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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerdetektion bei Laserbearbeitungsprozessen, wobei der Laserbearbeitungsprozess ein Laserpunktschweißen ist, wobei Prozesseigenschaften während des Prozesses mittels einer Kamera erfasst werden.
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Stand der Technik
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Bei Laserbearbeitungsprozessen, wie beim Laserschweißen, -bohren oder Laserschneiden, wird mittels eines fokussierten Laserstrahls Energie in das Werkstück eingebracht, dieses lokal aufgeschmolzen sowie teilweise auch verdampft. Sowohl während des Prozesses als auch danach kühlt der aufgeschmolzene Werkstoff ab, sobald er der Energiezufuhr entzogen wird.
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Vor allem beim Lasertiefschweißen und bei Punktschweißungen handelt es sich um hochdynamische Prozesse. Damit verbunden sind eine Vielzahl von Prozessinstabilitäten, die Fehler am Bauteil nach sich ziehen können. Derartige Fehler können sein:
Poren, Lunker und Löcher in der Schweißnaht: Für das Produkt ergeben sich daraus Qualitätsnachteile, wie z. B. eine geringere Festigkeit der Schweißnaht aufgrund des fehlenden Materials oder Undichtigkeit aufgrund eines Loches in der Schweißnaht.
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Spritzer: Diese können eine Verunreinigung der Umgebung darstellen, die Dichtflächen unbrauchbar macht oder zu elektrischen Kurzschlüssen führt. Falls sich anhaftende Spritzer im eingebauten Zustand vom Bauteil lösen, sind Folgeschäden an anderer Stelle möglich. Zudem korrelieren Spritzer häufig mit Materialverlust und damit mit Poren oder Löchern.
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Abbrand: Dies sind Schmauchspuren um die Schweißung herum, die ein Hinweis auf eine ungenügende Aufschmelzung der Fügepartner oder einen unzureichenden Anbindequerschnitt geben.
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Eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen ist aus der
DE 197 16 293 A1 bekannt. Hier wird als Prozesseigenschaft die Geometrie des beim Schweißprozess gebildeten Schmelzbades mittels einer Kamera detektiert, wobei die Kamera an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen ist, um die erfassten Daten auszuwerten. Länge, Fläche und weitere Geometrieparameter des beim Aufschmelzen des Werkstücks entstehenden Schmelzbades werden bestimmt und hieraus verschiedene Schweißparameter über abgespeicherte Referenzfunktionen berechnet. Zu diesen Schweißparametern gehören die Einschweißtiefe, die Fokuslage, das Entstehen von Spritzern sowie die Nahtlage oder der Spaltversatz. Zur Bestimmung und Regelung der genannten Schweißparameter ist eine exakte Analyse des Schweißbades notwendig, was einen hohen Rechenaufwand erforderlich macht. In der Praxis besitzen die Schweißbäder nur selten eine derart klar umrissene Kontur, dass hieraus die genannten Schweißparameter mit hoher Genauigkeit bestimmbar wären.
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Ein weiterer Nachteil beim Vorgehen gemäss der genannten
DE 197 16 293 A1 ist die Notwendigkeit eines Modells, das zuvor durch Referenzmessungen abgesichert und abgespeichert werden muss. Alle genannten Schweißparameter werden über den Umweg dieses Modells berechnet, so dass Fehler beim aufgestellten Modell zu einer falschen Bestimmung der Schweißparameter führen, ohne dass eine unmittelbare Korrektur möglich wäre. Schließlich gestatten die in der Praxis auftretenden Konturen der Schweißbäder keine exakte Regelung von Nahtlage oder Spaltversatz der zu schweißenden Bauteile.
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Die
EP 1 099 506 A1 offenbart eine optische Erfassung von Schweißparametern, wobei zur gleichzeitigen Erfassung mehrerer Prozessparameter ein optischer Sensor mit vergrößertem Dynamikbereich und freier Wählbarkeit von Bildausschnitten in Form eines COMS-Sensors verwendet wird. Ein vergleichbares Verfahren ist auch in der nachveröffentlichten
DE 101 03 255 A1 offenbart.
