DE102013215362B4

DE102013215362B4 - Verfahren, Computerprogrammprodukt und Vorrichtung zum Bestimmen einer Einschweißtiefe beim Laserschweißen

Info

Publication number: DE102013215362B4
Application number: DE102013215362.7A
Authority: DE
Inventors: Friedhelm Dorsch; Holger Braun; Steffen Kessler; Volker Rominger
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2033-08-06
Also published as: DE102013215362A1

Abstract

Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe (T) während eines Laser-Schweißprozesses und/oder anschließend an einen Laser-Schweißprozess von Werkstücken (4), umfassend die Schritte: zweidimensional ortsaufgelöstes Detektieren der Intensität (I) von Strahlung (2b), die von einem flüssigen Schmelzbad (21) und einer sich an das flüssige Schmelzbad (21) anschließenden, erstarrten Schmelze (23) emittiert wird, Bestimmen von geometrischen Größen (M1, ..., Mn) des Schmelzbades (21) und der erstarrten Schmelze (23) anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität (I), und Bestimmen einer Kenngröße (KT) für die Einschweißtiefe (T) als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe (M1, M2) des Schmelzbades (21) und mindestens einer geometrischen Größe (M3, M4) der erstarrten Schmelze (23).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe während eines Laser-Schweißprozesses und/oder nach einem Laser-Schweißprozess bzw. die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserschweißen, bei dem während eines Schweißprozesses und/oder nach dem Schweißprozess eine Bestimmung der Einschweißtiefe erfolgt. Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Laserschweißen.
Aus DE19716293A1 ist eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen bekannt geworden, die eine CCD-Kamera zur Detektion der Geometrie eines beim Schweißprozess gebildeten Schmelzbades umfasst. Die DE19716293A1 offenbart außerdem ein Verfahren zum Laserstrahlschweißen, bei dem die Regelung der Einschweißtiefe in Abhängigkeit von der detektierten Schmelzbadlänge oder Schmelzbadfläche erfolgt. In dem vorgeschlagenen Verfahren wird die Schmelzbadlänge linear mit der Einschweißtiefe korreliert und diese Relation zur Regelung der Einschweißtiefe genutzt. In JP04127984A wird offenbart, die Regelung des Schweißprozesses in Abhängigkeit von der gemessenen Schmelzbadbreite durchzuführen. Auch US6188041B1 und US6344625B1 offenbaren einen Zusammenhang zwischen der Schmelzbadgröße und der Einschweißtiefe.
Aus der DE 10 2010 063 236 A1 ist ein Verfahren zum Verschweißen von Bauteilen mittels eines Laserstrahls bekannt, bei dem mittels einer Kontrolleinrichtung die Länge und die Breite des Schmelzbads erfasst werden und als Stellgrößen für eine Steuerung bzw. Regelung des Laserstrahlschweißprozesses dienen. Das Schweißverfahren kann so gesteuert oder geregelt werden, dass ein bestimmtes Verhältnis zwischen der Länge und der Breite des Schmelzbads erreicht wird.
Aus der DE 10 2007 024 789 B3 ist ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern an einer Schweißnaht während eines Laser-Schweißprozesses bekannt, bei dem Strahlung, die von einer sich an ein flüssiges Schmelzbad anschließenden, erstarrten Schmelze emittiert wird, zweidimensional ortsaufgelöst erfasst wird, um mindestens einen Kennwert für die Wärmeabfuhr in der erstarrten Schmelze zu ermitteln. Durch Vergleichen des Kennwerts mit einem Referenzwert wird ein Fehler an der Schweißnaht erkannt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren, ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit denen eine Erkennung der Einschweißtiefe prozesssicher ermöglicht wird.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches gekennzeichnet ist durch die Schritte: zweidimensional ortsaufgelöstes Detektieren der Intensität von Strahlung, die von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad in Schweißrichtung anschließenden, erstarrten Schmelze sowie deren Umgebung emittiert wird, Bestimmen von geometrischen Größen des Schmelzbades und der Wärmespur, d. h. der sich an das Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze und deren Umgebung, anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität, sowie Bestimmen einer Kenngröße für die Einschweißtiefe als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe des Schmelzbades und mindestens einer geometrischen Größe der erstarrten Schmelze.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine Kenngröße für die Einschweißtiefe, d. h. eine Größe, die möglichst gut mit der Einschweißtiefe übereinstimmt, als Funktion von mindestens zwei geometrischen Größen zu bestimmen. Die Kenngröße wird anhand eines mathematischen Zusammenhangs bzw. einer mathematischen Funktion bestimmt, welche die geometrischen Größen miteinander kombiniert. Es hat sich gezeigt, dass durch eine geeignete Kombination bzw. einen geeigneten funktionalen Ansatz aus den auf die oben beschriebene Weise bestimmten geometrischen Größen eine gute Korrelation zur Einschweißtiefe hergestellt werden kann, wenn mindestens eine geometrische Größe des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze kombiniert werden.
Die konkreten Werte der für den funktionalen Ansatz zu wählenden Parameter können mit Hilfe einer Versuchsreihe, d. h. anhand von Testmessungen an Testwerkstücken, bestimmt werden, bei denen bestimmte Schweißparameter, z. B. die Vorschubgeschwindigkeit oder die Laserleistung, variiert werden. Die optimalen Parameter, die in den funktionalen Ansatz eingehen, können durch ein statistisches Verfahren, z. B. durch eine Regressionsanalyse (beispielsweise die Methode der kleinsten Fehlerquadrate), aufgefunden werden. Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von weiteren Größen, die einen Einfluss auf des Schweißprozess haben, gegebenenfalls mehrere Parametersätze mit jeweils optimierten Parameterwerten verwendet werden können. Beispielsweise können ggf. unterschiedliche Parametersätze für unterschiedliche Arten von Werkstückmaterialien verwendet werden.
