DE102005000002B4

DE102005000002B4 - Verfahren zur Detektion von thermischer Schädigung beim Laserdurchstrahlschweißen und Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE102005000002B4
Application number: DE102005000002.9A
Authority: DE
Inventors: Alexander Hofmann; Dr.-Ing. Hierl Stefan
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2005-01-13
Filing date: 2005-01-13
Publication date: 2016-06-09
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: DE102005000002A1

Abstract

Verfahren zur prozessbegleitenden Erkennung von thermischen Schädigungen an der Strahleintrittsoberfläche des transmissiven Fügepartners beim Laserverschweißen von Kunststoffen im Durchstrahlverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche dieser Oberfläche auf ein strahlungsdetektierendes Element optisch abgebildet werden, welches Wellenlängenbereiche von 300 bis 1200 nm detektiert und welches von der Strahlung des eingesetzten Schweißlasers durch mindestens ein wellenlängenselektives optisches Element abgeschirmt wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Sicherung der Qualität beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen, insbesondere zur Detektion von unerwünschten Einbrandstellen auf den Fügepartnern.
Das Durchstrahlschweißen von Kunststoffen kann mit verschiedenen Arten von Strahlungsquellen durchgeführt werden. In der DE 38 33 110 C2 wird beispielsweise ein Schweißverfahren beschrieben, das Halogenlampen als Strahlungsquelle verwendet, um die notwendige Energie zum Aufschmelzen der Fügepartner zu erzeugen. Alternativ dazu werden in jüngerer Zeit Laserstrahlquellen für das Durchstrahlschweißen eingesetzt, wie es beispielsweise in der DE 198 60 357 A1 dargestellt ist. Der Vorschub des Strahlfeldes zur Festlegung der Nahtgeometrie erfolgt dabei entweder durch eine Bewegung der Strahlquelle selbst mit einem Achssystem oder durch ein Ablenken der Laserstrahlung über drehbar gelagerte Spiegel in einem Scannersystem, wie es beispielsweise in der DE 199 19 191 A1 dargestellt ist.
Unabhängig von der Art der Strahlungsquelle werden die beiden Fügepartner beim Durchstrahlschweißen überlappend angeordnet, so dass die einfallende Strahlung durch den oberen Fügepartner hindurch in die Fügezone, d. h. die Kontaktebene der beiden Fügepartner, gelangen muß. Die meisten technisch eingesetzten Kunststoffe verfügen über eine ausreichende Transmissivität für optische Strahlung im sichtbaren und nahen infraroten Lichtspektrum, so dass diese überlappende Anordung möglich ist. Der untere Fügepartner wird bei den genannte Verfahren mit einem geeigneten Strahlungsabsorbierenden Zusatz versetzt, so dass die einfallende Strahlung in der Fügeebene in Wärme umgewandelt werden kann, um den Stoffschluß der Fügepartner herbeizuführen.
Das Wirkprinzip des Durchstrahlschweißens bedingt folglich, das die Intensität des Strahlungsfeldes auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite des transmissiven Fügepartners von vergleichbarer Größenordnung zu der nach dem Durchstrahlen in der Fügeebene auftreffenden Strahlungsintensität ist. Um eine wirtschaftliche, und damit möglichst hohe Prozessgeschwindigkeit zu erreichen, wird diese Intensität so groß wie möglich gewählt. Bei der Verwendung von nicht-kohärenten Strahlungsquellen wie beispielsweise den oben angesprochenen Halogenstrahlern können im erzeugten Strahlungsfeld typischerweise Maximalintensitäten von bis zu 1,5 W/mm^2 auftreten. Beim Einsatz von kohärenter Laserstrahlung dagegen können maximale Leistungsdichten von über 100 W/mm^2 erzielt werden.
Die Gleichung
