DD299950A5 - Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und -schneiden - Google Patents

Abstract

Verfahren zur On-line-Qualitaetssicherung bei der Lasermaterialbearbeitung mittels elektro-optischer Erfassung der Nahinfrarotstrahlung des aus dem "Dampfkanal" waehrend der Lasermaterialbearbeitung herausgeschleuderten Materials, wobei die Groesze der im Werkstueck entstandenen Hohlraeume (Poren, Loecher) ermittelt wird. Die Erfassung der Koerperstrahlung des herausgeschleuderten Materials erfolgt in einem Wellenlaengenbereich von 800 nm bis ca. 1 300 nm, vorzugsweise mit gleichzeitiger Erfassung der Nah-UV-Strahlung der Plasmawolke, in einem bevorzugten Wellenlaengenbereich von ca. 200 nm bis ca. 450 nm. Beschrieben wird schlieszlich auch ein Auswerteverfahren fuer die Nah-IR-Signale.{Qualitaetssicherung; Materialbearbeitung mittels Laser; elektro-optische Erfassung der Nahinfrarotstrahlung des Materials; Strahlung der Plasmawolke; Auswerteverfahren fuer die Nah-IR-Signale}

Description

Hierzu 6 Zeichnungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätssicherung bei der Lasermaterialbearbeitung, vorzugsweise beim Laserstrahlschweißen oder -schneiden, wobei das aus der Plasmawolke bei der Materialbearbeitung entstandene Ultraviolettlicht in einem Wellönlängenbereich von ca. 200nm bis ca. 460 nm zwecks einer Überprüfung der Laserstrahleinkopplung sowie der Einhaltung anderer Prozeßparameter, wie Laserausgangsleistung, Strahldefokussiorung, Strahlqualität, Schutzgas- und Arbeitsgaszuführung sowie Werkstückzusammensetzung, Reinigungsgrad der Werkstückoberfläche und Schweißspaltbreite mit einem UV-empfindlichen Detektor erfaßt wird. Ein lerartiges Verfahren ist bereits durch den DVS-Bericht Nr. 113 über die Tagung „ECLAT '88, S. 58-59, bekannt.

Bekannte derartige Vorrichtungen verwenden einen lichtempfindlichen Detektor, der aus einer Si-Fotodiode, die eine erhöhte UV-Lichtempfindlichkeit hat, und einem optischen Filter besteht, der ausschließlich für die o.g. UV-Lichtwellenlängen durchlässig ist. Der Filter ist zwischen der Bearbeitungsstelle und dem Detektor räumlich angeordnet. Das aufgenommene UV-Lichtsignal ist vom Detektor in ein elektrisches Signal umgewandelt, das von einer Auswerteinrichtung verarbeitet wird. Mit einer solchen Vorrichtung ist es möglich, Änderungen der o.g. Parameter des Lasermaterialbearbeitungsprozesses, während der Bearbeitung zu erkennen und sie als mögliche Bearbeitungsfehler anzumelden.

Diese bekannte Vorrichtung hat den Nachteil, daß es nicht möglich ist, einen Bearbeitungsfehler zu erkennen und anzumelden, sobald während eines Laserschweißprozesses zwei Parameter sich gleichzeitig geändert haben, die entgegengesetzte Auswirkungen auf das Schweißplasma un'd damit auch auf das aufgenommene UV-Signal haben. Außerdem meldet eine solche Vorrichtung bei einer hohen eingestellten Empfindlichkeit eine zu große Anzahl von Fehlern an, die zwar auf eine Laserschweißprozeß-Parameterstörung zurückzuführen sind, aber zu keinen Schweißnahtfehlern geführt haben.

