DE4442238C1 - Verfahren zur thermischen Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere mittels Laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es auch schon aus der DE 42 17 292 A1 bekannt ist.

Im Zusammenhang mit Laser-Schweißprozessen ist es bereits aus der EP 0 344 339 A1 sowie aus dem Aufsatz von W. Gatzweiler et al "Messung von Plasmadichtefluktuationen und Schallemission beim Laserstrahlweißen zur Prozeßüberwachung" Laser und Optoelektronik 20, H. 5, Seiten 64 bis 69 (1988) bekannt, mit Hilfe von Photodetektoren die durch das Werkstück bzw. das Schweißplasma emittierten Strahlung zu messen und aus ihrer mittleren Intensität auf die Prozeßparameter bzw. die Prozeßqualität zu schließen.

In dem Aufsatz von L. Li et al "Laser weld quality monitoring and fault dia­ gnosis", Proceedings International Conference on "Laser systems applica­ tion in industry" (Torino, Italien, Nov. 1990) wird vorgeschlagen mit einer isolierten Düsenelektrode die durch das Schweißplasma verursachten elektrischen Ladungsverteilungen zu messen und zur Prozeßdiagnose heranzuziehen.

Ferner ist aus dem Aufsatz von A. Topkaya und E. Foldvari "Height sensor offers precise control of Nd:YAG laser cutting and welding", Industrial La­ ser Review, November 1993, Seiten 17 bis 18 bereits bekannt, daß beim La­ serschweißen Schwankungen der durch eine kapazitive Abstandssensorik gemessenen Kapazität zwischen Sensorelektrode und Werkstück auftre­ ten.

Der Erfindung hegte die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs ge­ nannten Art so weiterzubilden, daß ohne zusätzlichen apparativen Auf­ wand eine einwandfreie Überwachung der thermischen Bearbeitung des Werkstücks möglich ist.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patent­ anspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Das Vorliegen des Fehlersignals deutet dann unmittelbar auf eine fehlerhafte thermische Bear­ beitung des Werkstücks hin. Dabei kann die Referenzverteilung in Über­ einstimmung mit zu überwachenden Prozeßparametern vorgegeben sein.

Durch das Fehlersignal kann der Bearbeitungsprozeß des Werkstücks abgebro­ chen oder es können Prozeßparameter nachgestellt bzw. verändert werden. Dabei kann die Referenzverteilung auch durch solche Meßkapazitäten-Häufig­ keitsverteilungen korrigiert werden, für die kein Fehlersignal gene­ riert wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus dem Ver­ lauf der Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung ein Überwachungssignal erzeugt, so daß das Überwachungssignal mit einem aus der Referenzver­ teilung generierten Referenzsignal verglichen werden kann. Bei Abwei­ chung des Überwachungssignals vom Referenzsignal kann dann das be­ reits erwähnte Fehlersignal gebildet werden. Eine besonders einfache Be­ reitstellung des Überwachungssignals kann dadurch erfolgen, daß die Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung integriert wird.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung wird die Meßkapazitä­ ten-Häufigkeitsverteilung nur über einen Zeitraum gebildet, der kurz ist gegenüber der Gesamtzeit der thermischen Bearbeitung des Werkstücks, um auf diese Weise möglichst frühzeitig das Ergebnis über die Qualität der Werkstückbearbeitung erfahren zu können.

Es hat sich herausgestellt, daß das Überwachungssignal auch nur unter Verwendung eines vorbestimmten Abschnitts des Verlaufs der Meßkapazi­ täten-Häufigkeitsverteilung generiert werden kann, wobei dieser Ab­ schnitt außerhalb des Maximums dieser Verteilung liegt. Wird nur dieser vorbestimmte Abschnitt berücksichtigt, so läßt sich das Überwachungs­ signal wesentlich schneller erzeugen, so daß noch früher eine Aussage über die Qualität des Bearbeitungsprozesses möglich ist. Die Lage dieses vor­ bestimmten Abschnitts wird in Übereinstimmung mit zu überwachenden Prozeßparametern gewählt, wie bereits eingangs angedeutet.

