DE102018128377A1

DE102018128377A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas

Info

Publication number: DE102018128377A1
Application number: DE102018128377.6A
Authority: DE
Inventors: Tim Hesse; Michael Scharun; Manuel Schindler; Sebastian Hecker; Kristian Alber
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 2018-11-13
Filing date: 2018-11-13
Publication date: 2020-05-14
Also published as: KR20210089753A; US20210260698A1; CN113165107A; WO2020099421A1; EP3880396A1; KR102545441B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (110) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), bevorzugt aus Glas, wobei in den Werkstücken (110,120) in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) eine Schweißnaht (210) ausgebildet wird, wobei die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, wobei die Überwachung beispielsweise zur Erkennung und Identifizierung von Rissen und/oder Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in Schweißnähten in Werkstücken aus Glas beim Laserschweißen dienen kann.
Stand der Technik
Beim Laserschweißen von Werkstücken aus Glas wurde der Laserschweißprozess bislang manuell eingerichtet. Auch eine Qualitätskontrolle der durch den Laserschweißprozess miteinander verschweißten Werkstücke sowie der Schweißnaht selbst wurde bislang manuell durchgeführt.
Dabei wurde die Qualitätskontrolle mittels eines Mikroskops durch mikroskopische Untersuchungen an den Schweißnähten und an den übrigen Bereichen der miteinander verbundenen Werkstücke nach dem Abschluss des eigentlichen Schweißprozesses sowohl in Draufsicht als auch durch die Betrachtung von Querschliffen durchgeführt.
Auf dieser Grundlage wurde der Laserschweißprozess dann iterativ optimiert. Dieses Vorgehen zum Optimieren des Schweißprozesses bedingt einen entsprechend hohen Aufwand an manueller Arbeit und ist material- und zeitaufwändig, da die Qualitätskontrolle für den jeweiligen Parametersatz des Laserschweißprozesses erst nach Abschluss des jeweiligen Schweißprozesses und außerhalb der Schweißvorrichtung auf dem Mikroskop durchgeführt werden kann.
Beim Laserschweißen von Metallen ist es bekannt, die aus der jeweiligen Prozesszone, in welche der Fokus des Lasers gelegt ist, emittierte Strahlung mit einem Bildsensor zu überwachen und daraus Erkenntnisse über den Schweißprozess abzuleiten.
Ein solches Verfahren zum Laserschweißen opaker Materialien ist beispielsweise aus der WO 2008/052591A1 bekannt. Bei diesem Verfahren wird die von einem Bearbeitungsbereich emittierte Strahlung über ein Detektorsystem erfasst, wobei die aus dem Bearbeitungsbereich emittierte Strahlung gleichzeitig bei zumindest zwei Wellenlängen erfasst wird, um genauere Informationen der beim Schweißprozess ablaufenden Prozesse zu erhalten.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, anzugeben, welche eine verbesserte Überwachung des Schweißprozesses ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich aus den beigefügten Figuren, der vorliegenden Beschreibung sowie aus den Unteransprüchen.
Entsprechend wird ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt auch aus Glas, wobei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl, bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird, angegeben. Erfindungsgemäß wird die von der Prozesszone emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert.
Bevorzugt sind beide, mehrere oder alle miteinander zu verschweißenden Werkstücke aus Glas. Die Prozesszone, in der die Schweißnaht ausgebildet wird, liegt bevorzugt zwischen den Werkstücken, so dass der Bearbeitungsstrahl zumindest durch ein für den Bearbeitungsstrahl transparentes Werkstück hindurch zu der Prozesszone geleitet wird. Entsprechend ist zumindest das Werkstück, durch welches hindurch der Bearbeitungsstrahl zur Prozesszone geleitet wird, transparent für den Bearbeitungsstrahl. Die weiteren Werkstücke können ebenfalls transparent sein, aber auch für den Bearbeitungsstrahl opak sein.
Dadurch, dass die von der Prozesszone emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird, wird es möglich, bereits während des Schweißprozesses beim Verschweißen von Werkstücken aus Glas eine Überwachung des Schweißprozesses dahingehend durchzuführen, dass das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen in der in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht ermittelt werden kann.
Auf Grundlage dieser Erkenntnisse kann unter anderem der Schweißprozess bereits während der Durchführung des aktuellen Schweißvorgangs optimiert werden.
Dabei wird die von der Prozesszone emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert. Die Prozesszone dient dabei quasi als im Glasvolumen eines, zweier, mehrerer oder aller Werkstücke aus Glas angeordnete Strahlungsquelle.
Die von der Prozesszone emittierte elektromagnetische Strahlung kann dabei an oder in der Prozesszone reflektierte oder gestreute Strahlung des Bearbeitungsstrahls sein. Die von der Prozesszone emittierte elektromagnetische Strahlung kann auch Wärmestrahlung des durch den Behandlungsstrahl erwärmten, insbesondere aufgeschmolzenen, Glasmaterials sein.
Dabei liegt dem Verfahren die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Verschweißen von Werkstücken aus Glas mittels eines gepulsten Bearbeitungsstrahls, beispielsweise eines gepulsten Laserstrahls, bevorzugt eines Ultrakurzpulslasers, durch die erreichbaren hohen Intensitäten im jeweiligen Strahlfokus nichtlineare Absorptionseffekte im Glas erreicht werden können. Werden entsprechende Repetitionsraten für den gepulsten Bearbeitungsstrahl verwendet, akkumuliert sich die mittels der jeweiligen Pulse in die Prozesszone eingetragene Energie, sodass es durch entsprechende Wärmeakkumulationseffekte zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Dadurch entsteht in der Nähe des geometrischen Fokus des gepulsten Bearbeitungsstrahls ein hochabsorbierendes Plasma zunächst in der Größe des Fokusvolumens, welches dann die Prozesszone ausbildet.
An der Plasmaoberfläche, welche die Prozesszone begrenzt und insbesondere in dem Bereich der Plasmaoberfläche, welche in Richtung des auf das Plasma auftreffenden Bearbeitungsstrahls orientiert ist und auf welche der Bearbeitungsstrahl auftrifft, tritt jedoch eine verstärkte Absorption auf. Damit kann das Plasmavolumen aufgrund der erhöhten Absorption des Bearbeitungsstrahls und dem sich dadurch ergebenden Energieeintrag in das Plasmavolumen an der Plasmaoberfläche weiter Energie absorbieren, so dass das Volumen des Plasmas weiter anwachsen kann, wobei sich dieses Anwachsen des Plasmavolumens hauptsächlich entlang des Bearbeitungsstrahls gerichtet und in Richtung auf die Strahlquelle zu erstreckt. Mit anderen Worten kann sich das Plasma in einer länglichen Form entlang des Bearbeitungsstrahls ausbreiten. Daraus kann eine langgezogene Blase, die durch das Plasma geformt ist, ausgebildet werden.
