DE102017201730B4 - Welding method and welding apparatus - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Schweißen, bei dem wenigstens zwei Bauteile (5, 6) in einer Stoßanordnung zueinander positioniert werden und durch eine Schweißnaht (9) stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wozu mit einer Schweißvorrichtung (1) anhand von Steuerungsparametern (ST) an einer Schweißstelle (8) in den Bauteilen ein Schmelzbad erzeugt wird und die Schweißstelle (8) relativ zu den Bauteilen (5, 6) bewegt wird,dadurch gekennzeichnet, dassmittels einer Time-of-flight Erfassungsvorrichtung (10; 16) ein Beobachtungsfenster (11; 18) auf den Bauteilen erfasst wird, das der Schweißstelle (8) zumindest teilweise vorauseilt, und korrespondierende Bilddaten (B1) erzeugt werden,- durch Auswertung der Time-of-flight Bilddaten (B1) korrespondierende Topographiedaten (T) der Bauteilanordnung ermittelt werden, wobei die Topographiedaten (T) einen Beschnittwinkel wenigstens eines der Bauteile wiedergeben, und die Steuerungsparameter (ST) der Schweißvorrichtungaufgrund der Topographiedaten (T) angepasst werden.Method for welding, in which at least two components (5, 6) are positioned in a joint arrangement relative to one another and are materially connected to one another by a weld seam (9), for which purpose using a welding device (1) based on control parameters (ST) at a welding point (8 ) a melt pool is generated in the components and the welding point (8) is moved relative to the components (5, 6), characterized in that an observation window (11; 18) is created by means of a time-of-flight detection device (10; 16). the components are detected, which at least partially precedes the welding point (8), and corresponding image data (B1) are generated, - corresponding topography data (T) of the component arrangement are determined by evaluating the time-of-flight image data (B1), the topography data (T) represent a trimming angle of at least one of the components, and the control parameters (ST) of the welding device are adjusted based on the topography data (T).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schweißen mit Nahtführung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und eine Schweißvorrichtung.The present invention relates to a method for welding with seam guidance according to the preamble of claim 1 and a welding device.

Beim Schweißen wird das Material der zu verbindenden Bauteile an der Fügestelle bis über die Liquidustemperatur erhitzt. Die schmelzflüssigen Phasen beider Bauteile vermischen sich und erstarren nach Abkühlung zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Zum Schweißen von Nähten sind u.a. das Metallschutzgasschweißen und das Laserstrahlschweißen gebräuchliche Schweißverfahren. Das Metallschutzgasschweißen ist ein Lichtbogenschweißverfahren, bei dem der abschmelzende Zusatzdraht kontinuierlich dem Schmelzbad zugeführt wird. Die Fügestelle wird zeitgleich von einem Schutzgas umströmt. Je nach verwendeter Schutzgasart wird das Metallschutzgasschweißen auch als Metallaktivgas (MAG)- oder Metallinertgas-(MIG) Schweißen bezeichnet. Beim Laserstrahlschweißen wird ein fokussierter Laserstrahl hoher Leistungsdichte auf eine Fügestelle gerichtet, wodurch das bestrahlte Material aufschmilzt. Durch Ausführen einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkzeug wird das Schmelzbad über die Bauteile bewegt. Die erkaltende Schmelze erstarrt und verbindet die miteinander verschweißten Bauteile stoffschlüssig.During welding, the material of the components to be joined is heated at the joint to above the liquidus temperature. The molten phases of both components mix and solidify after cooling to form a cohesive connection. Common welding processes for welding seams include gas metal arc welding and laser beam welding. Gas metal arc welding is an arc welding process in which the melting filler wire is continuously fed into the weld pool. At the same time, a protective gas flows around the joint. Depending on the type of inert gas used, metal inert gas welding is also referred to as metal active gas (MAG) or metal inert gas (MIG) welding. During laser beam welding, a focused laser beam of high power density is directed onto a joint, causing the irradiated material to melt. By executing a relative movement between the laser beam and the tool, the melt pool is moved over the components. The cooling melt solidifies and bonds the welded components together.

Durch den Einsatz von Nahtführungssystemen ist es insbesondere auch möglich, Schweißungen an Bauteilkanten, z.B. zur Ausbildung von Kehlnähten, durchzuführen. Neben taktilen Verfahren ist ein nach dem Lichtschnittverfahren arbeitendes Nahtführungssystem beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2006 004 919 A1 bekannt. Vorlaufend zur Schweißposition eines Schweißlasers wird eine Laserlinie auf die Bauteile projiziert. Das projizierte Bild wird von einer Kamera erfasst und hinsichtlich des Linienversatzes ausgewertet. Durch Bestimmung des Linienversatzes kann der Kantenverlauf bestimmt werden.By using seam guidance systems, it is also possible, in particular, to carry out welds on component edges, for example to form fillet welds. In addition to tactile processes, a seam guidance system that works according to the light section process is, for example, from the publication DE 10 2006 004 919 A1 known. A laser line is projected onto the components in advance of the welding position of a welding laser. The projected image is captured by a camera and evaluated for line offset. The edge course can be determined by determining the line offset.