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Die nachveröffentlichte
DE 102 22 786 A1 offenbart ein Verfahren zur Positionierung von Werkstücken vor und/oder während Laserbearbeitungsprozessen, wobei Prozesseigenschaften mittels eines Kamera erfasst werden, und schlägt vor, zumindest einen Teil des Werkstücks direkt mit einer Kamera zu erfassen und aus diesem Bild die Position des Werkstücks zu bestimmen und/oder zu regeln. Hierzu wird die Verwendung einer CMOS-Kamera vorgeschlagen.
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Die
US 5,659,479 schlägt zur Prozessüberwachung die Verwendung einer CCD-Kamera vor.
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Aus dem Artikel „Analyse thermografischer Bilddaten zur On-Line-Überwachung von Laserstrahlschweißprozessen”, Schweißen und Schneiden 46, 1994, Heft 12, Seiten 622–625 ist es bekannt, während eines Laserschweißprozesses ein Thermogramm aufzunehmen und dieses mit Musterdaten zu vergleichen, um zu bewerten, ob eine gute Schweißnaht erstellt wird.
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Aus der Konferenzverhandlung „8th Nolamp Conference, 8th Nordic Conference on Laser Materials Processing” 13.–15.8.2001, Vol. II, Technical University of Denmark, S. 399–408, ist bekannt, während eines Schweißvorgangs ein thermographisches Bild des Schweißflecks und der Umgebung auszuwerten.
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Die mit den oben behandelten Vorrichtungen mögliche Detektion von Spritzern bei Laserbearbeitungsprozessen ist jedoch noch nicht ausreichend, um alle Fehler zuverlässig unter Fertigungsbedingungen zu erkennen. Alle, die Qualität des bearbeiteten Bauteils beeinträchtigenden Fehler, insbesondere die eingangs genannten, müssen mit großer Zuverlässigkeit während oder unmittelbar nach dem Laserbearbeitungsprozess erkannt werden, so dass fehlerhafte Bauteile ausgegliedert werden können.
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Es besteht ein Bedürfnis, derartige Fehler zuverlässig und nach Möglichkeit automatisch zu detektieren.
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Vorteile der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 vorgeschlagen. Hierbei wird mittels derselben Kamera, die während des Laserbearbeitungsprozesses, der ein Laserpunktschweißen ist, Prozesseigenschaften erfasst, die Wärmestrahlung wenigstens eines Teils des Werkstücks nach dem Laserbearbeitungsprozeß thermographisch erfasst, und anhand der erfaßten Bilder werden auftretende Fehler detektiert.
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Es hat sich gezeigt, dass mittels dieser Form der thermographischen Erfassung auf Fehler beim Laserbearbeitungsprozess geschlossen werden kann. Erfindungsgemäß erlaubt die thermographische Erfassung des Abkühlverhaltens nach dem Laserschweißprozess Rückschlüsse auf Fehler in der Schweißnaht, wie etwa Poren, Löcher und Anbindefehler.
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Nach dem Laserpunktschweißprozess kühlt das Bauteil über verschiedene Mechanismen ab. Die drei wesentlichen sind Wärmeleitung innerhalb des Werkstücks, Wärmestrahlung und Konvektion über Luftströmungen. Die Wärmestrahlung lässt sich mittels auf dem Markt erhältlicher Thermokameras räumlich und zeitlich aufgelöst beobachten. Die Auflösung im Temperaturbereich liegt zwar im Bereich einiger mK, jedoch ist die zeitliche Auflösung bei der Bildaufnahme in der Regel zu gering, um eine Auswertung hinsichtlich auftretender Fehler zu gestatten. Thermokamerasysteme mit hohen Bildaufnahmeraten sind teuer. Als weiterer Nachteil erweist sich, dass es mit Standard-Thermokamerasystemen nicht möglich ist, den Laserschweißprozess selbst zu überwachen.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb vorzugsweise eine CMOS-Kamera sowohl zur Prozessüberwachung als auch zur thermographischen Erfassung eines Werkstücks nach einem Laserbearbeitungsprozess verwendet.