Als Stand der Technik wurde auch die Verwendung einer Fotodiode zur Erfassung ν η entstehenden Metallspritzern bei einem Einstechvorgang zwecks dessen Überwachung berücksichtigt JP-DS „Pat. abstr. of Japan", 1987, Vol. 11/No. 166, M-593, Kokai No.: 61-296980.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorzugschlagen, mit deren Hilfe eine Qualitätskontrolle der mit dem Laser hergestellten Schweißnaht während des Schweißvorganges selbst durchgeführt wird, unabhängig davon, welche Änderung einen oder mehrerer Bearbeitungsparameter zu einem Schweißfehler geführt haben. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die erfindungsgemäße Vorrichtung nach dom kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches auszubilden, dies hat den Vorteil, daß die Menge des aus dem Bearbeitungsherd infolge dor Energiezuführung und des dadurch im „Damptkanal" entstandenen Dampfdruckes herausgeschleuderten, flüssigen Materials zur Ermittlung der Größe der im Werkstück entstandenen Hohlräume opto-elektronisch in einem Wellenlängenbereich von 800ηm bis vorzugsweise 1300nm durch wenigstens eine Fotodiode erfaßt, in ein elektrisches Signal umgesetzt und einer Auswerteinrichtung zugeführt wird. Die Schweißfehler lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 erfassen und durch eine angeschlossene Auswerteinrichtung nach Anspruch 6 als Bearbeitungsfehler signalisieren. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2 besteht darin, daß eine eindeutige Erkennung von tatsächlichen Schweißfehlern möglich ist. Die Eindeutigkeit des erfindungsgemäßen Verfahren beruht darauf, daß die Größe der aus dem Schweißherd herausgeschleuderten Tropfen der Größe der in der Schweißnaht zurückgelassenen Poren und Löchern entspricht.

Die Vorrichtung nach Anspruch 2 hat den Vorteil, daß damit das Verfahren nach Anspruch 1 praktisch angewandt werden kann. Mit der Vorrichtung nach Anspruch 2 lassen sich in der Schweißnaht sogar tiefliegende Poren zerstörungsfrei erkennen, die während eines Laserschweißprozesses, als bevorzugter Laserstrahlbearbeitungsprozeß entstanden sind. Dadurch wird ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 deutlich: durch die Erfassung der Werkstückposition relativ zum Laserslrahlboarbeitungskopf während des Laserbearbeitungsprozesses läßt sich zuverlässig die Position der erfaßten Schweißfehler auf dem Werkstück nach der Bearbeitung wiederfinden, um sie weiter zu analysieren oder das Werkstück an diesen Stellen nachzubearbeiten. Die o.g. Positionserfassung der augenblicklichen Bearbeitungstelle auf dem Werkstück während der Lasermaterialbearbeitung läßt sich beispielsweise für eine drehsymmetrisches Werkstück mit einem inkrementdlen oi'er absoluten Drehwinkelgeber, dessen drehbare Welle während der Bearbeitung mit dem Werkstück drehwinkelmäßig gekoppelt ist, realisieren. Weitere Vorteile des Hauptanspruches und der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2 sowie in Kombina'ion mit den anderen Ansprüchen bestehen darin, daß außer Poren auch Löcher während des Laserstrahlschweißens als bevorzugter Bearbeitungsprozeß erkannt und signalisiert werden. Das führt dazu, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auch gasdichte Schweißnähte hergestellt werden können. Daraus ergeben sich in Verbindung mit der o.g. Positionserfassung des Werkstückes die Vorteile, daß die Herstellung von Schweißnähten mit dem Laserstrahl ohne Aufsicht während oiner parsonallosen Nachtschicht bei einer 100%ig«n Dokumentation der Produktion erfolgen kann. Die Sicherung der hergestellten Qualität führt zu einem höheren Automatislorungsgrad, zu einem schnelleren, fehlerfreien Materialfluß, d.h. zu oiner erheblich gesteijorten Produktivität einer Laserschweißanlage.

