DE10338062A1

DE10338062A1 - Process for quality control in laser welding processes in which the geometry of the weld pool is continuously monitored

Info

Publication number: DE10338062A1
Application number: DE2003138062
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Bahnmüller; Sven Dipl.-Ing. Breitschwerdt; Markus Dr. Kern; Sven Mandel; Carlo Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE10338062B4

Abstract

The laser welding (15) of two parts takes place with a formed molten pool (11) of metal as the laser moves from left to right along the seam (17). The process is controlled on the position of center of the laser relative to the geometric center of the formed molten pool. The geometric shape is continuously measured using a CCD camera (19) feeding data to control computer (20).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von thermischen Fügeverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for quality control of thermal joining methods according to the generic term of claim 1.

Es ist bekannt, zum thermischen Fügen, insbesondere beim Schweißen Hochenergiestrahlung zu verwenden und charakteristische Schweißparameter, wie etwa die geometrischen Abmessungen eines Schmelzbades, zu detektieren. Es zeigt sich, dass bei Fügeverfahren mit Lasern ein erheblicher Anteil eines Ausschusses dadurch entsteht, dass Spritzer und Schmelzperlen, die aus dem Schmelzbad herausgeschleudert werden, sich auf Funktionsflächen niederschlagen und diese unbrauchbar machen. Dies ist bei einer Großserienfertigung, z.B. im Automobilbereich, besonders störend, da Fügeverfahren mit Lasern aufgrund ihres geringen Wärmeeintrags vorteilhaft die Verzüge von Bauteilen beim Fügen minimal halten können, weswegen im allgemeinen auf ein Nachbearbeiten der gefügten Komponenten verzichtet werden kann. In einer Großserienfertigung führen Schmelzbadauswürfe daher zur Ausschleusung der betroffenen Komponenten aus dem Herstellungsprozess, da eine Nachbearbeitung zu aufwändig und teuer ist. Um den Ausschuss sicher zu erfassen, ist eine Inspektion der Komponenten nach dem Fügen notwendig. Typischerweise sind jedoch weit weniger als 10% der Komponenten betroffen, so dass eine visuelle Inspektion der gefügten Komponenten besondere Aufmerksamkeit und Konzentration erfordert.It is known for thermal joining, especially when welding High-energy radiation and characteristic welding parameters, such as the geometric dimensions of a molten bath, to detect. It turns out that in joining processes with lasers a significant proportion of a committee arises that splashes and melted beads that spewed out of the molten bath be on functional surfaces knock them down and make them useless. This is at a Mass production, e.g. in the automotive sector, particularly disturbing, since joining method with lasers due their low heat input advantageous the delays of components during joining can keep minimal, Therefore, in general, to rework the joined components can be waived. In a large-scale production, therefore, molten bath ejections result for discharging the affected components from the manufacturing process, because a post-processing too expensive and expensive. To safely detect the committee is an inspection of the components after joining necessary. However, typically far less than 10% of the components are affected, so that a visual inspection of the joined components requires special attention and concentration.

Aus der Offenlegungsschrift DE 197 16 293 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Laserschweißverfahrens bekannt, bei dem eine Einschweißtiefe in Abhängigkeit einer detektierten Länge oder Fläche eines Schmelzbads geregelt wird. Um die entsprechenden Geometriedaten des Schmelzbades und eines zugehörigen so genannten Keyholes zu erfassen, wird eine Video-Kamera eingesetzt. Ein Keyhole entsteht, wenn die hohe Intensität des auf den zu fügenden Bereich auftreffenden Laserstrahls das Material in dessen unmittelbarer Umgebung verdampft. Die Form des Strahls sowie die an der Grenzfläche zum umgebenden Schmelzbad reflektierte Strahlung führt zur Ausbildung eines weit in die Tiefe einer Fügestelle hinein reichenden Dampfkanals, der als Keyhole bezeichnet wird. Die Geometrie des Schmelzbads und des Keyholes geben Aufschluss über den Ablauf und auch die Qualität des Laserschweißvorgangs. Die Qualität des Schweißvorgangs bezüglich Schmelzbadauswürfen lässt sich dabei aus einem linearen Zusammenhang zwischen Schmelzbadlänge einerseits und Einschweißtiefe und Laserleistung andererseits ableiten.From the publication DE 197 16 293 A1 a method for controlling a laser welding method is known, in which a welding depth is regulated as a function of a detected length or area of a molten bath. To capture the corresponding geometry data of the molten bath and an associated so-called keyholes, a video camera is used. A keyhole is created when the high intensity of the laser beam impinging on the area to be joined evaporates the material in its immediate vicinity. The shape of the beam as well as the radiation reflected at the interface to the surrounding molten bath results in the formation of a vapor channel which extends far into the depth of a joint and is referred to as a keyhole. The geometry of the molten bath and the keyholes provide information about the process and the quality of the laser welding process. The quality of the welding process with respect to molten bath ejections can be derived from a linear relationship between the length of the molten bath on the one hand and the welding depth and the laser power on the other hand.

