DE4313287A1 - Verfahren und Vorrichtung zur On-Line Kontrolle und -Regelung der Einschweißtiefe beim Laserstrahlschweißen - Google Patents

Description

Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Laserstrahl­ schweißen.

Die breite und flexible Anwendung des Lasers in verschiedenen automatisierten Bearbeitungsverfahren erfordert spezielle Kontroll- und Überwachungsmetho­ den, die eine On-Line Qualitätskontrolle oder Steuerung der Prozesse ermögli­ chen.

Ein wichtiger Kontrollpunkt zur Qualitätssicherung ist die korrekte Schweißtiefe. Beim Verschweißen von Karosserieteilen, im Überlappstoß z. B., ist es notwen­ dig, eine definierte Schweißtiefe einzuhalten, damit einerseits die Haltbarkeit der Schweißnaht gewährleistet ist, andererseits aber auf der Außenhaut keine Naht­ stelle sichtbar ist.

Stand der Technik

Es sind bislang diverse Vorschläge zur On-Line Kontrolle der Einschweißtiefe beim Laserstrahlschweißen bekannt - keiner von ihnen befriedigt jedoch voll­ ständig.

In der DE 34 06 380 ist eine Vorrichtung beschrieben, bei der ein optoelektri­ scher Wandler auf die Schweißstelle ausgerichtet ist, der die integrierte Strah­ lungsintensität des Schweißplasmas mißt. Diese ändert sich insbesondere dann, wenn sich die Schweißtiefe ändert. Die detektierten Ausgangssignale werden in einem Steuergerät mit einem in vorgehenden Probeschweißungen ermittelten Sollwert einer optimalen Schweißnaht verglichen. Bei Abweichungen vom Soll­ wert wird ein Stellglied zur vertikalen Brennpunktverlagerung betätigt und damit die Einschweißtiefe nachgeregelt.

Eine weitere Methode zur Prozeßkontrolle der Einschweißtiefe ist in der Zeit­ schrift Wissenschaft und Technik (Mai 1992, S. 30) beschrieben. Hierbei wird die Emission des Schweißplasmas mit Spektrographen detektiert. Bei diesem Ver­ fahren wird entweder die spektrale Strahlung von Eisen- oder Legierungsionen herangezogen oder die des in das Einstichloch hineindiffundierten ionisierten Schutzgases (z. B. Argon). Mit dieser Vorgehensweise können die Übergänge zwischen Einschweißung, teilweiser und vollständiger Durchschweißung gut er­ kannt werden. Darüberhinaus zeigt das spektrale Intensitätssignal unter idealen Bedingungen eine funktionelle Abhängigkeit von der Einschweißtiefe. Dies ge­ stattet bei einer günstigen Gestaltung der Oberfläche des Werkstücks eine Pro­ zeßregelung, vorzugsweise durch eine Korrektur der Laserleistung oder der Vorschubgeschwindigkeit.

Die bekannten Methoden eignen sich jedoch nicht, spontane, prozeßbedingte Schwankungen der Einschweißtiefe auszugleichen. Solche prozeßbedingten Schwankungen werden durch Werkstückinhomogenitäten und Oberflächenver­ schmutzung verursacht. Sie können auch durch kleine Änderungen der Laser­ leistung, die durch den Schweißprozeß, beispielsweise aufgrund von Abschirm­ effekten, hervorgerufen werden.

Weitere Nachteile der genannten Verfahren sind, daß sich Drifteinflüsse, wie eine Dejustierung der Detektoroptik, z. B. aufgrund von Vibrationen sowie zeitliche Schwankungen in der Detektorsensitivität, empfindlich auf die Prozeßregelung auswirken und eine Abweichung der Einschweißtiefe vom Sollwert nach sich ziehen.

