WO2018153560A1 - VERFAHREN UND MESSEINRICHTUNG ZUR DETEKTION MINDESTENS EINES QUALITÄTSMERKMALS INNERHALB EINER LASERSCHWEIßNAHT SOWIE EINE HIERMIT AUSGESTATTETE LASERSCHWEIßVORRICHTUNG - Google Patents

VERFAHREN UND MESSEINRICHTUNG ZUR DETEKTION MINDESTENS EINES QUALITÄTSMERKMALS INNERHALB EINER LASERSCHWEIßNAHT SOWIE EINE HIERMIT AUSGESTATTETE LASERSCHWEIßVORRICHTUNG Download PDF

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laser beam
laser
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Johannes Hagen
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the present invention relates to a method for detecting at least one quality feature within a weld to be formed by a machining laser beam on a workpiece, the measuring laser beam is passed via a coupling unit for coupling into the processing laser beam in the direction of the workpiece, from the back in the
  • DE 10 2010 016 862 A1 discloses a laser welding device with integrated measuring device for distance measurement. As part of the measuring device, the machining distance between a
  • a automatic focus adjustment is provided for varying machining distances.
  • a sensor arrangement with a spectrometer and at least two sensor light sources generates measuring beams, which scan via the laser scanner and a lens together the processing area of the workpiece while detecting the workpiece distance. The measuring beams of the
  • Polarization directions coupled into the processing beam path of the laser scanner via an optical coupling element collimated.
  • the measuring beams coupled into the processing beams in this manner serve to record the actual value of the processing distance in order to control an automated working process. This allows the focus of the measuring beams
  • Machining laser be adjusted according to the workpiece topography.
  • Interferometer is able to detect other quality features of the laser weld.
  • the measuring device detects interface and surface data of a workpiece to be machined by the laser welding device, from which quality features of the laser weld seam can be derived.
  • the laser welding device itself comprises a laser source and a
  • Processing head which is designed to provide at least one high-energy processing laser beam.
  • the laser source and the laser beam are designed to provide at least one high-energy processing laser beam.
  • Processing head are connected by an optical fiber.
  • the associated measuring device includes one as optical
  • Coherence tomograph formed scanner for a surface and interfacial scanning of the workpiece.
  • the optical coherence tomograph represents a measuring unit, which works with the aid of an interferometer
  • Coherence properties that is, the ability of light to interference, makes use of.
  • it is provided to separate the light beams emitted by a broadband light source into two beam bundles with the aid of a beam splitting device, in particular with the aid of a semitransparent mirror.
  • the first beam is guided in a so-called reference space, the has a known, adjustable length.
  • the beam is reflected in the reference space at the end, guided again in the reference arm and then imaged onto a detector.
  • the second beam is directed to the surface to be measured of the workpiece and there at least partially reflected again in the direction of the coherence tomograph.
  • the reflected light is also imaged onto the detector in the coherence tomograph, where it leads to interference with the first beam.
  • Information about the difference in length between the measuring arm and the reference arm can be obtained from the measuring signal generated by the detector. From this information about the surface and interface of the workpiece is determined, which also includes quality feature information, such as keyhole depth and
  • the keyhole depth of a weld is the welding parameter characterizing the weld depth.
  • Processing laser beam is formed in the melt in the beam direction of a vapor capillary, which is referred to as a keyhole.
  • the material is thereby also melted in the depth, wherein the melting zone can be deeper than wide. Due to multiple reflections on the walls, the vapor capillary increases the absorption of the laser radiation in the material, as a result of which an increased melt volume compared to heat conduction welding can be produced.
  • the quality of the weld can be determined by means of an in-situ detection by assessing the keyholes.
  • a measuring device for the detection of quality features a related method and a equipped with the measuring device laser welding device to the effect to improve that further quality features of the laser weld can be detected by in-situ measurement.
  • the object is achieved on the basis of a method according to the preamble of claim 1 in conjunction with its characterizing features.
  • the invention includes the technical teaching that for the detection of
  • pore detection means determine from a
  • pore-characteristic signal conspicuity S with an expected for a pore-free weld the expected measurement waveform the most likely presence of a gas-filled pore in the metal environment of the weld.
  • Amplitude increase duration or amplitude decrease duration a
  • Measurement signal waveform M t or the like can be detected.
  • the detected pore-characteristic signal conspicuousness S in a subsequent plausibility step is verified as to whether the conclusion on the presence of a pore is sufficiently probable.
  • at least two of the aforementioned parameters amplitude increase / decrease,
  • Gradient course be used together.
