DE102016208309A1

DE102016208309A1 - Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Schweißnaht

Info

Publication number: DE102016208309A1
Application number: DE102016208309.0A
Authority: DE
Inventors: Alp Özmert
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Schweißnaht, bei dem während des Schweißprozesses mit einer 2D-Wärmebildkamera eine Bildfolge eines zweidimensionalen Bereiches zu verbindender Werkstücke aufgezeichnet wird, in dem die Schweißnaht erzeugt wird. In der Bildfolge wird für jeden Bildpunkt des Bereiches ein Maximalwert der mit der Wärmebildkamera zu diesem Bildpunkt erfassten Strahlungsintensität bestimmt. Aus den Maximalwerten wird dann ein Bilddatensatz des Bereiches erzeugt und visualisiert und/oder ausgewertet, um eine Bewertung der Qualität der Schweißnaht zu ermöglichen. Das Verfahren ermöglicht eine Überwachung der Qualität einer Schweißnaht, mit der auch unmittelbar nach Erzeugung der Naht aufbrechende Stellen detektiert werden können.

Description

Technisches Anwendungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Schweißnaht, bei dem während des Schweißprozesses mit einer Wärmebildkamera mit einem zweidimensionalen Bildsensor eine Bildfolge eines Bereiches zu verbindender Werkstücke aufgezeichnet wird, in dem wenigstens ein Abschnitt der Schweißnaht erzeugt wird.
Bei Schweißprozessen im industriellen Maßstab ist die Überwachung der Qualität der erzeugten Schweißnaht von großer Bedeutung. Fehlerhafte Schweißverbindungen müssen rechtzeitig erkannt und die entsprechenden Werkstücke aussortiert werden. Weiterhin kann bei rechtzeitiger Erkennung einer fehlerhaften Schweißverbindung ggf. eine Anpassung der Schweißparameter für nachfolgende Schweißvorgänge erfolgen.
Stand der Technik
Aus der DE 603 12 962 T2 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißprozesses bekannt, bei dem während des Schweißprozesses mit einem thermischen Sensor die Temperatur des Auftreffbereiches des Lasers auf die Oberfläche der zu verbindenden Werkstücke kontinuierlich erfasst wird. Die Laserleistung wird dabei so gesteuert, dass die gemessene Temperatur während des Schweißprozesses konstant gehalten wird.
Auf diese Weise soll eine zuverlässige Schweißverbindung erzeugt werden.
Auf der Web-Seite der HKS-Prozesstechnik (http://www.hksprozesstechnik.de/produkte/thermoprofilscanner) wird ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißprozesses beschrieben, bei dem mit einem Wärmestrahlung erfassenden Zeilensensor das Temperaturfeld auf einer Linie quer zu der erstarrenden, noch glühenden Schweißnaht aufgezeichnet wird. Der Zeilensensor ist am Laserbearbeitungskopf angebracht und bewegt sich mit diesem mit. Bei diesem Verfahren wird jeweils die Strahlungstemperatur auf einer Linie quer zur Schweißnaht unmittelbar nach Auftreffen des Laserstrahls erfasst. Aus den während des Schweißprozesses erfassten Daten kann dann ein Wärmebild der Schweißnaht erzeugt werden, um daraus eine Bewertung der Qualität der Schweißnaht zu ermöglichen.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Überwachung einer Schweißnaht anzugeben, das eine nochmals verbesserte Überwachung der Qualität der Schweißnaht während eines Schweißprozesses, insbesondere eines Laserschweißprozesses ermöglicht.
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird während des Schweißprozesses mit einer Wärmebildkamera mit einem zweidimensionalen Bildsensor, d.h. einem Bildsensor mit einem zweidimensionalen Array von Bildsensorelementen, eine Bildfolge eines Bereiches zu verbindender Werkstücke aufgezeichnet, in dem die Schweißnaht erzeugt wird. Dieser Bereich kann die vollständige Länge der Schweißnaht oder auch nur einen Längenabschnitt der Schweißnaht umfassen. Wird nur ein Längenabschnitt erfasst, so werden zur Überwachung nacheinander Bildfolgen mehrerer Bereiche aufgezeichnet, die dann die gesamte Schweißnaht abbilden. Die Bildfolge wird mit einer für die gewünschte Information ausreichend hohen Bildwiederholrate von vorzugsweise ≥ 100 Hz aufgezeichnet. Damit wird für alle Stellen des zweidimensionalen Bereiches eine hohe Anzahl an Messwerten erhalten, die jeweils ein Maß für die Strahlungstemperatur an der entsprechenden Stelle über die Zeitdauer des Schweißprozesses der in dem Bereich hergestellten Schweißnaht darstellen. In der Bildfolge wird dann für jeden Bildpunkt des Bereiches – oder wenigstens eines interessierenden Teilbereiches – ein Maximalwert der erfassten Strahlungsmesswerte bestimmt. Aus den Maximalwerten wird ein Bilddatensatz des Bereiches oder Teilbereiches erzeugt, der für jeden Bildpunkt bzw. jede dem Bildpunkt entsprechende Stelle des Bereiches oder Teilbereiches den Maximalwert enthält. Dieser Bilddatensatz wird als Wärmebild visualisiert und/oder ausgewertet, um daraus eine Bewertung der Qualität der Schweißnaht zu ermöglichen.