DE10255497B4 - Method and apparatus for controlling laser power parameters during laser spot welding - Google Patents

Method and apparatus for controlling laser power parameters during laser spot welding

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DE10255497B4 DE2002155497 DE10255497A DE10255497B4 DE 10255497 B4 DE10255497 B4 DE 10255497B4 DE 2002155497 DE2002155497 DE 2002155497 DE 10255497 A DE10255497 A DE 10255497A DE 10255497 B4 DE10255497 B4 DE 10255497B4
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Abstract

Verfahren zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: A method for controlling laser power parameters during laser beam spot welding in particular of conductive reflective materials, characterized by the following process steps:
– Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle (6) mit einem Laser-Messstrahl (2) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl (2), - loading of the respective spot welding point (6) with a laser measurement beam (2) of the same wavelength as the welding beam (2),
– Erfassung der in der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Reflexion (R) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes (U ON ), - detecting the reflection in the laser beam axis (A) occurring (R) of the measurement beam (2) at the welding point (6) and determining a representative thereof reflection value (U ON),
– Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Streuung (S) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes (U OFF ), - detection of the scattering outside the laser beam axis (A) occurring (S) of the measurement beam (2) at the welding point (6) and determining a representative thereof scattering value (U OFF),
– Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle (6) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U ON ) und dem Streuwert (U OFF ), und – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle (6) auf einen oder mehrere Parameterwerte (P H , τ H ) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten. - determining a for surface condition of the respective spot weld (6) significant characteristic value (Q) from the reflectance value (U ON) and the dispersion value (U OFF), and - controlling a laser power parameter for the spot welding at the respective spot weld (6) one or more parameter values (P H, H τ) as a function of the characteristic value (Q) according to a predetermined mapping between these two values.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien. The invention relates to a method and apparatus for controlling laser power parameters during laser beam spot welding in particular of conductive reflective materials.
  • Zum Hintergrund der Erfindung ist auf die zunehmende Miniaturisierung der Fügezone beispielsweise bei der Verschweißung von elektronischen Bauelementen auf Leiterbahnen zu verweisen. The background of the invention is to refer to the increasing miniaturization of the joint zone, for example, during welding of electronic components on printed conductors. Viele in der Elektronikproduktion eingesetzte Materialien sind für die Laserbearbeitung nur wenig geeignet, da aufgrund der Geometrie der Fügezonen, wegen der verwendeten Materialpaarungen etc. Fügesituationen entstehen, bei denen das sogenannte Prozessfenster sehr klein ist. Many materials used in electronics production are poorly suited for laser processing, since due to the geometry of the joining zones, because of the used material pairings etc. Include situations arise in which the so-called process window is very small. Ein Beispiel hierfür bildet die Cu-Leadframe-Montage, bei der ein Laserstrahl-Mikroschweißen als Verbindungsprozess zwar grundsätzlich in Frage kommt. An example of this is the Cu lead frame assembly, in which a laser beam micro-welding is in principle as the connection process in question. Eine Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung konnte dabei jedoch bisher nur über Inline-Überwachung oder Einstellung prozessrelevanter Einflussgrößen und die Applikation einer komplexen Leistungsregelung erfolgen. A ensure reproducibility of the joint was doing but only on-line monitoring or adjustment of process-relevant parameters and the application of a complex power control so far.
  • Aus der From the DE 195 22 493 A1 DE 195 22 493 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung einer gewünschten Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahls in ein Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei dem die Bearbeitungsstelle mit einem Messlaserstrahl beaufschlagt wird. discloses a method for determining the instantaneous and achieving a desired penetration depth of a laser beam machining into a workpiece and a device for carrying out this method, in which the processing station is acted upon with a measuring laser beam. Mittels eines Sensors wird zudem eine in der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls an der Schweißstelle erfasst und ein dafür repräsentativer Reflexionswert bestimmt. Means of a sensor also occurring in the laser-beam axis reflection of the measuring beam is detected at the welding point, and a representative for reflection value determined. Ferner wird mittels eines Sensors eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls detektiert. Further, occurring outside the laser beam axis reflection of the measuring beam is detected by a sensor.
  • Die JP 06-099 292 A bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung, bei der eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Streustrahlung erfasst wird. JP 06-099292 A relates to a method and apparatus for laser machining in which an occurring external to the laser-beam axis scattered radiation is detected. Jedoch wird diese Messgröße dazu verwendet, um einen Schmelzbeginn an der Bearbeitungsstelle zu detektieren. However, this measure is used to detect an onset of melting at the processing site.
