WO2020099420A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines schweissprozesses zum verschweissen von werkstücken aus glas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines schweissprozesses zum verschweissen von werkstücken aus glas Download PDF

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workpieces
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glass
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Sebastian HECKER
Tim Hesse
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • Y02P40/57—Improving the yield, e-g- reduction of reject rates

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for monitoring a welding process for welding at least one workpiece made of glass to another workpiece, preferably also made of glass, the monitoring being used, for example, to identify and identify cracks and / or defects and / or defects in workpieces glass can be used for laser welding.
  • the quality control was carried out by means of a microscope through microscopic examinations on the weld seams and on the other areas of the interconnected workpieces after completion of the actual welding process, both in plan view and by looking at cross sections.
  • Parameter set of the laser welding process can only be carried out on the microscope after the respective welding process has been completed and outside the welding device.
  • This task is accomplished by a method for monitoring a welding process
  • a method for monitoring a welding process for welding at least one workpiece made of glass to another workpiece, preferably also made of glass is proposed, the workpieces being joined together in a process zone exposed to a processing beam, preferably a laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam be welded.
  • a processing beam preferably a laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam be welded.
  • radiation emitted by the process zone and emanating from at least one of the workpieces is detected in a spatially resolved manner.
  • the process zone in which the weld seam is formed is preferably between the
  • machining beam is guided to the process zone at least through a workpiece that is transparent to the machining beam.
  • workpiece through which the processing beam is guided to the process zone is transparent to the processing beam.
  • the other workpieces can also be transparent, but can also be opaque for the processing beam.
  • the radiation emanating from at least one of the workpieces is detected in a spatially resolved manner makes it possible to monitor the welding process during the welding process when welding glass workpieces, that the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or defects and / or defects in at least one of the workpieces, in particular a workpiece made of glass, can be determined.
  • the welding process can be optimized during the current welding process, among other things.
  • the radiation emitted by the process zone and emanating from at least one of the workpieces is detected in a spatially resolved manner.
  • the process zone serves as quasi
  • Radiation source that serves to irradiate or illuminate the glass volume formed from the glass workpieces. This results from this radiation source formed by the process zone that radiation is emitted within the workpiece or within the workpieces, which radiation then possibly already exists in and / or occurs in the glass volume formed by the at least one workpiece is reflected and / or scattered in this changing cracks and / or imperfections and / or defects and then can be detected accordingly as the radiation emanating from the workpiece in a spatially resolved manner.
  • reflected and / or scattered radiation is detected at cracks and / or defects and / or defects.
  • a radiation source within the workpiece is thus used to illuminate the workpiece in order to determine errors in the workpiece.
  • the spatially resolved detection of the radiation emanating from the workpiece can then be used to draw conclusions about the presence and / or occurrence and / or the change in cracks and / or defects and / or defects within the glass volume.
  • the process zone thus acts as a radiation source within the glass volume, so that during the welding process the presence and / or the emergence and / or the change in cracks and / or defects and / or defects within the glass volume is detected by the radiation scattered and / or reflected thereon can be.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone can be radiation of the machining beam reflected and / or scattered on or in the process zone.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone can also cause heat radiation from the Treatment beam heated, especially melted glass material.
  • the cracks and / or defects and / or defects within the glass volume can also be localized at the same time.
  • the method for monitoring the welding process for welding workpieces made of glass thus enables quality control during the actual welding process and thus also optimization of the welding process by subsequent and / or simultaneous evaluation of the locally detected radiation emanating from the workpiece.
  • the radiation emanating from the workpiece can preferably be detected in areas of the at least one workpiece that lie outside the process zone.
  • the process zone is accordingly considered exclusively as a radiation source, which exposes regions outside the process zone to radiation within the glass volume formed by the workpieces.
  • the radiation emanating from the workpiece is preferably also detected in a time-resolved manner. In this way, the new formation or the change in cracks and / or imperfections and / or defects can be observed while the welding process is being carried out. This can trigger the welding process in the glass volume
  • This information can be taken into account in a simultaneous or subsequent optimization step of the welding process in order to optimize the process parameters.
  • the radiation emanating from the workpiece is preferably recorded by means of an image sensor and converted into a signal by the image sensor, which signal is then processed for subsequent evaluation.
  • An automated evaluation and also a downstream automated optimization of the welding process can thus be achieved.
  • the signal can be evaluated, for example, for the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or imperfections and / or defects, an error being output particularly preferably when predefined tolerance limits are exceeded.
  • An automated evaluation for predetermined errors in the at least one workpiece can thus be achieved in order in this way to check the
  • the signal can preferably be processed by filtering and / or noise reduction and / or smoothing and / or highlighting special features and / or increasing the contrast and / or an edge filter.
  • the signal can be processed by means of image processing, for example comparing the determined signals or the images represented by the signals with a target distribution of intensity values outside the process zone and by evaluating the areas outside the process zone deviating from the target distribution with regard to brightness and / or the contrast and / or the shape and / or the size of the deviating areas, a determination of cracks and / or imperfections and / or defects can be achieved.
  • a further or alternative evaluation of the processed signal can also be achieved by spatial integration, for example beyond the intensity values of the individual image pixels and a subsequent comparison with a previously defined tolerance range.
  • location information can be determined in the coordinate system of the workpieces with regard to the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or defects and / or defects.
  • An uncertainty with regard to the determination of the location can arise here from deviations in the observation field of the sensor used with the respective section of the workpieces, this uncertainty being caused by an initial calibration of the sensor to the focal plane considered in each case and / or by the application of sensors detectable by the sensor Position and / or distance markings on at least one of the workpieces, or can be reduced by reference to the positioning of the process zone.
  • identification of cracks and / or defects and / or defects can be carried out and information about the identified cracks and / or defects and / or defects can be output .
  • a localization of cracks and / or defects and / or defects relative to the process zone is preferably carried out, with information relating to the localization of the cracks and / or defects and / or defects being output. This allows a user to
  • the method is preferably used to weld several workpieces made of glass.
  • All glass workpieces to be welded to one another are particularly preferred.
  • workpieces made of glass with workpieces opaque for the processing beam can also be
  • metallic workpieces are welded.
  • the welding is preferably carried out on one between the workpieces
  • Interface takes place and the processing beam particularly preferably passes through at least one of the workpieces made of glass before it hits the process zone at the interface.
  • a device for monitoring a welding process for welding at least one workpiece made of glass to a further workpiece, preferably also made of glass which comprises a processing objective for applying a processing beam to at least one of the workpieces, preferably for
  • a laser beam is applied to the process zone, particularly preferably one
  • an image sensor is provided for the spatially resolved detection of radiation emitted by the process zone and emanating from at least one of the workpieces.
  • the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or defects and / or defects in the glass volume formed by the at least one workpiece can be determined by means of the device.
  • Optics can preferably be provided for receiving the radiation emanating from the workpiece and for imaging the radiation onto the image sensor, the optics preferably being formed by the processing objective or by an objective separate from the processing objective.
  • An image sensor exposed to the processing objective can advantageously be provided, preferably with the interposition of a beam splitter and / or an optical filter and / or a focusing lens, and an image sensor exposed to an objective separate from the processing objective can be provided. The region of the at least one workpiece imaged by the machining objective and the region of the workpiece imaged by the separate objective can thus be viewed.
  • the processing objective can preferably be designed and set up for the purpose
  • the areas of the workpieces lying outside the process zone can be viewed through a processing lens, by means of which laser radiation is focussed to act upon the process zone with laser energy for welding the workpieces out of glass, the radiation emanating from the workpiece then being provided via a corresponding optical arrangement , for example using a beam splitter, can be coupled out.
  • the detection of the radiation emanating from the workpiece can also be achieved by means of an objective separate from the processing objective, which thus does not exist on an axis formed by the processing beam. In this way, a larger area of the radiation emanating from the workpiece and the surroundings of the process zone can be achieved, which is not absolutely possible by recording the emitted radiation through the processing objective.
  • mapping or focusing on areas and levels of at least one of the workpieces that are not specified by the process zone In particular, it is possible to focus on levels within at least one workpiece that are not specified by the level of the process zone. Furthermore, areas of at least one workpiece that are provided at a distance from the process zone can also be considered.
  • a larger view of the workpiece or the workpieces can also be carried out and the material volumes can be achieved, the process zone being provided as a radiation source within the material volume and the occurrence and / or presence and / or change of cracks and / or defects and / or defects within the workpiece can be determined accordingly during the welding process.
  • the workpieces made of glass are preferably subjected to laser energy for welding by means of a laser beam, particularly preferably by means of an ultra-short pulse laser, wherein nonlinear absorption effects in the glass can be achieved by using short laser pulses due to the high intensities that can be achieved in the respective beam focus. If correspondingly high repetition rates are used for the ultrashort pulse laser, the energy introduced into the process zone by means of the respective pulses of the ultrashort pulse laser accumulates, so that it heats up locally by appropriate heat accumulation effects
  • Laser beam a highly absorbing plasma the size of the focus volume, which then forms the process zone.
