DE102021103881A1 - Verfahren und Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht - Google Patents

Verfahren und Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht Download PDF

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Alexis Donke
Thorsten Lorenz
Jonas Nolte
Wei Quang Duong
Sascha Grau
Simon Hähle
Rüdiger Moser
Stefan Birmanns
Jens Reiser
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Precitec GmbH and Co KG
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Abstract

Angegeben ist ein Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht, das Verfahren umfassend: thermisches Anregen der Schweißnaht durch Einstrahlen von zumindest einem Laserpuls auf die Schweißnaht, Erfassen einer Abklingcharakteristik einer von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung, und Bestimmen, basierend auf einer Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik, ob ein Schweißfehler vorliegt. Angegeben ist ferner ein Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht zwischen zumindest zwei Werkstücken.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht sowie ein Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, das eingerichtet ist ein Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht durchzuführen.
  • Hintergrund und Stand der Technik
  • In einem Laserbearbeitungssystem zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls wird der von einer Laserlichtquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert, um das Werkstück lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Die Bearbeitung kann beispielsweise ein Laserschweißen umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann einen Laserbearbeitungskopf, insbesondere einen Laserschweißkopf, umfassen.
  • Um die Bearbeitungsqualität zu sichern, ist es erforderlich, das Ergebnis des Laserschweißens, insbesondere eine Schweißverbindung zwischen verschweißten Werkstücken, zu analysieren und zu überprüfen. Die Schweißverbindung kann die mechanische Verbindung bzw. die elektrische Verbindung zwischen den verschweißten Werkstücken bezeichnen, auch Anbindung oder Kontakt genannt. Beim Laserschweißen wird typischerweise eine Schweißnaht ausgebildet, auch als Kontaktnaht bezeichnet, die die Schweißverbindung zwischen den verschweißten Werkstücken bildet. Die Analyse der Schweißverbindung bzw. der Schweißnaht schließt die Erkennung von Schweißfehlern ein. Die Erkennung von Schweißfehlern beim Laserschweißen von Werkstücken ist eine große Herausforderung. Insbesondere im Fall von Blechen im Überlapp- oder Parallelstoß ist bei einer rein visuellen Inspektion der Schweißnaht mittels Draufsicht typischerweise nicht zu erkennen, ob und welcher Schweißfehler vorliegt.
  • Im Bereich der Elektromobilität spielen Batterien eine zentrale Rolle. Einzelne Batteriezellen, auch Akkuzellen genannt, werden dabei miteinander verbunden, d.h. kontaktiert. Ein Verbund aus mehreren Batteriezellen wird als Batteriemodul bezeichnet. Typischerweise erfolgt das Verbinden der Batteriezellen durch Laserschweißen. Dabei werden Teile der Batteriezellen, beispielsweise Ableiter, typischerweise im Überlappstoß, miteinander verschweißt, wobei die Schweißnähte beispielsweise eine sogenannte „I-Naht“-Geometrie aufweisen. Die Ableiter können als Bleche ausgebildet sein. Werkstoffe sind für gewöhnlich Aluminium, Kupfer oder vernickelter Baustahl (Hilumin®). Typische Verbindungen bzw. Materialkombinationen sind Kuper-Kupfer, Aluminium-Aluminium, Kupfer-Aluminium bzw. Aluminium-Kupfer, Kupfer-Hilumin® und Aluminium-Hilumin®. Häufig ist dabei das Kupferblech galvanisch mit Nickel beschichtet. Das Verbinden bzw. Kontaktieren der Batteriezellen ist nur dann erfolgreich, wenn zwischen den verschweißten Teilen der Batteriezellen, beispielsweise den Ableitern, eine elektrische Verbindung besteht, d.h. dass zwischen den verschweißten Teilen über die Schweißnaht Strom fließen kann.
  • Beim Verschweißen von Werkstücken mittels Laserschweißen, insbesondere im Überlappstoß mit I-Nähten, können typische Schweißfehler, sogenannte Fehlerbilder, auftreten. Dazu zählt ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken. Dieser Schweißfehler kann unterschiedliche Auswirkungen auf die Qualität der Schweißverbindung zwischen den Werkstücken haben. Bereits durch einen kleinen Spalt kann die mechanische Stabilität der Schweißnaht bzw. der Schweißverbindung verringert werden. Ein Spalt zwischen den verschweißten Werkstücken kann auch dazu führen, dass ein elektrischer Kontakt zwischen den verschweißten Werkstücken nicht mehr gewährleistet ist und stellt daher ein großes Problem dar bei der Kontaktierung von Batteriezellen.
  • Für manche Anwendungen kann dieser Fehler toleriert werden, wenn der Spalt klein ist bzw. wenn der Spalt durch aufgeschmolzenes Material der Werkstücke überbrückt wird und dadurch trotzdem eine elektrische und eine ausreichend stabile mechanische Verbindung besteht. Dieser Fall wird auch als „Schweißung mit Spaltüberbrückung“ bzw. als „Spalt bzw. Schweißnaht mit (elektrischer) Anbindung“ bezeichnet.
  • Ein weiteres typisches Fehlerbild wird als „false friend“ oder falscher Freund bezeichnet. Dabei ist ein Spalt zwischen den Werkstücken vorhanden, wobei der Spalt nicht überbrückt ist und somit kein Kontakt, bzw. zumindest kein elektrischer Kontakt, zwischen den zu verschweißenden Werkstücken besteht. Dies wird auch als „Schweißung ohne Spaltüberbrückung“ oder „Spalt bzw. Schweißnaht ohne (elektrische) Anbindung“ bezeichnet.
  • Die Erkennung von Schweißfehlern ist daher entscheidend für die Qualität der Schweißnaht. Eine Schweißnaht ohne Schweißfehler oder mit einem tolerierbarem Schweißfehler kann als Gutschweißung bezeichnet werden. Eine Schweißnaht mit einem nicht tolerierbarem Schweißfehler, beispielsweise dem falschen Freund, kann als Schlechtschweißung bezeichnet werden.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Laserbearbeitungssystem anzugeben, mit dem eine durch einen Laserschweißprozess zwischen zumindest zwei Werkstücken ausgebildete Schweißnaht schnell, einfach, zuverlässig und berührungslos analysiert werden kann. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem schnell, einfach, zuverlässig und berührungslos bestimmt werden kann, ob ein Schweißfehler, insbesondere ein falscher Freund, vorliegt.
  • Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und ein Laserbearbeitungssystem anzugeben, welches eine einfache, schnelle und zuverlässige Klassifikation bzw. Unterscheidung von Gutschweißungen und Schlechtschweißungen ermöglicht.
  • Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
  • Die Erfinder haben erkannt, dass beim Ausbilden einer Schweißnaht zum Verschweißen von Werkstücken die Eigenschaften des Materials der Werkstücke, welches die Schweißnaht bildet, modifiziert werden. Beispielsweise können die Eigenschaften modifiziert werden, da sich beim Ausbilden der Schweißnaht Materialien von verschiedenen Werkstücken mischen und somit die Schweißnaht aus einem anderen Material als die Werkstücke, nämlich aus einem Materialgemisch der beiden Werkstücke, besteht. Zusätzlich oder alternativ kann das Material der Schweißnaht eine andere Mikrostruktur als das Material der Werkstücke aufweisen. Somit unterscheiden sich die Materialeigenschaften der ausgebildeten Schweißnaht von den Materialeigenschaften der (unbearbeiteten) Werkstücke. Beispielsweise unterscheiden sich die Temperaturleitfähigkeit, die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Wärmekapazität der Schweißnaht von jener des Materials der Werkstücke. Die Schweißnaht kann aus einem Gemisch der Materialien der Werkstücke bestehen und die Temperaturleitfähigkeit des Materials der ausgebildeten Schweißnaht kann geringer sein als jene des unbearbeiteten Materials von zumindest einem der Werkstücke. Tritt beim Verschweißen der Werkstücke ein Schweißfehler auf, beispielsweise eine fehlende Anbindung bzw. eine fehlende elektrische Verbindung, so besteht das Material der Schweißnaht im Wesentlichen aus dem Material von nur einem der Werkstücke. Demnach unterscheidet sich in diesem Fall die Temperaturleitfähigkeit des Materials der Schweißnaht nicht oder nur geringfügig von jener des unbearbeiteten Materials dieses Werkstücks.
  • Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung beruht also darauf, einen Laserpuls einzustrahlen und nach dem Energieeintrag das Abklingverhalten der Temperatur der Werkstückoberfläche, d.h. der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur, beispielsweise mittels Photodioden zu messen, um Schweißnähte mit Anbindung (insbesondere mit elektrischem Kontakt) und ohne Anbindung (d.h. ohne elektrischen Kontakt) zu unterscheiden. Hierfür wird auf die ausgebildete Schweißnaht zumindest einen Laserpuls eingestrahlt, um die Schweißnaht thermisch anzuregen und eine thermische Welle in der Schweißnaht zu erzeugen. Dadurch wird in die Schweißnaht Energie eingetragen und die Schweißnaht erwärmt sich. Die thermische Anregung der Schweißnaht erhöht also die Temperatur der Schweißnaht. Nach dem Ende des Laserpulses klingt die thermische Anregung ab und die Schweißnaht kühlt wieder ab. Es wird die Abklingcharakteristik, auch Abklingverhalten genannt, der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung erfasst und ausgewertet. Die Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann einen zeitlichen Verlauf einer Intensität der emittierten Temperaturstrahlung nach dem Laserpuls umfassen und kann als Maß für die Geschwindigkeit betrachtet werden, mit der die thermische Anregung in der Schweißnaht abklingt.
  • Die Temperatur- bzw. Wärmeleitfähigkeit des Materials der Schweißnaht bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Schweißnaht nach dem Ende des Laserpulses abkühlt und mit der die Intensität der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung abnimmt. Somit kann basierend auf der erfassten Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung auf das Material bzw. die Struktur der Schweißnaht geschlossen werden. Beispielsweise kann analysiert werden, ob sich ein Mischkristall, z.B. in oder an der Schweißnaht, gebildet hat. Die Erfindung gibt also insbesondere ein Verfahren an, um einen Materialzustand der Schweißnaht zu charakterisieren.
  • Beispielsweise kann die Intensität der emittierten Temperaturstrahlung bei einer Schweißnaht ohne Schweißfehler langsamer abnehmen als bei einer Schweißnaht mit Schweißfehler. Durch Auswerten der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung kann also bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt. Damit können Gutschweißungen und Schlechtschweißungen unterschieden werden. Demnach kann eine durch einen Laserprozess hergestellte Schweißnaht analysiert und so eine fehlende Schweißverbindung, insbesondere ein fehlender elektrischer Kontakt zwischen verschweißten Werkstücken, z.B. beim Verbinden von Batteriezellen zu Batteriemodulen, erkannt werden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess zwischen zumindest zwei Werkstücken ausgebildeten Schweißnaht angegeben, wobei das Verfahren umfasst: thermisches Anregen der Schweißnaht durch Einstrahlen mindestens eines Laserpulses auf die Schweißnaht, Erfassen einer Abklingcharakteristik einer von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung, und Bestimmen, basierend auf einer Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik, ob ein Schweißfehler vorliegt.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht angegeben, wobei das Laserbearbeitungssystem umfasst: einen Laserbearbeitungskopf, eingerichtet zum Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück zum Ausbilden der Schweißnaht und zum Einstrahlen mindestens eines Laserpulses auf die Schweißnaht zur thermischen Anregung der Schweißnaht; ein Sensormodul zum Erfassen einer von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung; und eine Steuervorrichtung, die eingerichtet ist, basierend auf einer Abklingcharakteristik der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung zu bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt. Das Laserbearbeitungssystem kann insbesondere eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, das Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auszuführen.
  • Die Aspekte der vorliegenden Offenbarung können eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen.