  • measure can also be an increase in amplitude and the associated amplitude increase duration or an amplitude reduction and the associated
  • Amplitudenabsenkungsdauer is also concluded on the type of pores and / or the pore size of the detected pore.
  • Messsignalverfabschept is proposed that the measurement signal is filtered to detect a pore-characteristic signal conspicuousness S.
  • the measurement signal can be used in addition to the detection of quality characteristics for the normal measurement of the distance between the workpiece and coupling unit. Furthermore, the spatial extent of the pore can be carried out by means of a length measurement in the welding direction.
  • the laser backreflex, the plasma emission and / or the infrared emission occurring during laser welding can also be taken into account. Furthermore, a reduced welding depth after a pore-characteristic signal conspicuousness compared to the previously determined measured value shows a pore event more clearly.
  • Analyzed signal analysis method comprising Fourier transformation, auto / Lorenz correlation, pattern recognition, machine learning, Big Data algorithm.
  • the invention also includes a laser welding device with a
  • Processing laser beam source whose processing laser beam contains a coupled by means of coupling coupling measuring laser beam, the one
  • Measuring device provides, the evaluation of at least one
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a laser welding device with an evaluation device containing the functional scope according to the invention
  • FIG. 2 shows a flow chart of the essential method steps for an in-situ pore detection in the case of a laser weld
  • Figure 3 is a simplified graphical representation of an exemplary
  • FIG. 4 shows a detail from the measurement signal curve M t from FIG. 3 in the region of a
  • Figure 5 is a schematic block diagram representation of in a
  • Evaluation device for the measurement signal waveform M t contained signal evaluation pore detecting means.
  • a laser welding device consists essentially of one
  • Processing laser beam source 1 the processing laser beam 2 is coupled by means of a coupling unit 3 in a measuring laser beam which extends coaxially in the center of the machining laser beam 2.
  • the measuring laser beam 4 is generated by a measuring laser beam source 5 and in the direction of
  • Coupling unit 3 sent out. Coupled into the processing laser beam
  • the internal measuring laser beam 4 measures the keyhole depth of the area around the Processing laser beam 2 generated gas bubble, from which the weld depth T of the laser weld 7 can be determined.
  • the determination of the welding depth T is carried out in the context of the measuring device by a reflected from the workpiece 6 return signal, which in a conventional manner within an interferometer 8 with a
  • Reference signal is compared to preferably from this
  • the detection of quality features within the laser welding seam takes place, in a first step, by a measuring laser beam, coupled into a machining laser beam in the direction of the workpiece
  • the reflected measuring laser beam passes in a step b for signal processing by interferometric
  • the interferometric distance measurement is carried out in step c, whereby inter alia, the workpiece distance A between the laser welding device and the workpiece, and the
  • Welding depth T can be derived as distance measurements.
  • further quality features of the laser weld seam are derived from the raw signal, in particular the presence of a gas bubble enclosed in the weld seam in the form of a pore.
  • FIG. 3 illustrates a characteristic measurement signal profile M t of the distance measure over time t.
  • the measured value course M t of the raw signal of the interferometric distance measurement in the course of the production of two successive circumferential welds I and II is shown on a round component.
  • the beginning of the weld by an amplitude course at the time tl is clear.
  • the size of the rash to Time t1 represents the keyhole depth of the weld, from which the weld depth T can be derived.
  • the measurement signal course is not constant, but has an amplitude dynamics, from which further quality features of the weld can be derived.
  • the subsequent measurement signal fluctuations characterize nonuniformities on the surface of the rotating metric workpiece rotating relative to the laser welding device.
  • FIG. 4 shows a detail of the measurement signal profile M t during the times t 1 and t 2 of FIG. 3.
  • an amplitude curve S is recorded from this schematic detail enlargement which is characteristic of a pore 10 contained in the weld according to the diagram schematically shown next to it associated metallographic cutting is.
  • the reduced welding depth occurring during the time period ti a to tib after the pore-characteristic amplitude curve S is another optional indication that a pore event has taken place in the production of the weld.
  • the measuring laser beam 4 emitted by the measuring laser beam source 5 in the direction of the workpiece 6 is shown schematically, the measuring laser beam 4 'reflected in the return direction from the workpiece 6 first of all
  • Interferometer unit 8 passes through before it is analyzed within the evaluation device 9 by special pore detection means in terms of pore-characteristic signal conspicuousness.