Sind die Parameter des funktionalen Ansatzes bekannt, kann während des Schweißprozesses (ggf. in Echtzeit) und/oder anschließend an den Schweißprozess die Kenngröße für die Einschweißtiefe anhand der geometrischen Größen bestimmt werden, die aus der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität bzw. einer von dieser abhängigen Messgröße, z. B. der Temperatur, bestimmt werden. Um den Einfluss statistischer Schwankungen bei der Messung bzw. der Bestimmung der geometrischen Größen zu reduzieren, können diese als Mittelwert aus einer vorgegebenen Anzahl von aufeinanderfolgenden Bildern bestimmt werden, die mit Hilfe einer Kamera erfasst werden. Alternativ kann bei der Bestimmung der Kenngröße für die Einschweißtiefe eine Mittelung über mehrere Werte der Kenngröße durchgeführt werden, die zu mehreren aufeinander folgenden Zeitpunkten (entsprechend mehreren Kamerabildern) errechnet wurden.
Bei einer Variante werden aus der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität eine Schmelzbadbreite, eine Schmelzbadlänge, eine Wärmespurbreite der erstarrten Schmelze und eine Abklinglänge der erstarrten Schmelze als geometrische Größen bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass ein funktionaler Ansatz, welcher diese vier geometrischen Größen berücksichtigt, eine besonders gute Korrelation bzw. Übereinstimmung mit der Einschweißtiefe ermöglicht.
Bei einer Variante wird die Schmelzbadbreite an der breitesten Stelle des Schmelzbades quer zur Schweißrichtung und/oder es wird die Schmelzbadlänge an der längsten Stelle des Schmelzbades parallel zur Schweißrichtung bestimmt. Zur Bestimmung der Schmelzbadbreite bzw. der Schmelzbadlänge aus der zweidimensional ortsaufgelöst bestimmten Strahlungsintensität bestehen mehrere Möglichkeiten: Beispielsweise kann zu diesem Zweck die Strahlungsintensität entlang von einer oder mehreren Linien (sog. Profilschnitte), d. h. eindimensionalen Schnitten in der zweidimensionalen Intensitätsverteilung, senkrecht bzw. parallel zur Schweiß- bzw. Vorschubrichtung bestimmt werden, wobei zur Bestimmung der Schmelzbadbreite bzw. der Schmelzbadlänge charakteristische Merkmale des Verlaufs der Strahlungsintensität (z. B. eine plötzliche starke Abnahme der Intensität) entlang der Profilschnitte identifiziert werden.
Bei einer Weiterbildung wird die Schmelzbadbreite und/oder die Schmelzbadlänge anhand eines binärisierten Bildes der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität bestimmt. In diesem Fall wird die zweidimensional ortsaufgelöste Strahlungsintensität binärisiert, d. h. es erfolgt eine Filterung der ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität, um diese zu segmentieren, d. h. in zwei Bereiche mit Bildpixeln zu unterteilen, von denen die ersten dem Schmelzbad und die zweiten der Umgebung des Schmelzbades zugeordnet sind. Für die Segmentierung bestehen mehrere Möglichkeiten, die auch kombiniert werden können, um dadurch die Segmentierung robuster zu gestalten. Bei den Segmentierungsstrategien wird im Wesentlichen ausgenutzt, dass am Übergang zwischen Schmelze und Feststoff bzw. erstarrter Schmelze, d. h. am Rand des Schmelzbades, eine charakteristische Änderung der Strahlungsintensität auftritt. Für die Segmentierung kann beispielsweise mit Hilfe eines Kantenfilters ein Kantenbild erzeugt und durch Vergleich mit einem Schwellwert eine binäres Bild des Kantenbildes erzeugt werden. Alternativ kann für jedes zu schweißende Material anhand von Testmessungen ein Helligkeitsschwellwert festgelegt werden, der für die Binärisierung verwendet wird.
Bei einer weiteren Variante wird die Wärmespurbreite der erstarrten Schmelze durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität entlang einer Linie quer zur Schweißrichtung als Halbwertsbreite der Verteilung der Strahlungsintensität bestimmt. Die Bestimmung der Wärmespurbreite erfolgt in der Regel durch Auswertung eines Profilschnitts quer zur Schweißrichtung, und zwar in einem festgelegten Abstand (typischer Weise mehrere Millimeter) zum hinteren Ende des Schmelzbades. Die Strahlungsintensität weist entlang einer solchen Linie typischer Weise eine Gaußverteilung um ein Intensitätsmaximum herum auf, deren Halbwertsbreite mit der geometrischen Größe „Wärmespurbreite” identifiziert werden kann.
Bei einer weiteren Variante wird die Abklinglänge der erstarrten Schmelze durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität entlang der Schweißnaht als diejenige Länge bestimmt, in welcher die Strahlungsintensität auf das 1/e-fache, d. h. auf ca. 37%, abfällt. Die Strahlungsintensität hat entlang der Linie parallel zur Schweißrichtung insbesondere im Bereich der Symmetrieachse bzw. in dem vom Brennfleck bzw. vom Laserstrahl überstrichenen Bereich der Schweißnaht einen charakteristischen Intensitätsverlauf, der mit einem mathematischen Modell, beispielsweise mit einer Exponentialfunktion, beschrieben werden kann, deren Parameter an die detektierte Strahlungsintensität angepasst bzw. für diese optimiert werden. Die geometrische Größe „Abklinglänge” kann definiert werden als diejenige Länge, in welcher die Strahlungsintensität auf das 1/e-fache, d. h. auf ca. 37%, abfällt.