Nach dem heutigen Stand der Technik ist das „Finden" von in der Schweißnaht tiefliegenden Poren nur nach dem durchgeführten Schweißprozeß mit Hilfe beispielsweise einer sehr teueren Röntgenkamera oder mit einem Ultraschallmikroskop möglich.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6 erhöht außerdem die Wirtschaftlichkeit der Lasermaterialbearbeitung, verzugsweise beim Laserschweißen und/oder -schneiden, dadurch, daß die hohe Kontrollqualität des erfindungsgemäßen Verfahrens durch die erfindungsgt>mäßen Vorrichtungen nach den Ansprüchen 2 oder 3 oder 4 den hohen materiellen und zeitlichen Aufwand einer nachträglichen Prüfung überflüssig macht.

Die Größe der herausgeschleuderten Tropfen entspricht dem Integral des über den erfindungsgemäßen Detektor gewonnenen Signals über einen festgelegten Zeitraum. Dadurch ist es möglich, nach Anspruch 6 die Festigkeit einer hergestellten Schweißnaht und/oder das Ausmaß einer einzigen Tropfen-„Eruption" während der Materialbearboitung zu beurteilen. Die Netzfrequenz-Synchronisierung der Signalverarbeitung nach Anspruch 6 hat den Vorteil, daß dadurch netzfrequenzabhängige Signalstörungen unterdrückt werden. Dies führt dazu, daß die Signalverarbeitung mit gleichbleibend guter Qualität ohne Abgleich an Versorgungsnetzen mit vorzugsweise 50Hz oder 60 Hz arbeitet.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Nah-IR-Vorrichtung nach Anspruch 3 besteht darin, daß es möglich ist, diese in eine vorhandene UV-Signalüberwachung nachträglich zu integrieren.

Die Vorrichtungen nach Anspruch 2,3 und 4 sind durch eine leichte Handhabung gekennzeichnet, da nur ein Detektorkopf montiert und justiert werden muß. Da die o. g. Vorrichtungen auch ohne eine Fokussierlinse funktionieren, führt der Verzicht auf eine Linse zu einem weiteren Vorteil in der Handhabung der Vorrichtung, da in diesem Fall die Dotektorkopfjustage nicht mehr exakt durchgeführt werden muß - eine ungefährte Ausrichtung des Detektorkopfes ist ausreichend.

Als Ergänzung de - orfindungsgemäßen Vorrichtung kann auch das UV-Signal erfaßt werden. Die Kombination der beiden o.g. Verfahren bietet nach Anspruch 4 und 5 die Möglichkeit, eine sichere Aussage über die Qualität einer mit dem Laser hergestellten Schweißnaht on line dadurch zu treften, daß die UV-Zusatzinformation feine Synchronisierung des gewonnenen Nah-IR-Signals ermöglicht. Dies geschieht dadurch, daß sobald genügend Energie aus dem Laserstrahl in das zu bearbeitende Werkstück eingekoppelt ist, eine Plasmawolke entsteht, die im Nah-UV-Bereich Licht emittiert. Diese Information gibt i!io Möglichkeit, den Beginn und das Ende eines Schweißproz?sses berührungslos und fasersystnmunabhängig, zu ermitteln. Auf das Schneiden mit dem Laserstrahl lassen sich die- genannten Überlegungen mit dem Unterschied übertragen, daß beim Schneiden sowohl der Bereich oberhalb als auch unterhalb der Bearbeitungsstelle nach dem erfindungsgemäßen Verfahren überwacht wird. Vorteilhaft ist die Vorrichtung nach Anspruch 5, womit der Einstechvorgang beim Laserschneiden von Blech durch den oberen Detektor (vgl. Fig.7) und anschließend der Schneidvorgang hauptsächlich durch den unteren Detektor überwacht wird.

