DE102007005164A1

DE102007005164A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen

Info

Publication number: DE102007005164A1
Application number: DE200710005164
Authority: DE
Inventors: Martin Stuermer; Jens Mommsen
Original assignee: Mommsen Jens Dr Ing; Stuermer Martin Dr Ing
Current assignee: Mommsen Jens Dr Ing; Stuermer Martin Dr Ing
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-07-31

Abstract

Zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen, wobei ein Laserstrahl in einen Arbeitsraum fokussiert wird, wird Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum außerhalb des Arbeitsraums mit mehreren in unterschiedlichen radialen Richtungen neben dem fokussierten Laserstrahl angeordneten Detektoren erfasst.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserstrahlfügen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10.
STAND DER TECHNIK
Ein Verfahren zum Laserstrahlfügen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10 sind als Produkt der Anmelderin bekannt, das unter der Marke WeldWatcher vertrieben wird und auf der Website www.4d-gmbh.de beschrieben ist. Das bekannte Produkt nimmt mittels eines photoelektrischen Detektors die beim Laserstrahlschweißen, -schneiden oder -löten entstehende Prozessstrahlung auf. Aus dem Schmelzbad strömt teilionisierter Metalldampf unter Emission einer breitbandigen Strahlung. Deren charakteristische Merkmale (Strahlflussdichte, spektrale Anteile, Zeit, Verlauf) werden zur Qualitätskontrolle herangezogen. Das bekannte Produkt besteht aus einem Industrierechner mit Messwertverarbeitungseinheit, dem photoelektrischen Detektor sowie Schnittstellen zur Datenspeicherung, Datenübertragung und zur SPS-Kommunikation. Die Bewertung des aktuellen Messignals erfolgt vergleichend mit hinterlegten Referenzsignalen mittels des Hüllkurven- oder Schwellwertverfahrens.
Zur einfachen Aufnahme des Detektors dient bei dem bekannten Produkt der Anmelderin ein Adapter im Laser, bei dem es sich typischerweise um einen Nd:YAG-Laser handelt. Diese Anbindung des Detektors erfordert die Anordnung eines strahlteilenden optischen Elements im Strahlengang des Lasers, das die rücklaufende Prozessstrahlung auf den Detektor umlenkt. Ein solches strahlteilendes optisches Element kann jedoch in den Strahlengang bestimmter Laser, wie denjenigen eines CO₂-Lasers, aufgrund der Eigenschaften der von diesen abgegebenen Laserstrahlen nicht eingebracht werden.
Grundsätzlich ist es für Sonderanwendungen, wie z. B. beim Remote-Schweißen, von der Website der Anmelderin auch bekannt, mehrere Detektoren direkt am Bearbeitungskopf/Scannersystem einer Laserstrahlfügemaschine anzubringen, um mit diesen zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum der Laserstrahlfügemaschine zu erfassen. Diese Detektoren sind jedoch den in dem Arbeitsraum auftretenden Bedingungen, die der Lebensdauer der Detektoren wenig zuträglich sind, unmittelbar ausgesetzt.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laserstrahlfügen mit den Schritten des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 10 aufzuzeigen, die eine langfristige Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen unabhängig von den Eigenschaften des Laserstrahls und den konkreten Anwendungsbedingungen ermöglichen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Laserstrahlfügen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst.
Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 betreffen bevorzugte Ausführungsformen des neuen Verfahrens, die abhängigen Ansprüche 10 bis 19 bevorzugte Ausführungsformen der neue Vorrichtung und der abhängige Patentanspruch 20 eine Laserstrahlfügemaschine mit einer neuen Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen, insbesondere zur Erkennung von Fügefehlern, gelangt die aus der Bearbeitungsstelle emittierte Prozessstrahlung im Bereich der Strahlführung oder Strahlformung auf mehrere optoelektrische Detektoren, die über eine Zusatzelektronik eine Auswertungseinrichtung beaufschlagen, in welcher die Daten über das Bearbeitungsergebnis gewonnen werden. Die Auswertung der Daten erfolgt in der Regel durch einen Vergleich mit den Daten einer Gutschweißung.
Um an Laserfügemaschinen die durchgeführten Fügeprozesse ohne zusätzliche Spiegel- oder Auskoppelelemente oder lateral angeordnete Detektoren zu überwachen, wird eine Vorrichtung verwendet, in welcher die emittierte Prozess-Strahlung von mehreren, vorzugsweise 4, im Winkel zueinander und in der Längsachse auf den Bearbeitungsfleck ausgerichteten, mit Sammellinsen und optischen Filtern ausgestatteten, kreisförmig um den Laserstrahl in einer Halterung angeordneten Detektoren aufgenommen wird und bei der die einzelnen elektrischen Signale aus diesen Einrichtungen in einem Elektronikbauteil mittels elektrischer Ansteuerung variabel vorverstärkt werden. Weiterhin wird so verfahren, dass die Signale einstellbar wahlweise einzeln, gemittelt und/oder gewichtet ausgewertet werden, um die durch die unterschiedliche Positionierung des Laserstrahls im Arbeitsraum der Laseranlage bedingten geometrischen Abweichungen sowie Abschattungen zu vermeiden.
Eine bevorzugte Anwendung der vorliegenden Erfindung liegt auf dem Gebiet des Remote Welding. Das sogenannte „Remote Welding System" (RWS) ist ein Hochgeschwindigkeits-Schweißsystem zur Erzeugung von Lasersteppnähten. Dazu wird der in einer CO₂-Strahlquelle erzeugte Laserstrahl über ein Teleskop aufgeweiet und durch eine bündelnde Optik im Arbeitsraum fokussiert. Diese Optik ist auf einem motorisch betriebenen Linearschlitten montiert. Dessen Verfahrweg definiert die Positionierung des Fokuspunktes in Richtung der Z-Koordinate (Höhe). Somit ist stets die gleiche Strahlweglänge bis zur Werkstückoberfläche auch bei unterschiedlichen Höhen sicherstellt. Ähnlich einer Scanneroptik beim Lasermarkieren werden die X- und Y-Koordinaten über einen oder mehrere bewegte Spiegel angesteuert. Zusätzlich kann der bzw. können die Spiegel entlang der Y-Achse (der Richtung der einfallenden Laserstrahlung) verfahren werden. Hierdurch vergrößert sich der Arbeitsraum. Mit den sehr schnellen Verfahrbewegungen bei vergleichsweise sehr geringen Schweißnebenzeiten für die Strahlpositionierung lassen sich in der gleichen Zeit viel mehr Schweißverbindungen als mit dem konventionellen Widerstandspunktschweißen oder klassischem Laserschweißen erstellen. Aufgrund der einfachen PC-gestützten Programmierung können alle beliebige Nahtgeometrien, z. B. Stepp-, Kreis, Halbkreis-, Kreuz- oder Wellennähte– schnell und einfach erzeugt werden.
Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lässt sich ohne zusätzliche mechanische Veränderungen in den Strahlengang eines oben beschriebenen Remote-Systems z. B. der Fa. SEF montieren. Hierzu wird das serienmäßig vorhandene Strahlschutzrohr entfernt. Mittels der freiwerdenden Befestigungsgewinde wird stattdessen die Vorrichtung mit den integrierten Detektoren befestigt. Die IR-Laserstrahlung ermöglicht es nicht, Auskoppelspiegel auf Glassubstrat-Basis (Wellenlänge!) oder gar Sensorkomponenten innerhalb des Arbeitstrahls anzuordnen. Daher ist jeder Detektor außermittig (offaxial) zum Laserstrahl bzw. seiner Mittelachse angeordnet. Die Anstellung unter einem flachen Winkel, der sich aus dem seitlichen Versatz des Detektors zur Mittelachse des Laserstrahls sowie der mittleren Arbeitsposition der Verschiebeoptik ergibt, erlaubt die Prozessbeobachtung (Wirkstelle) aus der jeweiligen sensorbezogenen optischen