Ziel der Erfindung

Ausgehend von dem oben gewürdigten Stand der Technik, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Laserstrahl­ schweißen bereitzustellen, mit der eine präzise On-Line Kontrolle und -Regelung der Einschweißtiefe gewährleistet ist.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 9 gelöst. Bevorzugte Weiterentwicklungen sind in den Unteransprüchen aufge­ führt.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung beruht auf folgendem experimentellen Befund:

Die Einschweißtiefe ist eine Funktion der Temperaturverteilung des laserindu­ zierten Schweißplasmas oberhalb des Werkstücks, die wiederum abhängig von der eingebrachten Laserleistung und von der Schweißgeschwindigkeit ist. Ein geeignetes Maß für diese Temperaturverteilung ist das Verhältnis der Anzahl der Ionen zweier verschiedener Ionisationsstufen im Plasma. Dieses Verhältnis weist eine exponentielle Abhängigkeit von der Temperatur auf, und ist somit eine ge­ eignete Größe für die Temperaturmessung. Eine einfache Bestimmung dieses Konzentrationsverhältnisses ist über die Detektion des Intensitätsverhältnisses zweier ausgewählter Spektrallinien, die von den Ionen der unterschiedlichen Ionisationsstufen emittiert werden, möglich. Bei diesem Verfahren können ins­ besondere auch Spektrallinien von Ionen der Ionisationsstufe "0", d. h. von neu­ tralen Atomen, herangezogen werden.

Beim Laserstrahlschweißen besteht das Schweißplasma im wesentlichen aus Atomen und Ionen des Grundmaterials des Werkstücks. Das bevorzugte Verfah­ ren besteht darin, die Ionen- bzw. Atomlinien des Grundmaterials zur Detektion heranzuziehen, insbesondere aufgrund der großen spektralen Intensität. Beim Schweißen von Stahl beziehen sich die spektralen Intensitäten somit auf die Ei­ senionen bzw. Eisenatome.

Der Vorteil der Erfindung besteht in einer einfachen On-Line Kontrolle und -Regelung der Einschweißtiefe, bei der spontane, prozeßbedingte Schwan­ kungen, die z. B. durch Werkstücksinhomogenitäten oder Oberflächenver­ schmutzungen verursacht werden, kompensiert werden können. Weiterhin lassen sich durch das erfindungsgemäße Verfahren beliebige Einschweißtiefenprofile realisieren.

Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen das erfindungsge­ mäße Verfahren sowie ein Ausführungsbeispiel einer darauf basierenden Vor­ richtung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die räumliche Verteilung des Intensitätsverhältnisses einer Ionen- und Atomspektrallinie des Plasmas

Fig. 2 die Änderung des Intensitätsverhältnisses einer Ionen- und Atomlinie mit der Vorschubgeschwindigkeit

Fig. 3 den Verlauf des Intensitätsverhältnisses bei einer Leistungsrampe

Fig. 4 schematische Darstellung von Eichkurven zur Regelung einer defi­ nierten Einschweißtiefe bei Variation der Laserleistung bzw. der Vor­ schubgeschwindigkeit

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel zur On-Line-Regelung der Einschweißtiefe nach dem erfindungsgemäßen Verfahren.

Zur Veranschaulichung der Erfindung ist in Fig. 1 das gemessene ortsaufgelö­ ste Intensitätsverhältnis einer Ionenlinie (Fe I; 458,3 nm) und einer atomaren Li­ nie (Fe 0; 449,4 nm) von Eisen in unmittelbarer Umgebung der Schweißstelle dargestellt. Mittels dieses Intensitätsverhältnisses läßt sich die exakte Tempera­ turverteilung des Plasmas bestimmen.

Bei der Auswahl der spektralen Linien für die Ermittlung der Temperaturvertei­ lung ist das wesentliche Kriterium die Anregungsenergie dieser Linien. Einerseits muß die Anregungsenergie niedrig genug sein, damit diese im Plasma über­ haupt auftritt, andererseits müssen die Anregungsenergien von Ionenlinie und atomarer Linie weit genug auseinander liegen, damit sich die in Fig. 1 darge­ stellten Inhomogenitäten aufgrund der Temperaturverteilung ausbilden.