  • the measuring signal M t first passes through a receiving unit 100 for receiving the laser welding seam 7 forming
  • Measuring laser beam 4. There follows an extraction unit 200 for extracting a pore-characteristic signal conspicuity S from the temporal
  • Measurement signal curve M t A downstream comparison unit 300 compares the previously extracted pore-characteristic signal conspicuity S with a characteristic pore-free measurement signal curve M t . With an evaluation device 400, it is determined whether the comparison result exceeds or falls below a set limit value or limit range in order to output, if so as the result, the binary information of the presence of a pore 10.
  • the evaluation device 9 also comprises a plausibility check unit (500) for checking the plausibility of the knowledge of the presence of a pore 10 previously obtained by signal evaluation.
  • a plausibility check unit 500 for checking the plausibility of the knowledge of the presence of a pore 10 previously obtained by signal evaluation.
  • the evaluation device 9 is next to the one described above
  • Pore detection also interferometric distance measurement between the coupling unit 3 and the workpiece 6 by analyzing the reflected measurement waveform M t formed, resulting in another quality feature of the laser weld 7, the keyhole depth T is derivable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Messeinrichtung und ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Qualitätsmerkmals innerhalb einer durch einen Bearbeitungslaserstrahl (2) zu bildenden Laserschweißnaht (7) an einem Werkstück (6), mit einer Messlaserstrahlquelle (5) zur Bereitstellung eines Messlaserstrahls (4), einer Einkopplungseinheit (3) zur Einkopplung des Messlaserstrahls (4) in den Bearbeitungslaserstrahl (2) in Richtung des Werkstücks (6), wobei eine Auswerteeinrichtung (9) den vom Werkstück (6) reflektierten Messlaserstrahl (4) hinsichtlich mindestens eines Qualitätsmerkmals der Laserschweißnaht (7) analysiert, wobei die Auswerteeinrichtung (9) Porendetektionsmittel umfasst, welche als Qualitätsmerkmal eine in die Laserschweißnaht (7) eingeschlossene Pore (10) durch Analyse des reflektierten Messsignalverlaufs (Mt) hinsichtlich einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) detektiert. Ferner betrifft die Erfindung auch eine hiermit ausgestattete Laserschweißvorrichtung.

Description

Beschreibung Titel:
Verfahren und Messeinrichtung zur Detektion mindestens eines
Qualitätsmerkmals innerhalb einer Laserschweißnaht sowie eine hiermit ausgestattete Laserschweißvorrichtung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion mindestens eines Qualitätsmerkmals innerhalb eines durch einen Bearbeitungslaserstrahl zu bildenden Schweißnaht an einem Werkstück, deren Messlaserstrahl über eine Einkopplungseinheit zur Einkopplung in den Bearbeitungslaserstrahl in Richtung Werkstück weitergeleitet wird, wobei aus dem in Rückrichtung vom
Messlaserstrahl durch das Werkstück reflektierten Messsignalverlauf Mt das mindestens eine Qualitätsmerkmal der Laserschweißnaht ermittelt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung auch eine dieses Verfahren ausführende Messeinrichtung sowie eine die Messeinrichtung umfassende Laserschweißvorrichtung.
Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Laserschweißanwendungen, bei denen es auf die Erzeugung einer Schweißnaht als stoffschlüssige
Verbindung zwischen Werkstücken oder Werkstückbereichen ankommt, welche eine besonders hohe Qualität und damit Dauerfestigkeit aufweisen soll, beispielsweise bei sicherheitsrelevanten Rohrleitungen oder Behältern.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2010 016 862 AI geht eine Laserschweißvorrichtung mit integrierter Messeinrichtung zur Abstandsmessung hervor. Im Rahmen der Messeinrichtung wird der Bearbeitungsabstand zwischen einem
Bearbeitungslaser und dem Werkstück zu Steuerungszwecken ermittelt. Hierfür ist ein Laserscanner mit zweidimensionaler Ablenkeinrichtung mit
Scannerspiegeln strahlabwärts des Bearbeitungslasers angeordnet. Eine automatische Fokusnachstelleinrichtung ist für variierende Bearbeitungsabstände vorgesehen. Eine Sensoranordnung mit einem Spektrometer und mindestens zwei Sensorlichtquellen erzeugt Messstrahlen, die über den Laserscanner und ein Objektiv gemeinsam den Bearbeitungsbereich des Werkstücks unter Erfassung des Werkstückabstandes abtasten. Die Messstrahlen der
Sensorlichtquellen sind dabei linear polarisiert und mit gekreuzten
Polarisationsrichtungen in den Bearbeitungsstrahlengang des Laserscanners über ein optisches Koppelelement kollimiert eingekoppelt.
Die auf diese Weise in die Bearbeitungsstrahlen eingekoppelten Messstrahlen dienen der Istwert- Erfassung des Bearbeitungsabstandes zur Regelung eines automatisierten Arbeitsprozesses. Hierdurch kann der Fokus des
Bearbeitungslasers entsprechend der Werkstücktopographie nachgestellt werden.