Aufgabe der Erfindung ist es, das aus der DE 197 16 293 A1 bekannte Verfahren weiter zu entwickeln, um eine noch schnellere und prozesssicherere Detektion von Schweißfehlern, insbesondere von Schmelzbadauswürfen, zu gewährleisten.The object of the invention is that of the DE 197 16 293 A1 to further develop known methods in order to ensure an even faster and more reliable detection of weld faults, in particular molten pool ejections.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of claim 1 solved.

Gemäß der Erfindung wird eine zeitabhängige Bewegung der räumlichen Energie- und/oder Leistungsdichteverteilung eines Schmelzbades oder eines Keyholes verfolgt. Als Messgröße wird dabei vorteilhafterweise der räumliche Verlauf einer Grenzfläche zwischen dem Schmelzbad oder dem Keyhole und dem jeweils benachbarten Bereich verwendet. Durch Beobachtung der zeitlichen Entwicklung dieser Grenzfläche gelingt eine schnelle und sichere Detektion eines Schmelzbadauswurfs: ein Schmelzbadauswurf ist nämlich regelmäßig von einer Veränderung der Schmelzbad- bzw. Keyholekontur begleitet. Auf diese Weise kann eine spätere Inspektion gefügter Komponenten gezielt auf diejenigen Komponenten bzw. diejenigen Bereiche gerichtet werden, bei denen ein Schmelzbadauswurf detektiert wurde. Im Gegensatz zu einer Kontrolle aller gefügten Komponenten, die üblicherweise im Rahmen einer Sichtkontrolle durchgeführt wird, kann die Inspektion auf eine wesentlich geringere Anzahl von möglicherweise unbrauchbaren Komponenten beschränkt werden.According to the invention becomes a time dependent Movement of spatial Energy and / or power density distribution of a molten bath or a Keyholes pursued. As a measure is while advantageously the spatial Course of an interface between the molten pool or the keyhole and the adjacent one Area used. By observing the temporal evolution this interface a fast and reliable detection of a molten pool ejection succeeds: a Schmelzbadauswurf is namely regularly from a change accompanied the Schmelzbad- or Keyholekontur. This way you can a later one Inspection mated Components targeted to those components or those areas be directed, in which a Schmelzbadauswurf was detected. In contrast to a control of all the joined components, usually As part of a visual inspection, the inspection can to a much smaller number of potentially unusable Limited components become.

Zweckmäßigerweise wird als Maß für die Qualitätsabweichung die Änderung herangezogen, die ein charakteristischer Parameter der Grenzfläche des Schmelzbads und/oder des Keyholes innerhalb eines vorgegebenen, frei wählbaren Zeitintervalls durchläuft: Wenn dieser Parameter innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls eine überdurchschnittlich große Bewegung ausführt, kann die Größe dieser Bewegung als Maß für eine Intensität eines Schmelzbadauswurfs herangezogen werden. Schmelzbadauswürfe, die erkennbare Störungen hinterlassen, können dann leicht von solchen, die keine Störungen hinterlassen, unterschieden werden. Vorteilhaft kann eine schnelle Veränderung der Geometrie des Keyholes bei einem Schmelzbadauswurf ausgenutzt werden. Ein durch eine schnelle Änderung der Keyholegeometrie ausgelöstes Signal gestattet dann einen prozesssicheren Rückschluss auf einen Schmelzbadauswurf; die Rückschlusssicherheit kann über 80%, insbesondere bis zu 90%, betragen.Conveniently, is used as a measure of the quality deviation the change which is a characteristic parameter of the interface of the Melt pool and / or keyholes within a given, freely selectable Time interval goes through: If this parameter is within the given time interval an above average size Performing movement, can the size of this movement as a measure of an intensity of a Schmelzbadauswurfs be used. Melt bath ejections, the recognizable disturbances leave, can then easily differentiated from those that leave no interference become. Advantageously, a quick change in the geometry of the keyholes be exploited at a Schmelzbadauswurf. One by a quick change the keyhole geometry triggered Signal then allows a process-safe inference to a Schmelzbadauswurf; the inference security can be over 80%, in particular up to 90%.

Wird eine erste zeitliche Ableitung der Messwerte der Bewegung der Grenzfläche gebildet, kann besonders bei schnellen Bewegungen eine erhöhte Auflösung erzielt werden. Die Betrachtung des zeitlich differenzierten Signals erlaubt eine weitere Verbesserung der Rückschlusssicherheit von über 90%. Unbrauchbare Komponenten können dann im Rahmen der Qualitätskontrolle noch gezielter detektiert werden.If a first time derivative of the measured values of the movement of the interface is formed, an increased resolution can be achieved, especially in the case of fast movements. The consideration of the temporally differentiated signal allows a further improvement of the return safety of more than 90%. Unusable components can then be detected in a more targeted manner as part of quality control.