  • Die Abklingcharakteristik der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung kann einen zeitlichen Verlauf der Oberflächentemperatur der Schweißnaht nach der thermischen Anregung wiedergeben. Die erfasste Temperaturstrahlung kann dabei immer von demselben Bereich der Werkstückoberfläche stammen, vorzugsweise von einem Bereich der Schweißnahtoberfläche, besonders bevorzugt von einem Bereich der Schweißnaht, in den der Laserpuls eingestrahlt wurde.
  • Das Verfahren kann einen Laserschweißprozess umfassen, um die Schweißnaht auszubilden und die Werkstücke dadurch miteinander zu verschweißen. Das Verfahren bzw. der Laserschweißprozess kann das Einstrahlen eines Laserstrahls, nachfolgend auch Bearbeitungslaserstrahl oder kurz Bearbeitungsstrahl, auf eines oder mehrere der Werkstücke zum Ausbilden der Schweißnaht umfassen. Insbesondere kann das Ausbilden der Schweißnaht zum Verschweißen eines ersten Werkstücks mit mindestens einem zweiten Werkstück erfolgen. Beim Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls zum Ausbilden der Schweißnaht können die zumindest zwei Werkstücke im Überlappstoß oder im Parallelstoß angeordnet sein. Die Nahtgeometrie der Schweißnaht kann beispielsweise eine 1-Naht oder eine Überlappnaht sein.
  • Die Schritte des Verfahrens zum Analysieren der Schweißnaht, also das thermische Anregen der Schweißnaht, das Messen bzw. Erfassen der Abklingcharakteristik und das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, können während des Laserschweißprozesses durchgeführt werden. Beispielsweise kann der Laserschweißprozess durchgeführt werden, um Bereiche der Schweißnaht auszubilden und die Schritte zum Analysieren der Schweißnaht können an einem bereits ausgebildeten Bereich der Schweißnaht durchgeführt werden, für den bestimmt werden soll, ob der Schweißfehler vorliegt. Dementsprechend kann das Verfahren als „Inline Post-Process“-Verfahren bezeichnet werden. Alternativ oder zusätzlich können die Schritte zum Analysieren der Schweißnaht nach dem Ende des Laserschweißprozesses, insbesondere nachdem die Schweißnaht vollständig ausgebildet wurde, durchgeführt werden. In diesem Fall kann das Verfahren als „Post-Process“-Verfahren bezeichnet werden.
  • Der Schweißfehler kann eine fehlende Schweißverbindung zwischen den verschweißten Werkstücken umfassen. Die Schweißverbindung kann eine elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen den Werkstücken sein. Beispielsweise kann ein Schweißfehler angeben, dass keine mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen den verschweißten Werkstücken vorhanden ist. Eine elektrische Verbindung bedeutet, dass zwischen den Werkstücken über die Schweißnaht ein elektrischer Strom fließen kann. Die Schweißnaht muss also elektrisch leitend sein. Eine mechanische Verbindung bedeutet, dass die Werkstücke mittels der Schweißnaht stoffschlüssig verbunden sind. Mithilfe des Verfahrens kann andererseits bestimmt werden, ob eine mechanische und/oder elektrische Verbindung zwischen den verschweißten Werkstücken besteht.
  • Der Schweißfehler kann auch einen Spalt zwischen den Werkstücken, insbesondere einen Spalt ohne Anbindung zwischen den Werkstücken, umfassen. Letzteres bezeichnet den Fall, dass zwischen den verschweißten Werkstücken ein Spalt vorhanden ist, dieser aber nicht durch Material der Schweißnaht überbrückt wird. Dieser Schweißfehler kann als falscher Freund bezeichnet werden.
  • Basierend auf der Bestimmung, ob ein Schweißfehler vorliegt, können die verschweißten Werkstücke bzw. die Schweißnaht als „gut“ oder Gutschweißung (d.h. als geeignet für die Weiterverarbeitung oder den Verkauf), oder als „schlecht“ oder Schlechtschweißung (d.h. als Ausschuss), klassifiziert oder gekennzeichnet werden. Wenn bestimmt wird, dass kein Schweißfehler vorliegt, können die verschweißten Werkstücke bzw. die Schweißnaht als Gutschweißung gekennzeichnet werden und wenn bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt, können die verschweißten Werkstücke als Schlechtschweißung gekennzeichnet werden. Insbesondere kann bei einer Gutschweißung eine elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Werkstücken vorliegen. Eine Gutschweißung kann den Fall umfassen, dass zwischen den verschweißten Werkstücken kein Spalt vorhanden ist (sogenannter „Nullspalt“), und kann den Fall umfassen, dass ein Spalt vorhanden ist, dieser aber überbrückt wird (Spalt mit Anbindung bzw. Spaltüberbrückung).
  • Basierend auf dem Ergebnis der Analyse, insbesondere der Bestimmung, ob ein Schweißfehler vorliegt, können der laufende Laserschweißprozess (bei einem Inline Post-Process-Verfahren) oder nachfolgende Laserschweißprozesse gesteuert werden. Beispielsweise können Bearbeitungsparameter, wie zugeführte Laserleistung, Abstand eines Laserbearbeitungskopfes zu den Werkstücken, eine Fokusposition und/oder Fokuslage des zum Laserschweißen verwendeten Bearbeitungsstrahls, für einen Laserschweißprozess einer weiteren Schweißnaht angepasst werden. Das Verfahren kann weiter das Ausgeben eines Fehlers und/oder einer Warnung umfassen, wenn bestimmt wird, dass ein Schweißfehler vorliegt.
  • Die thermische Anregung der Schweißnaht durch das Einstrahlen des Laserpulses kann eine impulsförmige, insbesondere eine zeitlich und/oder räumlich impulsartige, Anregung sein. Die Schweißnaht kann in einem oberflächennahen Bereich thermisch angeregt werden. Die thermische Anregung kann auch als Wärmepuls bezeichnet werden. Die thermische Anregung kann eine thermische Welle, auch Temperaturwelle oder Wärmewelle genannt, in der Schweißnaht bilden oder erzeugen.
  • Die von der Schweißnaht, insbesondere von einer Oberfläche der Schweißnaht, emittierte Temperaturstrahlung kann auch als thermische Emission bezeichnet werden. Die Temperaturstrahlung kann Infrarotstrahlung bzw. IR-Strahlung umfassen. Das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann das Messen einer Intensität der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung zu mindestens einem vorgegebenen Zeitpunkt, insbesondere zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Einstrahlen eines Laserpulses, umfassen. Das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann das Messen einer Intensität der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung und/oder das Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der gemessenen Intensität umfassen. Das Erfassen eines zeitlichen Verlaufs der gemessenen Intensität der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung kann diskret oder kontinuierlich erfolgen. Durch das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann ein zeitlicher Temperaturverlauf der Schweißnaht oder Schweißnahtoberfläche bestimmt werden.
  • Das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann mittels einer Photodiode erfolgen. Insbesondere kann das Messen der Intensität der Temperaturstrahlung durch die Photodiode erfolgen. Die Photodiode kann insbesondere im infraroten Wellenlängenbereich sensitiv sein. Darauf basierend kann von der Photodiode ein Messsignal erzeugt und ausgegeben werden. Das Messsignal kann zeitlich variabel sein. Das Messsignal kann ein analoges/digitales Messsignal, insbesondere ein analoges/digitales Spannungssignal sein.
  • Das Verfahren kann ein Vorverarbeiten des Messsignals umfassen. Beispielsweise kann das analoge Messsignal in ein digitales Messsignal umgewandelt werden, welches Zeitpunkten zugeordnete Messwerte umfasst. Ferner kann das Verfahren ein Glätten und/oder Filtern, umfassen. Ferner kann das Verfahren das Fitten des Messsignals an eine analytische Gleichung oder Kurve umfassen, beispielsweise an eine eindimensionale Diffusionsgleichung oder -kurve.
  • Das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, kann das Vergleichen der erfassten Abklingcharakteristik mit einer vorgegebenen Referenz-Abklingcharakteristik umfassen. Die Referenz-Abklingcharakteristik kann einer Abklingcharakteristik einer Gutschweißung, d.h. einer fehlerfreien Schweißung, oder einer Abklingcharakteristik des unbearbeiteten Werkstücks bzw. einer Abklingcharakteristik für unbearbeitetes Werkstückmaterial entsprechen. Es kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Abklingcharakteristik von der vorgegebenen Referenz-Abklingcharakteristik für eine Gutschweißung um mehr als ein vorgegebener Wert abweicht bzw. außerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs liegt, z.B. wenn ein Wert der Abklingcharakteristik um mehr als ein vorgegebener Wert kleiner ist als ein Wert der vorgegebenen Referenz-Abklingcharakteristik für eine Gutschweißung. Der Wert der Abklingcharakteristik kann einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Ende des Laserpulses zugeordnet sein. Wenn der Wert der Abklingcharakteristik kleiner ist als der entsprechende Wert der vorgegebenen Referenz-Abklingcharakteristik für eine Gutschweißung, entspricht dies dem Fall, dass die Schweißnaht schneller abkühlt als bei einer Gutschweißung, d.h. dass die Wärmeleitfähigkeit der Schweißnaht sich wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit einer Gutschweißung unterscheidet. Daher kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt. Wenn die Referenz-Abklingcharakteristik einer Abklingcharakteristik für unbearbeitetes Werkstückmaterial entspricht, kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn die Abklingcharakteristik der Referenz-Abklingcharakteristik für unbearbeitetes Werkstückmaterial innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs entspricht. In diesem Fall unterscheidet sich die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Schweißnaht nicht wesentlich von der Wärmeleitfähigkeit des Materials von einem unbearbeiteten Werkstück, insbesondere von einem unbearbeiteten Material eines in Lasereinstrahlrichtung oben angeordneten Werkstücks, sodass auf eine fehlende Schweißverbindung bzw. auf einen Schweißfehler geschlossen werden kann. Beispielsweise kühlt reines Kupfer (Cu) schneller ab und eine Mischverbindung aus Kupfer und Aluminium (Cu-Al) kühlt langsamer ab.
  • Die Auswertung der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung kann ferner das Bestimmen einer ersten zeitlichen Ableitung der Abklingcharakteristik umfassen. Ferner kann die erste zeitliche Ableitung mit einer Referenzkurve bzw. einem Referenzwert für die Ableitung bei einer Gutschweißung verglichen werden. Es kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn ein Wert der Ableitung kleiner ist als ein vorgegebener Referenzwert für die Ableitung oder wenn ein Betrag dieses Wertes größer ist als ein Betrag des vorgegebenen Referenzwerts für die Ableitung. Dies entspricht dem Fall, dass die Schweißnaht relativ schnell abkühlt. Ferner kann bestimmt werden, dass kein Schweißfehler vorliegt, wenn der Wert der Ableitung gleich oder größer ist als der vorgegebene Referenzwert für die Ableitung oder wenn ein Betrag dieses Wertes gleich oder kleiner ist als ein Betrag des vorgegebenen Referenzwerts für die Ableitung. Der Wert der Ableitung und der vorgegebenen Referenzwert für die Ableitung können einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Ende des Laserpulses zugeordnet sein.
  • Die Referenz-Abklingcharakteristik und der Referenzwert für die Ableitung können basierend auf dem Material, Dicke und/oder Form von zumindest einem der Werkstücke vorgegeben sein oder davon abhängen. Das Bestimmen der Referenz-Abklingcharakteristik und des Referenzwerts für die Ableitung kann das Einstrahlen des Laserpulses und das Erfassen der Abklingcharakteristik auf bzw. von einem Bereich umfassen, der außerhalb der Schweißnaht liegt, beispielsweise ein Bereich einer unbearbeiteten Werkstückoberfläche. Die so erfasste Abklingcharakteristik kann als Referenz-Abklingcharakteristik dienen.