In einer weiteren Variante wird die Kenngröße K_T für die Einschweißtiefe nach folgender Formel bestimmt: K_T = C × (M1 – O1)^E1 × (M2 – O2)^E2 × (M3 – O3)^E3 × (M4 – O4)^E4, (1) wobei M1 bis M4 die vier geometrischen Größen Schmelzbadbreite, Schmelzbadlänge, Wärmespurbreite und Abklinglänge bezeichnen und wobei C, O1 bis O4 (Offset) bzw. E1 bis E4 (Exponenten) Konstanten bezeichnen, die als Parameter dienen, um eine möglichst gute Korrelation zwischen der Kenngröße K_T für die Einschweißtiefe und den geometrischen Größen M1 bis M4 zu erhalten. Wie weiter oben dargestellt wurde, können die Parameter durch Testschweißungen an Testwerkstücken beispielswiese mit Hilfe einer multilinearen Regression ermittelt werden. Es hat sich gezeigt, dass der Produktansatz gemäß Gleichung (1) mit den vier oben angegebenen geometrischen Größen M1 bis M4 besonders gut zur Bestimmung der Einschweißtiefe geeignet ist.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren zusätzlich: Erkennen einer Durchschweißung des Werkstücks durch Vergleichen der Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Kenngröße für die Dicke des Werkstücks. Wenn die Einschweißtiefe bzw. deren Kenngröße der Dicke des Werkstücks bzw. einer mit der Dicke des Werkstücks korrelierten Kenngröße entspricht, kann eine Durchschweißung erkannt werden, ohne dass zu diesem Zweck ein Leistungsüberschuss der Laserstrahlung oder ein geöffnetes Keyhole (Dampfkapillare an der Bestrahlungsfläche) detektiert werden muss. Es versteht sich, dass die Erkennung der Durchschweißung anhand der Einschweißtiefe auch mit den hier beschriebenen oder mit weiteren Methoden zur Erkennung der Durchschweißung kombiniert werden kann, um die Erkennung der Durchschweißung robuster zu gestalten.
Bei einer Variante wird die Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Soll-Kenngröße für die Einschweißtiefe verglichen. Die Abweichung kann beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung, z. B. einem Monitor, ausgegeben werden. Wenn die Abweichung der gemessenen Einschweißtiefe zur Soll-Einschweißtiefe einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet, kann ein Warnsignal auf der Anzeigeeinrichtung ausgegeben werden.
In einer weiteren Variante wird die Kenngröße für die Einschweißtiefe mit einer Soll-Kenngröße für die Einschweißtiefe verglichen und bei einer Abweichung wird mindestens ein Prozessparameter des Laserschweißprozesses, insbesondere die Laserleistung und/oder die Vorschubgeschwindigkeit, geändert. Anhand der Soll-Kenngröße kann der Laserschweißprozess, genauer gesagt dessen Prozessparameter, so eingestellt werden, dass eine vorgegebene Einschweißtiefe erreicht wird.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Bei der Datenverarbeitungsanlage kann es sich beispielsweise um eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung handeln, die in einer Vorrichtung (Bearbeitungsmaschine) zur Durchführung des Verfahrens untergebracht ist, aber auch um eine externe Einrichtung, beispielsweise um einen Steuerungs-PC.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Vorrichtung zum Laserschweißen, umfassend: einen Laserbearbeitungskopf zur Ausrichtung eines Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Werkstück, einen Detektor, welcher zur zweidimensional ortsaufgelösten Detektion der Intensität von Strahlung ausgebildet ist, die während des Schweißprozesses von einem flüssigen Schmelzbad und einer sich an das flüssige Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze emittiert wird, eine Bildverarbeitungseinrichtung, die programmiert ist, anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität geometrische Größen des Schmelzbades und der erstarrten Schmelze zu bestimmen, sowie eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung eine Kenngröße für die Einschweißtiefe als Funktion von mindestens zwei der geometrischen Größen. Die Vorrichtung ermöglicht eine prozesssichere Erkennung der Einschweißtiefe. Mit Hilfe eine Steuer- bzw. Regeleinrichtung kann der Laserschweißprozess insbesondere so gesteuert bzw. geregelt werden, dass die Einschweißtiefe einen Sollwert annimmt.
Bevorzugt weist die Vorrichtung eine Anzeigeeinrichtung, beispielsweise einen Monitor, zur Anzeige der vom Detektor detektierten Strahlung, der geometrischen Größen und der ermittelten Kenngröße auf. Wenn die Abweichung der gemessenen Einschweißtiefe zur Soll-Einschweißtiefe einen zuvor definierten Grenzwert überschreitet, kann ein Warnsignal auf der Anzeigeeinrichtung ausgegeben werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Laserschweißen von Werkstücken,
2 eine schematische Darstellung eines beim Laserschweißen gebildeten flüssigen Schmelzbads, welches eine Schmelzbadbreite und eine Schmelzbadlänge aufweist,
3 eine Darstellung analog 2 mit einer sich an das Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze und mit zwei quer zur Schweißnaht verlaufenden Profilschnitten sowie mit einem in Richtung der Schweißnaht verlaufenden Profilschnitt,
4a, b schematische Darstellungen der ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität entlang der beiden senkrecht zur Schweißnaht verlaufenden Profilschnitte von 3 zur Bestimmung der Wärmespurbreite bzw. der Schmelzbadbreite,
5 eine schematische Darstellung der ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität in dem in Richtung der Schweißnaht verlaufenden Profilschnitt von 3 zur Bestimmung der Abklinglänge der Wärmespur,
6a, b schematische Darstellungen der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität des flüssigen Schmelzbads sowie der erstarrten Schmelze beim Schweißen von Baustahl (6a) bzw. von Edelstahl (6b),
7a, b eine Darstellung der direkten Umwandlung der in 7a gezeigten ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität in ein in 7b gezeigtes Binärbild, und
8 eine Darstellung der Umwandlung der in 6a gezeigten ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität in ein Binärbild unter Verwendung einer Kantenfilterung.
