DE102020209692A1

DE102020209692A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Regeln eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas

Info

Publication number: DE102020209692A1
Application number: DE102020209692.9A
Authority: DE
Inventors: Tim Hesse; Sebastian Hecker
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: TRUMPF LASER- UND SYSTEMTECHNIK SE, DE
Priority date: 2020-07-31
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2022-02-03
Anticipated expiration: 2040-08-01
Also published as: DE102020209692B4; WO2022023161A1

Abstract

Bei einem Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) detektiert wird, wird erfindungsgemäß der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet:- Maximalintensität eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10)- die über einen Intensitätspeak (23, 24) integrierte Intensität der Prozessstrahlung (10),- Halbwertsbreite (ΔI) eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10),- zeitlicher Abstand (Δt) zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22),- Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22) befindlichen Intensitätspeaks (24) der Prozessstrahlung (10) ohne senkrechten Intensitätsabfall, und- zeitlicher Abstand (δt) zwischen dem Beginn eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall (22) oder einer Intensitätsspitze (25) eines Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10).Anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals wird ein Schweißparameter angepasst oder geregelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken von einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen im Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen emittierten Prozessstrahlung detektiert wird.
Ein derartiges Überwachungsverfahren ist beispielsweise durch die DE 10 2018 128 377 A1 oder DE 10 2018 128 368 A1 bekannt geworden.
Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt zumeist in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das geschweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzogen. Ob ein Spalt überbrückt wurde oder nicht, wird mit einem Mikroskop bestimmt. Die Position und die Größe des Spalts werden bisher aufwendig nach Prozessende anhand von Querschliffen mikroskopisch untersucht. Zudem werden Festigkeitsmessungen durchgeführt.
Aus der DE 10 2018 128 377 A1 ist ein Verfahren zum Überwachen eines Schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas bekannt, wobei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Ultrakurzpulslaserstrahl beaufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Intensität der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung wird zeitaufgelöst detektiert und die Periodizität, die Frequenz und das Frequenzspektrum von Intensitätsschwankungen der detektierten Prozessstrahlung bestimmt, um daraus auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht zu schließen. Anhand von lokalisierten Rissen, Störstellen und Defekten wird eine Regelung von Prozessparametern, wie z.B. Leistung oder Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls, durchgeführt.
DE 10 2018 128 368 A1 offenbart ein ortsaufgelöstes Verfahren zum Detektieren von Prozess- oder Laserstrahlung, die an Defekten reflektiert oder gestreut werden. Auf der Basis von außerhalb der Prozesszone aufblitzenden Bereichen kann eine spezifische Anpassung der Bearbeitungsparameter erfolgen, um dieses Aufblitzen zu verhindern.
Laserschweißprozesse für transparente Materialien werden bisher gesteuert durchgeführt. Zur Verbesserung der Schweißnahtqualität wird die mittlere Laserleistung moduliert und/oder Strahlformung eingesetzt.
Um die Verkippung eines Werkstücks zu korrigieren und die Schweißnaht optimal zu positionieren, werden bisher mehrstufige Verfahren eingesetzt (siehe z.B. Elke Kaiser, Laser Welding of Glass Replaces Glueing Procedure Glass welding with a femtosecond laser brings economic advantages and new design options, Laser Technik Journal, und Simone Russ, Strong connection: welding of different kinds of glass using femtosecond laser pulses, Lasers in Manufacturing). Im ersten Schritt wird die Position des Werkstücks entlang der Schweißnahtkontur oder anhand mehrerer Fixpunkte vermessen. Die Vermessung erfolgt dabei oftmals optisch über die Reflexion eines Messstrahls an der Grenzfläche oder der ersten Glasoberfläche. In einem zweiten Schritt wird das Werkstück ausgerichtet oder die Fokuslage gesteuert angepasst. Im letzten Schritt erfolgt der Schweißprozess.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Überwachungsverfahren dahingehend weiterbilden, dass durch eine Überwachung des Schweißprozesses frühzeitig Schweißfehler erkannt werden können, um entgegenwirkende Maßnahmen oder eine Regelung zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird:

- Maximalintensität eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- die über einen Intensitätspeak integrierte Intensität der Prozessstrahlung,
- Halbwertsbreite eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- zeitlicher Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall,
- Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall befindlichen Intensitätspeaks der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall, und
- zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall oder einer Intensitätsspitze eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,