Durch den zusätzlichen Energieeintrag aus der Richtung des auf das Plasma auftreffenden Bearbeitungsstrahls kann sich weiterhin auch der Ort und/oder die Lage des Plasmavolumens verändern und sich beispielsweise entlang des Bearbeitungsstrahls in Richtung auf die Strahlquelle zu verschieben.
Auf diese Weise kann sich ein Absorptionsvolumen ausbilden, welches das ursprüngliche Fokusvolumen um ein Vielfaches übersteigen kann, so dass entsprechend die Prozesszone ein Vielfaches des Fokusvolumens ausmachen kann.
Reicht die auf der Plasmaoberfläche auftreffende Strahlintensität aufgrund des durch das Volumenwachstum bedingten Herauswanderns der Plasmaoberfläche aus dem Fokus des Laserstrahls nicht mehr dazu aus, das Plasma aufrechtzuerhalten - kann also zur Aufrechterhaltung des Plasmas nicht mehr genügend Energie absorbiert werden - bricht der Ausdehnungsprozess des Plasmas zusammen und die Absorption beginnt erneut im Fokus des gepulsten Bearbeitungsstrahls. Entsprechend findet der Schweißprozess periodisch statt und es bilden sich jeweils blasenförmige Bereiche als Plasmablasen aus, welche ihrerseits zu einem blasenförmigen Schmelzvolumen führen. Durch die mögliche Änderung des Ortes und/oder der Lage des Plasmavolumens in den Werkstücken kann ein resultierendes Schmelzvolumen auch größer sein, als das erzeugte Plasmavolumen. Das Plasmavolumen kann quasi in begrenztem Maße durch das Werkstückvolumen in Richtung des Bearbeitungsstrahls und auf die Strahlquelle zu hindurchwandern und dabei jeweils einen aufgeschmolzenen Bereich hinterlassen, der damit zu einem Schmelzvolumen führt, welches eine größere Ausdehnung aufweist, als die Ausdehnung des Plasmavolumens.
Die nichtlineare Absorption des Bearbeitungsstrahls an dem Plasma kann von der hohen Elektronentemperatur in dem Plasma herrühren. Die Elektronen können Energie an die Atomrümpfe abgeben, was zu Gitterschwingungen und einer zusätzlichen Erwärmung des Materials durch Wärmeakkumulation führen kann.
Durch das Aufbringen einer relativen Bewegung des Bearbeitungsstrahls bezüglich des Werkstücks während des Schweißprozesses ergibt sich nach dem Erstarren des vorher aufgeschmolzenen Materials entsprechend eine sich in der Bewegungsrichtung erstreckende Schweißnaht, welche in Form einer Folge von ineinander übergehenden blasenförmigen Schmelzvolumina vorliegt. Die während des Schweißprozesses verwendete Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück ist dabei ausschlaggebend für die Überlappung der jeweiligen blasenförmigen Bereiche.
Mit dem periodischen Ausdehnen und Kollabieren des Plasmas ergibt sich auch eine periodische Veränderung der Intensität der von der Prozesszone emittierten Strahlung. Die von der Prozesszone emittierte Strahlung kann damit einer durch die periodische Ausbildung der blasenförmigen Bereiche des Plasmas entsprechenden Intensitätsschwankung der emittierten Strahlung unterworfen sein.
Diese Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone emittierten Strahlung werden detektiert und dann zeitaufgelöst betrachtet. Damit können zumindest die Amplituden der Intensitätsschwankungen und die Periodizität beziehungsweise die Frequenz der Intensitätsschwankungen und deren Veränderung betrachtet werden.
Bevorzugt kann eine Lokalisierung der jeweiligen Intensitätsschwankung in dem Werkstück bzw. in den Werkstücken relativ zu der jeweils vorgegebenen Bearbeitungsposition, welche aufgrund der Relativposition zwischen Laserstrahl und Werkstück bekannt ist, erreicht werden.
Bevorzugt kann die Intensität der von der Prozesszone emittierten Strahlung detektiert werden, so dass auf diese Weise der Verlauf der Intensität im Zeitverlauf detektiert wird.
Bevorzugt kann die Periodizität und/oder Frequenz und/oder das Frequenzspektrum von Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone emittierte Strahlung detektiert werden und daraus bevorzugt auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden. Aus signifikanten Änderungen und/oder Einbrüchen der genannten Parametern kann auf das Vorliegen eines Fehlers und/oder Risses und/oder Schweißnahtabbruchs der erzeugten Schweißnaht geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann die von der Prozesszone emittierte Strahlung mittels eines Sensors, bevorzugt einer Photodiode, aufgenommen werden und in ein Signal umgewandelt werden, welches dann für eine nachfolgende Auswertung aufbereitet werden kann. Bevorzugt kann der Sensor auch durch mehrere Photodioden ausgebildet sein, welche besonders bevorzugt jeweils bei unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten.
Das Signal kann dabei bevorzugt auf das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in der Schweißnaht hin ausgewertet werden, wobei bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe und/oder ein Abbruch des Schweißvorgangs erfolgt. Damit kann eine automatisierte Auswertung auf vorgegebene Fehler in dem mindestens einen Werkstück erreicht werden, um auf diese Weise eine zuverlässigere Kontrolle des Arbeitsprodukts und eine schnellere Optimierung des Schweißprozesses zu erreichen.
Bevorzugt kann das Signal durch eine Filterung und/oder eine Rauschreduktion und/oder eine Glättung und/oder eine Herausstellung besonderer Merkmale aufbereitet werden.
In einer bevorzugten weiteren Ausbildung des Verfahrens kann das aufbereitete Signal durch eine zeitliche Integration über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg und einen anschließenden Vergleich mit einem aktuellen Signalwert und/oder durch eine Betrachtung über den Zeitverlauf hinweg und/oder durch eine Betrachtung von Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg und/oder durch das Durchführen einer Fast Fourier Transformation und einer Betrachtung von Änderungen im Frequenzspektrum und/oder durch Bildung eines Mittelwerts und Vergleich mit einem aktuellen Signalwert ausgewertet werden, um bevorzugt das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen in der Schweißnaht zu ermitteln.