Die thermische Bearbeitung des Werkstücks kann z. B. mittels eines La­ serstrahls durchgeführt werden, wobei zu diesem Zweck eine Laserbear­ beitungsdüse zum Einsatz kommen kann. Allerdings ist das erfindungsge­ mäße Verfahren nicht auf die Verwendung eines Laserstrahls zur thermi­ schen Bearbeitung des Werkstücks beschränkt.

Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar. Es zei­ gen:

Fig. 1 bei einem Laserbearbeitungswerkzeug die abgestrahlte Laserlei­ stung in Abhängigkeit der Zeit,

Fig. 2 die in Übereinstimmung mit dem Diagramm nach Fig. 1 gemesse­ ne Meßkapazität zwischen Sensorelektrode und Werkstück,

Fig. 3 eine Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung bei einer einwand­ freien Schweißung,

Fig. 4 eine Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung bei einer Schweißung mit zu hoher Vorschubgeschwindigkeit,

Fig. 5 eine Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung bei einer anderen ein­ wandfreien Schweißung,

Fig. 6 eine Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung bei einer Schweißung mit zu geringer Laserintensität des Laserbearbeitungswerkzeugs, und

Fig. 7 ein schematisch dargestelltes Blockdiagramm des Aufbaus eines Laserbearbeitungswerkzeugs mit angeschlossener Elektronik.

Gemäß Fig. 1 wird von einem Nd:YAG-Laser Laserstrahlung pulsförmig abgestrahlt. Dieser Laserstrahlung wird z. B. zum Schweißen zweier Stahlbleche verwendet. In den Pulspausen ist, wie die Fig. 2 erkennen läßt, das Kapazitätssignal relativ konstant. Dagegen schwankt die Kapazi­ tät während der Laserpulse beträchtlich, und zwar infolge der Änderungen der Dielektrizitätskonstanten aufgrund des fluktuierenden Plasmas. Im Mittel verursacht das Plasma eine Zunahme der Dielektrizitätskonstanten und damit der Meßkapazität im Vergleich zum Sollwert.

Die infolge des Plasmas bei der thermischen Bearbeitung auftretenden Än­ derungen der Meßkapazität C_Meß zwischen einer an der Spitze des Laser­ bearbeitungswerkzeugs vorhandenen Sensorelektrode und dem Werk­ stück werden ausgewertet, indem während der Bearbeitung sequentiell die Meßkapazität C_Meß aufgenommen und daraus eine Häufigkeitsvertei­ lung errechnet wird. Ermittelt man die Meßkapazität C_Meß mit z. B. einer Abtastrate von 20 kHz, so treten bezogen auf die Prozeßparameter typische Verteilungskurven auf, die in den Fig. 3 bis 6 gezeigt sind.

Die Fig. 3 zeigt die Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung beim Über­ lappschweißen von Stahlblechen mit einem Nd:YAG-Laser. Bei dem Soll­ wert der Kapazität gemäß Fig. 2 hat die Meßkapazitäten-Häufigkeitsver­ teilung gemäß Fig. 3 ein Maximum. Ist allerdings die Vorschubgeschwin­ digkeit des Laserbearbeitungswerkzeugs zu hoch (z. B. 1,5 m pro Minute statt 1 m pro Minute), so treten große Kapazitätsschwankungen mit einer charakteristisch größeren Häufigkeit auf (siehe Fig. 4) als bei der opti­ malen Vorschubgeschwindigkeit gemäß Fig. 3. Wird nun die gemessene Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung gemäß Fig. 4 mit einer zuvor fest­ gelegten und vorbestimmten Referenzverteilung verglichen, die z. B. der Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung gemäß Fig. 3 entspricht, so wird ein Fehlersignal erzeugt, mit dessen Hilfe sich z. B. die Vorschub­ geschwindigkeit zu niedrigen Werten hin so lange nachregeln läßt bis die Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilungen nach den Fig. 3 und 4 zu­ mindest für das Gebiet hoher Kapazitäten übereinstimmen. Statt der Nachregelung der Vorschubgeschwindigkeit kann auch eine Abschaltung des Lasers bzw. der gesamten Bearbeitungseinrichtung erfolgen. Der Ver­ gleich der beiden Häufigkeitsverteilungen kann sich auch auf jeweils vor­ bestimmte Bereiche beschränken, die außerhalb des Maximums der Ver­ teilungen liegen und sich vorzugsweise im Bereich höherer Kapazitäten befinden.

