WO2020099421A1 - 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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WO2020099421A1
WO2020099421A1 PCT/EP2019/081051 EP2019081051W WO2020099421A1 WO 2020099421 A1 WO2020099421 A1 WO 2020099421A1 EP 2019081051 W EP2019081051 W EP 2019081051W WO 2020099421 A1 WO2020099421 A1 WO 2020099421A1
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process zone
welding
glass
workpiece
processing
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PCT/EP2019/081051
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Sebastian HECKER
Tim Hesse
Michael Scharun
Manuel Schindler
Kristian Alber
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K2103/54—Glass

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 detect and identify cracks and / or seam breaks and / or defects in welding seams in workpieces made of glass during laser welding.
  • the monitoring being used, for example, to detect and identify cracks and / or seam breaks and / or defects in welding seams in workpieces made of glass during laser welding.
  • the laser welding process has previously been set up manually when laser welding workpieces made of glass. A quality control of the workpieces welded together by the laser welding process and the weld seam itself has also been carried out to date.
  • 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.
  • Such a method for laser welding opaque materials is known, for example, from WO 2008 / 052591A1.
  • the one emitted from a processing area Radiation is recorded via a detector system, the radiation emitted from the processing area being recorded simultaneously at at least two wavelengths in order to obtain more precise information about the processes taking place during the welding process.
  • 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 provided in the process zones in a process zone exposed to a pulsed processing beam, preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam a weld seam is formed.
  • a pulsed processing beam preferably a pulsed laser beam, particularly preferably an ultrashort pulse laser beam
  • the radiation emitted by the process zone is detected in a time-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 emitted by the process zone is detected in a time-resolved manner, it is possible to monitor the welding process already during the welding process when welding glass workpieces to ensure that the presence and / or the formation and / or the change in cracks and / or defects and / or seam breaks in the weld seam produced in the process zone can be determined.
  • the welding process can be optimized during the current welding process, among other things.
  • the radiation emitted by the process zone is detected in a time-resolved manner.
  • the process zone serves as a radiation source arranged in the glass volume of one, two, several or all glass workpieces.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone can be radiation of the machining beam reflected or scattered on or in the process zone.
  • the electromagnetic radiation emitted by the process zone can also be thermal radiation of the glass material heated, in particular melted, by the treatment beam.
  • the method is based on the knowledge that when welding workpieces made of glass using a pulsed processing beam, for example a pulsed laser beam, preferably an ultrashort pulse laser, nonlinear absorption effects in the glass can be achieved through the achievable high intensities in the respective beam focus.
  • a pulsed processing beam for example a pulsed laser beam, preferably an ultrashort pulse laser
  • the energy introduced into the process zone by means of the respective pulses accumulates, so that the glass material melts locally due to corresponding heat accumulation effects.
  • a highly absorbing plasma is initially created in the size of the focus volume, which then forms the process zone.
  • the plasma volume can continue to absorb energy on the plasma surface due to the increased absorption of the processing beam and the resulting energy input into the plasma volume, so that the volume of the plasma can continue to increase, this increase in the plasma volume being mainly directed along the processing beam and in the direction extends to the beam source.
  • 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 change and move, for example, along the processing beam towards the beam source.
  • the welding process takes place periodically and bubble-shaped areas are formed as plasma bubbles, which in turn lead to a bubble-shaped melt volume. Due to the possible change in the location and / or the position of the plasma volume in the workpieces, a resulting melting volume can also be greater than the plasma volume generated.
  • the plasma volume can travel to a limited extent through the workpiece volume in the direction of the processing beam and onto the beam source, thereby leaving a melted area, which thus leads to a melting volume which has a larger expansion than the expansion of the plasma volume.
  • 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
  • Process zone emitted radiation can thus be subjected to an intensity fluctuation of the emitted radiation corresponding to the periodic formation of the bubble-shaped regions of the plasma.
  • a localization of the respective intensity fluctuation in the workpiece or in the workpieces relative to the respectively predetermined machining position, which is known due to the relative position between the laser beam and the workpiece, can preferably be achieved.
  • the intensity of the radiation emitted by the process zone can preferably be detected, so that the course of the intensity over time is detected in this way.
  • Fluctuations in the intensity of the radiation emitted by the process zone are detected and the quality of the weld seam produced is preferably deduced therefrom. Significant changes and / or dips in the parameters mentioned can be used to conclude that there is an error and / or crack and / or weld seam break-off in the weld seam produced.
  • the radiation emitted by the process zone can be picked up by means of a sensor, preferably a photodiode, and converted into a signal, which can then be processed for subsequent evaluation.
  • the sensor can preferably also be formed by a plurality of photodiodes, which particularly preferably operate at different wavelengths.
  • the signal can preferably be based on the presence and / or the training and / or the
  • Changes in cracks and / or seam breaks and / or defects in the weld seam can be evaluated, an error being output and / or the welding process being terminated preferably when predefined tolerance limits are exceeded.
  • an automated evaluation for predetermined defects in the at least one workpiece can be achieved in order to achieve a more reliable control of the work product and a faster optimization of the welding process.
  • the signal can preferably be processed by filtering and / or noise reduction and / or smoothing and / or highlighting special features.
  • the processed signal can be integrated over a predetermined period of time and then compared with a current signal value and / or through an analysis over the course of time and / or by an analysis of signal maxima and signal minima over a time certain period of time and / or by performing a Fast Fourier
  • Transformation and a consideration of changes in the frequency spectrum and / or by forming an average and comparing it with a current signal value can be evaluated in order to preferentially the presence and / or the formation and / or the change of cracks and / or defects and / or seam breaks in the Determine weld seam.
  • the radiation emitted by the process zone can preferably be examined for a frequency of the intensity fluctuations that differs from the pulse frequency of the processing beam. It has been shown that the periodicity of the radiation emitted by the process zone is essentially independent of the periodicity of the pulsed processing radiation.
  • an assessment of the defects and / or cracks and / or seam breaks found can also be carried out in an automated process and a work product can be automatically discarded if it does not meet specified quality requirements.
  • a device for monitoring a welding process for welding at least one workpiece made of glass to another workpiece, preferably also made of glass comprising a processing objective for applying a pulsed processing beam, preferably a pulsed laser beam, to a process zone of at least one of the workpieces preferably with an ultrashort pulse laser beam.
  • a sensor is provided for the time-resolved detection of radiation emitted by the process zone.
  • the advantages already described above for the method can be achieved.
  • the presence and / or the formation and / or the change of cracks and / or defects and / or seam breaks in the in the Process zone trained weld can be determined.