Die in 1 gezeigte Vorrichtung 1 umfasst zur Ausrichtung eines Laserstrahls 2a auf ein in einem Bearbeitungsbereich 3 zu bearbeitendes Werkstück 4 einen Laserbearbeitungskopf 5. Die Vorrichtung 1 weist ferner einen Detektor in Form einer Kamera 7, insbesondere einer CMOS- oder InGaAs-Kamera, zur Aufnahme des Bearbeitungsbereiches 3 und eine vorgeschaltete Optik 8 zur Abbildung des Bearbeitungsbereiches 3 auf die Kamera 7 auf. Die Optik 8 umfasst einen Strahlteiler 9 (z. B. einen teildurchlässigen Spiegel), eine Blende 10, einen Bandpassfilter 11, Linsen 12 und ggf. einen hier nicht dargestellten Abschwächungsfilter. Die Wärmestrahlung 2b, die vom Bearbeitungsbereich 3 ausgeht, wird durch den Strahlteiler 9 vom Strahlengang des Laserstrahls 2a getrennt und durch die Blende 10, den Bandpassfilter 11 und die Linsen 12 auf die Kamera 7 gerichtet. Der Bandpassfilter 11 trennt dabei die zu detektierende Wärmestrahlung 2b von reflektierter Laserstrahlung und grenzt den detektierten Wellenlängenbereich ein: Um einen guten Kontrast zwischen Schmelzbad, erstarrter Schmelze und der leuchtenden (störenden) Metalldampffackel zu erreichen, wird möglichst langwellig beobachtet.
Zur zweidimensional ortsaufgelösten Detektion der vom Bearbeitungsbereich 3 ausgehenden Strahlung können an Stelle der Kamera 7 auch andere ortsauflösende Detektoren für den sichtbaren oder nahen- bis fernen Infrarotbereich eingesetzt werden, z. B. Photodiodenarrays oder eine Quotientenpyrometrie-Messapparatur, wobei diese hierbei zur Detektion von Strahlung im Bereich des nahen Infrarots (vorzugsweise zwischen 1 μm und 2 μm) ausgelegt sind. Einsetzbar ist ebenfalls eine Kombination unterschiedlicher Detektorarten. Bei einer koaxialen Anordnung der Kamera zum Laserstrahl können sowohl das sich beim Laserschweißen ausbildende Schmelzbad als auch die sich daran anschließende erstarrte Schmelze mit der Kamera überwacht werden. Alternativ kann die erstarrte Schmelze mit einer unter einem Winkel zum Laserstrahl angeordneten ersten Kamera erfasst werden, während das Schmelzbad mit einer zweiten, koaxial zum Laserstrahl ausgerichteten Kamera erfasst wird.
Die Vorrichtung 1 umfasst ferner eine Bildverarbeitungseinrichtung 13, die programmiert ist, in Echtzeit durch Bildverarbeitung aus den aufgenommenen Bildern des Bearbeitungsbereichs 3 eine Anzahl n von geometrischen Größen M1–Mn des flüssigen Schmelzbads, das beim Laserschweißen gebildet wird, und der Wärmespur der sich an das Schmelzbad anschließenden erstarrten Schmelze zu ermitteln. Eine Auswerteeinrichtung 14 berechnet aus diesen geometrischen Größen M1–Mn eine Kenngröße K_T, die mit der Einschweißtiefe T korreliert ist. Eine Anzeigeeinrichtung 17 in Form eines Monitors dient zum Anzeigen der aufgenommenen Bilder sowie der ermittelten Größen M1–Mn und der Kenngröße K_T. Um den Einfluss statistischer Schwankungen zu reduzieren, werden vorzugsweise die aus mehreren hintereinander folgend aufgenommenen Bildern bestimmten Werte für die einzelnen geometrischen Größen M1–Mn jeweils gemittelt.
Die Bildverarbeitungseinrichtung 13 und die Auswerteeinrichtung 14 sind Teile eines Auswertesystems 15 der Vorrichtung 1 bzw. des Laserbearbeitungskopfes 5. Das Auswertesystem 15 kann beispielsweise als Steuerungs-PC mit Framegrabber ausgeführt sein. Alternativ kann die Bildverarbeitung auch ohne Framegrabber auf dem Steuerungs-PC erfolgen.
Die berechnete Kenngröße K_T wird einer Regelungseinrichtung 16 zugeführt, die dann Prozessparameter des Laserbearbeitungsprozesses, wie beispielsweise Vorschubgeschwindigkeit v oder Laserleistung P anhand der Kenngröße K_T so einstellt, dass eine vorgegebene Soll-Einschweißtiefe T erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich zur Regelungseinrichtung 16 kann auch eine Vergleichseinrichtung (nicht gezeigt) vorgesehen sein, welche die ermittelten Kenngröße K_T mit einer Referenzkenngröße vergleicht und so den Laserbearbeitungsprozess überwacht. Die Regelungseinrichtung 16 und/oder die Vergleichseinrichtung kann sowohl der Framegrabber direkt als auch der Steuerungs-PC sein.
