsweise der weitere Messstrahl auch als Messarm oder OCT-Messarm bezeichnet wird.
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Wird nur einer der Schwenkspiegel 34 betrachtet, wie es in 3 gezeigt ist, so ergibt sich eine von der mittels des Schwenkspiegels 34 bewirkten Ablenkung des als Laserstrahl ausgebildeten Prozessstrahls 14 (Bearbeitungsstrahl) abhängige Distanzänderung 36 zur Fokuslage beziehungsweise zur Fokalebene, wobei die Distanzänderung 36 auch mit ΔI bezeichnet wird. Ein sogenanntes f-Theta-Objektiv 38 korrigiert diese Abweichung, sodass der Prozessstrahl 14 auslenkungsabhängig so fokussiert wird, dass die Fokalebene des als Laserstrahl ausgebildeten Prozessstrahls 14 parallel zur x-y-Ebene liegt. Eine Verlängerung der optischen Weglänge des Messarms wird vor allem dann deutlich, wenn die Schweißoptik 33 ausgelenkt wird und ein ebenes Werkstück ohne Laserleistung überfahren wird, wie es in 4 veranschaulicht ist. 4 zeigt ein Diagramm, auf dessen Abszisse die Auslenkung des OCT-Messarms insbesondere in der Einheit Millimeter aufgetragen ist, wobei auf der Ordinate des in 4 gezeigten Diagramms die gemessene Distanz insbesondere in der Einheit Millimeter aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, dass sich bei einer Auslenkung von +/- 15 Millimeter eine Distanzänderung von -0,20 Millimeter einstellen kann, insbesondere im Hinblick auf einen entsprechenden Versuchsaufbau. Die zuvor genannten Werte sind nur beispielhaft angegeben. Da nun die Referenzmessung an der Oberfläche 19 den gleichen Weglängenänderungen wie die Kapillartiefenmessung mittels des OCT-Messarms unterliegt, kann durch eine Verrechnung der Kapillartiefenmessung beziehungsweise der Messwerte und der Referenzmessung beziehungsweise der Referenzwerte der Effekt eliminiert oder zumindest verringert werden.
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5 zeigt Diagramme, auf deren Abszissen eine jeweilige Schweißnahtposition der Referenz- beziehungsweise Messwerte entlang der Vorschubrichtung 40 aufgetragen ist, wobei auf der jeweiligen Ordinate die jeweilige Tiefe beziehungsweise Höhe aufgetragen ist. Das in 5 oben gezeigte Diagramm zeigt den Verlauf einer unkorrigierten Kapillartiefenmessung, bei der also keine Verrechnung der Referenzwerte und der Messwerte erfolgte. Es ist eine leichte Wölbung der Signale erkennbar. Das in 5 unten gezeigte Diagramm zeigt den Verlauf der Referenzmessung. Es ist ein parabelförmiger Verlauf der Referenzwerte erkennbar, wobei die Diagramme unterschiedliche Skalierungen aufweisen. Die Verrechnung der Messwerte und der Referenzwerte, mithin der Kapillartiefenmessung mit der Referenzmessung, kann in einer verwendeten Systemtechnik durch einen Algorithmus so berücksichtigt werden, indem die Referenzmessung beziehungsweise die Referenzwerte als Referenz für alle Kapillartiefenmessungen, das heißt für alle Messwerte genutzt wird beziehungsweise werden, insbesondere bis die nächste Referenzmessung beziehungsweise der nächste Referenzwert erfolgt. Dadurch werden die Kapillartiefenmessungen beziehungsweise die Messwerte blockweise korrigiert. Mit anderen Worten ist es grundsätzlich möglich, die zwischen zwei unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzwerten liegenden Messwerte blockweise anhand eines der unmittelbar aufeinanderfolgenden Messwerte zu korrigieren, was auch als Blockkorrektur oder blockweise Korrektur bezeichnet wird. Diese Blockkorrektur bringt einen Nachteil mit sich, welcher im Folgenden beschrieben und durch das zuvor genannte Verfahren, insbesondere durch die Interpolation, vermieden wird. Bei der Blockkorrektur werden die Messwerte zwischen den unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzwerten, das heißt die Messwerte, die die Tiefe der Dampfkapillare 18 an den Messstellen charakterisieren, die entlang der Vorschubrichtung zwischen zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen liegen, stets mit einem der zu dem entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Referenzstellen gehörenden Referenzwerte verrechnet und korrigiert. Demzufolge erfahren die Messwerte, welche unmittelbar nach dem Referenzwert, der zur Korrektur verwendet wird, erfolgen, eine viel genauere Korrektur als diejenigen Messwerte, die kurz vor dem oder einem weiteren Referenzwert liegen. Diese Messwerte werden dann weiterhin mit dem letzten Referenzwert korrigiert, obwohl der kommende Referenzwert eine bessere Korrektur ermöglichen würde. Dieses Verhalten wird bei Betrachtung von 6 oben deutlich. 6 zeigt Diagramme, auf deren Abszisse die Nahtlänge aufgetragen ist. Auf der Abszisse des Diagramms oben in 6 ist die Tiefe aufgetragen, und auf der Abszisse des Diagramms unten in 6 ist ein Perzentilfilter insbesondere in der Einheit Millimeter aufgetragen. Zur Erstellung des in 6 oben gezeigten Diagramms wurde eine 90 Millimeter lange Schweißnaht aufgezeichnet, bei der jedoch keine Laserleistung in das Bauteil 12 eingebracht wurde. Dadurch wurde eine plane 90 Millimeter lange Oberfläche durch OCT abgetastet. Der Vorschub wurde durch die Schweißoptik realisiert. In dem oberen Diagramm in 6 entsprechen die horizontale Striche bildenden Messwerte beziehungsweise Messpunkte der blockweisen Korrektur, und die entlang einer Parabel verlaufenden Punkte entsprechen der Referenzmessung. Mit anderen Worten wurden die in 6 oben horizontale Striche bildenden Messwerte blockweise korrigiert, und die Referenzwerte sind in 6 oben durch nicht ausgefüllte und entlang einer Parabel verlaufende Punkte veranschaulicht. Es wird deutlich, dass nach jeder Referenzmessung beziehungsweise nach jedem Referenzwert die Messpunkte beziehungsweise Messwerte wieder auf das Null-Niveau korrigiert wurden. Da jedoch eine plane Oberfläche abgetastet wurde, wird der Einfluss der blockweisen Korrektur deutlich: Je weiter ein Messwert von einer vorherigen Referenzmessung beziehungsweise von einem vorherigen Referenzwert entfernt ist, desto weiter weicht er vom Null-Niveau ab. Erst wieder nach einer neuen Referenzmessung beziehungsweise nach einem neuen Referenzwert befinden sich die Signale beziehungsweise Messwerte wieder auf Null-Niveau, bevor sie anschließend wieder nach oben abdriften.