Die Fig. 5 und 6 zeigen den Einfluß einer zu geringem Laserintensität beim Schweißen, was eine nicht vollständige Durchschweißung zur Folge hat. Auch hier ermöglicht der charakteristische Kurvenverlauf der Meßka­ pazitäten-Häufigkeitsverteilung eine Aussage über die Prozeßqualität. Durch Vergleich der in den Fig. 5 und 6 gezeigten Häufigkeitsvertei­ lungen läßt sich ein Fehlersignal erzeugen, mit dessen Hilfe sich die Laser­ intensität zu höheren Werten nachstellen läßt und zwar so lange, bis die Kurve nach Fig. 6 der Referenzkurve nach Fig. 5 entspricht. Natürlich kann auch hier aufgrund des erzeugten Fehlersignals die Anlage sofort stillgelegt werden.

Anhand der Fig. 3 bis 6 ist unmittelbar ersichtlich, daß sich der Ver­ gleich der jeweiligen Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilungen mit den je­ weiligen Referenzverteilungen auf den Bereich hoher Kapazitätswerte un­ ter Aussparung des Maximums der jeweiligen Verteilungen beschränken kann, so daß die Vergleichsergebnisse schneller zur Verfügung stehen. Es sei darüber hinaus noch darauf hingewiesen, daß die Aufnahme der Meß­ kapazitäten mindestens während der Dauer der jeweiligen Laserpulse er­ folgen muß, aber zusätzlich auch noch innerhalb der jeweiligen Laserpuls­ pausen vorgenommen werden kann.

Die Fig. 7 zeigt den schematischen Aufbau eines Laserbearbeitungs­ werkzeugs mit angeschlossener Elektronik. Die Meßkapazität C_Meß zwi­ schen einer auf einer nicht dargestellten Bearbeitungsdüse aufgebrachten Sensorelektrode 1 und einem Werkstück 2 wird durch einen Kapazitäts-Fre­ quenzwandler 3 in eine Frequenz umgewandelt. Aus der Bearbeitungs­ düse tritt zur thermischen Bearbeitung des Werkstücks 2 ein Laserstrahl 1a zusammen mit einem Prozeßgas aus oder, alternativ dazu, nur ein bren­ nendes Gasgemisch. Der Kapazitäts-Frequenzwandler 3 kann z. B. einen LC-Oszillator enthalten, dessen frequenzbestimmende Kapazität zumin­ dest teilweise aus der Meßkapazität C_Meß besteht. Ein dem Kapazitäts-Fre­ quenzwandler 3 nachgeschalteter Frequenz-Spannungswandler 4 er­ zeugt ein Spannungssignal, das mit der Meßkapazität C_Meß annähernd li­ near zusammenhängt. Aus diesem Spannungssignal wird dann mittels ei­ ner Auswerteeinheit 5 eine Häufigkeitsverteilung der Meßkapazitätswerte gebildet. Dabei ist die Auswerteeinheit 5 mit dem Ausgang des Frequenz-Span­ nungswandlers 4 verbunden. Statt der Einheiten 3 und 4 kann auch direkt ein Kapazitäts-Spannungswandler zum Einsatz kommen. Vorteil­ haft ist, daß das Spannungssignal auch zur Abstandsregelung der Bear­ beitungsdüse unter Verwendung eines Regelverstärkers 6 und einer moto­ rischen Abstandsverstellung 7 herangezogen werden kann. Die Unter­ drückung der durch das Plasma bedingten Spannungsschwankungen, die für die Abstandsregelung unerwünscht sind, erfolgt durch die Trägheit der Abstandsverstellung oder durch einen zusätzlichen Tiefpaßfilter.