  • An increased absorption occurs on the plasma surface which delimits the process zone and in particular in the area of the plasma surface which is oriented in the direction of the processing beam impinging on the plasma and on which the processing beam impinges.
  • the plasma volume can continue to absorb energy on the plasma surface due to the increased absorption of the laser energy and the resultant energy input into the plasma volume, so that the plasma volume can continue to increase, this increase in the plasma volume being mainly directed along the processing beam and in the direction of the Beam source too extends.
  • the plasma can spread in an elongated shape along the processing beam.
  • An elongated bladder formed by the plasma can be formed therefrom.
  • the location and / or the position of the plasma volume can also change and, for example, shift in one direction along the processing beam to the beam source.
  • the non-linear absorption of the machining beam on the plasma can be high
  • Electron temperature originate in the plasma.
  • the electrons can transfer energy to the
  • a weld seam that extends in the direction of movement accordingly results, which is in the form of a sequence of blister-shaped melting volumes that merge into one another.
  • the individual melting volumes can correspond to the formation of the respective plasma volume, but are usually formed by the above-described migration of the plasma volume through the workpiece along the processing beam. In other words, it is
  • the radiation source can thus be subjected to an intensity fluctuation of the emitted radiation corresponding to the periodic bubble formation of the plasma, an associated change in the spectrum, a change in the extent of the radiation source and a change in the position of the radiation source.
  • These periodic fluctuations in the intensity, the wavelength, the extent and / or the position of the radiation source, which is used to irradiate the glass volume of the one, the two, several or all of the workpieces made of glass can be resolved locally and in the evaluation of the workpieces detected radiation are taken into account.
  • the cracks and / or defects and / or defects in the workpiece or in the workpieces can preferably be localized relative to the respectively predefined machining position, which is known due to the relative position between the laser beam and the workpiece.
  • Figure 1 is a schematic representation of a device for monitoring a
  • FIG. 3 shows a further camera image of the process zone and its surroundings recorded by a camera when a laser welding process is carried out during
  • FIG. 1 schematically shows a device 1 for monitoring a welding process for welding two workpieces 110, 120 together.
  • the workpieces 110, 120 are formed from glass - for example in the form of two glass panes - which are arranged on one another at a common interface 100 arranged between the two workpieces 110, 120 and are welded to one another at a section of the interface 100.
  • at least part of the underside 114 of the upper workpiece 110 shown in FIG. 1 bears against the upper side 122 of the lower workpiece 120.
  • the upper side 122 of the lower workpiece 120 and the lower side 114 of the upper workpiece 110 accordingly jointly form the interface 100 in which the welding is to be carried out or was carried out.
  • the two workpieces 110 and 120 can be pressed against one another in the region of the formation of the interface 100 in order to achieve a preliminary positioning and fixing of the two workpieces 110 and 120 against one another before the welding.
  • the two workpieces 110, 120 are essentially transparent to the laser radiation with which the two workpieces 110, 120 are to be welded. This means that the laser radiation used for
  • the welding is provided through the workpieces 110 and 120
  • Interface 100 get there. This is a welding of the workpieces 110 and 120 within the jointly formed by the two workpieces 110, 120
  • Such welding within a workpiece volume formed by at least two workpieces is not possible with materials opaque for the laser radiation.
  • the workpieces 110, 120 can also be designed such that only the upper workpiece 110 is transparent to the machining beam, while the lower workpiece 120 is opaque.
  • a welding of a glass material to a metal material lying underneath in the direction of the processing beam could also be considered.
  • the device 1 comprises a processing objective 2, through which a
  • Processing beam 20 strikes the workpieces 110, 120 and is focused in a process zone 200, as a result of which the intensity of the processing beam 20 is highest in the focus lying in the process zone 200, but lower in the surrounding areas.
  • the material processing in the process zone 200 takes place in that due to the high intensity of the
  • Processing beam 20 in its focus to melt that in process zone 200 present material comes.
  • welding of two material areas that were previously present separately in the process zone 200 and are now cohesively connected by melting can be achieved.
  • the processing beam 20 is preferably provided in the form of a laser beam, particularly preferably in the form of an ultra-short pulse laser beam. Especially when using a
  • Ultrashort pulse lasers are achieved by the very high intensities in the focus provided by the processing objective 2 in the glass material of the at least one workpiece 110, 120 nonlinear absorption effects.
  • heat accumulation effects occur in the glass material, which leads to local melting of the glass material in the process zone 200.
  • the process zone 200 is correspondingly placed in such a way that it is arranged near the interface 100 or comprises the interface 100. This is done by means of the appropriately trained and equipped
  • Process zone 200 focused into it.
  • a processing objective 2 for a processing beam 20 for processing and in particular welding workpieces 110 and 120 in a process zone 200 is known in principle. This also applies to the use of ultra-short pulse lasers.
  • the material of one, several or all of the workpieces 110, 120 is then melted, and then, after the previously melted material has solidified again, the workpieces 110, 120 are welded by the to achieve melted and then solidified material.
  • the process zone 200 can have the extent of the focus of the machining beam 20 or can be extended further.
  • the processing beam 20 together with the processing objective 2 is in one
  • Direction of displacement X can be displaced relative to the workpieces 110, 120 in order to draw a weld seam 210 in the workpieces 110, 120.
  • Either the workpieces 110, 120 or the machining beam 20 with the machining objective 2 or both can be displaced along the displacement direction X. Movements can also be carried out parallel to the plane formed by the interface 100 in order to draw in correspondingly more complex shapes of weld seams 210.
  • the process zone 200 lies, so to speak, between the two workpieces 1, 10, 120 and encloses the interface 100.
  • the processing beam 20 can pass through the workpieces 1, 10, 120 due to the transparency thereof and then enables processing within the one defined by the workpieces 1, 10, 120 Process zone 200 of the glass volume.
  • formed glass volume differs diametrically from the process zones, in which welding of opaque materials for the laser radiation is carried out.
  • an opaque material for example when welding two metallic ones
  • a special configuration and arrangement of the machining objective 2 is thus also advantageous in order to enable the machining beam 20 to be focused accordingly into the interior of the glass volume, which is formed from the at least two workpieces 110, 120.
  • the process of forming the weld seam 210 which is achieved by melting the material of the first workpiece 110 and / or the second workpiece 120 and subsequently solidifying the melted material, can be carried out by forming
  • Plasma areas are described, the heating of the material first taking place in the focus of the processing beam 20 and then a non-linear absorption, since the electrons also give off energy to the atomic trunks and correspondingly generate lattice vibrations with the heat accumulation effects resulting therefrom, forming a highly absorbing plasma.
  • a high absorption of the laser intensity takes place on the respective plasma surface such that the plasma can expand correspondingly in a bubble shape in the direction of the processing beam 20 due to the strong absorption on the plasma surface and / or can move along the processing beam 20 in the direction of the beam source .
  • This process of expansion and / or change of location and / or change of position is terminated as soon as the surface of the plasma that runs out of the focus of the processing beam 20 is no longer supplied with enough intensity by the processing beam 20 that is then no longer focused in this area, to maintain the plasma, which then breaks it down and the process of blistering starts from that in the focus of the Machining beam 20 entered energy begins again.
  • the formation of bubbles therefore takes place periodically and in each case starting from the focus of the machining beam 20.
  • the shape of the bubbles is correspondingly elongated in the direction of the machining beam 20.
  • the material present there for example the glass material, is correspondingly melted in the process zone 200.
  • the process zone 200 emits electromagnetic radiation at this time. This emission of electromagnetic radiation takes place at least during the application of the processing beam 20 to the process zone 200 - but an afterglow can also take place, as long as the melted and solidifying material has an elevated temperature.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone 200 can be radiation of the processing beam 20 reflected or scattered on or in the process zone 200.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone 200 can also be thermal radiation of the melted glass material.
  • Corresponding electromagnetic radiation is emitted from the process zone 200, so that the process zone 200 can also be regarded as a radiation source for the internal illumination of the workpieces 110, 120.
  • the process zone 200 is preferably arranged within the volume formed by the workpieces 110, 120, the process zone 200 can therefore also be regarded as a radiation source which is arranged within the workpieces 110, 120 and illuminates the workpieces 110, 120 virtually from the inside.
  • the radiation emitted by the process zone 200 and emanating from the at least one workpiece can be recorded, for example, by means of the processing objective 2 and then, for example, imaged onto an image sensor 36 via a beam splitter 30, an optical filter element 32 and a focusing lens 34, so that the image sensor 36 is accordingly subjected to a spatially resolved image of the workpiece or the workpieces and outputs a corresponding signal.
  • the beam splitter 30 can be designed, for example, as a dichroic mirror.
  • the optical filter element 32 can be selected, for example, to attenuate the radiation coupled out from the beam splitter 30 and / or to select a specific wavelength range and / or to suppress reflected processing light.
  • the image sensor 36 can be provided, for example, in the form of a matrix camera.
  • Such a matrix camera preferably has a temperature radiation that is suitable for the temperature radiation to be measured, i.e. sufficiently high spectral sensitivity.
