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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Fügespaltes zwischen zwei sich überlappenden Fügepartnern, bei welchem ein Schweißstrahl zur Herstellung einer Schweißverbindung auf einen Überlappungsbereich gerichtet wird und mittels eines OCT-Strahls die Ausbildung eines sich zwischen den Fügepartnern im Überlappungsbereich bildenden Fügespaltes überwacht wird.
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Bei einer Überlappverschweißung von mindestens zwei Fügepartnern ist eine Detektion eines sich zwischen den beiden Fügepartnern eventuell ausbildenden Fügespaltes nicht ohne weiteres möglich. Bei der Verwendung einer Laseroptik, die im Zusammenhang mit einem Laserschweißprozess zur Anwendung kommt, versperrt bei einer Überlappschweißung von zwei Fügepartnern der obenauf liegende Fügepartner den optischen Zugang zum untenliegenden Fügepartner.
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Aus der
DE 10 2021 002 040 A1 ist ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Werkstücks mit einem zweiten Werkstück durch Laserschweißen bekannt. Zur Feststellung eines möglichen Abstandes zwischen den beiden überlappend angeordneten Fügepartnern oder eines Fügespaltes im zu verschweißenden Bereich wird ein OCT (Kohärenztomograf)-Strahl zur Abstandsmessung seitlich ausgelenkt und misst die Lage des unteren Fügepartners in einem nicht überdeckten Bereich außerhalb der Überlappung.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Überwachung eines Fügespaltes zwischen zwei sich überlappenden Fügepartnern anzugeben, bei welchem die Ausbildung des Fügespalts während des Schweißprozesses schnell während des Schweißvorganges ermittelt werden kann.
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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.
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Die Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei dem eingangs erläuterten Verfahren zur Überwachung eines Fügespaltes zwischen zwei sich überlappenden Fügepartnern, bei welchem ein Schweißstrahl zur Herstellung einer Schweißverbindung auf einen Überlappungsbereich gerichtet wird und mittels eines OCT-Strahls die Ausbildung eines sich zwischen den Fügepartnern im Überlappungsbereich bildenden Fügespaltes überwacht wird, wird der OCT-Strahl auf einen mittleren Bereich des Überlappungsbereiches der Fügepartner gerichtet und ein OCT-Signal auf einen Sprung überwacht. Auf Grund von sich beim Schweißprozess in den Fügepartnern ausbildenden Dampfkapillaren kann unmittelbar nach dem Start des Schweißprozesses bei Auftreten eines Sprunges im OCT(Kohärenztomograf)-Signal ein Fügespalt zwischen den Fügepartner ermittelt werden. Weiterhin kann mit der vorgeschlagenen Methode festgestellt werden, wenn Signale direkt zu tief liegen, so dass zunächst kein Signal von dem oben iegenden Fügepartner detektiert wird. Durch die unmittelbare Fehlererkennung können sehr schnell Maßnahmen für den weiteren Verlauf des Schweißprozesses abgeleitet und Fehlschweißungen zuverlässig verhindert werden. Somit wird ein stabiler und reproduzierbarer Schweißprozess ermöglicht. Zur Auswertung der Messungen bzw. des Fügespalts können Methoden der Statistik (beispielsweise Filter, insbesondere Perzentil- und Medianfilter) eingesetzt werden oder durch Mustererkennung mittels Methoden der künstlichen Intelligenz vorgenommen werden.
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Vorteilhafterweise wird aus dem Sprung des OCT-Signals eine Tiefeninformation zur Bestimmung eines Abstandes zwischen den sich überlappenden Fügepartnern ermittelt. Durch Auswertung der Tiefeninformation des OCT-Signals kann auf konstruktiv aufwendige Prüfanordnungen zur Bestimmung des Fügespaltes verzichtet werden.
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In einer Ausgestaltung wird bei Ausbleiben des mindestens einen Sprunges im OCT-Signal auf ein Anliegen der Fügepartner geschlossen. Somit eignet sich das Verfahren insbesondere für Anwendungen, bei denen eine spaltfreie Schweißverbindung gewünscht wird, beispielsweise bei der Ableiterschweißung von Li-lonen-Batterien oder eines Zellspannungsabgriffssensors einer Li-lonen-Batterie oder bei der Schweißung kleiner Nähte im Überlapp, wie Bipolarplatten von Brennstoffzellen, wo auf Grund kurzer Taktzeiten bzw. kurzer Schweißnähte von nur einigen mm Länge eine schnelle Inline-Spalterkennung möglich ist.
