DE4027714C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Einschweißtiefe bei Überlapp-Schweißverbindungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Über­ wachung der Einschweißtiefe bei Überlapp-Schweißverbindun­ gen während eines Laser-Schweißvorganges an Teilen, die eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen.

Beim Verschweißen von metallischen Werkstoffen erweist sich die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe unter metallurgischen und verfahrenstechnischen Gesichtspunkten als kritisch. Um die besonderen Eigenschaften der Aus­ gangsmaterialien für den jeweiligen Anwendungsfall, wie z. B. das Korrosionsverhalten, magnetische Eigenschaften, die Legierungs- und Ausscheidungsverteilung, die Festig­ keit, das Verschleißverhalten usw. weitgehend zu erhalten, müssen die thermische Beeinflussung der Basiswerkstoffe und damit die aufgeschmolzenen Zonen gering gehalten wer­ den.

Um diese Forderungen erfüllen zu können, ist es insbeson­ dere bei Überlappschweißvorgängen erforder­ lich, die Schweißnaht darauf zu kontrollieren, ob eine vollständige Tiefenverschweißung vorliegt. Dies ist insbe­ sondere beim Laserstrahlschweißen von Bedeutung, das sich durch ein besonders hohes Verhältnis von Nahttiefe zu Nahtbreite auszeichnet.

Weiterhin ist es beim Fügen unterschiedlicher metallischer Werkstoffe im Überlappstoß erforderlich, eine genau defi­ nierte Einschweißtiefe einzuhalten, um zu gewährleisten, daß die optischen, chemischen, elektronischen Eigenschaf­ ten usw. der mit einem Substrat zu verschweißenden Bautei­ le, wie beispielsweise von Elektroden, nicht verändert werden.

Hierbei ist eine Mindesteinschweißtiefe sicherzustellen, die beide Materialien zwar verbindet, gleichzeitig aber die für Durchschweißungen charakteristischen hohen Durch­ mischungsgrade beider Werkstoffe an der Oberfläche des zu fügenden Bauteils vermeidet.

Es ist bislang kein Verfahren bekannt, das eine Überwa­ chung der Einschweißtiefe beim Überlappstoß mit der in vielen Anwendungsfällen erforderlichen Genauigkeit gewähr­ leistet.

Aus der DE 33 44 683 C2 ein kontrollierbares Nahtmitten­ schweißverfahren bekannt, doch wird diese Technik aus­ schließlich für konventionelle Schweißtechniken, wie bei­ spielsweise Lichtbogenschweißen und Plasmaschweißen ange­ wendet. Die bei konventionellen Schweißtechniken auftre­ tenden Schweißstellen sind um wenigstens eine Größen­ ordnung größer als die Schweißgebiete, die im Wege des Laserschweißens erreichbar sind. Mit diesen verhältnismä­ ßig großflächigen, konventionellen Schweißverfahren können jedoch keine Überlapp-Schweißverbindungen realisiert werden, da das Obermaterial zu sehr aufgeschmolzen würde, bis die Schweißstelle das Untermaterial miterfaßt.

Aus der DE 35 07 299 A1 geht ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Steuern des Schweißens von wenigstens zwei Metallteilen hervor, die beispielsweise mit einem Laser verschweißt werden. Es wird ausgeführt, daß die Analyse des aus dem aufgeschmolzenen Bereich emittierten Lichtes ausschließlich zur Überwachung der Schweißtiefe verwendet wird. Ausdrücklich wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß das in dieser Druckschrift beschriebene Verfahren keine selektive Vermessung einzelner Spektrallinien betrifft, sondern ausschließlich die Messung der Strahlungsintensität des gesamten aus dem Schmelzbad herrührenden Lichts, das verständlicher­ weise auch nur auf den Energiegehalt innerhalb des Schmelzbades im Ganzen schließen läßt und nicht auf wei­ tere Einzelheiten, wie beispielsweise eine exakte räumliche Lageinformationen des Laserstrahles innerhalb des Schweißgutes.