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Der Sensor einer solchen CMOS-Kamera ist aus Silizium und damit im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 1,1 μm sensitiv. Damit ist es möglich, mit diesem Sensor Temperaturen von geschmolzenem und erstarrendem Metall relativ zu messen. Im vorliegenden Anwendungsfall ist die Temperaturauflösung der CMOS-Kamera zur Fehlerdetektion ausreichend. Vorteilhaft ist insbesondere die höhere Aufnahme- und Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie die höhere Helligkeitsdynamik, so dass sich die CMOS-Kamera auch zur Prozessüberwachung eignet.
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Die (logarithmische) CMOS-Kamera kann, je nach Modell, ein Vielfaches mehr als die in der EU oder USA gewöhnlichen 25 bzw. 30 Vollbilder pro Sekunde aufnehmen. Als CMOS-Kamera ermöglicht sie den wahlfreien Zugriff auf Unterbereiche des Flächensensors. Dadurch werden entsprechend der kleineren Bildpunkteanzahl weniger Daten ausgelesen. Bei einer gleichbleibenden Datenübertragungsgeschwindigkeit bedeutet dies, dass infolgedessen mehr solcher Teilbilder übertragen werden können. So sind Bildraten von bis zu 8000 Teilbildern pro Sekunde realisierbar. Zusätzlich wird die Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, indem nur der Bereich ausgelesen wird, der auch Informationen enthält, so dass die Bildverarbeitung nicht mehr diesen sogenannten „area of interest” selbst finden muß.
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Die CMOS-Kamera mit logarithmischer Empfindlichkeit besitzt zudem eine höhere Helligkeitsdynamik als gewöhnliche Kameras. Signale hoher Leuchtdichte werden stärker gedämpft als weniger helle. Somit werden Überstrahlungseffekte, wie sie beispielsweise bei CCD-Kameras auftreten, vermieden. Innerhalb der beispielsweise 1024 möglichen Helligkeitsstufen kann eine wesentlich größere Helligkeitsdynamik erzielt werden. Signale geringerer Leuchtdichte werden stärker differenziert erfasst.
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Die CMOS-Kamera erlaubt somit den idealen Einsatz zur Online-Prozeßüberwachung als auch zur Fehlerdetektion mittels thermographischer Erfassung nach dem eigentlichen Bearbeitungsprozess.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Kamera Wärmestrahlung im nahen Infrarot, vorzugsweise im Bereich von 725 bis 1050 und/oder 850 bis 1100 nm erfasst. Die genannten Bereiche lassen sich beispielsweise durch Vorschalten geeigneter Filter auswählen.
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Insbesondere das Abkühlverhalten der Werkstücke im bearbeiteten Bereich erlaubt einen guten Rückschluss auf mögliche Fehler während des Bearbeitungsprozesses, insbesondere beim Laserschweißen. Unterschiedlich schnell abkühlende Bereiche oder Bereiche zu geringen oder ganz fehlenden Wärmetransports können Hinweise auf Fehler geben.
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Zur vollautomatischen Fehlerdetektion werden vorzugsweise die erfaßten Bilder mittels Bildverarbeitung ausgewertet.
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Figuren
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Im folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert werden.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Online-Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen und zur thermographischen Fehlererfassung in schematischer Darstellung.
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2 zeigt eine Prinzipdarstellung der Kontaktschweißung.
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3 zeigt Werkstückaufnahmen nach Bildbearbeitung mit fehlerfreier (3A) und fehlerhafter (3B) Schweißung.
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Vorteilhafte Ausführungsformen
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Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 wird zur Online-Prozeßüberwachung beim Laserpunktschweißen eingesetzt und weist einen Bearbeitungskopf 2 sowie eine Kamera 4, vorteilhafterweise eine logarithmische CMOS-Kamera, auf. Das zu bearbeitende Werkstück ist mit 3 gekennzeichnet. In 1 sind die optischen Strahlengänge mit eingezeichnet.