Gerade beim Laserstrahlschweißen, das üblicherweise ohne Zusatzwerkstoff durchgeführt wird, ist jedoch die Bestimmung des Kantenverlaufs alleine nicht ausreichend um die notwendige Prozesssicherheit sicherstellen zu können.However, especially with laser beam welding, which is usually carried out without additional material, determining the edge shape alone is not sufficient to ensure the necessary process reliability.

Weiterhin aus ist aus der Druckschrift WO 2016/ 209 583 A1 ein bildverarbeitendes Schweißsystem bekannt mit einer Schweißausrüstung und einer Time of flight-Kamera, mit der eine dreidimensionale Tiefenkarte der Schweißstelle erzeugt wird und einer digitalen Bildverarbeitungsschalten, welche Schweißinformationen aus der Tiefenkarte extrahiert.Further out is from the publication WO 2016/ 209 583 A1 an image processing welding system known with welding equipment and a time of flight camera with which a three-dimensional depth map of the weld is generated and a digital image processing circuit which extracts welding information from the depth map.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie die Prozesssicherheit beim Schweißen und insbesondere beim Laserschweißen verbessert werden kann.Against this background, the object of the present invention is to show a way in which process reliability in welding and in particular in laser welding can be improved.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie ein Vorrichtung nach Patentanspruch 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The problem is solved by a method according to patent claim 1 and a device according to patent claim 10. Further advantageous embodiments of the invention result from the subclaims.

Es wird ein Verfahren zum Schweißen angegeben, bei dem wenigstens zwei Bauteile in einer Stoßanordnung zueinander positioniert werden und durch eine Schweißnaht stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Hierzu wird mit einer Schweißvorrichtung anhand von Steuerungsparametern an einer Schweißstelle in den Bauteilen ein Schmelzbad erzeugt und die Schweißstelle relativ zu den Bauteilen bewegt. Erfindungsgemäß wird mittels einer Time-of-flight Erfassungsvorrichtung ein Beobachtungsfenster auf den Bauteilen erfasst, das der Schweißstelle zumindest teilweise vorauseilt, und es werden korrespondierende Bilddaten erzeugt. Durch Auswertung der Time-of-flight Bilddaten werden korrespondierende Topographiedaten der Bauteilanordnung ermittelt und die Steuerungsparameter der Schweißvorrichtung werden aufgrund der Topographiedaten angepasst.A method for welding is specified in which at least two components are positioned in an abutting arrangement relative to one another and are materially connected to one another by a weld seam. For this purpose, a welding device is used to create a melt pool at a welding point in the components using control parameters and the welding point is moved relative to the components. According to the invention, a time-of-flight detection device is used to detect an observation window on the components that at least partially precedes the welding point, and corresponding image data is generated. By evaluating the time-of-flight image data, corresponding topography data of the component arrangement is determined and the control parameters of the welding device are adjusted based on the topography data.

Erfindungsgemäß wird eine Time-of-flight (TOF)-Erfassungsvorrichtung zur Nahterkennung bzw. Nahtverfolgung eingesetzt. Die TOF-Erfassungsvorrichtung kann z.B. mittels eines PMD (Photomischdetektor)-Flächensensors als TOF-Kamera realisiert sein. Die TOF-Erfassungsvorrichtung leuchtet die Bauteile in dem Beobachtungsfenster mittels eines Lichtpulses aus und ermittelt für jeden Bildpunkt die Zeit, die das Licht bis zum Bauteil und wieder zurück braucht. Aus den TOF-Bilddaten kann somit für jeden Bildpunkt der Abstand zum Bauteil bestimmt werden und es können Topographiedaten erzeugt werden, welche die Oberflächengestalt der Bauteile im Beobachtungsfenster wiederspiegeln. Die Topographiedaten können z.B. als Datensatz oder als dreidimensionale bildhafte Darstellung aufbereitet werden.According to the invention, a time-of-flight (TOF) detection device is used for seam detection or seam tracking. The TOF detection device can be implemented as a TOF camera, for example, using a PMD (photomix detector) surface sensor. The TOF detection device illuminates the components in the observation window using a light pulse and determines for each pixel the time it takes for the light to reach the component and back again. From the TOF image data, the distance to the component can be determined for each pixel and topography data can be generated that reflects the surface shape of the components in the observation window. The topography data can be prepared, for example, as a data set or as a three-dimensional pictorial representation.

Vorteilhafterweise kann mit der TOF-Erfassungsvorrichtung das gesamte Beobachtungsfenster auf einmal aufgenommen werden, ein zeilenweises Abtasten ist nicht notwendig. Die ermittelten Daten stehen quasi in Echtzeit zur Verfügung. Zudem ist mit der TOF-Technik eine hohe Auflösung bis in den HD-Bereich möglich. Somit werden sehr hochwertige und aussagekräftige Daten von der Fügestelle erhalten, die verwendet werden, um die Steuerungsparameter, mit denen das Schweißverfahren gesteuert wird, in Echtzeit anzupassen.Advantageously, the entire observation window can be recorded at once with the TOF detection device; line-by-line scanning is not necessary. The data determined is available virtually in real time. In addition, high resolution up to the HD range is possible with TOF technology. This means that very high quality and meaningful data is obtained from the joint, which is used to adjust the control parameters that control the welding process in real time.