Bevorzugt kann die von der Prozesszone emittierte Strahlung auf eine sich von der Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls unterscheidende Frequenz der Intensitätsschwankungen hin untersucht werden. Es hat sich gezeigt, dass die Periodizität der von der Prozesszone emittierten Strahlung im Wesentlichen unabhängig von der Periodizität der gepulsten Bearbeitungsstrahlung ist.
Weiterhin kann auch in einem automatisierten Prozess eine Bewertung der aufgefundenen Fehler und/oder Risse und/oder Nahtabbrüche durchgeführt werden und ein Arbeitsprodukt automatisch verworfen werden, wenn es vorgegebenen Qualitätsanforderungen nicht entspricht.
Die oben angegebene Aufgabe wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, den Figuren sowie der vorliegenden Beschreibung.
Entsprechend wird eine Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks aus Glas mit einem weiteren Werkstück, bevorzugt ebenfalls aus Glas, angegeben, umfassend ein Bearbeitungsobjektiv zur Beaufschlagung einer Prozesszone mindestens eines der Werkstücke mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl, bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl. Erfindungsgemäß ist ein Sensor zur zeitaufgelösten Detektion von von der Prozesszone emittierter Strahlung vorgesehen.
Auf diese Weise können die oben bereits zu dem Verfahren beschriebenen Vorteile erreicht werden. Insbesondere kann mittels der Vorrichtung das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehler und/oder Nahtabbrüche in der in der Prozesszone ausgebildeten Schweißnaht ermittelt werden.
Bevorzugt kann eine Optik zur Aufnahme der von der Prozesszone emittierten Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Sensor vorgesehen sein, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv separates Abbildungssystem ausgebildet sein kann.
Vorteilhaft kann ein mit dem Bearbeitungsobjektiv belichteter Sensor, bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Strahlteilers und/oder eines optischen Filters und/oder einer Fokussierlinse, und/oder ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem belichteter Sensor vorgesehen sein. Damit kann der durch das Bearbeitungsobjektiv abgebildete Bereich der Prozesszone und der durch das separate Abbildungssystem abgebildete Bereich der Prozesszone betrachtet werden.
Bevorzugt kann das Bearbeitungsobjektiv dazu ausgebildet und eingerichtet sein, den Bearbeitungsstrahl in eine in dem durch das mindestens eine Werkstück gebildeten Glasvolumen liegende Prozesszone zu fokussieren.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitende Zeichnung.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung durch ein Bearbeitungsobjektiv hindurch detektiert wird;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Schweißen von Werkstücken aus Glas in einer zweiten Ausführungsform, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung durch ein Bearbeitungsobjektiv hindurch detektiert wird;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung mit einem von einem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem detektiert wird;
4 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen von Werkstücken aus Glas in einer weiteren Ausführungsform, bei welcher die von einer Prozesszone emittierte Strahlung mit einem von einem Bearbeitungsobjektiv separaten Abbildungssystem detektiert wird;
5 eine exemplarische Abbildung einer mittels eines gepulsten Bearbeitungsstrahles in einem Werkstück aus Glas ausgebildeten Schweißnaht in einem Seitenschnitt;
6 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus einer Prozesszone emittierter Strahlung sowie eine dazu korrespondierende Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht;
7 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus der Prozesszone emittierter Strahlung beim Auftreten von Fehlern und Rissen in einer in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht, sowie eine Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht ; und
8 ein Diagramm eines exemplarischen Zeitverlaufs der Intensität von aus der einer Prozesszone emittierten Strahlung beim Auftreten eines Schweißnahtabbruchs in einer in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht, sowie eine Abbildung der tatsächlich in der Prozesszone erzeugten Schweißnaht in einer Draufsicht.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zum Überwachen eines Schweißprozesses zum Verschweißen von zwei Werkstücken 110, 120 miteinander.
In der gezeigten Ausführungsform sind die Werkstücke 110, 120 aus Glas ausgebildet - beispielsweise in Form von zwei Glasscheiben - die an einer gemeinsamen und zwischen den beiden Werkstücken 110, 120 angeordneten Grenzfläche 100 aneinander angeordnet sind und an einem Abschnitt der Grenzfläche 100 miteinander verschweißt werden. Mit anderen Worten liegt zumindest ein Teil der Unterseite 114 des in der 1 gezeigten oberen Werkstücks 110 an der Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 an. Die Oberseite 122 des unteren Werkstücks 120 und die Unterseite 114 des oberen Werkstücks 110 bilden entsprechend gemeinsam die Grenzfläche 100 aus, in der die Verschweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde.
Die beiden Werkstücke 110 und 120 können im Bereich der Ausbildung der Grenzfläche 100 aneinander angesprengt sein, um bereits vor der Verschweißung eine vorläufige Positionierung und Fixierung der beiden Werkstücke 110 und 120 gegeneinander zu erreichen.
Aufgrund der Beschaffenheit ihres Werkstoffs, nämlich Glas, sind die beiden Werkstücke 110, 120 im Wesentlichen transparent für den gepulsten Bearbeitungsstrahl 20, mit dem die Verschweißung der beiden Werkstücke 110, 120 durchgeführt werden soll. Damit kann der gepulste Bearbeitungsstrahl 20, der zur Durchführung der Verschweißung vorgesehen ist, durch die Werkstücke 110 und 120 hindurchtreten und insbesondere auch durch das obere Werkstück 110 hindurch zu der Grenzfläche 100 hin gelangen. Damit ist eine Verschweißung der Werkstücke 110 und 120 innerhalb des durch die beiden Werkstücke 110, 120 gemeinsam ausgebildeten Werkstückvolumens möglich.
Eine solche Verschweißung innerhalb eines durch mindestens zwei Werkstücke ausgebildeten Werkstückvolumens ist bei für einen Bearbeitungsstrahl opaken Werkstoffen nicht möglich.
Das untere Werkstück 120 kann aber auch für den Bearbeitungsstrahl 20 opak ausgeführt sein. Der Bearbeitungsstrahl 20 kann dann aber dennoch durch das obere, für den Bearbeitungsstrahl 20 transparente, Werkstück 110 aus Glas hindurch an die zwischen den beiden Werkstücken 110, 120 liegende Grenzfläche 100 gelangen, um dort eine Verschweißung vorzunehmen.