Achse. Durch die Anordnung der Detektoren rings um den Arbeitsstrahl ist eine im Mittel gleichmäßige Detektion der Prozessstrahlung auch unter unterschiedlichen Arbeitspositionen des Laserstrahls sowie der damit verbundenen veränderten Position der Optik im Strahlengang möglich. Mittels der Zusatzelektronik können die Signale einstellbar wahlweise einzeln, gemittelt und/oder gewichtet ausgewertet werden, um die durch die unterschiedliche Positionierung des Laserstrahls im Arbeitsraum der Laseranlage bedingten Signal-Abweichungen sowie Abschattungen zu vermeiden, die innerhalb der Bauteilaufspannung (z. B. Spanner, Gaszuführung), die Bauteilgeometrie (Innenrohr usw.) sowie spezielle Strahlbewegung (Pendeln) hervorgerufen werden.
Die neue Vorrichtung ist mit anderen Geometrieabmaßen auch zur Verwendung an anderen Remote-Schweißsystemen geeignet. Hierzu zählen Infrarotlaseranlagen mit robotergeführter Fokussieroptik (z. B. Kuka Roboscan^®, SEF LRWHead^®, Trumpf RoboScan^®) und Laseranlagen mit Scanneroptiken (programmierbare Fokussieroptik PFO^® von Trumpf).
Auch bei IR-Laseranlagen vom Typ Nd:YAG, Diodenlaser, Faserlaser usw., bei denen prinzipiell die Möglichkeit der Auskoppelung und Erfassung der Prozessstrahlung an einem speziellen Auskoppelmodul innerhalb der Optik oder innerhalb der Strahlquelle besteht, kann die vorliegende Erfindung zur Anwendung kommen.
Weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung, die in den Patentansprüchen nicht oder mit anderen Worten beschrieben sind betreffen:
Detektoren, die aus optoelektronischem Empfänger, Filtern und Linsensystem in einem Längsaufbau ohne Spiegel oder Umlenkung bestehen;
Die Anordnung der Detektoren innerhalb der neuen Vorrichtung bzw. Laserfügemaschine um den Laserstrahl herum, mit Ausrichtung der optischen Achse in einem flachen Winkel zur Lasermittelachse auf den virtuellen oder realen Laser-Bearbeitungsbereich;
Eine gegenüberliegende Anordnung der Detektoren innerhalb der Vorrichtung zur Kompensation geometriebedingter Abschattungen und Signalabschwächungen;
Eine feste, nicht justierbare Anordnung der Detektoren und der Vorrichtung zum wartungsfreien Betrieb;
Einen Befestigungsflansch der Vorrichtung, der gleiche Befestigungsmöglichkeiten wie zu ersetzenden Serien-Komponenten (z. B. Strahlschutzrohr, Optikfassung oder Spiegelhalter) hat (einfacher Austausch);
Die Anordnung der neuen Vorrichtung nicht an der Bearbeitungsstelle, sondern vorzugsweise im oder am Strahlführungssystem zur Vermeidung der Verschmutzung durch Materialpartikel (Schweiß- oder Lötrauch, Spritzer);
Eine detektorbezogene, einstellbare und ansteuerbare Signalvorverstärkung in einem Elektronikbauteil in der Nähe des Detektorhalters;
Die Auswertung wahlweise der einzelnen, gemittelten und/oder gewichteten Anteile der vorverstärkten Detektorsignale; und
Eine Signalauswertung mittels Bandsperrenfilterung zur Vermeidung verfahrensbedingter Schwingungen (Strahlpendelung).
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels weiter erläutert und beschrieben.
1 zeigt eine axiale Draufsicht auf die neue Vorrichtung mit Blickrichtung entgegen der Austrittsrichtung eines fokussierten Laserstrahls aus der ihn fokussierenden Optik.
2 zeigt einen Längsschnitt durch die neue Vorrichtung und die Optik gemäß 1 entlang der optischen Achse des fokussierten Laserstrahls; und
3 zeigt die Umlenkung des fokussierten Laserstrahls und von optischen Achsen von Detektoren der Vorrichtung gemäß den 1 und 2 durch einen beweglichen Spiegel, der in dem Strahlengang des Laserstrahls gemäß den 1 und 2 vorzugsweise angeordnet ist, um den Laserstrahl gegenüber einem Werkstück zu verschwenken, um dieses mit dem Laserstrahl an unterschiedlichen Stellen zu bearbeiten.