Die Topographiedaten geben einen Beschnittwinkel wenigstens eines der Bauteile wieder, z.B. den Beschnittwinkel des Oberblechs an einem Überlappstoß.The topography data reflects a trimming angle of at least one of the components, for example the trimming angle of the top sheet at an overlap joint.

Die Bilddaten der TOF-Erfassungsvorrichtung können auch ausgewertet werden, um mehrere der beschriebenen Arten von Topographiedaten zu ermitteln oder weitere Topographiedaten, z.B. Entfernung vom Bauteil.The image data from the TOF detection device can also be evaluated in order to determine several of the types of topography data described or further topography data, e.g. distance from the component.

Die ermittelten Topographiedaten können in einer Ausgestaltung den Verlauf einer Bauteilkante wiedergeben. Die genaue Kenntnis des Kantenverlaufs ermöglicht die exakte Positionierung der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls relativ zu den Bauteilen, z.B. bei einer Kehlnahtschweißung oder I-Naht am Stumpfstoß und macht eine taktile Nahtführung entbehrlich.In one embodiment, the determined topography data can reflect the course of a component edge. Exact knowledge of the edge path enables the exact positioning of the welding point or the laser beam relative to the components, e.g. in the case of a fillet weld or I-seam on a butt joint, and makes tactile seam guidance unnecessary.

Weiterhin können die Topographiedaten das Spaltmaß eines Fügespaltes zwischen den Bauteilen wiedergeben. Dies kann genutzt werden, um z.B. die Vorschubgeschwindigkeit des Zusatzdrahtes anzupassen oder beispielsweise eine Strahloszillation eines Laserstrahls anzupassen. Das Laserstrahlschweißen hat aufgrund des geringen Strahldurchmessers und des relativ kleinen Schmelzbades nur eine geringe Spaltüberbrückbarkeit, die jedoch z.B. durch Oszillation des Laserstrahls verbessert werden kann. Die Auswertung der TOF-Bilddaten hinsichtlich des Spaltmaßes ermöglicht z.B. eine gezielte Anpassung der Strahloszillation.Furthermore, the topography data can reflect the gap size of a joining gap between the components. This can be used, for example, to adjust the feed speed of the filler wire or, for example, to adjust the beam oscillation of a laser beam. Due to the small beam diameter and the relatively small melt pool, laser beam welding has little gap bridging ability, but this can be improved, for example, by oscillating the laser beam. The evaluation of the TOF image data with regard to the gap size enables, for example, a targeted adjustment of the beam oscillation.

Vorzugsweise wird aufgrund der ermittelten Topographiedaten die Position der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls relativ zu einer Bauteilkante angepasst oder es werden die Schweißparameter angepasst, wie z.B. der Schweißstrom, die Vorschubgeschwindigkeit, der Drahtvorschub oder bei Verwendung eines Laserstrahls die Fokuslage, Fokusdurchmesser, Oszillationsart, -größe und -frequenz oder Schweißgeschwindigkeit oder es werden sowohl die Position der Schweißstelle bzw. des Laserstrahls als auch die Schweißparameter angepasst.Preferably, based on the determined topography data, the position of the welding point or the laser beam is adjusted relative to a component edge or the welding parameters are adjusted, such as the welding current, the feed speed, the wire feed or, when using a laser beam, the focus position, focus diameter, type and size of oscillation and frequency or welding speed or both the position of the welding point or the laser beam and the welding parameters are adjusted.

In einer Ausgestaltung kann das Verfahren zudem verwendet werden, um eine Qualitätssicherung der erzeugten Schweißnaht unmittelbar an den Schweißprozess anschließend durchzuführen. Hierzu werden in einem der Schweißstelle nachlaufenden Beobachtungsabschnitt mittels Time-of-flight Erfassungsvorrichtung Bilddaten aufgenommen und hinsichtlich der Qualität der Schweißnaht ausgewertet. Die Bilddaten ermöglichen eine hochauflösende dreidimensionale Darstellung der erzeugten Schweißnaht und bilden die Grundlage für eine hochwertige optische Nahtinspektion. Die Beurteilung der Qualität der Schweißnaht kann z.B. durch geschultes Fachpersonal erfolgen oder in automatisierter Form, z.B. durch Vergleich der Bilddaten mit Referenzdatensätzen. Fehlstellen in der Schweißnaht können so unmittelbar an den Schweißprozess anschließend aufgefunden werden.In one embodiment, the method can also be used to carry out quality assurance of the weld seam produced immediately after the welding process. For this purpose, image data is recorded in an observation section following the weld using a time-of-flight recording device and evaluated with regard to the quality of the weld. The image data enables a high-resolution three-dimensional representation of the weld seam created and forms the basis for high-quality optical seam inspection. The assessment of the quality of the weld seam can be carried out, for example, by trained specialist personnel or in an automated form, for example by comparing the image data with reference data sets. Defects in the weld seam can be found immediately after the welding process.