Aus der DE 10 2014 007 887 AI geht eine gattungsgemäße Messeinrichtung einer Laserschweißvorrichtung hervor, welche unter Zuhilfenahme eines
Interferometers in der Lage ist, weitere Qualitätsmerkmale der Laserschweißnaht zu detektieren. Die Messeinrichtung erfasst Grenzflächen- und Oberflächendaten eines durch die Laserschweißvorrichtung zu bearbeitenden Werkstücks, woraus Qualitätsmerkmale der Laserschweißnaht ableitbar sind.
Die Laserschweißvorrichtung selbst umfasst eine Laserquelle und einen
Bearbeitungskopf, der zur Bereitstellung zumindest eines hochenergetischen Bearbeitungslaserstrahls ausgebildet ist. Die Laserquelle und der
Bearbeitungskopf sind durch eine optische Faser miteinander verbunden. Die dazugehörige Messeinrichtung umfasst eine als optischen
Kohärenztomographen ausgebildete Abtasteinrichtung für eine Oberflächen- und Grenzflächenabtastung des Werkstücks. Der optische Kohärenztomograph stellt eine Messeinheit dar, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers
Kohärenzeigenschaften, also die Fähigkeit des Lichts zu Interferenz, zu Nutze macht. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, die von einer breitbandigen Lichtquelle ausgesendeten Lichtstrahlen mit Hilfe einer Strahlteileinrichtung, insbesondere mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels, in zwei Strahlbündel aufzutrennen. Das erste Strahlbündel wird in einen sogenannten Referenzraum geführt, der eine bekannte, einstellbare Länge aufweist. Das Strahlbündel wird endseitig im Referenzraum reflektiert, erneut in dem Referenzarm geführt und anschließend auf einen Detektor abgebildet. Das zweite Strahlbündel wird auf die zu vermessende Oberfläche des Werkstücks geleitet und dort zumindest teilweise wieder in Richtung des Kohärenztomographen reflektiert. Das reflektierte Licht wird ebenfalls auf den Detektor im Kohärenztomographen abgebildet und führt dort zur Interferenz mit dem ersten Strahlbündel. Aus dem vom Detektor erzeugten Messsignal kann eine Information über den Längenunterschied zwischen Messarm und Referenzarm gewonnen werden. Hieraus werden Informationen über die Oberfläche und Grenzfläche des Werkstücks ermittelt, woraus auch Qualitätsmerkmalsinformationen, wie Keyhole-Tiefe und
Bearbeitungsfehler gewonnen werden können.
Die Keyhole-Tiefe einer Schweißnaht ist als Schweißparameter kennzeichnend für die Einschweißtiefe. Bei hohen Strahlintensitäten im Fokus eines
Bearbeitungslaserstrahls bildet sich in der Schmelze in Strahlrichtung eine Dampfkapillare aus, welche als Keyhole bezeichnet wird. Der Werkstoff wird dadurch auch in der Tiefe aufgeschmolzen, wobei die Schmelzzone tiefer als breit sein kann. Die Dampfkapillare erhöht aufgrund von Mehrfachreflexionen an den Wandungen die Absorption der Laserstrahlung im Material, wodurch ein gegenüber dem Wärmeleitungsschweißen vergrößertes Schmelzvolumen erzeugt werden kann. Über entsprechende Optiken kann die Qualität der Schweißung mit Rahmen einer in-situ Detektion durch Begutachtung des Keyholes bestimmt werden.
Dieser Stand der Technik gestattet es also auf Basis einer interferometrischen Abstandsmessung durch die Laseroptik des Bearbeitungslasers hindurch Rückschlüsse auf die Keyhole-Tiefe der Schweißnaht zuzulassen. Hierdurch lässt sich eine Prozessregelung bezüglich der Einschweißtiefe realisieren oder eine simple Prozessüberwachung der Einschweißtiefe.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messeinrichtung zur Detektion von Qualitätsmerkmalen, ein diesbezügliches Verfahren sowie eine mit der Messeinrichtung ausgestattete Laserschweißvorrichtung dahingehend weiter zu verbessern, dass weitere Qualitätsmerkmale der Laserschweißnaht per in-situ Messung detektierbar sind.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Hinsichtlich einer dieses Verfahren ausführenden Messeinrichtung wird die Aufgabe durch Anspruch 14 gelöst. Bezüglich einer die Messeinrichtung enthaltenden Laserschweißvorrichtung wird auf den Anspruch 21 verwiesen.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur Detektion des
Qualitätsmerkmals einer in die Laserschweißnaht eingeschlossenen Pore eine Analyse des Messsignalverlaufs Mt hinsichtlich einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit S erfolgt. Hierzu ermitteln Porendetektionsmittel aus einem
Vergleich einer im reflektierten Messsignalverlaufs Mt aufgefundenen
porencharakteristischen Signalauffälligkeit S mit einem für eine porenfreie Schweißnaht zur erwartenden Messsignalverlauf das höchstwahrscheinliche Vorhandensein einer gasgefüllten Pore in der Metallumgebung der Schweißnaht.