  • Die Schritte des Verfahrens zum Analysieren der Schweißnaht, also das thermische Anregen der Schweißnaht, das Erfassen der Abklingcharakteristik und das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, können für mehrere Bereiche der Schweißnaht erfolgen, für die jeweils bestimmt werden soll, ob ein Schweißfehler vorliegt. Dadurch können Bereiche entlang der Schweißnaht, in denen ein Schweißfehler vorliegt, von Bereichen entlang der Schweißnaht, in denen kein Schweißfehler vorliegt, unterschieden werden. Demnach kann bestimmt werden, ob zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht zwischen den Werkstücken kein Schweißfehler vorliegt. Falls bestimmt wurde, dass zumindest in einem Bereich entlang der Schweißnaht zwischen den Werkstücken kein Schweißfehler vorliegt, kann für die gesamte Schweißnaht definiert werden, dass kein Schweißfehler vorliegt. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass zwischen den Werkstücken ein elektrischer Kontakt vorhanden ist, obwohl Bereiche der Schweißnaht vorhanden sind, in denen zwischen den Werkstücken kein elektrischer Kontakt vorhanden ist. Demnach kann eine heterogene Schweißnaht analysiert werden, bei der Bereiche mit Schweißfehler, insbesondere ohne elektrischen Kontakt, und Bereiche ohne Schweißfehler vorliegen. Ferner können so Schweißfehler entlang der Schweißnaht lokalisiert werden. Durch Auswertung der Anteile mit Schweißfehler und ohne Anbindung können physikalische Kennwerte, wie z.B. die Festigkeit oder die absolute elektrische Leitfähigkeit der Schweißverbindung abgeschätzt werden.
  • Das Einstrahlen des Laserpulses kann das Einstrahlen eines einzelnen Laserpulses oder das Einstrahlen einer Mehrzahl von Laserpulsen umfassen. Mehrere Laserpulse können auch als Laserpulsfolge oder kurz Pulsfolge bezeichnet werden. Das Einstrahlen einer Mehrzahl von Laserpulsen kann das Einstrahlen eines periodisch modulierten Laserstrahls und/oder das Einstrahlen eines sinusförmig modulierten Laserstrahls umfassen.
  • Während des Einstrahlens einer Mehrzahl von Laserpulsen kann ein Intensitätsverlauf der emittierten Temperaturstrahlung erfasst werden. Aus dem Intensitätsverlauf kann mittels Fouriertransformation eine Phasenantwort und eine Amplitudenantwort errechnet werden. Die Phasen- und Amplitudenantwort kann beispielsweise durch LockIn-Thermographie-Verfahren und/oder Puls-Phasen-Verfahren ausgewertet werden, um Defekte, wie Poren oder Grenzflächen, in der Schweißnaht zu erkennen.
  • Die Dauer des zumindest einen Laserpulses kann zwischen 20 ms und 40 ms, vorzugweise 30 ms, betragen. Die Laserleistung des zumindest einen Laserpulses kann zwischen 1 W und 1 kW, oder zwischen 5 W und 300 W liegen. Beispielsweise kann die Laserleistung ungefähr 300 W betragen.
  • Wird ein einzelner Laserpuls eingestrahlt, ist die Laserleistung und/oder Dauer des Laserpulses vorzugsweise so gewählt, dass eine Eindringtiefe einer durch den Laserpuls in der Schweißnaht hervorgerufenen thermischen Anregung relativ gering ist. Beispielsweise kann die Eindringtiefe kleiner sein als die Dicke eines Werkstücks, beispielsweise des Werkstücks, an oder auf dem die Schweißnaht ausgebildet ist bzw. das in Lasereinstrahlrichtung oben liegt. Die Eindringtiefe der Wärmewelle in die Schweißnaht kann beispielsweise zwischen 0,3 mm und 0,5 mm betragen.
  • Wird eine Pulsfolge eingestrahlt, ist die Laserleistung und/oder Dauer der Laserpulse und/oder eine Dauer der Pulsfolge vorzugsweise so gewählt, dass eine Eindringtiefe einer durch die Pulsfolge in der Schweißnaht hervorgerufenen thermischen Anregung relativ groß ist. Beispielsweise kann die Eindringtiefe größer sein als die Dicke eines Werkstücks, beispielsweise des Werkstücks, an oder auf dem die Schweißnaht ausgebildet ist bzw. das in Lasereinstrahlrichtung oben liegt. Die Eindringtiefe kann ungefähr der Summe der Dicken der miteinander zu verschweißenden Werkstücke entsprechen.
  • Der Energieeintrag durch den Laserpuls bzw. die Pulsfolge kann so eingestellt werden, dass dieser unterhalb eines Schwellwerts liegt, bei dem das Material der Schweißnaht und/oder eines der Werkstücke modifiziert wird und/oder schmilzt. Der Laserpuls dient ja nur der Analyse und soll die Schweißnaht nicht modifizieren.
  • Das Erfassen der Abklingcharakteristik der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung kann unmittelbar nach dem Ende des Laserpulses bzw. unmittelbar nach dem Ende der Pulsfolge erfolgen. Das Ende der Pulsfolge kann dem Ende des letzten Laserpulses der Pulsfolge entsprechen.
  • Das Ende des Laserpulses bezeichnet einen Endzeitpunkt des Laserstrahls. Der Endzeitpunkt des Laserpulses kann basierend auf einer Messung einer Intensität von von der Schweißnaht rückreflektiertem Laserlicht bestimmt werden. Das Messen der Intensität des rückreflektierten Laserlichts kann bei einer Wellenlänge des eingestrahlten Laserpulses erfolgen. Das Messen kann beispielsweise mit einer bei dieser Wellenlänge sensitiven Photodiode und/oder einem Bandpassfilter erfolgen. Basierend auf der Messung der Intensität des rückreflektierten Laserlichts kann ein zeitlicher Verlauf der Intensität des rückreflektierten Laserlichts erfasst werden.
  • Der Endzeitpunkt des Laserpulses kann als ein Zeitpunkt bestimmt werden, ab dem die Intensität des rückreflektierten Laserlichts unter einen vorgegebenen Schwellwert fällt. Zu diesem Zeitpunkt kann das Erfassen der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung beginnen. Alternativ kann bereits während des Laserpulses oder der Pulsfolge mit dem Messen der emittierten Temperaturstrahlung begonnen werden.
  • Die Werkstücke können aus Metall ausgebildet sein oder können Metall umfassen. Eines oder mehrere der Werkstücke können Aluminium, Stahl, Kupfer, mit Nickel beschichtetes, vorzugsweise galvanisch mit Nickel beschichtetes, Kupfer, Hilumin® (Baustahl mit Nickelschicht) und/oder Nickel aufweisen oder aus diesen Materialen bestehen.
  • Die miteinander zu verschweißenden bzw. verschweißten Werkstücke können vorzugsweise verschiedene Metalle aufweisen oder aus verschiedenen Metallen bestehen. Die Temperaturleitfähigkeit und/oder die Wärmeleitfähigkeit mindestens eines der Werkstücke kann verschieden sein von der Temperaturleitfähigkeit und/oder der Wärmeleitfähigkeit des bei der Ausbildung einer Schweißnaht mit elektrischer Anbindung entstehenden Gemischs der verschiedenen Materialien. Beispielsweise kann die Schweißnaht mit elektrischer Anbindung eine niedrigere Temperaturleitfähigkeit als zumindest eines der Metalle aufweisen. Beispielsweise kann eines der Werkstücke Kupfer oder mit Nickel beschichtetes Kupfer umfassen oder daraus bestehen und ein anderes der Werkstücke kann Aluminium umfassen oder daraus bestehen. Die Schweißnaht mit elektrischer Anbindung (Gutschweißung) kann einen Kupfer-Aluminium-Mischkristall umfassen oder daraus bestehen. Die Schweißnaht mit elektrischer Anbindung kann ferner intermetallische Cu-Al-Phasen aufweisen. Beispielsweise kann die Temperaturleitfähigkeit des Aluminium-Mischkristalls bzw. der intermetallischen Phasen geringer als die Temperaturleitfähigkeit von Kupfer und/oder Aluminium sein.
  • Zumindest eines der Werkstücke kann eine Dicke zwischen 0,05 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 1 mm und 5 mm, eine Dicke zwischen 0,1 mm und 1 mm, eine Dicke zwischen 0,05 mm und 1 mm, eine Dicke zwischen 0,2 mm und 0,4 mm, eine Dicke zwischen 0,4 mm und 0,5 mm, oder eine Dicke von 0,3 mm oder eine Dicke von 0,07 mm aufweisen. Beispielsweise weisen zwei Werkstücke jeweils eine Dicke von 0,3 mm auf. Zumindest eines der Werkstücke kann als Blech ausgebildet sein oder ein Blech umfassen. Beispielsweise sind zwei zu verschweißende Werkstücke als Blech ausgebildet.
  • Vorzugsweise wird das Verfahren zum Analysieren der Schweißnaht bei der Batteriekontaktierung eingesetzt, um zu bestimmen, ob ein elektrischer Kontakt zwischen den verschweißten Werkstücken vorliegt. Die Werkstücke können einen Teil, insbesondere einen Ableiter oder Anschluss, einer ersten Batteriezelle (bzw. Batterie oder Batteriepack) und einen Teil, insbesondere einen Ableiter oder Anschluss, einer zweiten Batteriezelle (bzw. Batterie oder Batteriepack) umfassen. Als Schweißfehler kann ein fehlender elektrischer Kontakt zwischen den Ableitern der Batteriezellen bestimmt oder erkannt werden. Die Werkstücke können auch Zellverbinder oder Bus-Bars sein oder umfassen.
  • Die erste Batteriezelle und/oder die zweite Batteriezelle kann als Pouch- Batteriezelle, prismatische Batteriezelle oder zylindrische Batteriezelle ausgebildet sein oder zumindest eine dieser Batteriezellen umfassen.
  • Insbesondere können die Batteriezellen als Pouch-Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Teil der ersten Batteriezelle Aluminium umfassen und der Teil der zweiten Batteriezelle kann Kupfer umfassen, wobei letzteres optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein kann. Alternativ können der Teil der ersten Batteriezelle und der Teil der zweiten Batteriezelle beide dasselbe Material umfassen, z.B. Kupfer oder Aluminium. Die Nickel-Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Eine Dicke der Teile der Batteriezellen kann zwischen 0,2 mm und 0,4 mm betragen.
  • Ferner können die Batteriezellen als prismatische Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall können der Teil der ersten Batteriezelle und der Teil der zweiten Batteriezelle beide aus demselben Material, z.B. aus Aluminium, bestehen. Eine Dicke der Teile der beiden Batteriezellen kann zwischen 0,5 mm und 5 mm betragen.
  • Darüber hinaus können die Batteriezellen als zylindrische Batteriezellen ausgebildet sein. In diesem Fall kann der Teil der ersten Batteriezelle Kupfer oder Aluminium umfassen und der Teil der zweiten Batteriezelle kann Hilumin® (Baustahl mit Nickelschicht), Aluminium oder Kupfer umfassen. Das Kupfer kann optional mit Nickel beschichtet (Schichtdicke z.B. 8 µm) sein. Die Nickel-Beschichtung kann galvanisch aufgebracht sein. Eine Dicke der Teile der beiden Batteriezellen kann zwischen 0,4 mm und 0,5 mm betragen.
  • In den vorgenannten Fällen kann jeweils der Teil der ersten Batteriezelle derjenige sein, auf den der Bearbeitungsstrahl zum Ausbilden der Schweißnaht eingestrahlt wird. Demnach kann die Schweißnaht zumindest auf oder an dem Teil der ersten Batteriezelle ausgebildet werden. Die Teile der Batteriezellen können Ableiter sein oder Ableiter umfassen.