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Der Laserstrahl gelangt über einen Lichtwellenleiter LWL in den Zuführzweig 2.2, in dem sich eine Kollimationslinse 2.21 befindet, und wird über einen an dessen Ende angeordneten Strahlteiler 2.4 in den Bearbeitungszweig 2.1 des Bearbeitungskopfs 2 geführt. Der Bearbeitungszweig 2.1 weist eine Fokussierlinse 2.11 und ein Schutzglas 2.12 auf. Die Fokussierlinse 2.11 fokussiert den Laserstrahl auf das Werkstück 3, wo beispielsweise zwei Bauteile miteinander verschweißt werden.
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Zur Beobachtung des Laserbearbeitungsprozesses werden der Beobachtungszweig 2.3 sowie die Kamera 4 verwendet, die ihrerseits über eine Anschlussleitung 6, beispielsweise einen Duplex-Lichtwellenleiter, mit einer Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines Bildverarbeitungs-PCs verbunden ist.
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Vom Werkstück 3 ausgehende Strahlung, die beispielsweise während des Schweißprozesses entsteht, gelangt über den Bearbeitungszweig 2.1 und den Strahlteiler 2.4 in den Beobachtungszweig 2.3, in dem ein Filter 2.31 und eine Linse 2.32 angeordnet sind, und von dort auf den Bildsensor 4.1 der Kamera 4. Die elektronischen Bildsignale des Bildsensors 4.1 werden über die Anschlussleitung 6 der Bildverarbeitungseinrichtung 5 zur Weiterverarbeitung zugeführt.
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Im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beobachtet die (logarithmische CMOS-)Kamera 4 einen Laserschweißprozeß auf der Achse des Laserstrahls, wobei der hierzu vorhandene Strahlteiler 2.4 die Wellenlänge des Laserstrahls reflektiert, hingegen für andere Wellenlängen durchlässig ist. Auf diese Weise kann z. B. das vom Prozeß ausgestrahlte Licht durch den Strahlteiler 2.4 hindurch auf den Bildsensor 4.1 fallen.
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Durch das Zusammenwirken der Kennlinien des Filters 2.31 sowie des Bildsensors 4.1 können beispielsweise Schweißspritzer, die zu Schweißfehlern führen können, detektiert werden. Derartige Schweißspritzer weisen in einem bestimmten Wellenlängenbereich hohe Strahldichtewerte auf. Die eingesetzte CMOS-Kamera ermöglicht auch eine hohe zeitliche Auflösung des Schweißvorgangs, was insbesondere bei Kurzzeitereignissen wie Schweißspritzern von Vorteil ist. Die dargestellte Vorrichtung 1 erlaubt eine Online-Prozeßüberwachung mit hoher Dynamik hinsichtlich der Strahldichte und Aufnahmegeschwindigkeit.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr mit der Kamera 4 die Wärmestrahlung des Werkstücks 3 (oder zumindest eines Abschnittes dieses Werkstücks 3) thermographisch erfasst.
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Dies erfolgt erfindungsgemäß nach dem Laserbearbeitungsprozesses. Hierbei wirderfindungsgemäß das Abkühlverhalten eines Werkstücks nach der Laserbearbeitung verfolgt werden. Wesentlich für die erfindungsgemäße thermographische Erfassung durch den Bildsensor 4.1 ist, dass der Filter 2.31 für das interessierende Spektrum der Wärmestrahlung durchlässig ist, und dass der Bildsensor 4.1 in diesem Bereich sensitiv ist. Mittels der nachgeschalteten Bildverarbeitungsanlage 5 können die aufgenommenen thermographischen Bilder auf Fehler beim Laserbearbeitungsprozeß hin ausgewertet werden.
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2 zeigt eine systematische Prinzipdarstellung der Kontaktschweißung mittels einer Vorrichtung zum Laserschweißen, wie sie beispielsweise in 1 dargestellt wurde. Ein Flachstecker 8 und ein Pin 9 sollen zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes miteinander verschweißt werden (2A). Durch die Laserpunktschweißung wird der Pin aufgeschmolzen, wobei die Schmelze einen Teil des Flachsteckers 8 bedeckt, sodass nach Abkühlung die Schmelze 10 eine Stecker-Pin-Verbindung herstellt (2B).
