DE102021002218A1 - Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes bei einem Bearbeitungsverfahren mittels eines Laserstrahls - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes (Δt) zwischen mindestens zwei sich überlappenden Fügepartnern (4.1, 4.2) bei der Bearbeitung mittels eines Laserstrahls (L), wobei eine Eindringtiefe des Laserstrahls (L) mittels optischer Kohärenztomografie unter Verwendung eines Messstrahls (M) gemessen wird, womit Höheninformationen in einem sich durch den Laserstrahl (L) bildenden Keyhole (5) und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes (5) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserparameter (P) des Laserstrahls (L) zeitlich und/oder örtlich variiert wird, so dass der Laserstrahl (L) eine Dicke des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) zeitweise nicht durchdringt und diese in einem weiteren Zeitintervall teilweise oder vollständig durchdringt, wobei ein Abstand (Δt) infolge einer Diskontinuität in einem OCT-Messsignaltiefenverlauf als Differenz aus mindestens einer dem oberen Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe (t1o, t1u) und einer dem unteren Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe (t2o) ermittelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen mindestens zwei sich überlappenden Fügepartnern bei einem Bearbeitungsverfahren mittels eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Mit bekannten Verfahren zur Qualitätsbewertung beim Laserschweißen kann eine Messung eines Füge- oder Schweißspaltes nicht realisiert werden, weshalb je nach Spalthöhe stärkere Prozess- sowie Qualitätsschwankungen die Folge sein können.
  • Aus DE 10 2019 006 282 A1 ist ein Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen eines oberen Fügepartners mit mindestens einem unteren Fügepartner bekannt, wobei mittels optischer Kohärenztomografie Höheninformationen in einem sich durch das Laserstrahlschweißen bildenden Keyhole und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes ausgewertet werden. Dabei werden Höheninformationssignale der optischen Kohärenztomografie ausgewertet, die aus einer charakteristischen Tiefe stammen, die einer Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners zuzuordnen sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein neuartiges Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes bei einem Bearbeitungsverfahren mittels eines Laserstrahls anzugeben.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Es wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes zwischen mindestens zwei sich überlappenden Fügepartnern bei einem Bearbeitungsverfahren mittels eines Laserstrahls vorgeschlagen, wobei eine Eindringtiefe des Laserstrahls mittels optischer Kohärenztomografie unter Verwendung eines Messstrahls gemessen wird, womit Höheninformationen in einem sich durch den Laserstrahl bildenden Keyhole und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes ausgewertet werden. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Laserparameter des Laserstrahls zeitlich und/oder örtlich variiert, so dass der Laserstrahl eine Dicke des mindestens einen oberen Fügepartners zeitweise nicht durchdringt und diese in einem weiteren Zeitintervall teilweise oder vollständig durchdringt, wobei ein Abstand infolge einer Diskontinuität in einem OCT-Messsignaltiefenverlauf als Differenz aus mindestens einer dem oberen Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe und einer dem unteren Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe ermittelt wird.
  • Die vorliegende Erfindung beschreibt eine neue technische Lösung zur Messung des Füge- oder Schweißspaltes und führt zu einer Erhöhung der Prozessstabilität.
  • Erfindungsgemäß erfolgen eine Variation mindestens eines Laserstrahl-Parameters zur Veränderung der Eindringtiefe und eine Messung dieser Veränderung mithilfe eines OCT-Systems. Durch den Spalt zwischen den Schweißpartnern erfolgt bei steigender Eindringtiefe des Laserstrahls ein diskontinuierlicher Signalverlauf im Tiefensignal des OCT-Systems, woraus der Schweißspalt ermittelt werden kann.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ergibt sich eine Erhöhung der Prozessstabilität beim Laserschweißen, eine Verringerung von Prozessschwankungen im Laserschweißprozess und somit eine Reduzierung von Nacharbeitskosten und Prozesszeiten. Ferner wird eine systematische Erkennung von Bauteiltoleranzen sich überlappender Bauteile im Rohbau ermöglicht. Weiter wird eine Regelstrategie beim Laserschweißen ermöglicht, da mithilfe der erfindungsgemäßen Lösung relevante Laserstrahlparameter, wie beispielsweise die Leistung für unterschiedliche Schweißspalte online nachgeregelt werden können.
  • Die erfindungsgemäße Lösung bietet ein einheitliches und einseitiges Qualitätssicherungs-System für sämtliche Laser-Applikationen. Dabei kann eine vollständige Dichtheit der Lasernaht erzielt werden. Das Verfahren kann beispielsweise beim Fügen eines Batteriegehäuses, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, zum Einsatz kommen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht höhere Fügegeschwindigkeiten und kann daher Kosten reduzieren. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine unsichtbare Nahtwurzel realisierbar. Hierdurch ergeben sich neue Applikationen (Kundensichtqualität, Nassbereich).