100: Vorrichtung
101: Detektor
102: Anstellwinkel
103: optische Achse des Detektors
104: Signalleitung
105: ansteuerbarer Vorverstärker
106: Signal- und Ansteuerleitung
107: Auswerteeinrichtung
108: Befestigung
110: Werkstück
111: Prozessstrahlung
112: Laserstrahl (Arbeitsstrahl)
113: den Laserstrahl fokussierende Optik
114: den Laserstrahl in den Arbeitsraum umlenkender beweglicher Spiegel

Claims

Verfahren zum Laserstrahlfügen, wobei ein Laserstrahl in einen Arbeitsraum fokussiert wird und wobei zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum außerhalb des Arbeitsraums erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum mit mehreren in unterschiedlichen radialen Richtungen neben dem fokussierten Laserstrahl angeordneten Detektoren erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlung mit den Detektoren radial neben einer Optik erfasst wird, mit der der Laserstrahl fokussiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlung mit mindestens drei Detektoren erfasst wird, die in zueinander drehsymmetrischen Positionen um den Laserstrahl herum angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlung mit mindestens vier Detektoren erfasst wird, die in Bezug auf den Laserstrahl achsensymmetrischen Positionen angeordnet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Detektoren ein Filter zugeordnet ist, mit dem seine Empfindlichkeit auf einen begrenzten Wellenlängenbereich konzentriert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Detektoren eine Beobachtungsoptik zugeordnet ist, mit der sein Erfassungsbereich längs des Laserstrahls ausgerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Beobachtungsoptik jedes Detektors sein Erfassungsbereich auf den Fokuspunkt des Laserstrahls ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessstrahlung mit den Detektoren in Bezug auf den Arbeitsraum hinter einem den Laserstrahl umlenkenden Mittel erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Ausgangssignale der Detektoren am Ort der Detektoren vorverstärkt werden.
Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen, wobei ein Laserstrahl in einen Arbeitsraum fokussiert wird, mit einer Einrichtung zur Erfassung von Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum außerhalb des Arbeitsraums, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung die Prozessstrahlung aus dem Arbeitsraum mit mehreren in unterschiedlichen radialen Richtungen neben dem fokussierten Laserstrahl angeordneten Detektoren erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren radial neben einer Optik angeordnet sind, mit der der Laserstrahl fokussiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung die Prozessstrahlung mit mindestens drei Detektoren erfasst, die in zueinander drehsymmetrischen Positionen um den Laserstrahl herum angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung die Prozessstrahlung mit mindestens vier Detektoren erfasst, die in Bezug auf den Laserstrahl achsensymmetrischen Positionen angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Detektoren ein Filter zugeordnet ist, der seine Empfindlichkeit auf einen begrenzten Wellenlängenbereich konzentriert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der Detektoren eine Beobachtungsoptik zugeordnet ist, die seinen Erfassungsbereich längs des Laserstrahls ausrichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungsoptik jedes Detektors seinen Erfassungsbereich auf den Fokuspunkt des Laserstrahls ausrichtet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoren in Bezug auf den Arbeitsraum hinter einem den Laserstrahl umlenkenden Mittel angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung Vorverstärker aufweist, die Ausgangssignale der Detektoren am Ort der Detektoren vorverstärken.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ihre Bestandteile an einem Flansch mit den Anschlussmaßen eines Strahlschutzrohrs für den Laserstrahl gelagert sind.
Laserstrahlfügemaschine mit einem einen Laserstrahl abgebenden Laser, mit einer den Laserstrahl fokussierenden Optik, und mit einer Vorrichtung zur Qualitätsüberwachung beim Laserstrahlfügen nach einem der Ansprüche 10 bis 19.