NL1018861C2

NL1018861C2 - Method and a device for measuring and controlling a laser welding process.

Info

Publication number: NL1018861C2
Application number: NL1018861A
Authority: NL
Inventors: Sjoerd Postma; Johannes Meijer; Ronald Godfried Karien M Aarts
Original assignee: Netherlands Inst For Metals Re
Priority date: 2001-08-31
Filing date: 2001-08-31
Publication date: 2003-03-03
Also published as: WO2003022508A8; WO2003022508A1

Description

Werkwijze en een inrichting voor het meten en regelen van een laser-lasproces.Method and a device for measuring and controlling a laser welding process.

De onderhavige uitvinding betreft een werkwijze voor het meten en regelen 5 van een laser- lasproces, waarbij men: - een werkstuk last met behulp van een laser, - met behulp van een optische sensor de licht intensiteit boven het lasbad meet, - men de met de optische sensor gemeten waarde vergelijkt met een bepaalde referentiewaarde, en 10 - men het aan het lasbad toegevoerde energie per Iengte-eenheid aanpast, afhan kelijk van de verschilwaarde tussen de gemeten waarde en de bepaalde referentiewaarde.The present invention relates to a method for measuring and controlling a laser welding process, wherein: - a workpiece is welded with the aid of a laser, - with the aid of an optical sensor, the light intensity above the welding bath is measured, - the the optical sensor compares measured value with a certain reference value, and the energy supplied to the welding bath is adjusted per unit length, depending on the difference value between the measured value and the determined reference value.

In de stand van de techniek is het bekend om tijdens het lassen verschillende karakteristieken van het lasproces te meten. Uit het Amerikaanse octrooi US 5.674.415 is 15 een werkwijze en een inrichting bekend voor het tijdens het lassen meten van de hoeveelheid uitgestraald infrarood licht, die vrijkomt tijdens het lasproces. Vervolgens gebruikt men de verzamelde waarden tijdens het lassen om de kwaliteit van de gevormde las te controleren. Zo is er bijvoorbeeld een verband tussen de hoeveelheid uitgestraald IR licht en de bereikte lasdiepte.It is known in the prior art to measure different characteristics of the welding process during welding. From the US patent US 5,674,415 a method and a device are known for measuring the amount of radiated infrared light that is released during the welding process during welding. The values collected during welding are then used to check the quality of the weld formed. For example, there is a relationship between the amount of irradiated IR light and the welding depth achieved.

20 Volgens de bekende werkwijze verzamelt men eerst data over de hoeveelheid in frarood licht die vrijkomt bij lassen met een bepaalde penetratie-diepte. Tijdens het aanbrengen van een las verzamelt men opnieuw de uitgestraalde hoeveelheid infrarood licht en vergelijkt deze met de vooraf bepaalde set data. Vervolgens kan men door een vergelijking te maken tussen de vooraf bepaalde data en de gegevens die zijn vrijgeko-25 men tijdens het lassen, controleren of de gevormde las voldoet aan de kwaliteitseisen.According to the known method, data is first collected on the amount in frared light that is released during welding with a certain penetration depth. During the application of a weld, the amount of infrared light emitted is again collected and compared with the predetermined set of data. Next, by making a comparison between the predetermined data and the data released during the welding, it can be checked whether the weld formed meets the quality requirements.

Een belangrijk nadeel van de werkwijze volgens de stand van de techniek is dat met behulp van deze bekende werkwijze een controle achteraf kan plaatsvinden. Wanneer tijdens het lassen een fout voorkomt in de gevormde las, kan men deze fout waarnemen en de las afkeuren. In de inrichting volgens de stand van de techniek is bijvoor-30 beeld een alarm aanwezig, dat kan waarschuwen voor onregelmatigheden in het lasbad.An important disadvantage of the method according to the prior art is that afterwards a check can take place with the aid of this known method. If an error occurs in the weld formed during welding, this error can be observed and the weld rejected. In the device according to the prior art, for example, an alarm is present which can warn of irregularities in the welding bath.

De bekende werkwijze en de bekende inrichting zijn echter niet ingericht voor het tijdens het aanbrengen van de las aanpassen van de lasparameters om lasfouten te voorkomen. Gezien het bovenstaande is het doel van de onderhavige uitvinding om te voor 1018861 ’ 2 zien in een werkwijze van het in de aanhef genoemde soort, waarbij tijdens het lassen de gebruikte lasparameters real time, dat wil zeggen tijdens het aanbrengen van de las, kunnen worden aangepast om het optreden van lassen met een mindere kwaliteit zoveel mogelijk te voorkomen.However, the known method and the known device are not adapted to adjust the welding parameters during the application of the weld to prevent welding errors. In view of the above, the object of the present invention is to envisage a method of the type mentioned in the preamble, wherein during welding the used welding parameters can be real-time, that is to say during the application of the weld. adapted to prevent the occurrence of welds with a lesser quality as much as possible.

5 Dat doel wordt volgens de onderhavige uitvinding bereikt doordat men de refe rentiewaarde bepaalt doordat men het aan het lasbad toegevoerde energie per lengte eenheid van een relatief lage beginstand laat toenemen of van een relatief hoge begm-stand laat afnemen totdat men een stapsgewijze overgang meet van de gemeten lichtintensiteit van een relatief hoog niveau naar een relatief laag niveau of omgekeerd, 10 waarna men de door de optische sensor gemeten intensiteit gebruikt als stuursignaal voor de hoeveelheid aan het lasbad toe te voeren energie, waarbij men het aan het lasbad toe te voeren energie per lengte-eenheid laat toenemen wanneer men met de optische sensor het relatief hoge niveau van de lichtintensiteit meet en met het aan lasbad toe te voeren energie per lengte-eenheid laat afnemen wanneer men met de optische 15 sensor het relatief lage niveau van de lichtintensiteit meet.This object is achieved according to the present invention in that the reference value is determined by allowing the energy supplied to the welding pool to increase per unit length from a relatively low starting position or to decrease from a relatively high starting position until a step-by-step transition of the measured light intensity from a relatively high level to a relatively low level or vice versa, after which the intensity measured by the optical sensor is used as a control signal for the amount of energy to be supplied to the welding bath, whereby the energy to be supplied to the welding bath Increase per unit length when the relatively high level of the light intensity is measured with the optical sensor and with the energy to be supplied to the welding bath per unit length is decreased when the relatively low level of the light intensity is measured with the optical sensor .