Die beschriebenen Vorteile lassen sich an Laserbearbeitungsanlagen, die vorzugsweise mit CO₂-, aber auch mit gepulsten Festkörper-Hochleistungslasern arbeiten, nachvollziehen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen von bevorzugten Aueführungsbeispielen. Die Darstellungen aus den Zeichnungen lassen sich vielseitig kombinieren, und es ist möglich, diese Kombinationen rückzubeziehen auf den Anspruch 1 oder auf Kombinationen von Ansprüchen. Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1: schematisch die Qualitätssicherung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer bevorzugten Anordnung beim Laserstrahlschweißen von Metallan;

Fig. 2: schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 2; Fig. 3: se' lematisch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 3; Fig.4: schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 4; Fig. 5: schematis-h eind bevorzugte Schweißanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4; Fig. 6: schematisch eine bovorzugte Schweißanordnung nach dem Anspruch 2; Fig. 7: schematisch eine bevorzugte Schweißanordnung nach dem Anspruch 5; Fig. 8: schematisch eine bevorzugte Ausführung der Auswertung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Anspruch 6.

Eine grobe Betrachtung der möglichen Schweißfehler führt zu deren Einteilung in zwei Gruppen:

1. Schweißfehler, die während der Laserbearbeitung durch zu hohe Verdampfungsraten des zu bearbeitenden Materials oder durch Verunreinigungen verursacht werden (dabei entstehen Löcher, Poren u.a.),

2. Schweißfehler, wie Risse, die in einer mit dem Laser hergestellten Schweißnaht nach der Bearbeitung während der Materialabkühlung entstehen.

Die beanspruchte Erfindung macht eine zuverlässige On-Iine-Erkennung von Schweißfehlern der o.g. Gruppe 1 möglich. Bei der Energiezuführung über den Laserstrahl 1 mit Hilfe einer vorzugsweise eingesetzten Fokussierlinie 2 in aas Werkstück 5 entsteht in der Bearbeitungsstelle 4 einerseits ins Werkstückinnere ein „Dampfkanal" 6 aus dem sporadisch flüssiges Material in Form von „Material-Spritzern" 15 herausgeschleudert wird, anderseits entsteht oberhalb des „Dampfkanals" eine Plasmawolke 3, Der Schweißprozeß ist auf eine Fotodiode 8 über eine Abbildungslinse 10 durch einen optischen Bandpaßfilter 9 vorzugsweise vom Typ Farbglas UG11 abgebildet. Die optischen Komponenten sind in ein zylinderförmigen Detektorkopf 7 eingebaut, der das Umgebungslicht von der Fotodiode 8 fernhält. Die als Stellschraube ausgebildete Blende 14 ist in den Detektorkopf exzentrisch eingebaut worden (vgl. Fig. 1 und 2). Das Signal der Fotodiode 8 wird mit dem Vorverstärker 11 auf einen Pegel gebracht, der eine Signalauswertung mit der Auswerteschaltung 12 möglich macht. Ein in der Auswertung erkannter Schweißfehler ist für Weiterverarbeitungszwecke über eine Interfacebaugruppe 13 ausnutzbar (vorzugsweise zum Aussortieren von fehlerhaft geschweißten Teilen). Die optische Achse des Detektorkopfes 16 ist auf den Raum unmittelbar oberhalb der Bearbeitungsstelle 4 gerichtet. Mit Hilfe der verschiebbaren Blende 14 wird verhindert, daß der Schweißherd auf die Fotodiode 8 abgebildet wird. Details des Detektorkopfes nach Anspruch 1 und/oder 2sind in Fig. 2 dargestellt. Eine solche Vorrichtung besteht aus einer lichtempfindlichen Fotodiode 8, vorzugsweise eine Si-Fotodiode und einem optischen Filter 9, der ausschließlich für die o.g. Nah-IR-Lichtwellenlängen durchlässig ist. Der Filter 9 ist zwischen der Bearbeitungsstelle 4 und der Fotodiode 8 räumlich angeordnet. Das aufgenommene Lichtsignal ist von der Fotodiode 8 in ein elektrisches Signal umgewandelt, das von einer Auswerteinrichtung 11 + 12 verarbeitet wird. Der elektrische'Anschluß an die Fotodiode 8 erfolgt über einen Stecker 21 und ein Anschlußkabel 22. Der Vorverstärker 11 ist vorzugsweise im Detektorkopfgehäuse montiert. In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführung einer UV-IR- kombinierten Ausführung der Vorrichtung nach Anspruch 3 dargestellt.