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Im folgenden sei anhand der 3 der Einsatz der Thermographie für die Fehlerdetektion beispielhaft erläutert. Es handelt sich bei diesem Beispiel um eine Punktschweißung mit einer Pulsdauer von 20 Millisekunden an der Stecker-Pin-Verbindung der Common Rail (CR) Magnetspule. Die Beobachtung des Schweißprozesses selbst erfolgt mit derselben Kamera 4, ist jedoch hier nicht Gegenstand weiterer Ausführungen. Statt dessen ist hier nur der sich anschließende Abkühlvorgang beschrieben. Sowohl das Schweißverfahren als auch der Abkühlvorgang geschehen sehr schnell, so dass das Bildverarbeitungssystem den Prozeß und die Abkühlung ebenfalls sehr schnell, in diesem Beispiel mit mehr als 1000 Bildern pro Sekunde, erfassen muß.
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2B zeigt die Prinzipdarstellung einer visuellen Aufnahme einer schon geschweißten und abgekühlten Stecker-Pin-Verbindung. Der Pin 9 ist fast vollständig abgeschmolzen und nimmt die Mitte des Bildes ein. Die Fahne des Steckers 8 ist im Hintergrund oben mit der trapezförmigen Kontur zu erkennen. Der Schweißvorgang war folglich fehlerfrei.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Aufnahme von Wärmebildern während des Abkühlvorgangs nach dem Laserschweißen. Die Wärmebilder sind Einzelbilder aus der Abkühlsequenz. Zur Auswertung kann beispielsweise eine Bildsequenz aus etwa 20 Bildern herangezogen werden (Messung des schrittweisen Abkühlverhaltens). Die erhaltenen Wärmebilder werden vorteilhafterweise einer Bildverarbeitung unterzogen, deren Ergebnisse die 3A und 3B zeigen.
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In 3B ist ein Abkühlvorgang dargestellt, wie er für eine gute Schweißverbindung typisch ist. Durch die gute Anbindung existiert eine gute Wärmeleitung von Pin 9 zur Fahne des Steckers 8. Da im Schweißprozess hauptsächlich der Pin 9 die Laserenergie absorbiert, wandert nach dem Prozeß die Wärme vom Pin in die Fahne. In der thermographischen Aufnahme ist dies durch das Leuchten des Fahnenendes im oberen Bildteil zu erkennen. Des weiteren ist anhand der Grauwertunterschiede im Wärmebild sehr gut die Form des Schweißpunktes zu erkennen und kann über eine Messung als Kenngröße (gestrichelter Abschnitt in 3A) zur Beurteilung der Qualität herangezogen werden. Als weitere Kenngröße kann der zeitliche Verlauf der Abkühlung in jedem Pixel herangezogen werden.
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Beispielsweise kann ein Abbrand detektiert werden. Ein heller vom Schweißpunkt wegführende Strahl wird durch heiße Gase verursacht, die zwischen Pin und Fahne entweichen. Durch den Dampfdruck wird die darüber liegende Schmelze weggedrückt, wie eine Einbuchtung des birnenförmigen, hellen Schweißpunktes (vgl. 3B) verdeutlicht. Eine schmale, obere Ausbuchtung des Schweißpunktes zeigt, dass die Anbindung von Pin zu Fahne nur ungenügend ist. Es findet kein Wärmetransport von Pin in die Fahne statt. Im zeitlichen Verlauf bleibt der Pin länger warm bzw. hell und die Fahne kalt bzw. dunkel.
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In 3B ist schließlich gar keine Anbindung vorhanden. Der Pin ist kugelförmig abgeschmolzen und reflektiert sich an der dahinterliegenden Fahne. Aufgrund der fehlenden Anbindung findet kein Wärmetransport statt. Im zeitlichen Verlauf bleibt der Pin länger warm bzw. hell und die Fahne kalt bzw. dunkel.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mit dem in 1 dargestellten System zusätzlich zur Detektion von Spritzern oder anderen Prozesseigenschaften beim Laserpunktschweißen jetzt auch Poren, Abbrände und andere Anbindefehler erkannt werden.