Volgens de onderhavige uitvinding wordt gebruik gemaakt van het inzicht dat tij-dens het lassen van een werkstuk met behulp van een laser de lichtintensiteit boven het lasbad sprongsgewijs verandert op het moment dat tijdens het lassen een toestand van onvolledige penetratie overgaat in volledige penetratie.According to the present invention, use is made of the insight that during welding of a workpiece with the aid of a laser, the light intensity above the welding bath changes at a time when a state of incomplete penetration changes to full penetration during welding.

20 Tijdens de toestand van onvolledige penetratie zal boven het lasbad een relatief hoge lichtintensiteit heersen. Op het moment dat volledige penetratie wordt beretkt zal de energie zijn weg vinden naar de onderzijde van het werkstuk. Dat wil zeggen, dat op dat moment energie wegvloeit aan de onderzijde van het werkstuk en de lichtintensiteit die aan de bovenkant kan worden gemeten sprongsgewijs afneemt.During the state of incomplete penetration, a relatively high light intensity will prevail above the welding bath. The moment full penetration is penetrated, the energy will find its way to the bottom of the workpiece. That is, at that moment energy flows away at the bottom of the workpiece and the light intensity that can be measured at the top decreases in a jump.

25 Voor tal van lasprocessen, in het bijzonder voor het lassen van zogenaamde tailor made blanks (TMB), is het van groot belang, dat een gemaakte las een volledige penetratie bereikt. Tailor made blanks worden onder meer gebruikt in de automobielindustrie. De tailor made blanks bestaan bijvoorbeeld uit verschillende aan elkaar gelaste platen met een verschillende wanddikte. De platen kunnen in een vervolgproces 30 worden blootgesteld aan een hoge mechanische belasting, bijvoorbeeld in een hoge drukpers. Tijdens deze mechanische bewerkingen worden de in het materiaal gevormde lassen zwaar beproefd. Dat wil zeggen, dat aan de lassen hoge kwaliteitseisen worden gesteld.For many welding processes, in particular for the welding of so-called tailor-made blanks (TMB), it is of great importance that a weld made achieves complete penetration. Tailor-made blanks are used in the automotive industry, among others. The tailor-made blanks, for example, consist of different plates welded together with different wall thicknesses. The plates can be exposed in a subsequent process to a high mechanical load, for example in a high printing press. During these mechanical operations, the welds formed in the material are thoroughly tested. This means that high quality requirements are set for the welds.

1018861 31018861 3

Door de werkwijze volgens onderhavige uitvinding is het mogelijk om continu de lichtintensiteit boven het lasbad te meten. Wanneer men bij het opvoeren van de aan het werkstuk toe te voeren hoeveelheid energie per lengte-eenheid merkt dat de lichtintensiteit stapsgewijs daalt, weet men dat de toestand van volledige penetratie is bereikt.The method according to the present invention makes it possible to continuously measure the light intensity above the welding bath. When, when increasing the amount of energy to be supplied to the workpiece, it is noticed that the light intensity decreases step by step, it is known that the state of full penetration has been reached.

5 Vervolgens kan men de hoeveelheid aan het werkstuk toe te voeren energie per lengte-eenheid enigszins laten afnemen. Op het moment dat de toestand van volledige penetratie weer overgaat in de toestand van onvolledige penetratie, zal de gemeten lichtintensiteit boven het lasbad stapsgewijs toenemen. Deze stapsgewijze toename kan weer gebruikt als ingangssignaal voor het gebruikte systeem om de hoeveelheid toe te voeren 10 energie per lengte-eenheid aan het werkstuk weer te verhogen.Subsequently, the amount of energy to be supplied to the workpiece per unit length can be slightly decreased. The moment the state of full penetration changes again into the state of incomplete penetration, the measured light intensity above the weld pool will increase step by step. This stepwise increase can again be used as an input signal for the system used to increase the amount of energy to be supplied per unit length to the workpiece.

In de onderhavige tekst wordt het begrip "energie per lengte-eenheid" veelvuldig gebruikt. Met deze term wordt gedoeld op de hoeveelheid energie die door de laser aan het werkstuk wordt toegevoerd per lengte-eenheid van de te vormen las. Het begrip "energie per lengte-eenheid" kan vertaald worden naar het engels met de term "heat-15 input".The term "energy per unit of length" is used extensively in the present text. This term refers to the amount of energy supplied by the laser to the workpiece per unit length of the weld to be formed. The term "energy per unit of length" can be translated into English with the term "heat-15 input".

Opgemerkt wordt, dat er in de stand van de techniek werkwijzen bekend zijn, waarbij men tijdens het lassen van een werkstuk met behulp van een laser zoveel energie per lengte-eenheid toevoegt aan het werkstuk, dat men zeker is van volledige penetratie. Op deze manier is de kwaliteit van de te leggen las gegarandeerd. Een belangrijk 20 voordeel van de werkwijze volgens de uitvinding ten opzicht van de werkwijze waarbij men overmatig vermogen aan het werkstuk toevoegt, is dat men met behulp van de werkwijze volgende de onderhavige uitvinding met een minimale energie en met een maximale snelheid kan worden gelast.It is noted that methods are known in the state of the art in which during welding of a workpiece with the aid of a laser so much energy per unit of length is added to the workpiece that one is certain of complete penetration. In this way the quality of the weld to be laid is guaranteed. An important advantage of the method according to the invention over the method in which excessive power is added to the workpiece is that with the aid of the method according to the present invention one can weld with a minimum of energy and with a maximum speed.

