DE102021000881A1

DE102021000881A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess

Info

Publication number: DE102021000881A1
Application number: DE102021000881.2A
Authority: DE
Inventors: Tobias Klüber; Thomas Engelhardt; Patrik Doraciak; Michael Stocker; Niklas Cedric Bauer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-02-19
Filing date: 2021-02-19
Publication date: 2021-04-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess, bei welchem optische Reflexionen und/ oder Prozessemissionen ausgewertet werden. Bei einem Verfahren, welches thermische Schädigungen zuverlässig verhindert und trotzdem zuverlässige Messergebnisse erzielt, wird ein Rückreflex (17) eines Laserstrahls (9), der durch die Oberfläche eines Prüfobjekts (3) diffus gestreut wird, erzeugt wird, welcher in einer Sensorik (13) des Qualitätssicherungssystems (15) ein Signal erzeugt, dass einem während des Laserschweißprozesses verwendeten Signal entspricht und welches zur Qualitätsbestimmung des Laserschweißprozesses ausgewertet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess, bei welchem optische Reflexionen und/oder Prozessemissionen ausgewertet werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der WO 2012156071 A1 ist ein Lasermaterialbearbeitungssystem zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls bekannt, welches ein optisches System und mindestens eine optische Komponente zum Fokussieren des Laserstrahls umfasst.
Die Fähigkeit solcher Qualitätssicherungssysteme zur genauen Messung müssen im Qualitätsmanagement geprüft werden. Es ist bekannt, solche Prüfungen mit einer Normlichtquelle durchzuführen. Die bisher genutzte Normlichtquelle emittiert einen breitbandigen Spektralbereich, wodurch eine hohe Leistung der Normlichtquelle erforderlich ist, woraus eine große Wärmeentwicklung resultiert. Dies kann zu thermischen Schäden des Prüfsystems führen, welche nur durch umfangreiche Abschirmmaßnahmen der Normlichtquelle gegenüber dem Prüfsystem reduziert werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess anzugeben, welche thermische Schädigungen zuverlässig verhindern und trotzdem zuverlässige Messergebnisse erzielen.
Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
Die Aufgabe ist mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass ein Rückreflex eines Laserstrahls, der durch die Oberfläche eines Prüfobjekts diffus gestreut wird, erzeugt wird, welcher in einer Sensorik des Qualitätssicherungssystems ein Signal erzeugt, dass einem während des Laserschweißprozesses verwendeten Signal entspricht und welches zur Qualitätsbestimmung ausgewertet wird. Dies hat den Vorteil, dass die Wellenlänge der reflektierten Strahlung auf den Empfindlichkeitsbereich der Sensorik abgestimmt ist. Dadurch wird das Prüfsystem durch den fokussierten Laserstrahl im Vergleich zu einer Normallichtquelle nur bedingt thermisch belastet, weshalb auf zusätzliche Abschirmmaßnahmen verzichtet werden kann. Mittels des Einsatzes des Lasers wird die Intensität des emittierten, diffusen Rückreflexes erhöht, was eine höhere Auswertegenauigkeit zur Folge hat.
Vorteilhafterweise wird der diffuse Rückreflex durch eine konkav oder konvex ausgeformte Oberfläche des Prüfobjekts erzeugt. Dadurch wird der Rückreflex richtungsunabhängig in alle Raumrichtungen gestreut.
In einer Ausgestaltung wird der diffuse Rückreflex durch eine strukturierte Oberfläche des Prüfobjekts erzeugt. Dies verstärkt den Effekt des diffusen Rückreflexes.
In einer Variante erfolgt vor der Erzeugung des diffusen Rückreflexes eine Reinigung der Oberfläche des Prüfobjektes zur Erstellung eines definierten Ausgangszustandes. Dadurch wird eine wiederholgenaue Einstellung des diffusen Rückreflexes ermöglicht.
