WO2022023118A1 - VERFAHREN ZUM ÜBERWACHEN EINES LASERSCHWEIßPROZESSES ZUM VERSCHWEIßEN ZWEIER WERKSTÜCKE HINSICHTLICH DER NAHTHÖHE EINER SCHWEIßNAHT - Google Patents

VERFAHREN ZUM ÜBERWACHEN EINES LASERSCHWEIßPROZESSES ZUM VERSCHWEIßEN ZWEIER WERKSTÜCKE HINSICHTLICH DER NAHTHÖHE EINER SCHWEIßNAHT Download PDF

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Sebastian HECKER
Tim Hesse
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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    • B23K2103/54—Glass

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces that are transparent to the laser wavelength, preferably made of glass, with a pulsed laser beam, in particular an ultra-short pulse laser beam, melting a melting volume in the workpieces in the area of the interface between the two workpieces. around to produce a weld seam, and wherein the intensity of the process radiation emitted by the melt volume is detected.
  • a pulsed laser beam in particular an ultra-short pulse laser beam
  • Such a monitoring method has become known, for example, from DE 102018 128 377 A1.
  • the quality control of two laser-welded glass workpieces is usually carried out in a work step downstream of the welding process.
  • the welded end workpiece is often subjected to a complex manual test. Defects along the weld seam are usually identified optically by means of a microscopic examination of the permanent weld seams after the end of the process (top view). Strength measurements are also carried out. The assessment of the overall welding result is based on the experience of a skilled worker.
  • DE 10 2018 128 377 A1 discloses a method for monitoring a welding process for welding two glass workpieces, where a weld seam is formed in the workpieces in a process zone that is impacted by a pulsed ultrashort pulsed laser beam.
  • the intensity of the process radiation emitted by the process zone is detected in a time-resolved manner and the periodicity, the frequency and the frequency spectrum of intensity fluctuations of the detected process radiation are determined in order to draw conclusions about the quality of the weld seam produced.
  • the object of the present invention is to further develop the monitoring method mentioned at the outset such that local seam height changes within a weld seam when joining transparent materials.
  • this object is achieved according to the invention in that the detected intensity curve is evaluated with regard to intensity fluctuations and local seam height fluctuations of the weld seam are determined on the basis of this evaluation.
  • an interaction zone In a continuous melting process, an interaction zone is created whose longitudinal extent roughly corresponds to that of the final seam extent. With feed, the material is melted homogeneously over the entire length of the path and leads to a continuous weld seam. Meanwhile, the interaction zone emits radiation whose intensity correlates with the volume of the interaction zone. If the height of the weld seam correlates with the volume of the interaction zone, conclusions can be drawn about the weld seam height based on the radiation intensity.
  • many melt volumes lined up in a row form a continuous or periodically interrupted weld seam, with each melt volume being produced separately. The resulting weld seam thus exhibits a periodic signature, with the seam height ideally being determined by the height of the individual melt volumes.
  • the final height of the melt volume is determined purely by the maximum extent of the interaction zone.
  • the change in expansion is superimposed on a movement of the interaction zone in the direction of the incident laser radiation, with the position at which the interaction zone is greatest being able to vary.
  • process radiation is emitted for each individual melt volume, corresponding to the change in the volume of the interaction zone.
  • changes in the seam height are inferred according to the invention based on the detected intensity of the emitted process radiation.
  • the quality of welded joints can be checked on an industrial scale directly during processing, which means that there is no need for a time-consuming manual check downstream of the process. Since the intensity fluctuations can be observed equally over the entire emission spectrum, detection is possible over a large wavelength range or wavelength-selectively.
  • An intensity tolerance range with a lower and an upper intensity limit value is preferably defined for a specified seam height of a weld seam to be produced, so that the weld seam produced maintains the specified seam height if the detected intensity fluctuations are within the intensity tolerance range and, if the detected intensity fluctuations are outside the Intensity tolerance range, the specified seam height is not observed.