Als gepulster Bearbeitungsstrahl 20 wird bevorzugt ein gepulster Laserstrahl und besonders bevorzugt ein Ultrakurzpulslaser verwendet.
Beispielsweise kann ein gepulster Laser mit Wellenlängen von 1030nm oder 1064nm oder 515nm oder 532nm mit Pulsen im Femtosekundenbereich oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet werden. Der Laser kann auch im Burstmodus betrieben werden.
Die Vorrichtung 1 umfasst ein Bearbeitungsobjektiv 2, durch welches hindurch der gepulste Bearbeitungsstrahl 20 auf die Werkstücke 110,120 auftrifft und in einer in einem oder beiden Werkstücken 110, 120 liegenden Prozesszone 200 fokussiert wird, wodurch die Intensität des Bearbeitungsstrahls 20 in dem in der Prozesszone 200 liegenden Fokus am höchsten ist, in den umgebenden Bereichen hingegen niedriger. Die Materialbearbeitung in der Prozesszone 200 findet dadurch statt, dass es aufgrund der hohen Intensität des Bearbeitungsstrahls 20 in seinem Fokus zu einem Aufschmelzen des in der Prozesszone 200 vorliegenden Materials kommt. Dadurch kann beim nachfolgenden Abkühlen beispielsweise ein Verschweißen zweier vorher in der Prozesszone 200 getrennt vorliegender und nun durch das Aufschmelzen stoffschlüssig miteinander verbundener Materialbereiche erreicht werden.
Bei der Verwendung eines gepulsten Bearbeitungsstrahls 20, insbesondere bei der Verwendung eines Ultrakurzpulslasers, werden durch die sehr hohen erreichbaren Intensitäten im durch das Bearbeitungsobjektiv 2 bereitgestellten Fokus im Glasmaterial des mindestens einen Werkstücks 110, 120 nichtlineare Absorptionseffekte erreicht. Beim Verwenden geeigneter Repetitionsraten des gepulsten Bearbeitungsstrahls 20 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmaterial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials in der Prozesszone 200 kommt.
Um ein Verbinden der Werkstücke 110 und 120 zu erreichen, wird die Prozesszone 200 entsprechend so in die Werkstücke 110, 120 gelegt, dass sie nahe der Grenzfläche 100 angeordnet ist oder die Grenzfläche 100 umfasst. Dazu wird mittels des entsprechend ausgebildeten und eingerichteten Bearbeitungsobjektivs 2 der Bearbeitungsstrahl 20 entsprechend aufbereitet und in die Prozesszone 200 hinein fokussiert.
Die Ausbildung eines Bearbeitungsobjektivs 2 für einen Bearbeitungsstrahl 20 zur Bearbeitung und insbesondere Verschweißung von Werkstücken 110 und 120 in einer Prozesszone 200 ist prinzipiell bekannt. Dies gilt auch für die Verwendung von gepulsten Bearbeitungsstrahlen 20, beispielsweise gepulsten Laserstrahlen und/oder Ultrakurzpulslasern.
In der Prozesszone 200, in welcher der Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 liegt, findet dann das Aufschmelzen des Materials eines, mehrerer oder aller Werkstücke 110, 120 statt, um dann nach dem erneuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials eine Verschweißung der Werkstücke 110, 120 durch das aufgeschmolzene und dann erstarrte Material zu erreichen. Die Prozesszone 200 kann die Ausdehnung des Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 haben oder aber weiter ausgedehnt sein.
Der Bearbeitungsstrahl 20 ist gemeinsam mit dem Bearbeitungsobjektiv 2 in einer Verschiebungsrichtung X relativ bezüglich der Werkstücke 110,120 verschiebbar, um in den Werkstücken 110,120 eine Schweißnaht 210 einzuziehen. Dabei können entweder die Werkstücke 110, 120 oder der Bearbeitungsstrahl 20 oder auch beide gegenläufig entlang der Verschiebungsrichtung X verschoben werden. Es können auch Bewegungen parallel zu der durch die Grenzfläche 100 ausgebildeten Ebene durchgeführt werden, um entsprechend komplexere Formen von Schweißnähten 210 einzuziehen. Durch die Bewegung des Bearbeitungsstrahls 20 relativ zu den Werkstücken 110, 120 kann die Ausdehnung der Schweißnaht 210 in der Bewegungsrichtung bestimmt werden.
Die Prozesszone 200 liegt dabei quasi zwischen den beiden Werkstücken 110,120 und umschließt die Grenzfläche 100. Der Bearbeitungsstrahl 20 kann aufgrund der Transparenz der Werkstücke 110,120 durch diese hindurchtreten und ermöglicht dann eine Bearbeitung der innerhalb des durch die Werkstücke 110,120 definierten Glasvolumens liegenden Prozesszone 200.
Diese Anordnung der Prozesszone 200 innerhalb des durch die Werkstücke 110, 120 ausgebildeten Glasvolumens unterscheidet sich entsprechend diametral von den Prozesszonen, in welchen ein Verschweißen von für die Laserstrahlung opaken Materialien durchgeführt wird. Bei einem opaken Material, beispielsweise bei einem Verschweißen von zwei metallischen Werkstücken miteinander, ist das Durchtreten eines Bearbeitungsstrahls durch eine Oberseite eines ersten Werkstückes derart, dass auf der Unterseite dieses Werkstückes eine Verschweißung mit einem der Unterseite gegenüberliegenden zweiten Werkstück ermöglicht wird, nicht möglich. Vielmehr kann der Bearbeitungsstrahl dann nicht durch das opake Werkstück hindurch dringen.
Damit ist auch eine besondere Ausbildung und Einrichtung des Bearbeitungsobjektivs 2 von Vorteil, um entsprechend ein Fokussieren des Bearbeitungsstrahls 20 in das Innere des Glasvolumens, das aus den mindestens zwei Werkstücken 110, 120 gebildet ist, zu ermöglichen.
Wie bereits ausgeführt, findet in der Prozesszone 200 entsprechend ein Aufschmelzen des dort vorliegenden Materials, beispielsweise des Glasmaterials, statt. Die Prozesszone 200 emittiert zu diesem Zeitpunkt elektromagnetische Strahlung. Diese Emission elektromagnetischer Strahlung findet zumindest während des Beaufschlagung der Prozesszone 200 mit dem Bearbeitungsstrahl 20 statt - es kann aber auch quasi ein Nachleuchten stattfinden, solange das aufgeschmolzene und erstarrende Material eine erhöhte Temperatur aufweist.