  • Ein Lösungsansatz zur eingangs erörterten Problematik ist in dem Fachartikel Hoving, W.: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. One approach to the initially discussed problems in the technical article Hoving, W .: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. In: Geiger, M.; In: Geiger, M .; Otto, A. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik (Tagungsband: LEF'99), Bamberg: Meisenbach, 1999. 19 – 21 angegeben. (Eds.) Otto, A.: Laser in electronics production and precision engineering (Proceedings: LEF'99), Bamberg: Meisenbach, 1999. 19 - indicated 21st Die dort vorgestellte Methode hat sich jedoch nicht als ausreichend prozesssicher erwiesen. The method presented here, however, has not proven to be sufficiently reliable process. Speziell beim Fügen von Kupfermaterialien ändert sich das Absorptionsverhalten bei der Erwärmung durch die Ausbildung von Oxidschichten auf der Kupfer-Oberfläche stark. Especially when joining copper materials, the absorption behavior changes greatly when heated by the formation of oxide layers on the copper surface. Dies bedingt einen extrem von der Oberfläche abhängigen und damit schlecht reproduzierba ren Energieeintrag pro Laserpuls, was zu signifikanten Prozessschwankungen führt. This extremely dependent on the surface and thus bad reproduzierba ren of energy per laser pulse, which results due to significant process variations. Damit kann die bei industriellen Fertigungsprozessen geforderte Zuverlässigkeit nicht erreicht werden. So that the required in industrial manufacturing processes reliability can not be achieved.
  • Aus den Fachartikeln von Lim, DC; From the professional articles by Lim, DC; Gweon, DG: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. Gweon, DG: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using at infrared sensor - Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (Hrsg.): Proc. In: IMechE (ed.): Proc. Instn. Instn. Mech. Engrs. Engrs Mech.. – Volume 213, 1999. 41 – 49 und Lim, D. C; - Volume 213, 1999. 41-49 and Lim, D. C; Gweon, DG: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 2: quality estimation using an artifical neural network. Gweon, DG: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using at infrared sensor - Part 2: quality estimation using on artifical neural network. In: ImechE (Hrsg.): Proc. In: IMechE (ed.): Proc. Instn. Instn. Mech. Engrs. Engrs Mech.. – Volume 213, 1999. 51 – 57 ist es bekannt, für die Prozessüberwachung einen außerhalb der Strahlachse angebrachten Infrarot-Sensor zu verwenden. - Volume 213, 1999. 51-57, it is known to use a mounted outside the beam axis infrared sensor for process monitoring. Dieser detektiert das Temperaturprofil beim Punktschweißen von Elektronenröhren für Fernsehgeräte, was Rückschlüsse auf die räumliche Ausprägung der Schmelzbadgeometrie und der Wärmeeinflusszone im Schweißpunkt erlaubt. This detects the temperature profile in the spot welding of electron tubes for television sets, which allows conclusions as to the spatial characteristics of the weld pool and the heat affected zone in the weld spot. Um die Vielzahl der Abhängigkeiten zwischen Signal und interessierenden Kenngrößen der Punktschweißung zu modellieren, wird ein künstliches neuronales Netzwerk trainiert, das bis zu 95 % Korrelation erreicht. To model the dependencies between the plurality of signal of interest and characteristics of the spot welding, an artificial neural network is trained, which reaches up to 95% correlation. Die in diesem Stand der Technik untersuchte Fügesituation schafft hinsichtlich der Materialauswahl Edelstahl und der Fügegeometrie allerdings nahezu ideale Bedingungen für eine Punktschweißung, sodass nur eine geringe Schwankungsbreite der Sensorsignale zu verzeichnen ist. The examined in this prior art joint situation creates in terms of material selection stainless steel and the joint geometry, however, almost ideal conditions for a spot so that only a small fluctuation range of the sensor signals is recorded. Zudem wird hier eine Aussage über die Schweißqualität erst nach erfolgter Schweißung getroffen. In addition, a statement on the weld quality is made only after the welding here. Eine Regelung des Schweißprozesses selbst ist nicht vorgesehen. A regulation of the welding process itself is not provided.