  • Ein Laserstrahl zum Erzeugen des zumindest einen Laserpulses kann als Anregungsstrahl bezeichnet werden. Das Erzeugen und Einstrahlen des Anregungsstrahls auf die Schweißnaht kann gepulst erfolgen, um den zumindest einen Laserpuls zu erzeugen. Der Anregungsstrahl kann also ein gepulster Laserstrahl sein. Der Bearbeitungsstrahl kann ein durchgehender Laserstrahl sein. Vorzugsweise wird der Bearbeitungsstrahl in einem Dauerstrich-Betriebsmodus (CW- Modus) der Laserquelle eingestrahlt. Die Leistung des Anregungslaserstrahls kann geringer sein als eine Leistung des Bearbeitungslaserstrahls. Die Leistung kann eine zeitlich gemittelte Leistung angeben.
  • Der Laserbearbeitungskopf kann zumindest eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls umfassen. Beispielsweise kann der Laserbearbeitungskopf eine Laserquelle umfassen, die eingerichtet ist, um sowohl den Bearbeitungsstrahl als auch den Anregungsstrahl zu erzeugen. Dementsprechend kann die Laserquelle eingerichtet sein, um einen durchgehenden Bearbeitungsstrahl und einen gepulsten Anregungsstrahl zu erzeugen. Zum Erzeugen des gepulsten Anregungsstrahls kann die Laserquelle in einem Pulsmodus betrieben werden. Alternativ kann der Laserbearbeitungskopf eine erste Laserquelle zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls und eine zweite Laserquelle zum Erzeugen des Anregungsstrahl umfassen.
  • Der Bearbeitungsstrahl und/oder der Anregungsstrahl können eine Wellenlänge im infraroten Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 1030 nm und 1070 nm, oder im sichtbaren grünen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich zwischen 500 und 570 nm, vorzugweise bei 515 nm, oder im sichtbaren blauen Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich von 400 nm bis 500 nm oder in einem Bereich zwischen 440 und 460 nm, vorzugsweise bei 450 nm, aufweisen. Der Bearbeitungslaserstrahl und der Anregungslaserstrahl können dieselbe oder eine andere Wellenlänge aufweisen.
  • Der Laserbearbeitungskopf kann als sogenannter Festoptik-Laserbearbeitungskopf oder als sogenannter Scanner-Laserbearbeitungskopf ausgebildet sein. Der Scanner-Laserbearbeitungskopf kann eine Ablenkeinheit zum Ablenken des Bearbeitungsstrahls und des Anregungsstrahls auf einem Werkstück aufweisen. Die Ablenkeinheit kann eine Scanner-Optik, Scanner-System, Scanner-Spiegel und/oder einen Galvano-Scanner aufweisen. Bei dem Festoptik-Laserbearbeitungskopf kann der Laserstrahl durch Bewegung des Laserbearbeitungskopfes selbst relativ zu einem Werkstück bewegt werden, oder das Werkstück wird relativ zum Laserbearbeitungskopf bewegt.
  • Das Sensormodul umfasst zumindest einen Detektor zum Detektieren der emittierten Temperaturstrahlung der Schweißnaht. Zusätzlich kann das Sensormodul zumindest einen Detektor zum Detektieren von reflektiertem Laserlicht aufweisen. Der Detektor kann eingerichtet sein, um eine Intensität in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu detektieren.
  • Der Detektor kann ferner eingerichtet sein, um basierend auf der Detektion ein Messsignal auszugeben. Der Detektor kann als eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray oder eine Kamera, beispielsweise eine CMOS- oder CCD-basierte Kamera, ausgebildet sein oder eine davon umfassen. Der Detektor kann nur bei einer bestimmten Wellenlänge oder in einem bestimmten Wellenlängenbereich sensitiv sein. Beispielsweise kann ein erster Detektor in einem Temperaturstrahlungs-Wellenlängenbereich (z.B. im IR Bereich) sensitiv sein, um die emittierte Temperaturstrahlung der Schweißnaht zu detektieren. Ein zweiter Detektor kann in einem Laseremissions-Wellenlängenbereich der zumindest einen Laserquelle sensitiv sein, um das zurückreflektierte Laserlicht zu detektieren. Demnach kann mit dem Laserbearbeitungssystem das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden. Insbesondere kann durch das beschriebene Sensormodul die emittierte Temperaturstrahlung der Schweißnaht erfasst werden.
  • Das Sensormodul bzw. der Detektor kann gemäß Ausführungsformen an den Laserbearbeitungskopf gekoppelt sein. Der Laserbearbeitungskopf kann einen Strahlteiler zum Auskoppeln von Strahlung umfassen, die von der Oberfläche des Werkstücks oder der Schweißnaht reflektiert oder emittiert wird. Alternativ kann der Strahlengang des Laserstrahls gewinkelt sein, und der Strahlengang für die emittierte Temperaturstrahlung geradlinig. Diese Strahlung kann das reflektierte Laserlicht und/oder die emittierte Temperaturstrahlung der Schweißnaht umfassen. Der Laserbearbeitungskopf kann einen optischen Ausgang zum Auskoppeln der Strahlung umfassen und das Sensormodul kann einen optischen Eingang zum Einkoppeln der aus dem Laserbearbeitungskopf ausgekoppelten Strahlung umfassen. Das Sensormodul bzw. der Detektor bzw. die Photodiode kann entlang der bzw. koaxial zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes bzw. Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls angeordnet sein. Mit anderen Worten kann ein Strahlengang des reflektierten Laserlichts und/oder der emittierten Temperaturstrahlung der Schweißnaht zwischen dem Werkstück bzw. der Schweißnaht und dem Detektor zumindest teilweise innerhalb des Laserbearbeitungskopfes und/oder zumindest teilweise koaxial mit dem Strahlengang des Laserstrahls verlaufen. Alternativ kann das Sensormodul bzw. der Detektor so angeordnet sein, dass ein Strahlengang der emittierten Temperaturstrahlung der Schweißnaht zwischen der Schweißnaht und dem Detektor vollständig außerhalb des Laserbearbeitungskopfes verläuft.
  • Alternativ oder zusätzlich kann das Sensormodul zumindest einen Detektor in der Laserquelle umfassen. Mit anderen Worten kann das Sensormodul einen laserinternen Detektor aufweisen. Die emittierte Temperaturstrahlung kann in diesem Fall über optische Elemente des Laserbearbeitungskopfes in eine Lichtleitfaser für die Führung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls eingekoppelt werden und in der Laserquelle auf den Detektor treffen.
  • Das Laserbearbeitungssystem kann durch Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls auf zumindest eines von zu verschweißenden Werkstücken den Laserschweißprozess durchführen, um die Werkstücke miteinander zu verschweißen. Die Steuervorrichtung kann eingerichtet sein, die Laserquelle und/oder den Laserbearbeitungskopf zu steuern, um den Laserschweißprozess durchzuführen.
  • Das Laserbearbeitungssystem kann gemäß Ausführungsformen eingerichtet sein, das Verfahren zum Analysieren der Schweißnaht gemäß Ausführungsformen durchzuführen. Insbesondere kann die Steuervorrichtung des Laserbearbeitungssystems eingerichtet sein, das Laserbearbeitungssystem, insbesondere die Laserquelle, den Laserbearbeitungskopf und/oder das Sensormodul zu steuern, um das Verfahren zum Analysieren der Schweißnaht gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung durchzuführen. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, um basierend auf dem Ergebnis der Analyse der Schweißnaht, insbesondere ob ein Schweißfehler vorliegt, das Laserbearbeitungssystem, insbesondere den Laserbearbeitungskopf, zu steuern.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.
    • 1A zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen;
    • 1B zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht gemäß weiterer Ausführungsformen;
    • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißnaht gemäß Ausführungsformen;
    • 3A zeigt schematisch einen Laserpuls eines Anregungsstrahls und 3B und 3C zeigen schematische Querschnitte von Werkstücken und Schweißnähten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißnaht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
    • 4 zeigt ein Diagramm, welches die erste zeitliche Ableitung des Intensitätsverlaufs der von den Schweißnähten gemäß 3B und 3C emittierten Temperaturstrahlung veranschaulicht;
    • 5A-5D zeigen Schweißnähte, die mit einem Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung analysiert wurden;
    • 6 zeigt oben den Intensitätsverlauf einer Temperaturstrahlung und unten einen Intensitätsverlauf von rückreflektiertem Laserlicht, die bei Verfahren gemäß Ausführungsformen erhalten werden;
    • 7A-7D zeigen Diagramme mit Intensitätsverläufen einer Temperaturstrahlung, die von den in 5A-5D gezeigten Schweißnähten bei Verfahren gemäß Ausführungsformen emittiert wurden;
    • 8A zeigt schematisch einen Laserpuls eines Anregungsstrahls und 8B und 8C zeigen schematische Querschnitte von verschweißten Werkstücken und Schweißnähten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißnaht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
  • Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen.
  • Das Laserbearbeitungssystem 10 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 12, ein Sensormodul 14 und eine Steuereinheit 16.
  • Der Laserbearbeitungskopf 12, insbesondere ein Laserschweißkopf, ist eingerichtet, um einen von einer Laserquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretenden Bearbeitungsstrahl (nicht gezeigt) mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik (nicht gezeigt) zu fokussieren und auf zumindest ein zu bearbeitendes Werkstück 18a, 18b einzustrahlen, um dadurch einen Laserschweißprozess auszuführen. Dabei wird durch das Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls auf zumindest eines der Werkstücke 18a, 18b eine Schweißnaht 20 ausgebildet, um die beiden Werkstücke 18a, 18b miteinander zu verschweißen. Ferner ist der Laserbearbeitungskopf 12 dazu eingerichtet, einen Anregungslaserstrahl auf die Schweißnaht 20 einzustrahlen. Der Anregungslaserstrahl und der Bearbeitungslaserstrahl können gemäß Ausführungsformen von derselben Laserquelle erzeugt werden und/oder zumindest streckenweise koaxial verlaufen. Das Einstrahlen des Anregungslaserstrahls auf die Schweißnaht 20 erfolgt durch einen einzelnen Laserpuls oder eine Mehrzahl von Laserpulsen.
  • Beim Einstrahlen des Anregungslaserstrahls auf die Schweißnaht 20 wird ein Teil davon von der Schweißnaht 20 reflektiert. Dieses reflektierte Laserlicht des Anregungslaserstrahls sowie von der Schweißnaht 20 selbst emittierte Temperaturstrahlung 22 treten in den Laserbearbeitungskopf 12 ein und werden dort von einem Strahlteiler 24 aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls ausgekoppelt. Das reflektierte Laserlicht des Anregungslaserstrahls und die von der Schweißnaht 20 emittierte Temperaturstrahlung 22 werden in das Sensormodul 14 geleitet und treffen dort auf zumindest einen Detektor (nicht gezeigt). Der zumindest eine Detektor ist eingerichtet, eine Intensität der von der Schweißnaht 20 emittierten Temperaturstrahlung (und optional eine Intensität des reflektierten Laserlichts) zu messen und basierend darauf ein Messsignal zu erzeugen und auszugeben. Der zumindest eine Detektor kann eine Photodiode oder ein Photodioden- oder Pixelarray umfassen. Gemäß Ausführungsformen umfasst das Sensormodul 14 einen ersten Detektor zum Messen einer Intensität des reflektierten Laserlichts und einen zweiten Detektor zum Messen einer Intensität der von der Schweißnaht 20 emittierten Temperaturstrahlung, wobei beide Detektoren als Photodioden ausgebildet sind.
  • Die Steuereinheit 16 ist mit dem Sensormodul 14 verbunden und empfängt das Messsignal des zumindest einen Detektors. Die Steuereinheit 16 kann eingerichtet sein, um das Messsignal aufzuzeichnen. Dadurch kann ein Verlauf der Intensität der emittierten Temperaturstrahlung (und optional ein Verlauf der Intensität des rückreflektierten Laserlichts des Anregungslaserstrahls) erhalten werden. Die Steuereinheit 16 ist eingerichtet, basierend auf dem erfassten Intensitätsverlauf der Temperaturstrahlung die Schweißnaht 20 zu analysieren, und insbesondere zu bestimmen, ob beim Ausbilden der Schweißnaht 20 ein Schweißfehler aufgetreten ist.