Die von der Prozesszone 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann dabei beispielsweise auch an oder in der Prozesszone 200 reflektierte oder gestreute Strahlung des Bearbeitungsstrahls 20 sein. Die von der Prozesszone 200 emittierte elektromagnetische Strahlung kann auch Wärmestrahlung des aufgeschmolzenen Glasmaterials sein.
Die von der Prozesszone 200 emittierte Strahlung kann beispielsweise mittels des Bearbeitungsobjektivs 2 aufgenommen werden und dann beispielsweise über einen Strahlteiler 30, ein optisches Filterelement 32 und eine Fokussierlinse 34 auf einen Sensor in Form einer Photodiode 36 abgebildet werden.
Der Strahlteiler 30 kann beispielsweise als dichroitischer Spiegel ausgebildet sein.
Das optische Filterelement 32 kann beispielsweise zur Abschwächung der von dem Strahlteilers 30 ausgekoppelten Strahlung und/oder zur Auswahl eines bestimmten Wellenlängenbereichs und/oder zur Unterdrückung reflektierten Bearbeitungslichts ausgewählt werden.
Der Sensor in Form der Photodiode 36 kann dabei so ausgebildet sein, dass diese ein Spannungssignal abhängig von der auf die Photodiode 36 auftreffenden Strahlungsintensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ausgibt. Dieses der Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung entsprechende Spannungssignal wird zeitaufgelöst, also über den Zeitverlauf hinweg, detektiert und dann nachfolgend ausgewertet. Auf das Verhalten des Signals im Zeitverlauf sowie exemplarische Auswertungen des Signals wird weiter unten insbesondere auch unter Bezugnahme auf die 5 bis 8 eingegangen werden.
Anstelle der Photodiode 36 kann als Sensor auch ein anderes geeignetes Detektorsystem vorgesehen sein, mittels dessen ein Parameter der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg detektiert werden kann. Beispielsweise kann eine Matrix-Kamera vorgesehen sein, welche vorzugsweise eine für die zu messende Temperaturstrahlung geeignete, d.h. ausreichend hohe, spektrale Empfindlichkeit aufweist. Als Detektorsystem kann auch eine Kamera für den Strahlungsbereich vom visuellen Spektralbereich über das nahe bis zum fernen Infrarot verwendet werden. Als Kamera für den Bildsensor sind beispielsweise CCD, CMOS- und/oder InGaAs-Kameras geeignet, wobei diese Aufzählung keineswegs abschließend ist und weitere geeignete Kameraarten eingesetzt werden können.
In 2 ist eine weitere Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Schweißprozesses und insbesondere zur Überwachung der Ausbildung einer Schweißnaht 210 gezeigt. Dabei wird gegenüber der Ausbildung der 1 auf die dort vorgesehene Fokussierlinse verzichtet und entsprechend die von der Prozesszone 200 emittierte Strahlung entsprechend ohne Fokussierlinse auf den Sensor in Form der Photodiode 36 abgebildet. Dies kann dazu führen, dass die Intensität, welche auf die Photodiode 36 abgebildet wird, geringer ist, als in dem Ausführungsbeispiel der 1. Je nach Ausbildung der Photodiode 36 kann entsprechend ein vorhandener Dynamikbereich der Photodiode 36 auf diese Weise berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann durch diese Ausbildung die auf die Photodiode 36 auftreffende Intensität der von der Prozesszone 200 ausgehenden Strahlung gegenüber einer Ausbildung mit einer Fokussierlinse reduziert werden.
In 3 ist eine weitere Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Schweißprozesses gezeigt, bei welcher ein von dem Bearbeitungsobjektiv 2 getrennt aufgebautes Abbildungssystem 44 vorgesehen ist, welches beispielsweise eine Fokussierlinse 48 sowie einen optischen Filter 42 aufweisen kann. Mittels des Abbildungssystems 44, welches auch komplexer aufgebaut sein kann, als in der Ausführungsform der 3 gezeigt, wird die Prozesszone 200 auf einen Sensor in Form einer Photodiode 46 abgebildet. Entsprechend ist das Abbildungssystem 44 so eingerichtet, ausgerichtet und fokussiert, dass es die Prozesszone 200, welche geometrisch im Wesentlichen durch das Bearbeitungsobjektiv 2 und dessen Einrichtung, Ausrichtung und Fokussierung relativ zu den Werkstücken 110, 120 vorgegeben ist, auf die Photodiode 46 abbildet.
Das getrennt aufgebaute Abbildungssystem 44 mit dessen Sensor in Form der Photodiode 46 kann entweder zusätzlich zu dem in den 1 und 2 beschriebenen System, das den Strahlteiler 30 und die Photodiode 36 umfasst, oder alternativ dazu vorgesehen sein.
In 4 ist noch eine weitere Ausbildung einer Vorrichtung 1 zur Überwachung eines Schweißprozesses und insbesondere zur Überwachung der Ausbildung einer Schweißnaht 210 gezeigt. Dabei wird die von der Prozesszone 200 emittierte Strahlung, beispielsweise über einen optischen Filter 42, direkt auf eine Photodiode 46 gestrahlt. Die Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung erfolgt entsprechend ohne weiteres zwischengeschaltetes optisches Abbildungssystem. Je nach Ausbildung der Photodiode 46 kann entsprechend ein vorhandener Dynamikbereich der Photodiode 46 auf diese Weise berücksichtigt werden. Mit anderen Worten kann durch diese Ausbildung die auf die Photodiode 46 auftreffende Intensität der von der Prozesszone 200 ausgehenden Strahlung gegenüber einer Ausbildung mit einer Fokussierlinse reduziert werden.
In 5 ist eine exemplarische Abbildung einer Schweißnaht 210 in einer seitlichen Schnittansicht gezeigt, wobei die exemplarische Aufnahme in einer seitlich angeschliffenen Probe mit einem Durchlichtmikroskop aufgenommen wurde.
