DE102022002922A1

DE102022002922A1 - Laser-Schweißvorrichtung und Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs

Info

Publication number: DE102022002922A1
Application number: DE102022002922.7A
Authority: DE
Inventors: Dirk Steffens; Michael Stocker
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-08-11
Filing date: 2022-08-11
Publication date: 2022-10-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Laser-Schweißvorrichtung (1), umfassend eine Anlage (2) zur Erzeugung und Weiterleitung eines Bearbeitungs-Laserstrahls (L) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren des Bearbeitungs-Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6), sowie eine OCT-Sensor-Einheit (11) zur optischen Kohärenz-Tomografie zur Bereitstellung eines Messstrahls (M) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6), von wo das Licht des Messstrahls (M) auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe der OCT-Sensor-Einheit (11) eine Einschweißtiefe (-zschw) ermittelbar ist, wobei ein OCT-Scanner (12) vorgesehen ist, mittels dessen der Messstrahl (M) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) lenkbar und auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektierbar ist, wobei der OCT-Scanner (12) gegenüber der Schweißoptik (3) in einer Längsrichtung (x) parallel zu einer Vorschubrichtung (R) verstellbar ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laser-Schweißvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
Beim Laserstrahltiefschweißen neigt sich eine sich ausbildende Dampfkapillare mit zunehmenden Schweißgeschwindigkeiten entgegen einer Strahlvorschubbewegung, sodass eine tatsächliche Einschweißtiefe über Messstrahlen mit aktuell verfügbarer Technik nicht zu bestimmen ist. Der Messstrahl trifft bei höheren Geschwindigkeiten lediglich an der Kapillarfront auf und nicht am Kapillargrund, welcher die Einschweißtiefe letztlich festlegt.
EP 3 049 755 B1 beschreibt ein Verfahren zum Messen der Eindringtiefe eines Laserstrahls in ein Werkstück, umfassend die folgenden Schritte:

a) Fokussieren des Laserstrahls in einem Brennfleck mit Hilfe einer in einem Bearbeitungskopf angeordneten Fokussieroptik, wodurch der Brennfleck in dem Werkstück eine Dampfkapillare erzeugt;
b) Erzeugen eines ersten Messstrahls und eines zweiten Messstrahls mit einem optischen Kohärenz-Tomografen;
c) Richten des ersten Messstrahls auf einen stationären ersten Messpunkt in der Dampfkapillare, um dadurch einen ersten Abstand zwischen einem Referenzpunkt und dem ersten Messpunkt zu messen;
d) Gleichzeitig mit Schritt c) Richten des zweiten Messstrahls auf einen zweiten Messpunkt auf einer zum Bearbeitungskopf weisenden Oberfläche des Werkstücks außerhalb des Dampfkapillare, um dadurch einen zweiten Abstand zwischen dem Referenzpunkt und dem zweiten Messpunkt zu messen;
e) Bestimmen der Eindringtiefe des Laserstrahls aus dem ersten Abstand und dem zweiten Abstand;

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Laser-Schweißvorrichtung und ein neuartiges Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Laser-Schweißvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mit den Merkmalen des Anspruchs 3.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine erfindungsgemäß Laser-Schweißvorrichtung umfasst eine Anlage zur Erzeugung und Weiterleitung eines Bearbeitungs-Laserstrahls und eine Schweißoptik zum Fokussieren des Bearbeitungs-Laserstrahls in einer Hochrichtung auf einem zu schweißenden Bauteil, sowie eine OCT-Sensor-Einheit zur optischen Kohärenz-Tomografie zur Bereitstellung eines Messstrahls durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils, von wo das Licht des Messstrahls auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe der OCT-Sensor-Einheit eine Einschweißtiefe ermittelbar ist, wobei ein OCT-Scanner vorgesehen ist, mittels dessen der Messstrahl durch die Schweißoptik hindurch in Richtung des Bauteils lenkbar und auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit zurück reflektierbar ist. Erfindungsgemäß ist der OCT-Scanner gegenüber der Schweißoptik in einer Längsrichtung parallel zu einer Vorschubrichtung verstellbar.
Durch die Verschiebung kann ein Neigungswinkel des Messstrahls zu einer Öffnung einer durch den Bearbeitungs-Laserstrahl verursachten Dampfkapillare im Bauteil verändert werden, sodass der Messstrahl je nach dessen Auslenkung und der Neigung der Dampfkapillare bis auf deren Kapillargrund gerichtet wird und so die reelle Einschweißtiefe bestimmt wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht, reelle Einschweißtiefen beim Laserstrahlschweißen bei höheren Geschwindigkeiten (zum Beispiel mehr als 5 m/min) zu bestimmen. Auf diese Weise können ein prozesssicheres Einschweißen zu definierten Tiefen an Bauteilen sowie eine verbesserte Schweißqualität und deren Kontrolle sichergestellt werden. Das erfindungsgemäße flexible Scannersystem des Messstrahls ermöglicht Anpassungen im Prozess unabhängig von Geschwindigkeit, Werkstoff und Einschweißtiefe. Die erfindungsgemäße Lösung ist bei allen verschweißbaren Werkstoffen und -kombinationen anwendbar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:

1 eine schematische Ansicht einer Laser-Schweißvorrichtung.

1 ist eine schematische Ansicht einer Laser-Schweißvorrichtung 1, umfassend eine Anlage 2 zur Erzeugung und Weiterleitung einesn Bearbeitungs-Laserstrahls L und eine Schweißoptik 3, umfassend einen halbdurchlässigen Spiegel 4 zum Reflektieren des Bearbeitungs-Laserstrahls L in Richtung eines zu schweißenden Bauteils 6 und ein optisches Element 7, beispielsweise eine Linse, zum Fokussieren des Bearbeitungs-Laserstrahls L in einer Hochrichtung z auf dem Bauteil 6. Des Weiteren sind eine OCT-Sensor-Einheit 11 und ein OCT-Scanner 12 zur optischen Kohärenz-Tomografie vorgesehen. Der OCT-Scanner 12 lenkt einen Messstrahl M von der OCT-Sensor-Einheit 11 durch den halbdurchlässigen Spiegel 4 und das optische Element 7 hindurch in Richtung des Bauteils 6, von wo das Licht des Messstrahls M auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit 11 zurück reflektiert wird. Die Position des OCT-Scanners 12 gegenüber der Schweißoptik 3 ist in einer Längsrichtung x verstellbar. Beispielsweise kann der OCT-Scanner 12 in einer ersten Position P1 koaxial derart zur Schweißoptik 3 ausgerichtet sein, dass ein Punkt des OCT-Scanners 12, an dem das Licht der OCT-Sensor-Einheit 11 auftrifft oder seinen Mittelpunkt hat, in einer Verlängerung der optischen Achse des optischen Elements 7 liegt. Der OCT-Scanner 12 kann ferner in ein oder mehrere andere Positionen in Längsrichtung x, das heißt parallel zu einer Vorschubrichtung R, verschoben werden, beispielsweise in eine zweite Position P2, um einen Messwinkel zu vergrößern.
Beim Schweißen entsteht im Bauteil 6 eine Dampfkapillare 13, die insbesondere bei hohen Schweißgeschwindigkeiten entgegen der Vorschubrichtung R des Bearbeitungs-Laserstrahls L geneigt ist, sodass eine tatsächliche Einschweißtiefe -z_schw mit dem OCT-Scanner 12 in der ersten Position P1 nicht zu bestimmen ist. Der Messstrahl M trifft bei höheren Geschwindigkeiten lediglich an der Kapillarfront 13.1 und nicht am Kapillargrund 13.2 auf, welcher die Einschweißtiefe -z_schw definiert. Der OCT-Scanner 12 ermittelt so eine Messtiefe -z_mess, die von der Einschweißtiefe -z_schw abweicht.
In der zweiten Position P2 ist der Messstrahl M der OCT-Sensor-Einheit 11 nicht mehr koaxial zum Bearbeitungs-Laserstrahl L.
In einer weiteren Ausführungsform ist auch eine Verschiebung des OCT-Scanners 12 in eine Querrichtung y, das heißt eine laterale Auslenkung relativ zum Bearbeitungs-Laserstrahl L, möglich.
Durch die Verschiebung wird ein Neigungswinkel des Messstrahls M zu einer Öffnung 13.3 der Dampfkapillare 13 verändert, sodass der Messstrahl M je nach dessen Auslenkung und der Neigung der Dampfkapillare 13 bis auf den Kapillargrund 13.2 gerichtet werden kann und so die reelle Einschweißtiefe -z_schw bestimmbar wird.
Die Neigung der Dampfkapillare 13 ist u. a. abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungs-Laserstrahls L, einem (Fokus-)Durchmesser des Bearbeitungs-Laserstrahls (L), der Einschweißtiefe -z_schw sowie den zu verschweißenden Werkstoffen und kann jeweils im Prozess durch Abrastern mittels des flexibel beweglichen OCT-Scanners 12 des Messstrahls M angepasst werden.
Der von der OCT-Sensor-Einheit 11 emittierte Messstrahl M kann ebenfalls als Laserlicht vorliegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3049755 B1 [0003]

