DE102022101093A1

DE102022101093A1 - Verfahren zum Bestimmen einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht auf einem Werkstück

Info

Publication number: DE102022101093A1
Application number: DE102022101093.7A
Authority: DE
Inventors: Nicolai Speker; Tim Hesse; Patrick Haug; Philipp Scheible
Original assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik Se De
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023138960A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder zumindest eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht (3) auf zumindest einem Werkstück (9), wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:(a) Scannen der Schweißnaht (3) mittels eines Messstrahls (2) während eines Laserstrahlschweißens der Schweißnaht (3) zum Ermitteln von Datenpunkten (11), wobei der Messstrahl (2) entlang zumindest einer Messbahn (8) auf der Schweißnaht (3) bewegt wird und die ermittelten Datenpunkte (11) eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht (3) gegenüber einer Werkstückoberfläche (10) des zumindest einen Werkstücks (9) angeben, und(b) Bestimmen der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals durch eine Auswertung der zuvor ermittelten Datenpunkte (11).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 15.
Es ist grundsätzlich wünschenswert, das Ergebnis eines Laserstrahlschweißprozesses zu überprüfen. Eine derartige Ergebnisprüfung schließt beispielsweise die Ermittlung von geometrischen Größen, wie etwa einer Einschweißtiefe oder Nahbreite, der durch den Laserstrahlschweißprozess erzeugten Schweißnähte ein.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu dem Laserstrahlschweißprozess nachgelagerte zerstörende Prüfungen, insbesondere Querschliff der Schweißnaht bekannt, um das Schweißnahtergebnis anhand von geometrischen Größen oder Qualitätsmerkmalen zu überprüfen. Bekannt ist ferner die Überwachung von Prozessqualitätsmerkmalen durch eine visuelle Überprüfung mittels einer Kamera.
Die bekannten nachgelagerten Überprüfungsverfahren sind zeitaufwändig und fordern teilweise eine Zerstörung der Schweißnaht, wodurch sie nur für eine stichprobenartige Überprüfung geeignet sind. Bei einer nicht-zerstörungsfreien, visuellen Überprüfung mittels einer Kamera können nicht alle geometrischen Ergebnisgrößen und Qualitätsmerkmale geprüft werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Bestimmen von geometrischen Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmalen von Schweißnähten auf Werkstücken vorzuschlagen, welches insbesondere eine zerstörungsfreie und schnelle Prüfung von Schweißnähten erlaubt.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Vorgeschlagen wird dementsprechend ein Verfahren zum Bestimmen zumindest einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder zumindest eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht auf zumindest einem Werkstück, wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:

(a) Scannen der Schweißnaht mittels eines Messstrahls während eines Laserstrahlschweißens der Schweißnaht zum Ermitteln von Datenpunkten, wobei der Messstrahl entlang zumindest einer Messbahn auf der Schweißnaht bewegt wird und die ermittelten Datenpunkte eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht gegenüber einer Werkstückoberfläche des zumindest einen Werkstücks angeben, und
(b) Bestimmen der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals durch eine Auswertung der zuvor bzw. in Schritt (a) ermittelten Datenpunkte.

Folglich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine Überprüfung der Schweißnaht, welche parallel bzw. zeitgleich zum Laserstrahlschweißen erfolgt. Mit anderen Worten handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren um ein online-Verfahren, wobei sich der Begriff online darauf bezieht, dass das Verfahren zumindest teilweise oder vollständig während des Laserstrahlschweißprozesses zum Erzeugen der Schweißnaht erfolgt. Dies ermöglicht eine online-Überwachung des Schweißprozesses mittels der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals, was einerseits die notwendige Zeit für die Überprüfung der Schweißnaht erheblich senkt und andererseits eine besonders genaue Überprüfung der Schweißnaht erlaubt, wie im Folgenden näher erläutert wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auch Schritt (b) während des Laserstrahlschweißens der Schweißnaht erfolgen. Grundsätzlich können die Schritte (a) und (b) im Wesentlichen zeitgleich oder unmittelbar aufeinander erfolgen. Dadurch lässt sich die Taktzeit für die Erzeugung und Prüfung der Schweißnaht weiter reduzieren. Ferner kann dadurch vorzugsweise ein online-Justieren des Laserstrahls zum Laserstrahlschweißen auf Basis der bestimmten geometrischen Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmale der Schweißnaht ermöglicht werden, wie später näher erläutert wird. Jedoch kann das online-Justieren auch nur auf Basis der ermittelten Datenpunkte und nicht (auch) auf Basis der bestimmten geometrischen Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmale erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann insoweit und auch im Übrigen auch das Schweißen der Schweißnaht mittels eines Laserstrahls bzw. durch das Laserstrahlschweißen als weiteren Schritt umfassen.