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In einer Variante wird bei Erkennung des Anliegens der beiden Fügepartner ein abschließender Schweißvorgang durchgeführt. Dadurch können kurze Taktzeiten im Schweißprozess eingehalten werden.
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In einer Ausführungsform wird das Ausbleiben des Sprungs charakterisierende OCT-Signal als Qualitätsmerkmal ausgegeben und/oder einer Auswertung zugeführt. Dies erlaubt eine Qualitätsprüfung der Schweißverbindung während des Schweißprozesses.
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Es ist von Vorteil, wenn eine Leistung des Schweißstrahles bei Auftreten eines Sprunges in dem OCT-Signal reduziert oder unterbrochen wird. Somit kann der fehlerhafte Schweißvorgang sofort beendet werden, was eine schnelle Korrektur oder ein Aussortieren der fehlerhaften Schweißverbindungen sofort nach deren Auftreten erlaubt. Damit werden Ausschusskosten gesenkt.
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In einer weiteren Ausgestaltung wird bei Auftreten eines Sprunges im OCT-Signal auf eine Fehllage der beiden Fügepartner hingewiesen und/oder der bestimmte Abstand zwischen den beiden Fügepartnern ausgegeben. Bei der Detektion der Fehllage kann der Schweißvorgang sofort abgebrochen und korrigiert werden. Die Ausgabe des detektierten Abstandes ist immer dann von Vorteil, wenn bei einem Schweißvorgang die Einstellung eines Fügespaltes explizit gewünscht ist, wie beispielsweise zur Erzeugung eines Entgasungsspaltes beim Schweißen von verzinken Bauteilen.
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In einer weiteren Variante wird bei Erkennung einer Fehllage der beiden Fügepartner eine erforderliche Lagekorrektur der beiden Fügepartner zueinander angefordert oder angewiesen. Dies ist insbesondere deshalb möglich, da die Abstandsmessung direkt nach Beginn des Schweißvorganges gestartet wird und somit auch schon auf geringfügige Differenzen in der Lage der Fügepartner geschlossen werden kann, die sich zu diesem Zeitpunkt noch korrigieren lassen.
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In einer weiteren Ausführungsform wird die Lagekorrektur in Abhängigkeit von dem ermittelten Abstand vorgeschlagen oder automatisch gesteuert. Das Verfahren kann somit sowohl in Kleinserien wie auch in der Massenproduktion eingesetzt werden.
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Es ist von weiterem Vorteil, wenn eine Intensität des Schweißstrahls während des Schweißvorganges zur Erkennung der Ausbildung des Fügespaltes zwischen den beiden Fügepartnern ausgewertet wird. Die Überwachung der Intensität des Schweißstrahls kann zur Plausibilisierung der Überwachung des Fügespaltes eingesetzt werden, da bei Vorhandensein eines Fügespaltes wesentlich mehr Energie zum Schmelzen des oberen und unteren Fügepartners benötigt wird als bei Vorhandensein eines technischen Nullspaltes.
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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.
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Es zeigen:
- 1 ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens
- 2 Ausführungsbeispiele des Signals des Kohärenztomographen zur Bestimmung des Fügespaltes.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Die Schweißvorrichtung 1 ist zum Verbinden eines ersten Werkstückes 3 mit einem zweiten Werkstück 5, die zueinander überlagert sind, durch Laserschweißen ausgebildet. Die Schweißvorrichtung 1 umfasst eine Laserschweißoptik 7, welche im Betrieb der Schweißvorrichtung 1 einen Laserstrahl 9 auf die beiden vorliegend miteinander überlappend angeordneten Werkstücke 3, 5 richtet oder fokussiert.