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Zur Realisierung des Verfahrens wurde ein Algorithmus entwickelt, welcher den beschriebenen, parabelförmigen Verlauf der Messungen bei Auslenkung mittels der Schweißoptik Folge trägt und die Referenzwerte, das heißt zwischen zwei entlang der Vorschubrichtung unmittelbar aufeinanderfolgenden Messwerten interpoliert. Dafür wird beispielsweise durch die Referenzmessung, das heißt durch die in 6 oben gezeigten Referenzwerte, eine quadratische Spline-Interpolation gelegt, welches ermöglicht, für jeden Messwert zwischen zwei angrenzenden Referenzwerten den jeweiligen Korrekturwert aus den beiden angrenzenden, gemessenen Referenzwerten zu berechnen. In 6 oben zeigt eine die in 6 oben gezeigten Referenzwerte miteinander verbindende und zumindest im Wesentlichen parabelförmige Linie die genannte Spline-Interpolation zwischen den Referenzwerten. In 6 oben gezeigte, einzelne Punkte veranschaulichen die genannten Tiefenwerte, die durch die Interpolation, das heißt anhand der durch die Interpolation berechneten Korrekturwerte berechnet wurden. Die Tiefenwerte werden daher auch als interpoliert-korrigierte Messwerte bezeichnet. Dabei wurde beispielsweise die blockweise Korrektur der Messungen rückgängig gemacht und dann die interpolierte Korrektur auf die Messwerte angewandt. Vergleicht man die blockweise korrigierten Messwerte mit den Tiefenwerten, das heißt mit den interpoliert-korrigierten Messwerten, stellt man fest, dass die Tiefenwerte die plane Oberfläche des Bauteils viel besser abbilden als die blockweise korrigierten Messwerte. Dies wird noch deutlicher, wenn - wie in 6 unten dargestellt - die unteren Perzentile der Kapillartiefenmessung auf die beiden Messungen angewandt wird. In 6 unten gibt eine zumindest im Wesentlichen horizontal verlaufende Kurve die plane Oberfläche deutlich besser wieder als eine einen Sägezahn bildende Kurve. Es kann also davon ausgegangen werden, dass die interpolierte Korrektur der Kapillartiefenmessungen, mithin der Messwerte, einen Vorteil bei der Genauigkeit der Kapillartiefenmessung in Bezug zur tatsächlichen Einschweißtiefe, das heißt in Bezug zur tatsächlichen Kapillartiefe, mit sich bringt.
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Die Auswirkung der interpolierten Korrektur im Vergleich zur blockweisen Korrektur auf die Kapillartiefenmessung während des Laserschweißens kann aus 7 erkannt werden. Deutlich zu erkennen ist dabei, dass im Bereich der neutralen Achse der Schweiß- beziehungsweise Laseroptik die Messpunkte sehr gut aufeinanderliegen. Es kann deswegen hier geschlussfolgert werden, dass der Einfluss der Weglängenänderung durch die Auslenkung der Schweißoptik hervorgerufen wird. Mit zunehmendem Abstand zur vorherigen Referenzmessung beziehungsweise zum vorherigen Referenzwert wird auch der zunehmende Unterschied der beiden Korrekturweisen deutlich. Direkt nach einer Referenzmessung beziehungsweise direkt nach einem Referenzwert überlagern die Messungen noch sehr gut. Je näher die Messung beziehungsweise der Messwert dann an die darauffolgende Referenzierung rückt, desto weiter weichen die Messpunkte voneinander ab.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schweißnaht
- 12
- Bauteil
- 13
- Bearbeitungslaser
- 14
- Prozessstrahl
- 16
- optischer Kohärenztomograph
- 17
- erstarrte Schmelze
- 18
- Dampfkapillare
- 19
- Oberfläche
- 20
- Laserpunkt
- 22
- Recheneinrichtung
- 24
- Steuerungseinrichtung
- 26
- Referenzstrahl
- 27
- Scannerspiegel
- 28
- Pfeil
- 29
- OCT-Sensor
- 30
- Pfeil
- 31
- Refrenzstelle
- 32
- Drehachse
- 33
- Schweißoptik
- 34
- Schwenkspiegel
- 36
- Distanzänderung
- 38
- f-Theta-Objektiv
- 40
- Vorschubrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016001661 B3 [0002]