Die porencharakteristische Signalauffälligkeit kann in einer spezifischen
Amplitudenerhöhung oder Amplitudenabsenkung, einer spezifischen
Amplitudenerhöhungsdauer oder Amplitudenabsenkungsdauer, einer
spezifischen Frequenzerhöhung oder Frequenzverminderung, einem
spezifischen Gradientenverlauf in Form eines Anstiegs oder Abfalls im
Messsignalverlauf Mt oder dergleichen erkannt werden.
Vorzugsweise wird die detektierte porencharakteristische Signalauffälligkeit S in einem anschließenden Plausibilisierungsschritt dahingehend verifiziert, ob die Schlussfolgerung auf das Vorhandensein einer Pore hinreichend wahrscheinlich ist. Zur Plausibilisierung des Vorhandenseins einer Pore können mindestens zwei der vorgenannten Parameter: Amplitudenerhöhung/-absenkung,
Erhöhungs-/Absenkungsdauer, Frequenzerhöhung/-verminderung,
Gradientenverlauf gemeinsam herangezogen werden. Gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme kann ferner auch über eine Amplitudenerhöhung und die dazugehörige Amplitudenerhöhungsdauer oder über eine Amplitudenabsenkung und die dazugehörige
Amplitudenabsenkungsdauer auch auf die Porenart und/oder die Porengröße der detektierten Pore rückgeschlossen wird.
Zur Erzielung genauer Messergebnisse und zur Unterdrückung von
Messsignalverfälschungen wird vorgeschlagen, dass das Messsignal zur Erkennung einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit S gefiltert wird.
Das Messsignal kann neben der Detektion von Qualitätsmerkmalen auch zur normalen Messung des Abstandes zwischen Werkstück und Einkopplungseinheit herangezogen werden. Ferner kann die räumliche Ausdehnung der Pore mittels einer Längenmessung in Schweißrichtung durchgeführt werden.
Zur Plausibilisierung des Vorhandenseins einer Pore kann daneben auch der beim Laserschweißen auftretende Laser- Rückref lex, die Plasmaemission und/oder die Infrarotemission mit berücksichtigt werden. Ferner zeigt eine nach einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit verringerte Einschweißtiefe gegenüber dem davor ermittelten Messwert ein Porenereignis deutlicher an.
Das Messsignal zur Erkennung einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit S wird vorzugsweise mittels eines geeigneten digitalen
Signalauswertungsverfahrens analysiert, umfassend Fourier-Transformation, Auto-/Lorenz-Korrelation, Mustererkennung, Machine-Learning, Big-Data- Algorithmus.
Die Erfindung umfasst auch eine Laserschweißvorrichtung mit einer
Bearbeitungslaserstrahlquelle, deren Bearbeitungslaserstrahl einen mittels Einkopplungseinheit eingekoppelten Messlaserstrahl enthält, den eine
Messeinrichtung bereitstellt, deren Auswerteeinrichtung mindestens ein
Qualitätsmerkmal der Schweißnaht in vorstehend beschriebener Weise analysiert. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der
Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Laserschweißvorrichtung mit einer den erfindungsgemäßen Funktionsumfang enthaltenen Auswerteeinrichtung,
Figur 2 ein Flussdiagramm der wesentlichen Verfahrensschritte für eine in- situ Porendetektion bei einer Laserschweißnaht,
Figur 3 eine vereinfachte graphische Darstellung eines exemplarischen
Messsignalverlaufs Mt des Rohsignals einer interferometrischen
Abstandsmessung,
Figur 4 ein Detail aus dem Messsignalverlauf Mt aus Figur 3 im Bereich eines
Porenereignisses und
Figur 5 eine schematische Blockschaltbilddarstellung der in einer
Auswerteeinrichtung für den Messsignalverlauf Mt enthaltenen signalauswertungstechnischen Porendetektionsmittel. Nach Figur 1 besteht eine Laserschweißvorrichtung im Wesentlichen aus einer
Bearbeitungslaserstrahlquelle 1, deren Bearbeitungslaserstrahl 2 mittels einer Einkopplungseinheit 3 in einen Messlaserstrahl eingekoppelt ist, welcher koaxial im Zentrum des Bearbeitungslaserstrahls 2 verläuft. Der Messlaserstrahl 4 wird von einer Messlaserstrahlquelle 5 erzeugt und in Richtung der
Einkopplungseinheit 3 ausgesendet. Eingekoppelt in den Bearbeitungslaserstrahl
2 gelangt der Messlaserstrahl 4 in Richtung eines Werkstücks 6. Während der Bearbeitungslaserstrahl 2 durch Aufschmelzen des anfokussierten
Werkstückbereichs eine Laserschweißnaht 7 erzeugt, misst der innenliegende Messlaserstrahl 4 die Keyhole-Tiefe der um den Bereich des Bearbeitungslaserstrahls 2 erzeugten Gasblase, woraus sich die Einschweißtiefe T der Laserschweißnaht 7 bestimmen lässt.