  • Das Laserbearbeitungssystem 10 ist dazu eingerichtet, ein Verfahren zum Analysieren einer durch den Laserschweißprozess hergestellten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen durchzuführen.
  • Bei der in 1A gezeigten Ausführungsform des Laserbearbeitungssystems 10 liegt ein Strahlverlauf der emittierten Temperaturstrahlung 22 zwischen der Schweißnaht 20 und dem Detektor zumindest streckenweise innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 12 und/oder koaxial mit dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls. In 1A wird die emittierte und in den Laserbearbeitungskopf 12 eingetretene Temperaturstrahlung 22 an einem Strahlteiler 24 zum Detektor bzw. Sensormodul 14 abgelenkt. Alternativ kann selbstverständlich der Laserstrahl am Strahlteiler 24 abgelenkt werden und der Strahlverlauf der emittierten Temperaturstrahlung 22 zwischen der Schweißnaht 20 und dem Detektor linear sein.
  • 1B zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 10 gemäß weiteren Ausführungsformen. Das in 1B gezeigte Laserbearbeitungssystem 10 ist dem in 1A gezeigten Laserbearbeitungssystem 10 ähnlich, weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
  • Wie in 1B gezeigt ist das Sensormodul 14 bzw. der Detektor so angeordnet, dass ein Strahlverlauf der emittierten Temperaturstrahlung 22 zwischen der Schweißnaht 20 und dem Detektor vollständig außerhalb des Laserbearbeitungskopfes 12 liegt. In diesem Fall ist der in 1A gezeigte Strahlteiler 24, sowie die Schnittstelle zwischen dem Sensormodul 14 und dem Laserbearbeitungskopf 12 nicht erforderlich.
  • Gemäß der in 1A gezeigten Ausführungsform ist das Sensormodul 14 also am Laserbearbeitungskopf 12 angeordnet, wobei ein Strahlverlauf der emittierten Temperaturstrahlung 22 zwischen der Schweißnaht 20 und dem Detektor zumindest streckenweise innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 12 und/oder koaxial mit dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls verläuft. Dies kann auch als axiale Anordnung des Sensormoduls 14 bzw. des Detektors bezeichnet werden. Gemäß der in 1B gezeigten Ausführungsform ist das Sensormodul 14 ebenfalls am Laserbearbeitungskopf 12 angeordnet, wobei ein Strahlverlauf der emittierten Temperaturstrahlung 22 zwischen der Schweißnaht 20 und dem Detektor vollständig außerhalb des Laserbearbeitungskopfes 12 verläuft. Dies kann auch als off-axiale des Sensormoduls 14 bzw. des Detektors bezeichnet werden. Das Sensormodul 14 kann in diesem Fall auch als separates Bauteil und/oder losgelöst vom Laserbearbeitungskopf 12 bereitgestellt werden. Gemäß weiterer nicht gezeigter Ausführungsformen kann das Sensormodul 14 einen Detektor umfassen, der in der Laserquelle angeordnet ist. Mit anderen Worten kann das Sensormodul 14 einen laserinternen Detektor aufweisen. Die emittierte Temperaturstrahlung kann in diesem Fall über optische Elemente des Laserbearbeitungskopfes 12 in eine Lichtleitfaser für die Führung des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls eingekoppelt werden und in der Laserquelle auf den Detektor treffen.
  • Gemäß Ausführungsformen kann der Laserbearbeitungskopf 12 als sogenannter Festoptik-Laserbearbeitungskopf oder als sogenannter Scanneroptik-Laserbearbeitungskopf ausgebildet sein.
  • 2 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess zwischen zumindest zwei Werkstücken ausgebildeten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen.
  • Das Verfahren beginnt mit dem Einstrahlen (S1) mindestens eines Laserpulses auf die Schweißnaht zum thermischen Anregen der Schweißnaht. Der Laserpuls kann auch als Laser-Flash bezeichnet werden. Anschließend wird die Abklingcharakteristik einer von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung erfasst (S2). Als letzter Schritt wird basierend auf einer Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik bestimmt, ob ein Schweißfehler vorliegt (S3).
  • Vor dem Schritt S1 zum thermischen Anregen der Schweißnaht durch Einstrahlen mindestens eines Laserpulses auf die Schweißnaht kann das Verfahren gemäß Ausführungsformen einen Schritt zum Ausbilden einer Schweißnaht durch Einstrahlen eines Bearbeitungsstrahls auf zumindest eines von zwei oder mehr zu verschweißenden Werkstücken umfassen. Gemäß Ausführungsformen erfolgen die Schritte S1-S3 zum Analysieren der Schweißnaht nach dem Schritt zum Ausbilden der Schweißnaht zumindest an dem zu analysierenden Punkt, beispielsweise nachdem die Schweißnaht (zumindest an dem zu analysierenden Punkt) auf Umgebungstemperatur abgekühlt und/oder nachdem das Material der Schweißnaht (zumindest an dem zu analysierenden Punkt) erstarrt ist. Beispielsweise können zwei Bleche im Überlapp- oder Parallelstoß miteinander verschweißt werden. Das Werkstück, auf das der Laserstrahl eingestrahlt wird, kann als Oberblech bezeichnet werden.
  • Das Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls erfolgt an den Stellen, an denen mittels der dadurch ausgebildeten Schweißnaht eine Schweißverbindung, insbesondere eine mechanische und/oder elektrische Verbindung, zwischen den Werkstücken hergestellt werden soll. Eine solche Schweißnaht wird als Kontaktschweißnaht bezeichnet.
  • Beim Einstrahlen des Bearbeitungslaserstrahls auf zumindest eines der Werkstücke werden die Materialen der Werkstücke lokal aufgeschmolzen, fließen zusammen und vermischen sich und bilden so das Material für die Schweißnaht. Es bildet sich dabei ein Mischkristall aus bzw. eine intermetallische Phase. Beide haben eine schlechtere Wärme- und Temperaturleitfähigkeit als das reine Grundmaterial. Es kann vorkommen, dass beim Einstrahlen des Bearbeitungsstrahls ein Spalt zwischen den Werkstücken vorhanden ist. Das aufgeschmolzene Material der Werkstücke reicht gegebenenfalls nicht aus, um den Spalt zu überbrücken und/oder die aufgeschmolzenen Materialen der jeweiligen Werkstücke vermischen sich nicht. Nach dem Ende des Laserschweißprozesses verbleibt an den Stellen, an denen die Schweißverbindung der Werkstücke vorgesehen war, ein Spalt zwischen den Werkstücken, der nicht überbrückt ist. Dies wird auch als Spalt ohne Anbindung bezeichnet.
  • Es kann ebenfalls passieren, dass die Einschweißtiefe in eines der Werkstücke, beispielsweise das Oberblech, nicht ausreichend groß war. Die Einschweißtiefe bezeichnet eine Tiefe im Werkstück, bis zu der das Material des Werkstücks durch den Laserstrahl aufgeschmolzen wird. Auch in diesem Fall kann es vorkommen, dass nicht ausreichend Material der Werkstücke aufgeschmolzen wird, und/oder dass sich die aufgeschmolzenen Materialen der jeweiligen Werkstücke nicht vermischen.
  • In beiden Fällen bildet die Schweißnaht keine mechanische und/oder elektrische Verbindung. Dies wird als Schweißfehler betrachtet. Ist ein Schweißfehler vorhanden, können die verschweißten Werkstücke als Schlechtschweißung gekennzeichnet und als Ausschuss aussortiert werden. Ist kein Schweißfehler vorhanden, können die verschweißten Werkstücke als Gutschweißung gekennzeichnet werden. Das Verfahren gemäß Ausführungsformen ermöglicht die schnelle einfache, zuverlässige und berührungslose Analyse einer Schweißnaht und die Bestimmung, ob ein Schweißfehler aufgetreten ist.
  • Das Verfahren beruht auf der Erkenntnis, dass sich beim Ausbilden einer ordnungsgemäßen Schweißnaht, also einer Schweißnaht ohne Schweißfehler, das Material und/oder die Struktur der Schweißnaht von den unbearbeiteten Materialen der Werkstücke unterscheidet. Beispielsweise ist bei den zuvor beschriebenen im Überlappstoß zu verschweißenden Blechen ein Blech, vorzugweise das Oberblech, aus Kupfer ausgebildet und das andere Blech aus Aluminium. Beim Vermischen der aufgeschmolzenen Materialen entsteht in diesem Fall in der Schweißnaht ein Kupfer-Aluminium-Mischkristall und/oder intermetallische Kupfer-Aluminium-Phasen. Hingegen besteht das Material der Schweißnaht beim Auftreten eines der zuvor beschriebenen Schweißfehler im Wesentlichen aus dem Material des Werkstücks, auf das der Bearbeitungslaserstrahl eingestrahlt wurde, d.h. des Oberblechs. Beispielweise findet beim Auftreten eines Schweißfehlers keine Vermischung der Materialen statt. Wenn der Bearbeitungslaserstrahl beispielsweise auf das Oberblech aus Kupfer eingestrahlt wurde, kann beim Vorhandensein des Schweißfehlers das Material der Schweißnaht im Wesentlichen aus Kupfer bestehen.
  • Gemäß Ausführungsformen erfolgt im Schritt S1 das Einstrahlen von zumindest einem Laserpuls des Anregungslaserstrahls auf einen Bereich der ausgebildeten Schweißnaht, für den bestimmt werden soll, ob ein Schweißfehler vorliegt. Durch den Energieeintrag durch den Laserpuls erhöht sich die Temperatur des Materials der Schweißnaht an diesem Punkt bzw. Bereich. Die Schweißnaht wird thermisch angeregt.
  • Im Schritt S2 wird anschließend eine Abklingcharakteristik der von diesem Bereich der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung erfasst. Die Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann einer Intensität der Temperaturstrahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Ende des Laserpulses oder einem zeitlichen Intensitätsverlauf der Temperaturstrahlung nach dem Ende des Laserpulses entsprechen. Die Intensität kann die Einheit W/m2 haben. Die Messung der Intensität der Temperaturstrahlung kann beispielsweise mithilfe der mit Bezug auf 1A und 1B beschriebenen Sensoreinheit berührungslos erfolgen. Die Temperaturleitfähigkeit des Materials der Schweißnaht bestimmt die Geschwindigkeit, mit der die Schweißnaht nach dem Ende des Laserpulses abkühlt und mit dem die Intensität der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung abnimmt.
  • Basierend auf der Auswertung der Intensität bzw. des Intensitätsverlaufs der emittierten Temperaturstrahlung in Schritt S3 und damit der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung kann auf das Material bzw. auf Materialeigenschaften der Schweißnaht geschlossen werden. Darauf basierend kann bestimmt werden, ob in dem betrachteten Bereich der Schweißnaht ein Schweißfehler aufgetreten ist.
  • Das beschriebene Verfahren kann für einen oder mehrere Bereiche der Schweißnaht wiederholt werden. Somit kann eine heterogene Schweißnaht analysiert werden, bei der Bereiche mit Schweißfehler, insbesondere ohne elektrischen Kontakt, und Bereiche ohne Schweißfehler vorliegen.
  • Ausführungsformen des Verfahrens werden im Folgendem im Detail beschrieben.
