-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren 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.
-
-
Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das geschweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzogen. Die Identifikation von Prozessabbrüchen des Laserschweißprozesses erfolgt zumeist optisch durch eine mikroskopische Untersuchung an den permanenten Schweißnähten nach Prozessende (Draufsicht). Die Einschätzung des gesamten Schweißergebnisses basiert auf der Erfahrung eines Facharbeiters.
-
Aus der
DE 10 2018 128 377 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung 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.
-
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Überwachungsverfahren dahingehend weiterzubilden, dass beim Fügen transparenter Werkstücke ein Prozessabbruch des Laserschweißprozesses an der Grenzfläche der Werkstücke zuverlässig erkannt werden kann.
-
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich sprunghafter bzw. senkrechter Intensitätsabfälle ausgewertet wird, um einen spaltbedingten Prozessabbruch des Laserschweißprozesses zu identifizieren. Dabei kann die Auswertung des detektierten Intensitätsverlaufs während oder nach dem Laserschweißprozess erfolgen.
-
Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolumen nahe der Grenzfläche fokussiert und ein 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. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus, erneut, wodurch ein weiteres Schmelzvolumen gebildet wird. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten mit periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen (periodische Signatur). Alternativ werden Schweißnähte durch eine Modulation der Laserleistung gezielt erzeugt oder Strahlformung zur Formung der Absorptionsfront eingesetzt. Liegt die Grenzfläche innerhalb des aufgeschmolzenen Volumens, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügenden Werkstücken einen Spalt, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Prozessabbruch, der sich auf die Intensität der emittierten Strahlung während des Prozesses auswirkt.
-
Bei einem Prozessabbruch tritt ein Schmelzauswurf in den Spalt auf, und dieser Schmelzauswurf und die damit einhergehende Abkühlung des Materials verhindern zunächst eine Fortsetzung der Absorption der Laserstrahlung im oberen Material, so dass ein Hohlraum zurückbleibt. Der Prozessabbruch wirkt sich auf die Ausbildung der darauffolgenden Schmelzvolumen aus, denn die ausgeworfene Schmelze, Voids und Risse bewirken eine Abschirmung der Laserstrahlung, wodurch nachfolgende Schmelzvolumen nicht vollständig ausgebildet werden und die Grenzfläche nicht erreichen. Schmelzvolumen, welche die Grenzfläche nicht erreichen bzw. durchdringen, tragen nicht zum Schweißprozess bei. Dieser Prozess läuft periodisch ab und führt zu periodischem Verhalten in der emittierten Prozessstrahlung (Plasmaemission).
-
Erfindungsgemäß wird im Prozess ausgehend von der Intensität der emittierten Prozessstrahlung auf einen Prozessabbruch geschlossen, indem der sprunghafte bzw. senkrechte Intensitätsabfall der detektierten Prozessstrahlung durch einen Schmelzauswurf, sowie ggf. auch das periodische Verhalten der detektierten Prozessstrahlung im Falle eines Prozessabbruchs, als Nachweismerkmal eines Prozessabbruchs herangezogen werden. Ein Prozessabbruch wird während des Schweißprozesses anhand eines konkreten Prozessmerkmals (sprunghafter bzw. senkrechter Intensitätsabfall) identifiziert. Erfindungsgemäß kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während des Schweißprozesses erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.
-
Vorzugsweise wird der detektierte Intensitätsverlauf für jedes erzeugte Schmelzvolumen hinsichtlich eines sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabfalls ausgewertet.
-
Als Maß für die Qualität der Schweißnaht können die Anzahl an ausgewerteten Intensitätsabbrüchen und zusätzlich auch die Periodizität von sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabbrüchen herangezogen werden.
-
Die Länge der Schweißnaht, die einen Prozessabbruch an der Grenzfläche aufweist, kann anhand der Anzahl an detektierten Prozessabbrüchen und dazwischenliegender Schmelzvolumen, welche nicht zum Verschweißen der Werkstücke beitragen, ermittelt werden.
-
Vorzugsweise wird dabei die Laserleistung des Laserstrahls moduliert, um so innerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen zu erzeugen.
-
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 Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas;
- 2a, 2b zwei Mikroskopaufnahmen einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken aus Alkali-Aluminosilikatglas in einer Querschnittansicht des unteren Werkstücks (2a) und in einer Draufsicht auf das obere Werkstück (2b);
- 3 den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke für den Fall eines Schmelzvolumens mit Schmelzauswurf; und
- 4 den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke mit gering beabstandeten Schmelzvolumen.