Dabei ist in diesem Seitenschnitt der Schweißnaht 210 zu erkennen, dass der Prozess der Ausbildung der Schweißnaht 210, welche durch das Aufschmelzen des Materials des ersten Werkstückes 110 und/oder des zweiten Werkstückes 120 und ein nachfolgendes Erstarren des aufgeschmolzenen Materials erreicht wird, durch die Ausbildung von einer Mehrzahl von sich periodisch ausbildenden Plasmablasen beschrieben werden kann.
Wie bereits beschrieben, können die Plasmablasen innerhalb des jeweiligen Werkstücks 110, 120 im Wesentlichen entlang des Bearbeitungsstrahls 20 wandern, so dass sich ein länglich geformter aufgeschmolzener Bereich ergeben kann, der nicht mit dem jeweils ausgebildeten Plasmavolumen deckungsgleich sein muss, sondern auch größer sein kann.
Dabei findet zunächst im Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eine Erwärmung und ein Aufschmelzen des in der Prozesszone 200 vorliegenden Materials derart statt, dass sich ein hochabsorbierendes Plasma ausbildet.
An der jeweiligen sich ausbildenden Plasmaoberfläche findet eine starke Absorption des Bearbeitungsstrahls 20 so statt, dass sich das Plasma aufgrund der starken Erwärmung der Plasmaoberfläche entsprechend unter Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 in Richtung des Bearbeitungsstrahls 20 unter weiterer Energieaufnahme weiter ausdehnt. Dieser Prozess wurde bereits weiter oben beschrieben.
Dieser Prozess der Ausdehnung wird beendet, wenn die durch die Ausdehnung aus dem Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 herauslaufende Oberfläche des Plasmas von dem dann in diesem Bereich nicht mehr fokussiert vorliegenden Bearbeitungsstrahl 20 nicht mehr mit genug Intensität versorgt wird, um das Plasma aufrechtzuerhalten, wodurch dieses dann zusammenbricht und der Prozess der Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 ausgehend von der in dem Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 eingetragenen Energie erneut beginnt. Die Ausbildung blasenförmiger Bereiche 212 findet also periodisch und jeweils ausgehend vom Fokus des Bearbeitungsstrahls 20 statt. Die Form der blasenförmigen Bereiche 212 ist entsprechend länglich in Richtung und entlang des Bearbeitungsstrahls 20 ausgebildet.
Durch die Relativbewegung des Werkstücks 110, 120 zum Bearbeitungsstrahl 20 legen sich im Bereich der sich dann durch das Werkstück 110, 120 bewegenden Prozesszone 200 die sich ausbildenden blasenförmigen Bereiche 212 nebeneinander. Die Geschwindigkeit der Relativbewegung ist daher von Bedeutung dafür, wie stark die blasenförmigen Bereiche 212 ineinander fließen beziehungsweise auseinander fallen.
Es ist in der 5 zu erkennen, dass die Schweißnaht 210 aus einer Vielzahl sich aneinanderreihender und ineinander übergehender blasenförmiger Bereiche 212 ausgebildet ist.
Da die Prozesszone 200 während des Bearbeitungsprozesses quasi als Strahlungsquelle dient, kann mittels der Photodiode 36 entsprechend auch der Verlauf eines Parameters der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung detektiert werden und insbesondere ein Intensitätsverlauf über die Zeit hinweg aufgenommen werden.
In 6 wird in einem exemplarischen Diagramm 50 ein solcher Verlauf der Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg gezeigt. Die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung wird hier durch einen Spannungswert angegeben, welcher dem von der Photodiode 36,46 ausgegebenen Spannungswert entspricht, welcher wiederum charakteristisch für die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten und von der Photodiode 36, 46 detektierten Strahlung ist.
In der 6 ist weiterhin für einen bestimmten Ausschnitt des in dem Diagramm 50 gezeigten Intensitätsverlaufs, quasi wie durch eine Lupe, eine des dem Intensitätsverlauf entsprechenden Abschnitts der Schweißnaht 210 in einer Draufsicht zu erkennen. Diese Abbildung wurde mittels eines Durchlichtmikroskops hergestellt, wobei der Fokus in die Grenzfläche zwischen den beiden Werkstücken 110, 120 gelegt wurde, um die Schweißnaht 210 sichtbar zu machen. Die Schweißnaht 210 setzt sich, wie in der zu erkennen ist, aus einer Vielzahl jeweils aneinander grenzender und jeweils ineinander übergehender blasenförmiger Bereiche 212 zusammen.
Entsprechend organisieren sich sowohl der Schweißprozess als auch die Ausdehnung der Prozesszone 200 in dem Glasmaterial selbst. Dieser Prozess kann sich abhängig von der während des Schweißprozesses in das Glasmaterial eingebrachten Energie, abhängig von dem zu verschweißenden Glasmaterial und abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Bearbeitungsstrahl 20 und Werkstück 110, 120 im Wesentlichen selbst organisieren.
Zu erkennen ist, dass die Frequenz der Bildung der blasenförmigen Bereiche 212 und die sich daraus ergebenden Intensitätsschwankungen, so wie sie in dem Diagramm 50 über den Zeitverlauf hinweg gezeigt ist, im Wesentlichen unabhängig ist von der Pulsfrequenz des verwendeten gepulsten Bearbeitungsstrahls. In dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind beispielsweise in dem 0,1 s langen gezeigten Zeitabschnitt ca. 35 Intensitätszyklen zu erkennen, was in einer Frequenz von ungefähr 350 Hz für die Ausbildung der jeweiligen blasenförmigen Bereiche 212 resultiert. Die verwendete Pulsfrequenz des hier als gepulster Bearbeitungsstrahl 20 verwendeten Ultrakurzpulslasers liegt hingegen bei mehr als 100kHz. Entsprechend liegen die detektierten Frequenzen der Ausbildung der blasenförmigen Bereiche 212 und die Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls 20 um Größenordnungen auseinander, so dass hier im detektierten Signal eine einfache Unterscheidung zwischen den Frequenzkomponenten, welche auf den Bearbeitungsstrahl 20 zurückgehen und den Frequenzkomponenten, welche auf die Entstehung der blasenförmigen Bereiche 212 zurückgehen, getroffen werden kann.
Die in der in einer Draufsicht zu erkennende Schweißnaht 210 weist auch bei einer mit dem Auge durchgeführten Betrachtung einen sehr gleichmäßigen Verlauf der sich ergebenden blasenförmigen Bereiche 212 und damit einen sehr gleichmäßigen Verlauf der Schweißnaht 210 auf.