Beim Laserschweißen zweier Werkstücke 4 wird der Laserstrahl 2a in dem Bearbeitungsbereich 3 auf die beiden Werkstücke 4 gerichtet und der Laserbearbeitungskopf 5 und die Werkstücke 4 werden relativ zueinander entlang einer Vorschub- bzw. Schweißrichtung 18 (entsprechend der X-Richtung eines XYZ-Koordinatensystems) mit einer Vorschubgeschwindigkeit v bewegt, um zwischen den beiden Werkstücken 4 eine Schweißnaht 24 zu erzeugen, welche in 2 gezeigt ist.
2 zeigt auch ein flüssiges Schmelzbad 21, das beim Laserschweißen um eine Bestrahlungsfläche 22, d. h. um die Fläche des auftreffenden Laserstrahls 2a auf den Werkstücken 4, herum entsteht, an der sich eine Dampfkapillare ausbildet. Die Bestrahlungsfläche 22 wird während des Schweißprozesses in Schweißrichtung 18 mit typischer Weise konstanter Geschwindigkeit v über die (in 2 nicht gezeigten) zu verschweißenden Werkstücke 4 bewegt. An das flüssige Schmelzbad 1 schließt sich entgegen der Schweißrichtung 18 (in negativer X-Richtung) eine erstarrte Schmelze 23 an, welche eine Schweißnaht 24 bildet.
In einem Bildbereich 25 des von der Kamera 7 aufgenommenen Bildes, der die Bestrahlungsfläche 22 und das Schmelzbad 21 umfasst, werden in der Bildverarbeitungseinrichtung 13 die Schmelzbadbreite, d. h. die Breite des Schmelzbads 21 an seiner breitesten Stelle sowie die Schmelzbadlänge als erste und zweite geometrische Größen M1, M2 bestimmt.
Die Bestimmung der Schmelzbadlänge M1 und der Schmelzbadbreite M2 kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Eine Möglichkeit zur Bestimmung dieser Größen besteht in der Segmentierung des von der Kamera 7 aufgenommenen Bildbereichs 25 in erste Bildpunkte, welche dem Schmelzbad 21 zugeordnet werden (in 3 schraffiert) und zweite Bildpunkte, welche der Umgebung des Schmelzbads 21 zugeordnet werden.
Für die Segmentierung können verschiedene Segmentierungsstrategien genutzt werden, die nachfolgend anhand von 6a, b bis 8 dargestellt werden. Es versteht sich, dass die Aufzählung dieser Strategien nicht abschließend zu verstehen ist. Die einzelnen Strategien können kombiniert werden, um die Segmentierung robuster zu gestalten. Bei den nachfolgend beschriebenen Strategien wird im Wesentlichen ausgenutzt, dass am Übergang zwischen Schmelze 21 und Feststoff bzw. erstarrter Schmelze 23 durch eine Änderung im Emissionsgrad eine charakteristische Änderung der Helligkeit auftritt, wie dies anhand von 6a für Baustahl als Werkstoff und anhand von 6b für Edelstahl als Werkstoff zu erkennen ist.
Eine Möglichkeit zur Realisierung eines Segmentierungsverfahrens besteht darin, für jedes zu schweißende Werkstückmaterial auf der Basis von Testmessungen einen Helligkeitsschwellwert festzulegen, mit dem der Bildbereich 25 segmentiert wird: Alle Pixel, die gleich hell oder heller als der festgelegte Schwellwert sind, werden dem Schmelzbad 21 zugeordnet, alle anderen Pixel gehören nicht zum Schmelzbad 21. Durch diese Segmentierung entsteht eine Region aus Pixeln, die dem Schmelzbad 21 zugeordnet werden, wie anhand von 7a, b für das Beispiel von Baustahl dargestellt ist. Anhand des in 7b gezeigten Binärbildes kann direkt die Schmelzbadbreite M1 (an der breitesten Stelle) und die Schmelzbadlänge M2 ermittelt werden. Wie in 7a, b zu erkennen ist, ist der Bereich des Bildes, der die Bestrahlungsfläche 22 enthält (in 7a, b an der linken Seite des Bildes) in der Strahlungsintensität reduziert, da die dort auftretende sehr hohe Strahlungsintensität mit Hilfe eines (nicht dargestellten) Abschwächungsfilters gezielt reduziert wird.
Bei einem weiteren Segmentierungsverfahren, welches in 8 dargestellt ist, wird aus dem Helligkeitsbild der Strahlungsintensität mit Hilfe eines Kantenfilters ein Kantenbild erzeugt. Das Kantenbild wird durch Vergleich mit einem Schwellwert binärisiert, um die Grenzen des Schmelzbads 21 zu bestimmen. Wie in 8 ebenfalls zu erkennen ist, kann hierbei ein Vergleich mit zwei Schwellwerten (positive bzw. negative Kante) erfolgen und die Kontur des Schmelzbades 21 kann durch eine Multiplikation oder eine logische Und-Verknüpfung der beiden auf diese Weise erhaltenen binärisierten Bilder erhalten werden, wobei anschließend typischer Weise die konvexe Hülle des segmentierten Bildes bestimmt wird.
