DE60200532T2

DE60200532T2 - System zur Kontrolle der Qualität einer Laserschweissung

Info

Publication number: DE60200532T2
Application number: DE60200532T
Authority: DE
Inventors: Luca Bolognese; Giorgio Pasquettaz; Paolo Mairone; Giuseppe D'angelo
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2002-06-28
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2022-06-29
Also published as: ITTO20010688A1; ITTO20010688A0; ES2220860T3; EP1275464B1; DE60200532D1; EP1275464A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Kontrolle der Qualität von Laserschweißungen gemäß der Präambel von Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß der Präambel von Anspruch 7.
Systeme der oben beschriebenen Ausführung sind in der Vergangenheit bereits für die Online-Überwachung des Laserschweißverfahrens vorgeschlagen und eingesetzt worden, insbesondere bei dem Schweißen von Blech. Das Steuersystem kann das Vorliegen von Porosität in dem Schweißbereich erkennen bzw., in dem Fall von stumpf gestoßenem Dünnblech, das Vorliegen von Fehlern aufgrund von Überlappen oder Trennung der Bleche.
Der Nachteil der bisher verwendeten Systeme besteht darin, dass sie die Kontrolle der Qualität auf der Grundlage eines Vergleiches zwischen den während des Verfahrens erfassten Signalen und einem vorbestimmten Bezugssignal oder mehreren vorbestimmten Bezugssignalen, die eine einwandfreie Qualität der Schweißnaht anzeigen, durchführen, wobei die Bezugssignale, deren Anzahl im Durchschnitt zwischen zwei und zehn liegt, ausgehend von einer Anzahl von Schweißproben einwandfreier Qualität vorgeordnet sind. Offensichtlich erfordert diese Verfahrensweise die Anwesenheit eines ausgebildeten Bedieners, der die einwandfreie Qualität der Schweißung in dem Augenblick der Erzeugung der Bezugssignale bestätigen kann, sowie die Aufwendung von Arbeitszeit, und es bedeutet mitunter Verlust von Material (das für die Vorbereitung der für die Erzeugung der Bezugssignale benötigten Proben verloren geht). In einigen Fällen werden auch Bezugssignale, die fehlerhafte Schweißungen anzeigen, vorgeordnet, wobei dies zusätzliche Probleme und Schwierigkeiten mit sich bringt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die vorstehend genannten Nachteile zu überwinden.
Um diese Aufgabe zu lösen, ist der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein System zur Kontrolle der Qualität von Laserschweißungen gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren nach Anspruch 7.
Gemäß des bevorzugten Ausführungsbeispieles der Erfindung hat die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung die Aufgabe, das erfasste und gefilterte Signal in Blöcke aufzuteilen, das Signal für jeden abgetasteten Block zu mitteln und das Vorliegen eines Schweißfehlers zu erkennen, wenn einer der Blöcke oder mehrere der Blöcke einen Wert niedriger als die Versetzung der Sensoreinrichtung oder gleich der Versetzung der Sensoreinrichtung aufweist oder aufweisen.
Von dem Anmelder durchgeführte Versuche haben gezeigt, dass dank der genannten Merkmale eine bloße Auswertung des während des Schweißverfahrens erfassten Signals ausreichend ist, um eine Erkennung möglicher Fehler zu ermöglichen, ohne die Notwendigkeit, Bezugssignale zur Anzeige einer Schweißung einwandfreier Qualität vorzuordnen, was den Vorteil mit sich bringt, dass die relativ aufwendigen Arbeitsschritte des Vorordnens der Bezugssignale wegfallen.
Natürlich ist der Gegenstand der Erfindung auch das Verfahren zur Kontrolle der Qualität einer Laserschweißung, das das oben beschriebene System verwendet.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung offensichtlich werden, wobei Bezug auf die anhängenden Zeichnungen genommen wird, die lediglich als nicht einschränkendes Beispiel bereit gestellt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen:
1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems.
2 ist ein Schema zur Veranschaulichung der Spektralempfindlichkeit der in dem erfindungsgemäßen System verwendeten Fotodiode.
3 ist eine schematische Darstellung der Sensoreinrichtung als Bestandteil des in der 1 veranschaulichten Systems.
Unter Bezugnahme auf Anspruch 1 bezeichnet die Referenzziffer 1 als Ganzes ein System zur Kontrolle der Qualität eines Laserschweißverfahrens. Das Beispiel bezieht sich auf den Fall zweier Bleche 2, 3, die mittels eines Laserstrahles miteinander verschweißt werden. Die Referenzziffer 4 bezeichnet als Ganzes den Fokussierkopf, der eine Linse 5 beinhaltet, die von einem aus einem Lasergenerator (nicht dargestellt) austretenden und von einem halbreflektierenden Spiegel 6 reflektierten Laserstrahl getroffen wird. Die von dem Schweißbereich ausgestrahlte Strahlung E geht durch den halbreflektierenden Spiegel 6 hindurch und wird von einem Sensor 7 erfasst, der aus einer Fotodiode besteht, die ihr Ausgangssignal an eine elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit 8 ausgibt, die mit einem Personalcomputer 9 verbunden ist.
Gemäß einem konkreten Ausführungsbeispiel der Erfindung war der verwendete halbreflektierende Spiegel 6 ein Zn-Se-Spiegel mit einem Durchmesser von zwei Zoll und einer Dicke von 5 mm. Der Sensor 7 war eine Fotodiode mit einer Spektralempfindlichkeit zwischen 190 nm und 1100 nm, einem aktiven Bereich von 1,1 × 1,1 mm und mit einem Quarzfenster.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die Fotodiode 7 mit einer Fokussierlinse 10 verbunden, die in der Lage ist, den Eingangsstrahl auf den Sensor zu bündeln, nachdem der Strahl durch ein optisches Filter 11 gefiltert worden ist.
Erfindungsgemäß hat das mit dem Sensor verbundene optische Filter ein optisches Band zwischen 200 nm und 405 nm zur Auswahl der aus dem Schweißbereich kommenden Strahlung.
Wiederum in dem Fall eines konkreten Ausführungsbeispieles umfasst die elektronische Einheit 8 eine Datenerfassungskarte des Typs einer PC-Karte NI 6110E mit einer größtmöglichen Erfassungsfrequenz von 5 M-Proben/Sekunde.
2 zeigt ein Schema für die Spektralempfindlichkeit der Fotodiode 7. Gemäß einem konkreten Merkmal der Erfindung erfasst die elektronische Einheit 8 das von dem Sensor 7 ausgegebene Signal mit einer Frequenz in dem Bereich von 10 kHz bis 60 kHz. Das Signal wird danach mit einem Bandfilter gefiltert, beispielsweise mit einem Filter Butterworth IIR, zwischen 4 kHz und 10 kHz.
Von dem Anmelder durchgeführte Studien und Versuche haben gezeigt, dass durch Teilung des wie beschrieben erfassten und in Blöcken gefilterten Signals, Berechnen des Mittelwertes des Signals in jedem abgetasteten Block, diejenigen Blöcke, die einen Wert kleiner als oder gleich der Versetzung der Fotodiode haben, das Vorliegen eines Fehlers anzeigen.
Mit anderen Worten ist das erfindungsgemäße System dank der oben beschriebenen Merkmale in der Lage, Schweißfehler zu erkennen, ohne dass ein Vergleich mit Bezugssignalen als Anzeige einer Schweißung einwandfreier Qualität angestellt werden muss, sondern lediglich auf der Grundlage einer Auswertung des während des eigentlichen Verfahrens erhaltenen Signals. Wenn in der Praxis ein Schweißfehler in einem abgetasteten Block oder in mehreren der abgetasteten Blöcke des von dem Sensor ausgestrahlten Signals vorliegt, wird ein Mittelwert kleiner als die Versetzung des Sensors oder gleich der Versetzung des Sensors vorgefunden.
Auf diese Weise werden die bei bekannten Systemen erforderlichen aufwendigen Arbeitsschritte zur Bereitstellung von Bezugssignalen vermieden.