Ferner ist darauf zu achten, daß die zu detektierenden Linien nicht von evtl. auf­ tretenden Linien eines Legierungselementes überlagert sind. In der Regel treten Linienüberdeckungen nur bei hochlegierten Stählen vereinzelt auf.

Bei beschichteten Werkstoffen, z. B. verzinkten Blechen ist zusätzlich das Auf­ treten von Linien der Beschichtungselemente zu überprüfen.

Die Wellenlänge der Linien ist nur insofern von Bedeutung, daß die ausgewähl­ ten Linien separat auflösbar sowie ausreichend strahlungsintensiv sein müssen.

Das bevorzugte Verfahren besteht darin, zur Bestimmung der Einschweißtiefe eine gemittelte Temperatur des Plasmas heranzuziehen. Da sich bei einer Ände­ rung der Einschweißtiefe nicht nur die Temperaturverteilung im Plasma, sondern auch die Plasmaausdehnung ändert, wird bei dieser Variante das Verhältnis von Ionenlinie zu atomarer Linie über die gesamte Plasmaausdehnung integral de­ tektiert. Bei diesem Verfahren sind somit keine ortsauflösenden Detektoren oder ein Abscannen der Plasmaoberfläche erforderlich.

Das Verfahren zur On-Line Überwachung der Schweißtiefe wird anhand der Fig. 2 bis 4 am Beispiel des Laserstrahlschweißens von Stahl präsentiert.

Fig. 2 zeigt die Änderung des Signals ΔS aus dem Verhältnis der Intensitäten der Ionenlinie λ = 458,3 nm und der atomaren Linie λ = 449,4 nm (Fe I/Fe 0) mit der Variation der Schweißgeschwindigkeit V bei konstanter Laserleistung. Das spektrale Intensitätsverhältnis, ein Maß für die Einschweißtiefe, weist dem­ nach eine empfindliche Korrelation mit der Vorschubgeschwindigkeit auf.

Fig. 3 gibt den Verlauf des Intensitätsverhältnisses S obiger Linien für eine Lei­ stungsrampe der Laserstrahlung bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit wie­ der. Hier ist das Linienverhältnis in Echtzeit dargestellt. Mit zunehmender Laser­ leistung steigt das Intensitätsverhältnis und die Einschweißtiefe an.

Mittels der Messung des Linienverhältnisses ist eine einfache Regelung der Ein­ schweißtiefe durch die Variation von Prozeßparametern wie der Laserleitung, Vorschubgeschwindigkeit, etc. realisierbar.

Mit der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Konstanthaltung der Ein­ schweißtiefe beim Laserstrahlschweißen in Echtzeit über spektrale Signale des laserinduzierten Schweißplasmas zu kontrollieren. Das Verhältnis der Linienin­ tensitäten liefert ein geeignetes Kontrollsignal. Wird als Referenzsignal die Schweißgeschwindigkeit oder die Laserleistung gemessen, so läßt sich aus einer Änderung des Kontrollsignals die Änderung der Einschweißtiefe erkennen.

Die Bestimmung der Schweißtiefe aus dem Linienverhältnis ist möglich, da das Linienverhältnis bei jeder Geschwindigkeit und bei jeder Laserleistung mit der Temperaturverteilung des Schweißplasmas, d. h. mit der Länge der Schweißka­ pillare, korreliert ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, eine Regelung zur defi­ nierten Einschweißung zu realisieren, wobei die Laserleistung und die Schweiß­ geschwindigkeit die einstellbaren Parameter sind. Hierbei dient das Verhältnis der Linienintensitäten als Regelsignal. Aufgrund der in den Fig. 2 und 3 ge­ zeigten Abhängigkeiten kann bei konstanter Leistung durch die Variation der Geschwindigkeit über das Regelsignal die Schweißtiefe gesteuert werden. Bei konstanter Geschwindigkeit kann die Schweißtiefe durch Veränderung der La­ serleistung durch das Regelsignal gesteuert werden. Für ein solches Regelver­ fahren werden Eichkurven benötigt.