Selbstverständlich ist möglich, dass mehrere geometrische Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmale der Schweißnaht mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bestimmt werden, um eine besonders genaue Überprüfung der Schweißnaht hinsichtlich ihrer Qualität zu erlauben. Unter einer geometrischen Ergebnisgröße wird hierin insbesondere eine quantitativ messbare Größe der Schweißnaht bzw. ihrer Geometrie verstanden. Unter einem Qualitätsmerkmal wird demgegenüber ein qualitatives Merkmal verstanden, welches zwar quantitativ messbar sein kann, jedoch primär als qualitative Größe ausgegeben werden kann, wobei sekundär auch eine quantitative Angabe dieses Merkmals möglich ist. Ein solches Qualitätsmerkmal kann sich auf einen Defekt, wie beispielsweise eine Pore in der Schweißnaht, beziehen, der normalerweise nicht auftreten sollte. Das Qualitätsmerkmal ist bei einer derartigen Pore qualitativ, nämlich, dass eine Pore in der Schweißnaht vorhanden ist. Quantitativ kann das Qualitätsmerkmal der Pore zudem durch die Größe der Pore und/oder Lage der Pore in der Schweißnaht angegeben werden. Insoweit bezieht sich ein Qualitätsmerkmal darauf, dass ein vorbestimmter Defekt in oder um die Schweißnaht herum vorhanden ist oder nicht und insbesondere, falls er vorhanden ist, wie groß der Defekt ausfällt.
Da das Scannen der Schweißnaht während ihrer Erzeugung erfolgt ist der Begriff Schweißnaht im weiteren Sinne zu verstehen, also nicht auf eine bereits hergestellte Schweißnaht beschränkt, sondern umschließt insbesondere die bereits hergestellte Schweißnaht sowie die in der Erzeugung befindliche Schweißnaht, wie insbesondere eine Dampfkapillare und ein Schmelzbad, wie später näher erläutert wird.
Im Schritt (a) ist ein Scannen der Schweißnaht während des Laserstrahlschweißens vorgesehen. Folglich kann die Schweißnaht nicht oder nicht nur in einem erstarrten Teil, sondern insbesondere in einem aktuell noch flüssigen Teil des Materials des zumindest einen Werkstücks gescannt werden. Ganz besonders kann die zumindest eine Messbahn entlang einer Dampfkapillare (engl. „Keyhole“) der Schweißnaht und/oder entlang eines (die Dampfkapillare umgebenden) Schmelzbads der Schweißnaht verlaufen. Dadurch lässt sich die Geometrie bzw. Form der Dampfkapillare messen. Durch die ermittelten Datenpunkte der Dampfkapillare und/oder des Schmelzbads lassen sich zahlreiche verschiedene geometrische Ergebnisgrößen der Schweißnaht während des Laserstrahlschweißprozesses auswerten, die zudem ein Nachjustieren des Laserstrahls während des Laserstrahlschweißprozesses erlauben. Die Messung der Dampfkapillare wird hierein auch als Keyhole-Shape-Messung bezeichnet.
Alternativ oder, vorzugsweise, zusätzlich ist möglich, dass die zumindest eine Messbahn entlang eines im Wesentlichen erstarrten Teils der Schweißnaht verläuft. Dadurch lassen sich auch verschiedene geometrische Ergebnisgrößen des bereits im Wesentlichen erstarrten Teils der Schweißnaht erfassen, vorteilhafterweise in einem Durchlauf mit bzw. entlang einer gemeinsamen Messbahn entlang der Dampfkapillare und/oder des Schmelzbads der Schweißnaht. Als im Wesentliche erstarrt wird die Schweißnaht in einem Teil angesehen, wenn sie bereits soweit abgekühlt ist, dass sich keine Formänderung der Schweißnaht in diesem Teil mehr einstellt. Dann sind die gemessenen Datenpunkte eindeutig bzw. ist ein Band von in Dicken- bzw. Tiefenrichtung des Werkstücks ermittelten Datenpunkten schmal.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die zumindest eine Messbahn entlang eines ungeschweißten Teils der Werkstückoberfläche, der Dampfkapillare, des Schmelzbads und des erstarrten Teils der Schweißnaht verläuft. Mit dem ungeschweißten Teil der Werkstückoberfläche ist insbesondere ein in einer Vorschubrichtung des Laserstrahls vor der Dampfkapillare liegender Teil der Werkstückoberfläche gemeint. Dadurch lassen sich in einem Scandurchlauf entlang einer Messbahn und damit besonders effizient unterschiedliche geometrische Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmale, die spezifisch für den jeweiligen Abschnitt der Schweißnaht sind, ermitteln.