-
Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, hier lediglich beispielhaft 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. Der Laserstrahl 4 kann eine langgezogene Strahlform, wie z.B. Bessel-Strahlform, aufweisen.
-
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 durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 im Bereich der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, dessen mittlere Leistung zeitlich moduliert wird. Vorzugsweise werden die Bearbeitungsparameter so gewählt, dass je 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 relativ den Werkstücken 2, 3 bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen.
-
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 aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung der Laserstrahlung 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 periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen 7 (periodische Signatur). Alternativ werden Schweißnähte 8 durch eine Modulation der Laserleistung gezielt erzeugt und/oder Strahlformung zur Formung der Absorptionsfront eingesetzt.
-
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, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Prozessabbruch, der sich auf die Intensität der während des Prozesses emittierten Prozessstrahlung 10 auswirkt. 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.
-
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 vom Werkstück 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, z.B. mit einer Linse 14, auf die Photodiode 11 fokussiert.
-
Mithilfe einer Überwachungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 ausgewertet und daraus auf die Qualität der Schweißnaht 8 geschlossen.
-
Ausgehend von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 4 im Werkstück 2, 3 wird während des Laserschweißprozesses Prozessstrahlung 10 mit einem kontinuierlichen Spektrum emittiert. Erreicht die Absorptionsfront einen Spalt 9, wird durch den innerhalb des erwärmten Materials herrschenden Druck impulsartig Schmelze in den Spalt 9 ausgetrieben bzw. ausgeworfen. Dieser Schmelzauswurf und die damit einhergehende Abkühlung des Materials verhindern zunächst eine weitere Absorption der Laserstrahlung und ein Hohlraum bleibt zurück.
-
2a, 2b zeigen in einem Querschnitt des unteren Werkstücks 3 und in einer Draufsicht dieselbe Schweißnaht 8 zwischen zwei Werkstücken 2, 3 aus Alkali-Aluminosilikatglas. Die Vorschubrichtung X des Laserstrahls 4 verläuft von rechts nach links. 2a zeigt eine Vielzahl an Schmelzvolumen 7, wobei große Schmelzvolumen oftmals einen Hohlraum 16 aufweisen und zudem häufig von Rissen 17 umgeben sind. Zwischen den großen Schmelzvolumen 7, die bis zur Grenzfläche 5 reichen, liegen kleinere Schmelzvolumen 7, die in Vorschubrichtung X größer werden. 2b zeigt dieselbe Schweißnaht 8 von oben; hier sind Hohlräume 16, Risse 17 und Schmelzauswürfe 18 zu erkennen.
-
3 zeigt den zeitlichen Intensitätsverlauf I(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke für den Fall eines Schmelzvolumens 7 mit Schmelzauswurf 18. Der ab t = 0,2 ms stattfindende Intensitätsanstieg kennzeichnet die Ausdehnung der Wechselwirkungszone und damit das Anwachsen des Schmelzvolumens 7 und der emittierten Prozessstrahlung 10. Erreicht zum Zeitpunkt t = 0,65 ms die Absorptionsfront den Spalt 9, wird Schmelze aus dem Schmelzvolumen 7 in den Spalt 9 ausgeworfen. Aufgrund des nun fehlenden abstrahlenden Schmelzvolumens fällt die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 zum Zeitpunkt t = 0,65 ms schlagartig bzw. senkrecht ab. Da der Prozess im oberen Werkstück 2 nicht fortgeführt werden kann, kommt es zu keiner Anbindung zwischen den beiden Werkstücken.