Aus der Analyse der von der Prozesszone emittierten Strahlung über den Zeitverlauf hinweg kann entsprechend aus dem gleichmäßigen Intensitätsverlauf und/oder dessen gleichmäßiger Amplitude und/oder aus dem gleichmäßigen Frequenzverlauf der periodischen Intensitätsschwankungen und/oder der nur wenig variierenden Periodendauer der Intensitätsschwankungen darauf geschlossen werden, dass hier eine Schweißnaht 210 in einer hohen Qualität ausgebildet ist.
In 7 ist in einem weiteren exemplarischen Diagramm 50 ebenfalls die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung im Zeitverlauf aufgetragen.
Dabei sind im Wesentlichen defektfreie Bereiche 500 zu erkennen, welche eine im Wesentlichen gleichbleibende Intensität der jeweiligen Intensitätsschwankungen und eine im Wesentlichen gleichbleibende Frequenz der einzelnen Intensitätsschwankungen aufweisen. Diese im Wesentlichen defektfreien Bereiche 500 entsprechen dem beispielsweise in 6 in deren Diagramm 50 gezeigten Intensitätsverlauf bei der Herstellung einer besonders gleichmäßigen Schweißnaht 210 von hoher Qualität.
Darüber hinaus sind in dem Diagramm 50 der 7 jedoch auch Ausreißer in dem Intensitätsverlauf zu erkennen, wobei die Ausreißer beispielsweise an den Positionen 510 zu erkennen sind. Korreliert man nun diese Ausreißer 510 mit deren örtlicher Position innerhalb der Erstreckung der Schweißnaht 210 in der , so ist zu erkennen, dass in den Bereichen, in welchen größere Intensitätsschwankungen und entsprechend Ausreißer 510 vorliegen, auch ein Fehler in der Schweißnaht 210 vorliegt. Über die Detektion der Ausreißer im Intensitätsverlauf kann daher auf das Vorliegen eines Fehlers in der Schweißnaht 210 geschlossen werden.
Für eine automatisierte Überwachung des Schweißprozesses und eine Überwachung der Qualität der Schweißnaht 210 auf Grundlage der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ergibt sich damit, dass Ausreißer bzw. besonders starke Intensitätsschwankungen, welche beispielsweise stark über oder unter einen Mittelwert der ermittelten mittleren Intensitätsschwankungen hinausgehen, darauf hinweisen können, dass zu diesen Zeitpunkten bzw. an diesen Positionen ein Fehler in der Schweißnaht 210 vorliegt oder auftritt.
Der Fehler kann auch in unmittelbar in an die Schweißnaht 210 angrenzenden Bereichen des Werkstückes 110, 120 vorliegen, welche die Intensität der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung beeinflussen, beispielsweise in Form eines in der direkten Umgebung der Schweißnaht 210 vorliegenden Risses.
In 8 ist in einem weiteren Diagramm 50 ein Intensitätsverlauf der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung gezeigt. Hier ist ein Defekt einer Schweißnaht 210 dahingehend zu erkennen, dass ausgehend von einem im Wesentlichen gleichmäßigen Intensitätsverlauf im Bereich 500 plötzlich ein Einbruch des Intensitätsverlaufs bei der Position 520 erfolgt. Eine entsprechende Überprüfung der der Schweißnaht 210 ergibt, dass an der Position 520 ein Schweißnahtabbruch 214 vorliegt.
Für eine automatisierte Auswertung ergibt sich eine signifikante Veränderung des Intensitätsniveaus bzw. des Signals ausgehend beispielsweise von dem Mittelwert der intakten Bereiche 500 hin zu dem plötzlichen Einbrechen der Intensität an der Position 520.
Zur Durchführung eines Verfahrens zur Überwachung des Schweißprozesses kann entsprechend über die Auswertung der von der Prozesszone emittierten Strahlung über deren Zeitverlauf hinweg und insbesondere durch die Auswertung der Intensität dieser von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung auf das Vorliegen einer korrekt ausgeführten Schweißnaht bzw. auf das Vorliegen von Fehlern und/oder Rissen und/oder Schweißnahtabbrüchen geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform können diese über eine solche Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung ermittelten Fehler und/oder Risse und/oder Schweißnahtabbrüche an den jeweiligen Benutzer kommuniziert werden bzw. beim Überschreiten einer entsprechenden Toleranzschwelle kann der Schweißvorgang abgebrochen werden und/oder das erzeugte Werkstück als Ausschuss gekennzeichnet und/oder ausgeschleust werden.
Aufgrund der genauen Kenntnis der relativen Position der Prozesszone 200 in dem Werkstück 110 durch die Relativpositionierung zwischen Werkstück und Bearbeitungsobjektiv 2 kann aufgrund der zeitaufgelösten Detektion der von der Prozesszone 200 emittierten Strahlung eine genaue Lokalisierung der Fehler und/oder Risse und/oder Schweißnahtabbrüche bezüglich des Werkstücks 110 vorgenommen werden.
Aufgrund der Möglichkeit der Lokalisierung von Fehlern und/oder Rissen und/oder Schweißnahtabbrüchen kann auch eine Nachführung oder Regelung von Prozessparametern durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Leistung des Bearbeitungsstrahls 20 oder die Vorschubgeschwindigkeit angepasst werden. Wird beispielsweise ein übermäßiges Auftreten von Rissen in den Werkstücken 110, 120 detektiert, so kann entsprechend die Leistung des Bearbeitungsstrahls 20 reduziert werden oder die Vorschubgeschwindigkeit erhöht werden, um die Rissbildung aufgrund von durch den eingetragenen Temperaturgradienten erzeugten Spannungen zu reduzieren.
Eine Auswertung beispielsweise des Intensitätsverlaufs der mittels der Photodioden 36 und/oder 46 detektierten Strahlung kann beispielsweise darüber vorgenommen werden, dass die ermittelten Signale zunächst aufbereitet werden.
Beispielsweise kann eine Filterung der Signale vorgenommen werden und/oder eine Rauschreduktion vorgenommen werden und/oder eine Glättung der Signale vorgenommen werden und/oder besondere Merkmale der Signals herausgestellt werden etc.
Nach der Aufbereitung des Signals kann eine Auswertung des Signals durchgeführt werden. Hierzu kann beispielsweise eine zeitliche Integration des Signals über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg durchgeführt werden und dann ein Vergleich des erhaltenen Werts mit einem Sollwert durchgeführt werden.