Schließlich liegt dem Aufsatz, "Untersuchung akustischer und optischer Meßverfahren zur Diagnose des Laserstrahl­ schweißens" aus "Schweißen und Schneiden", 1990, Heft 7, S. 333-337, die Erkenntnis zu Grunde, daß das Emissionslicht, das aus dem Laserschweißplasma herrührt, dahingehend analysiert werden kann, Schweißfehler, wie beispielsweise Risse, Poren und Bindefehler, während des Schweißvorganges selbst zu ermitteln. Grundlage der Analyse ist auch in diesem Fall die Emissionsstrahlung, die von dem Schweißbad als ganzem herrührt.

Zusammenfassend kann daher zum Stand der Technik, das Laserschweißen betreffend, festgestellt werden, daß bislang nur Untersuchungen während des Laserschweißprozesses angestellt worden sind, die sich auf die deponierte Energie und ihre Auswirkungen auf das Schweißgut beziehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Überwachung von Laser-Schweißvorgängen an Teilen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens anzu­ geben, das bei der Ermittlung der Einschweißtiefe bei Überlapp-Schweißverbindungen mit der für gute Schweiß­ verbindungen erforderlichen Genauigkeit erlaubt.

Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist mit ihren Weiterbildungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß die Leuchtdichte des Laserstrahl-induzierten Plasmas im Spektralbereich wenigstens einer Spektrallinie mindestens eines Elements, das im wesentlichen nur in einem der zu verschweißenden Teile enthalten ist, trotz sehr kleinem Schmelzbereich ausreicht, um aus dem zeitlichen Verlauf der Leuchtdichte auf die Einschweißtiefe des Schweißvorganges zu schließen. Erfindungsgemäß werden die Leuchtdichte des Laserstrahl­ induzierten Plasmas im Spektralbereich wenigstens einer Spektrallinie für mindestens so viele Elemente, wie Teile verschweißt werden sollen, und von den jedes im wesentlichen nur in einem der zu verschweißenden Teile enthalten ist, erfaßt und das Verhältnis der Leuchtdichte im Bereich einer Spektrallinie eines in dem einen Teil enthaltenen Elements zur Leuchtdichte im Bereich einer Spektrallinie eines in dem anderen Teil enthaltenen Elements gebildet und derart bewertet, daß zur Einstellung einer für den Laser-Schweißvorgang bestimmten Einschweißstiefe, die Prozeßgeschwindigkeit des Laserstrahls auf den zu verschweißenden Teilen und/oder die Laserleistung in Abhängigkeit des Signalverhältnisses, geregelt wird.

Es kann auf diese Weise die Einschweißtiefe im Über­ lappungsbereich während des Bearbeitungsprozesses bestimmt werden, so daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine geregelte Einschweißung zur Verbindung zweier Materialien zu gewährleistet ist.

Voraussetzung für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in jedem Falle, daß sich die zu verbinden­ den Materialkombinationen in ihrer Zusammensetzung (Legie­ rungskonzentration) in mindestens einem Legierungselement unterscheiden.

Die Erfindung wird nachstehend ohne anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des erfindungsge­ mäßen Grundprinzips,

Fig. 2a bis 2c schematisch einen Einschweißvorgang bei Überlappverbindungen

Fig. 3 die Linienintensitäten mit zunehmender Ein­ schweißtiefe, und

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt schematisch einen mit einem Laserstrahl 1 ausgeführten Tiefschweißprozeß. Aus der Wechselwirkungs­ zone des Laserstrahls 1 mit einem Werkstück 4 wird ein laserstrahlinduziertes Plasma 2 emittiert, das unter anderem von angeregten Metalldampfatomen aus einer Dampfkapillare im aufgeschmolzenen Bereich 3 des Werkstücks 4 herrührt. Die Sekundärstrahlung setzt sich - wie in dem kleinen Teilbild in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, in dem die Leuchtdichte I als Funktion der Wellenlänge λ/nm aufgetragen ist - neben der thermischen Untergrundstrah­ lung der Schmelze 3 aus diskreten Spektrallinien des Grundwerkstoffes A sowie der in ihm gelösten Legierungs­ elemente (B, C . . . ) zusammen. Die Leuchtdichte der jeweili­ gen Spektrallinien (A)_i, (B)_i, (C)_i . . . eines be­ stimmten Legierungselementes A, B, C . . . ist neben der ein­ gesetzten Prozeßgasart und Flußdichte, der Intensität des Laserstrahles und der Anregungsenergie direkt proportional zu der Legierungskonzentration und dem Partialdruck dieses Legierungselementes in der Dampfkapillare.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen einen Einschweißvorgang an Werkstück­ en, die aus unterschiedlichen Materialien A und B beste­ hen, im Überlapp für verschiedene Einschweißtiefen. Dabei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den selben Bezugszeichen versehen, so daß wie auch in den folgenden Figuren - auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird. Die Schweißrichtung verläuft in Fig. 2 von recht nach links. In den kleinen Teilbildern sind die zugeordneten Intensitäten I der korre­ spondierenden Spektrallinien (A)_{1 . . . n} und (B)_{1 . . . n} als Funktion der Wellenlänge beim Einschweißen in unter­ schiedliche Werkstoffe A und B in Abhängigkeit von der Einschweißtiefe dargestellt.