Alternativ zur oben beschriebenen Segmentierung kann zur Bestimmung der Schmelzbadbreite M1 der Helligkeitsverlauf der Bildpixel, d. h. die detektierte Intensität I der Strahlung 2b entlang mehrerer Linien 26, 27 (sog. Profilschnitte) senkrecht zur Vorschubrichtung 18 bestimmt werden, d. h. entlang von eindimensionalen Schnitten in der zweidimensionalen Strahlungsverteilung, wie sie in 3 dargestellt sind. Durch die Beschränkung der Auswertung der gemessenen Strahlung 2b auf einen oder mehrere Profilschnitte 26, 27 kann diese gegenüber einer Auswertung der gesamten zweidimensionalen Intensitätsverteilung beschleunigt durchgeführt werden, sodass die Detektion in Echtzeit erfolgen kann.
Während der Helligkeitsverlauf bzw. die Intensität I entlang von Profilschnitten 26 durch die erstarrte Schmelze 23 einer Gaußfunktion ähnelt (vgl. 4a), steigt bei Stahlwerkstoffen der Verlauf der Helligkeit im Schmelzbad 21 aufgrund der Reduktion des Emissionsgrades in der flüssigen Phase weniger stark an und fällt teilweise sogar ab (vgl. 4b). Durch diese Unterscheidung können beide Verläufe klassifiziert werden, d. h. diese können entweder der Wärmespur bzw. der erstarrten Schmelze 23 oder dem Schmelzbad 21 zugeordnet werden.
Wie in 4b zu erkennen ist, wird das Schmelzbad 21 durch zwei Stellen 32 (lokale Maxima) begrenzt, an denen die Strahlungsintensität I absinkt oder weniger stark ansteigt. Der Abstand der beiden Stellen 32 in Y-Richtung, d. h. quer zur Schweißrichtung 18, definiert die Breite des Schmelzbades 21 an der Stelle des Profilschnittes 27. Durch Auswertung mehrerer Profilschnitte 27 im Bereich des Schmelzbads 21 kann der maximale Wert aller Breiten ermittelt und als Schmelzbadbreite M1 identifiziert werden.
Auch die Schmelzbadlänge M2 kann alternativ zur Segmentierung auch dadurch ermittelt werden, dass der Verlauf der detektierten Strahlungsintensität I entlang eines parallel zur Schweißrichtung 18 verlaufenden Profilschnitts 28 bestimmt wird, der sich in 3 beginnend vom vorderen Ende des Schmelzbads 21 über den Brennfleck 22 bis in den Bereich der erstarrten Schmelze 23 erstreckt. Insbesondere bei Stahlwerkstoffen hat sich gezeigt, dass in der Nähe des Übergangs zwischen Schmelzbad 21 und erstarrter Schmelze 23 die Helligkeit 33b im Schmelzbad 21 näherungsweise konstant verläuft, während die Helligkeit 33a entlang der erstarrten Schmelze 23 näherungsweise exponentiell abfällt, wie in 5 dargestellt ist. Durch Anpassen einer Gerade bzw. einer Exponentialfunktion an die Helligkeits- bzw. Intensitätswerte 33a, 33b der beiden Bereiche und Bilden des Schnittpunkts der Geraden und der Exponentialfunktion kann der Übergangspunkt 34 bestimmt werden, welcher das Ende des Schmelzbads 21 darstellt. Da die Strahlungsintensität I am vorderen Ende des Schmelzbads 21 sehr schnell abfällt, kann durch Kenntnis des Übergangspunktes 34 direkt die Schmelzbadlänge M2 bestimmt werden.
Um die geometrische Größe „Wärmespurbreite” M3 zu bestimmen, wird in dem von der Kamera 7 aufgenommenen Bildbereich 25, der ein Teilstück der sich an das Schmelzbad 21 anschließenden erstarrten Schmelze 23 umfasst, wie in 4a gezeigt ist, die detektierte Intensität I der Wärmestrahlung entlang einer Linie 26 (Profilschnitt) quer zur Vorschubrichtung 18, d. h. in Y-Richtung eines XY-Koordinatensystems, in einem festgelegten Abstand von einigen Millimetern zum hinteren Ende des Schmelzbads 21 ausgewertet. Wie in 4a zu erkennen ist, ist die Strahlungsintensität I um ein Maximum 29 herum im Wesentlichen gaußverteilt. Die Halbwertsbreite der Intensitätsverteilung der detektierten Strahlung 2b wird von der Bildverarbeitungseinrichtung 13 als geometrische Größe „Wärmespurbreite” M3 bestimmt.
Zur Ermittlung der geometrischen Größe „Abklinglänge” M4 wird der in 3 gezeigte Profilschnitt 28 entlang der Symmetrieachse der Schweißnaht 4 ausgewertet, d. h. es wird der Verlauf der gemessenen Strahlungsintensität I(x) entlang des Profilschnitts 28 im Kamerabild bestimmt. Wie weiter oben erwähnt wurde, weist die Intensität I(x) entlang des Profilschnitts 28, welche der Pixelhelligkeit des mit der Kamera 7 aufgenommenen Bildes entspricht, im Anschluss an das Schmelzbad 21 einen charakteristischen Verlauf auf, der mit einem mathematischen Modell, beispielsweise mit einer Exponentialfunktion f(x) = B·exp(C·X) – A (2) beschrieben werden kann, wobei A, B und C Parameter sind, die so angepasst werden müssen, dass die Funktion f(x) dem gemessenen Intensitätsverlauf möglichst gut entspricht.