Die Fotodiode 8 ist eine Si-Fotodiode, die sowohl im Nah-IR als auch im Nah-UV eine gute Empfindlichkeit aufweist. Der Filter 29 ist ein Farbglas vom Typ UG3, das beide o.g. Wellenlängenbereiche durchläßt.

Die Vorrichtung in Fig.4 kombiniert die erfindungsgemäße Vorrichtung nach Anspruch 2 mit einem UV-Detektor. Durch die räumliche Trennung der beiden Fotodioden 8 (IR) und 18 (UV), durch den Einsatz eines 45°-Violettspiegels 20 in einem gemeinsamen Detektorkopf (7) sowie durch den Einsatz der verschiebbaren Blende 14 sind sämtliche vorteilhafte Eigenschaften der erfindungsgemäßen Vorrichtungen vereint. In diesem Fall kann auf den Farbfilter vor der Fotodiode 8 verzichtet werden, da der Spiegel 20 und die Si-Fotodiode 8 zusammen ein Bandpaßverhalten aufweisen. In Fig. 5 ist eine bevorzugte Schweißanordnung für den Einsatz von erfindungsgemäßen Vorrichtungen nach einem der Ansprüche 2 bis 4 dargestellt. Für Detektorköpfe nach Anspruch 2 oder 4 kann der Winkel 23 der optischen Achse 16 des Detektorkopfes 7 zur Horizontalen einen Wert zwischen 0° und bevorzugt 30° haben. Für Detektorköpfe nach Anspruch 3 muß der Winkel 23 den Wert 0° haben (vgl. Fig. 5). In Fig. 6 ist eine bevorzugte Schweißanordnung für den Einsatz von erfindungsgemäßen Vorrichtungen nach Anspruch 2 dargestellt. Der Nah-IR-Detektorkopf mit der Fotodiode 8 entspricht in bevorzugter Ausführung dem Anspruch 1 oder 2 oder 4. Der UV-Detektorkopf ist ähnlich mit dem Nah-IR-Detektorkopf aufgebaut, enthält jedoch unterschiedliche optische Komponenten (Fotodiode 18, Färb- oder Interferenzfilter 19). In Fig.7 ist eine bevorzugte Schneidanordnung nach dem Anspruch 5 dargestellt. Die Detektorköpfe entsprechen den Ansprüchen 1,2,3 oder 4 und werden bevorzugt in gleicher Ausführung oben und unten eingesetzt (vgl. Fig. 7). In dieser Schneidanordnung kommt der obere Detektor zur Überwachung des Einstechvorganges und der untere zur Überwachung des Schneidprozesses zum Einsatz.

Die Auswertung der Nbh-IR-Signale erfolgt in einer bevorzugten Ausführung wie schematisch in Fig. 8 dargestellt. Der Detektorkopf 7 nach Anspruch 2 liefert das Signal einem Vorverstärker 11. Das verstärkte Signal durchläuft ein Hochpaßfilter 24, der den Umgebungslic¹ ,tpogel unterdrückt. Ein erster Schwellwertschalter 28 vergleicht das Ausgangssignal des Hochpasses 24 mit einer Schwelle 30, wodurch einzelne starke „Eruptionen" 15 aus dem Dampfkanal 6 ausgewertet werden. Die Dauer von „Einzeleruptionen" ist ein Maß für die einzelnen größeren Löcher aus der Schweißnaht. Die Dauer einer solchen „Eruption" ist mit 27 (Stoppuhr) gemessen, und die gewonnene Information wird zwecks Fehlerentscheidung in 26 zusammengetragen. Die Festigkeit der hergestellten Schweißnaht wird dadurch überprüft, daß das Signal aus 24 einem Integrator 32 zugeführt wird. Der Integrator ist netzsynchron über 33 und Trafo 34 gesteuert. Das Ausgangssignal des Integrators 32 ist einem zweiten Schwellwertschalter 28 zugeführt. Eine Überschreitung der Schwelle 31 bedeutet einen Festigkeitsverlust in der Schweißnaht. Die Dauer der Störung ist mit 35 (ähnlich wie 27) gemessen und mit 26 weiterverarbeitet. Das Fehlersignal gelangt anschließend über die Interfaceschaltung 13 zum Schaltungsausgang 25.