  • Detector system several individual cameras, in particular matrix cameras, can be provided, with a single, selective spectral range being imaged on each individual camera.
  • the or at least one matrix camera can be made from different semiconductor materials.
  • a camera for the radiation range from the visual spectral range to the near to the far infrared can also be used as the image sensor 36.
  • CCD, CMOS and / or InGaAs cameras, for example, are suitable as cameras for the image sensor, although this list is by no means exhaustive and other suitable camera types can be used.
  • Process zone 200 emitted and from the or a workpiece 110, 120 radiation can be reached.
  • the radiation emitted from the process zone 200 and emanating from the surrounding areas can be recorded in a spatially resolved manner by means of the image sensor 36.
  • the process zone 200 serves as a radiation source during the machining process, which is arranged within the glass volume formed by the workpieces 110, 120, an image of the environment irradiated by the process zone 200 serving as the radiation source and in particular that by the process zone 200 can also be correspondingly used by means of the image sensor 36 irradiated glass volume are recorded. In this way, it is possible to detect cracks, defects or defects in the glass volume formed by the workpieces 110, 120 via the scattering and / or reflection of the radiation from the process zone 200 taking place there.
  • the presence and / or formation and / or modification of cracks and / or imperfections and / or defects, which optically serve to scatter and / or reflect the radiation emitted by the process zone 200, can thus be detected by means of the image sensor 36.
  • the image sensor 36 which receives the radiation picked up via the processing objective 2 and coupled out via the beam splitter 30, a
  • Image sensor 46 can be provided, which enables the radiation emitted from the volume of workpieces 110, 120 to be imaged by means of an objective 44.
  • image sensor 46 which, like the image sensor 36 already described above, can be used to detect cracks, defects or other defects in the volume formed by the workpieces 110, 120 at a position independent of the machining objective 2 .
  • the quality control is then not only limited to the immediate vicinity of the weld seam 210, but can also include areas spaced from it.
  • a camera image of the area surrounding the weld seam 210 can be seen in FIG.
  • a corresponding glow can first be recognized within the process zone 200, which indicates an emission of radiation from the process zone 200.
  • the process zone 200 moves in the direction x relative to the workpiece 110 shown.
  • the weld seam 210 that has already arisen can also be seen in the camera image.
  • the radiation emitted from the process zone 200 serving as the radiation source is scattered or reflected at cracks 220 and / or defects and / or defects already present or arising during the treatment in such a way that they are visible on the camera image.
  • both the process zone 200 with the weld seam 210 created by the welding process and the presence or formation of cracks 220 or other defects or defects in the workpiece 110 can be recognized accordingly.
  • the cracks 220, defects or defects not necessarily arise or have arisen from the machining process and in particular the heat in the process zone 200, but these cracks 220, defects or defects can also have been present before the machining process began.
  • process parameters can also be tracked or regulated.
  • the power of the machining beam 20 or the feed rate can be adjusted. If, for example, an excessive occurrence of cracks in one, several or all workpieces 110, 120 is detected, the performance of the
  • Processing beam 20 are reduced or the feed rate can be increased in order to reduce the formation of cracks due to stresses generated by the temperature gradients entered.
  • FIG. 3 shows a further exemplary camera image, in which both the process zone 200 with the corresponding emission of the radiation can be seen, and the radiation emanating from a crack 220, which here directly adjoins the process zone 200.
  • the images recorded by the image sensors 36 and / or 46 can be evaluated, for example, by first processing the recorded signals.
  • the signals can be filtered and / or noise can be reduced and / or the signals can be smoothed and / or special characteristics of the signals can be emphasized and / or
  • Contrast increase and / or an edge filter can be carried out etc.
  • the signal picked up by the image sensors 36 and / or 46 can be by means of a
  • Image processing can be processed, for example a comparison of the determined signals or the recordings represented by the signals is compared with a target distribution of intensity values outside the process zone and by evaluating the areas outside the process zone deviating from the target distribution with regard to the brightness and / or the contrast and / or the shape and / or the size of the deviating ones Areas of determination of cracks and / or defects and / or defects can be achieved.
  • a further or alternative evaluation of the processed signal can also be achieved by spatial integration, for example beyond the intensity values of the individual image pixels and a subsequent comparison with a previously defined tolerance range.
  • location information can be determined in the coordinate system of the workpieces with regard to the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or defects and / or defects.
  • An uncertainty with regard to the determination of the location can arise here from deviations in the agreement of the observation field of the sensor 36, 46 used with the respective section of the workpieces 110, 120, this uncertainty being caused by an initial calibration of the sensor system to the focal plane under consideration and / or by the application of position and / or detectable by means of the respective sensor 36, 46
  • An automated error output occurs particularly preferably when predefined tolerance limits are exceeded in order to accordingly abort a welding process if there is a high probability that rejects are produced by the machining process.
  • countermeasures for stabilizing the machining process can also be provided in order to carry out an automated adjustment of the process parameters in such a way that the occurrence or change of cracks, defects or defects is reduced.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (110) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), wobei die Werkstücke (110,120) in einer mit einem Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) miteinander verschweißt werden, wobei erfindungsgemäß von der Prozesszone (200) emittierte und von mindestens einem der Werkstücke (110, 120) ausgehende Strahlung ortsaufgelöst delektiert wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Schweissprozesses zum Verschweissen von Werkstücken aus Glas
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, wobei die Überwachung beispielsweise zur Erkennung und Identifizierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten in Werkstücken aus Glas beim Laserschweißen dienen kann.
Stand der Technik Beim Laserschweißen von Werkstücken aus Glas wurde der Laserschweißprozess bislang manuell eingerichtet. Auch eine Qualitätskontrolle der durch den Laserschweißprozess miteinander verschweißten Werkstücke sowie der Schweißnaht selbst wurde bislang manuell durchgeführt.
Dabei wurde die Qualitätskontrolle mittels eines Mikroskops durch mikroskopische Untersuchungen an den Schweißnähten und an den übrigen Bereichen der miteinander verbundenen Werkstücke nach dem Abschluss des eigentlichen Schweißprozesses sowohl in Draufsicht als auch durch die Betrachtung von Querschliffen durchgeführt.
Auf dieser Grundlage wurde der Laserschweißprozess dann iterativ optimiert. Dieses Vorgehen zum Optimieren des Schweißprozesses bedingt einen entsprechend hohen Aufwand an manueller Arbeit und ist material- und zeitaufwändig, da die Qualitätskontrolle für den jeweiligen
Parametersatz des Laserschweißprozesses erst nach Abschluss des jeweiligen Schweißprozesses und außerhalb der Schweißvorrichtung auf dem Mikroskop durchgeführt werden kann.
Beim Laserschweißen von Metallen ist es bekannt, die aus der jeweiligen Prozesszone, in welche der Fokus des Lasers gelegt ist, emittierte Strahlung mit einem Bildsensor zu überwachen und daraus Erkenntnisse über den Schweißprozess abzuleiten. Ein solches Verfahren zum Laserschweißen opaker Materialien ist beispielsweise aus der WO 2008/052591A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die von einem Bearbeitungsbereich emittierte Strahlung über ein Detektorsystem erfasst, wobei die aus dem Bearbeitungsbereich emittierte Strahlung gleichzeitig bei zumindest zwei Wellenlängen erfasst wird, um genauere Informationen der beim Schweißprozess ablaufenden Prozesse zu erhalten.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, anzugeben, welche eine verbesserte Überwachung des Schweißprozesses ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum
Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren, der vorliegenden Beschreibung sowie aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, vorgeschlagen, wobei die Werkstücke in einer mit einem Bearbeitungsstrahl, bevorzugt mit einem Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone miteinander verschweißt werden. Erfindungsgemäß wird von der Prozesszone emittierte, von mindestens einem der Werkstücke ausgehende Strahlung ortsaufgelöst detektiert.
Bevorzugt sind beide, mehrere oder alle miteinander zu verschweißenden Werkstücke aus Glas. Die Prozesszone, in der die Schweißnaht ausgebildet wird, liegt bevorzugt zwischen den
Werkstücken, so dass der Bearbeitungsstrahl zumindest durch ein für den Bearbeitungsstrahl transparentes Werkstück hindurch zu der Prozesszone geleitet wird. Entsprechend ist zumindest das Werkstück, durch welches hindurch der Bearbeitungsstrahl zur Prozesszone geleitet wird, transparent für den Bearbeitungsstrahl. Die weiteren Werkstücke können ebenfalls transparent sein, aber auch für den Bearbeitungsstrahl opak sein.
Dadurch, dass die von mindestens einem der Werkstücke ausgehende Strahlung ortsaufgelöst detektiert wird, wird es ermöglicht, bereits während des Schweißprozesses beim Verschweißen von Werkstücken aus Glas eine Überwachung des Schweißprozesses dahingehend durchzuführen, dass das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten in zumindest einem der Werkstücke, insbesondere einem Werkstück aus Glas, ermittelt werden kann.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse kann unter anderem der Schweißprozess bereits während der Durchführung des aktuellen Schweißvorgangs optimiert werden.