Der nachlaufende Beobachtungsabschnitt kann durch dieselbe TOF-Erfassungsvorrichtung erfasst werden, mit der auch die Bilddaten im vorlaufenden Bereich aufgenommen werden. In diesem Fall ist der nachlaufende Beobachtungsabschnitt Teil des Beobachtungsfensters, das dann sowohl den Bereich vor der Schweißstelle als auch einen nachfolgenden Bereich umfasst. In diesem Fall kann die TOF-Erfassungsvorrichtung z.B. mit einem Filter ausgestattet sein, um Prozesslicht des Lasers weg zu filtern.The trailing observation section can be captured by the same TOF capture device that is used to capture the image data in the leading area. In this case, the trailing observation section is part of the observation window, which then includes both the area in front of the weld and a subsequent area. In this case, the TOF detection device can be equipped with a filter, for example, to filter out process light from the laser.

In einer Ausgestaltung erfolgt die Erfassung des nachlaufenden Beobachtungsabschnitts mit einer zweiten TOF-Erfassungsvorrichtung, deren Erfassungsbereich als zweites Beobachtungsfenster zumindest teilweise auf den nachlaufenden Bereich gerichtet ist.In one embodiment, the detection of the trailing observation section is carried out with a second TOF detection device, the detection area of which is at least partially directed towards the trailing area as a second observation window.

Vorzugsweise werden die Bilddaten des Beobachtungsfensters und - soweit erfasst - des zweiten Beobachtungsfensters fortlaufend während der Dauer der Schweißung erfasst. Dabei wandern die Beobachtungsfenster vorzugsweise mit der fortschreitenden Schweißnaht mit.The image data of the observation window and - if recorded - of the second observation window are preferably recorded continuously during the duration of the welding. The observation windows preferably migrate as the weld seam progresses.

Bei den Bauteilen handelt es sich vorzugsweise um Metallbauteile. Ein Metallbauteil ist insbesondere ein Blechformteil, z.B. aus einem Aluminium- oder Stahlblech, wobei es sich auch um ein Gußteil oder Profilteil handeln kann. Die Bauteile können vorzugsweise Fahrzeugbauteile sein, z.B. Karosseriebauteile oder Karosserieanbauteile, Fahrwerksbauteile etc.The components are preferably metal components. A metal component is in particular a sheet metal part, for example made of aluminum or steel sheet, which can also be a cast part or profile part. The components can preferably be vehicle components, e.g. body components or body attachment parts, chassis components, etc.

Vorteilhafter weise werden mit dem Verfahren in Echtzeit Bilddaten bereitgestellt und ausgewertet, die eine deutlich verbesserte Nahtführung und Regelung der Schweißprozessparameter ermöglichen. Vorhandene Maßabweichungen können vorlaufend vor der Schweißstelle erkannt werden und die Schweißparameter entsprechend angepasst werden. Zudem besteht die Möglichkeit einer optischen Auswertung der Naht unmittelbar nach deren Herstellung, was u.a. die Möglichkeit zu einer „Reparatur“ im selben Arbeitsgang eröffnet. Resultierend kann die Prozesssicherheit gesteigert werden.Advantageously, the method provides and evaluates image data in real time, which enables significantly improved seam guidance and control of the welding process parameters. Existing dimensional deviations can be detected in advance of the welding point and the welding parameters can be adjusted accordingly. There is also the possibility of visually evaluating the seam immediately after it has been produced, which, among other things, opens up the possibility of a “repair” in the same operation. As a result, process reliability can be increased.

Vorzugsweise wird das Verfahren verwendet, um die Steuerungsparameter einer Laserschweißvorrichtung oder einer Metallschutzgasschweißvorrichtung anzupassen, ist jedoch grundsätzlich auch für andere Schweißvorrichtungen einsetzbar.The method is preferably used to adapt the control parameters of a laser welding device or a metal inert gas welding device, but can in principle also be used for other welding devices.

Weiterhin wird eine Schweißvorrichtung angegeben, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist. Die Schweißvorrichtung beinhaltet eine Steuerungsvorrichtung, die eingerichtet ist, um anhand von Steuerungsparametern ein Schmelzbad in den zu fügenden Bauteilen erzeugt, und die Schweißstelle relativ zu den Bauteilen zu bewegen. Weiterhin beinhaltet die Schweißvorrichtung eine Time-of-Flight Erfassungsvorrichtung, deren Erfassungsbereich auf ein Beobachtungsfenster richtbar ist, das der Schweißstelle zumindest teilweise vorauseilt und mit der Bilddaten des Beobachtungsfensters erfassbar sind, sowie eine Auswerteeinrichtung, die anhand der Time-of-flight-Bilddaten Topographiedaten der Bauteile in dem Beobachtungsfenster erzeugt, anhand der ermittelten Topographiedaten die Steuerungsparameter anpasst und in einer Regelverbindung mit der Steuerungsvorrichtung steht.Furthermore, a welding device is specified which is suitable for carrying out the method according to the invention. The welding device includes a control device which is set up to generate a melt pool in the components to be joined based on control parameters and to move the welding point relative to the components. Furthermore, the welding device contains a time-of-flight detection device, the detection range of which can be directed towards an observation window which at least partially precedes the welding point and with which image data of the observation window can be recorded, as well as an evaluation device which generates topography data based on the time-of-flight image data of the components in the observation window, adapts the control parameters based on the determined topography data and is in a control connection with the control device.