Vorteilhaft für die Auswertung ist es, wenn die entlang der Dampfkapillare und/oder dem Schmelzbad ermittelten Datenpunkte für die Auswertung in zumindest zwei unterschiedliche vorgegebene Bereiche unterteilt werden, welche separat ausgewertet werden. So hat sich gezeigt, dass für verschiedene geometrische Ergebnisgrößen und Qualitätsmerkmale vorzugsweise unterschiedliche, zuvor identifizierte Bereiche vorteilhafterweise ausgewertet werden sollten. Diese Bereiche können beispielsweise einen Bereich des Schmelzbads vor der Dampfkapillare, einen Rand der Dampfkapillare, eine Kapillarfront der Dampfkapillare, eine tiefste Stelle bzw. einen tiefsten Bereich der Dampfkapillare, eine Kapillarrückwand und/oder einen Bereich des Schmelzbads hinter der Dampfkapillare umfassen. Für die jeweiligen Datenpunkte in diesen Bereichen kann jeweils zumindest ein spezifisches Qualitätsmerkmal und/oder zumindest eine spezifische geometrische Ergebnisgröße bestimmt werden, wie später in Bezug auf die Figurenbeschreibung beispielhaft näher erläutert wird.
Insbesondere kann die zumindest eine Messbahn längs der Schweißnaht und/oder quer, insbesondere orthogonal, zur Schweißnaht verlaufen. Die Messbahn kann insbesondere eine Messgerade bzw. eine gerade Messlinie sein. So lässt sich die Messbahn längs der Schweißnaht zur Ermittlung von Datenpunkten entlang oder entgegen der Vorschubrichtung einsetzen. Die Messbahn quer zur Schweißnaht ermöglicht hingegen die Ermittlung von Datenpunkten quer, insbesondere orthogonal, zu der Vorschubrichtung. Dabei kann die Messbahn quer zur Schweißnaht insbesondere durch die Dampfkapillare, ganz besonders eine tiefste Stelle bzw. einen tiefsten Punkt der Dampfkapillare, verlaufen, um so eine Bestimmung von geometrischen Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmalen innerhalb der Dampfkapillare und quer, insbesondere orthogonal, zur Vorschubrichtung bzw. der damit übereinstimmenden Längserstreckung der Schweißnaht zu ermöglichen.
Vorteilhafterweise kann der Messstrahl entlang der zumindest einen Messbahn längs der Schweißnaht entgegengesetzt zu einer Vorschubrichtung eines Laserstrahls zur Erzeugung der Schweißnaht bewegt werden. Dabei kann der Messstrahl auf dem ungeschweißten Teil der Werkstückoberfläche beginnen, die Dampfkapillare und das Schmelzbad durchlaufen und auf dem erstarrten Teils der Schweißnaht enden.
Möglich ist ferner, dass der Messstrahl im Wechsel entlang der längs der Schweißnaht verlaufenden Messbahn und der quer zur Schweißnaht verlaufenden Messbahn bewegt wird. Im Wechsel bezieht sich dabei insbesondere darauf, dass entlang der erzeugten Schweißnaht bzw. Vorschubrichtung mehrere Messungen mittels des Messstrahls, jeweils quer und längs der Schweißnaht, erfolgen. Dadurch lässt sich die Schweißnaht vorteilhafterweise längs und quer scannen, insbesondere in Gestalt eines insbesondere entlang der Schweißnaht bzw. Vorschubrichtung des Laserstrahls wiederholten Messkreuzes mit quer und längs verlaufenden Messgeraden, was eine Ermittlung von Datenpunkten entlang der Schweißnaht und quer zur Schweißnaht erlaubt, wodurch mehr geometrische Ergebnisgrößen und/oder Qualitätsmerkmale ermittelbar sind.
Dabei wird vorzugsweise die quer zur Schweißnaht verlaufende Messbahn anhand von Datenpunkten einer zuvor längs entlang der Schweißnaht verlaufenden Messbahn ausgerichtet. Alternativ wird vorzugsweise die längs zur Schweißnaht verlaufende Messbahn anhand von Datenpunkten einer zuvor quer entlang der Schweißnaht verlaufenden Messbahn ausgerichtet. So kann das zuvor erwähnte Messkreuz optimal ausgerichtet werden, insbesondere innerhalb einer tiefsten Stelle der Dampfkapillare. So kann aus den Datenpunkten, welche durch das Scannen entlang der Messbahn, die längs entlang der Schweißnaht verläuft, ermittelt worden sind, die tiefste Stelle bzw. der tiefste Punkt der Dampfkapillare ermittelt werden, welcher für das anschließende Scannen entlang der quer zur Schweißnaht verlaufenden Messbahn herangezogen werden kann, die dann durch diese tiefste Stelle verläuft.
Vorteilhafterweise kann das Verfahren ferner den Schritt eines Durchführens einer Ausgleichsrechnung, insbesondere eines Fittings, der ermittelten Datenpunkte aufweisen. Dadurch kann die Bestimmung gemäß Schritt (b) auf einfache Art und Weise durchgeführt oder zumindest unterstützt werden. Mit anderen Worten kann die Bestimmung der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals mittels der Ausgleichsrechnung erfolgen oder unterstützt werden. So können beispielsweise unterschiedliche Datenpunkte im selben Bereich der Schweißnaht durch die Ausgleichsrechnung quantitativ ausgewertet werden.