Die Aufnahme der Meßkapazitäten C_Meß zur Bildung der Meßkapazitäten-Häu­ figkeitsverteilung erfolgt durch einen A/D-Wandler, dessen Abtast­ zeitpunkte durch einen Mikroprozessor gesteuert werden. Sowohl der A/D-Wandler als auch der Mikroprozessor gehören zur Auswerteeinheit 5. Zweckmäßigerweise erfolgt durch den Mikroprozessor auch die Errech­ nung der Häufigkeitsverteilung der Kapazitätsmeßwerte sowie der Ver­ gleich mit einer für optimale Prozeßbedingen typischen Häufigkeitsvertei­ lung, also mit der Referenzverteilung. Die Abweichung zwischen beiden Verteilungen, die z. B. durch Integration der Differenz ermittelt werden kann, dient als Fehlersignal. Das Fehlersignal kann dann zur Regelung von Prozeßparametern verwendet werden, z. B. zur Einstellung der Vor­ schubgeschwindigkeit der Laserbearbeitungsdüse oder zur Nachregelung der Laserleistung. Überschreitet dieses Fehlersignal einen bestimmten Grenzwert, so kann dadurch auch ein weiteres Fehlersignal erzeugt wer­ den. Dieses kann dann zur Abschaltung bzw. Stillsetzung der Anlage ver­ wendet werden.

Die Zeitintervalle, für die jeweils die Häufigkeitsverteilung der Kapazitäts­ meßwerte errechnet wird, liegen z. B. zwischen ca. 100 ms und 10 s, je nachdem, ob eine hohe Ortsauflösung der Prozeßkontrolle oder geringe statistische Schwankungen angestrebt werden.

Wie bereits erwähnt, kann die Referenzverteilung, die in der Regel vorgege­ ben wird, während des laufenden Prozesses auch z. B. durch gleitende Mit­ telwertbildung mit Häufigkeitsverteilungen, für die kein Fehlersignal er­ zeugt wurde angepaßt und korrigiert werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Prozeßüberwachung einer thermischen Bearbeitung eines Werkstücks, insbesondere mittels einer Laserstrahlung, unter Ver­ wendung einer zum Werkstück positionierbaren Sensorelektrode, an die eine elektrische Wechselspannung angelegt wird, um den zeitlich sich än­ dernden Wert einer von der Sensorelektrode und dem Werkstück gebilde­ ten Kapazität C_Meß durch Auswertung der Änderung der Wechselspan­ nung zu messen, indem die Kapazität mit fester Abtastrate aus den Ände­ rungen der Wechselspannung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Vielzahl von Kapazitätsmeßwerten C_Meß deren Häufigkeits­ verteilung ermittelt, diese mit einer Referenzverteilung verglichen und bei Abweichung der ermittelten Häufigkeitsverteilung von der Referenzvertei­ lung ein Fehlersignal gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• - aus dem Verlauf der Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung ein Überwachungssignal erzeuge wird,
• - das Überwachungssignal mit einem aus der Referenzverteilung gene­ rierten Referenzsignal verglichen wird, und
• - bei Abweichung des Überwachungssignals vom Referenzsignal das Fehlersignal generiert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung über einen Zeitraum gebildet wird, der kurz ist gegenüber der Gesamtzeit der thermischen Be­ arbeitung des Werkstücks.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß das Überwachungssignal unter Verwendung eines vorbestimm­ ten Abschnitts des Verlaufs der Meßkapazitäten-Häufigkeitsverteilung der außerhalb des Maximums dieser Verteilung liegt erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß das Überwachungssignal durch Integration der Meßkapazitäten-Häu­ figkeitsverteilung über einen vorgegebenen Bereich erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Fehlersignal erst dann erzeugt wird, wenn die Meßkapazitä­ ten-Häufigkeitsverteilung außerhalb eines vorbestimmten Bereichs um die Referenzverteilung herum liegt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich­ net, daß die Referenzverteilung durch solche Meßkapazitäten-Häufig­ keitsverteilungen korrigiert wird, für die kein Fehlersignal generiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich­ net, daß die Referenzverteilung in Übereinstimmung mit zu überwachen­ den Prozeßparametern vorgebbar ist.