  • 3A bis 3C zeigen schematisch einen Laserpuls eines Anregungsstrahls und schematische Querschnitte von verschweißten Werkstücken zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißnaht gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
  • Das Verfahren erfolgt als Inline-Post-Process-Verfahren unmittelbar nach dem Laserschweißen bzw. Ausbilden der Schweißnaht oder als Post-Process-Verfahren während des Laserschweißens und nach Ausbilden eines Bereichs der Schweißnaht. In einen fertig ausgebildeten und abgekühlten Bereich der Schweißnaht wird ein Laserpuls eingestrahlt. Durch den Energieeintrag erhöht sich die Temperatur an dieser Stelle. Wenn der Laserpuls beendet ist, d.h. wenn der Laser aus ist, kühlt die Oberfläche der Schweißnaht wieder ab. Der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperatur wird beispielsweise durch eine Photodiode aufgenommen und bewertet. Hierbei gilt die Annahme, dass die Eindringtiefe einer dadurch erzeugten Temperaturwelle gering ist. Eine derartige transiente Welle interagiert nicht mit Defekten der Schweißnaht. Es kommt nicht zur Interferenz an Grenzflächen oder Poren. In diesem Fall kann mit dem Verfahren bewertet werden, wie gut das aufgeheizte Material die Wärme leitet. Die Klassifikation in Gutschweißung, d.h. Schweißnaht mit elektrischem Kontakt, und Schlechtschweißung, d.h. Schweißnaht ohne elektrischen Kontakt, erfolgt über die Aufnahme und Auswertung der Temperaturstrahlung bzw. der Photodiodensignale nach einem Laserpuls. Somit wird das Abklingverhalten der Oberflächenemissionen, d.h. die Oberflächentemperatur, aufgenommen und bewertet.
  • Das Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform wird im Folgenden detailliert am Beispiel der Batteriemodulherstellung beschrieben.
  • Die in 3B und 3C im Querschnitt gezeigten zwei Werkstücke 18a, 18b stellen Ableiter von zwei Pouch-Batteriezellen dar, die miteinander verschweißt werden sollen, um die Pouch-Batteriezellen miteinander zu verbinden. Dabei ist es erforderlich, dass über die dabei ausgebildete Schweißnaht ein elektrischer Strom zwischen den Werkstücken 18a, 18b fließen kann. Die Schweißnaht soll also eine elektrische Verbindung zwischen den Werkstücken 18a, 18b herstellen. Das Fehlen der elektrischen Verbindung wird als Schweißfehler betrachtet. Die zwei Werkstücke bzw. Ableiter 18a, 18b werden dabei im Überlappstoß über eine Schweißnaht mit I-Naht-Geometrie miteinander verschweißt. Die zwei Werkstücke 18a, 18b sind jeweils als Blech ausgebildet. Das erste Werkstück 18a ist aus mit Nickel beschichtetem Kupfer ausgebildet und das zweite Werkstück 18b ist aus Aluminium ausgebildet. Verschweißt wird also Cu (mit Ni beschichtet) und Al. Beide Bleche haben eine Dicke von ca. 0,3 mm.
  • Im Falle einer Anbindung der Schweißnaht liegt ein Cu-Al-Mischkristall inklusive intermetallischer Phasen vor. Diese Mikrostruktur ist ein schlechter Wärmeleiter. Das Abklingen der Oberflächentemperatur dauert lange. Im Falle eines falschen Freundes besteht das aufgeheizte Material, d.h. ein Punkt auf der Schweißnaht, ausschließlich aus Kupfer. Dieser ist ein sehr guter Wärmeleiter und die Abkühlung der Oberflächentemperatur nach Laserpuls ist dementsprechend schnell. Dadurch kann basierend auf der Intensität der emittierten Temperaturstrahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt bzw. basierend auf dem Intensitätsverlauf der emittierten Temperaturstrahlung nach dem Ende des Laserpuls bzw. der thermischen Anregung bestimmt werden, ob ein Schweißfehler, d.h. eine Schlechtschweißung, vorliegt.
  • 3B zeigt den Fall einer durch den Laserschweißprozess ordnungsgemäß ausgebildeten Schweißnaht 20, also einer Schweißnaht ohne Schweißfehler. Die Schweißnaht 20 stellt eine mechanische und elektrische Verbindung zwischen den Werkstücken 18a, 18b her. Die Schweißnaht 20 besteht aus einem Gemisch der Materialen der Werkstücke 18a, 18b, insbesondere einem (festen) Kupfer-Aluminium-Gemisch bzw. einem Kupfer-Aluminium (Cu-Al)-Mischkristall, und/oder intermetallischen Phasen. Derartige Mikrostrukturen sind ein schlechterer Wärmeleiter als Kupfer oder Aluminium.
  • 3C zeigt den Fall einer Schweißnaht 20' mit Schweißfehler. Die Schweißnaht 20' stellt zwischen den Werkstücken 18a, 18b keine mechanische oder elektrische Verbindung her. Zwischen den Werkstücken 18a, 18b ist ein Spalt vorhanden, der nicht durch Material der Schweißnaht 20' überbrückt wird. Die Werkstücke 18a, 18b haben keine Anbindung. Das Material der Schweißnaht 20' besteht im Wesentlichen aus Material des Oberblechs 18a, nämlich Kupfer. Oxidationseffekte können dabei vernachlässigt werden. Kupfer weist eine relative gute Temperaturleitfähigkeit auf. Somit ist das Material der Schweißnaht 20' ein relativ guter Wärmeleiter und weist eine bessere Temperaturleitfähigkeit als das Material der Schweißnaht 20 der 3B auf.
  • Im Schritt S1 wird ein einzelner Laserpuls eines Anregungslaserstrahls 28 auf die Schweißnaht 20 bzw. 20' eingestrahlt. 3A zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf einer Laserleistung des Laserpulses bzw. des Anregungslaserstrahls 28. Wie gezeigt ist der Laserpuls im Wesentlichen rechteckig. Die Leistung und/oder Dauer des Laserpulses ist so gewählt, dass der Laserpuls in die Schweißnaht 20, 20' einkoppelt, dass aber das Material der Schweißnaht 20, 20' nicht wieder aufgeschmolzen wird. Beispielsweise weist der Laserpuls eine Dauer von 30 ms und eine Leistung von 300 W auf.
  • Das Einkoppeln des Laserpulses in die Schweißnaht 20, 20' führt dazu, dass durch Einstrahlen des Anregungslaserstrahls 28 auf die Schweißnaht 20, 20' Energie in die Schweißnaht 20, 20' eingetragen wird und sich dadurch die Temperatur der Schweißnaht 20, 20' erhöht. Die Schweißnaht 20, 20' erwärmt sich, sie wird also thermisch angeregt. Die thermische Anregung erfolgt in einem oberflächennahen Bereich 30 der Schweißnaht 20, 20' um den Auftreffpunkt des Anregungslaserstrahls 28 auf der Schweißnahtoberfläche.
  • Durch die thermische Anregung der Schweißnaht 20, 20' wird eine thermische Welle in der Schweißnaht 20, 20' erzeugt. Die Leistung und/oder Dauer des Laserpulses kann so gewählt sein, dass die Eindringtiefe der thermischen Welle in die Schweißnaht 20, 20' relativ gering ist. Die Eindringtiefe der thermischen Welle ist in 3A und 3B durch den Bereich 30 veranschaulicht. Beispielsweise kann gemäß der ersten Ausführungsform die Eindringtiefe der thermischen Welle kleiner sein als eine Dicke der Werkstücke 18a, 18b, beispielsweise des Oberblechs 18a. Beispielsweise ist die Eindringtiefe der thermischen Welle bzw. des Laserpulses ungefähr 0,3 mm bis 0,5 mm. Gemäß der ersten Ausführungsform mit einem einzelnen Laserpuls ist die thermische Anregung transient. Mit anderen Worten ist die thermische Welle eine transiente Welle. Transiente thermische Wellen interagieren im Wesentlichen nicht mit Defekten, beispielsweise Poren, der Schweißnaht 20, 20' oder Grenzflächen der Schweißnaht oder der Werkstücke 18a, 18b.
  • Sobald der Anregungsstrahl 28 abgeschaltet wird und der Laserpuls wieder endet, endet auch die thermische Anregung. Mit anderen Worten klingt die thermische Anregung wieder ab. Die thermische Anregung kann also sowohl zeitlich als auch räumlich impulsförmig angesehen werden. Der Bereich 30 der Schweißnaht 20, 20' kühlt wieder ab, da sich die thermische Welle in das umgebende Material der Schweißnaht 20, 20' und der unbearbeiteten Werkstücke 18, 18b ausbreitet, die den Bereich 30 umgibt. Die Geschwindigkeit, mit der der Bereich 30 wieder abkühlt und die Geschwindigkeit, mit der die Intensität von der Schweißnaht 20, 20' emittierte Temperaturstrahlung abnimmt oder abklingt, ist abhängig von der Temperaturleitfähigkeit des Materials der Schweißnaht 20, 20'.
  • Im Fall von 3B umfasst die Schweißnaht 20 den Kupfer-Aluminium-Mischkristall. Dessen Temperaturleitfähigkeit ist relativ gering, zumindest geringer als die Temperaturleitfähigkeit des unbearbeiteten Materials des Oberblechs 18a, das im Wesentlichen aus Kupfer besteht. Damit erfolgt das Abklingen der emittierten Temperaturstrahlung des erwärmten Materials der Schweißnaht 20' im oder in der Nähe des Bereich 30 langsamer bei der in 3C dargestellten Schweißnaht 20', die im Wesentlichen aus dem Material des umgebenden, unbearbeiteten Oberblechs 18a besteht. Um die Geschwindigkeit, mit der die thermische Anregung im Bereich 30 abklingt, zu bestimmen, wird im Schritt S2 die Abklingcharakteristik der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung erfasst. Die Abklingcharakteristik der von der Schweißnaht 20, 20' emittierten Temperaturstrahlung ist ein Maß für die Abklingcharakteristik der thermischen Anregung im Bereich 30 der Schweißnaht 20, 20'.
  • Das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung kann beispielsweise an einem Punkt der Schweißnahtoberfläche im oder in der Nähe des Bereichs 30 der Schweißnaht 20, 20' erfolgen. Die Abklingcharakteristik wird gemäß Ausführungsformen mittels einer Photodiode erfasst, die im IR-Wellenlängenbereich sensitiv ist, und anschließend bewertet. Die Photodiode nimmt dabei Messsignale von dem Punkt bzw. Bereich der Schweißnahtoberfläche auf. Die Änderung der Emission bzw. Temperatur in diesem Bereich wird zur Bewertung gut/schlecht herangezogen. Die zeitliche Entwicklung der Oberflächentemperatur, also die Dynamik der impulsförmigen Anregung, wird als Maß herangezogen.
  • Die erfasste Abklingcharakteristik der emittieren Temperaturstrahlung kann ausgewertet werden, um die Geschwindigkeit, mit der die thermische Anregung innerhalb der Schweißnaht 20, 20' abklingt, zu bestimmen. Somit können, wie oben beschrieben, das Material bzw. Materialeigenschaften der Schweißnaht 20, 20' und darauf basierend ein Schweißfehler bestimmt werden. Das Verfahren ermöglicht also die Unterscheidung oder Klassifikation in Gutschweißungen und Schlechtschweißungen.
  • Das Auswerten der Abklingcharakteristik kann anhand einer Bewertung der Rohdaten des erfassten Intensitätsverlaufs bzw. des Messsignals der Photodiode erfolgen. Gemäß Ausführungsformen des Verfahrens kann das Auswerten der Abklingcharakteristik auch das Bilden der ersten zeitlichen Ableitung des Intensitätsverlaufs bzw. des Messsignals und das Auswerten der Ableitung umfassen. Dadurch können die Unterschiede der Abklingcharakteristika für die beiden oben diskutierten Fälle deutlicher unterschieden werden. Dies wird nachfolgend mit Bezug auf 4 detailliert beschrieben.
  • Zusätzlich oder alternativ kann das Messsignal mit einer analytischen, eindimensionalen Diffusionsgleichung bzw. -kurve gefittet werden und anschließend kann die erste zeitliche Ableitung dieser gefitteten Kurve gebildet werden. Dadurch kann das Rauschen des von der Photodiode ausgegebenen Messsignals reduziert werden.