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren des Standes der Technik wird beim vorgeschlagenen Verfahren somit zum einen die (Strahlungs-)Temperatur der Schweißnaht nicht nur unmittelbar nach Auftreffen des zum Schweißen genutzten energetischen Strahls, bspw. eines Laserstrahls, sondern auch vor und nach der Bestrahlung erfasst. Weiterhin wird für jede Stelle des mit der Wärmebildkamera erfassten zweidimensionalen Bereiches ein entsprechender Temperaturverlauf erhalten. Durch die Komprimierung der Daten der Bildfolge auf einen Bilddatensatz, in den für jede erfasste Stelle des Bereiches bzw. jeden damit verknüpften Bildpunkt nur der Maximalwert der von dieser Stelle ausgehenden Strahlung übernommen wird, wird eine Information über die Wärmeausbreitung in diesem Bereich erhalten. Damit lassen sich vor allem auch unmittelbar nach Herstellung der Schweißnaht auftretende Störungen erkennen, die einen Einfluss auf die Wärmeausbreitung in den Werkstücken haben. Dies betrifft bspw. ein Aufplatzen der Schweißnaht oder ein nicht vollständiges Verbinden bei zwei übereinander liegenden Werkstücken, weil dann der Wärmeeintrag in das untere Werkstück deutlich geringer ist als bei einer korrekten Schweißnaht. Damit erwärmen sich entsprechende Bereiche neben der Schweißnaht nicht so stark wie Bereiche entlang anderer Abschnitte der Schweißnaht, in denen kein Fehler aufgetreten ist. Diese Bereiche geringerer Erwärmung können in dem erstellten Bilddatensatz erkannt werden. Die Verfahren des Standes der Technik, die nur die Temperatur der Schweißnaht beobachten und für Bereiche außerhalb der Schweißnaht keine Aussage über die Wärmeausbreitung treffen können, ist die Detektion derartiger Fehler nicht möglich.
Für die Erfassung einer Bildfolge des jeweiligen zweidimensionalen Bereiches während des Schweißprozesses darf die Wärmebildkamera nicht am Bearbeitungskopf des eingesetzten Schweißgerätes befestigt sein. Vielmehr muss sie bei fixierten Werkstücken statisch angeordnet sein oder bei bewegten Werkstücken mit diesen mitbewegt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Bewertung der Qualität der Schweißnaht dadurch, dass das aus dem erfassten zweidimensionalen Bereich erhaltene Wärmebild der Maximalwerte mit einem oder mehreren Referenzbildern oder Referenzdatensätzen verglichen wird, für die ein Maß für die Qualität der Schweißnaht bekannt ist. Aus diesem Vergleich kann dann die Qualität der vorliegenden Schweißnaht bewertet werden. Dieser Vergleich kann bspw. auch rechnergesteuert mit einem entsprechenden Mustererkennungs- und Mustervergleichsalgorithmus erfolgen.
Vorzugsweise wird mit der Wärmebildkamera ein Bereich der Werkstücke erfasst, der die Umgebung der Schweißnaht bis zu einer Entfernung von wenigstens 10 mm einschließt.
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich zur Prüfung von Schweißnähten bei beliebigen Schweißprozessen einsetzen. Ein besonderes Anwendungsgebiet ist die Fertigungstechnik, insbesondere beim Schweißen mit Laserstrahlung. Beim Schweißen mit Laserstrahlung treten besonders hohe Temperaturgradienten auf, die eine zuverlässige Auswertung der mit dem Verfahren erhaltenen Bilddatensätze ermöglichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der Anordnung zur Überwachung der Qualität einer Schweißnaht bei einem Laserschweißprozess gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren;
2 eine schematische Darstellung, die zwei zu verbindende Werkstücke zeigt; und
3 eine schematische Darstellung eines Wärmebildes der Schweißnaht bei Verbindung der Werkstücke aus 2, die die Maximaltemperaturen während des Schweißprozesses zeigt.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Das vorgeschlagene Verfahren wird im Folgenden anhand der Überwachung eines Laserschweißprozesses nochmals kurz erläutert. 1 zeigt hierzu einen schematischen Aufbau für die Überwachung der Schweißnaht des Laserschweißprozesses mit dem vorgeschlagenen Verfahren. In der Figur sind die beiden zu verbindenden Werkstücke 1 zu erkennen, die mit einem Laserstrahl 2 verschweißt werden. Der Laserstrahl 2 wird hierzu in einem Bearbeitungskopf 3 mit einem geeigneten Scanner 4 dynamisch abgelenkt und entlang der zu erzeugenden Schweißnaht 5 geführt. Die Bewegung des Scanners 4 und die damit verbundene Verschiebung des auf das obere Werkstück 1 fokussierten Laserstrahls 2 ist mit gepunkteten Linien angedeutet. Der Laserstrahl 2 wird in bekannter Weise mit einer Optik auf die Oberfläche des Werkstücks fokussiert.
Während des Schweißprozesses zur Herstellung der Schweißnaht 5 wird die Oberfläche der zu verbindenden Werkstücke 1 oder zumindest ein zweidimensionaler Bereich dieser Oberfläche, der die Schweißnaht 5 enthält, mit einer Thermografie- bzw. Wärmebildkamera 6 erfasst. Die Wärmebildkamera 6 zeichnet dabei die Strahlungstemperatur der Oberfläche als Bildfolge während der gesamten Dauer der Erzeugung der Schweißnaht 5 auf. Die Daten dieser Bildfolge werden in einem Rechner 7 gespeichert. Ergebnis ist die orts- und zeitaufgelöste Strahlungstemperatur des mit der Wärmebildkamera 6 erfassten Bereiches. Die mathematische Darstellung ist T_Φ(x, y, t) mit t ∊ [0, τ_L]