Die Auswerteeinrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, um aus Bilddaten, die in einem der Schweißstelle nachlaufenden Beobachtungsabschnitt erfasst werden, eine optische Darstellung der Nahttopographie zu erzeugen und/oder die Qualität der Schweißnaht zu bewerten. Zur Bewertung der Schweißnahtqualität können z.B. die Bilddaten mit Referenzdaten verglichen werden oder Kenngrößen ermittelt werden.The evaluation device can further be set up to generate an optical representation of the seam topography from image data that is recorded in an observation section following the welding point and/or to evaluate the quality of the welding seam. To evaluate the weld seam quality, for example, the image data can be compared with reference data or parameters can be determined.

Soll der nachlaufende Beobachtungsabschnitt als separates zweites Beobachtungsfenster erfasst werden, so kann die Schweißvorrichtung optional eine zweite Time-of-flight Erfassungsvorrichtung aufweisen, deren Erfassungsbereich auf den der Schweißstelle nachlaufenden, zweiten Beobachtungsabschnitt richtbar ist.If the trailing observation section is to be recorded as a separate second observation window, the welding device can optionally have a second time-of-flight detection device, the detection range of which can be directed towards the second observation section trailing the welding point.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Schweißvorrichtung eine Laserstrahlschweißvorrichtung und beinhaltet weiterhin eine Laserquelle sowie eine geeignete Optik zur Erzeugung des Schweißlaserstrahls. Vorzugsweise kann es sich bei der Laserstrahlschweißvorrichtung um eine Laser-Remote-Schweißvorrichtung handeln. Beim Laser-Remote-Schweißen wird der Laserstrahl mit großem Arbeitsabstand, z.B. mehr als 40 cm, mittels einer Scanneroptik über die Bauteile bewegt. Das Laser-Remote Schweißen ermöglicht hohe Arbeitsgeschwindigkeiten auch bei komplexen Schweißnahtgeometrien. Zur Beibehaltung dieser Vorteile ist (sind) die TOF-Erfassungsvorrichtung(en) vorzugsweise in den die Optik tragenden Remote-Kopf integriert.In a preferred embodiment, the welding device is a laser beam welding device and further includes a laser source and suitable optics for generating the welding laser beam. Preferably, the laser beam welding device can be a laser remote welding device. In laser remote welding, the laser beam is moved over the components at a large working distance, e.g. more than 40 cm, using scanner optics. Laser remote welding enables high working speeds even with complex weld seam geometries. To maintain these advantages, the TOF detection device(s) is (are) preferably integrated into the remote head carrying the optics.

Ist die Schweißvorrichtung eine Metallschutzgasschweißvorrichtung so beinhaltet sie weiterhin einen Schweißbrenner mit Drahtvorschub und Stromversorgung zur Erzeugung des Lichtbogens sowie eine Schutzgaszuführung.If the welding device is a metal inert gas welding device, it also contains a welding torch with wire feed and power supply to generate the arc as well as an inert gas supply.

Die Schweißvorrichtung kann zur Durchführung des voranstehend beschriebenen Verfahrens verwendet werden und erzielt als solche dieselben technischen Wirkungen und Vorteile, wie sie zum Verfahren beschrieben wurden.The welding device can be used to carry out the method described above and as such achieves the same technical effects and advantages as those described for the method.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff „kann“ verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.The characteristics, features and advantages of this invention described above and the manner in which they are achieved will be more clearly and clearly understood from the drawings and in connection with the following description of the exemplary embodiments. If the term “can” is used in this application, it refers to both the technical possibility and the actual technical implementation.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen in schematischer Ansicht:

  • 1 eine beispielhafte Schweißvorrichtung zur Erläuterung des Verfahrens und
  • 2 eine alternative Ausgestaltung einer Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Examples of embodiments are explained below using the accompanying drawings. It shows in a schematic view:
  • 1 an exemplary welding device to explain the method and
  • 2 an alternative embodiment of a welding device for carrying out the method.

1 zeigt eine Prinzipskizze einer Schweißvorrichtung 1 in Form einer Laser-Remote-Schweißvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. Von einer nicht dargestellten Laserquelle wird Laserstrahlung in eine Scanner-Vorrichtung 2 eingekoppelt und über bewegliche Spiegel 3 und eine Fokussier- und Umlenkeinheit 4 als fokussierter Schweißlaserstrahl S auf die zu verschweißenden Bauteile 5, 6 gelenkt. Die Steuerung der Strahlbewegung und -parameter erfolgt mittels einer Steuerungsvorrichtung 7, die hierzu in einer Wirkverbindung mit den strahlformenden und -bewegenden Vorrichtungskomponenten steht. 1 shows a schematic sketch of a welding device 1 in the form of a laser remote welding device with which the method according to the invention can be carried out. From a laser source, not shown, laser radiation is coupled into a scanner device 2 and directed via movable mirrors 3 and a focusing and deflection unit 4 as a focused welding laser beam S onto the components 5, 6 to be welded. The beam movement and parameters are controlled by means of a control device 7, which is in operative connection with the beam-shaping and moving device components.