  • 4 zeigt ein Diagramm, welches die erste zeitliche Ableitung der Intensitätsverläufe der von den Schweißnähten 20, 20' gemäß 3B und 3C emittierten Temperaturstrahlung veranschaulicht.
  • Die Intensitätsverläufe der emittierten Temperaturstrahlung wurden, wie mit Bezug auf 3A bis 3C beschrieben, nach dem Einstrahlen eines Laserpulses auf die Schweißnähte 20, 20' unter Verwendung einer Photodiode erfasst. Die Photodiode gibt ein von der Intensität der emittierten Temperaturstrahlung abhängiges Messsignal aus, das ein Spannungssignal mit der Einheit V ist. Dementsprechend hat die erste zeitliche Ableitung dieses Spannungssignals die Einheit V/s. Das in 4 gezeigte Diagramm zeigt auf der Abszisse die Zeit in ms und auf der Ordinate den Wert der zeitlichen Ableitung des Spannungssignals in V/s.
  • Die Kurve 32 zeigt die erste zeitliche Ableitung eines Messsignals basierend auf der Temperaturstrahlung, die von der Schweißnaht 20 mit elektrischer Anbindung (3B) emittiert wird. Die Kurve 32' zeigt die erste zeitliche Ableitung eines Messsignals basierend auf der Temperaturstrahlung, die von der Schweißnaht 20' ohne elektrische Anbindung (3C) emittiert wird. In 4 ist zu erkennen, dass die Kurve 32 zu jedem Zeitpunkt über der Kurve 32' liegt, und dass die Kurven 32, 32' negativ sind. Dies bedeutet zum einen, dass die zeitliche Ableitung beider Intensitätsverläufe stets negativ ist. Somit fällt die Intensität der Temperaturstrahlung und die Temperatur der Schweißnaht in dem betrachteten Bereich der Schweißnaht nach dem Laserpuls ab, d.h. die Schweißnaht kühlt nach der thermischen Anregung ab.
  • Ferner ist der Betrag der zeitlichen Ableitung im Fall von 3B zu jedem Zeitpunkt kleiner als der Betrag der zeitlichen Ableitung im Fall von 3C. Die zeitliche Ableitung im Fall von 3B ist also stets größer als die zeitliche Ableitung im Fall von 3C. Die Intensität der emittierten Temperaturstrahlung und die Temperatur der Schweißnaht 20 im Fall einer Gutschweißung (3B) sinkt also langsamer als die Intensität der emittierten Temperaturstrahlung und die Temperatur der Schweißnaht 20 im Fall einer Schlechtschweißung (3C). Mit anderen Worten hat die Oberfläche der Schweißnaht 20 von 3B eine kleinere Abkühlrate als die Oberfläche der Schweißnaht 20' von 3C. Demnach kann basierend auf den Kurven 32, 32' bestimmt werden, dass die Schweißnaht 20 eine geringere Temperaturleitfähigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit als die Schweißnaht 20' aufweist. Basierend auf den Kurven 32, 32' für die erste zeitliche Ableitung der erfassten Intensitätsverläufe kann also auf das Material bzw. auf Materialeigenschaften der Schweißnähte 20, 20' geschlossen werden.
  • Die Kurve 32 kann beispielsweise als Referenz-Ableitung für die Auswertung einer erfassten Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung verwendet werden. Beispielsweise kann wie oben beschrieben die zeitliche Ableitung des Intensitätsverlaufs einer zu analysierenden Schweißnaht gebildet werden, und es kann bestimmt werden, dass für diese Schweißnaht kein Schweißfehler vorliegt, wenn der Verlauf der gebildeten Ableitung im Wesentlichen mit der Kurve 32 zusammenfällt, d.h. innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs um die Kurve 32 liegt. Liegt der Verlauf der gebildeten Ableitung unterhalb der Kurve 32, kann für die zu analysierende Schweißnaht bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt.
  • Alternativ kann ein einzelner Wert der Kurve 32 zu einem vorgegebenen Zeitpunkt nach dem Ende des Laserpulses als Referenzwert für die Ableitung der Abklingcharakteristik verwendet werden, und ein entsprechender Wert der Ableitung für die zu analysierende Schweißnaht kann mit diesem Referenzwert zum Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorhanden ist, verwendet werden. Es kann bestimmt werden, dass ein Schweißfehler vorliegt, wenn der Wert der Ableitung für die zu analysierende Schweißnaht kleiner ist als der vorgegebener Referenzwert für die Ableitung oder wenn ein Betrag dieses Wertes größer ist als ein Betrag des vorgegebenen Referenzwerts für die Ableitung.
  • 5A-5D zeigen Schweißnähte, die mit Verfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung analysiert wurden. 5A-5D zeigen jeweils in der oberen Zeile („Camera“) eine mit einer Kamera aufgenommene Draufsicht auf eine Schweißnaht, die beim Laserschweißen von Werkstücken 18a, 18b im Überlappstoß ausgebildet wurde, wobei die Schweißnaht eine 1-Nahtgeometrie aufweist. In der mittleren Zeile („Optical microscope“) sind mikroskopische Aufnahmen von Schnitten der jeweiligen Schweißnähte und in der unteren Zeile sind entsprechende schematische Darstellungen der Schnittansichten gezeigt. Die Werkstücke 18a, 18b sind jeweils als Bleche ausgebildet. Das Werkstück 18a besteht in diesem Beispiel im Wesentlichen aus Kupfer. Das Werkstück 18b besteht in diesem Beispiel im Wesentlichen aus Aluminium.
  • In der Draufsicht auf die jeweiligen Schweißnähte ist nicht zu unterscheiden, ob eine Gutschweißung oder eine Schlechtschweißung vorliegt. 5A und 5B zeigen Gutschweißungen und 5C und 5D veranschaulichen Schlechtschweißungen ohne Anbindung, d.h. sogenannte „falsche Freunde“ („false friend“). Der in 5C und 5D gezeigte Schweißfehler kann mithilfe des Verfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schnell, einfach und berührungslos erkannt werden.
  • 5A zeigt in der ersten Spalte („Gap: 0 µm“) eine spaltfreie Schweißnaht 20, über die Strom fließen kann. Zwischen den verschweißten Werkstücken 18a, 18b liegt also keinen Spalt vor. Dieser Fall kann dementsprechend als Gutschweißung gekennzeichnet werden. Das Material der Schweißnaht 20 besteht aus einem Kupfer-Aluminium-Mi schkri stall.
  • 5B zeigt in der zweiten Spalte („Gap: 100 µm“) eine Schweißnaht 20 mit einem Spalt 26 zwischen den beiden Werkstücken 18a, 18b von ca. 100 µm. Dieser Spalt 26 kann toleriert werden, denn der Spalt 26 ist durch Material der Schweißnaht 20 überbrückt. Somit besteht trotz des vorhandenen Spaltes 26 noch eine Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 18a, 18b, insbesondere eine elektrische Verbindung. Dieser Fall kann dementsprechend ebenfalls als Gutschweißung gekennzeichnet werden. Das Material dieser Schweißnaht 20 besteht ebenfalls aus einem Kupfer-Aluminium-Mi schkri stall.
  • 5C und 5D zeigen in der dritten und vierten Spalte („Gap: 150 µm“ und „Gap: 200 µm“) das Fehlerbild des sogenannten „falschen Freunds“. Dabei liegt ein Spalt 26 von 150 µm bzw. 200 µm zwischen den Werkstücken 18a, 18b vor, der nicht überbrückt ist. Es besteht also keine strukturelle bzw. elektrische Verbindung zwischen den Werkstücken 18a, 18b, sodass ein Schweißfehler vorliegt. Diese Fälle können dementsprechend als Schlechtschweißung gekennzeichnet werden. Das Material der Schweißnaht 20' besteht in beiden Fällen im Wesentlichen aus Kupfer.
  • 6 zeigt oben den Intensitätsverlauf einer von einer Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung und zeigt unten den Intensitätsverlauf von von der Schweißnaht rückreflektiertem Laserlicht. Die Verläufe können mit dem Verfahren gemäß Ausführungsformen erhalten werden. Die Abszisse der in 6 gezeigten Diagramme bezeichnet die Zeit. Die Ordinaten der Diagramme geben die jeweiligen gemessenen Intensitäten an. In den Diagrammen der 6 sind jeweils mehrere erfasste Verläufe überlagert gezeigt.
  • Die Intensität der emittierten Temperaturstrahlung und die Intensität des rückreflektierten Laserlichts können durch entsprechende Photodioden, die in den entsprechenden Wellenlängenbereichen empfindlich sind, gemessen werden. Die Photodioden können Teil des mit Bezug auf 1A und 1B beschriebenen Sensormoduls 14 sein.
  • Im unteren Diagramm ist der Intensitätsverlauf des von einer Schweißnaht beim Einstrahlen des Laserpulses eines Anregungsstrahls rückreflektierten Laserlichts gezeigt. Im linken Bereich des Diagramms ist der Anregungslaserstrahl eingeschaltet und wird auf die Schweißnaht eingestrahlt. Die Intensität des davon rückreflektierten Laserlichts ist relativ hoch. Im Diagramm ist der Zeitpunkt 34 gekennzeichnet, ab dem die Intensität des rückreflektierten Laserlichts unter einen vorgegebenen Schwellwert absinkt. Dieser Zeitpunkt 34 kann gemäß Ausführungsformen als das Ende oder der Endzeitpunkt 34 des Laserpulses bzw. der thermischen Anregung betrachtet oder definiert sein.
  • Im oberen Diagramm ist der Intensitätsverlauf der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung dargestellt. Das Messen der Intensität der Temperaturstrahlung und demnach das Erfassen der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung kann gemäß Ausführungsformen unmittelbar zum oder nach dem Ende 34 des Laserpulses beginnen. Wie 6 zeigt, kann das Messen der Intensität der Temperaturstrahlung bereits während des Laserpulses, also vor dem Ende des Laserpulses, beginnen. Die Auswertung der Abklingcharakteristik erfolgt für Daten, die zum Endzeitpunkt 34 des Laserpulses oder danach aufgenommen wurden.
  • In jedem Fall soll die sogenannte „Region of Interest“ (ROI) 36 des Intensitätsverlaufs der emittierten Temperaturstrahlung erfasst werden. Die ROI 36 bezeichnet eine Zeitspanne, die für die Auswertung der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung und die Bestimmung, ob ein Schweißfehler vorliegt, von wesentlicher Bedeutung ist. Mit anderen Worten entspricht die ROI 36 einer Zeitspanne, während der sich die Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung einer fehlerfreien Schweißnaht signifikant von der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung einer Schweißnaht mit Schweißfehler unterscheidet. Dadurch kann zuverlässiger bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt. Die ROI 36 beginnt vorzugsweise mit oder unmittelbar nach dem Endzeitpunkt 34 des Laserpulses. Die Länge der ROI 36 kann beispielsweise experimentell bestimmt werden.
  • 7A-7D zeigen Diagramme mit Intensitätsverläufen einer Temperaturstrahlung, die von den in 5A-5D gezeigten Schweißnähten emittiert wurde. Die Intensitätsverläufe wurden für die in 5A-5D gezeigten Schweißnähte wie zu 6 erläutert erfasst. Das Messen der Intensität der Temperaturstrahlung hat also bereits während des Laserpulses, also vor dem Ende 34 des Laserpulses, begonnen und dauerte bis nach dem Ende der ROI 36 an.
  • Wie in 7A-7D gezeigt, ist die Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung abhängig von dem Material bzw. den Materialeigenschaften der entsprechenden Schweißnaht. Abhängig von der in der Schweißnaht ausgebildeten Mikrostruktur ist also die Abklingcharakteristik unterschiedlich. Demnach kann basierend auf dem erfassten Intensitätsverlauf der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung bestimmt werden, ob ein Schweißfehler vorliegt. Ferner können Materialeigenschaften bzw. Werkstoffkennwerte ermittelt werden.