  • changes in seam height are localized based on changes in a continuously monitored radiation intensity or changes in a local maximum intensity or an integrated intensity. If material is continuously melted during the laser welding process, the analysis can be based on the detected intensity profile. If, on the other hand, material is melted discretely in individual melting volumes during the laser welding process, the evaluation is advantageously carried out using the maximum intensities of the respective melting volumes or using the intensities integrated over a melting volume in each case.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for monitoring a laser welding process for welding two workpieces made of glass
  • Figs. 2a, 2b measured intensity curves over time of the process radiation emitted when laser welding two workpieces made of quartz glass in a welding process in which material is continuously melted, for a weld seam of constant seam height (Fig. 2a) and a weld seam with seam height fluctuations (Fig. 2b);
  • Figs. 3a, 3b measured intensity curves over time of the process radiation emitted when laser welding two workpieces made of quartz glass in a welding process in which material is melted discretely, for a weld seam with a constant seam height (Fig. 3a) and a weld seam with seam height fluctuations (Fig. 3b).
  • the device 1 shown schematically in Fig. 1 is used to monitor a laser welding process for welding two superimposed workpieces 2, 3, which are plate-shaped here by way of example, made of a material that is transparent to the laser wavelength, e.g. made of glass, by means of a pulsed laser beam 4.
  • An ultrashort pulsed laser beam with pulses in the femtosecond or picosecond range and with frequencies of the repetition rates of 100 kHz up to several MHz is preferably used as the pulsed laser beam 4 .
  • the underside of the upper workpiece 2 in FIG. 1 and the upper side of the lower workpiece 3 rest against one another and form an interface 5 in which the welding is to be carried out or has been carried out.
  • the laser beam 4 is focused by processing optics 6 through the upper workpiece 2 into the lower workpiece 3 near the interface 5 in order to generate a melt volume 7 there.
  • An ultra-short-pulse laser is preferably used, the mean power of which is modulated over time.
  • the processing parameters are preferably selected in such a way that a single melting volume 7 is generated for each modulation period.
  • the melting volume 7 is accordingly placed in the workpieces 2 , 3 in such a way that it is arranged close to the interface 5 or encompasses the interface 5 .
  • the laser beam 4 is moved together with the processing optics 6 in a feed direction X relative to the workpieces 2, 3 in order to pull in a weld seam 8 in the workpieces 2, 3.
  • the absorption in the lower workpiece 3 is pulled in the direction of the incident laser beam 4, since it is at a preferred level at the top of the interaction zone due to the increased temperature absorption is coming.
  • the longitudinal position of the local energy input varies over multiple pulses. If the absorption area is shifted too far into the convergent beam, the energy input breaks down and the process starts again, starting from focus F. Typically, this leads to modulated weld seams 8 with a periodic signature. If the interface 5 lies within the melted melt volume 7, there is a material connection.
  • a process radiation 10 is emitted from the interaction zone of the laser beam 4 in the workpiece 2, 3.
  • the intensity of the emitted process radiation 10 is determined by a detector, preferably arranged coaxially to the laser beam 4, here in the form of a photodiode 11.
  • the detector can also be installed next to the processing optics 6 or below the workpieces 2, 3 (“off-axis ").
  • the emitted process radiation 10 can also be detected using a fast line sensor or a camera.
  • the laser beam 4 is guided to the processing optics 6 with a dichroic mirror 12, which is, for example, highly reflective for the laser wavelength and transmits radiation in the visible wavelength range from 300 to 800 nm, and is focused in the lower workpiece 3 just below the interface 5.
  • the dichroic mirror 12 can also be transmissive for the laser wavelength and reflective for the process radiation 10 .
  • the process radiation 10 can also be observed in the infrared wavelength range.
  • the process radiation 10 emitted by the process zone of the workpieces 2, 3 is captured using the processing optics 6 and decoupled from the laser beam path by the dichroic mirror 12.
  • An optical filter element 13 is used to select a desired wavelength range and/or to suppress reflected laser radiation from the process radiation 10 .
  • a monitoring unit 15 is used to evaluate the temporal intensity profile of the emitted process radiation 10 in order to detect local seam height fluctuations based on the detected process radiation 10 .
  • Changes in the intensity of the emitted radiation process radiation 10 indicate seam height changes.