Die Bestimmung der Einschweißtiefe T erfolgt im Rahmen der Messeinrichtung durch ein vom Werkstück 6 reflektiertes Rücksignal, welches in an sich bekannter Weise innerhalb einer Interferometereinheit 8 mit einem
Referenzsignal verglichen wird, um hieraus vorzugsweise
Abstandsmessergebnisse zu gewinnen. Dies erfolgt im Rahmen einer nachgeschalteten elektronischen Auswerteeinrichtung 9. Unter anderem wird aus dem Rohsignal des Messsignalverlaufs auch die Keyhole-Tiefe T der
Laserschweißnaht 7 ermittelt.
Gemäß Figur 2 erfolgt die Detektion von Qualitätsmerkmalen innerhalb der Laserschweißnaht, indem in einem Schritt a zunächst ein Messlaserstrahl, eingekoppelt in einen Bearbeitungslaserstrahl in Richtung Werkstück
weitergeleitet wird. In Rückrichtung gelangt der reflektierte Messlaserstrahl in einem Schritt b zur Signalverarbeitung durch interferometrische
Abstandsmessung. Die interferometrische Abstandsmessung wird im Schritt c durchgeführt, wodurch sich unter anderem auch der Werkstückabstand A zwischen der Laserschweißvorrichtung und dem Werkstück, sowie die
Einschweißtiefe T als Abstandsmaße ableiten lässt. In einem Schritt d werden aus dem Rohsignal auch weitere Qualitätsmerkmale der Laserschweißnaht abgeleitet, insbesondere das Vorhandensein einer in der Schweißnaht eingeschlossenen Gasblase in Form einer Pore.
In der Figur 3 ist ein charakteristischer Messsignalverlauf Mt des Abstandsmaßes über die Zeit t illustriert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Messwertverlauf Mt des Rohsignals der interferometrischen Abstandsmessung im Zuge der Herstellung zweier aufeinanderfolgender umlaufender Schweißungen I und II an einem Rundbauteil dargestellt. Der Bereich des großen beidseitigen
Amplitudenausschlages zwischen den beiden Schweißungen I und II
kennzeichnet einen Werkstückwechsel.
Im Rahmen einer Schweißung I wird der Beginn der Schweißung durch einen Amplitudenverlauf zum Zeitpunkt tl deutlich. Die Größe des Ausschlages zum Zeitpunkt tl repräsentiert die Keyhole-Tiefe der Schweißnaht, woraus sich die Einschweißtiefe T ableiten lässt. Während der Dauer der Laserstrahleinwirkung auf das Werkstück zwischen dem Zeitpunkt tl und dem Zeitpunkt t2 ist der Messsignalverlauf nicht konstant, sondern weist eine Amplitudendynamik auf, woraus sich auch weitere Qualitätsmerkmale der Schweißung ableiten lassen.
Nach dem Zeitpunkt t2 ist der Schweißvorgang beendet. Die anschließenden Messsignalschwankungen kennzeichnen Ungleichförmigkeiten an der Oberfläche des sich relativ zur Laserschweißvorrichtung drehenden rotationsmetrischen Werkstücks.
Die Figur 4 zeigt ein Detail des Messsignalverlaufs Mt während der Zeitpunkte tl und t2 der Figur 3. Aus dieser schematischen Ausschnittsvergrößerung ist zum Zeitpunkt tia ein Amplitudenverlauf S zu verzeichnen, der charakteristisch für eine in der Schweißnaht enthaltene Pore 10 gemäß des daneben schematisch dargestellten zugehörigen metallographischen Schliffs ist.