Bei der Auswertung der gemessenen Strahlung 2b im Bereich des Profilschnitts 28 wird in einem ersten Schritt aus einer Randregion des Kamerabildes, in der keine oder eine nicht messbar kleine Intensität an Wärmestrahlung detektiert wird, der Hintergrundpegel A der Funktion f(x) bestimmt, indem die Intensität I über die gewählte Region gemittelt wird. Zur Bestimmung der anderen Parameter B und C wird diejenige Funktion (2) ausgewählt, die dem gemessenen Verlauf am nächsten kommt. Dazu kann eine lineare Regression der logarithmierten Funktion In(f(x) + A) = InB + C·X an den logarithmierten Intensitätsverlauf In I(x) durchgeführt werden, indem das Residuum (oder: die quadratische Fehlersumme) R = Σ_i(In(f(x_i) – In(I(x_i)))² minimiert wird, wobei die Werte x_i die x-Koordinate der Pixel des Profilschnitts 28 darstellen.
Die Abklinglänge M4 der erstarrten Schmelze 23 ist durch L = –1/C definiert. Sie gibt die Länge an, innerhalb der die Intensität I auf den Wert 1/e ≈ 37% abfällt.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine geeignete Kombination der auf die oben beschriebene Art ermittelten geometrischen Größen M1 bis M4 eine hohe Korrelation zur Einschweißtiefe T aufweist, so dass durch eine geeignete Kombination der vier oben genannten geometrischen Größen M1 bis M4 auf die Einschweißtiefe T geschlossen werden kann.
Aus den Merkmalen M1–Mn (im hier beschriebenen Beispiel: Schmelzbadbreite (M1), Schmelzbadlänge (M2), Wärmespurbreite (M3) und Abklinglänge (M4)) wird durch einen funktionalen Ansatz eine Kenngröße K_T berechnet, die mit der Einschweißtiefe T korreliert, wobei allgemein gilt: K_T = f(M1, ..., Mn; Parameter). (3)
Es hat sich gezeigt, dass sich ein Potenzansatz der oben aufgeführten geometrischen Größen, nämlich Schmelzbadbreite (M1), Schmelzbadlänge (M2), Wärmespurbreite (M3) und Abklinglänge (M4), ggfs. mit spezifischer Gewichtung, besonders gut für die Korrelation zur Einschweißtiefe eignet, insbesondere eine Funktion folgender Form: K_T = C × (M1 – O1)^E1 × (M2 – O2)^E2 × (M3 – O3)^E3 × (M4 – O4)^E4, (4) wobei M1 bis M4 die oben genannten geometrischen Größen, C einen (konstanten) Vorfaktor, O1 bis O4 (konstante) Offsets sowie E1 bis E4 (konstante) Exponenten bezeichnen, deren Werte für ein bestimmtes zu schweißendes Material sowie für einen bestimmten Schweißvorgang (Stumpfstoßschweißen, Schweißen am Überlappstoß, ...) mit Hilfe einer Versuchsreihe von Testmessungen an Testwerkstücken bestimmt werden können, bei denen z. B. Variationen von Vorschubgeschwindigkeit v und/oder Laserleistung P und ggf. weiterer Prozessparameter des Laserschweißprozesses erfolgen. Die Parameter der Gleichung (4) werden so bestimmt, dass die Kenngröße K_T eine möglichst gute Übereinstimmung mit der bei den Testmessungen durch Querschliffe entlang der Schweißnaht 24 ermittelten Einschweißtiefe T zeigt. Durch Regressionsverfahren, beispielsweise durch die Least-Square-Fit-Methode, werden die optimalen Parameter C, O1 bis O4, E1 bis E4 ermittelt.
Die Werte für die Parameter C, E1 bis E4 können bei Vernachlässigung der Offsets O1 bis O4 beispielsweise durch eine multilineare Regression der logarithmierten Werte der gemessenen geometrischen Größen (Einschweißtiefe T ist aus Schliffen der Schweißnaht 24 bekannt) erfolgen: log(T) = log(C) + E1·log(M1) + E2·log(M2) + E3·log(M3) + E4·log(M4).
Das Quadrat des Regressionskoeffizienten, das sog. Bestimmtheitsmaß, ist ein geeignetes Maß für die Güte der Korrelation.
Beim Schweißen von 8 mm dickem Baustahl am Stumpfstoß ohne Spalt mit einer Vorschubgeschwindigkeit v zwischen 2 m/min und 6 m/min und einer Laserleistung P zwischen 1 kW und 6 kW ergeben sich beispielsweise folgende Werte für die geometrischen Größen M1 bis M4 die zur vereinfachten Lesbarkeit explizit angegeben sind: K_T/[mm] = 1,089 mm·(Abklinglänge/[mm])^0,255·(Wärmespurbreite/[mm])^0,686·(Schmelzbadlänge/[mm])^0,497·(Schmelzbadbreite/[mm])^0,125) (5) mit einem Bestimmtheitsmaß von R² = 0,97, also einer sehr guten Korrelation (maximal mögliche Korrelation ist R² = 1,0).
Gleichung (5) zeigt eine Reihenfolge der Gewichtungen (= Anteil des Exponenten an der Summe der Exponenten) der vier geometrischen Merkmale M1 bis M4: Wärmespurbreite (M3) (44%), Schmelzbadlänge (M2) (32%), Abklinglänge (M4) (16%), Schmelzbadbreite (M1) (8%).