  • a permissible tolerance range is defined using a lower and an upper limit value I1, I2, within which the intensity of the process radiation 10 may vary. If the detected intensity is less than the lower limit value 11, the permissible height of the weld seam 8 is not reached. If the detected intensity is greater than the upper limit value I2, the permissible height of the weld seam 8 is exceeded.
  • Figs. 2a, 2b show measured intensity curves I(t) over time of the detected process radiation 10 during the laser welding of two workpieces 2, 3 made of quartz glass in a welding process in which material is continuously melted. Areas in which the specified seam height is maintained are marked with an "o”. Areas in which the seam height deviates from the target are marked with an "x”.
  • FIG. 2b shows an intensity curve I(t) with intensity changes outside the permissible tolerance range, so that a weld seam 8 with impermissible seam height fluctuations can be inferred.
  • Figs. 3a, 3b show the intensity curve l(t) of the process radiation emitted for a welding process in which material was melted discretely.
  • the measurement signal is made up of a large number of intensity peaks 16, each of the intensity peaks 16 corresponding to a melt volume produced for itself. Changes in the suture height are reflected by changes in the maximum intensity of the intensity peaks (curve l'(t)) and in the integrated intensity of the individual melt volumes (curve l"(t)). displayed.
  • FIG. 3a shows an intensity profile l′(t), l′′(t) with intensity changes outside the permissible tolerance range, ie for a weld seam 8 with impermissible seam height fluctuations.
  • the quality inspection of welded joints on an industrial scale can be carried out directly during processing, which means that there is no need for a time-consuming manual inspection downstream of the process.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (2, 3) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) detektiert wird, wird erfindungsgemäß der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich Intensitätsschwankungen ausgewertet und werden anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwankungen der Schweißnaht (8) ermittelt.

Description

Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke hinsichtlich der Nahthöhe einer Schweißnaht
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laser schweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transpa renter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken von einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolu men im Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen emittierten Prozessstrahlung detektiert wird.
Ein derartiges Überwachungsverfahren ist beispielsweise durch die DE 102018 128 377 A1 bekannt geworden.
Da sich beim Schweißen von transparenten Materialien mit der Nahthöhe die Nahtbreite ändert, können lokale Nahthöhenunterschiede die Festigkeit einer Schweißverbindung verringern. Zudem kann es in Bereichen, in denen sich die Nahthöhe abrupt ändert, zu erhöhten Spannungen kommen. Spannungen begüns tigen Rissbildung, wodurch die Belastbarkeit der Verbindung in diesem Bereich schwächen.
Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt zumeist in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das ge schweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzogen. Die Identifikation von Fehlstellen entlang der Schweißnaht erfolgt zu meist optisch durch eine mikroskopische Untersuchung an den permanenten Schweißnähten nach Prozessende (Draufsicht). Zudem werden Festigkeitsmes sungen durchgeführt. Die Einschätzung des gesamten Schweißergebnisses ba siert auf der Erfahrung eines Facharbeiters.
Aus der DE 10 2018 128 377 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas bekannt, wo bei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Ultrakurzpulslaserstrahl be aufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Intensität der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung wird zeitaufgelöst detektiert und die Periodizität, die Frequenz und das Frequenzspektrum von Intensitäts schwankungen der detektierten Prozessstrahlung bestimmt, um daraus auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht zu schließen.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Über wachungsverfahren dahingehend weiterbilden, dass lokale Nahthöhenänderungen innerhalb einer Schweißnaht beim Fügen von transparenten Materialien erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich In tensitätsschwankungen, ausgewertet wird und anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwankungen der Schweißnaht ermittelt werden.
Zur Erzeugung von Schweißnähten in Glas mit ultrakurzen Laserpulsen werden verschiedene Ansätze verfolgt. Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolu men nahe der Grenzfläche fokussiert und ein Schmelzvolumen erzeugt. Hierbei wird insbesondere über mehrere Pulse die Absorption in Richtung der einfallenden Wellenfront gezogen, da es dort aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer be vorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Posi tion der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Ener gieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus, erneut, wodurch ein weiteres Schmelzvolumen gebildet wird. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten mit periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappen den Schmelzvolumen (periodische Signatur). Liegt die Grenzfläche innerhalb des aufgeschmolzenen Volumens, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung.