Dieser porencharakteristische Amplitudenspruch S lässt über dessen
Amplitudenabsenkung sowie die dazugehörige Amplitudenabsenkungsdauer auf die Art und Größe der Pore 10 rückschließen. Die während der Zeitdauer tia bis tib nach dem porencharakteristischen Amplitudenverlauf S auftretende verringerte Einschweißtiefe ist ein weiterer optionaler Hinweis darauf, dass ein Porenereignis bei der Schweißnahtherstellung stattgefunden hat.
Gemäß Figur 5 ist schematisch der von der Messlaserstrahlquelle 5 in Richtung Werkstück 6 ausgestrahlte Messlaserstrahl 4 dargestellt, dessen in Rückrichtung vom Werkstück 6 reflektierter Messlaserstrahl 4' zunächst die
Interferometereinheit 8 durchläuft, ehe dieser innerhalb der Auswerteeinrichtung 9 durch spezielle Porendetektionsmittel hinsichtlich einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit analysiert wird.
Hierzu durchläuft das Messsignal Mt zunächst eine Empfangseinheit 100 zum Empfangen des von der sich bildenden Laserschweißnaht 7 reflektierten
Messlaserstrahls 4. Es folgt eine Extraktionseinheit 200 zum Extrahieren einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit S aus dem zeitlichen
Messsignalverlauf Mt. Eine nachgeschaltete Vergleichseinheit 300 vergleicht die zuvor extrahierte porencharakteristische Signalauffälligkeit S mit einem charakteristisch porenfreien Messsignalverlauf Mt. Mit einer Auswerteeinrichtung 400 wird festgestellt, ob das Vergleichsergebnis einen festgesetzten Grenzwert oder Grenzbereich überschreitet oder unterschreitet, um bejahendenfalls als Ergebnis die binäre Information des Vorhandenseins einer Pore 10 auszugeben.
Ferner umfasst die Auswerteinrichtung 9 auch eine Plausibilisierungseinheit (500) zur Plausibilisierung der zuvor signalauswertungstechnisch gewonnenen Erkenntnis des Vorhandenseins einer Pore 10.
Die Auswerteeinrichtung 9 ist neben der vorstehend beschriebenen
Porendetektion auch zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen der Einkopplungseinheit 3 und dem Werkstück 6 durch Analyse des reflektierten Messsignalverlaufs Mt ausgebildet, woraus als weiteres Qualitätsmerkmal der Laserschweißnaht 7, deren Keyhole-Tiefe T ableitbar ist.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Detektion mindestens eines Qualitätsmerkmals innerhalb einer durch einen Bearbeitungslaserstrahl (2) zu bildenden Schweißnaht (7) an einem Werkstück (6), bei dem ein Messlaserstrahl (4) über eine Einkopplungseinheit (3) zur Einkopplung in den Bearbeitungslaserstrahl (2) in Richtung Werkstück (6) weitergeleitet wird, wobei durch eine
Auswerteeinrichtung (9) aus dem in Rückrichtung vom Messlaserstrahl (4) durch das Werkstück (6) reflektierten Messsignalverlauf (Mt) das mindestens eine Qualitätsmerkmal der Laserschweißnaht (7) ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Qualitätsmerkmal eine in die
Laserschweißnaht (7) eingeschlossene Pore (10) durch Analyse des Messsignalverlaufs (Mt) hinsichtlich einer porencharakteristischen
Signalauffälligkeit (S) detektiert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer porencharakteristischen
Signalauffälligkeit (S) über deren Amplitudenerhöhung oder über deren Amplitudenabsenkung auf die Existenz der Pore (10) rückgeschlossen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer porencharakteristischen
Signalauffälligkeit (S) über eine Amplitudenerhöhungsdauer oder eine Amplitudenabsenkungsdauer auf die Existenz der Pore (10)
rückgeschlossen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) über eine Frequenzerhöhung oder eine
Frequenzverminderung auf die Existenz der Pore (10) rückgeschlossen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass bei einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) über den Gradientenverlauf in Form eines Anstiegs oder Abfalls im Messsignalverlauf (Mt) auf die Existenz der Pore (10) rückgeschlossen wird.