Vorzugsweise wird die mittlere Laserleistung des Laserstrahls moduliert, um innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen zu erzeugen.
Erfindungsgemäß wird die Prozessstrahlung, die von einem Wechselwirkungsbereich des Laserstrahls mit dem Werkstück ausgeht, genutzt, um Nahtausbildung und -position zu überwachen sowie Schweißfehler, wie z.B. Schweißnahtunregelmäßigkeiten, zu erkennen und entgegenwirkende Maßnahmen oder eine Regelung zu ermöglichen. Die Anpassung des oder der Schweißparameter erfolgt anhand von Merkmalen im Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung. Der Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall kann auf viele Arten bestimmt werden, bevorzugt aber von maximaler Peakintensität zu maximaler Peakintensität.
Zur Erzeugung von Schweißnähten in Glas mit ultrakurzen Laserpulsen werden verschiedene Ansätze verfolgt. Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolumen nahe der Grenzfläche fokussiert und mit jeder Modulationssequenz ein einzelnes Schmelzvolumen erzeugt. Hierbei wird insbesondere über mehrere Pulse die Absorption in Richtung der einfallenden Wellenfront gezogen, da es dort aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Unter Vorschub bilden viele aneinandergereihte Schmelzvolumen eine zusammenhängende oder periodisch unterbrochene Schweißnaht. Die resultierende Schweißnaht weist eine periodische Signatur auf. Ein erweiterter Ansatz zum Schweißen stellt die Modulation der Laserleistung dar. Bearbeitungsparameter werden derart gewählt, dass innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes/eigenständiges Schmelzvolumen erzeugt wird.
Die Wechselwirkungszone emittiert typischerweise Strahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum, deren Intensität mit dem Volumen der Wechselwirkungszone korreliert. Entsprechend der Änderung des Volumens der Wechselwirkungszone wird somit für jedes einzelne Schmelzvolumen Strahlung emittiert. Bei modulierter Laserleistung hat sich gezeigt, dass der Intensitätsverlauf, während der Schmelzvolumenbildung, durch die Laserleistungsmodulation reproduzierbar ist und einem festen Verlauf folgt. Außerdem steht der Intensitätsverlauf mit auftretenden Schweißnahtunregelmäßigkeiten in Zusammenhang. So kann anhand charakteristischer Merkmale im Signalverlauf auf Änderungen in der Nahtausdehnung, Prozessabbrüche oder die Position des Spalts innerhalb eines Schmelzvolumens geschlossen werden. Da sich die Änderungen in der Intensität auf den gesamten Spektralbereich gleichermaßen auswirken, kann die Überwachung breitbandig über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv erfolgen.
Erfindungsgemäß sind beispielsweise folgende Regelungsvarianten für das Schweißen von Glas möglich:

- Regelung der Nahthöhe durch Anpassung des Schmelzvolumenabstandes/mittlere Leistung/Modulationsmusters, z.B. für kleine Radien.
- Regelung des Schmelzvolumenabstandes bei einem nicht überbrückten Spalt. Dadurch werden für jedes Schmelzvolumen gleichbleibende Bedingungen für Spaltüberbrückung gewährleistet, sowie Schmelzvolumen, welche die Grenzfläche nicht erreichen und damit nicht zum Schweißergebnis beitragen, und Risse, die die Einkopplung und damit den Prozess stören, vermieden.
- Regelung der Schweißnahtposition, z.B. bei einem verkippten Werkstück. Die Nahtposition wird anhand eines überbrückten oder nicht überbrückbaren Spalts erkannt. Weicht die Position vom Soll ab, wird gegengesteuert.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Schweißparameter die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls. Die mittlere Laserleistung des Laserstrahls kann beispielsweise durch Ändern der maximalen Pulsenergie oder durch Ändern des Abstands zwischen zwei Modulationssequenzen des Laserstrahls angepasst oder geregelt werden.
Vorteilhaft erfolgen die Anpassung oder Regelung des mindestens einen Schweißparameters erst dann, wenn der mindestens eine Schweißparameter einen vorgegebenen Schwellwert unter- oder überschreitet. Wird der Schweißparameter anhand des Abstands zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall angepasst oder geregelt, so erfolgen vorteilhaft die Anpassung oder Regelung des Schweißparameters erst dann, wenn zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall mindestens ein Intensitätspeak der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall liegt. Dieser Fall bezieht sich auf die Regelung beim Prozessabbruch. Der Abstand zwischen den Schmelzvolumen soll minimal sein oder minimal gehalten werden. Ggf. kann es erforderlich sein, nicht auf ein Schmelzvolumen, welches nicht zum Schweißergebnis beiträgt, zu warten, sondern den Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall automatisch so lange zu verringern, bis gerade kein Schmelzvolumen erzeugt wird, welches nicht zum Schweißergebnis beiträgt.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls mit einem Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Laserstrahls, der in den Werkstücken ein Schmelzvolumen aufschmilzt, um eine Schweißnaht zu erzeugen, mit einer Bearbeitungsoptik, die den Laserstrahl in den Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke abbildet, mit einem Detektor zum Detektieren der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung und mit einer Auswertungseinheit zum Auswerten des detektierten Intensitätsverlaufs, wobei die Auswerteeinheit programmiert ist, den detektierten Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale auszuwerten:

- Maximalintensität eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- die über einen Intensitätspeak integrierte Intensität der Prozessstrahlung,
- Halbwertsbreite eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung,
- zeitlicher Abstand zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall,
- Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks der Prozessstrahlung mit senkrechtem Intensitätsabfall befindlichen Intensitätspeaks der Prozessstrahlung ohne senkrechten Intensitätsabfall, und
- zeitlicher Abstand zwischen dem Beginn eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall oder einer Intensitätsspitze eines Intensitätspeaks der Prozessstrahlung.

Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist bevorzugt eine Regelungseinrichtung zur Regelung mindestens eines Schweißparameters des Schweißprozesses anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals, eine Anzeigeeinheit zur Anzeige des ausgewerteten Intensitätsverlaufs und/oder einen Datenspeicher zum Speichern des detektierten Intensitätsverlaufs auf. Der mindestens eine Schweißparameter ist vorteilhaft die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Regelung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas; und
2a, 2b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Alkali-Aluminosilikat-Glas ohne Regelung (2a) und mit Regelung ( 2b) des zeitlichen Abstands zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls; und
3a, 3b gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas bei einem Nullspalt (3a) und mit einem überbrückten Spalt (3b).

Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Regeln eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellenlänge transparenten Material, z.B. aus wie Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls 4. Als gepulster Laserstrahls 4 wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pulsen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet.
Die Unterseite des in 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 liegen aneinander an und bilden eine Grenzfläche 5, in der die Verschweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde. Der Laserstrahl 4 wird von einer Bearbeitungsoptik 6, welche prinzipiell auch strahlformende Elemente aufweisen kann, durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 nahe der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Die mittlere Leistung des Ultrakurzpulslasers wird zeitlich moduliert, wodurch innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen 7 erzeugt wird.
Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Fokus F treten im Glasmaterial nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des gepulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmaterial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen 7 wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 5 angeordnet ist oder die Grenzfläche 5 umfasst. Beim erneuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüssige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt. Der Laserstrahl 4 wird gemeinsam mit der Bearbeitungsoptik 6 in einer Vorschubrichtung X, Y relativ den Werkstücken 2, 3 mit einer Vorschubgeschwindigkeit v bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen. Alternativ oder zusätzlich können auch die Werkstücke 2, 3 relativ zur Bearbeitungsoptik 6 bewegt werden.
Insbesondere über mehrere Pulse wird die Absorption im unteren Werkstück 3 in Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 gezogen, da es an der Oberseite der Wechselwirkungszone/Prozesszone aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus F, erneut. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten 8 mit periodischer Signatur. Durch eine Modulation wird die Schmelzvolumenbildung gezielt initiiert und wieder terminiert. Die Verlagerung der Absorption in den konvergenten Strahl wird durch Verringerung oder Abbruch der Laserleistung abgebrochen oder langsam beendet. Mit der nächsten Modulationssequenz startet die Absorption dann erneut im Fokus, und ein weiteres Schmelzvolumen wird erzeugt. Diese periodische Erzeugung von einzelnen Schmelzvolumen führt dann zu aneinander gereihten Schmelzvolumen, die überlappen können (periodische Signatur).
Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügenden Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, wird durch den herrschenden Druck innerhalb der Prozesszone impulsartig Schmelze in den Spalt 9 ausgetrieben. Wird der Spalt 9 zwischen Werkstücken 2, 3 vollständig mit Material gefüllt, sodass die Absorption im oberen Werkstück 2 fortgesetzt werden kann, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Verteilt sich die Schmelze jedoch weitläufig im Spalt 9, kann die Absorption nicht aufrechterhalten werden. Der Spalt 9 wird nicht überbrückt, und es kommt zu keiner stoffschlüssigen Verbindung. Die Position und die Größe des Spalts 9 beeinflussen die Festigkeit und die Sichtbarkeit der Schweißverbindung und wirken sich auch auf die Intensität der während des Prozesses von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 3 im Werkstück 2, 3 emittierten Prozessstrahlung 10 aus.
Die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 erfolgt durch einen bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 4 angeordneten Detektor, hier in Form einer Photodiode 11. Alternativ kann der Detektor auch neben der Bearbeitungsoptik 6 oder unterhalb der Werkstücke 2, 3 angebracht sein („off-axis“). Statt mit einer Photodiode kann die Detektion der emittierten Prozessstrahlung 10 auch mit einem schnellen Zeilensensor oder einer Kamera erfolgen. Neben dem sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Detektion der Prozessstrahlung 10 auch im nahen Infrarot Bereich erfolgen.
Der Laserstrahl 4 wird mit einem dichroitischen Spiegel 12, der beispielsweise hochreflektierend für die Laserwellenlänge und transmittierend für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm ist, zur Bearbeitungsoptik 6 geführt und im unteren Werkstück 3 kurz unterhalb der Grenzfläche 5 fokussiert. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 12 auch transmissiv für die Laserwellenlänge und reflektiv für die Prozessstrahlung 10 sein. Statt oder zusätzlich zum sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Beobachtung der Prozessstrahlung 10 auch im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Die dabei von der Prozesszone der Werkstücke 2, 3 emittierte Prozessstrahlung 10 wird mithilfe der Bearbeitungsoptik 6 eingefangen und durch den dichroitischen Spiegel 12 aus dem Laserstrahlenstrahlengang ausgekoppelt. Ein optisches Filterelement 13 dient zur Selektion eines gewünschten Wellenlängenbereiches und/oder zur Unterdrückung reflektierter Laserstrahlung aus der Prozessstrahlung 10. Im Anschluss an das Filterelement 13 wird die Prozessstrahlung 10 mit einer Linse 14 auf die Photodiode 11 fokussiert. Mithilfe einer Auswertungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 für jedes erzeugte Schmelzvolumen auf eine Änderung in der Strahlungsintensität hin ausgewertet.
Wie in 1 weiter gezeigt, wird der Laserstrahl 4 in einem Laserstrahlerzeuger (Ultrakurzpulslaser) 16 erzeugt, dessen mittlere Leistung bevorzugt zeitlich moduliert wird. Mit Hilfe eines Strahlführungssystems 17 wird der Laserstrahl 4 vom Laserstrahlerzeuger 16 zur Bearbeitungsoptik 6 geführt. Die zu fügenden Werkstücke 2, 3 sind mit einer Haltevorrichtung 18 auf einem in X, Y-Richtung verfahrbaren Achssystem 19 fixiert. Der Laserstrahlerzeuger 16 und das Achssystem 19 werden von einer Maschinensteuerung 20 angesteuert. Die Auswertung der von der Photodiode 11 detektierten Prozessstrahlung 10 erfolgt dabei wie oben beschrieben für jedes erzeugte Schmelzvolumen auf Merkmale hin, die auf eine Änderung der Nahtausdehnung, einen Prozessabbruch oder die Position des Spalts innerhalb eines Schmelzvolumens 7 schließen lassen. Die ermittelten Daten werden an eine Regelungseinrichtung 21 übergeben, die wiederum den Laserstrahlerzeuger 16 bezüglich der Laserleistung und der maximalen Pulsenergie und das Achssystem 19 bezüglich der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls entsprechend ansteuert. Alternativ oder zusätzlich kann auch der Laserstrahl 4 samt Bearbeitungsoptik 6 in X-, Y-Richtung bewegt werden.
Beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern sind oftmals komplexe Konturen mit kleinen Radien erforderlich. Diese Bereiche sind besonders anfällig für Rissbildung. Aufgrund der Achsträgheit kann die Vorschubgeschwindigkeit v nicht konstant gehalten werden. Durch die verringerte Vorschubgeschwindigkeit v verringert sich der Abstand zwischen den einzelnen Schmelzvolumen 7, was eine Änderung der inneren Nahtstruktur zur Folge hat. Zudem kommt es bei gleichbleibender Energieeinbringung dazu, dass mehr Wärme akkumuliert wird, wodurch sich die Ausdehnung der aufgeschmolzenen Volumina ändert. Dies geht mit einer Zunahme der thermischen Spannungen einher, was letzten Endes zur Rissbildung führen kann. Die größere Ausdehnung des aufgeschmolzenen Volumens resultiert in einer Zunahme der emittierten Prozessstrahlung 10. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schweißbearbeitungsparameter (z.B. Vorschubgeschwindigkeit v, mittlere Laserleistung des Laserstrahls 4) in Abhängigkeit vom ausgewerteten Intensitätsmaximum eines Schmelzvolumens 7 oder von der über ein Schmelzvolumen 7 integrierten Strahlungsintensität angepasst bzw. geregelt. Die Anpassung kann beispielsweise erfolgen, wenn die integrierte Intensität oberhalb eines Schwellwertes liegt.
In einer vorteilhaften Variante wird der Schweißparameter von der Regelungseinrichtung 21 derart angepasst bzw. geregelt, dass der Erhöhung der Schweißnahtausdehnung entgegengewirkt wird, indem die mittlere Laserleistung des Laserstrahls 4 verringert wird. Die Reduzierung der mittleren Laserleistung kann dabei über die Reduzierung der maximalen Pulsenergie erfolgen. Alternativ kann die Nahtausdehnung durch Vergrößern des zeitlichen Abstands zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls 4 verringert werden. Dies führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht.
In einer weiteren Variante werden die innere Struktur der Schweißnaht 8 und die Nahtausdehnung konstant gehalten. Die Anpassung bzw. Regelung des Schweißparameters erfolgt dabei in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit v der Achsen und vom ausgewerteten Intensitätsmaximum eines Schmelzvolumens 7 bzw. von der über ein Schmelzvolumen 7 integrierten Strahlungsintensität. Die Anpassung bzw. Regelung kann beispielsweise erfolgen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit v unterhalb eines Schwellwertes liegt. Vorzugsweise wird der Schweißparameter derart angepasst, dass einer Änderung der inneren Nahtstruktur entgegengewirkt wird, indem der zeitliche Abstand zwischen den Modulationssequenzen des Laserstrahls 4 vergrößert wird. Die führt dazu, dass sich der Abstand zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht und sich gleichzeitig die Nahtausdehnung verringert. Eine Kombination der beiden Varianten ist denkbar und sinnvoll.
Gibt es beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern zwischen den zu fügenden Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Prozessabbruch. Ein Prozessabbruch ist dadurch gekennzeichnet, dass periodisch Schmelze in den Spalt 9 ausgeworfen wird und die Ausbildung weiterer Schmelzvolumen 7 durch erstarrte Schmelze an der Glasoberfläche und Hohlräume beeinträchtigt wird. Die gebildeten Schmelzvolumen 7 zwischen den Schmelzauswürfen erreichen die Grenzfläche nicht und tragen damit nicht zum Prozessergebnis bei und verringern die Prozesseffizienz. Schmelzauswürfe führen zu einem plötzlichen Abbruch der Strahlungsemission. Bei kleinen aufgeschmolzenen Schmelzvolumen 7, welche die Grenzfläche 5 nicht erreichen, ist die Strahlungsemission reduziert.
2a, 2b zeigen exemplarische zeitliche Intensitätsverläufe I(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke 2, 3 aus Alkali-Aluminosilikat-Glas ohne Regelung (2a) und mit Regelung (2b) des zeitlichen Abstands zwischen den Modulationssequenzen des zeitlich modulierten Laserstrahls 4. Intensitätspeaks der Prozessstrahlung 10 mit senkrechtem Intensitätsabfall 22 sind mit 23 und Intensitätspeaks der Prozessstrahlung 10 ohne senkrechten Intensitätsabfall sind mit 24 bezeichnet.
2a zeigt den Intensitätsverlauf eines Prozessabbruchs beim Schweißen mit Abstand Δt zwischen den einzelnen Schmelzvolumen 7.
Nach einem Schmelzauswurf, der durch einen schlagartigen bzw. senkrechten Abfall 22 in der Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10gekennzeichnet ist, können kleinere Signalausschläge 24 beobachtet werden. Diese kennzeichnen zunehmend größer werdende Schmelzvolumen 7. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schweißparameter in Abhängigkeit von einem der folgenden Merkmale angepasst bzw. geregelt:

- Maximalintensität eines Intensitätspeaks 23, 24,
- die über einen Intensitätspeak 23, 24 integrierte Intensität,
- Halbwertsbreite ΔI eines Intensitätspeaks 23, 24,
- zeitlicher Abstand Δt zwischen zwei Intensitätspeaks 23 mit senkrechtem Intensitätsabfall 22,
- Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks 23 mit senkrechtem Intensitätsabfall 22 befindlichen Intensitätspeaks 24 ohne senkrechten Intensitätsabfall, und
- zeitlicher Abstand δt zwischen dem Beginn t₀ eines Intensitätsanstiegs und dem Zeitpunkt t_a eines senkrechten Intensitätsabfalls 22 oder einer unmittelbar vorangehenden Intensitätsspitze 25 eines Intensitätspeaks 23 (3b).

Die Anpassung bzw. Regelung kann beispielsweise erfolgen, wenn zwischen zwei Schmelzauswürfen Schmelzvolumen auftreten, die nicht zum Schweißergebnis beitragen, und somit die Strahlungsintensität bei zwei aufeinanderfolgenden Schmelzvolumen 7 nicht vollständig einbricht, also wenn zwischen zwei Intensitätspeaks 23 mit senkrechtem Intensitätsabfall 22 mindestens ein Intensitätspeak 24 ohne senkrechten Intensitätsabfall liegt.
In einer vorteilhaften Variante wird mindestens ein Schweißparameter derart angepasst, dass auf jeden Schmelzauswurf ein weiterer Schmelzauswurf folgt. Dazwischenliegenden Schmelzvolumen, die nicht zum Schweißergebnis beitragen, kann dadurch entgegengewirkt werden, dass der zeitliche Abstand zwischen den Modulationssequenzen vergrößert wird. Dies führt dazu, dass sich der Abstand Δt zwischen den Schmelzvolumen 7 erhöht und die Nahtausbildung durch ausgeworfene Schmelze an der Grenzfläche oder Hohlräumen nicht mehr beeinflusst wird.
2b zeigt den Intensitätsverlauf beim Schweißen mit angepasstem, größerem Abstand Δt zwischen den Modulationssequenzen. Jedes gebildete Schmelzvolumen 7 führt zum Auswurf von Schmelze. Durch den vergrößerten Abstand Δt zwischen den Schmelzvolumen 7 reduziert sich die Nahtausdehnung. Dem kann zusätzlich durch eine Anpassung der maximalen Pulsenergie entgegengewirkt werden.
Die Schweißnahtposition hat beim Schweißen von transparenten Werkstücken 2, 3 mit UKP-Lasern einen großen Einfluss auf die Festigkeit der Schweißverbindungen, die Überbrückbarkeit eines Spalts 9 sowie die Anfälligkeit für Rissbildung. Eine Verkippung des Werkstücks 2, 3 kann jedoch dazu führen, dass die Nahtposition zum Spalt 9 entlang der Bauteilgeometrie variiert. Wird ein Spalt 9 überbrückt, kann dies zu einer Emissionsspitze und oder einem kurzzeitigen Einbruch in der Strahlungsemission führen. Die Position dieses Merkmals im detektierten Intensitätsverlauf gibt Aufschluss über die Spaltposition innerhalb der Schweißnaht 8.
3a, 3b zeigen exemplarische zeitliche Intensitätsverläufe I(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke 2, 3 aus Quarzglas bei einem Nullspalt (3a) und mit einem überbrückten Spalt (3b). In 3a ist die Grenzfläche nicht erkennbar; in 3b kann anhand des Zeitpunkts t_a des Intensitätseinbruchs 22 bzw. einer unmittelbar vorangehenden Intensitätsspitze 25 auf die Position des Spalts 9 innerhalb des Schmelzvolumens 7 geschlossen werden. Je später der Schmelzauswurf stattfindet, desto höher liegt der Spalt 9. Erfindungsgemäß wird mindestens ein Schweißparameter in Abhängigkeit vom Zeitpunkt t_a des kurzzeitigen Intensitätseinbruchs 22 oder der Intensitätsspitze 25 angepasst bzw. geregelt. Die Anpassung kann beispielsweise erfolgen, wenn der Zeitpunkt t_a des kurzzeitigen Intensitätseinbruchs 22 außerhalb eines vorgegebenen Zeitfensters liegt. Bei einer vorteilhaften Variante wird mindestens ein Schweißparameter derart angepasst, dass der Positionsänderung des Spalts 9 entgegengewirkt wird, indem die Fokuslage F entsprechend angepasst wird.
Wie in 1 gezeigt, weist die Überwachungsvorrichtung 1 weiterhin einen Datenspeicher 26 zum Speichern des detektierten Intensitätsverlaufs sowie eine Anzeigeeinheit 27 zur Anzeige des ausgewerteten Intensitätsverlaufs auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018128377 A1 [0002, 0004]
DE 102018128368 A1 [0002, 0005]