  • Aus dem Fachartikel Tönshoff, HK; From the technical article Toenshoff, HK; Schumacher, J.: Genau auf den Punkt gebracht – Prozeßkontrolle beim Nd: YAG-Laserstrahlschweißen unter Windows. brought Schumacher, J .: Exactly to the point - process control at the Nd: YAG laser beam welding under Windows. In: F & M 104 (1996) 9, München: Carl Hanser, 1996. 605 – 608 ist es für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von dünnen Edelstahlfolien mit Hilfe einer Punktenaht bekannt, dass helle, spektral breitbandig emittierte Prozessleuchten zu detektieren, das auch als Sekundärleuchten bezeichnet wird. In: F & M 104 (1996) 9, München: Carl Hanser, 1996. 605-608, it is for Nd: known YAG laser welding of thin steel sheets by means of a points seam that detect light, spectrally broadband light emitted process radiation that also referred to as secondary lights. Diese Sekundärleuchten wird On-axis – also in der Laser-Strahlachse – über die Laserfaser zum Detektor übertragen, der innerhalb des Lasergehäuses angebracht ist. These secondary lights is on-axis - that is, in the laser beam axis - transmitted via the laser fiber to the detector, which is mounted within the laser housing. Eine Wandlung dieses Leuchtens in ein Signal ermöglicht somit die Überwachung des gesamten Schweißprozesses und kann für Rückschlüsse auf die erzielte Schweißquelle genutzt werden. A conversion of this glow in a signal thus enables the monitoring of the entire welding process and can be used for conclusions about the achieved welding source. Für die gleiche Spiegelgeometrie ist es aus dem Fachartikel von Bagger, C.: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. For the same mirror geometry, it is from the technical article by excavators, C .: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. Publication No. AP. AP. 91-02/PI. 91-02 / PI. 91.1-A, Procestteknisk Institut, Danmarks Tekniske Hojskole, 1991 bekannt, die On-axis-reflektierte Laserstrahlleistung zu detektieren, die zur Abschätzung der Ausbildung der sogenannten Dampfkapillare verwendet wird. 91.1-A, Procestteknisk Institute, Danmarks Tekniske Hojskole, 1991 known to detect the on-axis laser beam reflected power that is used to estimate the formation of so-called vapor capillary. Eine lineare Korrelation dieses Signals mit der durch metallografische Probenanalysen bestimmten Einschweißtiefe ist hier die Basis für eine Regelung, die darüber hinaus auch aus dem Beitrag Beyer, E.: Systeme zur Prozeßüberwachung und Regelung in der Laserfertigungstechnik. A linear correlation of this signal with the determined by metallographic sample analysis penetration depth here is the basis for a regulation, which in addition also from the contribution Beyer, E .: systems for process monitoring and control in the laser processing. In: Fhg ILT (Hrsg.): Tagungsband des Aachener Kolloquium für Lasertechnik '95.2 – 25 bekannt ist. In: Fhg ILT: Proceedings of the Aachen Colloquium for Laser Technology '95 .2 - 25 is known (eds.). Auch hier wird nicht innerhalb eines Schweißpulses geregelt, es erfolgt vielmehr eine Anpassung der Laserparameter von einem Schweißpunkt zum nächsten. Here, too, is not regulated within a weld pulse, there occurs rather an adjustment to the laser parameters of a welding point to the next.
  • Ein erster Ansatz zu einer Echtzeit-Impulsenergiebegrenzung bzw. Leistungsregelung wird in dem Fachartikel Kußmaul, K; A first approach to a real time pulse energy limit or power control is in the technical article Kußmaul, K; Schäfer, M.: Energiedosierung – eine neue Perspektive für den Einsatz des Lasers in der Mikro verbindungstechnik. connection technology a new perspective on the use of lasers in micro - Shepherd, M .: Energy dosage. In: VTE 2/94. In: VTE 2/94. 81- 87 dargestellt. 81- illustrated 87th Hier wird die in der Laser-Strahlachse reflektierte Leistung im Zeit- und Frequenzbereich untersucht, um nach Einschalten des Laserpulses zum Zeitpunkt t 0 den Zeitpunkt t M des ersten Aufschmelzens der Oberfläche zu detektieren. Here, the light reflected in the laser beam axis power is investigated in the time and frequency domain in order to turn on the laser pulse at the time t 0 the time t M of the first melting of the surface to be detected. Die Zeitspanne von t M bis zum Pulsende wird dann konstant gehalten, während t M – t 0 variabel bleibt. The time period from t M to the pulse end is then held constant while t M - t 0 remains variable. Damit werden die Schwankungen der Leistungsabsorption durch die oberflächliche Oxidschicht aufgefangen. Thus the fluctuations in power absorption by the surface oxide layer are collected.
  • Gerade beim Schweißen von Kupfer in der Elektronikproduktion führen schon leichte Veränderungen der Oberfläche, wie geringfügige Oxidation oder Rauigkeitsunterschiede dazu, dass diese Stellen mit für ungestörte Oberflächen festgelegten Prozessparametern nicht mehr fehlerfrei geschweißt werden können, dh die Prozessfenster für das Verschweißen auf solchen unterschiedlichen Oberflächen überlappen sich nicht. are conducting the welding of copper in electronics production, even slight changes in the surface, such as slight oxidation or Rauigkeitsunterschiede to the fact that these sites can not be welded properly with set for undisturbed surfaces process parameters, ie, the process window for welding on such different surfaces overlap Not.
  • Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen anzugeben, mit dem auch kritische Oberflächen- und damit Prozessfenster-Bedingungen besser beherrschbar werden. On this basis the invention has for its object to provide a method and apparatus for controlling laser power parameters during laser spot welding, with the critical surface, and thus the process window conditions are better controllable.
  • Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst: This object is solved in terms of process technology by the features specified in claim 1. The method steps as follows:
    • – Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle mit einem Laser-Messstrahl gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl, - loading of the respective point-to-weld with a laser measuring beam of the same wavelength as the welding beam,
    • – Erfassung der in der Laser-Strahlachse auftretenden Reflexion des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes, - detecting the reflection occurring in the laser-beam axis of the measurement beam at the welding point, and determining a representative thereof reflectance value,
    • – Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse auftretenden Streuung des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes, - detection of the scatter occurring outside the laser beam axis of the measurement beam at the welding point, and determining a representative thereof scatter value,
    • – Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und dem Streuwert, und - determination of a significant for the surface texture of the respective spot weld characteristic value from the reflectance value and the dispersion value, and
    • – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle auf einen oder mehrere Parameterwerte in Abhängigkeit des Kennwertes gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten. - controlling a laser power parameter for the spot welding at the respective spot weld on one or more parameter values ​​as a function of the characteristic value according to a predetermined mapping between these two values.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf das oberflächenabhängige Reflektions- und Streuverhalten der Fügezone auf, das mit Hilfe eines Messstrahles zu einem repräsentativen Reflektionswert und einem repräsentativen Streuwert führt. The inventive method is based on the surface-dependent reflection and scattering behavior of the joining zone, which results using a measuring beam to a representative reflectance value and a representative value scattering. Bei diesen beiden Werten kann es sich beispielsweise um das Messsignal entsprechender Fotodetektoren handeln. These two values ​​can be, the measuring signal corresponding photodetectors, for example. Wie Versuche im Rahmen der Entwicklung der Erfindung gezeigt haben, können Reflektions- und Streuwert zu einen Kennwert verknüpft werden, der für die Oberflächenbeschaffenheit der erfassten Punktschweißstelle signifikant ist. As tests have shown in the development of the invention, reflection and scattering value can be linked to a characteristic value which is significant for surface condition of the detected spot weld. Aufgrund dieses Kennwertes können ein oder mehrere Laser-Energieparameter für die an der untersuchten Stelle erfolgende Punktschweißung, also die Pulsleistung und/oder Pulsdauer und/oder Pulsform gemäß einer vorbestimmten Zuordnung geregelt werden. Because of this characteristic value, one or more laser power parameters for the taking place at the site under investigation spot welding that is the pulse power and / or pulse duration and / or pulse shape may be controlled according to a predetermined assignment. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch die Bestimmung der verschiedenen Prozessfenster für bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten ermittelt worden. This assignment has been determined for example by determining the different process windows for certain surface textures. Näheres hierzu ergibt sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels. For details, results from the description of the embodiment.
  • Dieses Verfahren wird vor oder zu Beginn jedes Punktschweißvorganges – also von Punkt zu Punkt – durchgeführt, ist also eine Echtzeit- Laserparameterregelung durch eine Vermessung des lokalen Oberflächenzustandes in der jeweiligen Fügezone. This process is before or at the beginning of each spot welding operation - carried out, then, is a real-time laser control parameter by a measurement of the local surface state in the respective joining zone - that is, from point to point. Damit ist für jeden Schweißpunkt eine hohe Zuverlässigkeit für eine ordnungsgemäße Schweißverbindung gegeben. This ensures high reliability for a proper weld is given for each welding point.
  • Gemäß bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet werden. According to preferred developments of the method according to the invention can be used as a measuring beam a separate, temporally upstream of the actual welding beam sample beam. Als Alternative dazu kann der eigentliche Schweißstrahl am Pulsanfang als Messstrahl verwendet und während seiner verbleibenden Pulsdauer auf den signifikanten Parameterwert geregelt werden. Alternatively, the actual welding beam on the pulse start can be used as a measuring beam and fixed on the significant parameter value during his remaining pulse duration. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise bei Verwendung einer festen Pulsleistung die Pulsdauer entsprechend eingestellt wird. In practice, this means that for example when using a fixed pulse power, the pulse duration is adjusted accordingly.
  • Durch die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Verwendung mindestens zweier Off-axis-Photodioden zur Erfassung der seitlichen Streuung werden Fehlmessungen, wie sie beispielsweise durch eine Verkippung der Werkstückoberfläche relativ zum Laserstrahl auftreten könnten, vermieden. The planned according to a preferred embodiment using at least two off-axis photodiodes for detecting the lateral scattering measurement errors as might occur, for example, by tilting the workpiece surface relative to the laser beam, are avoided. Für den Streuwert wird dabei ein aus den Signalen der mindestens zwei Off-axis-Detektoren gemittelter Wert angesetzt. thereby an average from the signals of at least two off-axis detectors value is set for the dispersion value.
  • In rechentechnischer Hinsicht hat es sich als besonders einfach herausgestellt, zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und Streuwert einen Quotienten zu bilden. In computational terms, it has been found to be particularly easy to form a quotient to determine the significant characteristic value from the reflectance and scattering value. Dies ist die am einfachsten zu realisierende aussagefähige Rechenoperation zwischen den zwei Größen. This is the easiest to realize meaningful arithmetic operation between the two sizes.
  • Die weiterhin beanspruchte Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers wird neben einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der folgenden Beschreibung anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Further claimed device for the regulation of energy parameters of a welding laser is illustrated next to an embodiment of the method according to the invention in the following description with reference to the attached drawings in detail. Insoweit erübrigen sich nähere Ausführungen an dieser Stelle. In that regard, further explanations are unnecessary at this point. Es zeigen: Show it:
  • 1 1 eine schematische Darstellung einer Laserstrahl-Punktschweißeinrichtung mit einer Regelungsvorrichtung für die Laser-Energieparameter, a schematic representation of a laser beam spot welder with a control device for laser power parameters,
  • 2 2 ein Prozessfenster-Diagramm von Pulsleistung in Abhängigkeit von Pulsdauer bei einem Punktschweißvorgang, a process window diagram of pulse power as a function of pulse duration at a spot welding operation,
  • 3 3 ein Korrelationsdiagramm zwischen Reflektions- und Streuwert, und a correlation diagram between reflection and scattering value, and
  • 4 4 ein Korrelationsdiagramm der Pulsleistung in Abhängigkeit des Kennwertes aus Reflektions- und Streuwert. a correlation diagram of the pulse power as a function of the characteristic value of reflection and scattering value.