6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die detektierte porencharakteristische Signalauffälligkeit (S) in einem Plausibilisierungsschritt daraufhin geprüft wird, ob die Schlussfolgerung auf das Vorhandensein einer Pore (10) hinreichend wahrscheinlich ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilisierung des Vorhandenseins der Pore (10) mindestens zwei der vorgenannten Parameter:
Amplitudenerhöhung/-absenkung, Erhöhungs-/Absenkungsdauer, Frequenzerhöhung/-verminderung, Gradientenverlauf gemeinsam herangezogen werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass über eine Amplitudenerhöhung und die dazugehörige Amplitudenerhöhungsdauer oder über eine
Amplitudenabsenkung und die dazugehörige Amplitudenabsenkungsdauer auf die Porenart und/oder die Porengröße der detektierten Pore (10) rückgeschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilisierung des Vorhandenseins einer Pore unter gleichzeitiger Verwendung des Messsignalverlaufs (Mt) als Abstandsmesssignal für den Abstand zwischen Werkstück (6) und
Einkopplungseinheit (3) eine nach einer porencharakteristischen
Signalauffälligkeit (S) verringerte Einschweißtiefe (T) gegenüber dem davor ermittelten Messwert einstellt.
10. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass zur Plausibilisierung des Vorhandenseins einer Pore (10) der beim Laserschweißen auftretende Laser- Rückref lex, die Plasmaemission und/oder die Infrarotemission mit berücksichtigt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal zur Erkennung einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) gefiltert wird.
12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal zur Erkennung einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) mittels eines digitalen Signalauswertungsverfahrens analysiert wird, umfassend Fourier- Transformation, Auto-/Lorenz- Korrelation, Mustererkennung, Machine- Learning, Big-Data-Algorithmus.
13. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Ausdehnung der Pore (10) mittels einer Längenmessung in Schweißrichtung durchgeführt wird.
Messeinrichtung zur Detektion mindestens eines Qualitätsmerkmals innerhalb einer durch einen Bearbeitungslaserstrahl (2) zu bildenden Laserschweißnaht (7) an einem Werkstück (6), mit einer
Messlaserstrahlquelle (5) zur Bereitstellung eines Messlaserstrahls (4), einer Einkopplungseinheit (3) zur Einkopplung des Messlaserstrahls (4) in den Bearbeitungslaserstrahl (2) in Richtung des Werkstücks (6), wobei eine Auswerteeinrichtung (9) den vom Werkstück (6) reflektierten
Messlaserstrahl (4) hinsichtlich mindestens eines Qualitätsmerkmals der Laserschweißnaht (7) analysiert,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (9)
Porendetektionsmittel umfasst, welche als Qualitätsmerkmal eine in die Laserschweißnaht (7) eingeschlossene Pore (10) durch Analyse des reflektierten Messsignalverlaufs (Mt) hinsichtlich einer
porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) detektiert.
Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Porendetektionsmittel der
Auswerteeinrichtung (9) eine Empfangseinheit (100) zum Empfangen des von der sich bildenden Laserschweißnaht (7) reflektierten Messlaserstrahls (4) umfasst.
Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Porendetektionsmittel der
Auswerteeinrichtung (9) eine Extraktionseinheit (200) zum Extrahieren einer porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) aus dem zeitlichen Messsignalverlauf (Mt) umfasst.
Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Porendetektionsmittel der
Auswerteeinrichtung (9) eine Vergleichseinheit (300) zum Vergleichen der extrahierten porencharakteristischen Signalauffälligkeit (S) mit einem charakteristisch porenfreien Messsignalverlauf (Mt) umfasst. Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Porendetektionsmittel der
Auswerteeinrichtung (9) eine Auswerteeinheit (400) umfasst, welche feststellt, ob das Vergleichsergebnis einen festgesetzten Grenzwert oder Grenzbereich überschreitet oder unterschreitet, um bejahendenfalls als Ergebnis die binäre Information des Vorhandenseins einer Pore (10) auszugeben.
19. Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Porendetektionsmittel der
Auswerteinrichtung (9) eine Plausibilisierungseinheit (500) zur
Plausibilisierung der signalauswertungstechnisch gewonnenen Erkenntnis des Vorhandenseins einer Pore (10) umfasst.
Messeinrichtung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (9) neben der Porendetektion auch zur interferometrischen Abstandsmessung zwischen der Einkopplungseinheit (3) und dem Werkstück (6) durch Analyse des reflektierten Messsignalverlaufs (Mt) ausgebildet ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 20,
dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (9) als weiteres
Qualitätsmerkmal der Laserschweißnaht (7), deren Keyhole-Tiefe (T) detektiert.
Laserschweißvorrichtung mit einer Bearbeitungslaserstrahlquelle (1), deren Bearbeitungslaserstrahl (2) einen mittels Einkopplungseinheit (3) eingekoppelten Messlaserstrahl (4) enthält, den eine Messeinrichtung zur Detektion von Qualitätsmerkmalen nach einem der vorstehenden
Ansprüche 14 bis 21 bereitstellt.
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