Die zumindest eine geometrische Ergebnisgröße kann wenigstens eins von einer Einschweißtiefe (EST), einer Nahtüberhöhung, einer Schmelzbadlänge (L₅) , eines Anbindungsquerschnitts (AQ) , einer Nahbreite (NB), einer Nahtquerschliffform oder einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten sein. Das zumindest eine Qualitätsmerkmal kann wenigstens eins von einem Riss, einem Spritzer, einer Pore oder einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten sein.
Insbesondere kann im Schritt (b) für entlang des erstarrten Teils der Schweißnaht ermittelte Datenpunkte als die zumindest eine geometrische Ergebnisgröße und/oder das zumindest eine Qualitätsmerkmal zumindest eine Randkerbe und/oder zumindest ein Nahteinfall der Schweißnaht bestimmt werden.
Wie zuvor erwähnt, können die ermittelten Datenpunkte vorzugsweise zum Nachjustieren eines Laserstrahls beim Laserstrahlschweißen verwendet werden. Ganz besonders können dadurch Winkelfehler des Laserstrahls relativ gegenüber der Werkstückoberfläche in einem Scanfeld einer Scanneroptik, von welcher der Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche ausgerichtet wird, automatisch korrigiert werden. Derartige Winkelfehler können durch eine Änderung des Arbeitsabstandes bzw. einen Versatz zwischen der Scanneroptik des Laserstrahls und der Werkstückoberfläche entstehen und mittels der Datenpunkte der Schweißnaht erkannt und zum Nachjustieren des Laserstrahls genutzt werden. Das Nachjustieren kann durch eine entsprechende Justierung der Scanneroptik, insbesondere mittels zumindest einer Bewegung, insbesondere Drehung, eines Spiegels innerhalb der Scanneroptik, erfolgen.
Vorzugsweise kann der Messstrahl eine Scanneroptik durchlaufen, wobei der Messstrahl durch ein Bewegen, insbesondere Drehen, zumindest eines Spiegels der Scanneroptik entlang der zumindest einen Messbahn bewegt wird. Wie zuvor erläutert worden ist, kann auch der Laserstrahl mittels einer Scanneroptik ausgerichtet und innerhalb eines Scanfeldes bewegt werden. Dabei kann dieselbe Scanneroptik für den Messstrahl und den Laserstrahl oder es können unterschiedliche Scanneroptiken für den Messstrahl und den Laserstrahl verwendet werden. Unterschiedliche Scanneroptiken können zumindest teilweise oder vollständig überlappende Scanfelder aufweisen.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Messstrahl ein OCT-Messstrahl eines OCT-Sensorsystems ist. Unter einem OCT-Sensorsystem wird ein optisches Kohärenztomograf-Sensorsystem verstanden (engl. OCT für „optical coherence tomography“ bzw. optische Kohärenztomographie). Durch den vom OCT-Sensorsystem erzeugten Messstrahl kann eine besonders kurze Messzeit und hohe Genauigkeit erzielt werden, was sich wiederum vorteilhaft auf die Schweißgenauigkeit auswirkt und die Taktzeit weiter zu reduzieren erlaubt.
Die eingangs erwähnte Aufgabe wird ferner gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 15. Vorgeschlagen wird dementsprechend eine Vorrichtung zum Bestimmen zumindest einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder zumindest eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht auf zumindest einem Werkstück. Die Vorrichtung weist eine Scannereinheit auf, die zum Scannen einer Schweißnaht mittels eines Messstrahls während eines Laserstrahlschweißens der Schweißnaht und zum Bewegen des Messstrahls entlang zumindest einer Messbahn auf der Schweißnaht eingerichtet ist. Ferner weist die Vorrichtung eine Ermittlungseinheit zum Ermitteln von Datenpunkten aus dem Scanprozess der Scannereinheit auf, wobei die ermittelten Datenpunkte eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht gegenüber einer Werkstückoberfläche des zumindest einen Werkstücks angeben. Und die Vorrichtung weist eine Auswerteinheit zum Bestimmen der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals durch Auswerten der zuvor ermittelten Datenpunkte auf.
Dabei können die in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren hierin beschriebenen Merkmale selbstverständlich auch in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, und umgekehrt, angewendet werden. Insbesondere kann die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein.
Die Vorrichtung kann ferner eine Laserstrahleinheit zum Laserstrahlschweißen der Schweißnaht aufweisen. Dadurch kann die Vorrichtung neben dem Messen bzw. Scannen der Schweißnaht und dem Ermitteln und Auswerten der Datenpunkte auch das Laserstrahlschweißen selbst parallel zum Scannen ausführen. Ferner kann die Vorrichtung auch eine Steuereinheit zum Steuern des Laserstrahlschweißens, insbesondere einer Bewegung bzw. Führung des Laserstrahls entlang der Werkstückoberfläche, aufweisen. Dabei kann die Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Laserstrahl zumindest auch auf Basis der ermittelten Datenpunkte zu steuern, um die zuvor bereits erwähnte Nachjustierung des Laserstrahls bei Feststellen von Winkelfehlern zu ermöglichen.