Door de werkwijze van de onderhavige uitvinding brengt men een las aan in het 25 werkstuk met volledige penetratie, terwijl men juist voldoende vermogen toevoert aan het werkstuk. Dat wil zeggen, dat men ofwel de gebruikte hoeveelheid energie relatief laag kan houden ofwel de gebruikte snelheid, die aan het systeem wordt opgelegd, relatief hoog kan houden, waarbij tegelijkertijd de optimale kwaliteit van de las gewaarborgd blijft.By the method of the present invention, a weld is applied to the workpiece with full penetration, while sufficient power is supplied to the workpiece. That is, either the amount of energy used can be kept relatively low or the used speed imposed on the system can be kept relatively high, while at the same time maintaining the optimum quality of the weld.

30 Volgens de uitvinding is het voordelig dat men de lichtintensiteit periodiek meet en men de hoeveelheid toe te voeren energie per lengte-eenheid overeenkomstig periodiek aanpast.According to the invention it is advantageous that the light intensity is measured periodically and the amount of energy to be supplied per unit of length is adjusted accordingly periodically.

1018861 41018861 4

Een belangrijk aspect van de onderhavige uitvinding is dat men real time, dat wil zeggen tijdens het aanbrengen van de las, de procesomstandigheden kan aanpassen. Om dat te kunnen doen is het van belang om de lichtintensiteit boven het lasbad periodiek te meten. Afhankelijk van de gemeten waarde kan men de lasparameters vervolgens al 5 of niet aanpassen.An important aspect of the present invention is that the process conditions can be adjusted in real time, i.e. during the application of the weld. To be able to do that, it is important to periodically measure the light intensity above the weld pool. Depending on the measured value, the welding parameters can then be adjusted 5 or not.

Volgens de uitvinding kan bovendien de productiesnelheid worden geoptimaliseerd door met de werkwijze volgens de uitvinding de optimale hoeveelheid energie die per lengte-eenheid aan het werkstuk moet worden toegevoerd te bepalen. Vervolgens kan men de bewerkingssnelheid van het werkstuk optimaliseren door het vermogen van 10 de laserinstallatie in te stellen op een waarde die dicht bij de maximale waarde ligt en vervolgens de bewerkingssnelheid van het werkstuk aan deze ingestelde waarde van de laser aan te passen. Deze "maximale waarde" is het maximale vermogen dat de laser kan leveren. Ook het aanpassen van de bewerkingssnelheid kan real-time gebeuren.Moreover, according to the invention, the production speed can be optimized by determining with the method according to the invention the optimum amount of energy to be supplied to the workpiece per unit of length. Subsequently, the machining speed of the workpiece can be optimized by setting the power of the laser installation to a value close to the maximum value and then adjusting the processing speed of the workpiece to this set value of the laser. This "maximum value" is the maximum power that the laser can deliver. Adjusting the processing speed can also be done in real time.

Volgens de uitvinding is er in voorzien dat men de periode tussen twee opeenvol-15 gende aanpassingen kiest tussen 0,01 en 0,10 ms, bij voorkeur 0,03 en 0,07 ms, met meer voorkeur 0,05 ms. Door gebruik te maken van een zo korte responstijd is te bereiken dat de gehele las volledige penetratie heeft. Tijdens het laser lassen is er ter plaatse van de laser een zogenaamde “Key-hole” aanwezig. Wanneer men meet dat deze Keyhole dreigt te sluiten wordt de aan het werkstuk toegevoerde hoeveelheid energie per 20 lengte-eenheid van het werkstuk verhoogd. De veranderingen aan de grootte van de Key-hole verlopen zeer snel. Naast de Key-hole bevindt zich de smelt. De omstandigheden in de smelt veranderen veel trager dan de omstandigheden in de Key-hole. Dat wil zeggen: op het moment dat men vaststelt dat de Key-hole dreigt te sluiten en dat onvolledige doorlassing optreedt, wordt de toegevoerde hoeveelheid energie per lengte-25 eenheid van het werkstuk instantaan verhoogd. De smelt heeft nog geen tijd gehad om te reageren (meer of minder te smelten) en door de extra toegevoerde hoeveelheid energie is volledige doorlassing over de gehele lengte van de las gewaarborgd.According to the invention it is provided that the period between two consecutive adjustments is chosen between 0.01 and 0.10 ms, preferably 0.03 and 0.07 ms, more preferably 0.05 ms. By making use of such a short response time, it is possible to ensure that the entire weld has full penetration. During laser welding, a so-called "key-hole" is present at the location of the laser. When it is measured that this Keyhole is in danger of closing, the amount of energy supplied to the workpiece is increased per unit length of the workpiece. The changes to the size of the Key-hole are very fast. The melt is located next to the Key-hole. The conditions in the melt change much slower than the conditions in the Key-hole. That is, when it is established that the Key-hole is about to close and that incomplete penetration occurs, the amount of energy supplied per unit length of the workpiece is increased instantaneously. The melt has not yet had time to react (melt more or less) and the extra amount of energy supplied ensures complete penetration over the entire length of the weld.

Volgens de uitvinding is het mogelijk, dat men bij het meten van het relatief lage niveau van de lichtintensiteit de hoeveelheid aan het lasbad toe te voeren energie per 30 lengte-eenheid in relatief kleine stappen laat afnemen, waarna men bij de overgang naar de relatief hoge lichtintensiviteit de hoeveelheid aan het lasbad toe te voeren energie per lengte-eenheid in relatief grote stappen laat toenemen.According to the invention, when measuring the relatively low level of the light intensity, it is possible to decrease the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length in relatively small steps, after which at the transition to the relatively high light intensity increases the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length in relatively large steps.