beschreibt die Temperaturerhöhung Delta T eines Volumenelements an der Oberfläche eines Körpers bis zu einer Tiefe Delta x unter Strahlungsexposition mit der Intensität I₀ nach einer Dauer t_s, dass hinreichend klein ist um eine homogene Verteilung der Volumenenergiequelle anzunehmen unter der weiteren Annahme, dass t_s klein genug ist, um Wärmeleitungseffekte zu vernachlässigen. In der Formel beschreibt rho die Dichte, c_p die spezifische Wärmekapazität und alpha den Absorptionskoeffizienten des Materials. Da der Absorptionsgrad typischerweise eingesetzter ungefärbter Kunststoff kleiner als 1 l/mm, der eines absorbierend eingefärbten Werkstoffs jedoch in der Regel größer als 10 l/mm ist, kommt es nach vorstehender Gleichung nur zu einer unwesentlichen Erwärmung der Decklage unter dem Strahlungseinfluß von beispielsweise 60°C, während in der Fügeebene schnell Temperaturen oberhalb des Schmelzbereiches der verwendeten Kunststoffe von beispielsweise 260°C erreicht werden. Diese dargestellte ideale Situation führt somit nicht zu einer Schädigung des Decklagenbauteils.
Sollte es jedoch in der Praxis zu einer lokale Erhöhung des Absorptionsgrades, beispielsweise durch eine oberflächliche Verschmutzung oder durch einen Partikeleinschluß nahe der Decklagenoberfläche kommen, so würde es gemäß der oben erläuterten Formel zu einer starken Erwärmung der Decklage kommen. Bei einer Bestrahlungsintensität, wie es oben im Falle der Verwendung von Laserstrahlung dargestellt wurde, kann sich diese Erwärmung sogar bis zu einer spontanen Entzündung an der Werkstückoberfläche steigern. Eine derartige Entzündung äußert sich durch eine breitbandige Strahlungsemission, die von der Strahleintrittseite der Decklage, und nicht aus der Fügebene, ausgeht. Das Emissionsspektrum umfasst dabei zu verschiedenen Anteilen Bereiche des visuellen und des kurzwelligen infraroten Lichtspektrums und kann auch unter Umständen ultraviolette Bestandteile enthalten.
Die aus einer solchen Entzündung resultierende Einbrandstelle kann aus funktionalen oder ästhetischen Gründen die Unbrauchbarkeit des gefertigten Produktes zur Folge haben. Um auf diese Weise unbrauchbar gewordene Produkte im Sinne einer Qualitätssicherung zu erkennen und auszusortieren, werden zum aktuellen Stand der Technik Bildverarbeitungssysteme eingesetzt, um ein Produkt nach dem Schweißvorgang zu inspizieren und eventuell vorhandene Einbrandstellen visuell zu erkennen. Nachteilig neben den hohen Kosten für entsprechende Systeme erweist sich dabei, dass die Verkettung des Schweiß- und Prüfprozesses die Störanfälligkeit der gesamten Produktionslinie erhöhen kann. Weiterhin ist die Größe der zu detektierenden Einschlüsse durch das Auflösungsvermögen des eingesetzten Kamerasystems begrenzt.
Eine pyrometrische Prozessüberwachung, wie sie beispielsweise in der DE 101 58 095 A1 dargestellt ist, wird eingesetzt, um die thermische Strahlungsemission aus der Fügeebene zu charakterisieren. Anhand des gewonnenen Messsignals sollen die Temperaturlage des Prozesses und ein auftretender Wärmestau an Nahtunterbrechungen bestimmt werden, weshalb das verwendete optische System einen Punkt der Fügeebene auf den Detektor des Pyrometers abbildet. Die eingesetzten Pyrometer detektieren mittel- bis langwelliges Infrarotlicht, typischerweise längerwellig als 1,6 Mikrometer, und sind in der Regel mit ihrer optischen Achse auf den Auftreffort der Schweißstrahlung in der Fügeebene gerichtet, um eine ortsaufgelöste Detektion entlang der gesamten Schweißnaht zu ermöglichen. Eine Detektion unterhalb von 1,6 μm liefert keine sinnvoll auswertbare Informationen mehr, da das Wellenlängenmaximum der thermischen Emission bei den auftretenden Prozesstemperaturen im Bereich von 5 Mikrometern liegt, so dass die detektierbare Intensität zu kürzeren Wellenlängen hin deutlich abnimmt.
Besonders im Falle einer Bewegung des Strahlfeldes mittels einer oben angesprochenen Spiegelablenkung ergibt sich bei der Erfassung der thermischen Strahlung jedoch das Problem, dass die vom Pyrometer detektierbaren Strahlungsanteile einer Verbrennungsemission durch die chromatischen Aberrationen der Bearbeitungsoptik auf mit der Spiegelbewegung variierende Orte abgebildet wird, so dass die Verwendung eines ortsfesten Pyrometers stark schwankende Pegel des detektierten Prozesssignals zur Folge hat. Weiterhin werden die optischen Elemente der Laserstrahlformung, die hinsichtlich ihrer Effizienz auf die Wellenlänge der Schweißlaserstrahlung, typischerweise zwischen 800 und 1100 Nanometern, optimiert sind, die von einem Pyrometer typischerweise detektierten Wellenlängenbereiche von 1,6 bis 5 μm stark dämpfen. Als Folge steht nur ein geringer Signalpegel mit entsprechend geringer Signifikanz zur Auswertung zur Verfügung. Demnach vermag ein solches System zwar besonders große und energiereiche Vorkommen der angesprochenen oberflächlichen Verbrennungen durch deren thermische Strahlungsemission zu erkennen, jedoch sind Entzündungen an mikroskopischen Partikeln durch das dafür ungeeignete Abbildungssystem nicht zu detektieren.