Claims

System zur Kontrolle der Qualität einer Laserschweißung, umfassend: – eine Vorrichtung (4) zum Fokussieren des Laserstrahles (L) auf einen Schweißbereich; – ein zu einer Fotodiodensensoreinrichtung (7) gehörendes optisches Filter zum Erkennen der von einem Schweißbereich ausgestrahlten Strahlung (E); – eine elektronische Steuer- und Verarbeitungseinheit (8) zum Verarbeiten der von der Sensoreinrichtung (7) ausgegebenen Signale, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter (11) der Auswahl eines optischen Wellenbandes zwischen 200 und 405 nm dient, dass die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung (8) der Erfassung von Signalen von der Sensoreinrichtung (7) mit einer Frequenz zwischen 10 und 60 kHz dient und dass die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung der Filterung des mit Hilfe eines Bandfilters zwischen 4 und 10 kHz erfassten Signals auf eine Art und Weise dient, dass die Kontrolle der Qualität der Schweißung allein auf der Grundlage des verarbeiteten Signals erfolgen kann, ohne Notwendigkeit eines Vergleiches mit einem vorbestimmten Bezugssignal für eine Schweißung einwandfreier Qualität.
Schweißsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Verarbeitungseinrichtung das erfasste und in Blöcke gefilterte Signal teilt und das Signal für jeden abgetasteten Block mittelt, wobei die Blöcke, die einen geringeren oder gleichen Wert haben als oder wie die Versetzung der Sensoreinrichtung ein Anzeichen für das Vorliegen eines Schweißfehlers sind.
System nach Anspruch 1 bzw. Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussiereinrichtung einen halbreflektierenden Spiegel umfasst, der den Laser strahl reflektieren soll, so dass dieser in den Schweißbereich gerichtet wird und von der Strahlung gekreuzt wird, die von dem Schweißbereich abgestrahlt wird, so dass diese die Sensoreinrichtung erreicht.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotodiodensensoreinrichtung eine Fotodiode mit einer Spektralempfindlichkeit zwischen 190 und 1100 nm umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung eine Fokussierlinse (10) umfasst.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bandfilter ein Filter Butterworth IIR ist.
Verfahren für die Qualitätskontrolle einer Laserschweißung, umfassend die Schritte: – Fokussieren eines Laserstrahles (L) auf einen Schweißbereich; – Erkennen der von dem Schweißbereich abgestrahlten Strahlung mit Hilfe einer Fotodiodensensoreinrichtung zugehörig zu einem optischen Filter; – Verarbeiten des von der Sensoreinrichtung ausgegebenen Signals, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter der Auswahl eines optischen Wellenbandes zwischen 200 und 405 nm, erfasst mit einer Frequenz zwischen 10 und 60 kHz, dient, und dass das erfasste Signal mit Hilfe eines Bandfilters zwischen 4 und 10 kHz so gefiltert wird, dass die Kontrolle der Qualität der Schweißung auf der Grundlage des so verarbeiteten Signals allein erfolgen kann, also ohne Notwendigkeit des Vergleiches mit einem vorbestimmten Bezugssignal für eine Schweißung einwandfreier Qualität.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wie beschrieben erfasste und gefilterte Signal in Blöcke aufgeteilt wird und dass das Signal für jeden abgetasteten Block gemittelt wird, wobei Blöcke mit einem geringeren oder gleichen Wert als oder wie der Versatz der Sensoreinrichtung ein Anzeichen für das Vorliegen eines Schweißfehlers sind.