Bei der Schweißnahtentstehung können zwei Arten unterschieden werden. Mate rial wird entweder kontinuierlich oder diskret aufgeschmolzen.
Bei einem kontinuierlichen Schmelzprozess wird eine Wechselwirkungszone er zeugt, die in der longitudinalen Ausdehnung in etwa der der finalen Nahtausdeh nung entspricht. Unter Vorschub wird das Material über die gesamte Weglänge homogen aufgeschmolzen und führt zu einer kontinuierlichen Schweißnaht. Die Wechselwirkungszone emittiert währenddessen Strahlung, deren Intensität mit dem Volumen der Wechselwirkungszone korreliert. Korreliert die Höhe der Schweißnaht mit dem Volumen Wechselwirkungszone, kann anhand der Strah lungsintensität auf die Schweißnahthöhe geschlossen werden. Beim diskreten Aufschmelzen bilden viele aneinandergereihte Schmelzvolumen eine zusammenhängende oder periodisch unterbrochene Schweißnaht, wobei je des Schmelzvolumen für sich erzeugt wird. Die resultierende Schweißnaht weist dadurch eine periodische Signatur auf, wobei die Nahthöhe idealerweise durch die Höhe der einzelnen Schmelzvolumen bestimmt wird. Im ersten Fall wird die finale Höhe des Schmelzvolumens rein durch die maximale Ausdehnung der Wechsel wirkungszone bestimmt. Im zweiten Fall Ist die Ausdehnungsänderung einer Be wegung der Wechselwirkungszone in Richtung der einfallenden Laserstrahlung überlagert, wobei die Position, an der die Wechselwirkungszone am größten ist, variieren kann. In beiden Fällen wird, entsprechend der Änderung des Volumens der Wechselwirkungszone, für jedes einzelne Schmelzvolumen Prozessstrahlung emittiert. Aus einem Vergleich der emittierten Strahlung aufeinanderfolgender Schmelzvolumen kann anhand der emittierten Maximalintensität oder der integrier ten Strahlungsintensität eines Schmelzvolumens auf vorliegende Höhenunter schiede geschlossen werden.
Um bereits beim Laserschweißen Nahthöhenänderungen zu erkennen, wird erfin dungsgemäß anhand der detektierten Intensität der emittierten Prozessstrahlung auf Änderungen in der Nahthöhe geschlossen. So kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prü fung entfallen kann. Da die Intensitätsschwankungen gleichermaßen über das ge samte Emissionsspektrum beobachtet werden können, ist die Detektion über ei nen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv möglich.
Vorzugsweise wird für eine vorgegebene Nahthöhe einer zu erzeugenden Schweißnaht ein Intensitätstoleranzbereich mit einem unteren und einem oberen Intensitätsgrenzwert definiert, so dass die erzeugte Schweißnaht, wenn die detek tierten Intensitätsschwankungen innerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe einhält und, wenn die detektierten Intensitätsschwan kungen außerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Naht höhe nicht einhält. Nahthöhenänderungen werden, abhängig von der Nahtentstehung, anhand von Änderungen einer kontinuierlich überwachten Strahlungsintensität oder der Ände rungen einer lokalen Maximalintensität bzw. einer integrierten Intensität lokalisiert. Wird bei dem Laserschweißprozess Material kontinuierlich aufgeschmolzen, kann die Auswertung anhand des detektierten Intensitätsverlaufs erfolgen. Wird bei dem Laserschweißprozess hingegen Material diskret in einzelnen Schmelzvolumen aufgeschmolzen, erfolgt vorteilhaft die Auswertung anhand der Maximalintensitä ten der jeweiligen Schmelzvolumen oder anhand der über jeweils ein Schmelzvo lumen integrierten Intensitäten.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwa chung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas;
Fign. 2a, 2b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozess strahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material kontinuierlich aufge schmolzen wird, für eine Schweißnaht konstanter Nahthöhe (Fig. 2a) und eine Schweißnaht mit Nahthöhenschwankungen (Fig. 2b); und
Fign. 3a, 3b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozess strahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material diskret aufgeschmol zen wird, für eine Schweißnaht konstanter Nahthöhe (Fig. 3a) und eine Schweißnaht mit Nahthöhenschwankungen (Fig. 3b). Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Überwachen eines La serschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, hier ledig lich beispielhaft plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellen länge transparenten Material, z.B. aus wie Glas, mittels eines gepulsten Laser strahls 4. Als gepulster Laserstrahls 4 wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pulsen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetiti onsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet.