Die aktuelle Zu­ sammensetzung des Metalldampfes in der Schweißkapillare und damit der Leuchtdichte der Spektrallinien oberhalb des Werkstückes ist in erster Näherung proportional dem aufge­ schmolzenen Volumen der jeweiligen zu verschweißenden Reinstoff- und/oder Legierungskombination.

Änderungen der Eindringtiefe des Laserstrahl 1 in die zu ver­ schweißenden Werkstücke A und B, äußern sich während des Bearbeitungsprozesses in einer der aufgeschmolzenen Legie­ rungspartner proportionalen Verschiebung der Metalldampf­ konzentration und damit in der kontinuierlichen Anpassung der spektralen Verteilung des laserinduzierten Plasmas.

Dabei zeigt Fig. 2a den Fall, daß die Schmelze 3 nicht bis in den Werkstoff B "reicht", während Fig. 2b den Fall zeigt, daß der Werkstoff B geringfügig aufgeschmolzen wird. Fig. 2c zeigt den Fall, daß eine "Durchschweißung" erfolgt.

Fig. 3 zeigt, daß die Linienintensitäten des Werkstoffes B mit zunehmender Einschweißtiefe, d. h. als Funktion der "Verweilzeit" t_s des Laserstrahls an einer Stelle, durch die Anreicherung der Metalldampfkonzentration mit B in der Dampfkapillare kontinuierlich zunehmen und bei der Durch­ schweißung einen Sättigungswert erreichen. Die Linienin­ tensität des Werkstoff A ist entsprechend nahezu konstant.

In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsge­ mäßen Vorrichtung zum geregelten Einschweißen unter­ schiedlicher metallischer Werkstoffe mit einem Laserstrahl 1 im Überlapp dargestellt. Die während des Tiefschweiß­ vorganges zu beobachtenden Plasmafluktuationen werden über einen Doppel-Lichtwellenleiter 11 und zwei optische Bandpaßfilter 12 mit unterschiedlichen Schwerpunktwellenlän­ gen λ₁ bzw. λ₂ auf Fotodetektoren 13 geführt, deren Aus­ gangsanschlüsse jeweils mit Verstärkern 14 verbunden sind. Die jeweiligen Transmissionsbereiche der Filtermaterialien der Bandpaßfilter 12 sind so gewählt, daß geeignete nur mit A bzw. B korrespondierende Spektrallinien und/oder zugehörige Spektralbereiche der Plasmastrahlung auf die Fotodetektoren 13 auftreffen.

Für die zur Regelung notwendige zeitliche Mittelung des Plasmasignales werden die hochfrequenten Strahlungsanteile mit Hilfe von Tiefpaßfiltern 15 unterdrückt. Die Ausgangs­ anschlüsse der Tiefpaßfilter 15 sind mit einem Verglei­ cher 16 verbunden, dessen Ausgangsanschluß mit einem Schwellwertgeber 17 verbunden ist. Durch die Skalierung der Meßsignale von A und B können Störungen der Signalpe­ gel von außen, die z. B. durch toleranzbedingte Parameter­ variationen hervorgerufen werden, unterdrückt werden, da sie gleichermaßen auf A wie auch auf B wirken.