  • Optics can preferably be provided for receiving the radiation emitted by the process zone and for imaging the radiation onto the sensor, wherein the optics can preferably be formed by the processing objective or by an imaging system separate from the processing objective.
  • a sensor exposed with the processing objective can be advantageous, preferably under
  • the area of the process zone imaged by the processing lens and the area of the process zone imaged by the separate imaging system can thus be viewed.
  • the processing objective can preferably be designed and set up for the purpose
  • Figure 1 is a schematic representation of a device for monitoring a
  • Laser welding process for welding workpieces made of glass in which the radiation emitted by a process zone is detected through a processing objective;
  • Figure 2 is a schematic representation of a device for monitoring a
  • Laser welding process for welding workpieces made of glass in a second embodiment, in which the radiation emitted by a process zone through a Processing lens is detected through;
  • Figure 3 is a schematic representation of a device for monitoring a
  • Laser welding process for welding workpieces made of glass, in which the radiation emitted by a process zone is detected with an imaging system separate from a processing objective;
  • Figure 4 is a schematic representation of a device for monitoring a
  • Laser welding process for welding workpieces made of glass in a further embodiment, in which the radiation emitted by a process zone is detected with an imaging system separate from a processing objective;
  • FIG. 5 shows an exemplary illustration of a weld seam formed by means of a pulsed machining beam in a glass workpiece in a side section;
  • FIG. 6 shows a diagram of an exemplary time profile of the intensity of radiation emitted from a process zone and a corresponding image of the weld seam actually produced in the process zone in a top view;
  • FIG. 7 shows a diagram of an exemplary time profile of the intensity of radiation emitted from the process zone when defects and cracks occur in a weld seam produced in the process zone, and a top view of the weld seam actually generated in the process zone;
  • FIG. 8 shows a diagram of an exemplary time course of the intensity from which one
  • Process zone emits radiation when a weld seam break-off occurs in a weld seam generated in the process zone, as well as a top view of the weld seam actually generated in the process zone.
  • 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 pulsed machining beam 20 with which the welding of the two workpieces 110, 120 is to be carried out. So that the pulsed
  • Machining beam 20 which is provided for performing the welding, pass through workpieces 110 and 120 and in particular also through upper workpiece 110 to interface 100. 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 a machining beam.
  • the lower workpiece 120 can also be made opaque for the machining beam 20. However, the machining beam 20 can still pass through the upper workpiece 110 made of glass, which is transparent to the machining beam 20, to the interface 100 lying between the two workpieces 110, 120, in order to carry out a weld there.
  • a pulsed laser beam and particularly preferably an ultrashort pulse laser are preferably used as the pulsed processing beam 20.
  • a pulsed laser with wavelengths of 1030nm or 1064nm or 515nm or 532nm with pulses in the femtosecond range or picosecond range and with frequencies of the repetition rates from 100kHz up to several MHz can be used.
  • the laser can also be operated in burst mode.
  • the device 1 comprises a processing objective 2, through which the pulsed processing beam 20 strikes the workpieces 110, 120 and is focused in a process zone 200 lying in one or both workpieces 110, 120, as a result of which the intensity of the processing beam 20 lies in the process zone 200 Focus is highest, but lower in the surrounding areas.
  • the material processing in the process zone 200 takes place in that the focus of the material present in the process zone 200 melts due to the high intensity of the processing beam 20.
  • 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.
  • nonlinear absorption effects are achieved due to the very high intensities that can be achieved in the focus provided by the processing objective 2 in the glass material of the at least one workpiece 110, 120.
  • 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 the workpieces 110, 120 in such a way that it is arranged near the interface 100 or comprises the interface 100.
  • the processing beam 20 is processed accordingly and focused into the process zone 200 by means of the appropriately designed and set up processing objective 2.
  • 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 pulsed processing beams 20, for example pulsed laser beams and / or ultra-short pulse lasers.
  • the material of one, several or all 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 machining beam 20 can be displaced together with the machining objective 2 in a displacement direction X 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 or both can run in opposite directions along the
  • Movement direction X to be shifted. 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. Due to the movement of the machining beam 20 relative to the workpieces 110, 120, the expansion of the weld seam 210 in the
  • Direction of movement can be determined.
  • the process zone 200 lies, so to speak, between the two workpieces 110, 120 and surrounds the interface 100.
  • the processing beam 20 can pass through the workpieces 110, 120 due to the transparency thereof and then enables processing of the process zone 200 lying within the glass volume defined by the workpieces 110, 120.
  • 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 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, for example also 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 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 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
  • the radiation emitted by the process zone 200 can, for example, by means of the
  • Processing objective 2 are recorded and then, for example, via a beam splitter 30, an optical filter element 32 and a focusing lens 34 on a sensor in the form of a
  • Photodiode 36 are imaged.
  • 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 sensor in the form of the photodiode 36 can be designed such that this one
  • Process zone 200 corresponding voltage signal emitted radiation is time-resolved, ie over the course of time, detected and then evaluated subsequently.
  • the behavior of the signal over time and exemplary evaluations of the signal will be discussed below in particular with reference to FIGS. 5 to 8.
  • another suitable detector system can also be provided as a sensor, by means of which a parameter of the radiation emitted by the process zone 200 can be detected over the course of time.
  • a matrix camera can be provided, which preferably has a temperature camera that is suitable for the temperature radiation to be measured, i.e. has sufficiently high spectral sensitivity.
  • a camera for the radiation range from the visual spectral range through the near to the far infrared can also be used as the detector system.
  • CCD, CMOS and / or InGaAs cameras are suitable as cameras for the image sensor, although this list is by no means exhaustive and other suitable camera types can be used.
  • FIG. 2 shows a further device 1 for monitoring a welding process and in particular for monitoring the formation of a weld seam 210.
  • the focusing lens provided there is dispensed with and, accordingly, the radiation emitted by the process zone 200 accordingly without the focusing lens mapped onto the sensor in the form of the photodiode 36. This can result in the intensity which is imaged on the photodiode 36 being lower than in the exemplary embodiment in FIG. 1.
  • an existing one can accordingly
  • Dynamic range of the photodiode 36 can be taken into account in this way.
  • the intensity striking the photodiode 36 can be that of
  • Process zone 200 outgoing radiation can be reduced compared to training with a focusing lens.
  • FIG. 3 shows a further device 1 for monitoring a welding process, in which an imaging system 44 is provided which is separate from the processing objective 2 and which can have, for example, a focusing lens 48 and an optical filter 42.
  • the imaging system 44 which can also have a more complex structure than shown in the embodiment in FIG. 3, the process zone 200 is imaged on a sensor in the form of a photodiode 46.