  • Die The 1 1 zeigt einen gepulsten Laser shows a pulsed laser 1 1 , dessen Laserstrahl , The laser beam 2 2 über eine Lichtleitfaser via an optical fiber 3 3 zu dem eigentlichen Bearbeitungskopf herangeführt wird. is brought to the actual processing head. Der Laserstrahl the laser beam 2 2 wird über eine dichroitischen Spiegel is a dichroic mirror 4 4 und eine Strahlformungslinse and a beam shaping lens 5 5 auf die Fügezone the joint zone 6 6 einer Punktverschweißung zwischen einer dünnen Kupferschicht a spot welding between a thin copper layer 7 7 auf einem Substrat on a substrate 8 8th und dem Anschlussbeinchen and the connecting pins 9 9 eines nicht näher dargestellten elektronischen Bauelements gerichtet. directed a non-illustrated electronic component. In Verlängerung der Lichtleitfaser An extension of the optical fiber 3 3 überwacht koaxial zur Laserstrahlachse A jenseits des dichroitischen Spiegels monitored coaxially to the laser beam axis A beyond the dichroic mirror 4 4 eine erste Fotodiode a first photodiode 10 10 – die Laser-Monitor-Diode – die vom Laser emittierte Leistung, um diese für die im Folgenden erläuterten Regelungszwecke als Sollgröße zur Verfügung zu haben. - the laser-monitor diode - emitted by the laser power in order to have these for control purposes explained below as nominal size.
  • Oberhalb des dichroitischen Spiegels Above the dichroic mirror 4 4 ist ebenfalls koaxial zur Laserstrahlachse A eine Fotodiode 11, im Folgenden „On-axis-Diode" genannt, angeordnet, die die in der Laserstrahlachse A auftretende Reflektion R des Laserstrahls is also coaxial with the laser beam axis A, a photodiode 11, hereinafter referred to as "on-axis diode" arranged that the occurring in the laser beam axis A reflection R of the laser beam 2 2 in der Fügezone in the joint zone 6 6 erfasst. detected.
  • Ferner sind in einem Winkel W von beispielsweise 60° zur die Werkstückebene darstellenden Horizontalen zwei weitere Fotodioden Further, the horizontal are at an angle W of for example 60 ° to the workpiece plane representing two further photodiodes 12 12 , . 13 13 – die Off-axis-Dioden – radial gegenüberliegend bezogen auf die Laserstrahlachse A angeordnet, die die außerhalb der Strahlachse A auftretende Streuung S des Laserstrahls - the off-axis diodes - radially opposite relative to the laser beam axis A arranged that the occurring outside the beam axis A of the laser beam scattering S 2 2 in der Fügezone in the joint zone 6 6 erfassen. to capture.
  • Schließlich ist eine Signalauswerte- und Regeleinrichtung Finally, a signal evaluation and control device 14 14 vorgesehen, die mit dem Laser provided with the laser 1 1 , der Laser-Monitor-Photodiode , The laser monitor photodiode 10 10 , der On-axis-Photodiode , The on-axis photodiode 11 11 und den beiden Off-axis-Photodioden and the two off-axis photodiodes 12 12 , . 13 13 in mess- und regeltechnischer Weise gekoppelt ist. is coupled in measuring and control engineering way. In dieser Regeleinrichtung In this control device 14 14 werden die im Folgenden näher erläuterten Bestimmungen und Berechnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen und der Laser the terms and explained in more detail in the following calculations for carrying out the process and work out the laser 1 1 entsprechend in seiner Pulsdauer τ H und/oder Pulsleistung P H und/oder Pulsform gesteuert. corresponding in its pulse duration τ H is controlled and / or pulse power P H and / or pulse shape.
  • Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird anhand von Before discussing this, is based on 2 2 das Prozessfenster-Diagramm eines Punktschweißvorgangs bei einer Kupfer-Oberfläche erläutert. illustrates the process window diagram of a spot welding process at a copper surface. In dem Diagramm ist die Pulsleistung P H gegenüber der Pulsdauer τ H aufgetragen und dabei die Leistungsgrenze des Lasers strichliert mit dem Bezugszeichen In the diagram, the pulse power P H with respect to the pulse duration τ H applied while the power limit of the laser in phantom by the reference numeral 15 15 angedeutet. indicated. Explizit schafft der von dem Diagramm repräsentierte Laser also eine Leistung von 4 kW bis zu einer Pulsdauer von knapp 6 ms. Explicitly so the value represented by the diagram laser has a power output of 4 kW to a pulse duration of almost 6 ms. Anschließend sinkt bei steigender Pulsdauer die maximale Laserleistung auf 2,5 kW bei 10 ms. Subsequently, the maximum laser power decreases with increasing pulse duration to 2.5 kW at 10 ms.