Dabei wird die von der Prozesszone emittierte und von mindestens einem der Werkstücke ausgehende Strahlung ortsaufgelöst detektiert. Die Prozesszone dient dabei quasi als im
Glasvolumen eines, zweier, mehrerer oder aller Werkstücke aus Glas angeordnete
Strahlungsquelle, die zur Bestrahlung bzw. Beleuchtung des aus den Werkstücken aus Glas ausgebildeten Glasvolumens dient. Damit ergibt sich ausgehend von dieser durch die Prozesszone ausgebildeten Strahlungsquelle, dass Strahlung innerhalb des Werkstückes bzw. innerhalb der Werkstücke emittiert wird, welche dann an möglicherweise in dem durch das mindestens eine Werkstück ausgebildete Glasvolumen bereits vorliegenden und/oder in diesem auftretenden und/oder sich in diesem verändernden Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten reflektiert und/oder gestreut wird und dann entsprechend als die von dem Werkstück ausgehende Strahlung ortsaufgelöst detektiert werden kann.
Mit anderen Worten wird an Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten reflektierte und/oder gestreute Strahlung detektiert.
Damit wird eine Strahlungsquelle innerhalb des Werkstücks zur Durchleuchtung des Werkstücks zur Ermittlung von Fehlern im Werkstück verwendet.
Durch die ortsaufgelöste Detektion der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung kann dann entsprechend auf das Vorliegen und/oder Auftreten und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Defekten und/oder Störstellen innerhalb des Glasvolumens rückgeschlossen werden.
Die Prozesszone wirkt damit als Strahlungsquelle innerhalb des Glasvolumens, sodass bereits während des Schweißprozesses das Vorliegen und/oder das Entstehen und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten innerhalb des Glasvolumens durch die daran gestreute und/oder reflektierte Strahlung detektiert werden kann.
Die von der Prozesszone emittierte elektromagnetische Strahlung kann dabei an oder in der Prozesszone reflektierte und/oder gestreute Strahlung des Bearbeitungsstrahls sein. Die von der Prozesszone emittierte elektromagnetische Strahlung kann auch Wärmestrahlung des durch den Behandlungsstrahl erwärmten, insbesondere aufgeschmolzenen, Glasmaterials sein.
Durch die ortsaufgelöste Detektion der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung kann gleichzeitig auch eine Lokalisierung der Risse und/oder Defekte und/oder Störstellen innerhalb des Glasvolumens erreicht werden.
Damit ermöglicht das Verfahren zur Überwachung des Schweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas eine Qualitätskontrolle bereits während der Durchführung des eigentlichen Schweißvorgangs und damit auch die Optimierung des Schweißprozesses durch eine nachträgliche und/oder gleichzeitige Auswertung der ortsaufgelöst detektierten von dem Werkstück ausgehenden Strahlung.
Die Detektion der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung kann bevorzugt in Bereichen des mindestens einen Werkstücks durchgeführt werden, welche außerhalb der Prozesszone liegen. In diesem Fall wird die Prozesszone entsprechend ausschließlich als Strahlungsquelle betrachtet, welche außerhalb der Prozesszone liegende Bereiche innerhalb des durch die Werkstücke ausgebildeten Glasvolumens mit Strahlung beaufschlagt.
Bevorzugt wird die von dem Werkstück ausgehende Strahlung auch zusätzlich zeitaufgelöst detektiert. Auf diese Weise kann während der Durchführung des Schweißprozesses die neue Ausbildung oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten beobachtet werden. Damit können die im Glasvolumen durch den Schweißprozess ausgelösten
Veränderungen beobachtet werden. Diese Informationen können in einem gleichzeitigen oder nachgelagerten Optimierungsschritt des Schweißprozesses berücksichtigt werden, um die Prozessparameter zu optimieren.
Bevorzugt wird die von dem Werkstück ausgehende Strahlung mittels eines Bildsensors aufgenommen und von dem Bildsensor in ein Signal umgewandelt, welches dann für eine nachfolgende Auswertung aufbereitet wird. Damit kann eine automatisierte Auswertung und auch eine nachgelagerte automatisierte Optimierung des Schweißprozesses erreicht werden.
Dabei kann das Signal beispielsweise auf das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten hin ausgewertet wird, wobei besonders bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe erfolgt. Damit kann eine automatisierte Auswertung auf vorgegebene Fehler in dem mindestens einen Werkstück erreicht werden, um auf diese Weise eine zuverlässigere Kontrolle des
Arbeitsprodukts und eine schnellere Optimierung des Schweißprozesses zu erreichen. Das Signal kann dabei bevorzugt durch eine Filterung und/oder eine Rauschreduktion und/oder eine Glättung und/oder eine Herausstellung besonderer Merkmale und/oder eine Kontrasterhöhung und/oder einen Kantenfilter aufbereitet werden.
Das Signal kann mittels einer Bildverarbeitung verarbeitet werden, wobei beispielsweise ein Abgleich der ermittelten Signale beziehungsweise der durch die Signale repräsentierten Aufnahmen mit einer Sollverteilung von Intensitätswerten außerhalb der Prozesszone verglichen wird und durch eine Auswertung der von der Sollverteilung abweichenden Bereiche außerhalb der Prozesszone hinsichtlich der Helligkeit und/oder des Kontrasts und/oder der Form und/oder der Größe der abweichenden Bereiche eine Ermittlung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten erreicht werden kann.
Eine weitere oder alternative Auswertung des aufbereiteten Signals kann auch durch eine räumliche Integration beispielsweise über die Intensitätswerte der einzelnen Bildpixel hinweg und einen nachfolgenden Vergleich mit einem zuvor festgelegten Toleranzbereich erreicht werden. Auf diese Weise kann eine Ortsinformation im Koordinatensystem der Werkstücke bezüglich des Vorliegens und/oder der Ausbildung und/oder der Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten ermittelt werden.
Eine Unsicherheit bezüglich der Bestimmung des Orts kann sich hier aus Abweichungen des Beobachtungsfelds des verwendeten Sensors mit dem jeweiligen Abschnitt der Werkstücke ergeben, wobei diese Unsicherheit durch eine anfängliche Kalibrierung des Sensors auf die jeweils betrachtete Fokusebene und/oder durch das Aufbringen von mittels des Sensors detektierbaren Positions- und/oder Distanzmarkierungen auf mindestens einem der Werkstücke, oder durch eine Bezugnahme auf die Positionierung der Prozesszone reduzierbar ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung kann auf Grundlage der ortsaufgelöst detektierten, von mindestens einem der Werkstücke ausgehenden Strahlung eine Identifizierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten durchgeführt werden und eine Information zu den identifizierten Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten ausgegeben werden.
Bevorzugt wird weiterhin eine Lokalisierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten relativ zu der Prozesszone durchgeführt, wobei eine Information zu der Lokalisierung der Risse und/oder Störstellen und/oder Defekte ausgegeben wird. Damit kann ein Benutzer eine
Qualitätskontrolle durchführen und dann auf Grundlage der ausgegebenen Informationen entscheiden, ob das Arbeitsprodukt den Erfordernissen entspricht. Weiterhin kann auch in einem automatisierten Prozess eine Bewertung der aufgefundenen Fehler durchgeführt werden und ein Arbeitsprodukt automatisch verworfen werden, wenn es
vorgegebenen Qualitätsanforderungen nicht entspricht.
Das Verfahren dient bevorzugt zum Verschweißen von mehreren Werkstücken aus Glas.
Besonders bevorzugt sind alle miteinander zu verschweißenden Werkstücke aus Glas. Es können aber auch Werkstücke aus Glas mit für den Bearbeitungsstrahl opaken Werkstücken,
beispielsweise metallischen Werkstücken, verschweißt werden.
Die Verschweißung findet dabei bevorzugt an einer zwischen den Werkstücken liegenden
Grenzfläche statt und der Bearbeitungsstrahl tritt besonders bevorzugt durch mindestens eines der aus Glas ausgebildeten Werkstücke hindurch, bevor er auf die Prozesszone an der Grenzfläche trifft.
Die oben angegebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren sowie der vorliegenden Beschreibung.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, vorgeschlagen, welche ein Bearbeitungsobjektiv zur Beaufschlagung einer Prozesszone mindestens eines der Werkstücke mit einem Bearbeitungsstrahl umfasst, bevorzugt zur
Beaufschlagung der Prozesszone mit einem Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem
Ultrakurzpulslaserstrahl. Erfindungsgemäß ist ein Bildsensor zur ortsaufgelösten Detektion von von der Prozesszone emittierter, von mindestens einem der Werkstücke ausgehender Strahlung vorgesehen.
Auf diese Weise können die oben bereits zu dem Verfahren beschriebenen Vorteile erreicht werden. Insbesondere kann mittels der Vorrichtung das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten in dem durch das mindestens eine Werkstück ausgebildeten Glasvolumen ermittelt werden.