η a 1 ft 8 6 f 5η a 1 ft 8 6 f 5

Zoals hierboven al is aangegeven is het van belang dat men tijdens het aanbrengen van de las zeker is van volledige penetratie van de las. Om echter te kunnen lassen met een zo laag mogelijke energie-inbreng en een zo hoog mogelijke snelheid, is het voordelig de hoeveelheid toegevoerde energie periodiek in kleine stappen, of geleide-5 lijk, te laten afnemen. Wanneer men meet dat de las niet meer volledig penetreert, voegt men vervolgens extra energie toe aan het lasbad in een relatief grote stap. Deze relatief grote stap zorgt ervoor, zoals hierboven is beschreven, dat volledige penetratie gewaarborgd is.As already indicated above, it is important that during the application of the weld, one is certain of complete penetration of the weld. However, in order to be able to weld with the lowest possible energy input and the highest possible speed, it is advantageous to have the amount of energy supplied periodically decrease in small steps, or gradually. When one measures that the weld no longer fully penetrates, additional energy is then added to the welding bath in a relatively large step. This relatively large step ensures, as described above, that full penetration is guaranteed.

Volgens een eerste aspect van de werkwijze is het mogelijk dat men de hoeveel-10 heid aan het lasbad toe te voeren energie per lengte-eenheid verandert doordat men de hoeveelheid aan de laser toegevoerd vermogen verandert.According to a first aspect of the method, it is possible to change the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length by changing the amount of power supplied to the laser.

Wanneer men meet dat de lasparameters moeten worden aangepast, kan men de hoeveelheid aan de laser toegevoegd vermogen veranderen. In het geval van gemeten hoge lichtintensiteit betekent dat bijvoorbeeld een extra grote energie opname door de 15 te gebruiken laser, en een daarbij behorende extra grote hoeveelheid energie die door de laser aan het lasbad wordt overgedragen.If one measures that the welding parameters have to be adjusted, the amount of power added to the laser can be changed. In the case of measured high light intensity, this means, for example, an extra large energy uptake by the laser to be used, and an associated extra large amount of energy that is transferred by the laser to the welding bath.

Als alternatief is het mogelijk dat men de hoeveelheid aan het lasbad toe te voeren vermogen per lengte-eenheid verandert door het veranderen van de voortgangssnel-heid van de laser ten opzichte van het werkstuk.Alternatively, it is possible to change the amount of power to be supplied to the welding bath per unit length by changing the laser's speed of movement relative to the workpiece.

20 Het effect van deze maatregel is dat men de instellingen van de laser niet behoeft aan te passen. Men kan de las aanbrengen met een vaste instelling van de laser en de bijbehorende apparatuur. De hoeveelheid toe te voeren energie per lengte-eenheid aan het lasbad kan men eenvoudigweg regelen door de snelheid van de laser ten opzichte van het werkstuk te bepalen. Een tweede aspect van deze maatregel is dat men de las 25 met een maximale snelheid over het werkstuk kan laten bewegen. Dat betekent dat het vormen van een las relatief weinig tijd kost en dat bij het vormen van de las tijdwinst kan worden geboekt.The effect of this measure is that one does not have to adjust the settings of the laser. The weld can be applied with a fixed setting of the laser and the associated equipment. The amount of energy to be supplied per unit of length to the welding bath can simply be controlled by determining the speed of the laser relative to the workpiece. A second aspect of this measure is that the weld 25 can be moved over the workpiece at a maximum speed. This means that forming a weld takes relatively little time and that time savings can be achieved when forming the weld.

Volgens de uitvinding is het mogelijk dat men meerdere sensoren gebruikt. Daarbij is het in een eerste uitvoeringsvorm mogelijk dat men gebruik maakt van coaxiaal 30 geplaatste sensoren.According to the invention, it is possible to use several sensors. In a first embodiment, it is possible here to use sensors placed coaxially.

Verder is het mogelijk dat men gebruik maakt van een sensor die specifiek geschikt is voor licht met een golflengte van 400-600 nm. Bovendien is het mogelijk dat men gebruik maakt van een sensor die specifiek geschikt is voor licht met een golf- 1 0 18861 6 lengte nabij 800 nm. Zodra een signaal een scherpe, stapvormige overgang vertoont tussen volledig doorlassen en niet volledig doorlassen, is deze uitvinding in principe bruikbaar.Furthermore, it is possible to use a sensor that is specifically suitable for light with a wavelength of 400-600 nm. Moreover, it is possible to use a sensor that is specifically suitable for light with a wavelength length near 800 nm. As soon as a signal shows a sharp, step-shaped transition between full welding and not full welding, this invention can in principle be used.

Tijdens het vormen van een las met behulp van een laser zit tussen de laser en het 5 werkstuk een zogenaamde pluim, die bestaat uit hete metaaldamp. Deze pluim en het lasbad stralen licht uit in het voor een mens zichtbare spectrum. Deze straling heeft een golflengte van 400-600 nm. Bovendien zal de smelt infrarood licht uitzenden met een golflengte van ongeveer 800 nm en meer.During the formation of a weld by means of a laser, there is a so-called plume between the laser and the workpiece, which consists of hot metal vapor. This plume and the welding pool emit light in the spectrum visible to humans. This radiation has a wavelength of 400-600 nm. Moreover, the melt will emit infrared light with a wavelength of approximately 800 nm and more.

Door gebruik te maken van meerdere sensoren, die specifiek gericht zijn op het 10 meten van een bepaald gedeelte van het uitgezonden licht, kan men de stapsgewijze overgang van volledige penetratie naar onvolledige penetratie beter en sneller registreren.By making use of a plurality of sensors, which are specifically aimed at measuring a specific part of the emitted light, it is possible to register the step-by-step transition from full penetration to incomplete penetration better and faster.