  • Für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche gilt das von der Laser-Leistungsgrenze For a polished copper surface is true of the laser power limit 15 15 und der mit durchgezogener Linie gezeigten Unter grenze and the lower limit shown by a solid line 16 16 markierte Prozessfenster ➀. labeled ➀ process window. Eine geschliffene Oberfläche ist relativ gut reflektierend, sodass zur Erzeugung einer zuverlässigen Schweißverbindung eine relativ hohe Laserenergie, also eine hohe Leistung bei geringer Pulsdauer oder eine hohe Pulsdauer bei geringerer Laserleistung eingebracht werden muss. A ground surface is relatively good reflective, so that to produce a reliable welded joint, a relatively high laser energy, that is a high power at low pulse duration or a high pulse duration has to be introduced at a lower laser power. Zuverlässige Verbindungen werden bei Laserparametern erreicht, die in der Mitte des Prozessfensters liegen, beispielsweise bei einer Pulsdauer von 5 ms und einer Leistung von 3,5 kW oder einer Pulsdauer von 8 ms und einer Pulsleistung von 2,5 kW. Reliable connections can be achieved with laser parameters that lie in the center of the process window, for example, at a pulse duration of 5 ms and a power of 3.5 kW or a pulse duration of 8 ms and a pulse power of 2.5 kW. Bei gleicher Pulsdauer würde eine Laserleistung von 2 kW unterhalb des Prozessfensters ➀ liegen und damit zu keiner Verbindung führen. With the same pulse duration laser power of 2 kW below the process window ➀ would be, thus leading to no connection.
  • Die beiden strichpunktierten Linien The two dashed lines 17 17 geben die Obergrenzen der Prozessfenster ➁ und ➂ für eine oxidierte bzw. geschliffene, oxidierte Kupfer-Oberfläche an. enter the upper limits of the process window ➁ and ➂ for an oxidized or polished, oxidized copper surface to. Die Untergrenzen The lower limits 18 18 sind punktiert angedeutet. are indicated by dotted lines. Gut erkennbar liegen diese Prozessfenster ➁ und ➂ deutlich unterhalb des Prozessfensters ➀ für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche. Clearly visible are such process window ➁ and ➂ well below the process window ➀ honed for a copper surface. Dies ist dadurch bedingt, dass durch die oberflächliche Oxidation das Reflektionsvermögen herabgesetzt ist und damit ein höherer Energieeintrag in die Fügezone stattfindet. This is due to the fact that due to the surface oxidation, the reflectance is reduced, and therefore a higher energy input takes place in the joining zone. Insoweit wird die Laserenergie besser umgesetzt, womit entsprechend eine geringere Leistung und/oder Pulsdauer verwendet werden kann. In that regard, the laser energy is better implemented, whereby a lower power and / or pulse duration can be used accordingly. Gute Schweißverbindungen werden bei einer oxidierten Oberfläche beispielsweise mit einer Laserleistung von 3 kW bei einer Pulsdauer von 4 ms, einer Leistung von 2 kW und einer Pulsdauer von 7 ms usw. erzielt. Good welds are obtained with an oxidized surface, for example with a laser power of 3 kW at a pulse duration of 4 ms, an output of 2 kW and a pulse duration of 7 ms and so on.
  • Um nun die Beschaffenheit der Oberfläche an der jeweiligen Punktschweißstelle, also in der jeweiligen Fügezone To now, the nature of the surface at each spot weld, so in the respective joint zone 6 6 , zu erfassen, werden die Reflektion R und die Streuung S mit Hilfe der Dioden To detect the reflection R and the scattering S by means of the diodes 11 11 , . 12 12 , . 13 13 nach Aufbringen eines pulsartigen Messstrahles auf die Fügezone erfasst. detected in the joining zone by applying a pulse-like measurement beam. Der Messstrahl kann dabei ein niedrigenergetischer, vom Laser The measurement beam may in this case a low-energy, the Laser 1 1 ausgesandter Strahl bzw. der eigentliche Schweißstrahl in seiner Startphase sein. be emitted beam or the actual welding beam in its starting phase. Als Zeitfenster kann beispielsweise eine Messdauer von 100 bis 300 μs am Anfang des bis zu 10 ms dauernden Schweißpulses verwendet werden. As a time window, a measurement period of 100 to 300 microseconds can be used for example at the start of welding up to 10 msec pulse.
  • In In 3 3 ist nun für verschiedene Oberflächenzustände die maximale Diodenspannung der Fotodiode is now for various surface conditions, the maximum diode voltage of the photodiode 11 11 – das grauunterlegte On-axis-Signal U ON im Diagramm – als repräsentativer Reflektionswert, die gemittelte maximale Diodenspannung der beiden Dioden - the shaded on-axis signal U ON in the chart - as a representative reflectance value, the average maximum diode voltage of the two diodes 12 12 , . 13 13 – das kreuzschraffiert unterlegte Off-axis-Signal U OFF – als repräsentativer Streuwert aufgetragen. - the cross-hatched backed off-axis signal U OFF - applied as a representative dispersion value. So ergibt sich bei einer spiegelnden, blanken Oberfläche (linke Balkengruppe in For example, (left group of bars resulting in a reflective, glossy surface in 3 3 ) ein hoher Reflektionswert U ON von über 8 V Diodenspannung, wogegen der Streuwert U OFF mit 2 V gemittelter maximaler Diodenspannung demgegenüber gering ist. ), A high reflectance value U ON of over 8 V diode voltage, whereas the dispersion value U OFF with 2 V average maximum diode voltage contrast is low. Bei blank oxidierter Oberfläche (zweite Balkengruppe von links) kehren sich die Verhältnisse um, indem das On-axis-Signal U ON niedrig ist (geringere Reflektion) und das Off-axis-Signal U OFF sich vervielfacht hat (Streuung durch raue oxidierte Oberfläche). In blank oxidized surface (second group of bars from the left) are reversed, the ratios by the on-axis signal U ON is low (lower reflectance) and the off-axis signal U OFF multiplied has (scattering by rough oxidized surface) , Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei einer geschliffenen, oxidierten Oberfläche (rechte Balkengruppe in Similar conditions result in a ground, oxidized surface (right-hand bar in group 3 3 ) bzw. etwas abgeschwächt bei einer geschliffenen Oberfläche (zweite Balkengruppe von rechts in ) Or slightly attenuated (with a ground surface second group of bars from the right in 3 3 ). ).