Aus der WO 03/1 06 100 A1 ist eine Laserbearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der eine Temperaturerfassungseinheit mithilfe einer Abbildungsoptik nicht die Oberfläche des transmissiven Bauteils, sondern die Schweißzone selbst abtastet. Insoweit spielt die Problematik einer oberflächlichen Verbrennung des transmissiven Bauteils bei diesem Stand der Technik keine Rolle. Ferner wird bei dem Detektionsverfahren gemäß der vorgenannten Druckschrift eine Signalstrahlung einer Wellenlänge von deutlich über 1200 nm überprüft, da eben die thermische Strahlung im Bereich der heiß werdenden Schweißzone detektiert wird:
Die JP 2000-0 42 769 A und DE 41 40 182 A1 offenbaren Verfahren und Vorrichtungen zur Überwachung der Schweißbeziehungen beim Laserschweißen, wobei lediglich eine Detektion der Schweißzone erfolgt und zwar in beiden Fällen der an der Oberfläche gelegenen Schweißzone.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Prozessüberwachungssystem für das Durchstrahlschweißen von Kunststoffen unter Verwendung von monochromatischer Laserstrahlung als Schweißstrahlung; zur Verfügung zu stellen, das eine sichere Erkennung von oberflächlichen Verbrennungen des der Strahlungsquelle zugewandten Fügepartners ermöglicht. Dabei soll das System die nachteiligen Eigenschaften nicht besitzen, die dem Stand der Technik entsprechende Prozessüberwachungssysteme, wie oben dargelegt, aufweisen.
Beschreibung der Erfindung
Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Weise durch die Merkmale des Patentanspruches 1 sowie in vorrichtungstechnischer Hinsicht durch die Merkmale des Patentanspruches 2 gelöst. Es wird dementsprechend im wesentlichen vorgeschlagen, ein Element, das Strahlung vorwiegend im visuellen Spektralbereich und im nahen Infrarot detektiert wie beispielsweise eine Photodiode, über ein geeignetes Strahlteilungselement koaxial in den Strahlengang der Schweißstrahlung zu integrieren. Im Gegensatz zu dem Stand der Technik entsprechenden pyrometrischen Detektionssystemen, die Bereiche aus der Fügeebene auf das Detektionselement abbilden, bildet eine erfindungsgemäße Vorrichtung Oberflächenbereiche des transmissiven Fügepartners auf dessen Strahleintrittseite auf das Detektionselement ab. Weiterhin wird der detektierte Wellenlängenbereich bei einem erfindungsgemäßen Detektionsverfahren so gewählt, dass er möglichst nahe an der Wellenlänge der eingesetzten Schweissstrahlung liegt, um so die für diesen Wellenlängenbereich günstigeren Abbildungseigenschaften der Fokussieroptik nutzen zu können, welche sowohl von Schweissstrahlung als auch von der Emission möglicher Verbrennungen durchstrahlt wird. Um die als Signalstrahlung bezeichnete Emission einer Verbrennung von der Laserstrahlung zu trennen, werden bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung optische Filter vor das Detektionselement gebracht, die die Wellenlänge des Schweißlasers entweder durch Reflexion oder Absorption mit einer möglichst geringen spektralen Bandbreite blockieren. Da derartige Elemente in der Praxis nie eine vollkommene spektrale Filterung der einfallenden Strahlung erlauben und die Schweißlaserstrahlung im Vergleich zur Signalstrahlung eine um Größenordnungen höhere Intensität besitzt, kann es notwendig werden, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung mehrere solcher Filterelemente verwenden muß, um ein ausreichendes Signal-/Rauschverhältnis zu ermöglichen.
Der Vorteil der Erfindung besteht somit in der Möglichkeit, ein kostengünstiges Verfahren zur sicheren Detektion von oberflächlichen Verbrennungen beim Laserdurchstrahlschweißen von Kunststoffen zur Verfügung zu stellen.
Bezugszeichenliste