Werden Messwerte der Bewegung oder der zeitlichen Ableitung erfasst und gleitende Mittelwerte daraus gebildet, kann eine statistische Größe, insbesondere eine gleitende Standardabweichung, definiert werden. Eine Amplitude dieses Signals liefert ein quantitatives Maß für die Stärke eines Schmelzbadauswurfs.Become Measured values of the movement or the time derivative are recorded and Moving averages formed from this can be a statistical quantity, in particular a sliding standard deviation. An amplitude this signal provides a quantitative measure of the strength of a molten pool ejection.

Vorteilhaft wird eine Amplitude eines Messsignals als quantitatives Maß der Qualitätsabweichung erfasst; dies erleichtert eine quantitative Auswertung der Messsignale.Advantageous an amplitude of a measurement signal is detected as a quantitative measure of the quality deviation; this facilitates a quantitative evaluation of the measurement signals.

Wird – bezogen auf die Schweißrichtung – die Bewegung einer hinteren Grenzfläche des Keyholes beobachtet, kann ein Schmelzbadauswurf mit besonders hoher Empfindlichkeit detektiert werden. Die hintere Grenzfläche zeigt nämlich bei einem Schweizbadauswurf ein besonders charakteristisches Verhalten.Is - related on the welding direction - the movement a rear interface of the keyholes, a molten bath ejection can be particularly high sensitivity can be detected. The rear interface shows namely at a Swissbadauswurf a particularly characteristic behavior.

Wird andererseits – bezogen auf die Schweißrichtung – die Bewegung einer vorderen Grenzfläche des Schmelzbades beobachtet, steht eine alternative oder zusätzliche Beobachtungsmöglichkeit zur Verfügung.Becomes on the other hand - related on the welding direction - the movement a front interface observed the molten bath, is an alternative or additional observability to disposal.

Ein besonders sensibler Nachweis eines Schmelzbadauswurfs ist gegeben, wenn als Maß für die Qualitätsabweichung der relative Abstand bzw. die relative Geschwindigkeit zwischen der vorderen Grenzfläche des Schmelzbads und der hinteren Grenzfläche des Keyholes verwendet wird: Bewegt sich die vordere Grenzfläche des Schmelzbads entgegengesetzt zu der hinteren Grenzfläche des Keyholes, so ist dies ein sicheres Indiz für einen Schmelzbadauswurf.One particularly sensitive evidence of molten pool ejection is given, if as a measure of the quality deviation the relative distance or the relative speed between the front interface of the molten bath and the rear interface of the keyholes Will: If the front interface of the molten pool moves in the opposite direction to the rear interface Keyholes, so this is a sure indication of a Schmelzbadauswurf.

Da sich beide Grenzflächen leicht gleichzeitig beobachten lassen, kann zum Erkennen eines Schmelzbadauswurfs auch als Kriterium verwendet werden, dass – bezogen auf die Schweißrichtung – die vordere Grenzfläche des Schmelzbads sich nach vorne und gleichzeitig die hintere Grenzfläche des Keyholes sich nach hinten bewegt.There both interfaces easy to observe simultaneously, can be used to detect a Schmelzbadauswurfs also be used as a criterion that - related to the welding direction - the front interface the molten pool is forward and at the same time the rear interface of Keyholes moves backwards.

Vorteilhaft ist, eine Änderung der Form des Keyholes zur Beurteilung der Qualitätsabweichung heranzuziehen. Dies gelingt mit geringem messtechnischem Aufwand, indem ein ortsauflösender Detektor die Form des Keyholes ermittelt und Abweichungen außerhalb eines zugehörigen Toleranzbandes als Qualitätsabweichung erkannt werden. Ein ortsauflösender Detektor bietet zusätzlich die Möglichkeit, Schmelztropfen oder Schlieren auf dem zu fügenden Körper zu erkennen, da diese sich mit derselben Geschwindigkeit wie die Schweißgeschwindigkeit bewegen.Advantageous is, a change the shape of the keyholes for assessing the quality deviation. This succeeds with little metrological effort, by a spatially resolving detector the shape of the keyhole is detected and deviations outside an associated one Tolerance band as quality deviation be recognized. A spatially resolving Detector provides additional the possibility, To recognize melting drops or streaks on the body to be joined, since these at the same speed as the welding speed move.