Die zu verschweißenden Bauteile 5, 6 in Form von Blechbauteilen sind im Überlappstoß angeordnet und sollen mit einer Stirnkehlnaht verschweißt werden. Hierzu wird der Laserstrahl S auf die Bauteile 5, 6 gerichtet, wo er an der Schweißstelle 8 ein Schmelzbad erzeugt. Die Schweißstelle 8 wird durch die Bauteile 5, 6 bewegt, wodurch sich die Schweißnaht 9 ausbildet. Die Schweißrichtung ist durch den Pfeil R angegeben. Am Ende der Schweißnaht 9 wird der Laserstrahl S abgeschaltet.The components 5, 6 to be welded in the form of sheet metal components are arranged in an overlap joint and should be welded with a fillet weld. For this purpose, the laser beam S is directed onto the components 5, 6, where it creates a melt pool at the welding point 8. The welding point 8 is moved by the components 5, 6, whereby the weld seam 9 is formed. The welding direction is indicated by the arrow R. At the end of the weld seam 9, the laser beam S is switched off.

Die Schweißvorrichtung 1 weist weiterhin eine TOF-Kamera 10 auf, die in die Scanner-Vorrichtung 2 integriert ist. Der Erfassungsbereich der TOF-Kamera 10 ist so ausgerichtet, dass ein Beobachtungsfenster 11 erfasst wird, das sowohl einen der Schweißstelle vorlaufenden Beobachtungsabschnitt 12 als auch einen nachlaufenden Beobachtungsabschnitt 13 erfasst.The welding device 1 also has a TOF camera 10, which is integrated into the scanner device 2. The detection area of the TOF camera 10 is aligned so that an observation window 11 is captured, which has both an observation section leading up to the welding point 12 as well as a trailing observation section 13 recorded.

Die TOF-Kamera 10 wird während der Schweißung betrieben und erfasst fortlaufend Bilddaten B1, B2 aus dem Beobachtungsfenster 11. Die Bilddaten B1, B2 werden an eine Auswerteeinrichtung 14 übertragen. Aus den Bilddaten B1 des vorlaufenden Beobachtungsabschnitts 12 werden Topographiedaten T der Bauteiloberflächen erzeugt. Diese Topographiedaten T geben z.B. die Lage und den Verlauf der Bauteilkante, den Beschnittwinkel des Oberblechs 5 und eine Spaltbreite zwischen Ober- und Unterblech an. Die Topographiedaten T werden verwendet, um die Steuerungsparameter ST, mit der die Steuerungsvorrichtung 7 die Schweißung steuert, in der Art einer Regelverbindung anzupassen.The TOF camera 10 is operated during welding and continuously captures image data B1, B2 from the observation window 11. The image data B1, B2 are transmitted to an evaluation device 14. Topography data T of the component surfaces is generated from the image data B1 of the preceding observation section 12. This topography data T indicates, for example, the position and course of the component edge, the trimming angle of the top sheet 5 and a gap width between the top and bottom sheets. The topography data T is used to adapt the control parameters ST, with which the control device 7 controls the welding, in the manner of a control connection.

Weiterhin werden die Bilddaten B2, welche im nachlaufenden Beobachtungsabschnitt 13 erfasst werden, zur Beurteilung der Nahtqualität herangezogen. Hierzu erzeugt die Auswerteeinrichtung 14 eine optische Darstellung der Nahttopographie und bewertet die Qualität der Schweißnaht 9 durch Vergleich der Bilddaten B2 mit Referenzdaten oder durch Ermittlung von Kenngrößen. Die Beurteilung der Nahtqualität kann dann an eine Auswerteschnittstelle 15, z.B. einen Computer oder Bildschirm, ausgegeben werden.Furthermore, the image data B2, which is recorded in the subsequent observation section 13, is used to assess the seam quality. For this purpose, the evaluation device 14 generates an optical representation of the seam topography and evaluates the quality of the weld seam 9 by comparing the image data B2 with reference data or by determining parameters. The assessment of the seam quality can then be output to an evaluation interface 15, for example a computer or screen.