Volgens de uitvinding is het mogelijk dat men gebruik maakt van een Nd:YAG laser. Daarbij is het mogelijk dat men gebruik maakt van een sensor die specifiek ge- 15 schikt is voor licht met een golflengte van 1064 nm.According to the invention, it is possible to use an Nd: YAG laser. In addition, it is possible to use a sensor that is specifically suitable for light with a wavelength of 1064 nm.

Het vormen van een las, bijvoorbeeld een tailor made blank, kan worden uitgevoerd door een zogenaamde Nd:YAG laser. Deze laser zendt licht uit met een golflengte van 1064 nm. Tijdens het lassen kan men de reflectie van het licht met deze specifieke golflengte meten met een derde speciaal daarop gerichte sensor. Dit helpt verder 20 bij het nauwkeurig bepalen van de overgang van volledig penetreren naar onvolledig penetreren.The formation of a weld, for example a tailor-made blank, can be performed by a so-called Nd: YAG laser. This laser emits light with a wavelength of 1064 nm. During welding, the reflection of the light with this specific wavelength can be measured with a third sensor specifically aimed at it. This further helps in accurately determining the transition from full penetration to incomplete penetration.

In het tweede aspect is de onderhavige uitvinding gericht op een werkwijze voor het lassen van een tailor made blank (TMB), waarbij men gebruik maakt van de werkwijze volgens onderhavige uitvinding.In the second aspect, the present invention is directed to a method for welding a tailor-made blank (TMB) using the method of the present invention.

25 Naast de hierboven beschreven werkwijze betreft de onderhavige uitvinding ook een inrichting voor het meten en regelen van een laser- lasproces, voorzien van een laser, zoals een Nd:YAG-laser en stuurmiddelen voor het aansturen van die laser. De inrichting volgens de onderhavige uitvinding wordt gekenmerkt doordat die stuurmiddelen een optische sensor omvatten voor het meten van de lichtintensiteit boven het 30 lasbad en rekenmiddelen voor het momentaan bepalen van het verschil tussen de met de optische sensor gemeten lichtintensiteit en een bepaalde referentiewaarde, waarbij die rekenmiddelen werkzaam zijn verbonden met die stuurmiddelen van de laser voor het verhogen respectievelijk verlagen van de met de laser aan een werkstuk toe te voe- 1018861 7 ren hoeveelheid energie per lengte eenheid (heat-input), afhankelijk van het door die Tekenmiddelen bepaalde verschil. Daarbij is het voordelig dat de stuurmiddelen zijn ingericht voor het laten verhogen van de aan een werkstuk toe te voeren hoeveelheid energie per lengte-eenheid wanneer de door de optische sensor gemeten hoeveelheid 5 licht hoger ligt dan de referentiewaarde.In addition to the method described above, the present invention also relates to a device for measuring and controlling a laser welding process, provided with a laser, such as an Nd: YAG laser and control means for controlling that laser. The device according to the present invention is characterized in that said control means comprise an optical sensor for measuring the light intensity above the welding bath and calculating means for momentarily determining the difference between the light intensity measured with the optical sensor and a specific reference value, said calculating means are operatively connected to said laser control means for increasing or decreasing the amount of energy to be supplied with the laser to a workpiece per heat unit, depending on the difference determined by said drawing means. It is advantageous here that the control means are adapted to increase the amount of energy to be supplied to a workpiece per unit of length when the amount of light measured by the optical sensor is higher than the reference value.

De uitvinding zal verder worden toegelicht aan de hand van de bijgaande figuren, waarin:The invention will be further elucidated with reference to the accompanying figures, in which:

Figuur 1 schematisch een inrichting weergeeft, die gebruikt kan worden bij de werkwijze volgens onderhavige uitvinding; 10 Figuur 2 in meer detail de laserkop 1 volgens de onderhavige uitvinding afbeeldt;Figure 1 schematically represents a device that can be used in the method according to the present invention; Figure 2 depicts the laser head 1 according to the present invention in more detail;

De figuren 3a en 3b de resultaten weergeven van de gemeten lichtintensiteit boven het lasbad en de bijbehorende penetratiegraad bij het lassen met een vaste waarde voor het ingestelde vermogen van de laser, zonder dat gebruikt wordt gemaakt van de werkwijze en de inrichting volgens de onderhavige uitvinding; 15 De figuren 4a en 4b een vergelijkbaar experiment weergeven als de figuren 3a en 3b, waarbij in het geval van de figuren 3a en 3b echter sprake is van een directe regeling van het gebruikte lasvermogen, volgens de werkwijze volgende onderhavige uitvinding.Figures 3a and 3b show the results of the measured light intensity above the welding bath and the associated degree of penetration during welding with a fixed value for the set power of the laser, without using the method and the device according to the present invention; Figures 4a and 4b represent a similar experiment as Figures 3a and 3b, but in the case of Figures 3a and 3b there is, however, a direct control of the welding power used, according to the method according to the present invention.