1: optische Achse der Schweißlaserstrahlung
2: Strahleintrittsebene des oberen Fügepartners
3: absorbierender Fügepartner
4: Fügeebene
5: transmissiver Fügepartner
6: Einhüllende der Schweißlaserstrahlung
7: Fokussieroptik
8: Einhüllende der Signalstrahlung
9: optische Achse der Signalstrahlung
10: strahlungsdetektierendes Element
11: elektrisches Signalkabel
12: Fokussierlinse der Signalstrahlung
13: wellenlängenselektives Filterelement
14: wellenlängenselektiver Umlenkspiegel
15: Einrichtung zur Laserstrahlungserzeugung
16: gemeinsame optische Achse von Laser- und Signalstrahlung
17: Verbrennung

Beispiel
In einer beispielhaften Ausführung der Erfindung wird die Signalstrahlung (8), die von einer Verbrennung (17) auf der Strahleintrittsebene (2) des transmissiven Fügepartners (5) über die mit der Laserstrahlung (6) gemeinsam durchstrahlte Linse (7) kollimiert. Die Signalstrahlung (8) mit ihrer optischen Achse (9, 16) wird vom wellenlängenselektiven Spiegel (14) durchgelassen und von einerweiteren Fokussierlinse (12) auf das strahlungsdetektierende Element (10) gebündelt, dessen Signal über ein elektrisches Signalkabel (11) zu einer Auswerteinheit geführt werden kann. Die Laserstrahlung (6) mit ihrer optischen Achse (1, 16), die von der Laserstrahlquelle (15) erzeugt wird, wird vom Umlenkspiegel (14) um 90° abgelenkt. Rückreflexionen der Laserstrahlung aus der Fügeebene (4) und der Strahleintrittsebene (2), die mit der Signalstrahlung durch das nicht ideal wellenlängenselektive Verhalten des Umlenkspiegels (14) dennoch durch den Spiegel (14) hindurchtreten, werden durch einen weiteren wellenlängenselektiven Filter (13) abgeschwächt. Die in Richtung zum strahlungsdetektierenden Element (10) hin nach dem Filter (13) noch verbleibende Intensität der Laserstrahlung geht in das Grundrauschen des Auswertesignals ein.

Claims

Verfahren zur prozessbegleitenden Erkennung von thermischen Schädigungen an der Strahleintrittsoberfläche des transmissiven Fügepartners beim Laserverschweißen von Kunststoffen im Durchstrahlverfahren, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche dieser Oberfläche auf ein strahlungsdetektierendes Element optisch abgebildet werden, welches Wellenlängenbereiche von 300 bis 1200 nm detektiert und welches von der Strahlung des eingesetzten Schweißlasers durch mindestens ein wellenlängenselektives optisches Element abgeschirmt wird.
Vorrichtung zum Laserdurchstrahlschweißen eines transmissiven und absorptiven Fügepartners, umfassend – eine Laserstrahlerzeugungseinrichtung, – ein entlang einer optischen Achse auf die Fügeebene zwischen transmissivem und absorptivem Fügepartner gelenkter Laserstrahl, gekennzeichnet durch – eine Einrichtung zur Erkennung von thermischen Schädigungen an der Strahleintrittsoberfläche des transmissiven Fügepartners umfassend – ein strahlungsdetektierendes Element für eine von der Strahleintrittsoberfläche des transmissiven Fügepartners emittierte Signalstrahlung im Wellenlängenbereich zwischen 300 und 1200 nm, – eine Abbildungsoptik mit einer optischen Achse zur Abbildung dieser Signalstrahlung auf das strahlungsdetektierende Element, wobei die optische Achse des Laserstrahls und die optische Achse der Abbildungsoptik mindestens auf einem Teilstück so zusammenfallen, dass sie sich auf der Strahleintrittsoberfläche des transmissiven Fügepartners schneiden, sowie – ein wellenlängenselektives optisches Element zur Abschirmung des strahlungsdetektierenden Elements vom Laserstrahl.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdetektierende Element durch ein wellenlängenselektiv reflektierendes Element von der Schweißlaserstrahlung abgeschirmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdetektierende Element durch ein wellenlängenselektiv absorbierendes Element von der Schweißlaserstrahlung abgeschirmt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißlaserstrahlung und die von einer von der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu erkennenden Verbrennung ausgehende Strahlungsemission gemeinsam über mindestens einen bewegten Spiegel geleitet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsdetektierende Element eine Silizium-Photodiode ist.