  • Aus dem On-axis- U ON und Off-axis-Signal U OFF wird beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren nun ein signifikanter Kennwert in Form des Quotienten Q = U ON /U OFF dieser beiden Werte gebildet, der in From the on-axis and off-axis U ON signal U OFF a significant parameter in the form of the quotient Q = U ON / OFF U is the inventive control method is now formed of these two values, which in 3 3 als weißpunktiert unterlegter Balken dargestellt ist. is shown as white dots lined bar. Wie sich ohne weiteres aus einem Vergleich der Signalquotienten Q bei den unterschiedlichen Oberflächenzuständen ergibt, sind diese Quotienten signifikant für den jeweiligen Oberflächenzustand. As can be seen readily from a comparison of the signal quotient Q at the different surface conditions, these ratios are significant for the particular surface condition. Insofern kann der so in Echtzeit ermittelte Signalquotient Q als Kennwert für die Regelung der Pulsleistung, Pulsdauer oder Pulsform des für die Punktverschweißung an dieser Stelle verwende ten Laserpulses herangezogen werden. Insofar as the quotient Q signal thus determined in real time can be used as a characteristic value for the control of the pulse power, pulse duration or pulse shape of use for the spot welding at this point th laser pulse. Der entsprechende Parameter wird dabei beispielsweise aus der in The corresponding parameter is, for example, from the in 4 4 gezeigten mathematischen Näherungsfunktion ermittelt, die die zu verwendende Pulsleistung P H bei sich ändernden Signalquotienten Q zeigt. determined mathematical approximation function shown which shows the pulse power P H to be used in changing quotient Q signal. Die beiden Linien The two lines 19 19 und and 20 20 stellen dabei die untere und obere Prozessfenstergrenze und die Linie thereby provide the lower and upper limit the process window and the line 21 21 die optimale Leistung in Abhängigkeit des Signalquotienten dar. Oben ist im Diagramm gemäß the optimum power as a function of the quotient signal represents. Above is in the diagram of 4 4 wieder die Leistungsgrenze again the power limit 15 15 des Lasers strichliert eingetragen. dashed entered the laser.
  • Statt der in Instead of in 1 1 gezeigten, getrennten Fotodioden Photodiodes shown, separate 11 11 , . 12 12 , . 13 13 für die On-axis-Erfassung der Reflektion und die Off-axis-Erfassung der Streuung des Laserstrahles kann anstelle der On-axis-Photodiode for the on-axis detecting the reflection and off-axis detection of the scattering of the laser beam, instead of the on-axis photodiode 11 11 ein Mehrquadranten-Fotodetektor angebracht werden. a multi-quadrant photodetector are mounted. Dieser weist zentral eine On-axis-Photodiode und außerhalb der Strahlachse A radial beabstandete Dioden auf, die dann als Off-axis-Detektoren arbeiten. This has a central on-axis photodiode and outside the beam axis A radially spaced diodes, which then operate as off-axis detectors.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle ( (Exposure of the respective spot-welding point -: method for controlling laser power parameters during laser beam spot welding in particular of conductive reflective materials, characterized by the following process steps 6 6 ) mit einem Laser-Messstrahl ( ) (With a laser measuring beam 2 2 ) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl ( ) Of the same wavelength as the welding beam ( 2 2 ), – Erfassung der in der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Reflexion (R) des Messstrahles ( ), - detection of the (in the laser beam axis A) reflection occurring (R) of the measurement beam ( 2 2 ) an der Schweißstelle ( ) (At weld 6 6 ) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes (U ON ), – Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Streuung (S) des Messstrahles ( ) And determining a representative thereof reflection value (U ON), - detection of the scattering outside the laser beam axis (A) occurring (S) of the measurement beam ( 2 2 ) an der Schweißstelle ( ) (At weld 6 6 ) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes (U OFF ), – Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle ( ) And determining a representative thereof stray value (U OFF), - determining a (for surface condition of each spot weld 6 6 ) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U ON ) und dem Streuwert (U OFF ), und – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle ( ) Significant characteristic value (Q) from the reflectance value (U ON) and the dispersion value (U OFF), and - controlling a laser power parameter for the spot welding at the respective spot weld ( 6 6 ) auf einen oder mehrere Parameterwerte (P H , τ H ) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten. ) To one or more parameter values (P H, H) τ as a function of the characteristic value (Q) according to a predetermined mapping between these two values.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet wird. A method according to claim 1, characterized in that a separate, temporally upstream of the actual welding beam sample beam is used as a measuring beam.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messstrahl der eigentliche Schweißstrahl ( A method according to claim 1, characterized in that (as the measuring beam of the actual welding beam 2 2 ) am Pulsanfang verwendet und der Schweißstrahl ( ) Is used at the pulse start and (the welding beam 2 2 ) während seiner verbleibenden Pulsdauer (τH) auf den signifikanten Parameterwert geregelt wird. ) (During his remaining pulse duration τH) is regulated to the significant parameter value.