In figuur 1 is schematisch de inrichting volgens de onderhavige uitvinding afge-20 beeld met behulp waarvan de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding kan worden uitgevoerd. De inrichting omvat een laserkop 1 met behulp waarvan een werkstuk 2 kan worden gelast. De laserkop wordt gevoed door middel van een optische kabel 11. Deze optische kabel 11 is verbonden met een laserinstallatie 12. Tussen de laserkop 1 en het werkstuk 2 zal in het gebruik een pluim 3 aanwezig zijn. Licht dat vrijkomt tij-25 dens het lassen van het werkstuk 2 kan gedeeltelijk worden afgebogen door middel van een spiegel 4 die in de laserkop 1 is aangebracht. Figuur 1 toont een eerste mogelijke configuratie voor de plaatsing van sensoren 17, 18 en 19 voor het opvangen van het via de spiegel 4 afgebogen licht. Het met de sensoren gereflecteerde licht kan worden toegevoerd aan regelmiddelen 13. Deze regelmiddelen 13 kunnen vervolgens ingrijpen 30 op de laserinstallatie om de instellingen van de laserinstallatie zo aan te passen dat volledige doorlassing van het werkstuk 2 gedurende het lassen gewaarborgd blijft. De precieze werking van de installatie wordt hieronder verder toegelicht.Figure 1 shows schematically the device according to the present invention with the aid of which the method according to the present invention can be carried out. The device comprises a laser head 1 with the aid of which a workpiece 2 can be welded. The laser head is fed by means of an optical cable 11. This optical cable 11 is connected to a laser installation 12. In use, a plume 3 will be present between the laser head 1 and the workpiece 2. Light released during the welding of the workpiece 2 can be partially deflected by means of a mirror 4 arranged in the laser head 1. Figure 1 shows a first possible configuration for the placement of sensors 17, 18 and 19 for receiving the light diffracted via the mirror 4. The light reflected from the sensors can be supplied to control means 13. These control means 13 can then intervene on the laser installation to adjust the settings of the laser installation such that complete penetration of the workpiece 2 during welding is guaranteed. The precise operation of the installation is further explained below.

1 0 1 8861 δ1 0 1 8861 δ

In figuur 2 is schematisch een laserkop 1 afgebeeld, die gebruikt wordt bij het lassen van een werkstuk 2. Dit werkstuk 2 is bijvoorbeeld een zogenaamde tailor made blank. Tijdens het lasproces wordt aan de onderzijde van de laskop 1 tussen de laskop 1 en het werkstuk 2 een zogenaamde pluim 3 gevormd. Tijdens het lassen zal door de 5 aanwezigheid van de pluim 3 licht met een hoge intensiteit aanwezig zijn boven het werkstuk 2.Figure 2 schematically shows a laser head 1, which is used when welding a workpiece 2. This workpiece 2 is, for example, a so-called tailor-made blank. During the welding process, a so-called plume 3 is formed on the underside of the welding head 1 between the welding head 1 and the workpiece 2. During welding, due to the presence of the plume 3, light with a high intensity will be present above the workpiece 2.

De hoeveelheid licht die aanwezig is boven het werkstuk 2 wordt volgens figuur 2 gedeeltelijk gereflecteerd en opgevangen in de laserkop 1. Via een half doorlatende spiegel 4 wordt het gereflecteerde licht afgebogen via zogenaamde bundelverdelers 5 10 en 6 om het gereflecteerde licht toe te kunnen voeren aan een eerste en een tweede sensor 7, 8. Aan de opstelling kan verder nog een camera 9 worden toegevoegd. Naast die aangebrachte sensoren 7 en 8 is het mogelijk dat er in de buurt van het lasproces een losse sensor 10 wordt toegevoegd. Deze sensor kan bijvoorbeeld zijn ingericht als camera en zijn afgestemd op het invangen van een bepaalde hoeveelheid licht met een 15 bepaalde golflengte. Het is mogelijk om in de laser-installatie een verdere sensor aan te brengen die het van het lasbad afkomstige licht meet via de optische kabel.The amount of light present above the workpiece 2 is partly reflected in Figure 2 and collected in the laser head 1. The reflected light is deflected via a semi-transparent mirror 4 via so-called beam dividers 5 and 6 to be able to supply the reflected light to a first and a second sensor 7, 8. A camera 9 can furthermore be added to the arrangement. In addition to those sensors 7 and 8 arranged, it is possible that a separate sensor 10 is added in the vicinity of the welding process. This sensor can for instance be arranged as a camera and be tuned to the capture of a certain amount of light with a certain wavelength. It is possible to provide a further sensor in the laser installation that measures the light coming from the welding pool via the optical cable.

Het laserlicht wordt via een optische kabel 11 (fiber) naar de laskop getransporteerd. Het is mogelijk om in de kabel 11 een verdere sensor aan te brengen voor het meten van licht dat door het lasbad is uitgezonden.The laser light is transported via an optical cable 11 (fiber) to the welding head. It is possible to provide a further sensor in the cable 11 for measuring light emitted by the welding bath.

20 Naast de in figuur 2 afgebeelde onderdelen zal de inrichting volgens de onderha vige uitvinding zijn van regelmiddelen, die de door de verschillende sensoren 7, 8 en 10 ingevangen signalen kunnen verwerken tot ingangssignalen van de laser. Zoals hierboven uitgebreid is beschreven wordt volgens de onderhavige uitvinding de hoeveelheid aan de laserkop 1 toegevoerd vermogen en daarmee de hoeveelheid aan het werk-25 stuk geleverde energie gevarieerd op het moment dat de lichtintensiteit boven het lasbad sprongsgewijs verandert. Deze verdere regelmiddelen zijn afgebeeld in figuur 1.In addition to the components shown in Fig. 2, the device according to the present invention will be control means which can process the signals captured by the different sensors 7, 8 and 10 into input signals from the laser. As has been extensively described above, according to the present invention, the amount of power supplied to the laser head 1 and thus the amount of energy supplied to the work piece is varied at the moment that the light intensity above the welding bath changes stepwise. These further control means are shown in Figure 1.