Nach der Bestimmung der Parameter C und E1 bis E4 kann beim tatsächlichen Schweißprozess die Kenngröße K_T für die Einschweißtiefe T während des Schweißens in Echtzeit aus den geometrischen Größen M1 bis M4 bestimmt werden. Um den Einfluss statistischer Schwankungen bei der Messung der geometrischen Größen M1 bis M4 zu reduzieren, können diese als Mittelwert aus einer gewissen Anzahl an aufeinanderfolgenden von der Kamera 7 aufgenommenen Bildern bestimmt werden. Alternativ kann die aus mehreren Bildern berechnete Kenngröße K_T für die Einschweißtiefe T gemittelt werden. Die Kenngröße K_T oder ihr Mittelwert kann dann wie weiter oben beschrieben als Regelgröße bezüglich eines Sollwertes K_T,S der Einschweißtiefe T dienen. Der Schweißprozess kann auf diese Weise online überwacht und bei Bedarf geregelt werden, indem die Kenngröße K_T auf einen Sollwert K_T,S, d. h. auf eine Solleinschweißtiefe, geregelt wird, was beispielsweise durch Variation der Laserleistung P oder durch Veränderung eines oder mehrerer weiterer Prozessparameter des Laserschweißprozesses erfolgen kann.
Auch kann mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens eine Durchschweißung der Werkstücke 4 erkannt werden, indem die Kenngröße K_T für die Einschweißtiefe T mit einer Kenngröße K_D für die Dicke D des Werkstücks 4 verglichen wird. Entspricht die Einschweißtiefe T bzw. deren korrelierte Kenngröße K_T der Dicke D des Werkstücks 4 bzw. einer mit der Dicke D des Werkstücks 4 korrelierten Kenngröße K_D wird eine Durchschweißung detektiert.

Claims

Verfahren zum Bestimmen einer Einschweißtiefe (T) während eines Laser-Schweißprozesses und/oder anschließend an einen Laser-Schweißprozess von Werkstücken (4), umfassend die Schritte: zweidimensional ortsaufgelöstes Detektieren der Intensität (I) von Strahlung (2b), die von einem flüssigen Schmelzbad (21) und einer sich an das flüssige Schmelzbad (21) anschließenden, erstarrten Schmelze (23) emittiert wird, Bestimmen von geometrischen Größen (M1, ..., Mn) des Schmelzbades (21) und der erstarrten Schmelze (23) anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität (I), und Bestimmen einer Kenngröße (K_T) für die Einschweißtiefe (T) als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe (M1, M2) des Schmelzbades (21) und mindestens einer geometrischen Größe (M3, M4) der erstarrten Schmelze (23).
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität (I) eine Schmelzbadbreite (M1), eine Schmelzbadlänge (M2), eine Wärmespurbreite (M3) der erstarrten Schmelze (23) und eine Abklinglänge (M4) der erstarrten Schmelze (23) als geometrische Größen bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Schmelzbadbreite (M1) an der breitesten Stelle des Schmelzbades (23) quer zur Schweißrichtung (18) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem die Schmelzbadlänge (M2) an der längsten Stelle des Schmelzbades (23) parallel zur Schweißrichtung (18) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Schmelzbadbreite (M1) und/oder die Schmelzbadlänge (M2) anhand eines binärisierten Bildes der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität (I) bestimmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem die Wärmespurbreite (M3) der erstarrten Schmelze (23) durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität (I) entlang einer Linie (26) quer zur Schweißrichtung (18) als Halbwertsbreite der Verteilung der Strahlungsintensität (I) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem die Abklinglänge (M4) der erstarrten Schmelze (23) durch Auswerten der detektierten Strahlungsintensität (I) entlang der Schweißnaht (28) als diejenige Länge bestimmt wird, in welcher die Strahlungsintensität (I) auf das 1/e-fache abfällt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem die Kenngröße (K_T) für die Einschweißtiefe (T) nach folgender Formel bestimmt wird: K_T = C × (M1 – O1)^E1 × (M2 – O2)^E2 × (M3 – O3)^E3 × (M4 – O4)^E4, wobei M1 bis M4 die geometrischen Größen und C, O1 bis O4, E1 bis E4 Konstante bezeichnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Erkennen einer Durchschweißung des Werkstücks (4) durch Vergleichen der Kenngröße (K_T) für die Einschweißtiefe (T) mit einer Kenngröße (K_D) für die Dicke (D) des Werkstücks (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kenngröße (K_T) für die Einschweißtiefe (T) mit einer Soll-Kenngröße (K_T,S) für die Einschweißtiefe (T) verglichen und bei einer Abweichung mindestens ein Prozessparameter des Laserschweißprozesses geändert wird.
Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft.
Vorrichtung (1) zur Durchführung eines Laserschweißprozesses, umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (5) zur Ausrichtung eines Laserstrahls (2a) auf ein zu bearbeitendes Werkstück (4), einen Detektor (7), welcher zur zweidimensional ortsaufgelösten Detektion der Intensität (I) von Strahlung (2b) ausgebildet ist, die von einem flüssigen Schmelzbad (21) und einer sich an das flüssige Schmelzbad (21) anschließenden erstarrten Schmelze (22) emittiert wird, eine Bildverarbeitungseinrichtung (13), die programmiert ist, anhand der zweidimensional ortsaufgelöst detektierten Strahlungsintensität (I) geometrische Größen (M1, ..., Mn) des Schmelzbades (21) und der erstarrten Schmelze (23) zu bestimmen, sowie eine Auswerteeinrichtung (14), die programmiert ist, eine Kenngröße (K_T) für die Einschweißtiefe (T) als Funktion von mindestens einer geometrischen Größe (M1, M2) des Schmelzbades (21) und mindestens einer geometrischen Größe (M3, M4) der erstarrten Schmelze (23) zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, weiter umfassend: eine Anzeigeeinrichtung (17) zur Anzeige der vom Detektor (7) detektierten Strahlung (2b), der geometrischen Größen (M1, ..., Mn) und der ermittelten Kenngröße (K_T).