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht eines Verfahrensablaufs beim Laserschweißen, und
    • 2 eine schematische Ansicht eines Keyholes beim Laserschweißen.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrensablaufs beim Laserschweißen. Dabei ist eine Laser-Schweißvorrichtung 1 vorgesehen, die eine Schweißoptik 2 und einen OCT-Scanner 3 zur optischen Kohärenztomografie umfasst. Aus der Schweißoptik 2 treten ein Laserstrahl L zum Schweißen und ein OCT-Messstrahl M in Richtung eines zu schweißenden Bauteils 4 aus, das mindestens zwei übereinander liegende Fügepartner oder Bleche, das heißt mindestens ein oberes Blech 4.1 oder einen oberen Fügepartner 4.1 und mindestens ein unteres Blech 4.2 oder einen unteren Fügepartner 4.2, umfasst. Die Laser-Schweißvorrichtung 1 wird beim Schweißen als Ganzes in einer Bewegungsrichtung R relativ zum zu schweißenden Bauteil 4 geführt.
  • Bei einem Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes bei der Bearbeitung mittels eines Lasers, beispielsweise beim Laserstrahlschweißen oder beim Laserstrahlbohren, wird zunächst die Bewegung der Schweißvorrichtung 1 gegenüber dem zu schweißenden Bauteil 4 gestartet. Altemativ kann dabei das Bauteil 4 bewegt werden.
  • Anschließend wird eine OCT-Messung begonnen. Danach wird der Laserstrahl L mit einer Startparametrierung eingeschaltet, wobei mindestens ein Laserstrahlparameter zeitlich und/oder örtlich variiert wird, so dass der Laserstrahl L die Blechdicke des mindestens einen oberen Blechs 4.1 während eines Zeitintervalls in einem Fall A nicht durchdringt und diese während eines weiteren Zeitintervalls in einem Fall B teilweise oder komplett durchdringt, wobei die Eindringtiefe des Laserstrahls mittels eines weiteren Strahls eines Messsystems, insbesondere mittels des OCT-Messtrahls M, gemessen wird. Der mindestens eine variierte Laserparameter kann beispielsweise eine Leistung, eine Geschwindigkeit oder eine Defokussierung sein. Ein Diagramm mit einem beispielhaften Verlauf des mindestens einen variierten Laserparameters P über der Zeit ist unten in 1 gezeigt. Ferner ist eine Messzeit tm gezeigt, während der eine OCT-Messung stattfindet.
  • Insbesondere wird hierzu ein Abstand Δt zwischen einer Unterseite t1u des oberen Blechs 4.1 und einer Oberseite t2o, des unteren Blechs 4.2, das heißt ein Spalt zwischen dem oberen Blech 4.1 und dem unteren Blech 4.2, anhand einer Diskontinuität im OCT-Messsignaltiefenverlauf auf zwei verschiedene Art und Weisen Fall 1 oder Fall 2 bestimmt. Im Fall 1 kann der Abstand Δt anhand der Differenz zwischen einer der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners (4.2) zugeordneten Eindringtiefe (t2o) und einer der Unterseite des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) zugeordneten Eindringtiefe (t1u) anhand eines Signalsprungs im OCT-Messsignaltiefenverlauf bestimmt werden. Im Fall 2 kann der Abstand Δt anhand der Differenz zwischen einer der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners (4.2) zugeordneten Eindringtiefe (t2o) und der bekannten Blechdicke (t1) des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) und einer der Oberseite des mindestens einen oberen Fügepartners (4.2) zugeordneten Eindringtiefe (t1o) bestimmt werden.
  • Ferner ist eine Unterseite t2u des unteren Blechs 4.2 sowie eine Blechstärke t2 des unteren Blechs 4.2 dargestellt.
  • Ein Diagramm mit einem idealisierten Tiefenverlauf der OCT-Messsignale ist rechts in 1 gezeigt. Dabei ist eine OCT-Messsignaltiefe z über der Zeit dargestellt.
  • Eine OCT-Messsignaltiefe z1o entspricht einer Eindringtiefe t1o von Null an der Oberseite t1o des oberen Blechs 4.1. Eine OCT-Messsignaltiefe z1u entspricht einer Eindringtiefe t1u an der Unterseite t1u des oberen Blechs 4.1. Eine OCT-Messsignaltiefe z2o entspricht einer Eindringtiefe t2o an der Oberseite t2o des unteren Blechs 4.2. Eine OCT-Messsignaltiefe z2u entspricht einer Eindringtiefe t2u an der Unterseite t2u des unteren Blechs 4.2. Eine OCT-Messsignaltiefe z2 entspricht einer gewünschten Eindringtiefe in das untere Blech 4.2.
  • 2 ist eine schematische Ansicht eines Keyholes 5 während des Laserschweißens. Gezeigt ist ein Grundwerkstoff 6, eine Dampfkapillare 7, eine Schmelze 8 und ein Schweißgut 9. Rechts in 2 ist ein schematisches Diagramm des OCT-Messsignals gezeigt, wobei eine Tiefenposition z über einer Längsposition x dargestellt ist.
  • Bei der Messung des Abstandes durch den OCT-Scanner kann es sich um eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Linien- und/oder Punktmessung handeln.