Die Erfindung ist besonders für einen Einsatz in einer Großserienfertigung geeignet, insbesondere beim Fahrzeugbau.The Invention is especially for a use in a mass production suitable, especially in vehicle construction.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung zu entnehmen.Further Advantages and embodiments of the invention are the further claims and to take the description.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.in the The invention is described in more detail below with reference to a drawing.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine schematische Draufsicht auf ein Schmelzbad mit einem Keyhole, 1 a schematic plan view of a molten bath with a keyhole,

2 eine bevorzugte Messanordnung zur Durchführung des Verfahrens, 2 a preferred measuring arrangement for carrying out the method,

3 eine Messkurve mit Signalen der Bewegung einer hinteren Grenzfläche eines Keyholes mit drei Schmelzbadauswürfen unterschiedlicher Stärke, 3 a measurement curve with signals of the movement of a rear interface of a keyholes with three melt ejections of different thickness,

4 die erste zeitliche Ableitung der Messkurve aus 3, 4 the first time derivative of the trace 3 .

5 eine Darstellung der Messkurve mit gleitender Mittelwertbildung, und 5 a representation of the curve with moving averaging, and

6 eine Messkurve der Bewegung einer hinteren Grenzfläche eines Keyholes und einer vorderen Grenzfläche des Schmelzbades mit erkennbar gegenläufigen Bewegungsrichtungen. 6 a measurement curve of the movement of a rear interface of a keyholes and a front interface of the molten bath with recognizable opposing directions of movement.

Eine stark schematische Darstellung eines Schmelzbades 11 mit einem Keyhole, wie es typischerweise bei einem thermischen Fügeverfahren mit Hochenergiebestrahlung, insbesondere beim Laserschweißen, auftritt, ist in 1 als Draufsicht dargestellt. Das Schmelzbad 11 befindet sich auf einer in Schweißbearbeitung befindlichen Komponente 10, die in 1 von links nach rechts verschweißt wird, wobei die Betrachtungsrichtung der Einstrahlrichtung des Laserstrahls entspricht und wobei die rechts hinter dem Schmelzbad 11 befindliche Schweißnaht 18 und der links von dem Schmelzbad 11 befindlichen Fügespalt 17 (2) der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeigt sind. Die Schweißrichtung ist durch einen Pfeil R gekennzeichnet.A highly schematic representation of a molten bath 11 with a keyhole, as typically occurs in a thermal joining process with high energy radiation, in particular in laser welding, is in 1 shown as a plan view. The molten bath 11 is located on a welding component 10 , in the 1 is welded from left to right, wherein the viewing direction corresponds to the direction of irradiation of the laser beam and wherein the right behind the molten bath 11 located weld 18 and the left of the molten pool 11 located joint gap 17 ( 2 ) are not shown for the sake of clarity. The welding direction is indicated by an arrow R.

Das Schmelzbad 11 weist im wesentlichen Tropfenform auf mit einem geometrischen Schwerpunkt S. Die Länge l und die Breite b des Schmelzbades bestimmen seine Geometrie. Am Kopfende des Schmelzbads 11 befindet sich der Einstrahlpunkt des Laserstrahls und das diesen umgebenden Keyhole 12, das im wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser d und einem geometrischen Schwerpunkt M ist. Der Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt M des Keyholes 12 und dem geometrischen Schwerpunkt S des Schmelzbads 11 ist mit x bezeichnet. Im Falle des Schmelzbads 11 bildet die gesamte das Schmelzbad 11 umgebende Grenzfläche 13' eine Grenze zwischen verflüssigtem und erstarrtem Material, während im Falle des Keyholes 12 die gesamte das Keyhole 12 umgebende Grenzfläche 14' einen Dampfkanal von verflüssigtem Material trennt. Bezogen auf die Schweißrichtung R weist das Schmelzbad 11 eine vordere Grenzfläche 13 – entsprechend dem in Schweißrichtung R am weitesten fortgeschrittenen Teil der Grenzfläche 13' des Schmelz bads 11 – und das Keyhole 12 eine hintere Grenzfläche 14 – entsprechend dem relativ zur Schweißrichtung R am weitesten zurückgebliebenen Teil der Grenzfläche 14' des Keyholes 12 – auf.The molten bath 11 has essentially teardrop shape with a geometric center of gravity S. The length l and the width b of the molten bath determine its geometry. At the head of the melting bath 11 is the Einstrahlpunkt the laser beam and the surrounding keyhole 12 which is substantially circular with a diameter d and a geometric center of gravity M. The distance between the geometric center of gravity M of the keyhole 12 and the geometric center of gravity S of the molten bath 11 is denoted by x. In the case of the molten bath 11 the whole forms the molten bath 11 surrounding interface 13 ' a border between liquefied and solidified material, while in the case of keyholes 12 the entire the keyhole 12 surrounding interface 14 ' separates a steam channel from liquefied material. With reference to the welding direction R, the molten bath has 11 a front interface 13 - According to the welding direction R most advanced part of the interface 13 ' of the enamel bath 11 - and the keyhole 12 a rear interface 14 - According to the welding direction R most farthest part of the interface 14 ' Keyholes 12 - on.