In Fig. 4 sind Eichkurven zur Regelung der Einschweißtiefe E schematisch dar­ gestellt. Das Kontrollsignal ist durch das Intensitätsverhältnis S einer Ionen- und Atomlinie (Fe I/Fe 0) gegeben.

Die Steuerung erfolgt durch eine Variation der Laserleistung P - dargestellt durch die Kurvenschar - oder der Vorschubgeschwindigkeit V. Über die Einschweiß­ kurve wird für die Laserleistung P₁ das Intensitätsverhältnis S bestimmt, das der gewünschten Einschweißtiefe entspricht. Während der Schweißung, z. B. mit konstanter Leistung P₁, kann dann die Vorschubgeschwindigkeit so nachgere­ gelt werden, daß die gewünschte Einschweißtiefe erreicht wird.

Gespeicherte Eichkurven erlauben gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Realisierung beliebiger Einschweißtiefenprofile in Schweißvorgängen.

Es ist auch möglich, durch verschiedene Einstellungen die gleiche Einschweiß­ tiefe E = E (V₁, P₁) = E (V₂, P₂) zu erzielen. Schwankt während der Schweißung die Laserleistung, beispielsweise von P₁ auf P₂, so kann der Signalwert S und damit die Einschweißtiefe konstant gehalten werden, indem die Geschwindigkeit von V₁ nach V₂ nachgeregelt wird.

Keine Eichkurven sind für den Fall erforderlich, daß eine konstante Einschweiß­ tiefe während des Schweißprozesses beibehalten werden soll. Hier müssen die Schweißparameter nur insofern nachgeregelt werden, daß das Intensitätsver­ hältnis der Spektrallinien konstant bleibt.

In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur On-Line Kontrolle und -Regelung der Einschweißtiefe, basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren, dargestellt.

Die Anlage beinhaltet als Kernstück einen Laser, dessen Strahl (4) als Pfeil dar­ gestellt ist, einen optischen Wandler (11, 5, 6, 7), bestehend aus einem Spektro­ meter - z. B. Monochromator (6) mit einem oder mehreren Detektoren (7) -, so­ wie eine Rechner- (8) und Steuereinheit (9). Die Strahlung des Plasmas (3) des zu bearbeitenden Werkstücks (2) wird idealerweise über einen mit einer Ein­ koppeloptik (11) versehenen Lichtleiter (5), der auf die Schweißstelle gerichtet ist, an das Spektrometer weitergeleitet. Das Spektrometer besteht im einfachsten Fall aus geeigneten schmalbandigen optischen Filtern. Eine Alterna­ tive, insbesondere bei eng benachbarten Linien, besteht in der Verwendung von Gitterspektrometern. Die elektrischen Signale der Detektoren (7) (z. B. Photodi­ oden) werden in den Rechner (8) eingespeist und mit dem Sollwert verglichen. Der Rechner ermittelt die Regelparameter, wie z. B. die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit und gibt die Daten an die Steuereinheit (9) weiter. Eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit wird beispielsweise über den Motor (10) vorgenommen, der den Verfahrtisch (1) antreibt.

Claims (5)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung, bei dem die Einschweißtiefe mit Hilfe optischer Signale, die aus dem von der Laser­ strahlung an der Werkstückoberfläche induzierten Plasma gewonnen wer­ den, überwacht und geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Maß für die Einschweißtiefe aus dem Verhältnis der spektralen In­ tensitäten zweier Ionenlinien unterschiedlicher Ionisationsstufen eines chemischen Elements, das sich im Fokus der Laserstrahlung befindet, ge­ wonnen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das spektrale Intensitätsverhältnis einer Ionenlinie und einer atomaren Linie bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das chemische Element Bestandteil des Werkstücks ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem chemischen Element um Eisen handelt.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Bestimmung des Verhältnisses der spektralen Intensitäten über das gesamte Schweißplasma gemittelt wird.