DE102004016669B3 - Verfahren zur Prüfung einer Laserschweissnaht - Google Patents

Abstract

Beim Laserstrahlschweißen einzelner oder mehrerer Werkstücke können Fehler auftreten, die zu nicht tolerierbaren Qualitätseinbußen führen. Zur Qualitätssicherung sind sowohl subjektive Sichtprüfungen als auch automatisierte Prüfungen der Naht üblich. Bei den automatisierten Verfahren wird üblicherweise während des Schweißens die Bearbeitungsstelle mittels Punkt- oder Flächendetektoren (Kameras) überwacht. Derartige Verfahren können Fehler, die erst nach der eigentlichen Interaktion von Laserstrahl und Werkstück auftreten, insbesondere Erstarrungsphänomene, nicht erfassen. Darüber hinaus werden einige qualitätsrelevante Unregelmäßigkeiten nicht erkannt, weil entsprechende Prozesssignale durch stärkere, aber aussagelose Signale des Prozessleuchtens überlagert werden. DOLLAR A Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Prüfverfahren anzugeben, welches Nahtfehler sicherer erkennt. DOLLAR A Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Prüfung einer Naht, die mittels Laserstrahlschweißen in ein oder mehrere Werkstücke eingebracht wird, bei dem charakteristische Signale aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden, die in einem charakteristischen Zeitintervall nach dem Laserstrahlschweißen empfangen werden, welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung einer Laserschweissnaht gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Beim Laserstrahlschweißen einzelner oder mehrerer Werkstücke können Fehler auftreten, die zu nicht tolerierbaren Qualitätseinbußen führen. Zur Qualitätssicherung sind sowohl subjektive Sichtprüfungen als auch automatisierte Prüfungen der Naht üblich.
• Bei den automatisierten Verfahren wird üblicherweise während des Schweissens die Bearbeitungsstelle mittels Punkt- oder Flächendetektoren (Kameras) überwacht. Derartige Verfahren können Fehler, die erst nach der eigentlichen Interaktion von Laserstrahl und Werkstück, insbesondere Erstarrungsphänomene, nicht erfassen. Darüber hinaus werden einige qualitätsrelevante Unregelmäßigkeiten nicht erkannt, weil entsprechende Prozesssignale durch stärkere, aber aussagelose Signale des Prozessleuchtens überlagert werden.
• Diese Problematik wird teilweise durch ein Verfahren gemäß der DE 43 21 463 C2 kompensiert. Dort wird die schmelzflüssige Naht von einem nachlaufenden IR-Detektor überwacht, so dass die Überlagerung der qualitätsrelevanten Signale mit den störenden Signalen des Prozessleuchtens reduziert, aber nicht ausgeschlossen wird.
• Gemäß der DE 101 58 095 A1 wird die zum Herstellen der Schweißnaht verwendete Laserstrahlung selbst als Kontrollstrahlung verwendet, nachdem sie in des Werkstück eingedrungen ist und dort mehrfach gestreut wurde, bis sie wieder aus dem Bereich der verfestigten Naht austritt. Demnach erfolgt hier die Prüfung der Naht während deren Erzeugung.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein Prüfverfahren anzugeben, welches Nahtfehler sicherer erkennt.
• Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Gemäß der Erfindung werden zur Prüfung einer Naht, die mittels Laserstrahlschweißen in ein oder mehrere Werkstücke eingebracht wird, charakteristische Signale aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden, die in einem charakteristischen Zeitintervall nach dem Laserstrahlschweissen empfangen werden, welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt, wobei zumindest während des Zeitintervalls ein von dem Schweisslaser erzeugtes Meßsignal optischer und/oder thermischer Art über eine Scannereinrichtung in Richtung auf die Naht gelenkt wird.
• Im Gegensatz zu Verfahren nach dem Stand der Technik, die das Prozessleuchten während des Laserstrahlschweissens untersuchen, erfolgt die erfindungsgemäße Überprüfung ausschließlich anhand von Signalen, die nach dem Laserstrahlschweissen empfangen werden. Im Gegensatz zu dem Verfahren gemäß der DE 43 21 463 C2 , erfolgt die erfindungsgemäße Überprüfung ausschließlich anhand von Signalen, die frühestens nach der Verfestigung der Naht empfangen werden.
• Dadurch werden Nahtfehler wesentlich sicherer erkannt, da während und auch noch kurz nach Erlöschen des Prozessleuchtens noch Teile des Werkstückmaterials in schmelzflüssiger Phase vorliegen. Verschiedene physikalische Phänomene, insbesondere die Minimierung der Grenzflächenenergie aber auch Konvektion und Diffusion, können dazu führen, dass die schmelzflüssige Phase ihre Oberflächenform sowie ihre innere Struktur und somit die Nahtqualität während des Erstarrens verändert.
• Derartige Nahtfehler können mit Verfahren, welche das Prozessleuchten oder die schmelzflüssige Naht untersuchen, nicht festgestellt werden, wohl aber mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, da es erst nach dem Ablauf dieser physikalischen Phänomene mit der Überprüfung beginnt.