Um die Geometrie des Schmelzbads 11 und des Keyholes 12 möglichst störungsfrei detektieren zu können, wird eine in 2 dargestellte Messanordnung verwendet.To the geometry of the molten bath 11 and Keyholes 12 to be able to detect as trouble-free as possible, an in 2 illustrated measuring arrangement used.

Die Messanordnung umfasst eine CCD-Kamera 19, die zur Detektion der Schmelzbadgeometrie ausgerüstet ist. Dazu sind optische Vorkehrungen wie Graufilter, Farbfilter vorgesehen, wie sie aus der DE 197 16 293 A1 bekannt sind. Die Kamera 19 ist auf eine Komponente 10 gerichtet, welche entlang einer Fügenaht 17 mit einem Laserstrahl 15 bestrahlt und verschweißt wird. Der Laserstrahl 15 bewegt sich mit einer Schweißgeschwindigkeit v_L relativ zu dem Werkstück 10 in Schweißrichtung R. Der Laserstrahl 15 kann mit einer Laser- und Maschinensteuerung 21 gesteuert oder geregelt werden. Die Kamera 19 kann mit einem Videorecorder mit Kontrollmonitor verbunden sein. Vorzugsweise ist die Kamera 19 fest mit dem Laserschweißkopf verbunden, so dass Kamera 19 und Laserstrahl 15 dieselbe Relativbewegung ausführen.The measuring arrangement comprises a CCD camera 19 , which is equipped for the detection of Schmelzbadgeometrie. For this purpose, optical precautions such as gray filters, color filters are provided, as they are from the DE 197 16 293 A1 are known. The camera 19 is on a component 10 directed, which along a joint seam 17 with a laser beam 15 irradiated and welded. The laser beam 15 moves at a welding speed v _L relative to the workpiece 10 in welding direction R. The laser beam 15 can with a laser and machine control 21 be controlled or regulated. The camera 19 can be connected to a video recorder with control monitor. Preferably, the camera 19 firmly connected to the laser welding head, leaving the camera 19 and laser beam 15 perform the same relative movement.

Zweckmäßigerweise wird ausschließlich das Schmelzbad 11 und das Keyhole 12 auf der Kamera 19 abgebildet und das für die Messung störende Plasmaleuchten, welches beim Laserschweißen entsteht, sowie eventuell reflektierte Laserstrahlung abgeblockt.Appropriately, only the molten bath 11 and the keyhole 12 on the camera 19 and blocked for the measurement disturbing plasma lamps, which arises during laser welding, and possibly reflected laser radiation.

Die durch die Kamera 19 gemessene Energie- bzw. Leistungsdichteverteilung wird in einer Bildverarbeitungs-Hardware 20 digitalisiert und anschließend mit Hilfe eines Schwellwertverfahrens binarisiert. Daraus werden vorzugsweise zwei Bereiche gebildet: das Gebiet des Keyholes 12 und das Gebiet des Schmelzbads 11. Aus Form und Lage von Schmelzbad 11 und/oder Keyhole 12 lassen sich prozessrelevante Informatio nen aus einer Wechselwirkungszone zwischen Keyhole 12 und Schmelzbad 11 ableiten. Die geometrischen Abmessungen mindestens eines der aufgeschmolzenen Bereiche, etwa des Schmelzbads 11 und/oder des Keyholes 12, werden dann zur Qualitätsbeurteilung des Schweißergebnisses herangezogen. Ein Auftreten eines Schmelzbadauswurfs wird als Qualitätsabweichung klassifiziert.The through the camera 19 measured energy or power density distribution is in an image processing hardware 20 digitized and then binarized using a threshold value method. From this, preferably two areas are formed: the area of Keyholes 12 and the area of the molten bath 11 , From shape and location of molten bath 11 and / or keyhole 12 Process-relevant information can be obtained from an interaction zone between Keyhole 12 and molten bath 11 derived. The geometric dimensions of at least one of the molten areas, such as the molten bath 11 and / or keyholes 12 , are then used to assess the quality of the welding result. An occurrence of molten pool discharge is classified as a quality deviation.

Ein Auswurf von Schmelze aus dem Schmelzbad 11 ist mit einer deutlichen Formänderung des Keyholes 12 verbunden. Dieses kollabiert kurzzeitig, was mit einer anschließenden Eruption von Schmelze aus dem Bereich des Keyholes 12 verbunden ist.An ejection of melt from the molten bath 11 is with a significant change in shape of the keyholes 12 connected. This collapsed briefly, resulting in a subsequent eruption of melt from the area of Keyholes 12 connected is.