T_Φ:: Strahlungstemperatur,
x, y:: Ortsvariablen,
t:: Zeitvariable
τ_L:: Dauer der Lasereinstrahlung.

Aus der erfassten Bildfolge bzw. den darin enthaltenen Daten wird dann die thermische Signatur S(x, y) für jeden Bildpunkt als Maximum über eine Beobachtungsdauer τ_B größer oder gleich der Schweißdauer τ_L berechnet:
Der damit erhaltene Bilddatensatz wird visualisiert, ausgewertet oder beides. Vorzugsweise wird eine Qualitätsangabe Q ∊ [0%, 100%] mittels digitaler Bildverarbeitung der Signatur S (x, y) bestimmt, bspw. durch Binarisierung nach Otsa und Abweichung von Fläche und Umriss von Referenzwerten. Damit wird dann eine Bewertung der Qualität der erzeugten Schweißnaht erhalten.
2 zeigt beispielhaft zwei Werkstücke 1a, 1b, die mit einem Laserschweißprozess entlang einer in der Figur schematisch angedeuteten Schweißnaht 5 verbunden werden sollen. Mit einer Wärmebildkamera wird eine entsprechende Bildfolge während des Schweißprozesses aufgezeichnet und gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren auf einen Bilddatensatz komprimiert, der schematisch als Wärmebild 8 in der 3 dargestellt ist. Hierbei sind die unterschiedlichen Temperaturbereiche stark vereinfacht durch unterschiedliche Linien angedeutet. Bei korrekter Verbindung ergibt sich ein Bild der Maximaltemperaturen, die von der Schweißnaht zu umgebenden Bereichen hin in bestimmter Weise abnehmen. Bei nicht korrekter Verbindung werden bspw. an Stellen, an denen eine höhere Temperatur erreicht werden sollte, niedrigere Temperaturen erreicht, die dann in einem derartigen Bild erkannt werden können.
Bezugszeichenliste

1: Werkstücke
1a: oberes Werkstück
1b: unteres Werkstück
2: Laserstrahl
3: Bearbeitungskopf
4: Scanner
5: Schweißnaht
6: Wärmebildkamera
7: Rechner
8: Wärmebild

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 60312962 T2 [0003]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://www.hksprozesstechnik.de/produkte/thermoprofilscanner [0005]

Claims

Verfahren zur Überwachung der Qualität einer Schweißnaht, insbesondere beim Laserschweißen, bei dem – während des Schweißprozesses mit einer Wärmebildkamera (6) mit einem zweidimensionalen Bildsensor eine Bildfolge eines Bereiches zu verbindender Werkstücke (1) aufgezeichnet wird, in dem wenigstens ein Abschnitt der Schweißnaht (5) erzeugt wird, – in der Bildfolge für jeden Bildpunkt des Bereiches oder eines interessierenden Teilbereiches ein Maximalwert der mit der Wärmebildkamera (6) zu diesem Bildpunkt erfassten Strahlungsintensität ermittelt wird, – aus den Maximalwerten ein Bilddatensatz des Bereiches oder Teilbereiches erzeugt wird, und – der Bilddatensatz visualisiert und/oder ausgewertet wird, um eine Bewertung der Qualität der Schweißnaht zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bilddatensatz zur Bewertung der Qualität der Schweißnaht (5) mit einem oder mehreren Referenzdatensätzen verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Vergleich mit einem Bildverarbeitungs- oder Mustererkennungsalgorithmus erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Wärmebildkamera (6) aufgezeichnete Bereich eine Umgebung von wenigstens 10 mm Entfernung zur Schweißnaht (5) enthält.