  • Der Abstand kann aus mindestens einem oberen und einem unteren Signal des OCT-Scanners generiert werden, wobei das obere und untere Signal jeweils aus einer größeren Anzahl an Rohmessdaten und mithilfe von statistischen Kenngrößen und/oder einer künstlichen Intelligenz ermittelt werden kann.
  • Der Abstand kann beispielsweise ein Fügespalt sein, der bis zu 5 mm beträgt.
  • Die Veränderung des Laserparameters kann kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt werden, dauert jedoch vorzugsweise nicht länger als die eigentliche Prozessdauer von etwa 2s und weist vorzugsweise maximal eine örtliche Länge von 50 mm auf.
  • Die Veränderung der Parametrierung des Laserstrahls L zur Messung des Abstandes kann in einem Vorprozess und/oder einem nachgelagerten Prozess und/oder während eines Schweißprozesses erfolgen. Die Veränderung der Parametrierung des Laserstrahls L während des Schweißprozesses kann zu Beginn und/oder am Ende und/oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während des Schweißprozesses durchgeführt werden.
  • Die Messung des Abstandes kann zur Generierung einer Qualitätsaussage und/oder zur Regelung eines lasergeführten Prozesses herangezogen werden.
  • Die Position des Laserstrahls L und des OCT-Messstrahls M zur Messung des Abstandes kann zur Erzeugung eines gesonderten Merkmals an einer unbestimmten Position auf den sich überlappenden Partnern, insbesondere den Blechen 4.1, 4.2 oder örtlich im Bereich einer bestimmten Position zum Fügen der beiden Partner befinden.
  • Bei den zu fügenden Partnern kann es sich beispielsweise um Partner aus den Werkstoffen Stahl und/oder Aluminium handeln.
  • In einer Ausführungsform können die mindestens zwei Partner eine jeweilige Blechdicke von höchstens 3 mm und eine Gesamtdicke von höchstens 15 mm aufweisen.
  • In einer Ausführungsform kommt das Verfahren beim Laserstrahlschweißen oder beim Laserbohren zum Einsatz.
  • In einer Ausführungsform kommt das Verfahren im Karosserie-Rohbau und/oder in elektrischen Fahrzeug-Batteriesystemen zum Einsatz.
  • 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
    • DE 102019006282 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Ermittlung eines Abstandes (Δt) zwischen mindestens zwei sich überlappenden Fügepartnern (4.1, 4.2) bei einem Bearbeitungsverfahren mittels eines Laserstrahls (L), wobei eine Eindringtiefe des Laserstrahls (L) mittels optischer Kohärenztomografie unter Verwendung eines Messstrahls (M) gemessen wird, womit Höheninformationen in einem sich durch den Laserstrahl (L) bildenden Keyhole (5) und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes (5) ausgewertet werden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Laserparameter (P) des Laserstrahls (L) zeitlich und/oder örtlich variiert wird, so dass der Laserstrahl (L) eine Dicke des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) zeitweise nicht durchdringt und diese in einem weiteren Zeitintervall teilweise oder vollständig durchdringt, wobei ein Abstand (Δt) infolge einer Diskontinuität in einem OCT-Messsignaltiefenverlauf als Differenz aus mindestens einer dem oberen Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe (t1o, t1u) und einer dem unteren Fügepartner zugeordneten Eindringtiefe (t2o) ermittelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Δt) bei bekannter Blechdicke (t1) des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) aus einer Differenz (ΔzFall2) zwischen einer der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners (4.2) zugeordneten Eindringtiefe (t2o) und der Blechdicke (t1) des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) sowie einer der Oberseite des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) zugeordneten Eindringtiefe (t1o) ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (Δt) aus einer Differenz (ΔzFall1) zwischen einer der Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners (4.2) zugeordneten Eindringtiefe (t2o) und einer der Unterseite des mindestens einen oberen Fügepartners (4.1) zugeordneten Eindringtiefe (t1u) ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine variierte Laserparameter eine Leistung, eine Geschwindigkeit oder eine Fokuslage ist und/oder dass die Variation des mindestens einen Laserparameters kontinuierlich oder diskontinuierlich durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mittels optischer Kohärenztomografie eine kontinuierliche oder diskontinuierliche Linien- und/oder Punktmessung ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem oberen Fügepartner (4.1) zugeordneten Eindringtiefen (t1o, t1u) und die dem unteren Fügepartner (4.2) zugeordneten Eindringtiefen (t2o, t2u) aus einer Menge an Rohmessdaten und mithilfe von statistischen Kenngrößen und/oder einer künstlichen Intelligenz ermittelt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Parametrierung des Laserstrahls (L) zur Messung des Abstandes (Δt) in einem Vorprozess und/oder einem nachgelagerten Prozess und/oder während eines Schweißprozesses, insbesondere zu Beginn und/oder am Ende und/oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während eines Schweißprozesses, erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der ermittelte Abstand (Δt) zur Generierung einer Qualitätsaussage und/oder zur Regelung eines lasergeführten Prozesses herangezogen wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Laserprozess um einen Laserschweiß- oder Laserbohrprozess handelt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren im Karosserie-Rohbau und/oder in elektrischen Fahrzeug-Batteriesystemen zum Einsatz kommt.
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