Claims

Laser-Schweißvorrichtung (1), umfassend eine Anlage (2) zur Erzeugung und Weiterleitung eines Bearbeitungs-Laserstrahles (L) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren des Bearbeitungs-Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6), sowie eine OCT-Sensor-Einheit (11) zur optischen Kohärenz-Tomografie zur Bereitstellung eines Messstrahls (M) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6), von wo das Licht des Messstrahls (M) auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe der OCT-Sensor-Einheit (11) eine Einschweißtiefe (z_schw) ermittelbar, wobei ein OCT-Scanner (12) vorgesehen ist, mittels dessen der Messstrahl (M) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) lenkbar und auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der OCT-Scanner (12) gegenüber der Schweißoptik (3) in einer Längsrichtung (x) parallel zu einer Vorschubrichtung (R) verstellbar ist.
Laser-Schweißvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der OCT-Scanner (12) gegenüber der Schweißoptik (3) ferner in einer Querrichtung (y) quer zur Vorschubrichtung (R) verstellbar ist.
Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs mittels optischer Kohärenz-Tomografie, wobei eine Anlage (2) zur Erzeugung und Weiterleitung eines Bearbeitungs-Laserstrahls (L) und eine Schweißoptik (3) zum Fokussieren des Bearbeitungs-Laserstrahls (L) in einer Hochrichtung (z) auf einem zu schweißenden Bauteil (6) bereitgestellt werden, wobei ein Messstrahl (M) von einer OCT-Sensor-Einheit (11) zur optischen Kohärenz-Tomografie durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt wird, von wo das Licht des Messstrahls (M) auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektiert wird, wobei mit Hilfe der OCT-Sensor-Einheit (11) eine Einschweißtiefe (-z_schw) ermittelt wird, wobei der Messstrahl (M) mittels eines OCT-Scanners (12) durch die Schweißoptik (3) hindurch in Richtung des Bauteils (6) gelenkt und auf gleichem Wege in die OCT-Sensor-Einheit (11) zurück reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Position des OCT-Scanners (12) gegenüber der Schweißoptik (3) in einer Längsrichtung (x) parallel zu einer Vorschubrichtung (R) verschoben wird, wobei durch die Verschiebung ein Neigungswinkel des Messstrahls (M) zu einer Öffnung (13.3) einer durch den Bearbeitungs-Laserstrahl (L) verursachten Dampfkapillare (13) im Bauteil (6) verändert wird, sodass der Messstrahl (M) je nach dessen Auslenkung und der Neigung der Dampfkapillare (13) bis auf deren Kapillargrund (13.2) gerichtet wird und so die reelle Einschweißtiefe (-z_schw) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Neigungswinkel des Messstrahls (M) abhängig von einer Vorschubgeschwindigkeit des Bearbeitungs-Laserstrahls (L), eines (Fokus-) Durchmessers des Bearbeitungs-Laserstrahls (L), der Einschweißtiefe (-z_schw) sowie den zu verschweißenden Werkstoffen und damit von der Neigung der Dampfkapillare (13) verstellt wird.