  • the imaging system 44 is set up, aligned and focused in such a way that it images the process zone 200, which is geometrically essentially determined by the machining objective 2 and its arrangement, alignment and focusing relative to the workpieces 110, 120, onto the photodiode 46.
  • the separately constructed imaging system 44 with its sensor in the form of the photodiode 46 can either be provided in addition to the system described in FIGS. 1 and 2, which comprises the beam splitter 30 and the photodiode 36, or alternatively.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a device 1 for monitoring a
  • the radiation emitted by the process zone 200 is radiated directly onto a photodiode 46, for example via an optical filter 42.
  • the detection of the radiation emitted by the process zone 200 is accordingly carried out without an intermediate optical imaging system.
  • an existing dynamic range of the photodiode 46 can be taken into account in this way. In other words, through this design, the intensity striking the photodiode 46 can be that of
  • Process zone 200 outgoing radiation can be reduced compared to training with a focusing lens.
  • FIG. 5 shows an exemplary illustration of a weld seam 210 in a side sectional view, the exemplary image being recorded in a specimen ground on the side using a transmitted light microscope. It can be seen in this side section of the weld seam 210 that 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 subsequent solidification of the melted material, by the Formation of a plurality of periodically forming plasma bubbles can be described.
  • the plasma bubbles can migrate essentially along the processing beam 20 within the respective workpiece 110, 120, so that an elongated, melted region can result which does not have to be congruent with the plasma volume formed in each case, but can also be larger .
  • the focus of the processing beam 20 is heating and melting of the material present in the process zone 200 in such a way that a highly absorbing plasma is formed.
  • Processing beam 20 in such a way that due to the strong heating of the plasma surface, the plasma expands further in the direction of the processing beam 20 with the formation of bubble-shaped regions 212 with further energy consumption. This process has already been described above.
  • This process of expansion is ended when the surface of the plasma emerging from the focus of the processing beam 20 is no longer supplied with enough intensity by the processing beam 20, which is then no longer focused in this region, in order to maintain the plasma, as a result of which this then occurs collapses and the process of forming bubble-shaped areas 212 starts again based on the energy entered in the focus of the machining beam 20.
  • the formation of bubble-shaped regions 212 therefore takes place periodically and in each case starting from the focus of the processing beam 20.
  • the shape of the bubble-shaped regions 212 is correspondingly elongated in the direction and along the processing beam 20.
  • the weld seam 210 is formed from a multiplicity of bubble-shaped regions 212 arranged in a row and merging into one another.
  • the course of a parameter of the radiation emitted by the process zone 200 can also be correspondingly detected by means of the photodiode 36, and in particular an intensity course over time can be recorded.
  • An exemplary diagram 50 in FIG. 6 shows such a course of the intensity of the radiation emitted by the process zone 200 over the course of time.
  • the intensity of the radiation emitted by the process zone 200 is indicated here by a voltage value which corresponds to the voltage value output by the photodiode 36, 46, which in turn is characteristic of the intensity of the radiation emitted by the process zone 200 and detected by the photodiode 36, 46 .
  • FIG. 6 also shows, for a certain section of the intensity curve shown in diagram 50, quasi as if through a magnifying glass, an image 52 of the section of the weld seam 210 corresponding to the intensity curve in a plan view.
  • This image was produced using a transmitted light microscope, the focus being placed on the interface between the two workpieces 110, 120 in order to make the weld seam 210 visible.
  • the weld seam 210 is composed of a multiplicity of bubble-shaped regions 212, which are in each case adjacent and merging into one another.
  • both the welding process and the expansion of process zone 200 organize themselves in the glass material.
  • This process can be dependent on the energy introduced into the glass material during the welding process, depending on the glass material to be welded and depending on the relative speed between
  • the pulse frequency used for the ultrashort pulse laser used here as a pulsed processing beam 20 is more than 100 kHz. Accordingly, the detected frequencies of the formation of the bubble-shaped regions 212 and the pulse frequency of the processing beam 20 are orders of magnitude apart, so that here in the detected signal there is a simple distinction between the frequency components which are based on the
  • Processing beam 20 go back and the frequency components, which go back to the formation of the bubble-shaped areas 212, can be hit.
  • the weld seam 210 which can be seen in a plan view in FIG. 52 has a very uniform course of the resulting bubble-shaped regions 212 and thus a very uniform course of the weld seam 210 even when viewed with the eye.
  • the intensity of the radiation emitted by the process zone 200 is also plotted over time in a further exemplary diagram 50.
  • essentially defect-free areas 500 can be seen, which have an essentially constant intensity of the respective intensity fluctuations and an essentially constant frequency of the individual intensity fluctuations.
  • Substantially defect-free areas 500 correspond to the intensity curve shown, for example, in FIG. 6 in their diagram 50 during the production of a particularly uniform weld seam 210 of high quality.
  • Intensity curve can be recognized, the outliers being recognizable at positions 510, for example. If one correlates these outliers 510 with their local position within the extent of the weld seam 210 in FIG. 52, it can be seen that in the areas in which there are larger intensity fluctuations and corresponding outliers 510, there is also an error in the weld seam 210. The detection of the outliers in the intensity curve can therefore be used to conclude that there is an error in the weld seam 210.
  • the error can also be present in areas of the workpiece 110, 120 directly adjacent to the weld seam 210 which influence the intensity of the radiation emitted by the process zone 200, for example in the form of a crack present in the immediate vicinity of the weld seam 210.
  • FIG. 8 shows a further diagram 50 of an intensity profile of the radiation emitted by the process zone 200.
  • a defect in a weld seam 210 can be seen here in such a way that, starting from an essentially uniform intensity profile in the region 500, the intensity profile suddenly drops at position 520.
  • a corresponding check of the image 52 of the weld seam 210 shows that at position 520
  • Weld seam termination 214 is present.
  • Intensity levels or the signal for example, starting from the mean value of the intact areas 500 towards the sudden drop in intensity at position 520.
  • the presence of a correctly executed weld seam or the presence of radiation can be correspondingly evaluated by evaluating the radiation emitted by the process zone over its course of time and in particular by evaluating the intensity of this radiation emitted by the process zone 200 Errors and / or cracks and / or weld seam breaks can be closed.
  • the defects and / or cracks and / or can be detected by such a detection of the radiation emitted by the process zone 200
  • Weld seam abortions can be communicated to the respective user or if a corresponding tolerance threshold is exceeded, the welding process can be interrupted and / or the workpiece produced can be marked as scrap and / or discharged.