-
4 zeigt den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf I(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke, wobei die Schmelzvolumen 7 zeitlich aufeinanderfolgend mit geringem zeitlichem und dadurch geringem räumlichem Abstand erzeugt wurden. Da die räumliche Ausdehnung der Schmelzvolumen 7 größer als der Abstand der Schmelzvolumen 7 ist, überlappen die Schmelzvolumen 7. Nach einem Schmelzauswurf 18, der durch einen schlagartigen bzw. senkrechten Intensitätsabfall der emittierten Prozessstrahlung 10 gekennzeichnet ist, wird der einfallende Laserstrahl 4 bei einem darauffolgenden Schmelzvolumen am zurückgebliebenen Hohlraum 16 oder der erstarrten Schmelze an der Glasoberfläche reflektiert oder gestreut. Nach einem Schmelzauswurf 18 wird daher zunächst keine oder nur eine gering sichtbare Änderung am Material hervorgerufen; solche Zeitspannen sind mit „o“ gekennzeichnet. Dies hat zur Folge, dass keine oder nur wenig Prozessstrahlung 10 emittiert wird. Mit zunehmendem Abstand von vorangehenden Schmelzvolumen 7 nehmen die Reflexion und Streuung an den Hohlräumen 16 und der erstarrten Schmelze ab, wodurch die Schmelzvolumen 7 zunehmend größer werden. Da die Ausdehnung der Schmelzvolumen 7 von der emittierten Prozessstrahlung 10 abgebildet wird, nimmt die maximale Intensität mit größer werdendem Schmelzvolumen 7 zu. Schmelzvolumen 7, welche die Grenzfläche 5 nicht erreichen, sind mit „*“ gekennzeichnet und tragen nicht zum Schweißergebnis bei. Sobald die Schmelzvolumen 7 groß genug werden und die Grenzfläche 5 erreichen, kommt es zu einem weiteren Schmelzauswurf 18. Aufgrund der Periodizität des Schmelzvolumenaufbaus und -abbaus zeigt auch die emittierte Prozessstrahlung 10 ein periodisches Verhalten, nämlich ein sich wiederholendes Schema der Nahtausbildung. Auf einen Prozessabbruch folgen zunehmend größer werdende Schmelzvolumen 7 (nicht streng periodisch, aber Muster erkennbar). Je mehr Schmelzvolumen 7, die nicht zum Schweißergebnis betragen, zwischen zwei Prozessabbrüchen auftreten, desto geringer wird das Verhältnis der Schmelzvolumen, die zum Schweißergebnis betragen, zur Gesamtanzahl erzeugter Schmelzvolumen und desto geringer wird folglich die Prozesseffizienz. Findet keine oder nur eine geringe Abschirmung der Laserstrahlung statt, erreicht das Schmelzvolumen 7 jedes Mal die Grenzfläche 5, so dass Schmelze ausgeworfen wird und es zu einem Prozessabbruch kommt.. Dadurch kommt es bei jedem Schmelzvolumen zu einem sprunghaften bzw. senkrechten Abfall der emittierten Prozessstrahlung 10 und damit der gemessenen Intensität.
-
Dieser Abfall der emittierten Prozessstrahlung 10 aufgrund eines Schmelzauswurfes 18 sowie das periodische Verhalten der emittierten Prozessstrahlung 10 können als Merkmal zur Detektion eines Prozessabbruchs herangezogen werden. Da der Abbruch und das periodische Verhalten der emittierten Prozessstrahlung 10 gleichermaßen über das gesamte Emissionsspektrum beobachtet werden können, ist die Detektion über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv möglich. Dieses Prozessverhalten ist unabhängig von der Strahlform oder der zeitlichen Energieeinbringung, weshalb für die Detektion eines Prozessabbruchs dieselben Merkmale herangezogen werden können.
-
Jeder Schmelzauswurf 18 trägt zum Schweißergebnis bei, da hierbei das Schmelzvolumen 7 die Grenzfläche 5 durchdringt und eine stoffschlüssige Verbindung der beiden Werkstücke 2, 3 bewirkt. Die anderen Schmelzvolumen 7 werden nur im unteren Werkstück 3 erzeugt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung durch diese Schmelzvolumen 7 nicht erreicht werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird die von der Photodiode 11 gemessene Prozessstrahlung 10 in der Überwachungseinheit 15 für jedes erzeugte Schmelzvolumen 7 auf einen sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabfall hin ausgewertet. Beispielsweise wird hierfür die Signalsteigung ausgewertet und, sofern ein vorgegebener Steigungsschwellwert unterschritten wird, ein Intensitätsabfall als sprunghaft bzw. senkrecht gewertet. Der Abfall der gemessenen Prozessstrahlung 10 durch einen Schmelzauswurf 18 sowie das periodische Verhalten der gemessenen Prozessstrahlung 10 im Falle eines Prozessabbruchs werden als konkrete Prozessmerkmale herangezogen. Die Länge der Schweißnaht 8, die einen Prozessabbruch an der Grenzfläche 5 aufweist, kann anhand der Anzahl an detektierten Prozessabbrüchen und dazwischenliegender Schmelzvolumen, welche nicht zum Schweißergebnis beitragen, ermittelt werden. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.