Claims

Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) detektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird: - Maximalintensität eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10), - die über einen Intensitätspeak (23, 24) integrierte Intensität der Prozessstrahlung (10), - Halbwertsbreite (ΔI) eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10), - zeitlicher Abstand (Δt) zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22), - Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22) befindlichen Intensitätspeaks (24) der Prozessstrahlung (10) ohne senkrechten Intensitätsabfall, und - zeitlicher Abstand (δt) zwischen dem Beginn (t₀) eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall (22) oder einer Intensitätsspitze (25) eines Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10), und dass mindestens ein Schweißparameter anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals angepasst oder geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Laserleistung des Laserstrahls (4) moduliert wird, um innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen (7) zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schweißparameter die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (4) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Laserleistung des Laserstrahls (4) durch Ändern der maximalen Pulsenergie oder eines Modulationsmusters oder durch Ändern des Abstands zwischen zwei Modulationssequenzen des Laserstrahls (4) angepasst oder geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung oder Regelung des mindestens einen Schweißparameters erst erfolgen, wenn der mindestens eine Schweißparameter einen vorgegebenen Schwellwert unter- oder überschreitet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung oder Regelung des mindestens einen Schweißparameters erst erfolgen, wenn zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22) mindestens ein Intensitätspeak (24) der Prozessstrahlung (10) ohne senkrechten Intensitätsabfall liegt.
Vorrichtung (1) zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls (4), mit einem Laserstrahlerzeuger (16) zum Erzeugen des Laserstrahls (4), der in den Werkstücken (2, 3) ein Schmelzvolumen (7) aufschmilzt, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, mit einer Bearbeitungsoptik (6), die den Laserstrahl (4) in den Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) abbildet, mit einem Detektor (11) zum Detektieren der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10), und mit einer Auswertungseinheit (15) zum Auswerten des detektierten Intensitätsverlaufs, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinheit (15) programmiert ist, den detektierten Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale auszuwerten: - Maximalintensität eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10) - die über einen Intensitätspeak (23, 24) integrierte Intensität der Prozessstrahlung (10), - Halbwertsbreite (ΔI) eines Intensitätspeaks (23, 24) der Prozessstrahlung (10), - zeitlicher Abstand (Δt) zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22), - Anzahl der zwischen zwei Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10) mit senkrechtem Intensitätsabfall (22) befindlichen Intensitätspeaks (24) der Prozessstrahlung (10) ohne senkrechten Intensitätsabfall, und - zeitlicher Abstand (δt) zwischen dem Beginn (t₀) eines Intensitätsanstiegs und einem senkrechten Intensitätsabfall (22) oder einer Intensitätsspitze (25) eines Intensitätspeaks (23) der Prozessstrahlung (10).
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Regelungseinrichtung (21) zur Regelung mindestens eines Schweißparameters des Schweißprozesses anhand des mindestens einen ausgewerteten Merkmals.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Schweißparameter die mittlere Laserleistung oder die Vorschubgeschwindigkeit (v) des Laserstrahls (4) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch eine Anzeigeeinheit (27) zur Anzeige des detektierten oder ausgewerteten Intensitätsverlaufs.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet durch einen Datenspeicher (26) zum Speichern des detektierten Intensitätsverlaufs.