In einer Ausführungsform erfolgt die Einstellung einer definierten Position des Laserstrahls um einen vorgegebenen Winkel gegenüber einer senkrechten Achse einer den Laserstrahl aussendenden Optik. Dadurch werden das Optiksystem und der Laser selbst gegen die reflektierte Strahlung geschützt, ohne zusätzlich gegenständliche Schutzmaßnahmen einsetzen zu müssen.
In einer weiteren Ausgestaltung werden eine Laserleistung und eine Fokuslage des Lasers überwacht, indem diese vor und nach dem Kalibriervorgang gemessen werden. Damit wird die Wiederholgenauigkeit der Kalibrierung überwacht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess, umfassend ein eine Lichtquelle aufweisendes optisches System zum Fokussieren eines Lichtstrahls auf einem Prüfobjekt. Bei einer Vorrichtung, welche thermische Schädigungen zuverlässig verhindert und trotzdem zuverlässige Messergebnisse erzielt, ist die Lichtquelle ein Laser und das Prüfobjekt weist eine, den Laserstrahl reflektierende Oberfläche auf, wobei eine Sensorik des Qualitätssicherungssystems einen von der Oberfläche des Prüfobjektes reflektierten diffusen Rückreflex auswertet und ein von dem Rückreflex in der Sensorik erzeugtes Signal dem im Laserschweißprozesses emittierten Signal entspricht. Für den Messaufbau zur Prüfung der Messmittelfähigkeit wird nur ein reflektierendes Prüfobjekt benötigt, durch welches der Messaufbau im Vergleich zur Normallichtquelle wesentlich kompakter gestaltet werden kann. Auf zusätzliche externe Spannungsversorgungen kann bei der Verwendung des Lasers im Gegensatz zu einer Normallichtquelle verzichtet werden.
Vorteilhafterweise ist die Oberfläche des Prüfobjektes zur Erzeugung des diffusen Rückreflexes konkav oder konvex ausgeformt und/oder strukturiert. Dadurch kann die Erscheinung des diffusen Rückreflexes des Laserstrahls gezielt eingestellt werden.
In einer Variante weist der zu reflektierende Laserstrahl eine Position auf, welche in einem vorgegebenen Winkel zu einer senkrechten Achse des den Laserstrahl aussendenden optischen Systems steht. Durch diese Auslenkung des Laserstrahls erfolgt ein Schutz der Optik vor zu hohen Intensitäten des Laserstrahls.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Es zeigt:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt, wie sie zur Bestimmung der Messmittel-Fähigkeit eines Qualitätssicherungssystems verwendet wird. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Prüfobjekt 3, oberhalb welchem ein Optikgehäuse 5 mit einem Optikschutzglas 7 angeordnet ist, wobei das Optikgehäuse 5 ein Lichtkoppelmodul 23 aufweist, in welches ein Lichtleiterkabel 25 mündet, das mit einem nicht weiter dargestellten Laser zur Einführung eines Laserstrahls 9 in das Optikgehäuse 5 verbunden ist. Der Laserstrahl 9 ist so fokussiert, dass er in einem vorgegebenen Winkel a auf das Prüfobjekt 3 auftrifft, welcher gegenüber einer senkrechten Zurückleitung 11 des Laserstrahls 7 eingenommen wird. Dem Prüfobjekt 3 ist gegenüberliegend eine Sensorik 13 eines Qualitätssicherungssystems 15 positioniert, die einen Rückreflex 17 des reflektierten Laserstrahls detektiert und in ein elektrisches Signal umsetzt, welches einem in einem vorgegebenen Laserschweißprozess zur Erzeugung einer Laserschweißnaht entstehenden Rückreflex 17 entspricht und im Qualitätssicherungssystem 15 abgespeichert wird.
Alternativ kann der diffuse Rückreflex 17 auch zielgerichtet in das Optiksystem 5 zurückgeleitet werden, so dass es von dem Optiksystem 5 selbst oder der an das Optiksystem 5 angeschlossene Sensorik 13 des Qualitätssicherungssystems 15 gemessen wird, wie es in 1 gestrichelt dargestellt ist.