  • Weld seams can also be tracked or controlled by process parameters. For example, the power of the machining beam 20 or the feed rate can be adjusted. If, for example, an excessive occurrence of cracks in the workpieces 110, 120 is detected, the performance of the machining beam 20 or the feed rate can be adjusted. If, for example, an excessive occurrence of cracks in the workpieces 110, 120 is detected, the performance of the machining beam 20 or the feed rate can be adjusted. If, for example, an excessive occurrence of cracks in the 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.
  • An evaluation of, for example, the intensity profile of the radiation detected by means of the photodiodes 36 and / or 46 can be carried out, for example, by first processing the determined signals.
  • the signals can be filtered and / or
  • Noise reduction and / or smoothing of the signals and / or special features of the signals are highlighted etc.
  • the signal After the signal has been processed, the signal can be evaluated. For this purpose, for example, a temporal integration of the signal can be carried out over a predetermined period of time and then a comparison of the value obtained with a target value can be performed.
  • Averaging of the signal can also be carried out and then, if there is an intensity fluctuation which differs significantly from the mean, the conclusion can be drawn that there is an error and / or crack. If there is a sudden drop in the signal with regard to the mean value, it can be concluded that the seam has broken off.
  • the average can also be calculated as a moving average.
  • the signal can also be evaluated by observing the signal over the course of time.
  • an evaluation can be carried out in such a way that signal maxima and signal minima are considered over a certain time period, for example by to determine the presence and / or formation of cracks and / or defects and / or seam breaks.
  • a Fast Fourier Transformation (FFT) of the signal can be carried out in order to determine changes in the frequency response or a change in the frequency spectrum of the intensity fluctuations for a specific time period.
  • FFT Fast Fourier Transformation
  • 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 can also be provided to stabilize the machining process in order to carry out an automated adjustment of the process parameters such that the occurrence or change of cracks and / or errors and / or

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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), bevorzugt aus Glas, wobei in den Werkstücken (110,120) in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) eine Schweißnaht (210) ausgebildet wird, wobei die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert 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 Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in Schweißnähten 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, wobei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl, bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird, angegeben. Erfindungsgemäß wird die von der Prozesszone emittierte Strahlung zeitaufgelöst 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 der Prozesszone emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird, wird es möglich, 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 Fehlern und/oder Nahtabbrüchen in der in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht 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 Strahlung zeitaufgelöst detektiert. Die Prozesszone dient dabei quasi als im Glasvolumen eines, zweier, mehrerer oder aller Werkstücke aus Glas angeordnete Strahlungsquelle.
Die von der Prozesszone emittierte elektromagnetische Strahlung kann dabei an oder in der Prozesszone reflektierte 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.
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Verschweißen von Werkstücken aus Glas mittels eines gepulsten Bearbeitungsstrahls, beispielsweise eines gepulsten Laserstrahls, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im Glas erreicht werden können. Werden
entsprechende Repetitionsraten für den gepulsten Bearbeitungsstrahl verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse in die Prozesszone eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Dadurch entsteht in der Nähe des geometrischen Fokus des gepulsten Bearbeitungsstrahls ein hochabsorbierendes Plasma zunächst 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 jedoch eine verstärkte Absorption auf. Damit kann das Plasmavolumen aufgrund der erhöhten Absorption des Bearbeitungsstrahls und dem sich dadurch ergebenden Energieeintrag in das Plasmavolumen an der Plasmaoberfläche weiter Energie absorbieren, so dass das Volumen des Plasmas 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 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
Volumenwachstum bedingten Herauswanderns der Plasmaoberfläche aus dem Fokus des Laserstrahls nicht mehr dazu aus, das Plasma aufrechtzuerhalten - kann also zur
Aufrechterhaltung des Plasmas nicht mehr genügend Energie absorbiert werden - bricht der Ausdehnungsprozess des Plasmas zusammen und die Absorption beginnt erneut im Fokus des gepulsten Bearbeitungsstrahls. Entsprechend findet der Schweißprozess periodisch statt und es bilden sich jeweils blasenförmige Bereiche als Plasmablasen aus, welche ihrerseits zu einem blasenförmigen Schmelzvolumen führen. Durch die mögliche Änderung des Ortes und/oder der Lage des Plasmavolumens in den Werkstücken kann ein resultierendes Schmelzvolumen auch größer sein, als das erzeugte Plasmavolumen. Das Plasmavolumen kann quasi in begrenztem Maße durch das Werkstückvolumen in Richtung des Bearbeitungsstrahls und auf die Strahlquelle zu 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 während des Schweißprozesses verwendete Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück ist dabei ausschlaggebend für die Überlappung der jeweiligen blasenförmigen Bereiche.
Mit dem periodischen Ausdehnen und Kollabieren des Plasmas ergibt sich auch eine periodische Veränderung der Intensität der von der Prozesszone emittierten Strahlung. Die von der
Prozesszone emittierte Strahlung kann damit einer durch die periodische Ausbildung der blasenförmigen Bereiche des Plasmas entsprechenden Intensitätsschwankung der emittierten Strahlung unterworfen sein.
Diese Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone emittierten Strahlung werden detektiert und dann zeitaufgelöst betrachtet. Damit können zumindest die Amplituden der
Intensitätsschwankungen und die Periodizität beziehungsweise die Frequenz der
Intensitätsschwankungen und deren Veränderung betrachtet werden.
Bevorzugt kann eine Lokalisierung der jeweiligen Intensitätsschwankung 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.
Bevorzugt kann die Intensität der von der Prozesszone emittierten Strahlung detektiert werden, so dass auf diese Weise der Verlauf der Intensität im Zeitverlauf detektiert wird.
Bevorzugt kann die Periodizität und/oder Frequenz und/oder das Frequenzspektrum von
Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone emittierte Strahlung detektiert werden und daraus bevorzugt auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden. Aus signifikanten Änderungen und/oder Einbrüchen der genannten Parametern kann auf das Vorliegen eines Fehlers und/oder Risses und/oder Schweißnahtabbruchs der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die von der Prozesszone emittierte Strahlung mittels eines Sensors, bevorzugt einer Photodiode, aufgenommen werden und in ein Signal umgewandelt werden, welches dann für eine nachfolgende Auswertung aufbereitet werden kann. Bevorzugt kann der Sensor auch durch mehrere Photodioden ausgebildet sein, welche besonders bevorzugt jeweils bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten.
Das Signal kann dabei bevorzugt auf das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die
Veränderung von Rissen und/oder Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in der Schweißnaht hin ausgewertet werden, wobei bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe und/oder ein Abbruch des Schweißvorgangs 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. Bevorzugt kann das Signal durch eine Filterung und/oder eine Rauschreduktion und/oder eine Glättung und/oder eine Herausstellung besonderer Merkmale aufbereitet werden.