In de figuren 3a en 3b zijn de resultaten weergegeven van een lasexperiment, waarbij bij verschillende snelheden een las is aangebracht in een werkstuk. In figuur 3a is op de x-as in millimeters de lengte van de as weergegeven. Op de y-as is het ge-30 bruikte vermogen van de laser weergegeven. In figuur 3b is opnieuw op de x-as de lengte van de las in millimeters weergegeven. Op de y-as is in dit geval de door de een van de sensoren gemeten lichtintensiteit boven het lasbad afgebeeld. De verschillende pieken en dalen van de gemeten lichtintensiteit geven aan dat bij het veranderen van 1018861 ' 9 volledige penetratie naar onvolledige penetratie tijdens het lassen de gemeten lichtintensiteit sprongsgewijs verandert.Figures 3a and 3b show the results of a welding experiment, where a weld is applied in a workpiece at different speeds. Figure 3a shows the length of the axis in millimeters on the x-axis. The power used by the laser is shown on the y-axis. Figure 3b again shows the length of the weld in millimeters on the x-axis. In this case, the light intensity measured by one of the sensors above the welding pool is shown on the y-axis. The different peaks and troughs of the measured light intensity indicate that when changing from 1018861 '9 full penetration to incomplete penetration during welding, the measured light intensity changes stepwise.

Volgens de figuren 3a en 3b is over een eerste traject van 0 tot 50 millimeter gelast met een snelheid van 100 millimeter per seconde. Over het daarop volgende ge-5 deelte van 50 tot 90 millimeter is gelast met een snelheid van 120 millimeter per seconde. In het experiment is gelast met een laservermogen van 875 W.According to figures 3a and 3b, welding is carried out over a first range of 0 to 50 millimeters at a speed of 100 millimeters per second. The next part of 50 to 90 millimeters was welded at a speed of 120 millimeters per second. The experiment involves welding with a laser power of 875 W.

Uit de figuren 3a en 3b is af te lezen dat de gevormde las het traject van 0 tot 50 millimeter over een gedeelte van de lengte volledige penetratie vertoont en over een gedeelte van de lengte onvolledige penetratie vertoont. Bij het opvoeren van de snel-10 heid van 100 millimeter per seconde naar 120 millimeter per seconde wordt een las gevormd, die over de hele lengte daarvan onvolledige penetratie vertoont.It can be seen from Figures 3a and 3b that the weld formed has a full penetration range from 0 to 50 millimeters over a part of the length and has incomplete penetration over a part of the length. When the speed is increased from 100 millimeters per second to 120 millimeters per second, a weld is formed which exhibits incomplete penetration along its entire length.

In de figuren 4a en 4b zijn de resultaten weergegeven van een tweede lasexperi-ment, waarbij opnieuw een las wordt gevormd met een lengte van 90 millimeter. In figuur 4a is op de x-as de totale lengte van de gevormde las weergegeven. Op de y-as 15 wordt de bijbehorende hoeveelheid vermogen aangeduid. In figuur 4b is opnieuw de gemeten lichtintensiteit uitgezet tegen de lengte van de las.Figures 4a and 4b show the results of a second welding experiment, in which a weld is again formed with a length of 90 millimeters. Figure 4a shows the total length of the weld formed on the x-axis. The corresponding amount of power is indicated on the y-axis 15. In Figure 4b the measured light intensity is again plotted against the length of the weld.

Op een gedeelte van 0 tot 50 millimeter is opnieuw gelast met een snelheid van 100 millimeter per seconde. Op een gedeelte van 50 tot 90 millimeter is gelast met een snelheid van 120 millimeter per seconde. In het experiment volgens de figuren 4a en 4b 20 wordt niet gebruik gemaakt van een vaste hoeveelheid vermogen voor de laser, maar wordt, na een aanloop van 10 mm, gebruik gemaakt van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding. Dat wil zeggen, dat de hoeveelheid vermogen die wordt toegevoerd aan de laser, afhankelijk is van de gemeten lichtintensiteit boven het lasblad. In figuur 4b is te zien dat na een beginperiode, die ongeveer 11 millimeter lang is, volle-25 dige penetratie wordt bereikt tijdens het lassen. De bijbehorende hoeveelheid energie die per lengte-eenheid voldoende is om volledige penetratie te bereiken is, zoals blijkt uit figuur 4a, lager dan 1000 Watt. Bij het opvoeren van de snelheid (na ongeveer 50 millimeter) moet het vermogen, dat wordt toegevoerd aan de laser en daarmee de energie die wordt toegevoerd aan het werkstuk, worden verhoogd om opnieuw volledige 30 penetratie te kunnen garanderen.On a part of 0 to 50 millimeters, welding was again done at a speed of 100 millimeters per second. Welding is carried out on a part of 50 to 90 millimeters at a speed of 120 millimeters per second. In the experiment according to figures 4a and 4b, no use is made of a fixed amount of power for the laser, but, after a start of 10 mm, use is made of the method according to the present invention. That is, the amount of power supplied to the laser is dependent on the measured light intensity above the welding sheet. In figure 4b it can be seen that after an initial period, which is approximately 11 millimeters long, full penetration is achieved during welding. The corresponding amount of energy that is sufficient per unit length to achieve full penetration is, as can be seen from Figure 4a, lower than 1000 watts. When increasing the speed (after about 50 millimeters), the power that is supplied to the laser and hence the energy that is supplied to the workpiece must be increased in order to be able to guarantee full penetration again.

De figuren 4a en 4b geven aan dat de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding effectief kan worden ingezet om real time de lasbare meters aan te passen, zodat tijdens het aanbrengen van de las volledige penetratie wordt gegarandeerd.Figures 4a and 4b indicate that the method according to the present invention can be effectively used to adjust the weldable meters in real time, so that full penetration is guaranteed during the application of the weld.

101886) 10101886) 10

Zoals hierboven al is aangegeven heeft de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding als voordeel dat men met een optimale snelheid een werkstuk kan lassen. Wanneer men de hoeveelheid vermogen, die aan de laser wordt toegevoegd, constant houdt is het voldoende om de snelheid van de laser ten opzichte van het werkstuk te verande-5 ren om een optimale hoeveelheid energie per lengte-eenheid aan het werkstuk toe te voeren.As already indicated above, the method according to the present invention has the advantage that a workpiece can be welded at an optimum speed. If the amount of power added to the laser is kept constant, it is sufficient to change the speed of the laser relative to the workpiece to supply an optimum amount of energy per unit length to the workpiece.