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Die Schweißvorrichtung 1 ist mit einem optischen Kohärenztomographen 11 gekoppelt. Dabei ist in der Schweißvorrichtung 1 eine als Scanner ausgebildete Ausgabeeinheit 13 des Kohärenztomographen 11 angeordnet. Die Ausgabeeinheit 13 gibt einen Messstrahl 15 annähernd parallel zum Laserstrahl 9 aus. Die Funktionsweise eines optischen Kohärenztomographen bzw. das Verfahren der optischen Kohärenztomographie (OCToptical coherence tomography) ist an sich bekannt und beispielsweise in der
DE 10 2016 010 508 A1 beschrieben.
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Die optische Kohärenztomographie basiert auf dem Grundprinzip einer Interferenz von Lichtwellen, wobei der auf das Werkstück 3 auftreffende OTC-Messstrahl 15 und ein nicht weiter dargestellter optischer Referenzstrahl ausgewertet werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird auf diese Weise das evtl. Auftreten eines Fügespaltes 17 zwischen den beiden überlappend gelagerten Werkstücken 3, 5 während des Laserschweißvorganges überwacht.
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Dabei wird sich zu Nutze gemacht, dass beim Schweißprozess das obere Werkstück 3 lokal aufgeschmolzen und verdampft wird, wodurch sich eine lokale Dampfkapillare ausbildet. Dieser Prozess läuft in der Größenordnung einer Millisekunde ab. Je geringer der Fügespalt 17 zwischen den beiden Werkstücken 3, 5 ist, um so schneller wird das untere Werkstück 5 nachdem die Dampfkapillare das obere Werkstück 3 durchdrungen haben, ebenfalls aufgeschmolzen und verdampft. Die Wärme des oberen Werkstücks 3 kann durch den Kontakt zwischen den Werkstücken 3, 5 von dem einem in das andere fließen und begünstigt dabei das schnelle Aufbauen von Dampfkapillaren in dem unteren Werkstück 5.
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In 2 sind verschiedene Ausführungsbeispiele des Signals des Kohärenztomographen 11 zur Bestimmung des Fügespaltes 17 gezeigt, welches jeweils die Tiefe der Dampfkapillare über einer Schweißposition verdeutlicht. 2a zeigt das Signal 19, welches bei Vorhandensein eines technischen Nullspaltes zwischen den beiden Werkstücken 3, 5 ausgegeben wird. Bei Ausbleiben eines Fügespaltes 17 zwischen den beiden Werkstücken 3, 5 wird das untere Werkstück 5, unmittelbar nachdem das obere Werkstück 3 von den Dampfkapillaren durchdrungen ist, ebenfalls aufgeschmolzen und verdampft. Die Wärme des oberen Werkstücks 3 kann durch den direkten Kontakt zwischen den beiden Werkstücken 3, 5 von dem einen in das andere fließen und begünstigt dadurch den schnellen Aufbau der Dampfkapillare in dem unteren Werkstück 5. Das von dem Kohärenztomografen 11 ausgewertete Signal verläuft dabei auf einem annähernd gleichen Niveau.
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Befindet sich jedoch zwischen den beiden Werkstücken 3, 5 ein Fügespalt 17, wird das untere Werkstück 5 nicht unmittelbar nach Durchdringen des oberen Werkstücks 3 aufgeschmolzen bzw. verdampft, da der Wärmefluss zwischen beiden Werkstücken 3, 5 durch den Fügespalt 17 gehemmt ist. Der Fügespalt 19 wirkt als Wärmeisolator zwischen den Werkstücken 3, 5. Der Laserstrahl 9 muss das untere Werkstück neu Aufschmelzen und Verdampfen. Infolge der in dem OCT-Signal 19 enthaltenen Tiefeninformation zeigt sich ein Sprung P im OCT-Signal 19. 2b zeigt ein OCT-Signal 19 mit einem Sprung P1 bei einem Fügespalt 17 von ca. 300 µm. Ist der Fügespalt 17 größer, beispielsweise ca. 500 µm, wie es in 2c dargestellt ist, ist der Signalsprung P2 größer als der Sprung P1 in 2b. Diese Signalsprünge P1, P2 sind direkt proportional zu der Größe des Fügespaltes 17.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021002040 A1 [0003]
- DE 102016010508 A1 [0020]