Bevorzugt kann eine Optik zur Aufnahme der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Bildsensor vorgesehen sein, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv separaten Objektiv ausgebildet ist. Vorteilhaft kann ein mit dem Bearbeitungsobjektiv belichteter Bildsensor vorgesehen sein, bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Strahlteilers und/oder eines optischen Filters und/oder einer Fokussierlinse, und es kann ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv separaten Objektiv belichteter Bildsensor vorgesehen sein. Damit kann der durch das Bearbeitungsobjektiv abgebildete Bereich des mindestens einen Werkstücks und der durch das separate Objektiv abgebildete Bereich des Werkstücks betrachtet werden.
Bevorzugt kann das Bearbeitungsobjektiv dazu ausgebildet und eingerichtet sein, den
Bearbeitungsstrahl in eine in dem durch das mindestens eine Werkstück gebildeten Glasvolumen liegende Prozesszone zu fokussieren.
Eine Betrachtung der außerhalb der Prozesszone liegenden Bereiche der Werkstücke kann durch ein Bearbeitungsobjektiv hindurch, mittels welchem Laserstrahlung zur Beaufschlagung der Prozesszone mit Laserenergie zum Verschweißen der Werkstücke aus Glas fokussiert wird, vorgenommen werden, wobei dann die von dem Werkstück ausgehende Strahlung über eine entsprechende optische Anordnung, beispielsweise unter Verwendung eines Strahlteilers, ausgekoppelt werden kann.
Die Detektion der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung kann auch mittels eines von dem Bearbeitungsobjektiv separaten Objektivs erreicht werden, welches damit nicht auf einer durch den Bearbeitungsstrahl ausgebildeten Achse liegenden Position vorliegt. Auf diese Weise kann eine großflächigere Aufnahme der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung sowie der Umgebung der Prozesszone erreicht werden, welche durch das Aufnehmen der emittierten Strahlung durch das Bearbeitungsobjektiv hindurch nicht unbedingt möglich ist.
Damit ist eine Abbildung beziehungsweise Fokussierung auf Bereiche und Ebenen mindestens eines der Werkstücke möglich, die nicht durch die Prozesszone vorgegeben sind. Insbesondere kann auf Ebenen innerhalb mindestens eines Werkstücks fokussiert werden, die nicht durch die Ebene der Prozesszone vorgegeben sind. Weiterhin können auch Bereiche mindestens eines Werkstücks betrachtet werden, die beabstandet zu der Prozesszone vorgesehen sind.
Die Betrachtung von Bereichen und Ebenen, welche von der Prozesszone beabstandet sind, ist in herkömmlichen Verfahren zur Überwachung der Prozesszone beim Verschweißen von opaken Materialien nicht möglich, da die von der Prozesszone emittierte Strahlung die für diese opaken Materialien nicht durchdringen kann.
Entsprechend kann auch eine großflächigere Betrachtung des Werkstücks bzw. der Werkstücke sowie der Werkstoffvolumina erreicht werden, wobei die Prozesszone als Strahlungsquelle innerhalb des Werkstoffvolumens vorgesehen ist und entsprechend das Auftreten und/oder Vorliegen und/oder Verändern von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten innerhalb des Werkstückes während des Schweißprozesses ermittelt werden kann.
Bevorzugt werden die Werkstücke aus Glas zum Verschweißen mittels eines Laserstrahls, besonders bevorzugt mittels eines Ultrakurzpulslasers, mit Laserenergie beaufschlagt, wobei durch die Verwendung kurzer Laserpulse durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im Glas erreicht werden können. Werden entsprechend hohe Repetitionsraten für den Ultrakurzpulslaser verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse des Ultrakurzpulslasers in die Prozesszone eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des
Glasmaterials kommt. Entsprechend entsteht in der Nähe des geometrischen Fokus des
Laserstrahls ein hochabsorbierendes Plasma in der Größe des Fokusvolumens, welches dann die Prozesszone ausbildet.
An der Plasmaoberfläche, welche die Prozesszone begrenzt und insbesondere in dem Bereich der Plasmaoberfläche, welche in Richtung des auf das Plasma auftreffenden Bearbeitungsstrahls orientiert ist und auf welche der Bearbeitungsstrahl auftrifft, tritt eine verstärkte Absorption auf. Damit kann das Plasmavolumen aufgrund der erhöhten Absorption der Laserenergie und dem sich dadurch ergebenden Energieeintrag in das Plasmavolumen an der Plasmaoberfläche weiter Energie absorbieren, so dass das Plasmavolumen weiter anwachsen kann, wobei sich dieses Anwachsen des Plasmavolumens hauptsächlich entlang des Bearbeitungsstrahls gerichtet und in Richtung auf die Strahlquelle zu erstreckt. Mit anderen Worten kann sich das Plasma in einer länglichen Form entlang des Bearbeitungsstrahls ausbreiten. Daraus kann eine langgezogene Blase, die durch das Plasma geformt ist, ausgebildet werden.
Durch den zusätzlichen Energieeintrag aus der Richtung des auf das Plasma auftreffenden Bearbeitungsstrahls kann sich weiterhin auch der Ort und/oder die Lage des Plasmavolumens verändern und sich beispielsweise entlang des Bearbeitungsstrahls in einer Richtung auf die Strahlquelle zu verschieben.
Auf diese Weise kann sich ein Absorptionsvolumen ausbilden, welches das ursprüngliche Fokusvolumen um ein Vielfaches übersteigen kann, so dass entsprechend die Prozesszone ein Vielfaches des Fokusvolumens ausmachen kann. Reicht die auf der Plasmaoberfläche auftreffende Strahlintensität aufgrund des durch das
Wachstum bedingten Herauswanderns der Plasmaoberfläche aus dem Fokus des Laserstrahls nicht mehr dazu aus, das Plasma aufrechtzuerhalten, so kann zur Aufrechterhaltung des Plasmas nicht mehr genügend Energie absorbiert werden, der Ausdehnungsprozess des Plasmas bricht zusammen und die Absorption beginnt erneut im Fokus des Laserstrahls. Entsprechend findet der Schweißprozess quasi periodisch statt und es bilden sich jeweils Plasmabereiche aus, welche ihrerseits zu einem blasenförmigen Schmelzvolumen führen können. Durch die mögliche Änderung des Ortes und/oder der Lage des Plasmavolumens in den Werkstücken kann ein resultierendes Schmelzvolumen größer sein, als das erzeugte Plasmavolumen. Das Plasmavolumen kann in begrenztem Maße durch das Werkstückvolumen hindurchwandern und dabei jeweils einen aufgeschmolzenen Bereich hinterlassen, der damit zu einem Schmelzvolumen führt, welches eine größere Ausdehnung aufweist, als die Ausdehnung des Plasmavolumens.
Die nichtlineare Absorption des Bearbeitungsstrahls an dem Plasma kann von der hohen
Elektronentemperatur in dem Plasma herrühren. Die Elektronen können Energie an die
Atomrümpfe abgeben, was zu Gitterschwingungen und einer zusätzlichen Erwärmung des Materials durch Wärmeakkumulation führen kann.
Durch das Aufbringen einer relativen Bewegung des Bearbeitungsstrahls bezüglich des Werkstücks während des Schweißprozesses ergibt sich nach dem Erstarren des vorher aufgeschmolzenen Materials entsprechend eine sich in der Bewegungsrichtung erstreckende Schweißnaht, welche in Form einer Folge von ineinander übergehenden blasenförmigen Schmelzvolumina vorliegt. Die einzelnen Schmelzvolumina können der Ausbildung des jeweiligen Plasmavolumens entsprechen, sind aber üblicher Weise durch das oben beschriebene Wandern des Plasmavolumens durch das Werkstück entlang des Bearbeitungsstrahls ausgebildet. Mit anderen Worten ist das
Schmelzvolumen üblicher weise größer, als die größte Ausdehnung des Plasmavolumens.
Mit dem periodischen Ausdehnen und Kollabieren des Plasmas ergibt sich auch eine periodische Veränderung der Intensität und des Spektrums der als Strahlungsquelle dienenden Prozesszone. Die Strahlungsquelle kann damit einer durch die periodische Blasenbildung des Plasmas entsprechenden Intensitätsschwankung der emittierten Strahlung, einer damit einhergehenden Veränderung des Spektrums, einer Veränderung der Ausdehnung der Strahlungsquelle sowie einer Veränderung der Lage der Strahlungsquelle unterworfen sein. Diese periodischen Schwankungen der Intensität, der Wellenlänge, der Ausdehnung und/oder der Lage der Strahlungsquelle, welche zur Bestrahlung des Glasvolumens des einen, der beiden, der mehreren oder aller Werkstücke aus Glas dient, können bei der Auswertung der von den Werkstücken ausgehenden und ortsaufgelöst detektierten Strahlung berücksichtigt werden.
Bevorzugt kann eine Lokalisierung der Risse und/oder Störstellen und/oder Defekte in dem Werkstück bzw. in den Werkstücken relativ zu der jeweils vorgegebenen Bearbeitungsposition, welche aufgrund der Relativposition zwischen Laserstrahl und Werkstück bekannt ist, erreicht werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitende Zeichnung.