Es kann auch eine Mittelwertbildung des Signals durchgeführt werden und dann beim Vorliegen einer signifikant von dem Mittelwert abweichenden Intensitätsschwankung auf das Vorliegen eines Fehlers und/oder Risses geschlossen werden. Es kann auch beim plötzlichen Einbruch des Signals bezüglich des Mittelwerts auf das Vorliegen eines Nahtabbruchs geschlossen werden. Der Mittelwert kann auch als gleitender Mittelwert gebildet werden.
Weiterhin kann eine Auswertung des Signals durchgeführt werden, indem das Signal über den Zeitverlauf hinweg betrachtet wird.
Weiterhin kann eine Auswertung dahingehend durchgeführt werden, dass Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg betrachtet werden, um beispielsweise das Vorliegen und/oder Entstehen von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen zu ermitteln.
Weiterhin kann beispielsweise eine Fast Fourier Transformation (FFT) des Signals durchgeführt werden, um für einen bestimmten Zeitabschnitt Änderungen des Frequenzverlaufes bzw. eine Änderung des Frequenzspektrums der Intensitätsschwankungen zu ermitteln.
Besonders bevorzugt erfolgt eine automatisierte Fehlerausgabe beim Überschreiten von vordefinierten Toleranzgrenzen, um entsprechend einen Schweißprozess abzubrechen, wenn eine hohe Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass durch den Bearbeitungsprozess Ausschuss produziert wird.
Weiterhin können auch Gegenmaßnahmen zur Stabilisierung des Bearbeitungsprozesses vorgesehen werden, um entsprechend automatisiert eine Anpassung der Prozessparameter derart vorzunehmen, dass das Auftreten oder Verändern von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen reduziert wird.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Überwachung eines Schweißprozesses
100: Grenzfläche
110: (oberes) Werkstück
112: obere Oberfläche des oberen Werkstücks
114: untere Oberfläche des oberen Werkstücks
120: (unteres) Werkstück
122: obere Oberfläche des unteren Werkstücks
124: untere Oberfläche des unteren Werkstücks
2: Bearbeitungsobjektiv
20: Bearbeitungsstrahl
200: Prozesszone
210: Schweißnaht
212: blasenförmiger Bereich
214: Schweißnahtabbruch
30: Strahlteiler
32: optischer Filter
34: Fokussierlinse
36: Photodiode
42: Filter
44: Abbildungssystem
46: Photodiode
48: Linse
50: Diagramm des Intensitätsverlaufs
52: Abbildung
500: defektfreier Bereich
510: Defekte
520: Einbruch der Intensität
X: Verschiebungsrichtung

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

WO 2008/052591 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (110) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), bevorzugt aus Glas, wobei in den Werkstücken (110,120) in einer mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, beaufschlagten Prozesszone (200) eine Schweißnaht (210) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung zeitaufgelöst detektiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der von der Prozesszone (200) emittierten Strahlung detektiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Periodizität und/oder Frequenz und/oder das Frequenzspektrum von Intensitätsschwankungen der von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung detektiert wird und daraus bevorzugt auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht (210) geschlossen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung mittels eines Sensors, bevorzugt einer Photodiode (36, 46), aufgenommen wird und in ein Signal umgewandelt wird, welches dann für eine nachfolgende Auswertung aufbereitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal auf das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Nahtabbrüchen und/oder Fehlern in der Schweißnaht (210) hin ausgewertet wird, wobei bevorzugt beim Überschreiten vordefinierter Toleranzgrenzen eine Fehlerausgabe und/oder ein Abbruch des Schweißvorgangs erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal durch eine Filterung und/oder eine Rauschreduktion und/oder eine Glättung und/oder eine Herausstellung besonderer Merkmale aufbereitet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Signal durch eine zeitliche Integration über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg und einen anschließenden Vergleich mit einem aktuellen Signalwert und/oder durch eine Betrachtung über den Zeitverlauf hinweg und/oder durch eine Betrachtung von Signalmaxima und Signalminima über einen bestimmten Zeitabschnitt hinweg und/oder durch das Durchführen einer Fast Fourier Transformation und einer Betrachtung von Änderungen im Frequenzspektrum und/oder durch Bildung eines Mittelwerts und Vergleich mit einem aktuellen Signalwert ausgewertet wird, um bevorzugt das Vorliegen und/oder die Ausbildung und/oder die Veränderung von Rissen und/oder Fehlern und/oder Nahtabbrüchen in der Schweißnaht (210) zu ermitteln.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Prozesszone (200) emittierte Strahlung auf eine sich von der Pulsfrequenz des Bearbeitungsstrahls (20) unterscheidende Frequenz der Intensitätsschwankungen hin untersucht wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Werkstücke (110, 120) aus Glas miteinander verschweißt werden.
Vorrichtung (1) zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen mindestens eines Werkstücks (110) aus Glas mit einem weiteren Werkstück (120), bevorzugt aus Glas, umfassend ein Bearbeitungsobjektiv (2) zur Beaufschlagung einer Prozesszone (200) mindestens eines der Werkstücke (110, 120) mit einem gepulsten Bearbeitungsstrahl (20), bevorzugt mit einem gepulsten Laserstrahl, besonders bevorzugt mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl, gekennzeichnet durch einen Sensor (36, 46) zur zeitaufgelösten Detektion von von der Prozesszone (200) emittierter Strahlung.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Optik zur Aufnahme der von der Prozesszone (200) ausgehenden Strahlung und zur Abbildung der Strahlung auf den Sensor (36, 46) vorgesehen ist, wobei die Optik bevorzugt durch das Bearbeitungsobjektiv (2) oder durch ein von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separates Abbildungssystem (44) ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) gemäß Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Bearbeitungsobjektiv (2) belichteter Sensor (36), bevorzugt unter Zwischenschaltung eines Strahlteilers (30) und/oder eines optischen Filters (32) und/oder einer Fokussierlinse (34), und/oder ein mit einem von dem Bearbeitungsobjektiv (2) separaten Abbildungssystem (44) belichteter Sensor (46) vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeitungsobjektiv (2) dazu ausgebildet und eingerichtet ist, den Bearbeitungsstrahl (20) in eine in dem durch das mindestens eine Werkstück (110, 120) gebildeten Glasvolumen liegende Prozesszone (200) zu fokussieren.