Wie zuvor erwähnt kann der Scannereinheit zudem eine Scanneroptik zugeordnet sein, die ein Scanfeld für den Messstrahl aufspannt. Ferner kann diese Scanneroptik oder eine weitere Scanneroptik der Vorrichtung für die Laserstrahleinheit vorgesehen sein.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert werden.
Es zeigen:

1 ein schematische Querschnittsansicht durch eine Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beim Laserstrahlschweißen,
2 ein übereinstimmendes Scanfeld von Scanneroptiken der Vorrichtung der 1 mit einer eingezeichneten Messbahn,
3 ein übereinstimmendes Scanfeld von Scanneroptiken der Vorrichtung der 1 mit einer gegenüber der 2 alternativen Messbahn,
4a eine Wolke der durch Scannen entlang der Messbahn von 2 ermittelten Datenpunkte,
4b eine Draufsicht auf die entlang der Messbahn von 2 erzeugten Schweißnaht, und
4c einen Querschliff durch die Schweißnaht der 4b.

1 zeigt eine Vorrichtung 100 in Form einer Scannerschweißvorrichtung zum Fügen der zwei gezeigten Werkstücke 9 mittels Scannerschweißens miteinander.
Für das Durchführen des Schweißvorgangs weist die Vorrichtung 100 die in 1 gezeigte Laserstrahleinheit 20 und eine erste, der Laserstrahleinheit 20 zugeordnete Scanneroptik 30 auf. Diese können vollständig oder teilweise in einem nicht gezeigten Laserbearbeitungskopf der Vorrichtung 100 angeordnet sein, der wiederum mittels einer nicht gezeigten Bewegungseinrichtung, etwa eines Roboterarms, der Vorrichtung 100 verfahrbar sein kann. Grundsätzlich erlaubt allerdings die erste Scanneroptik 30 einen Vorschub des von der Laserstrahleinheit 20 erzeugten Laserstrahls 1 innerhalb des von diesem abgedeckten Bearbeitungsfeld bzw. Scanfeld.
Die Laserstrahleinheit 20 umfasst eine Laserstrahlquelle 21, welche beispielsweise ein Infrarotlaser oder ein VIS-Laser sein kann. Von dieser Laserstrahlquelle 21 wird Laserstrahlung 1 erzeugt und in ein Kabel bzw. eine Faser gekoppelt, welche vorliegend durch ein 2in1-Lichtleiterkabel 22 gebildet ist, welche ihrerseits einen inneren Faserkern 23 und äußeren Faserkern 24 bzw. eine Ringfaser aufweist, welche um den inneren Faserkern 23 herum angeordnet ist. Aus dem Lichtleiterkabel 22 wird ein Laserstrahl 1 bzw. werden Laserstrahlen 1 auf die erste Scanneroptik 30 emittiert.
Die erste Scanneroptik 30 umfasst eine Kollimationslinse 31, einen drehbaren Spiegel 32 und eine Fokuslinse 33. Durch Drehen des Spiegels 32 kann der Laserstrahl 1 dabei auf einer Werkstückoberfläche 10 des oberen der beiden Werkstücke 9 in der gezeigten Vorschubrichtung v vorgeschoben bzw. verschoben werden, um mittels des hochenergetischen Laserstrahls 1 ein Laserstrahlschweißen entlang der durch die Vorschubrichtung v vorgegebenen Trajektorie bereitzustellen. Dabei wird der Laserstrahl 1 entlang der x-y-Ebene des in 1 gezeigten x,y,z-Koordinatensystems verschoben.
Ferner weist die Vorrichtung 100 ein Scannersystem 40 mit einer Scannereinheit 41, einer Ermittlungseinheit 42 und einer Auswerteinheit 43 auf, die hier beispielhaft jeweils als einzelne Einheiten gezeigt sind aber prinzipiell durch Software- und/oder Hardwareimplementierung ihrer Funktionen auch in einer oder zwei gemeinsamen Hardware-Komponenten angeordnet sein können. Das Scannersystem 40 kann dabei insbesondere als ein OCT-Sensorsystem ausgeführt sein.
Die Scannereinheit 41 sendet einen Messstrahl 3, insbesondere OCT-Messstrahl, aus, welcher eine zweite Scanneroptik 50 durchläuft, die hier beispielhaft nur mit einem Spiegel 51 gezeigt ist, aber auch mehr als einen Spiegel 51 und andere Komponenten, wie beispielsweise Linsen, aufweisen kann. Alternativ zur zweiten Scanneroptik 50 kann auch vorgesehen sein, dass der Messstrahl 3 die erste Scanneroptik 30 durchläuft. Dazu kann der Laserstrahl 1 währenddessen beispielsweise pausiert werden. Vorteilhafterweise kann jedoch der Laserstrahl 1 und der Messstrahl 2 parallel, also zeitgleich, auf die Werkstückoberfläche 10 ausgerichtet werden.