Kurze Beschreibung der Figuren
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende
Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines
Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas;
Figur 2 ein von einer Kamera aufgenommenes Kamerabild der Prozesszone und ihrer
Umgebung beim Durchführen eines Laserschweißprozesses beim Verschweißen von Werkstücken aus Glas; und
Figur 3 ein weiteres von einer Kamera aufgenommenes Kamerabild der Prozesszone und ihrer Umgebung beim Durchführen eines Laserschweißprozesses beim
Verschweißen von Werkstücken aus Glas.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführunqsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Überwachen eines Schweißprozesses zum Verschweißen von zwei Werkstücken 110, 120 miteinander. In der gezeigten Ausführungsform sind die Werkstücke 110, 120 aus Glas ausgebildet - beispielsweise in Form von zwei Glasscheiben - die an einer gemeinsamen und zwischen den beiden Werkstücken 110, 120 angeordneten Grenzfläche 100 aneinander angeordnet sind und an einem Abschnitt der Grenzfläche 100 miteinander verschweißt werden. Mit anderen Worten liegt zumindest ein Teil der Unterseite 114 des in der Figur 1 gezeigten oberen Werkstücks 110 an der Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 an. Die Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 und die Unterseite 114 des oberen Werkstücks 110 bilden entsprechend gemeinsam die Grenzfläche 100 aus, in der die Verschweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde.
Die beiden Werkstücke 1 10 und 120 können im Bereich der Ausbildung der Grenzfläche 100 aneinander angesprengt sein, um bereits vor der Verschweißung eine vorläufige Positionierung und Fixierung der beiden Werkstücke 1 10 und 120 gegeneinander zu erreichen.
Aufgrund der Beschaffenheit ihres Werkstoffs, nämlich Glas, sind die beiden Werkstücke 110, 120 im Wesentlichen transparent für die Laserstrahlung, mit der die Verschweißung der beiden Werkstücke 110, 120 durchgeführt werden soll. Damit kann die Laserstrahlung, die zur
Durchführung der Verschweißung vorgesehen ist, durch die Werkstücke 110 und 120
hindurchtreten und insbesondere auch durch das obere Werkstück 110 hindurch zu der
Grenzfläche 100 hin gelangen. Damit ist eine Verschweißung der Werkstücke 110 und 120 innerhalb des durch die beiden Werkstücke 1 10, 120 gemeinsam ausgebildeten
Werkstückvolumens möglich.
Eine solche Verschweißung innerhalb eines durch mindestens zwei Werkstücke ausgebildeten Werkstückvolumens ist bei für die Laserstrahlung opaken Werkstoffen nicht möglich.
Die Werkstücke 110, 120 können aber auch so ausgebildet sein, dass nur das obere Werkstück 110 für den Bearbeitungsstrahl transparent ist, das untere Werkstück 120 hingegen opak.
Entsprechend könnte beispielsweise auch eine Verschweißung eines Glasmaterials mit einem in Richtung des Bearbeitungsstrahls darunter liegenden Metallmaterial betrachtet werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein Bearbeitungsobjektiv 2, durch welches hindurch ein
Bearbeitungsstrahl 20 auf die Werkstücke 110,120 auftrifft und in einer Prozesszone 200 fokussiert wird, wodurch die Intensität des Bearbeitungsstrahls 20 in dem in der Prozesszone 200 liegenden Fokus am höchsten ist, in den umgebenden Bereichen hingegen niedriger. Die Materialbearbeitung in der Prozesszone 200 findet dadurch statt, dass es aufgrund der hohen Intensität des
Bearbeitungsstrahls 20 in seinem Fokus zu einem Aufschmelzen des in der Prozesszone 200 vorliegenden Materials kommt. Dadurch kann beim nachfolgenden Abkühlen beispielsweise ein Verschweißen zweier vorher in der Prozesszone 200 getrennt vorliegender und nun durch das Aufschmelzen stoffschlüssig miteinander verbundener Materialbereiche erreicht werden.
Der Bearbeitungsstrahl 20 wird bevorzugt in Form eines Laserstrahls, besonders bevorzugt in Form eines Ultrakurzpulslaserstrahls, bereitgestellt. Besonders bei der Verwendung eines
Ultrakurzpulslasers werden durch die sehr hohen Intensitäten im durch das Bearbeitungsobjektiv 2 bereitgestellten Fokus im Glasmaterial des mindestens einen Werkstücks 110, 120 nichtlineare Absorptionseffekte erreicht. Beim Verwenden einer geeigneten Repetitionsrate der Laserpulse kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmaterial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials in der Prozesszone 200 kommt.
Um ein Verbinden der Werkstücke 110 und 120 zu erreichen, wird die Prozesszone 200 entsprechend so gelegt, dass sie nahe der Grenzfläche 100 angeordnet ist oder die Grenzfläche 100 umfasst. Dazu wird mittels des entsprechend ausgebildeten und eingerichteten
Bearbeitungsobjektivs 2 der Bearbeitungsstrahl 20 entsprechend aufbereitet und in die
Prozesszone 200 hinein fokussiert.
Die Ausbildung eines Bearbeitungsobjektivs 2 für einen Bearbeitungsstrahl 20 zur Bearbeitung und insbesondere Verschweißung von Werkstücken 110 und 120 in einer Prozesszone 200 ist prinzipiell bekannt. Dies gilt auch für die Verwendung von Ultrakurzpulslasern.
In der Prozesszone 200, in welcher der Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 liegt, findet dann das Aufschmelzen des Materials eines, mehrerer oder aller Werkstücke 110, 120 statt, um dann nach dem erneuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials eine Verschweißung der Werkstücke 110, 120 durch das aufgeschmolzene und dann erstarrte Material zu erreichen. Die Prozesszone 200 kann die Ausdehnung des Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 haben oder aber weiter ausgedehnt sein.
Der Bearbeitungsstrahl 20 gemeinsam mit dem Bearbeitungsobjektiv 2 ist in einer
Verschiebungsrichtung X relativ bezüglich der Werkstücke 110,120 verschiebbar, um in den Werkstücken 110,120 eine Schweißnaht 210 einzuziehen. Dabei können entweder die Werkstücke 1 10, 120 oder der Bearbeitungsstrahl 20 mit dem Bearbeitungsobjektiv 2 oder auch beide entlang der Verschiebungsrichtung X verschoben werden. Es können auch Bewegungen parallel zu der durch die Grenzfläche 100 ausgebildeten Ebene durchgeführt werden, um entsprechend komplexere Formen von Schweißnähten 210 einzuziehen. Die Prozesszone 200 liegt dabei quasi zwischen den beiden Werkstücken 1 10,120 und umschließt die Grenzfläche 100. Der Bearbeitungsstrahl 20 kann aufgrund der Transparenz der Werkstücke 1 10, 120 durch diese hindurchtreten und ermöglicht dann eine Bearbeitung der innerhalb des durch die Werkstücke 1 10, 120 definierten Glasvolumens liegenden Prozesszone 200.
Diese Anordnung der Prozesszone 200 innerhalb des durch die Werkstücke 1 10, 120
ausgebildeten Glasvolumens unterscheidet sich entsprechend diametral von den Prozesszonen, in welchen ein Verschweißen von für die Laserstrahlung opaken Materialien durchgeführt wird. Bei einem opaken Material, beispielsweise bei einem Verschweißen von zwei metallischen
Werkstücken miteinander, ist das Durchtreten eines Bearbeitungsstrahls durch eine Oberseite eines ersten Werkstückes derart, dass auf der Unterseite dieses Werkstückes eine Verschweißung mit einem der Unterseite gegenüberliegenden zweiten Werkstück ermöglicht wird, nicht möglich. Vielmehr kann der Bearbeitungsstrahl dann nicht durch das opake Werkstück hindurch dringen.
Damit ist auch eine besondere Ausbildung und Einrichtung des Bearbeitungsobjektivs 2 von Vorteil, um entsprechend ein Fokussieren des Bearbeitungsstrahls 20 in das Innere des Glasvolumens, das aus den mindestens zwei Werkstücken 1 10, 120 gebildet ist, zu ermöglichen.
Der Prozess der Ausbildung der Schweißnaht 210, welche durch das Aufschmelzen des Materials des ersten Werkstückes 1 10 und/oder des zweiten Werkstückes 120 und ein nachfolgendes Erstarren des aufgeschmolzenen Materials erreicht wird, kann durch die Ausbildung von
Plasmabereichen beschrieben werden, wobei zunächst im Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eine Erwärmung des Materials stattfindet und sich dann durch nichtlineare Absorption, da die Elektronen auch Energie an die Atomrümpfe abgeben und entsprechend Gitterschwingungen mit den sich dadurch ergebenden Wärmeakkumulationseffekten erzeugen, ein hochabsorbierendes Plasma ausbildet.