Die Erfassung von Schmelzbadauswürfen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Qualitätskontrolle eines thermischen Fügeverfahrens mittels Hochenergiebestrahlung kann auf verschiedene Arten geschehen.The Detection of Schmelzbadauswürfen after the method according to the invention for quality control a thermal joining process Using high-energy radiation can be done in different ways.

Besonders bevorzugt wird eine zeitabhängige Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 oder der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 verfolgt (1). Als Qualitätsabweichung wird erkannt, wenn die Grenzflächen 13, 14 innerhalb eines wählbaren Zeitintervalls überdurchschnittlich große Bewegungen ausführen. Diese Bewegungen können insbesondere Oszillation sein, bei der die Grenzflächen 13, 14 um eine Mittellage hin und her schwingen.Particularly preferred is a time-dependent movement of the front interface 13 of the molten bath 11 or the rear interface 14 Keyholes 12 tracked ( 1 ). As a quality deviation is detected when the interfaces 13 . 14 perform above-average movements within a selectable time interval. These movements may be in particular oscillation, in which the interfaces 13 . 14 to swing around a middle layer back and forth.

Beim Auftreten eines Schmelzbadauswurfs rückt die hintere Grenzfläche 14 des Keyholes 12 (1) kurzzeitig nach hinten, bezogen auf die Schweißrichtung R. Ein Messsignal X₁₄(t) der Bewegung der hinteren Grenzfläche 14 als Funktion der Zeit t kann daher gut zur Detektion von Schmelzbadauswürfen herangezogen werden. Liegt der Wert außerhalb eines vorgebbaren Toleranzbereichs, d.h. ist er deutlich größer als die normale Streuung der Messwerte, liegt ein Schmelzbadauswurf vor. Die Rückschlusssicherheit liegt typischerweise bei über 80% und kann bis zu etwa 90% betragen. – Die Größe der Bewe gung ist ein Indiz für die Stärke des Schmelzbadauswurfs und kann grob quantifiziert werden, so dass eine Amplitude eines Messsignals als quantitatives Maß der Qualitätsabweichung erfasst werden kann.When a molten pool ejection occurs, the rear interface is moved 14 Keyholes 12 ( 1 ) momentarily backwards, with respect to the welding direction R. A measurement signal X ₁₄ (t) of the movement of the rear interface 14 as a function of time t can therefore be used well for the detection of Schmelzbadauswürfen. If the value is outside a predefinable tolerance range, ie if it is significantly larger than the normal scatter of the measured values, then a molten metal ejection is present. The return security is typically over 80% and can be up to about 90%. - The size of the movement is an indication of the strength of the molten pool ejection and can be roughly quantified so that an amplitude of a measurement signal can be detected as a quantitative measure of the quality deviation.

3 zeigt eine Messkurve der Bewegung einer hinteren Grenzfläche 14 eines Keyholes 12 als Funktion der Zeit. Die Messkurve ist im wesentlichen parallel zur Zeitachse und weist drei oszillationsähnliche Strukturen auf, die als Schmelzbadauswürfe detektiert werden. Die erste und die dritte Struktur entsprechen einer Stärke zwischen A2 und A3, die mittlere Struktur einem mittleren Schmelzbadauswurf der Stärke A2. Erfahrungsgemäß verursacht ein heftiger Schmelzbadauswurf mit einem deutlich sichtbaren Krater eine besonders heftige Bewegung mit einer Stärke A3. Eine mittlere Bewegung der Stärke A2 wird durch einen kleinen Schmelzbadauswurf mit gerade noch erkennbarem Krater verursacht. Eine Bewegung der Stärke A1 entspricht einer Oszillation des Keyholes 12 ohne erkennbaren Schmelzbadauswurf. 3 shows a trace of the movement of a rear interface 14 a keyholes 12 as a function of time. The measurement curve is essentially parallel to the time axis and has three oscillation-like structures, which are detected as Schmelzbadauswürfe. The first and the third structure correspond to a thickness between A2 and A3, the middle structure corresponds to a mean molten bath ejection of the Strength A2. Experience has shown that a heavy molten pool discharge with a clearly visible crater causes a particularly violent movement with a thickness of A3. A medium movement of strength A2 is caused by a small molten pool ejection with crater just recognizable. A movement of the strength A1 corresponds to an oscillation of the keyholes 12 without recognizable molten bath ejection.