In einer bevorzugten weiteren Ausbildung des Verfahrens kann das aufbereitete Signal durch eine zeitliche Integration über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg und einen anschließenden Vergleich mit einem aktuellen Signalwert und/oder durch eine Betrachtung über den Zeitverlauf hinweg und/oder durch eine Betrachtung von Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg und/oder durch das Durchführen einer Fast Fourier
Transformation und einer Betrachtung von Änderungen im Frequenzspektrum und/oder durch Bildung eines Mittelwerts und Vergleich mit einem aktuellen Signalwert ausgewertet werden, um bevorzugt das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen in der Schweißnaht zu ermitteln.
Bevorzugt kann die von der Prozesszone emittierte Strahlung auf eine sich von der Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls unterscheidende Frequenz der Intensitätsschwankungen hin untersucht werden. Es hat sich gezeigt, dass die Periodizität der von der Prozesszone emittierten Strahlung im Wesentlichen unabhängig von der Periodizität der gepulsten Bearbeitungsstrahlung ist.
Weiterhin kann auch in einem automatisierten Prozess eine Bewertung der aufgefundenen Fehler und/oder Risse und/oder Nahtabbrüche durchgeführt werden und ein Arbeitsprodukt automatisch verworfen werden, wenn es vorgegebenen Qualitätsanforderungen nicht entspricht.
Die oben angegebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des
Anspruchs 10 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 ebenfalls aus Glas, angegeben, umfassend ein Bearbeitungsobjektiv zur Beaufschlagung einer Prozesszone mindestens eines der Werkstücke mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl, bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl. Erfindungsgemäß ist ein Sensor zur zeitaufgelösten Detektion von von der Prozesszone emittierter 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 Fehler und/oder Nahtabbrüche in der in der Prozesszone ausgebildeten Schweißnaht ermittelt werden.
Bevorzugt kann eine Optik zur Aufnahme der von der Prozesszone emittierten Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Sensor vorgesehen sein, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv separates Abbildungssystem ausgebildet sein kann.
Vorteilhaft kann ein mit dem Bearbeitungsobjektiv belichteter Sensor, bevorzugt unter
Zwischenschaltung eines Strahlteilers und/oder eines optischen Filters und/oder einer
Fokussierlinse, und/oder ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem belichteter Sensor vorgesehen sein. Damit kann der durch das Bearbeitungsobjektiv abgebildete Bereich der Prozesszone und der durch das separate Abbildungssystem abgebildete Bereich der Prozesszone 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. 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, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung durch ein Bearbeitungsobjektiv hindurch detektiert wird;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines
Laserschweißprozesses zum Schweißen von Werkstücken aus Glas in einer zweiten Ausführungsform, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung durch ein Bearbeitungsobjektiv hindurch detektiert wird;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines
Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung mit einem von einem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem detektiert wird;
Figur 4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines
Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas in einer weiteren Ausführungsform, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung mit einem von einem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem detektiert wird;
Figur 5 eine exemplarische Abbildung einer mittels eines gepulsten Bearbeitungsstrahles in einem Werkstück aus Glas ausgebildeten Schweißnaht in einem Seitenschnitt;
Figur 6 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus einer Prozesszone emittierter Strahlung sowie eine dazu korrespondierende Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht;
Figur 7 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus der Prozesszone emittierter Strahlung beim Auftreten von Fehlern und Rissen in einer in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht, sowie eine Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht ; und
Figur 8 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus der einer
Prozesszone emittierten Strahlung beim Auftreten eines Schweißnahtabbruchs in einer in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht, sowie eine Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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 den gepulsten Bearbeitungsstrahl 20, mit dem die Verschweißung der beiden Werkstücke 110, 120 durchgeführt werden soll. Damit kann der gepulste
Bearbeitungsstrahl 20, der 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 110, 120 gemeinsam ausgebildeten
Werkstückvolumens möglich.
Eine solche Verschweißung innerhalb eines durch mindestens zwei Werkstücke ausgebildeten Werkstückvolumens ist bei für einen Bearbeitungsstrahl opaken Werkstoffen nicht möglich.
Das untere Werkstück 120 kann aber auch für den Bearbeitungsstrahl 20 opak ausgeführt sein. Der Bearbeitungsstrahl 20 kann dann aber dennoch durch das obere, für den Bearbeitungsstrahl 20 transparente, Werkstück 110 aus Glas hindurch an die zwischen den beiden Werkstücken 110, 120 liegende Grenzfläche 100 gelangen, um dort eine Verschweißung vorzunehmen.
Als gepulster Bearbeitungsstrahl 20 wird bevorzugt ein gepulster Laserstrahl und besonders bevorzugt ein Ultrakurzpulslaser verwendet.
Beispielsweise kann ein gepulster Laser mit Wellenlängen von 1030nm oder 1064nm oder 515nm oder 532nm mit Pulsen im Femtosekundenbereich oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet werden. Der Laser kann auch im Burstmodus betrieben werden. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Bearbeitungsobjektiv 2, durch welches hindurch der gepulste Bearbeitungsstrahl 20 auf die Werkstücke 110,120 auftrifft und in einer in einem oder beiden Werkstücken 110, 120 liegenden 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.
Bei der Verwendung eines gepulsten Bearbeitungsstrahls 20, insbesondere bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers, werden durch die sehr hohen erreichbaren Intensitäten im durch das Bearbeitungsobjektiv 2 bereitgestellten Fokus im Glasmaterial des mindestens einen Werkstücks 110, 120 nichtlineare Absorptionseffekte erreicht. Beim Verwenden geeigneter Repetitionsraten des gepulsten Bearbeitungsstrahls 20 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 in die Werkstücke 110, 120 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 gepulsten Bearbeitungsstrahlen 20, beispielsweise gepulsten Laserstrahlen und/oder 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 ist gemeinsam mit dem Bearbeitungsobjektiv 2 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 oder auch beide gegenläufig 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. Durch die Bewegung des Bearbeitungsstrahls 20 relativ zu den Werkstücken 110, 120 kann die Ausdehnung der Schweißnaht 210 in der
Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Die Prozesszone 200 liegt dabei quasi zwischen den beiden Werkstücken 110,120 und umschließt die Grenzfläche 100. Der Bearbeitungsstrahl 20 kann aufgrund der Transparenz der Werkstücke 110,120 durch diese hindurchtreten und ermöglicht dann eine Bearbeitung der innerhalb des durch die Werkstücke 110,120 definierten Glasvolumens liegenden Prozesszone 200.
Diese Anordnung der Prozesszone 200 innerhalb des durch die Werkstücke 110, 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.
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 beispielsweise auch 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.