An der jeweiligen Plasmaoberfläche findet eine hohe Absorption der Laserintensität so statt, dass sich das Plasma aufgrund der starken Absorption an der Plasmaoberfläche entsprechend blasenförmig in Richtung des Bearbeitungsstrahls 20 weiter ausdehnen kann und/oder sich in Richtung auf die Strahlquelle zu entlang des Bearbeitungsstrahls 20 bewegen kann. Dieser Prozess der Ausdehnung und/oder Ortsänderung und/oder Lageänderung wird beendet, sobald die durch die Ausdehnung aus dem Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 herauslaufende Oberfläche des Plasmas von dem dann in diesem Bereich nicht mehr fokussiert vorliegenden Bearbeitungsstrahl 20 nicht mehr mit genug Intensität versorgt wird, um das Plasma aufrechtzuerhalten, wodurch dieses dann zusammenbricht und der Prozess der Blasenbildung ausgehend von der in dem Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eingetragenen Energie erneut beginnt. Die Blasenbildung findet also periodisch und jeweils ausgehend vom Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 statt. Die Form der Blasen ist entsprechend länglich in Richtung des Bearbeitungsstrahls 20.
Wie bereits ausgeführt, findet in der Prozesszone 200 entsprechend ein Aufschmelzen des dort vorliegenden Materials, beispielsweise des Glasmaterials, statt. Die Prozesszone 200 emittiert zu diesem Zeitpunkt elektromagnetische Strahlung. Diese Emission elektromagnetischer Strahlung findet zumindest während des Beaufschlagung der Prozesszone 200 mit dem Bearbeitungsstrahl 20 statt - es kann aber auch quasi ein Nachleuchten stattfinden, solange das aufgeschmolzene und erstarrende Material eine erhöhte Temperatur aufweist.
Die von der Prozesszone 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann dabei an oder in der Prozesszone 200 reflektierte oder gestreute Strahlung des Bearbeitungsstrahls 20 sein. Die von der Prozesszone 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann auch Wärmestrahlung des aufgeschmolzenen Glasmaterials sein.
Von der Prozesszone 200 aus wird entsprechend elektromagnetische Strahlung emittiert, so dass die Prozesszone 200 quasi auch als Strahlungsquelle für die interne Beleuchtung der Werkstücke 110, 120 angesehen werden kann.
Da die Prozesszone 200 bevorzugt innerhalb des von den Werkstücken 110, 120 ausgebildeten Volumens angeordnet ist, kann die Prozesszone 200 daher auch als innerhalb der Werkstücke 110, 120 angeordnete Strahlungsquelle angesehen werden, welche die Werkstücke 110, 120 quasi von innen heraus beleuchtet.
Die von der Prozesszone 200 emittierte und von dem mindestens einen Werkstück ausgehende Strahlung kann beispielsweise mittels des Bearbeitungsobjektivs 2 aufgenommen werden und dann beispielsweise über einen Strahlteiler 30, ein optisches Filterelement 32 und eine Fokussierlinse 34 auf einen Bildsensor 36 abgebildet werden, so dass der Bildsensor 36 entsprechend mit einem ortsaufgelösten Abbild des Werkstücks beziehungsweise der Werkstücke beaufschlagt wird und ein entsprechendes Signal ausgibt.
Der Strahlteiler 30 kann beispielsweise als dichroitischer Spiegel ausgebildet sein.
Das optische Filterelement 32 kann beispielsweise zur Abschwächung der von dem Strahlteilers 30 ausgekoppelten Strahlung und/oder zur Auswahl eines bestimmten Wellenlängenbereichs und/oder zur Unterdrückung reflektierten Bearbeitungslichts ausgewählt werden. Der Bildsensor 36 kann beispielsweise in Form einer Matrix-Kamera vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist eine solche Matrix-Kamera eine für die zu messende Temperaturstrahlung geeignete, d.h. ausreichend hohe, spektrale Empfindlichkeit auf. Alternativ können als
Detektorsystem mehrere einzelne Kameras, insbesondere Matrix-Kameras, vorgesehen sein, wobei auf jede Einzelkamera ein einzelner, selektiver Spektralbereich abgebildet wird. Die bzw. zumindest eine Matrix-Kamera kann aus unterschiedlichen Halbleitermaterialien gefertigt sein.
Als Bildsensor 36 kann auch eine Kamera für den Strahlungsbereich vom visuellen Spektralbereich über das nahe bis zum fernen Infrarot verwendet werden. Als Kamera für den Bildsensor sind beispielsweise CCD, CMOS- und/oder InGaAs-Kameras geeignet, wobei diese Aufzählung keineswegs abschließend ist und weitere geeignete Kameraarten eingesetzt werden können.
Wenn zur Ausbildung des Bildsensors 36 Einzelkameras eingesetzt werden, können auch mehrere unterschiedliche Kameras kombiniert werden. Beispielsweise können für unterschiedliche zu messende Spektralbereiche unterschiedliche Kameras mit verschiedenen spektralen
Empfindlichkeiten verwendet werden.
Mittels des Bildsensors 36 kann entsprechend eine ortsaufgelöste Abbildung der von der
Prozesszone 200 emittierten und von dem oder einem Werkstück 110, 120 ausgehenden Strahlung erreicht werden.
Entsprechend kann die aus der Prozesszone 200 emittierte und von den umgebenden Bereichen ausgehende Strahlung mittels des Bildsensors 36 ortsaufgelöst aufgenommen werden.
Da die Prozesszone 200 während des Bearbeitungsprozesses quasi als Strahlungsquelle dient, welche innerhalb des durch die Werkstücke 110,120 ausgebildeten Glasvolumens angeordnet ist, kann mittels des Bildsensors 36 entsprechend auch ein Abbild der durch die als Strahlungsquelle dienenden Prozesszone 200 bestrahlten Umgebung und insbesondere des durch die Prozesszone 200 bestrahlten Glasvolumens aufgenommen werden. Auf diese Weise ist es möglich, in dem durch die Werkstücke 110, 120 ausgebildeten Glasvolumen ausbildende Risse, Störstellen oder Defekte über die an diesen stattfindende Streuung und/oder Reflexion der Strahlung aus der Prozesszone 200 zu detektieren.
Damit kann das Vorliegen und/oder Entstehen und/oder Verändern von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten, welche optisch zu einer Streuung und/oder Reflexion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung dienen, mittels des Bildsensors 36 detektiert werden. Zusätzlich oder alternativ zu dem Bildsensor 36, der die über das Bearbeitungsobjektiv 2 aufgenommene und über den Strahlteiler 30 ausgekoppelte Strahlung aufnimmt, kann ein
Bildsensor 46 vorgesehen sein, welche mittels eines Objektivs 44 eine Abbildung der aus dem Volumen der Werkstücke 110,120 emittierten Strahlung ermöglicht. Mittels des zusätzlichen oder alternativen Bildsensors 46, welcher wie der bereits in der oben beschriebene Bildsensor 36 ausgebildet sein kann, kann eine Detektion von Rissen, Störstellen oder anderen Defekten in dem durch die Werkstücke 110,120 ausgebildeten Volumen an einer von dem Bearbeitungsobjektiv 2 unabhängigen Position detektiert werden.
Damit können mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv 2 unabhängigen Bildsensor 46 nicht nur die unmittelbaren Umgebung der Prozesszone 200, sondern auch beliebige andere Positionen der Werkstücke 110, 120 für eine Abbildung der an Rissen, Defekten und Störstellen emittierten Strahlung betrachtet werden. Damit kann eine Qualitätskontrolle der Werkstücke 1 10, 120 über einen weiteren Bereich oder über die gesamte Ausdehnung hinweg durchgeführt werden. Mit anderen Worten begrenzt sich die Qualitätskontrolle dann nicht nur auf die unmittelbare Umgebung der Schweißnaht 210, sondern kann auch davon beabstandete Bereiche umfassen.
In Figur 2 ist ein Kamerabild des die Schweißnaht 210 umgebenden Bereichs zu erkennen. Dabei ist zunächst innerhalb der Prozesszone 200 ein entsprechendes Leuchten zu erkennen, das auf eine Emission von Strahlung aus der Prozesszone 200 hindeutet. Die Prozesszone 200 bewegt sich relativ zu dem gezeigten Werkstück 1 10 in Richtung x. Entsprechend ist in dem Kamerabild auch die schon entstandene Schweißnaht 210 zu erkennen.
Die aus der als Strahlungsquelle dienenden Prozesszone 200 emittierte Strahlung wird an bereits vorliegenden oder während der Behandlung entstehenden Rissen 220 und/oder Defekte und/oder Störstellen so gestreut oder reflektiert, dass diese auf dem Kamerabild sichtbar sind.
In der Figur 2 ist entsprechend sowohl die Prozesszone 200 mit der durch den Schweißprozess entstandenen Schweißnaht 210 zu erkennen, als auch das Vorliegen oder die Ausbildung von Rissen 220 oder anderen Defekten oder Störstellen in dem Werkstück 110. Dabei müssen die Risse 220, Defekte oder Störstellen nicht zwangsläufig durch den Bearbeitungsvorgang und insbesondere die Wärme in der Prozesszone 200 entstehen oder entstanden sein, sondern diese Risse 220, Defekte oder Störstellen können auch schon vor Beginn des Bearbeitungsvorgangs Vorgelegen haben. Durch die beschriebene Aufnahme des Kamerabildes kann auch beobachtet werden, ob sich die Risse, Defekte oder Störstellen durch die Bearbeitung verändern - beispielsweise vergrößern oder verkleinern. Aufgrund der genauen Kenntnis der relativen Position der Prozesszone 200 in dem Werkstück 1 10 durch die Relativpositionierung zwischen Werkstück und Bearbeitungsobjektiv 2 kann aufgrund des ortsaufgelösten Kamerabildes eine genaue Lokalisierung dieser Risse und/oder Störstellen und/oder Defekte bezüglich des Werkstücks 110 vorgenommen werden.