Mittels des Messstrahls 2 kann nun die während des Laserstrahlschweißprozesses vom Laserstrahl 1 erzeugte Schweißnaht 3 gescannt werden. Dabei kann der Messstrahl 2 entlang zumindest einer Messbahn 8 (siehe 2, 3) auf der Schweißnaht 3 bewegt werden.
Durch die mit der Scannereinheit 41 verbundene Ermittlungseinheit 42 kann das Scannersystem 40 Datenpunkte 11 (siehe 4) aus dem Scanprozess der Scannereinheit 41 ermitteln. Die Datenpunkte 11 geben eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht 3 gegenüber der Werkstückoberfläche 10 oder, mit anderen Worten, ein Profil in der senkrecht zu der von der Werkstückoberfläche 10 aufgespannten x,y-Ebene verlaufenden z-Richtung der Schweißnaht 3 an.
Durch die mit der Ermittlungseinheit 42 wiederum verbundene Auswerteeinheit 43 erfolgt ein Bestimmen von geometrischen Ergebnisgrößen und Qualitätsmerkmalen der Schweißnaht 3 durch ein Auswerten der zuvor ermittelten Datenpunkte 11. Auch die Datenpunktermittlung und die Bestimmung der geometrischen Ergebnisgrößen und der Qualitätsmerkmale der Schweißnaht 3 kann dabei online, also parallel zum Laserstrahlschweißprozess, erfolgen.
Die 2 und 3 zeigen jeweils die Werkstückoberfläche 10 abdeckende Scanfelder, die übereinstimmend von den beiden Scanneroptiken 30, 50 abgedeckt werden. Die 2, 3 zeigen dabei jeweils unterschiedliche Messbahnen 8 in Form von Messgeraden bzw. geraden Messlinien, die von dem Messstrahl 2 abgefahren werden. Hierneben ist die Vorschubrichtung v des Laserstrahls 1 entlang der gezeigten y-Achse gezeigt.
Die Messbahn 8 der 1 verläuft längs der Schweißnaht 3 bzw. übereinstimmend mit der Vorschubrichtung v des Laserstrahls 1. Ganz besonders verläuft die Messbahn 8 entlang eines ungeschweißten Teils 8 der Werkstückoberfläche 10, des Schmelzbads 5 der Schweißnaht 3, der Dampfkapillare 4 der Schweißnaht 3 und eines erstarrten Teils 6 der Schweißnaht 3. Anders als durch die Pfeile der Messbahn 8 in der 1 angedeutet, kann der Messstrahl 2 in einer entgegengesetzt zur Vorschubrichtung v verlaufenden Richtung entlang der Messbahn 8 verfahren werden.
Demgegenüber verläuft die Messbahn 8 der 3 quer, insbesondere senkrecht, zur Vorschubrichtung v bzw. Längserstreckung der Schweißnaht 3 und der Messbahn 8 der 1. Dabei durchläuft die Messbahn 8 der 3 ebenfalls die Dampfkapillare 4 und das diese umgebende Schmelzbad 5.
Die beiden Messbahnen 8 der 2 und 3 können dabei entlang der erzeugten Schweißnaht 3 jeweils im Wechsel vom Messstrahl 2 abgefahren werden. Dabei kann die y-Position für die quer zur Vorschubrichtung v verlaufende Messbahn 8 anhand des zuvor erfolgten Scans entlang der längs der Schweißnaht 3 verlaufenden Messbahn 8 bzw. der dabei ermittelten Datenpunkte 11 ausgerichtet werden. Ganz besonders kann die tiefste Stelle bzw. der Datenpunkt 11 mit der größten Tiefe gegenüber der Werkstückoberfläche 10 ermittelt werden und für die quer zur Schweißnaht 3 verlaufende Messbahn 8 genutzt werden, damit diese durch die tiefste Stelle der Dampfkapillare 4 verläuft.
4a zeigt eine Wolke von Datenpunkten 11 in einem z,y-Diagramm, welche durch Scannen der Schweißnaht 3 entlang der Messbahn 8 der 2, also längs der Vorschubrichtung v und insbesondere entgegen zur Vorschubrichtung v, ermittelt worden sind. Für die Werkstücke 9 wurde hier beispielhaft Baustahl verwendet und als Parameter des Laserstrahls 1 wurden beispielhaft eine durchschnittliche Laserleistung Pav = 300 W, eine Vorschubgeschwindigkeit v = 3 m/min und ein Strahldurchmesser von d0 = 85 um verwendet. Insoweit repräsentiert die 4a ein Höhenprofil der Schweißnaht 3 entlang der y-Achse bzw. Vorschubrichtung v zum Zeitpunkt der Messung, die auch als Keyhole-Shape-Messung bezeichnet werden kann, da sie die Form des Keyholes bzw. der Dampfkapillare 4 erfasst.