• Der Vergleich der empfangenen Signale mit den Sollwerten kann nach bekannten Verfahren, z.B. gemäß der DE 43 21 463 C2 , erfolgen.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird daher das charakteristische Zeitintervall in Abhängigkeit von Materialeigenschaften des Werkstücks und von Prozessparametern der Laserbearbeitung definiert. Dabei sind für Beginn und Ende des Zeitintervalls jeweils verschiedene Zeitpunkte möglich: Der absolut früheste sinnvolle Zeitpunkt für den Beginn ist der, zu dem zumindest eine dünne Haut der Schweissnaht wieder erstarrt ist, vorzuziehen ist die Erstarrung des gesamten aufgeschmolzenen Materials, denkbar ist auch danach noch für einen kurzen Zeitraum zu warten. Der früheste Zeitpunkt für das Ende des Zeitintervalls ist durch die minimale Länge des Zeitintervalls gegeben, welches benötigt wird, um eine ausreichende Menge an Signaldaten zu empfangen. Zur Erhöhung des Messqualität kann das Zeitintervall aber auch länger gewählt werden.
• Die jeweiligen Zeitpunkte können empirisch oder mittels Simulationen nach bekannten Verfahren ermittelt werden.
• In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Signale optischer und/oder thermischer Art empfangen, die aus dem Bereich der Naht emittiert oder reflektiert werden. Der Vorteil dieser Ausgestaltung, besteht darin, das aus derartigen Daten besonders einfach nach bekannten Verfahren auf Nahtfehler geschlossenen werden kann.
• Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer CCD-Kamera für den Empfang der Signale. Derartige Kameras sind für den optisch und thermischen (IR) Bereich verfügbar und liefern bei minimalem Handhabungsaufwand eine gegenüber optischen oder thermischen Punktsensoren vielfach größere Datenmenge. Aber auch andere elektronische Kameras sind geeignet, z.B. eine CMOS-Kamera. Für geringere Anforderungen genügen auch Punktsensoren, z.B. Dioden.
• Zumindest während des charakteristischen Zeitintervalls wird ein Messsignal optischer und/oder thermischer Art in Richtung auf den Bereich der Naht emittiert und dann das von Naht reflektierte Signal detektiert. Das Messsignal kann während der gesamten Intervalllänge oder auch kontinuierlich ausgestrahlt werden, ausreichend ist aber auch ein kürzerer Messimpuls solange er nur während des Messintervalls erfolgt. Dadurch ist man nicht mehr auf den Empfang von Signalen beschränkt, die noch von dem Energieeintrag durch den vorhergehendem Laserimpuls resultieren, d.h. optische und/oder thermische Strahlung der bereits er starrten aber erst noch glühenden, dann noch heißen bis warmen Naht.
• Das Messsignal kann von dem Schweisslaser oder einem anderen Emitter emittiert werden. Entscheidend ist, dass der Energieeintrag in die Naht so gering bleibt, dass das Material der Naht nicht erneut aufschmilzt.
• Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, eine Scanner-Einrichtung zu verwenden, um den Laserstrahl auf die Oberfläche des zu schweissenden Werkstücks zu lenken. Eine Scanner-Einrichtung ist eine besonders schnelle und flexible Strahlablenk-Einrichtung, beispielsweise ein Spiegelsystem (aus mindestens einem ein- oder mehr-achsig ansteuerbaren schwenkbaren Spiegeln) oder auch aus akusto-optische Modulatoren.
• Der große Vorteil dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der hohen Geschwindigkeit, mit der die Scanner-Einrichtung den Laserstahl mit hoher Präzision über die Oberfläche eines Werkstücks lenken kann. Dadurch kann derselbe Laserstrahl (mit gleicher Leistung und Fokussierung aber unterschiedlicher Vorschubgeschwindigkeit) in sehr kurzen Zeiträumen sowohl zum Schweissen einer vorgegebenen Naht als auch als Messsignal über exakt dieselbe Naht geführt werden.
• Die Anordnung des Sensors ist grundsätzlich beliebig, solange er nur die charakteristischen Signale aus dem Bereich der Naht empfangen kann. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die bereits vorhandene Strahlführung der Scanner-Einrichtung zu verwenden. Dazu wird lediglich ein Strahlteiler und optional ein Shutter in den Strahlengang des Laserstrahls eingefügt. Der Strahlteiler lenkt das Messsignal auf dem Rückweg von der Oberfläche des Werkstücks auf den Sensor. Der Shutter ist zwischen Strahlteiler und Sensor angeordnet und schließt diesen Weg während des Schweissens, um den Sensor vor zu starken Signalen zu schützen.
• Diese Ausgestaltung erlaubt es, denselben Laser sowohl als Bearbeitungswerkzeug als auch als Messgerät zu verwenden. Die Scanner-Einrichtung erlaubt, Werkstück und/oder Bearbeitungsoptik während Bearbeitung und Messung bereits in Richtung auf andere Bearbeitungsstellen zu verfahren und minimiert so die Prozesszeit.
• Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert:
  Gemäß dem Ausführungsbeispiel wird zunächst ein für ein gegebenes Werkstück und gegebene Laserparameter geeignetes charakteristisches Zeitintervall empirisch bestimmt. Dazu wird zunächst etwas Werkstückmaterial geschmolzen und danach während des Übergangs von der schmelzflüssigen zur festen Phase mittels einer IR-CCD-Kamera beobachtet, um charakteristische IR-Signale für den Phasenübergang zu ermitteln. Danach erfolgt eine kontinuierliche Beobachtung einer Lasernaht mittels dieser IR-CCD-Kamera. Zu einem Zeitpunkt, zu dem sich bereits ein relatives Gleichgewicht zwischen Energiezufuhr durch den schweissenden Laserstrahl und Energieabfuhr über Wärmetransport durch Nahtwand und Luft eingestellt hat, wird der zeitliche Verlauf der Nahtabkühlung direkt nach dem Ende einer Schweissbearbeitung beginnend beobachtet. Diese Beobachtung wird mehrmals wiederholt und jeweils wird der Zeitpunkt bestimmt, zu dem das charakteristische Signal des Phasenübergangs an signifikanten Stellen der Naht erreicht wird. Diese Zeiten werden gemittelt. Der Mittelwert liefert ein bewährtes Maß für den frühesten Anfang des charakteristischen Zeitintervalls für den gesamten Zeitraum der Laserbearbeitung, da davon ausgegangen wird, dass die Abkühlung zu Beginn der Naht, also vor Erreichen des relativen Gleichgewichts, aufgrund der noch kalten Nahtumgebung schneller erfolgt. Als Länge des charakteristischen Zeitintervalls wird die doppelte minimal benötigte Messdauer gewählt. Die minimal benötigte Messdauer reicht gerade aus, um ein aussagekräftiges Signal zu erfassen.
• Nachdem so ein geeignetes charakteristisches Zeitintervall definiert ist, kann die eigentliche Fertigungsüberwachung erfolgen. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel werden zwei plattenförmige Werkstücke mit kurzen Nähten (in der Art einer Steppnaht) miteinander verschweisst. Um die Prozesszeit zu minimieren, wird nach Fertigstellung einer Steppnaht nicht bis zum oben definierten frühesten Beginn des charakteristischen Zeitintervalls gewartet und dann gemessen, sondern zunächst eine zweite Steppnaht geschweisst. Nach deren Fertigstellung ist der früheste Beginn des charakteristischen Zeitintervalls der vorhergehenden Naht bereits erreicht oder überschritten und die Naht erstarrt. Die Scanner-Einrichtung führt nun denselben Laserstrahl mit erhöhter Vorschubgeschwindigkeit als Messignal über die vorhergehende Naht. Aufgrund der erhöhten Vorschubgeschwindigkeit wird die Naht nicht erneut aufgeschmolzen, sondern nur erwärmt. Die von der Naht ausgehende IR-Strahlung wird von einem Strahlteiler im Strahlengang des Laserstrahls auf die IR-CCD-Kamera geführt und dort erfasst. Danach wird erst eine weitere Naht geschweisst, bevor die zweite Naht geprüft wird, um auch deren Erstarrung abzuwarten.
• Die IR-Signale der IR-CCD-Kamera, die während dem charakteristischen Zeitintervall jeweils nach der Laserbearbeitung empfangen wurden, werden mit vorher festgelegten Sollwerten verglichen. Der Vergleich erfolgt nach bekannten Verfahren aus dem Stand der Technik, beispielsweise gemäß DE 43 21 463 C2 .
• Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich in den Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Beispiele als besonders geeignet für die schnelle und einfache Prüfung der Laserschweissnähten von Karosserieblechen wie sie im Automobilbau Verwendung finden, da dort besonders hohe Qualitätsanforderungen bestehen, die von Verfahren nach dem nach dem Stand der Technik nicht befriedigend erfüllt werden können.
• Die Erfindung ist nicht nur auf die zuvor geschilderten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern vielmehr auf weitere übertragbar.
• So können für eine Reihe von Anwendungen, für welche die Qualitätsanforderungen etwas geringer sind, auch Messungen mittels optischer und/oder thermischer Punktsensoren anstatt einer CCD-Kamera oder CMOS-Kamera ausreichen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Prüfung einer Laserschweissnaht, wobei charakteristische Signale aus dem Bereich der Naht mittels eines Sensors empfangen und mit Sollwerten verglichen werden, wobei nur Signale berücksichtigt werden, die in einem charakteristischen Zeitintervall empfangen werden, welches frühestens nach der Verfestigung der Naht beginnt dadurch gekennzeichnet, dass zumindest während des Zeitintervalls ein von dem Schweisslaser erzeugtes Meßsignal optischer und/oder thermischer Art über eine Scannereinrichtung in Richtung auf die Naht gelenkt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das charakteristische Zeitintervall in Abhängigkeit von Materialeigenschaften des Werkstücks und von Prozeßparametern des Laserstrahls definiert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Signale optischer und/oder thermischer Art, die aus dem Bereich der Naht emittiert oder reflektiert werden, empfangen werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Signale mittels einer CCD-Kamera oder einer CMOS-Kamera empfangen werden.