Mit einer weiteren Messeinrichtung 21 wird in beiden Fällen die Laserleistung und die Fokuslage des Laserstrahls 5 überwacht, wodurch eine Wiederholgenauigkeit der Kalibrierung des Qualitätssicherungssystems 15 gewährleistet ist.
Um eine zuverlässige Kalibrierung der Qualitätssicherungssystems 15 zu gewährleisten, muss die Oberfläche des Prüfobjekts 3 so beschaffen sein, dass der Rückreflex 17 diffus gestreut wird, um korrekt von der Sensorik 13 des Qualitätssicherungssystems 15 gemessen werden zu können. Der diffuse Rückreflex 17 wird durch die Gestaltung der Oberfläche des Prüfobjekts 3 beeinflusst. Diese kann zur Variation des diffusen Rückreflexes 17 konkav oder konvex ausgestaltet sein. Zur Verstärkung des diffusen Rückreflexes 17 kann die Oberfläche des Prüfobjektes 3 strukturiert gestaltet sein. Zur Einstellung eines wiederholgenauen Rückreflexes 17 wird das Prüfobjekt 3 vor jeder Kalibrierung einem Reinigungsprozess unterzogen, bei welchem ein vorgegebener Ausgangszustand der Oberfläche eingestellt wird. Ein so gestaltetes Prüfobjekt 3 kann mehrmalig zur Kalibrierung des Qualitätssicherungssystems 15 genutzt 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 2012156071 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess, bei welchem optische Reflexionen und/oder Prozessemissionen ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückreflex (17) eines Laserstrahls (9), der durch die Oberfläche eines Prüfobjekts (3) diffus gestreut wird, erzeugt wird, welcher in einer Sensorik (13) des Qualitätssicherungssystems (15) ein Signal erzeugt, dass einem während des Laserschweißprozesses verwendeten Signal entspricht und welches zur Qualitätsbestimmung des Laserschweißprozesses ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der diffuse Rückreflex (17) durch eine konkav oder konvex ausgeformte Oberfläche des Prüfobjekts (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der diffuse Rückreflex (17) durch eine strukturierte Oberfläche des Prüfobjekts (3) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Erzeugung des diffusen Rückreflexes (17) eine Reinigung der Oberfläche des Prüfobjektes (3) zur Erstellung eines definierten Ausgangszustandes erfolgt.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine definierte Position des Laserstrahls (9) um einen vorgegebenen Winkel (a) gegenüber einer senkrechten Achse (11) einer den Laserstrahl (9) aussendenden Optik (5) eingestellt wird.
Verfahren nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Laserleistung und eine Fokuslage des Lasers (9) überwacht wird, indem diese vor und nach dem Kalibriervorgang gemessen werden.
Vorrichtung zur Kalibrierung eines Qualitätssicherungssystems für einen Laserschweißprozess, umfassend ein eine Lichtquelle aufweisendes optisches System (5) zum Fokussieren eines Lichtstrahls (9) auf ein Prüfobjekt (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle ein Laser ist und das Prüfobjekt (3) eine, den Laserstrahl (9) reflektierende Oberfläche aufweist, wobei eine Sensorik (13) des Qualitätssicherungssystems (15) einen von der Oberfläche des Prüfobjektes (3) reflektierten diffusen Rückreflex (17) auswertet und ein von dem Rückreflex (17) in der Sensorik (13) erzeugtes Signal dem im Laserschweißprozesses eingesetzten Signal entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Prüfobjektes (3) zur Erzeugung des diffusen Rückreflexes (17) konkav oder konvex ausgeformt und/oder strukturiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zu reflektierende Laserstrahl eine Position aufweist, welche in einem vorgegebenen Winkel (a) zu einer senkrechten Achse des den Laserstrahl (9) aussendenden optischen Systems (5) steht.