Die Unterseite des in Fig. 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 liegen aneinander an und bilden eine Grenzfläche 5, in der die Ver schweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde. Der Laser strahl 4 wird von einer Bearbeitungsoptik 6 durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 nahe der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, dessen mittlere Leistung zeitlich moduliert wird. Vorzugsweise werden die Bear beitungsparameter so gewählt, dass je Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen 7 erzeugt wird.
Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Fokus F treten im Glas material nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des gepulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmate rial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen 7 wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 5 angeordnet ist oder die Grenzfläche 5 umfasst. Beim er neuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüs sige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt. Der Laserstrahl 4 wird gemeinsam mit der Bearbeitungsoptik 6 in einer Vorschubrichtung X relativ den Werkstücken 2, 3 bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen.
Insbesondere über mehrere Pulse wird die Absorption im unteren Werkstück 3 in Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 gezogen, da es an der Oberseite der Wechselwirkungszone aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der loka len Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptions bereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbrin gung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus F, erneut. Typischer weise führt dies zu modulierten Schweißnähten 8 mit periodischer Signatur. Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung.
Während des Prozesses wird von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 4 im Werkstück 2, 3 eine Prozessstrahlung 10 emittiert. Die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 erfolgt durch einen bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 4 an geordneten Detektor, hier in Form einer Photodiode 11. Alternativ kann der Detek tor auch neben der Bearbeitungsoptik 6 oder unterhalb der Werkstücke 2, 3 ange bracht sein („off-axis“). Statt mit einer Photodiode kann die Detektion der emittier ten Prozessstrahlung 10 auch mit einem schnellen Zeilensensor oder einer Ka mera erfolgen.
Der Laserstrahl 4 wird mit einem dichroitischen Spiegel 12, der beispielsweise hochreflektierend für die Laserwellenlänge und transmittierend für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm ist, zur Bearbeitungsoptik 6 geführt und im unteren Werkstück 3 kurz unterhalb der Grenzfläche 5 fokussiert. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 12 auch transmissiv für die Laserwellen länge und reflektiv für die Prozessstrahlung 10 sein. Statt oder zusätzlich zum sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Beobachtung der Prozessstrahlung 10 auch im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Die dabei von der Prozesszone der Werkstücke 2, 3 emittierte Prozessstrahlung 10 wird mithilfe der Bearbeitungs optik 6 eingefangen und durch den dichroitischen Spiegel 12 aus dem Laserstrah lenstrahlengang ausgekoppelt. Ein optisches Filterelement 13 dient zur Selektion eines gewünschten Wellenlängenbereiches und/oder zur Unterdrückung reflektier ter Laserstrahlung aus der Prozessstrahlung 10. Im Anschluss an das Filterele ment 13 wird die Prozessstrahlung 10, z.B. mit einer Linse 14, auf die Photodiode 11 fokussiert. Mithilfe einer Überwachungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 ausgewertet, um lokale Nahthöhenschwankungen anhand der detektierten Prozessstrahlung 10 zu detektieren. Änderungen in der Intensität der emittierten Strahlung Prozessstrahlung 10 zeigen Nahthöhenände rungen an. Zur Überwachung der Nahthöhe wird anhand eines unteren und eines oberen Grenzwertes 11, I2 ein zulässiger Toleranzbereich definiert, innerhalb dem sich die Intensität der Prozessstrahlung 10 bewegen darf. Ist die detektierte Inten sität kleiner als der untere Grenzwerte 11 , wird die zulässige Höhe der Schweiß naht 8 unterschritten. Ist die detektierte Intensität größer als der obere Grenzwerte I2, wird die zulässige Höhe der Schweißnaht 8 überschritten.