2 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Schweißvorrichtung 1A mit zwei TOF-Kameras 16, 17. Soweit die Vorrichtung und Bauteilanordnung in 2 mit der in 1 übereinstimmt, sind dieselben Bezugszeichen verwendet und es gilt das voranstehend Beschriebene auch für 2. Eine erste TOF-Kamera 16 ist so ausgerichtet, dass ihr Erfassungsbereich auf ein erstes Beobachtungsfenster 18 gerichtet ist, das der Schweißstelle 8 vorläuft. Die erste TOF-Kamera 16 liefert die Bilddaten B1 zur Topographiebestimmung der Bauteilanordnung und zur Anpassung der Steuerungsparameter ST für den Schweißprozess. Eine zweite TOF-Kamera 17 ist so ausgerichtet, dass ihr Erfassungsbereich auf ein zweites Beobachtungsfenster 18 gerichtet ist, das der Schweißstelle 8 zumindest teilweise nachläuft und in dem die Naht bereits ausgebildet ist. Die zweite TOF-Kamera 17 liefert die Bilddaten B2, die zur Beurteilung der Schweißnahtqualität herangezogen werden. 2 shows an alternative embodiment of the welding device 1A with two TOF cameras 16, 17. As far as the device and component arrangement in 2 with the in 1 matches, the same reference numerals are used and what has been described above also applies to 2 . A first TOF camera 16 is aligned so that its detection range is directed towards a first observation window 18, which precedes the weld 8. The first TOF camera 16 supplies the image data B1 for determining the topography of the component arrangement and for adapting the control parameters ST for the welding process. A second TOF camera 17 is aligned so that its detection range is directed towards a second observation window 18, which at least partially follows the weld 8 and in which the seam is already formed. The second TOF camera 17 supplies the image data B2, which is used to assess the weld seam quality.

Die Erfassungsbereiche der TOF-Kameras werden vorzugsweise in Schweißrichtung R mitbewegt.The detection areas of the TOF cameras are preferably moved in the welding direction R.

Die Scannervorrichtung 2 kann stationär angeordnet sein oder bewegbar z.B. an einer nicht dargestellten Handhabungsvorrichtung wie z.B. einem Roboter. Die gezeigte Stoßart und die Art der Schweißnaht sind beispielhaft. Das Verfahren und die Vorrichtung sind ebenso geeignet, um andere Nahtformen und/oder Stoßarten miteinander zu verbinden, z.B. I-Naht am Stumpfstoß etc.The scanner device 2 can be arranged stationary or movable, for example on a handling device (not shown), such as a robot. The type of joint shown and the type of weld seam are exemplary. The method and the device are also suitable for connecting other seam shapes and/or types of joints, e.g. I-seam on butt joints, etc.

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.The exemplary embodiments are not to scale and are not limiting. Modifications are possible within the scope of professional action.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1, 1A1, 1A
SchweißvorrichtungWelding device
22
Scanner-VorrichtungScanner device
33
SpiegelMirror
44
Fokussier-/UmlenkeinrichtungFocusing/deflection device
5, 65, 6
BauteileComponents
77
SteuerungsvorrichtungControl device
88th
SchweißstelleWelding point
99
SchweißnahtWeld
1010
TOF-KameraTOF camera
1111
Beobachtungsfensterobservation window
12, 1312, 13
BeobachtungsabschnittObservation section
1414
AuswerteeinrichtungEvaluation device
1515
Schnittstelleinterface
16, 1716, 17
TOF-KameraTOF camera
18, 1918, 19
Beobachtungsfensterobservation window
B1, B2B1, B2
BidldatenImage data
TT
TopographiedatenTopography data
STST
SteuerungsparameterControl parameters
RR
SchweißrichtungWelding direction

Claims (12)