4b zeigt die zur 4a zugehörige Schweißnaht 3 in einer Draufsicht und 4c zeigt einen zugehörigen Querschliff der Schweißnaht 3.
Wie 4a anschaulich zeigt, kann durch eine Auswertung der ermittelten Datenpunkte 11 eine Vielzahl unterschiedlicher geometrischer Ergebnisgrößen und Qualitätsmerkmale bestimmt werden.
Dazu kann die Schweißnaht 3 im Bereich der Dampfkapillare 4 und des Schmelzbads 5 in mehrere Bereiche 12, 13, 14, 15, 16, 17 unterteilt werden, wobei vorzugsweise sechs Bereiche 12, 13, 14, 15, 16, 17 unterschieden werden können und eine entsprechende Aufteilung erfolgen kann, wie in der 4a gezeigt ist. Durch Auswerten der Datenpunkte 11 des Messstrahls 2 in der Auswerteeinheit 43 in den sechs Bereichen können Korrelationen zu geometrischen Ergebnisgrößen und Qualität der Schweißnaht 3 getroffen werden.
So kann von dem Bereich 12 bis zum Bereich 17 eine Abschätzung der Schmelzbadlänge L₅ durch die Keyhole-Shape-Messung erfolgen. Die Grenze vom festen Werkstück 9, insbesondere Blech, zur flüssigen Schmelze ist jeweils anhand einer Zunahme der Bandbreite von Datenpunkten 11 in z-Richtung erkennbar und so abgrenzbar. Die Länge der Messbahn 8 kann bei hohen Laserleistungen und/oder Vorschubgeschwindigkeiten des Laserstrahls 1 erhöht werden, um das gesamte Schmelzbad 5 zu detektieren.
Der Bereich 12 umfasst das Schmelzbad 5 vor der Dampfkapillare 4. Anhand des Bereichs 12 ist eine Abschätzung der Schmelzbaddynamik vor der Dampfkapillare 4 möglich. Ein besonders dynamisches Schmelzbad 5 zeigt sich durch eine große Höhendifferenz der Messpunkte bzw. Datenpunkte 11 des Schmelzbads 5 und kann als ein Qualitätsmerkmal interpretiert werden.
Der Bereich 13 umfasst einen Rand der Dampfkapillare 4. Hier wird vermutet, dass kleine Spritzer am vorderen Rand der Kapillaröffnung der Dampfkapillare 4 entstehen. Die SchmelzeTröpfchen reflektieren den Messstrahl 3 in diesem Bereich und verursachen Datenpunkte 11. Durch eine Auswertung dieser Datenpunkte 11 in dem Bereich 13 kann sich das Vorhandensein ungewünschter Spritzer bestimmen lassen, was als ein ungünstiges Qualitätsmerkmal angesehen werden kann.
Der Bereich 14 umfasst eine Kapillarfront der Dampfkapillare 4. In diesem Bereich 14 lässt sich die Kapillarstabilität als Qualitätsmerkmal der Dampfkapillare 4 anhand der ermittelte Datenpunkte 11 bestimmen. Und zwar zeigt sich eine fluktuierende Kapillarfront in einem breiten Band von Datenpunkten 11 in dem Bereich 14 der Kapillarfront. Zusätzlichen Einfluss auf die Kapillarstabilität kann zudem die Neigung der Dampfkapillare 4 haben, die hier auch mit in die Auswertung einbezogen werden kann.
Der Bereich 15 umfasst die tiefste Stelle bzw. den tiefsten Bereich der Dampfkapillare 4. Im Bereich 15 kann die Einschweißtiefe EST als Differenz zwischen der Höhe der erfassten Werkstückoberfläche 10 und eines oder mehrerer tiefster Datenpunkte 11 des Bereichs 15 ermittelt werden. Zudem ist es möglich, anhand der Datenpunkte 11 einen möglichen Kapillarkollaps im Bereich 14 aufzudecken, wodurch Poren entstehen können. Die Poren können dann oberhalb des Kapillargrunds im Bereich 15 detektiert werden und so als ungünstiges Qualitätsmerkmal, also als nachteilig, ausgewertet werden. Auch Spiking, welches eine Variation der Datenpunkte 11 im Bereich der Einschweißtiefe EST verursacht, kann erkannt werden. In der Keyhole-Shape-Messung ist Spiking nicht immer eindeutig von falschen Datenpunkten 11 durch Reflexionen unterscheidbar. In der Messung im Bereich 14 ist Spiking dagegen durch eine über die Nahtlänge zeitliche Auflösung der Einschweißtiefe EST eindeutig erkennbar und damit als Qualitätsmerkmal erfassbar.
Der Bereich 16 umfasst eine Kapillarrückwand der Dampfkapillare 4. Eine fluktuierende Kapillarrückwand verursacht ein breites Band an Datenpunkten 11 im Bereich 16. Große Schmelzauswürfe bzw. Spritzer entstehen durch Schmelze, die an der Kapillarrückwand einen nach oben gerichteten Impuls bekommen, entstehen. Im Keyhole-Shape verursacht die Schmelze dann Datenpunkte 11 an der Kapillarrückwand und oberhalb des Kapillargrunds, die entsprechend als ungünstiges Qualitätsmerkmal bestimmt werden können.