Claims (6)

1. Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen oder -schneiden, wobei Jd* ?us der Plasmawolke bei der Materialbearbeitung entstandene Ultraviolettlicht in einem Wellenlängenbereich von ca. 200nm bis ca. 450ηm zwecks einer Überprüfung der Laserstrahleinkopplung sowie der Einhaltung anderer Prozeßparameter, wie Laserausgangsleistung, Strahlfokussierung, Strahlqualität, Schutzgas- und Arbeitsgaszufü! rung sowie Werkstückzusammensetzung, Reinigungsgrad der Werkstückoberfläche und Schweißspaltbreite mit einer UV-empfindlichen Fotodiode erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des aus dem Bearbeitungsherd infolge der Energiezuführung und des dadurch im „Dampfkanal" entstandenen Dampfdruckes herausgeschleuderten, flüssigen Materials zur Ermittlung der Größe der im Werkstück entstandenen Hohlräume opto-elektronisch in einem Wellenlängenbereich von 800 nm bis vorzugsweise 1300 mn durch wenigstens eine Fotodiode erfaßt, in ein elektrisches Signal umgesetzt und einer Auswerteeinrichtung zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Qualitätssicherung beim Laserschweißen gemäß Anspruch 1 mit einem UV-empfindlichen Detektorkopf und seiner Auswerteeinheit, gekennzeichnet durch wenigstens eine Fotodiode (8), die im Wellenlängenbereich von 800 nm bis vorzugsweise 1300 nm empfindlich und in ein Detektorkopf (7) eingebaut ist, der die Fotodiode (8) gegen störendes Umgebungslicht schützt sowie eine senkrecht zur optischen Achse (16) des Detektorkopfes (7) verschiebbare Blende (14) hat, die eine direkte Sichtverbindung zwischen der Fotodiode und dem Schweißherd verhindert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch mindestens zwei Si-Fotodioden (8,18) mit einem zwischen dem Detektorkopf (7) und der Bearbeitungsstelle (4) angebrachten, UV- und nah-IR-durchlässigen optischen Filter (29), beispielsweise vom Typ Farbglasfilter UG 3.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch zwei räumlich getrennte Fotodioden (8,18) und durch eine Kombination von teildurchlässigen Spiegeln (20), beispielsweise vom Typ 45°-Ultraviolettspiegel, und optischen Bandpaßfiltern (19), die UV- und Nah-IR-Wellenlängenbereiche getrennt durchlassen.

5. Vorrichtung zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschneiden und zur Überwachung des Einstechvorganges b >im Laserstrahlscnneiden gemäß Anspruch 1 mit einem UV-empfindlichen Detektorkopf und seiner Auswerteeinheit, gekennzeichnet durch zwei nah-IR-empfindlichen Fotodioden (8) auf denen die Räume oberhalb bzw. unterhalb der Bearbeitungsstelle (4), in der Luft, um die optische Achse des Laserstrahls (1) abgebildet sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der elektrischen Signale der Nah-IR-Fotodioden vorzugsweise durch deren Integration in einem Zeitraum, derein mehrfaches der verwendeten Netzfrequenzperiode ist, durchgeführt wird und die integrierten Signale einem Schwellwertschalter zugeführt werden.