Die von der Prozesszone 200 emittierte 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 Sensor in Form einer
Photodiode 36 abgebildet werden.
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 Sensor in Form der Photodiode 36 kann dabei so ausgebildet sein, dass diese ein
Spannungssignal abhängig von der auf die Photodiode 36 auftreffenden Strahlungsintensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ausgibt. Dieses der Intensität der von der
Prozesszone 200 emittierten Strahlung entsprechende Spannungssignal wird zeitaufgelöst, also über den Zeitverlauf hinweg, detektiert und dann nachfolgend ausgewertet. Auf das Verhalten des Signals im Zeitverlauf sowie exemplarische Auswertungen des Signals wird weiter unten insbesondere auch unter Bezugnahme auf die Figuren 5 bis 8 eingegangen werden.
Anstelle der Photodiode 36 kann als Sensor auch ein anderes geeignetes Detektorsystem vorgesehen sein, mittels dessen ein Parameter der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg detektiert werden kann. Beispielsweise kann eine Matrix-Kamera vorgesehen sein, welche vorzugsweise eine für die zu messende Temperaturstrahlung geeignete, d.h. ausreichend hohe, spektrale Empfindlichkeit aufweist. Als Detektorsystem 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.
In Figur 2 ist eine weitere Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Schweißprozesses und insbesondere zur Überwachung der Ausbildung einer Schweißnaht 210 gezeigt. Dabei wird gegenüber der Ausbildung der Figur 1 auf die dort vorgesehene Fokussierlinse verzichtet und entsprechend die von der Prozesszone 200 emittierte Strahlung entsprechend ohne Fokussierlinse auf den Sensor in Form der Photodiode 36 abgebildet. Dies kann dazu führen, dass die Intensität, welche auf die Photodiode 36 abgebildet wird, geringer ist, als in dem Ausführungsbeispiel der Figur 1. Je nach Ausbildung der Photodiode 36 kann entsprechend ein vorhandener
Dynamikbereich der Photodiode 36 auf diese Weise berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann durch diese Ausbildung die auf die Photodiode 36 auftreffende Intensität der von der
Prozesszone 200 ausgehenden Strahlung gegenüber einer Ausbildung mit einer Fokussierlinse reduziert werden.
In Figur 3 ist eine weitere Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Schweißprozesses gezeigt, bei welcher ein von dem Bearbeitungsobjektiv 2 getrennt aufgebautes Abbildungssystem 44 vorgesehen ist, welches beispielsweise eine Fokussierlinse 48 sowie einen optischen Filter 42 aufweisen kann. Mittels des Abbildungssystems 44, welches auch komplexer aufgebaut sein kann, als in der Ausführungsform der Figur 3 gezeigt, wird die Prozesszone 200 auf einen Sensor in Form einer Photodiode 46 abgebildet. Entsprechend ist das Abbildungssystem 44 so eingerichtet, ausgerichtet und fokussiert, dass es die Prozesszone 200, welche geometrisch im Wesentlichen durch das Bearbeitungsobjektiv 2 und dessen Einrichtung, Ausrichtung und Fokussierung relativ zu den Werkstücken 1 10, 120 vorgegeben ist, auf die Photodiode 46 abbildet.
Das getrennt aufgebaute Abbildungssystem 44 mit dessen Sensor in Form der Photodiode 46 kann entweder zusätzlich zu dem in den Figuren 1 und 2 beschriebenen System, das den Strahlteiler 30 und die Photodiode 36 umfasst, oder alternativ dazu vorgesehen sein.
In Figur 4 ist noch eine weitere Ausbildung einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines
Schweißprozesses und insbesondere zur Überwachung der Ausbildung einer Schweißnaht 210 gezeigt. Dabei wird die von der Prozesszone 200 emittierte Strahlung, beispielsweise über einen optischen Filter 42, direkt auf eine Photodiode 46 gestrahlt. Die Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung erfolgt entsprechend ohne weiteres zwischengeschaltetes optisches Abbildungssystem. Je nach Ausbildung der Photodiode 46 kann entsprechend ein vorhandener Dynamikbereich der Photodiode 46 auf diese Weise berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann durch diese Ausbildung die auf die Photodiode 46 auftreffende Intensität der von der
Prozesszone 200 ausgehenden Strahlung gegenüber einer Ausbildung mit einer Fokussierlinse reduziert werden.
In Figur 5 ist eine exemplarische Abbildung einer Schweißnaht 210 in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, wobei die exemplarische Aufnahme in einer seitlich angeschliffenen Probe mit einem Durchlichtmikroskop aufgenommen wurde. Dabei ist in diesem Seitenschnitt der Schweißnaht 210 zu erkennen, dass 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, durch die Ausbildung von einer Mehrzahl von sich periodisch ausbildenden Plasmablasen beschrieben werden kann.
Wie bereits beschrieben, können die Plasmablasen innerhalb des jeweiligen Werkstücks 1 10, 120 im Wesentlichen entlang des Bearbeitungsstrahls 20 wandern, so dass sich ein länglich geformter aufgeschmolzener Bereich ergeben kann, der nicht mit dem jeweils ausgebildeten Plasmavolumen deckungsgleich sein muss, sondern auch größer sein kann.
Dabei findet zunächst im Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eine Erwärmung und ein Aufschmelzen des in der Prozesszone 200 vorliegenden Materials derart statt, dass sich ein hochabsorbierendes Plasma ausbildet.
An der jeweiligen sich ausbildenden Plasmaoberfläche findet eine starke Absorption des
Bearbeitungsstrahls 20 so statt, dass sich das Plasma aufgrund der starken Erwärmung der Plasmaoberfläche entsprechend unter Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 in Richtung des Bearbeitungsstrahls 20 unter weiterer Energieaufnahme weiter ausdehnt. Dieser Prozess wurde bereits weiter oben beschrieben.
Dieser Prozess der Ausdehnung wird beendet, wenn 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 Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 ausgehend von der in dem Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eingetragenen Energie erneut beginnt. Die Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 findet also periodisch und jeweils ausgehend vom Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 statt. Die Form der blasenförmigen Bereiche 212 ist entsprechend länglich in Richtung und entlang des Bearbeitungsstrahls 20 ausgebildet.
Durch die Relativbewegung des Werkstücks 110, 120 zum Bearbeitungsstrahl 20 legen sich im Bereich der sich dann durch das Werkstück 110, 120 bewegenden Prozesszone 200 die sich ausbildenden blasenförmigen Bereiche 212 nebeneinander. Die Geschwindigkeit der
Relativbewegung ist daher von Bedeutung dafür, wie stark die blasenförmigen Bereiche 212 ineinander fließen beziehungsweise auseinander fallen. Es ist in der Figur 5 zu erkennen, dass die Schweißnaht 210 aus einer Vielzahl sich aneinanderreihender und ineinander übergehender blasenförmiger Bereiche 212 ausgebildet ist.