Fign. 2a, 2b zeigen gemessene zeitliche Intensitätsverläufe l(t) der detektierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke 2, 3 aus Quarzglas in einem Schweißprozess, bei dem Material kontinuierlich aufgeschmolzen wird. Bereiche, in denen die vorgegebene Nahthöhe eingehalten wird, sind mit einem „o“ gekennzeichnet. Bereiche, in denen die Nahthöhe vom Soll abweicht, sind mit einem „x“ gekennzeichnet.
Fig. 2a zeigt einen Intensitätsverlauf l(t) mit gleichbleibender Intensität innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, so dass auf eine zulässige Schweißnaht 8 mit konstanter Nahthöhe geschlossen werden kann.
Fig. 2b zeigt demgegenüber einen Intensitätsverlauf l(t) mit Intensitätsänderungen außerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, so dass auf eine Schweißnaht 8 mit unzulässigen Nahthöhenschwankungen geschlossen werden kann.
Für Schweißnähte 8, die diskret erzeugt werden, erfolgt die Auswertung anhand der einzelnen Schmelzvolumen. Hierzu wird die Maximalintensität oder die über ein Schmelzvolumen integrierte Intensität herangezogen. Fign. 3a, 3b zeigen den Intensitätsverlauf l(t) der emittierten Prozessstrahlung für einen Schweißprozess, bei dem Material diskret aufgeschmolzen wurde. Das Messsignal setzt sich aus vielen Intensitätsspitzen 16 zusammen, wobei jede der Intensitätsspitzen 16 ei nem für sich erzeugten Schmelzvolumen entspricht. Änderungen in der Nahthöhe werden durch Änderungen in der Maximalintensität der Intensitätsspitzen (Kurve l‘(t)) und in der integrierten Intensität der einzelnen Schmelzvolumen (Kurve l“(t)) angezeigt. Für eine Schweißnaht 8 mit gleichbleibender Höhe sind das Maximum der Intensitätsspitzen 16 und die über ein Schmelzvolumen integrierte Intensität konstant und liegen innerhalb des zulässigen Toleranzbereiches (Fig. 3a). Fig. 3b zeigt demgegenüber einen Intensitätsverlauf l‘(t), l“(t) mit Intensitätsänderungen außerhalb des zulässigen Toleranzbereiches, also für eine Schweißnaht 8 mit un zulässigen Nahthöhenschwankungen.
Mithilfe des beschriebenen Verfahrens kann die Qualitätsprüfung von Schweißver bindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschwei ßen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vor zugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1 , 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufge schmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die In tensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) de- tektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich Intensitätsschwankungen, ausgewertet wird und anhand dieser Auswertung lokale Nahthöhenschwan kungen der Schweißnaht (8) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für eine vorge gebene Nahthöhe einer zu erzeugenden Schweißnaht (8) ein Intensitätsto leranzbereich mit einem unteren und einem oberen Intensitätsgrenzwert (11, I2) definiert wird und dass die erzeugte Schweißnaht (8), wenn die detek- tierten Intensitätsschwankungen innerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe einhält und, wenn die detektierten Inten sitätsschwankungen außerhalb des Intensitätstoleranzbereiches liegen, die vorgegebene Nahthöhe nicht einhält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Laserschweißprozess Material kontinuierlich aufgeschmolzen wird und die Auswertung anhand des detektierten Intensitätsverlaufs erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Laserschweißprozess Material diskret in einzelnen Schmelzvolumen aufge schmolzen wird und die Auswertung anhand der Maximalintensitäten der jeweiligen Schmelzvolumen oder anhand der über jeweils ein Schmelzvolu- men integrierten Intensitäten erfolgt.
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Title
HECKER SEBASTIAN ET AL: "Position sensing of ultrashort pulsed laser-welded seams in glass by optical coherence tomography", JOURNAL OF LASER APPLICATIONS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, 2 HUNTINGTON QUADRANGLE, MELVILLE, NY 11747, vol. 32, no. 2, 4 March 2020 (2020-03-04), XP012245223, ISSN: 1042-346X, [retrieved on 20200304], DOI: 10.2351/1.5133467 *

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