  4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der seitlichen Streuung (S) mindestens zwei Off-axis-Photodioden ( Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the detection of the lateral scattering (S) at least two off-axis photodiodes ( 12 12 , . 13 13 ) verwendet werden, deren Messsignale zur Bestimmung des Streuwertes (U OFF ) gemittelt werden. Be used), the measurement signals for determining the scattering value (U OFF) are averaged.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Reflexion (R) und seitlicher Streuung (S) eine auf der Laser-Strahlachse angeordnete Mehrquadranten-Photodiode verwendet wird. A method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that for detection of reflection (R) and side scatter (S) is a arranged on the laser beam axis multi-quadrant photodiode is used.
  6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes ein Quotient (Q) aus Reflexionswert (U ON ) und Streuwert (U OFF ) gebildet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that for determining the significant characteristic value of a quotient (Q) from reflectance value (U ON) and dispersion value (U OFF) is formed.
  7. Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers ( Device for controlling of power parameters of a welding laser ( 1 1 ) beim Laserstrahl -Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien umfassend – eine gepulste Laserstrahlquelle ( ) During laser -Punktschweißen particularly conductive, reflective materials comprising - (a pulsed laser beam source 1 1 ) zur Erzeugung eines Laser-Messstrahls ( ) (For generating a laser measuring beam 2 2 ) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl ( ) Of the same wavelength as the welding beam ( 2 2 ), – einen koaxial zur Laser-Strahlachse (A) angeordneten, die in der Laser-Strahlachse (A) auftretende Reflexion (R) des Messstrahles ( ), - which is arranged coaxially to the laser beam axis (A), which A) occurring reflection (in the laser beam axis (R) of the measurement beam ( 2 2 ) an der Schweißstelle ( ) (At weld 6 6 ) erfassenden Reflexions-Photodetektor ( ) Detecting reflection photodetector ( 11 11 ), – mindestens einen außerhalb der Laser-Strahlachse (A) angeordneten, die außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretende Streuung (S) des Messstrahles ( ) - one (outside the laser beam axis A) arranged at least, the scattering outside the laser beam axis (A) occurring (S) of the measurement beam ( 2 2 ) an der Schweißstelle ( ) (At weld 6 6 ) erfassenden Streu-Photodiode ( ) Detecting scattered photodiode ( 12 12 , . 13 13 ), und – einer mit dem Schweißlaser ( ), And - a (with the welding laser 1 1 ), dem Reflexions-Photodetektor ( (), The reflection type photodetector 11 11 ) und dem Streu-Photodetektor ( ) And the scattering photodetector ( 12 12 , . 13 13 ) gekoppelten Signalauswerte- und Regeleinrichtung ( ) Signal evaluation and control device coupled ( 14 14 ) zur = Bestimmung eines für die Reflexion (R) repräsentativen Reflexionswertes (U ON ) und eines für die Streuung (S) repräsentativen Streuwertes (U OFF ), = Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle ( ) (For the determination of a = (for the reflection R) representative reflection value (U ON) and one (for the scattering S) representative scatter value U OFF) = determining a (for surface condition of the respective spot weld 6 6 ) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U ON ) und dem Streuwert (U OFF ), und = Regelung eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle ( ) Significant characteristic value (Q) from the reflectance value (U ON) and the dispersion value (U OFF), and = control of a laser power parameter for the spot welding at the respective spot weld ( 6 6 ) auf einen Parameterwert (P H , τ H ) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten. ) A parameter value (P H, H) τ as a function of the characteristic value (Q) according to a predetermined mapping between these two values.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle für den Messstrahl vom Schweißlaser ( Device according to claim 7, characterized in that the laser beam source for the measuring beam from the laser welding ( 1 1 ) selbst gebildet ist. ) Itself is formed.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch mindestens zwei Off-axis-Photodioden ( Device according to claim 7 or 8 by at least two off-axis photodiodes ( 12 12 , . 13 13 ) für die Erfassung der seitlichen Streuung. ) For detecting the lateral scattering.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine koaxial zur Laser-Strahlachse (A) angeordnete Mehrquadranten-Photodiode zur Erfassung sowohl der Reflexion (R) als auch der Streuung (S). Device according to claim 7 or 8, characterized by a coaxially to the laser beam axis (A) arranged multi-quadrant photodiode for detecting both the reflection (R) and the scattering (S).
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