In de onderhavige uitvinding is gebruik gemaakt van een aantal begrippen. In de eerste plaats is gebruik gemaakt van het woord "referentiewaarde”. De referentiewaarde is een waarde die gekozen wordt tussen de hoge intensiteit van een signaal (dat hoort 10 bij onvolledig doorlassen) en de lage intensiteit (die hoort bij een volledige doorlas) van een signaal. Er is niet een waarde die hoort bij de overgang van onvolledige naar volledige doorlassing. Het is een stapvormige overgang, waarbij de referentie waarde op die overgang wordt gekozen.A number of terms have been used in the present invention. In the first place, the word "reference value" is used. The reference value is a value chosen between the high intensity of a signal (associated with incomplete welding) and the low intensity (associated with complete welding) of There is no value associated with the transition from incomplete to full penetration, it is a step-shaped transition where the reference value on that transition is chosen.

Verder wordt in de onderhavige uitvinding gesproken over een werkstuk. Met het 15 woord werkstuk wordt bedoeld elk voorwerp dat met behulp van de werkwijze volgens de onderhavige uitvinding wordt gelast.Furthermore, the present invention refers to a workpiece. By the word workpiece is meant any object that is welded by the method according to the present invention.

Verder wordt volgens de onderhavige uitvinding de nadruk gelegd op het meten van de lichtintensiteit boven een werkstuk. Het is duidelijk dat op overeenkomstige wijze ook andere las-parameters als ingangssignaal kunnen worden gebruikt voor het 20 aanpassen van de hoeveelheid energie die per lengte-eenheid aan een werkstuk wordt toegevoerd.Furthermore, according to the present invention, emphasis is placed on measuring the light intensity above a workpiece. It is clear that other welding parameters can also be used as input signal for adjusting the amount of energy that is supplied to a workpiece per unit of length.

Verder is er volgens onderhavige uitvinding sprake van het feit dat gemeten wordt aan de bovenzijde van een werkstuk. Op equivalente wijze is het mogelijk om niet aan de bovenzijde de intensiteitverschillen te meten, maar juist aan de onderzijde 25 van de werkstukken intensiteitverschillen in de gemeten lichtintensiteit vast te stellen. Ook deze signalen zouden kunnen worden gebruikt in de onderhavige werkwijze, zonder de uitvindingsgedachte van de onderhavige uitvinding te verlaten.Furthermore, according to the present invention there is talk of the fact that measurements are made on the top of a workpiece. In an equivalent manner, it is possible not to measure the intensity differences at the top, but to determine intensity differences in the measured light intensity on the underside of the workpieces. These signals could also be used in the present method without departing from the inventive concept of the present invention.

1018861 11018861 1

Claims

Method for measuring and controlling a laser welding process, wherein: - a workpiece is welded with the aid of a laser, 5. with the aid of an optical sensor the light intensity above the welding bath is measured, - the optical sensor is measured with the optical sensor compares the measured value with a specific reference value, and - adjusts the energy supplied to the welding bath per unit length, depending on the difference value between the measured value and the determined reference value, characterized in that - the reference value is determined by allowing the energy supplied to the welding pool to increase per unit length from a relatively low starting position or from a relatively high starting position until a step-by-step transition of the measured light intensity from a relatively high level to a relatively low level or vice versa is measured - after which the intensity measured by the optical sensor is used as a control signal for the amount of energy to be supplied to the welding bath per liter narrow unit, whereby the energy to be supplied to the welding bath is increased per unit of length when the relatively high level of the light intensity is measured with the optical sensor and the unit per unit of the energy to be supplied to the welding bath is allowed to decay when the relatively low level of light intensity is measured with the optical sensor.

2. Method according to claim 1, characterized in that the light intensity is measured periodically and the amount of energy to be supplied per unit of length is adjusted accordingly periodically.

Method according to claim 2, characterized in that the period between two consecutive adjustments is chosen between 0.01 and 0.10 ms, preferably 0.03 and 0.07 ms, more preferably 0.05 ms.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that when measuring the relatively low level of the light intensity, the amount of power to be supplied to the welding bath per unit length is decreased in relatively small steps, after which at the transition to the relatively high light intensity, the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length increases in relatively large steps. 5

A method according to any one of the preceding claims, characterized in that the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length is changed by changing the amount of power supplied to the laser. ΙΟ

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the amount of energy to be supplied to the welding bath per unit length is changed by changing the speed of progress of the laser relative to the workpiece.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that several sensors are used.

Method according to claim 7, characterized in that coaxially placed sensors are used. 20

Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that a sensor is used that is specifically suitable for the light with a wavelength of 400-600 nm.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that a sensor is used that is specifically suitable for light with a wavelength near 800 nm.

11. Method according to one of the preceding claims, characterized in that a Nd.:YAG laser is used.

A method according to claim 11, characterized in that use is made of a sensor that is specifically suitable for light with a wavelength of 1064 nm. 1018861

13. Method for welding a Tailor Made Blank (TMB), with the characteristic. that one uses the method for measuring and controlling a laser welding process according to any of the preceding claims. 5

14. Device for measuring and controlling a laser welding process, provided with a laser, such as an Nd: YAG laser and control means for controlling said laser, characterized in that said control means comprise an optical sensor for measuring the light intensity above the welding pool and current calculating means 10 determining the difference between the light intensity measured with the optical sensor and a certain reference value, said calculating means being operatively connected to said laser control means for increasing or decreasing the laser intensity amount of energy to be supplied to a workpiece per unit length, depending on the difference determined by said calculating means. 15

Device as claimed in claim 14, characterized in that the control means are adapted to increase the amount of energy to be supplied to a workpiece per unit of length when the amount of light measured by the optical sensor is higher than the reference value. 20 ft *************** 1018861