  • 8A zeigt schematisch einen Laserpuls eines Anregungslaserstrahls und 8B und 8C zeigen schematische Querschnitte von verschweißten Werkstücken und Schweißnähten zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Analysieren einer Schweißnaht gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
  • Zur Erläuterung des Verfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform wird wieder das Beispiel der Batteriemodulherstellung, wie sie mit Bezug auf 3A-3C diskutiert wurde, herangezogen. Eine detaillierte Beschreibung ist deshalb hier weggelassen.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform wird im Schritt S1 eine Mehrzahl von Laserpulsen des Anregungslaserstrahls 28, d.h. eine Pulsfolge, auf die Schweißnaht 20, 20' eingestrahlt. Mit anderen Worten kann der Anregungslaserstrahl 28 periodisch moduliert sein. 8A zeigt schematisch den Verlauf einer Laserleistung der Laserpulse bzw. des Anregungslaserstrahls 28. Wie gezeigt sind die Laserpulse im Wesentlichen rechteckig und wiederholen sich periodisch. Gemäß weiterer nicht gezeigter Ausführungsformen kann die Mehrzahl von Laserpulsen sinusförmig moduliert sein.
  • Die thermische Anregung der Schweißnaht 20, 20' ist demnach ebenfalls periodisch moduliert. Durch das Einstrahlen der Mehrzahl von Laserpulsen bzw. des periodisch modulierten Anregungslaserstrahls wird eine thermische Welle in der Schweißnaht erzeugt. Die Eindringtiefe der thermischen Welle ist in 8B und 8C durch den Bereich 30 veranschaulicht. Gemäß der zweiten Ausführungsform kann aufgrund der Mehrzahl von Laserpulsen und der damit verbundenen wiederholten thermischen Anregung die Eindringtiefe größer sein als im Fall der ersten Ausführungsform. Beispielsweise kann gemäß der zweiten Ausführungsform die Eindringtiefe der thermischen Welle gleich oder größer sein als eine Dicke zumindest eines der Werkstücke 18a, 18b, beispielsweise des Oberblechs 18a. Gemäß der zweiten Ausführungsform ist die thermische Anregung nicht transient, sondern stationär. Die thermische Welle ist also eine stationäre Welle. Stationäre thermische Wellen können mit Defekten, beispielsweise Poren, der Schweißnaht 20, 20' oder mit Grenzflächen zwischen der Schweißnaht 20, 20' und den Werkstücken 18a, 18b interagieren. Dadurch kann es zu Interferenzen der thermischen Welle kommen.
  • Gemäß der zweiten Ausführungsform kann das Erfassen der Intensität bzw. des Intensitätsverlaufs der von der Schweißnahtoberfläche emittierten Temperaturstrahlung vor dem Ende der Pulsfolge, also vor dem Ende des letzten Pulses der Pulsfolge, beginnen oder gleichzeitig mit dem Einstrahlen der Pulsfolge bzw. des periodisch modulierten Anregungsstrahls 26 erfolgen. Wie beim Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform erfolgt das Erfassen der Abklingcharakteristik der Temperaturstrahlung in Schritt S2 nach dem Ende der Pulsfolge, also nach dem Ende des letzten Pulses der Pulsfolge.
  • Anschließend wird basierend auf einer Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik bestimmt, ob ein Schweißfehler vorliegt (S3). Der Schritt S3 erfolgt wie beim Verfahren gemäß der ersten Ausführungsform, weshalb eine detaillierte Beschreibung davon hier weggelassen ist.
  • Beim Verfahren gemäß der zweiten Ausführungsform kann zusätzlich der Intensitätsverlauf der von der Schweißnaht 20, 20' emittierten Temperaturstrahlung, der während der Pulsfolge erfasst wurde, beispielsweise durch Fouriertransformation, ausgewertet werden. Dadurch kann eine Phasen- und/oder Amplitudenantwort auf die thermische Anregung durch die Pulsfolge bzw. den periodisch modulierten Anregungsstrahl bestimmt werden. Ferner kann die Auswertung auf einer LockIn-Thermographie oder einer Puls-Phasen-Technologie basieren oder diese umfassen. Basierend auf der Phasen- und/oder Amplitudenantwort kann beispielsweise auf in der Schweißnaht 20, 20' vorhandene Poren und Grenzflächen und auf Grenzflächen zwischen der Schweißnaht 20, 20' und dem angrenzenden Material der Werkstücke 18a, 18b geschlossen werden.
  • Mithilfe des Verfahrens gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform kann also basierend auf der Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik, insbesondere basierend auf der Auswertung der Intensität bzw. des Intensitätsverlaufs der von der Schweißnaht nach dem Ende eines Laserpulses bzw. einer Pulsfolge emittierten Temperaturstrahlung, eine Schweißnaht analysiert werden.
  • Mithilfe des Verfahrens gemäß der zweiten Ausführungsform kann zusätzlich basierend auf der Auswertung der Intensität bzw. des Intensitätsverlaufs der von der Schweißnaht während einer Pulsfolge emittierten Temperaturstrahlung Defekte, beispielsweise Poren und Grenzflächen, erkannt werden.
  • Mithilfe von Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen kann also die Qualitätskontrolle einer lasergeschweißten Schweißnaht, insbesondere einer Kontaktnaht, schnell, einfach, zuverlässig und berührungslos erfolgen. Das Verfahren beruht auf dem Prinzip, mithilfe von zumindest einem Laserpuls eine thermische Welle bzw. thermische Anregung in der Schweißnaht zu induzieren und deren Abklingcharakteristik zu erfassen und auszuwerten. Es wird also das thermische Verhalten der Schweißnaht nach dem zumindest einen Laserpuls ausgewertet. Insbesondere kann ein zeitlicher Verlauf einer Temperatur der Schweißnahtoberfläche, d.h. ein zeitlicher Verlauf der Intensität der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung, nach dem Energieeintrag durch den Laserpuls erfasst und ausgewertet werden. Alternativ kann auch nur ein Wert der Intensität der von der Schweißnaht emittierten Temperaturstrahlung zu einem bestimmten Zeitpunkt nach dem Energieeintrag durch den Laserpuls erfasst und ausgewertet werden. Durch die Auswertung können Informationen über eine Temperaturleitfähigkeit der Schweißnaht erhalten werden. Darauf basierend kann bestimmt werden, ob ein Schweißfehler, insbesondere eine fehlende (elektrische) Verbindung zwischen verschweißten Werkstücken, vorliegt. Verfahren gemäß Ausführungsformen können als Inline- Post-Process-Verfahren unmittelbar nach einem Laserschweißprozess oder als Post-Process-Verfahren durchgeführt werden.
  • Die Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht gemäß Ausführungsformen können insbesondere zum Analysieren einer Schweißverbindung bzw. eines Kontakts zwischen Ableitern von Pouch-Batteriezellen verwendet werden. Die vorliegende Offenbarung ist hierauf aber nicht beschränkt. Die Verfahren können auf jede Art von Batteriekontakten angewendet werden, also beispielsweise auch bei prismatischen und zylindrischen Batteriezellen. Ferner können die Verfahren auf jede Art von Werkstücken im Überlappstoß, insbesondere mit I-Nahtgeometrie, unabhängig von der Material- bzw. Werkstoffart und der Dicke der Werkstücke angewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laserbearbeitungssystem
    12
    Laserbearbeitungskopf
    14
    Sensormodul
    16
    Steuereinheit
    18a, 18b
    Werkstücke
    20, 20'
    Schweißnaht
    22
    Temperaturstrahlung
    24
    Strahlteiler
    26
    Spalt
    28
    Anregungslaserstrahl
    30
    Bereich der Schweißnaht
    32, 32'
    Ableitung d. Intensitätsverlaufs
    34
    Endzeitpunkt Laserpuls
    36
    Region of Interest

Claims (15)

  1. Verfahren zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht (20, 20'), das Verfahren umfassend: - thermisches Anregen der Schweißnaht (20, 20') durch Einstrahlen von zumindest einem Laserpuls auf die Schweißnaht (20, 20'), - Erfassen einer Abklingcharakteristik einer von der Schweißnaht (20, 20') emittierten Temperaturstrahlung, und - Bestimmen, basierend auf einer Auswertung der erfassten Abklingcharakteristik, ob ein Schweißfehler vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schweißfehler mindestens eines der folgenden umfasst: eine fehlende Schweißverbindung zwischen mittels der Schweißnaht (20, 20') verschweißten Werkstücken (18a, 18b) und einen Spalt (26) zwischen den Werkstücken (18a, 18b).
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Erfassen der Abklingcharakteristik unmittelbar nach dem Ende des Laserpulses erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Ende (34) des Laserpulses basierend auf von der Schweißnaht rückreflektiertem Laserlicht bestimmt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Erfassen der Abklingcharakteristik der emittierten Temperaturstrahlung mittels einer Photodiode erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Auswertung der Abklingcharakteristik ferner das Bestimmen einer zeitlichen Ableitung der Abklingcharakteristik umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt, das Vergleichen der erfassten Abklingcharakteristik mit einer vorgegebenen Referenz-Abklingcharakteristik umfasst.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Einstrahlen des zumindest einen Laserpulses das Einstrahlen eines einzelnen Laserpulses oder das Einstrahlen einer Mehrzahl von Laserpulsen umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Einstrahlen einer Mehrzahl von Laserpulsen das Einstrahlen eines periodisch modulierten Laserstrahls und/oder das Einstrahlen eines sinusförmig modulierten Laserstrahls umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei während des Einstrahlens einer Mehrzahl von Laserpulsen ein Intensitätsverlauf der emittierten Temperaturstrahlung erfasst und darauf basierend mittels Fouriertransformation eine Phasenantwort und/oder eine Amplitudenantwort bestimmt wird, um Defekte in der Schweißnaht zu erkennen.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend das Ausbilden der Schweißnaht (20, 20') zum Verschweißen von zumindest zwei Werkstücken (18a, 18b) durch Einstrahlen eines Laserstrahls, wobei die zumindest zwei Werkstücke (18a, 18b) im Überlappstoß oder im Parallelstoß angeordnet sind.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei eines der Werkstücke (18a) Kupfer oder mit Nickel beschichtetes Kupfer umfasst oder daraus besteht und ein anderes der Werkstücke (18b) Aluminium umfasst oder daraus besteht.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Werkstücke (18a, 18b) aus verschiedenen Materialien bestehen und die Wärmeleitfähigkeit mindestens eines der Werkstücke (18a, 18b) verschieden von der Wärmeleitfähigkeit eines bei der Ausbildung der Schweißnaht (20, 20') entstehenden Gemischs der verschiedenen Materialien ist.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Werkstücke (18a, 18b) einen Ableiter und/oder einen Anschluss einer Batteriezelle, einer Batterie und/oder eines Batteriepacks umfassen.
  15. Laserbearbeitungssystem (10) zum Analysieren einer durch einen Laserschweißprozess ausgebildeten Schweißnaht, umfassend: - einen Laserbearbeitungskopf (12), eingerichtet zum Einstrahlen eines Laserstrahls auf zumindest ein Werkstück (18a, 18b) zum Ausbilden der Schweißnaht (20, 20') und zum Einstrahlen mindestens eines Laserpulses auf die Schweißnaht (20, 20') zur thermischen Anregung der Schweißnaht (20, 20'), - ein Sensormodul (14), das eingerichtet ist, um eine von der Schweißnaht (20, 20') emittierte Temperaturstrahlung zu erfassen; und - eine Steuervorrichtung (18), die eingerichtet ist, basierend auf einer Abklingcharakteristik der von der Schweißnaht (20, 20') emittierten Temperaturstrahlung zu bestimmen, ob ein Schweißfehler vorliegt.
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