Bei einem Schmelzbadauswurf findet eine besonders schnelle Veränderung der Keyhole-Geometrie statt. Daher ist es vorteilhaft, eine zeitliche Ableitung des Messsignals zu betrachten. Eine solche zeitliche Ableitung d/dt des Messsignals aus 3 ist in 4 dargestellt. Die drei oszillationsähnlichen Strukturen treten bei der zeitlich differenzierten Messkurve deutlicher hervor als bei der Messkurve X₁₄(t) der Bewegung selbst. Alternativ kann die Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 entsprechend ausgewertet werden bzw. eine zeitliche Ableitung dX₁₃(t)/dt der Bewegung gebildet werden.In a molten pool ejection a particularly fast change of the keyhole geometry takes place. Therefore, it is advantageous to consider a time derivative of the measurement signal. Such a time derivative d / dt of the measurement signal 3 is in 4 shown. The three oscillation-like structures are more pronounced in the time-differentiated measurement curve than in the measurement curve X ₁₄ (t) of the movement itself. Alternatively, the movement of the front interface 13 of the molten bath 11 be evaluated accordingly or a time derivative dX ₁₃ (t) / dt of the movement are formed.

Vorteilhaft ist, Messwerte X₁₃(t), X₁₄(t) der Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 und/oder der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 zu erfassen und gleitende Mittelwerte der Messwerte X₁₃(t), X₁₄(t) zu bilden. Günstig ist es weiterhin, über drei bis fünf vorhergehende Messwerte X₁₃(t), X₁₄(t) zu mitteln. Der Fachmann wird einen sinnvollen Bereich zur Mittelung wählen. Ebenso kann dies für eine zeitliche Ableitung getan werden. Die gleitende Mittelung ermöglicht die Definition einer gleitenden Standardabweichung, deren Signal bzw. deren Amplitude ein quantitatives Maß für die Heftigkeit des Schmelzbadauswurfs ist.It is advantageous to measure X ₁₃ (t), X ₁₄ (t) the movement of the front interface 13 of the molten bath 11 and / or the rear interface 14 Keyholes 12 and to take moving average values of the measured values X ₁₃ (t), X ₁₄ (t). It is also favorable to average over three to five previous measured values X ₁₃ (t), X ₁₄ (t). The person skilled in the art will choose a meaningful area for averaging. Likewise, this can be done for a time derivation. Moving averaging allows the definition of a sliding standard deviation whose signal or amplitude is a quantitative measure of the intensity of the molten pool ejection.

5 zeigt eine solche gleitende Standardabweichung, die aus den Messwerten gebildet ist, die auch den vorhergehenden 3 und 4 zugrunde liegen. Die drei Strukturen, die jeweils einen Schmelzbadauswurf charakterisierenden sind nunmehr in ihrer Stärke noch deutlicher als zuvor zu unterscheiden und zu klassifizieren. In allen drei Fällen wären die gefügten Komponenten, an denen solche Schmelzbadauswürfe detektiert wurden, hinsichtlich zurückgebliebener Defekte und einer Verwendbarkeit zu inspizieren. 5 shows such a sliding standard deviation, which is formed from the measured values, which also the previous one 3 and 4 underlie. The three structures, each characterizing a molten pool ejection, can now be distinguished and classified even more clearly than before. In all three cases, the assembled components on which such molten bath spits were detected would have to be inspected for residual defects and usability.

Eine weitere Möglichkeit der Detektion bietet eine Beobachtung der Bewegung der – bezogen auf die Schweißrichtung R – vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbades 11 als Funktion der Zeit.A further possibility of detection provides an observation of the movement of the front boundary surface with respect to the welding direction R 13 of the molten bath 11 as a function of time.

Eine besonders genaue Detektion ergibt sich, wenn die Messwerte X₁₃(t), X₁₄(t) vordere Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 und der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 in Korrelation zueinander gesetzt werden: Eine Qualitätsabweichung des Schweißergebnisses tritt immer dann auf, wenn die vordere Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 sich entgegengesetzt zu der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 bewegt. Ein besonders verlässliches Indiz für eine Qualitätsabweichung ist es, wenn – bezogen auf die Schweißrichtung R – die vordere Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 sich nach vorne und die hintere Grenzfläche 14 des Keyholes 12 sich nach hinten bewegt. Dies ist in 6 dargestellt. Es ist erkennbar, dass die Auslenkungen der Messkurve x₁₄(t) entgegengesetzt zu denen der Messkurve x₁₃(t) gerichtet sind. Durch Beobachtung beider Signale x₁₃(t), x₁₄(t) werden Messfehler eliminiert, und das Erkennen einer Qualitätsabweichung wird gleichzeitig mit einer einfachen Plausibilitätsbetrachtung abgesichert, da beide Messkurven korrespondierende Strukturen aufweisen müssen, um einen Schmelzbadauswurf sicher zu detektieren.A particularly accurate detection results when the measured values X ₁₃ (t), X ₁₄ (t) front interface 13 of the molten bath 11 and the rear interface 14 Keyholes 12 be correlated with each other: A quality deviation of the welding result always occurs when the front interface 13 of the molten bath 11 opposite to the rear interface 14 Keyholes 12 emotional. A particularly reliable indication of a quality deviation is, if - in relation to the welding direction R - the front interface 13 of the molten bath 11 forward and the rear interface 14 Keyholes 12 moves backwards. This is in 6 shown. It can be seen that the deflections of the measurement curve x ₁₄ (t) are directed opposite to those of the measurement curve x ₁₃ (t). By observing both signals x ₁₃ (t), x ₁₄ (t) measurement errors are eliminated, and the detection of a quality deviation is simultaneously secured with a simple plausibility consideration, since both waveforms must have corresponding structures to safely detect a molten pool ejection.