Verfahren zum Schweißen, bei dem wenigstens zwei Bauteile (5, 6) in einer Stoßanordnung zueinander positioniert werden und durch eine Schweißnaht (9) stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wozu mit einer Schweißvorrichtung (1) anhand von Steuerungsparametern (ST) an einer Schweißstelle (8) in den Bauteilen ein Schmelzbad erzeugt wird und die Schweißstelle (8) relativ zu den Bauteilen (5, 6) bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Time-of-flight Erfassungsvorrichtung (10; 16) ein Beobachtungsfenster (11; 18) auf den Bauteilen erfasst wird, das der Schweißstelle (8) zumindest teilweise vorauseilt, und korrespondierende Bilddaten (B1) erzeugt werden, - durch Auswertung der Time-of-flight Bilddaten (B1) korrespondierende Topographiedaten (T) der Bauteilanordnung ermittelt werden, wobei die Topographiedaten (T) einen Beschnittwinkel wenigstens eines der Bauteile wiedergeben, und die Steuerungsparameter (ST) der Schweißvorrichtungaufgrund der Topographiedaten (T) angepasst werden.Method for welding, in which at least two components (5, 6) are positioned in a joint arrangement relative to one another and are materially connected to one another by a weld seam (9), for which purpose using a welding device (1) based on control parameters (ST) at a welding point (8 ) a melt pool is generated in the components and the welding point (8) is moved relative to the components (5, 6), characterized in that an observation window (11; 18) is created by means of a time-of-flight detection device (10; 16). is recorded on the components, which at least partially precedes the welding point (8), and corresponding image data (B1) are generated, - by evaluating the time-of-flight image data (B1), corresponding topography data (T) of the construction partial arrangement can be determined, the topography data (T) reflecting a trimming angle of at least one of the components, and the control parameters (ST) of the welding device are adjusted based on the topography data (T). Verfahren nach Patentanspruch 1, bei dem die Topographiedaten (T) den Verlauf einer Bauteilkante wiedergeben.Procedure according to Patent claim 1 , in which the topography data (T) reflects the course of a component edge. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Topographiedaten (T) das Spaltmaß eines Fügespaltes zwischen den Bauteilen wiedergeben.Method according to one of the preceding claims, in which the topography data (T) represents the gap size of a joining gap between the components. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem aufgrund der ermittelten Topographiedaten (T) - die Position der Schweißstelle (8) relativ zu einer Bauteilkante und/oder - die Schweißparameter angepasst werden.Method according to one of the preceding patent claims, in which based on the determined topography data (T) - the position of the welding point (8) relative to a component edge and/or - the welding parameters are adjusted. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem weiterhin TOF-Bilddaten (B2) für einen der Schweißstelle (8) nachlaufenden Beobachtungsabschnitt (12; 19) erzeugt werden und hinsichtlich der Qualität der Schweißnaht ausgewertet werden.Method according to one of the preceding claims, in which TOF image data (B2) is also generated for an observation section (12; 19) trailing the welding point (8) and is evaluated with regard to the quality of the weld seam. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Bilddaten (B2) des der Schweißstelle (8) nachlaufenden Beobachtungsabschnitts (19) mittels einer zweiten Time-of-flight Erfassungsvorrichtung (17) erzeugt werden.Method according to one of the preceding patent claims, in which the image data (B2) of the observation section (19) trailing the welding point (8) are generated by means of a second time-of-flight detection device (17). Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Bilddaten (B1) des Beobachtungsfensters und/oder die Bilddaten (B2) des nachlaufenden Beobachtungsfensters fortlaufend während der Dauer der Schweißung erfasst werden.Method according to one of the preceding claims, in which the image data (B1) of the observation window and/or the image data (B2) of the trailing observation window are continuously recorded during the duration of the welding. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Bauteile (5, 6) Fahrzeugbauteile sind.Method according to one of the preceding patent claims, in which the components (5, 6) are vehicle components. Verfahren nach einem der vorangehenden Patentansprüche, bei dem die Schweißvorrichtung eine Laserschweißvorrichtung oder eine Metallschutzgasschweißvorrichtung ist.Method according to one of the preceding claims, in which the welding device is a laser welding device or a metal arc welding device. Schweißvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, mit: einer Steuerungsvorrichtung (7), die eingerichtet ist um anhand von Steuerungsparametern (ST) ein Schmelzbad an einer Schweißstelle (8) in den zu fügenden Bauteilen (5, 6) zu erzeugen, und die Schweißstelle (8) relativ zu den Bauteilen zu bewegen, einer Time-of-Flight Erfassungsvorrichtung (10, 16), deren Erfassungsbereich auf ein Beobachtungsfenster (11, 18) richtbar ist, das der Schweißstelle (8) zumindest teilweise vorauseilt und mit der Bilddaten (B1) des Beobachtungsfensters erfassbar sind, einer Auswerteeinrichtung (14), die anhand der Time-of-flight-Bilddaten (B1) Topographiedaten (T) der Bauteile erzeugt, wobei die Topographiedaten (T) einen Beschnittwinkel wenigstens eines der Bauteile wiedergeben, anhand der ermittelten Topographiedaten (T) die Steuerungsparameter (ST) der Schweißvorrichtung anpasst und in einer Regelverbindung mit der Steuerungsvorrichtung (ST) steht.Welding device for carrying out the method according to one of the Patent claims 1 until 9 , with: a control device (7) which is set up to generate a melt pool at a welding point (8) in the components (5, 6) to be joined based on control parameters (ST), and the welding point (8) relative to the components to move, a time-of-flight detection device (10, 16), the detection range of which can be directed towards an observation window (11, 18) which is at least partially ahead of the welding point (8) and with which image data (B1) of the observation window can be recorded, an evaluation device (14), which generates topography data (T) of the components based on the time-of-flight image data (B1), the topography data (T) representing a trimming angle of at least one of the components, the control parameters based on the determined topography data (T). (ST) adapts to the welding device and is in a control connection with the control device (ST). Schweißvorrichtung nach Patentanspruch 10, weiterhin mit einer zweiten Time-of-flight Erfassungsvorrichtung (17), deren Erfassungsbereich auf ein der Schweißstelle zumindest teilweise nachlaufendes zweites Beobachtungsfenster (19) richtbar ist, wobei die Auswerteeinrichtung (14) anhand der Time-of-flight Bilddaten (B2) der zweiten Time-of-flight Erfassungsvorrichtung (17) eine optische Darstellung der Nahttopographie erzeugt und/oder die Qualität der Naht bewertet.Welding device after Patent claim 10 , furthermore with a second time-of-flight detection device (17), the detection area of which can be directed towards a second observation window (19) which at least partially follows the welding point, the evaluation device (14) using the time-of-flight image data (B2). second time-of-flight detection device (17) generates an optical representation of the seam topography and / or evaluates the quality of the seam. Schweißvorrichtung nach einem der Patentansprüche 10 oder 11, die eine Laser-Remote-Schweißvorrichtung, eine taktile Laserschweißvorrichtung oder eine Metallschutzgasschweißvorrichtung ist.Welding device according to one of the Patent claims 10 or 11 , which is a laser remote welding machine, a tactile laser welding machine or a gas metal arc welding machine.
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