Da die Prozesszone 200 während des Bearbeitungsprozesses quasi als Strahlungsquelle dient, kann mittels der Photodiode 36 entsprechend auch der Verlauf eines Parameters der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung detektiert werden und insbesondere ein Intensitätsverlauf über die Zeit hinweg aufgenommen werden.
In Figur 6 wird in einem exemplarischen Diagramm 50 ein solcher Verlauf der Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg gezeigt. Die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung wird hier durch einen Spannungswert angegeben, welcher dem von der Photodiode 36,46 ausgegebenen Spannungswert entspricht, welcher wiederum charakteristisch für die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten und von der Photodiode 36, 46 detektierten Strahlung ist.
In der Figur 6 ist weiterhin für einen bestimmten Ausschnitt des in dem Diagramm 50 gezeigten Intensitätsverlaufs, quasi wie durch eine Lupe, eine Abbildung 52 des dem Intensitätsverlauf entsprechenden Abschnitts der Schweißnaht 210 in einer Draufsicht zu erkennen. Diese Abbildung wurde mittels eines Durchlichtmikroskops hergestellt, wobei der Fokus in die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 1 10, 120 gelegt wurde, um die Schweißnaht 210 sichtbar zu machen. Die Schweißnaht 210 setzt sich, wie in der Abbildung 52 zu erkennen ist, aus einer Vielzahl jeweils aneinander grenzender und jeweils ineinander übergehender blasenförmiger Bereiche 212 zusammen.
Entsprechend organisieren sich sowohl der Schweißprozess als auch die Ausdehnung der Prozesszone 200 in dem Glasmaterial selbst. Dieser Prozess kann sich abhängig von der während des Schweißprozesses in das Glasmaterial eingebrachten Energie, abhängig von dem zu verschweißenden Glasmaterial und abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen
Bearbeitungsstrahl 20 und Werkstück 110, 120 im Wesentlichen selbst organisieren.
Zu erkennen ist, dass die Frequenz der Bildung der blasenförmigen Bereiche 212 und die sich daraus ergebenden Intensitätsschwankungen, so wie sie in dem Diagramm 50 über den Zeitverlauf hinweg gezeigt ist, im Wesentlichen unabhängig ist von der Pulsfrequenz des verwendeten gepulsten Bearbeitungsstrahls. In dem in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind
beispielsweise in dem 0,1 s langen gezeigten Zeitabschnitt ca. 35 Intensitätszyklen zu erkennen, was in einer Frequenz von ungefähr 350 Hz für die Ausbildung der jeweiligen blasenförmigen Bereiche 212 resultiert. Die verwendete Pulsfrequenz des hier als gepulster Bearbeitungsstrahl 20 verwendeten Ultrakurzpulslasers liegt hingegen bei mehr als 100kHz. Entsprechend liegen die detektierten Frequenzen der Ausbildung der blasenförmigen Bereiche 212 und die Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls 20 um Größenordnungen auseinander, so dass hier im detektierten Signal eine einfache Unterscheidung zwischen den Frequenzkomponenten, welche auf den
Bearbeitungsstrahl 20 zurückgehen und den Frequenzkomponenten, welche auf die Entstehung der blasenförmigen Bereiche 212 zurückgehen, getroffen werden kann.
Die in der Abbildung 52 in einer Draufsicht zu erkennende Schweißnaht 210 weist auch bei einer mit dem Auge durchgeführten Betrachtung einen sehr gleichmäßigen Verlauf der sich ergebenden blasenförmigen Bereiche 212 und damit einen sehr gleichmäßigen Verlauf der Schweißnaht 210 auf.
Aus der Analyse der von der Prozesszone emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg kann entsprechend aus dem gleichmäßigen Intensitätsverlauf und/oder dessen gleichmäßiger Amplitude und/oder aus dem gleichmäßigen Frequenzverlauf der periodischen Intensitätsschwankungen und/oder der nur wenig variierenden Periodendauer der Intensitätsschwankungen darauf geschlossen werden, dass hier eine Schweißnaht 210 in einer hohen Qualität ausgebildet ist.
In Figur 7 ist in einem weiteren exemplarischen Diagramm 50 ebenfalls die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung im Zeitverlauf aufgetragen.
Dabei sind im Wesentlichen defektfreie Bereiche 500 zu erkennen, welche eine im Wesentlichen gleichbleibende Intensität der jeweiligen Intensitätsschwankungen und eine im Wesentlichen gleichbleibende Frequenz der einzelnen Intensitätsschwankungen aufweisen. Diese im
Wesentlichen defektfreien Bereiche 500 entsprechen dem beispielsweise in Figur 6 in deren Diagramm 50 gezeigten Intensitätsverlauf bei der Herstellung einer besonders gleichmäßigen Schweißnaht 210 von hoher Qualität.
Darüber hinaus sind in dem Diagramm 50 der Figur 7 jedoch auch Ausreißer in dem
Intensitätsverlauf zu erkennen, wobei die Ausreißer beispielsweise an den Positionen 510 zu erkennen sind. Korreliert man nun diese Ausreißer 510 mit deren örtlicher Position innerhalb der Erstreckung der Schweißnaht 210 in der Abbildung 52, so ist zu erkennen, dass in den Bereichen, in welchen größere Intensitätsschwankungen und entsprechend Ausreißer 510 vorliegen, auch ein Fehler in der Schweißnaht 210 vorliegt. Über die Detektion der Ausreißer im Intensitätsverlauf kann daher auf das Vorliegen eines Fehlers in der Schweißnaht 210 geschlossen werden. Für eine automatisierte Überwachung des Schweißprozesses und eine Überwachung der Qualität der Schweißnaht 210 auf Grundlage der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ergibt sich damit, dass Ausreißer bzw. besonders starke Intensitätsschwankungen, welche beispielsweise stark über oder unter einen Mittelwert der ermittelten mittleren Intensitätsschwankungen hinausgehen, darauf hinweisen können, dass zu diesen Zeitpunkten bzw. an diesen Positionen ein Fehler in der Schweißnaht 210 vorliegt oder auftritt.
Der Fehler kann auch in unmittelbar in an die Schweißnaht 210 angrenzenden Bereichen des Werkstückes 1 10, 120 vorliegen, welche die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung beeinflussen, beispielsweise in Form eines in der direkten Umgebung der Schweißnaht 210 vorliegenden Risses.