Günstig ist, eine Änderung der gesamten das Keyhole 12 umgebenden Grenzfläche 14' zur Beurteilung der Qualitätsabweichung heranzuziehen. Dies geschieht einfach durch eine Beobachtung einer Form des Keyholes 12. Dabei wird die zeitliche Veränderung der Form des Keyholes 12 in allen Richtungen bezogen auf die Schweißrichtung R betrachtet. Dazu ist es vorteilhaft, einen ortsauflösenden Detektor zu verwenden, der nicht nur die hintere Grenzfläche 14, sondern die gesamte Form 14' des Keyholes 12 bzw. die Energie-/Leistungsdichteverteilung in der unmittelbaren Umgebung des Keyholes 12 beobachtet. Wird ein zugehöriges Toleranzband für eine zulässige Bewegung vorgegeben, kann eine Formänderung des Keyholes 12, die außerhalb des Toleranzbandes liegt, als Schmelzbadauswurf erkannt werden.Conveniently, a change of the entire the keyhole 12 surrounding interface 14 ' to assess the quality deviation. This is done simply by observing a form of keyholes 12 , The change over time is the shape of the keyholes 12 considered in all directions with respect to the welding direction R. For this purpose, it is advantageous to use a spatially resolving detector, which not only the rear interface 14 but the whole form 14 ' Keyholes 12 or the energy / power density distribution in the immediate vicinity of the keyholes 12 observed. If an associated tolerance band is specified for a permissible movement, a change in the shape of the keyhole may occur 12 , which is outside the tolerance band, can be recognized as Schmelzbadauswurf.

In einem Fertigungsverfahren ist es nunmehr ausreichend, nur noch solche gefügten Komponenten zu inspizieren, bei denen eine Qualitätsabweichung während des Fügens beobachtet wurde.In It is now sufficient for a manufacturing process, only such joined Inspecting components that have a quality variance while of joining was observed.

Claims

Method for quality control of a thermal joining method by means of high-energy radiation, in which geometrical dimensions of an at least melted region ( 11 . 12 ) are used for quality assessment, characterized in that a time-dependent movement of a spatial energy and / or power density distribution of a molten bath ( 11 ) or a keyhole ( 12 ) is tracked.

Method according to claim 1, characterized in that a time-dependent movement of at least one interface ( 13 ' . 14 ' ) of a molten bath ( 11 ) and / or a keyhole ( 12 ) is tracked.

A method according to claim 2, characterized gekenn records that is recognized as a quality deviation when the interface ( 13 ' . 14 ' ) performs an above-average movement within a selectable time interval.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that measured values (X ₁₃ (t), X ₁₄ (t)) of the movement are detected and moving averages of the measured values (X ₁₃ (t), X ₁₄ (t)) are formed.

Method according to at least one of claims 2 to 4, characterized in that a first time derivative (dX ₁₃ (t) / dt, dX ₁₄ (t) / dt) of the measured values (X ₁₃ (t), X ₁₄ (t)) the movement of the interface ( 13 ' . 14 ' ) is formed.

Method according to at least one of claims 2 to 5, characterized in that an amplitude of a measuring signal as a quantitative measure of the quality deviation is detected.

Method according to at least one of claims 2 to 6, characterized in that with respect to the welding direction (R) the movement of a rear interface ( 14 ) of Keyholes ( 12 ) is observed.

Method according to at least one of claims 2 to 7, characterized in that with respect to the welding direction (R) the movement of a front boundary surface ( 13 ) of the molten bath ( 11 ) is observed.

A method according to claim 7 and 8, characterized in that is recognized as a quality deviation when the front interface ( 13 ) of the molten bath ( 11 ) Opposite to the rear interface ( 14 ) of Keyholes ( 12 ) emotional.

A method according to claim 9, characterized in that is recognized as a quality deviation, when based on the welding direction (R), the front interface ( 13 ) of the molten bath ( 11 ) forward and the rear interface ( 14 ) of Keyholes ( 12 ) moves backwards.

Method according to at least one of claims 2 to 10, characterized in that a change of a shape ( 14 ' ) of Keyholes ( 12 ) is used to assess the quality deviation.