Weiterhin ist das Signalverhältnis B/A und/oder A/B, das der Vergleicher 16 bildet, nach Fig. 3 ein Maß für die aktuelle Einschweißtiefe des Laserstrahles.

Bewegt sich das B/A- und/oder A/B-Signal innerhalb eines näher zu bestimmenden Bereiches (z. B. Linien b-c in Fig. 3), der durch den Schwellwertgeber 17 festgelegt ist, so werden die Materialien A und B gleichermaßen aufge­ schmolzen und ergeben einen innigen Verbund. Beim Über- oder Unterschreiten dieser Schwellen ist ein optimales Schweißergebnis durch eine zu geringe Aufschmelzung von A oder B nicht mehr gewährleistet, so daß eine CNC-Steuerung 18 ein Signal zur Korrektur der Prozeßgeschwindigkeit v erhält und/oder die Leistung P₁ eines Lasers 1′ geregelt werden kann.

In jedem Falle haben das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Reihe von Vorteilen, von den insbesondere zu nennen sind:

• - Eine On-line Bestimmung der aktuellen Einschweißtiefe bei Über­ lappverbindungen ist möglich.
• - Ferner besteht die Möglichkeit zur geregelten Ein­ schweißung durch Steuerung der Laserleistung und/oder Prozeßgeschwindigkeit.
• - Letzlich ist es möglich, Durchschweißungen zur Ver­ meidung hoher Durchmischungsgrade zu verhindern.

Vorstehend ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbei­ spiels ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedan­ kens beschrieben worden: Beispielsweise ist es möglich, daß von jedem Element mehr als zwei Spektrallinien erfaßt und die Intensitätsverhältnisse der für jedes Element erfaßten Spektrallinien zur Korrektur der Meßergebnisse herangezogen werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Überwachung der Einschweißtiefe bei Überlapp-Schweißverbindungen während eines Laser-Schweiß­ vorganges an miteinander zu verschweißenden Teilen, die jeweils eine unterschiedliche Materialzusammensetzung aufweisen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leuchtdichte des Laser­ strahl-induzierten Plasmas im Spektralbereich wenigstens einer Spektrallinie für mindestens so viele Elemente, wie Teile verschweißt werden sollen, und von den jedes im wesentlichen nur in einem der zu verschweißenden Teile enthalten ist, erfaßt wird, und
daß das Verhältnis der Leuchtdichte im Bereich einer Spektrallinie eines in dem einen Teil enthaltenen Elements zur Leuchtdichte im Bereich einer Spektrallinie eines in dem anderen Teil enthaltenen Elements gebildet und derart bewertet wird,
daß zur Einstellung einer für den Laser-Schweißvorgang bestimmten Einschweißtiefe, die Prozeßgeschwindigkeit des Laserstrahls auf den zu verschweißenden Teilen und/oder die Laserleistung in Abhängigkeit des Signalverhältnisses, geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für jedes Element die Leucht­ dichten in den Bereichen wenigstens zweier Spektrallinien gemessen und bewertet werden.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Fotodetektor (13) vorgesehen ist, der die Leuchtdichte (1) des Laser­ strahl-induzierten Plasmas (2) in einem bestimmten eine Spektrallinie eines Elements, das im wesentlichen nur in einem der zu verschweißenden Teile (A bzw. B) enthalten ist, erfaßt, und dessen Ausgangssignal an eine Auswerte- und Steuereinheit (14 . . . 18) angelegt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei Fotodetektoren (13) vorgesehen sind, von denen jeder jeweils die Leucht­ dichte (1) des Laserstrahl-induzierten Plasmas (2) in einem bestimmten eine Spektrallinie eines Elements, das im wesentlichen nur in einem der zu verschweißenden Teile (A bzw. B) enthalten ist, erfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuerein­ heit Tiefpaßfilter (15) zur Unterdrückung hochfrequenter Leuchtdichtefluktuationen aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuerein­ heit die Ausgangssignale der wenigstens zwei Fotodete­ ktoren (13) vergleicht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuerein­ heit Quotienten aus den Ausgangssignalen der Fotodete­ ktoren (13) bildet.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte- und Steuerein­ heit die Position des Laserstrahls (1) und/oder die Laser­ leistung steuert.