In Figur 8 ist in einem weiteren Diagramm 50 ein Intensitätsverlauf der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung gezeigt. Hier ist ein Defekt einer Schweißnaht 210 dahingehend zu erkennen, dass ausgehend von einem im Wesentlichen gleichmäßigen Intensitätsverlauf im Bereich 500 plötzlich ein Einbruch des Intensitätsverlaufs bei der Position 520 erfolgt. Eine entsprechende Überprüfung der Abbildung 52 der Schweißnaht 210 ergibt, dass an der Position 520 ein
Schweißnahtabbruch 214 vorliegt.
Für eine automatisierte Auswertung ergibt sich eine signifikante Veränderung des
Intensitätsniveaus bzw. des Signals ausgehend beispielsweise von dem Mittelwert der intakten Bereiche 500 hin zu dem plötzlichen Einbrechen der Intensität an der Position 520.
Zur Durchführung eines Verfahrens zur Überwachung des Schweißprozesses kann entsprechend über die Auswertung der von der Prozesszone emittierten Strahlung über deren Zeitverlauf hinweg und insbesondere durch die Auswertung der Intensität dieser von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung auf das Vorliegen einer korrekt ausgeführten Schweißnaht bzw. auf das Vorliegen von Fehlern und/oder Rissen und/oder Schweißnahtabbrüchen geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können diese über eine solche Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ermittelten Fehler und/oder Risse und/oder
Schweißnahtabbrüche an den jeweiligen Benutzer kommuniziert werden bzw. beim Überschreiten einer entsprechenden Toleranzschwelle kann der Schweißvorgang abgebrochen werden und/oder das erzeugte Werkstück als Ausschuss gekennzeichnet und/oder ausgeschleust werden.
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 der zeitaufgelösten Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung eine genaue Lokalisierung der Fehler und/oder Risse und/oder Schweißnahtabbrüche bezüglich des Werkstücks 110 vorgenommen werden.
Aufgrund der Möglichkeit der Lokalisierung von Fehlern und/oder Rissen und/oder
Schweißnahtabbrüchen kann auch eine Nachführung oder Regelung von Prozess Parametern durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Leistung des Bearbeitungsstrahls 20 oder die Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Wird beispielsweise ein übermäßiges Auftreten von Rissen in den 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.
Eine Auswertung beispielsweise des Intensitätsverlaufs der mittels der Photodioden 36 und/oder 46 detektierten Strahlung kann beispielsweise darüber vorgenommen werden, dass die ermittelten 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 etc.
Nach der Aufbereitung des Signals kann eine Auswertung des Signals durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise eine zeitliche Integration des Signals über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg durchgeführt werden und dann ein Vergleich des erhaltenen Werts mit einem Sollwert durchgeführt werden.
Es kann auch eine Mittelwertbildung des Signals durchgeführt werden und dann beim Vorliegen einer signifikant von dem Mittelwert abweichenden Intensitätsschwankung auf das Vorliegen eines Fehlers und/oder Risses geschlossen werden. Es kann auch beim plötzlichen Einbruch des Signals bezüglich des Mittelwerts auf das Vorliegen eines Nahtabbruchs geschlossen werden. Der Mittelwert kann auch als gleitender Mittelwert gebildet werden.
Weiterhin kann eine Auswertung des Signals durchgeführt werden, indem das Signal über den Zeitverlauf hinweg betrachtet wird.
Weiterhin kann eine Auswertung dahingehend durchgeführt werden, dass Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg betrachtet werden, um beispielsweise das Vorliegen und/oder Entstehen von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen zu ermitteln.
Weiterhin kann beispielsweise eine Fast Fourier Transformation (FFT) des Signals durchgeführt werden, um für einen bestimmten Zeitabschnitt Änderungen des Frequenzverlaufes bzw. eine Änderung des Frequenzspektrums der Intensitätsschwankungen zu ermitteln.
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 und/oder Fehlern und/oder
Nahtabbrüchen 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
212 blasenförmiger Bereich
214 Schweißnahtabbruch
30 Strahlteiler
32 optischer Filter
34 Fokussierlinse
36 Photodiode
42 Filter
44 Abbildungssystem
46 Photodiode
48 Linse
50 Diagramm des Intensitätsverlaufs
52 Abbildung
500 defektfreier Bereich
510 Defekte
520 Einbruch der Intensität 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 in den Werkstücken (1 10,120) in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem
Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) eine Schweißnaht (210) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der von der Prozesszone (200) emittierten Strahlung detektiert wird.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodizität und/oder Frequenz und/oder das Frequenzspektrum von Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung detektiert wird und daraus bevorzugt auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht (210) geschlossen wird.
4. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung mittels eines Sensors, bevorzugt einer Photodiode (36, 46), aufgenommen wird und 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 Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in der Schweißnaht (210) hin ausgewertet wird, wobei bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe und/oder ein Abbruch des Schweißvorgangs 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 aufbereitet wird.
7. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Signal durch eine zeitliche Integration über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg und einen anschließenden Vergleich mit einem aktuellen Signalwert und/oder durch eine Betrachtung über den Zeitverlauf hinweg und/oder durch eine Betrachtung von Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg und/oder durch das Durchführen einer Fast Fourier Transformation und einer Betrachtung von Änderungen im Frequenzspektrum und/oder durch Bildung eines Mittelwerts und Vergleich mit einem aktuellen Signalwert ausgewertet wird, um bevorzugt das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehlern und/oder
Nahtabbrüchen in der Schweißnaht (210) zu ermitteln.
8. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung auf eine sich von der Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls (20) unterscheidende Frequenz der Intensitätsschwankungen hin untersucht wird.
9. Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Werkstücke (1 10, 120) aus Glas miteinander verschweißt werden.
10. 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 gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem
Ultrakurzpulslaserstrahl, gekennzeichnet durch einen Sensor (36, 46) zur zeitaufgelösten Detektion von von der Prozesszone (200) emittierter Strahlung.
1 1. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik zur
Aufnahme der von der Prozesszone (200) ausgehenden Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Sensor (36, 46) vorgesehen ist, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv (2) oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separates Abbildungssystem (44) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Bearbeitungsobjektiv (2) belichteter Sensor (36), bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Strahlteilers (30) und/oder eines optischen Filters (32) und/oder einer Fokussierlinse (34), und/oder ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separaten Abbildungssystem (44) belichteter Sensor (46) vorgesehen sind.
13. Vorrichtung (1 ) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, 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.
PCT/EP2019/081051 2018-11-13 2019-11-12 Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines schweissprozesses zum verschweissen von werkstücken aus glas WO2020099421A1 (de)

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