Weiterhin kann bei einer zusätzlich zeitaufgelösten Aufnahme des Kamerabildes auch eine Veränderung der Risse 220, Defekte oder Störstellen über die Zeit hinweg betrachtet werden.
Diese Beobachtung der Ausbildung und/oder Veränderung von Rissen 220, Störstellen und/oder Defekten in dem Werkstück 110 kann auch in Echtzeit erfolgen. Dadurch wird eine Optimierung der Parameter des eigentlichen Bearbeitungsvorgangs auf effiziente Weise möglich, da die Reaktion des Materials des Werkstücks 1 10 auf eine Änderung eines Prozess Parameters unmittelbar zu erkennen ist.
Aufgrund der Möglichkeit der Lokalisierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten kann auch eine Nachführung oder Regelung von Prozessparametern durchgeführt werden.
Beispielsweise kann die Leistung des Bearbeitungsstrahls 20 oder die Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Wird beispielsweise ein übermäßiges Auftreten von Rissen in einem, mehreren oder allen Werkstücken 110, 120 detektiert, so kann entsprechend die Leistung des
Bearbeitungsstrahls 20 reduziert werden oder die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, um die Rissbildung aufgrund von durch den eingetragenen Temperaturgradienten erzeugten Spannungen zu reduzieren.
In Figur 3 ist ein weiteres exemplarisches Kamerabild gezeigt, bei dem sowohl die Prozesszone 200 mit der entsprechenden Emission der Strahlung zu erkennen ist, als auch das Ausgehen von Strahlung ausgehend von einem Riss 220, welcher sich hier unmittelbar an die Prozesszone 200 anschließt.
Eine Auswertung der mittels der Bildsensoren 36 und/oder 46 aufgenommenen Bilder kann beispielsweise darüber vorgenommen werden, dass die aufgenommenen Signale zunächst aufbereitet werden. Beispielsweise kann eine Filterung der Signale vorgenommen werden und/oder eine Rauschreduktion vorgenommen werden und/oder eine Glättung der Signale vorgenommen werden und/oder besondere Merkmale der Signals herausgestellt werden und/oder eine
Kontrasterhöhung und/oder einen Kantenfilter durchgeführt werden etc.
Das mittels der Bildsensoren 36 und/oder 46 aufgenommene Signal kann mittels einer
Bildverarbeitung verarbeitet werden, wobei beispielsweise ein Abgleich der ermittelten Signale beziehungsweise der durch die Signale repräsentierten Aufnahmen mit einer Sollverteilung von Intensitätswerten außerhalb der Prozesszone verglichen wird und durch eine Auswertung der von der Sollverteilung abweichenden Bereiche außerhalb der Prozesszone hinsichtlich der Helligkeit und/oder des Kontrasts und/oder der Form und/oder der Größe der abweichenden Bereiche eine Ermittlung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten erreicht werden kann.
Eine weitere oder alternative Auswertung des aufbereiteten Signals kann auch durch eine räumliche Integration beispielsweise über die Intensitätswerte der einzelnen Bildpixel hinweg und einen nachfolgenden Vergleich mit einem zuvor festgelegten Toleranzbereich. Auf diese Weise kann eine Ortsinformation im Koordinatensystem der Werkstücke bezüglich des Vorliegens und/oder der Ausbildung und/oder der Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten ermittelt werden.
Eine Unsicherheit bezüglich der Bestimmung des Orts kann sich hier aus Abweichungen der Übereinstimmung des Beobachtungsfelds des verwendeten Sensors 36, 46 mit dem jeweiligen Abschnitt der Werkstücke 110, 120 ergeben, wobei diese Unsicherheit durch eine anfängliche Kalibrierung des Sensorsystems auf die jeweils betrachtete Fokusebene und/oder durch das Aufbringen von mittels des jeweiligen Sensors 36, 46 detektierbaren Positions- und/oder
Distanzmarkierungen reduzierbar ist.
Besonders bevorzugt erfolgt eine automatisierte Fehlerausgabe beim Überschreiten von vordefinierten Toleranzgrenzen, um entsprechend einen Schweißprozess abzubrechen, wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass durch den Bearbeitungsprozess Ausschuss produziert wird.
Weiterhin können auch Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung des Bearbeitungsprozesses vorgesehen werden, um entsprechend automatisiert eine Anpassung der Prozessparameter derart vorzunehmen, dass das Auftreten oder Verändern von Rissen, Defekten oder Störstellen reduziert wird.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses
100 Grenzfläche
1 10 (oberes) Werkstück
1 12 obere Oberfläche des oberen Werkstücks
1 14 untere Oberfläche des oberen Werkstücks
120 (unteres) Werkstück
122 obere Oberfläche des unteren Werkstücks
124 untere Oberfläche des unteren Werkstücks
2 Bearbeitungsobjektiv
20 Bearbeitungsstrahl
200 Prozesszone
210 Schweißnaht
220 Riss bzw. Reflektion/Streuung an Riss
30 Strahlteiler
32 optischer Filter
34 Fokussierlinse
36 Bildsensor
44 Optik
46 Bildsensor
X Verschiebungsrichtung

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (1 10) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), bevorzugt aus Glas, wobei die Werkstücke (1 10, 120) in einer mit einem Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) miteinander verschweißt werden, dadurch gekennzeichnet, dass von der Prozesszone (200) emittierte, von mindestens einem der Werkstücke (1 10, 120) ausgehende Strahlung ortsaufgelöst detektiert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass von dem mindestens einen Werkstück (1 10, 120) ausgehende Strahlung außerhalb der Prozesszone (200)
ortsaufgelöst detektiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem
Werkstück (1 10, 120) ausgehende Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Werkstück ausgehende Strahlung mittels eines Bildsensors (36, 46)
aufgenommen wird und von dem Bildsensor (36, 46) in ein Signal umgewandelt wird, welches dann für eine nachfolgende Auswertung aufbereitet wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal auf das
Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten hin ausgewertet wird, wobei besonders bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe erfolgt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal durch eine Filterung und/oder eine Rauschreduktion und/oder eine Glättung und/oder eine Herausstellung besonderer Merkmale und/oder eine Kontrasterhöhung und/oder einen Kantenfilter aufbereitet wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das
Signal durch eine räumliche Integration über die Intensitätswerte der Bildpixel und einen nachfolgenden Abgleich und einen anschließenden Vergleich mit einem zuvor festgelegten Sollwert und/oder durch einen Abgleich der Intensitätswerte mit einer zuvor festgelegten Sollverteilung der Intensitätswerte ausgewertet wird, um bevorzugt das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten und/oder das Vorliegen und/oder Entstehen von Rissen und/oder Defekten und/oder Störstellen zu ermitteln.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage der ortsaufgelöst detektierten, von mindestens einem der Werkstücke (110, 120) ausgehenden Strahlung eine Identifizierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten durchgeführt wird und die identifizierten Risse und/oder Störstellen und/oder Defekte ortsaufgelöst ausgegeben werden.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lokalisierung von Rissen und/oder Störstellen und/oder Defekten relativ zu der Prozesszone (200) durchgeführt wird und die Lokalisierung der Risse und/oder Störstellen und/oder Defekte ausgegeben wird.
10. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Werkstücke (110, 120) aus Glas miteinander verschweißt werden.
11. Vorrichtung (1 ) zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (1 10) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), bevorzugt aus Glas, umfassend ein Bearbeitungsobjektiv (2) zur Beaufschlagung einer Prozesszone (200) mindestens eines der Werkstücke (1 10, 120) mit einem Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, gekennzeichnet durch einen Bildsensor (36, 46) zur ortsaufgelösten Detektion von von der Prozesszone (200) emittierter, von mindestens einem der Werkstücke (110, 120) ausgehender Strahlung.
12. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik zur
Aufnahme der von dem Werkstück (110, 120) ausgehenden Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Bildsensor (36, 46) vorgesehen ist, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv (2) oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separates Objektiv (44) ausgebildet ist.
13. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 1 1 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Bearbeitungsobjektiv (2) belichteter Bildsensor (36), bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Strahlteilers (30) und/oder eines optischen Filters (32) und/oder einer Fokussierlinse (34), und ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separaten Objektiv (44) belichteter Bildsensor (46) vorgesehen sind.
14. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsobjektiv (2) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl (20) in eine in dem durch das mindestens eine Werkstück (1 10, 120) gebildeten
Glasvolumen liegende Prozesszone (200) zu fokussieren.
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