Der Bereich 17 umfasst einen Bereich des Schmelzbads 5 hinter der Dampfkapillare 4. Eine hohe Schmelzbaddynamik hinter der Dampfkapillare 4 zeigt sich wiederum durch eine große Höhendifferenz der einzelnen Datenpunkte des Schmelzbads 5 in dem Bereich 17. Je breiter die Datenpunktwolke dort ist, umso dynamischer ist das Schmelzbad 5. In dem Bereich 17 oder weiter dahinter sind schließlich Nahtüberhöhung, Nahteinfall und Nahtunebenheiten durch einen Vergleich mit der Werkstückoberfläche 10 auswertbar.
4c zeigt noch einmal die Einschweißtiefe EST als anhand der ermittelten Datenpunkte 11 bestimmte geometrische Ergebnisgröße der 4c in einem Querschliff der Schweißnaht 3. Gezeigt sind hier auch die mittels der ermittelten Datenpunkte 11 bestimmbare Nahtbreite NB an der Werkstückoberfläche 10 sowie der aus den Datenpunkten 11 bestimmbare Anbindungsquerschnitt AQ zwischen der Werkstückoberfläche 10 und der tiefsten Stelle der Schweißnaht 3.

Claims

Verfahren zum Bestimmen zumindest einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder zumindest eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht (3) auf zumindest einem Werkstück (9), wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist: (a) Scannen der Schweißnaht (3) mittels eines Messstrahls (2) während eines Laserstrahlschweißens der Schweißnaht (3) zum Ermitteln von Datenpunkten (11), wobei der Messstrahl (2) entlang zumindest einer Messbahn (8) auf der Schweißnaht (3) bewegt wird und die ermittelten Datenpunkte (11) eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht (3) gegenüber einer Werkstückoberfläche (10) des zumindest einen Werkstücks (9) angeben, und (b) Bestimmen der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals durch eine Auswertung der zuvor ermittelten Datenpunkte (11).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zumindest eine Messbahn (8) entlang einer Dampfkapillare (4) der Schweißnaht (3) und/oder entlang eines Schmelzbads (4) der Schweißnaht (3) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die zumindest eine Messbahn (8) entlang eines ungeschweißten Teils (8) der Werkstückoberfläche (10), der Dampfkapillare (4), des Schmelzbads (5) und des erstarrten Teils (6) der Schweißnaht (3) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, wobei die entlang der Dampfkapillare (4) und/oder dem Schmelzbad (5) ermittelten Datenpunkte (11) für die Auswertung in zumindest zwei unterschiedliche vorgegebene Bereiche (12, 13, 14, 15, 16, 17) unterteilt werden, welche separat ausgewertet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Messbahn (8) längs der Schweißnaht (3) und/oder quer zur Schweißnaht (3) verläuft.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Messstrahl (2) entlang der zumindest einen Messbahn (8) längs der Schweißnaht (3) entgegengesetzt zu einer Vorschubrichtung (v) eines Laserstrahls (1) zur Erzeugung der Schweißnaht (3) bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Messstrahl (2) im Wechsel entlang der längs der Schweißnaht (3) verlaufenden Messbahn (8) und der quer zur Schweißnaht (2) verlaufenden Messbahn (8) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die quer zur Schweißnaht (3) verlaufende Messbahn (8) anhand von Datenpunkten (11) einer zuvor längs entlang der Schweißnaht (3) verlaufenden Messbahn (8) ausgerichtet wird oder die längs zur Schweißnaht (3) verlaufende Messbahn (8) anhand von Datenpunkten (11) einer zuvor quer entlang der Schweißnaht (3) verlaufenden Messbahn (8) ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Verfahren das Durchführen einer Ausgleichsrechnung, insbesondere eines Fittings, der ermittelten Datenpunkte (11) aufweist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine geometrische Ergebnisgröße wenigstens eins von einer Einschweißtiefe (EST), einer Nahtüberhöhung, einer Schmelzbadlänge (L₅) , eines Anbindungsquerschnitts (AQ), einer Nahbreite (NB), einer Nahtquerschliffform oder einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten und/oder das zumindest eine Qualitätsmerkmal wenigstens ein von einem Riss, einem Spritzer, einer Pore oder einer Kombination von zumindest zwei der vorgenannten ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei im Schritt (b) für entlang des erstarrten Teils (6) der Schweißnaht (3) ermittelte Datenpunkte (11) als die zumindest eine geometrische Ergebnisgröße und/oder das zumindest eine Qualitätsmerkmal zumindest eine Randkerbe und/oder zumindest ein Nahteinfall der Schweißnaht (3) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die ermittelten Datenpunkte (11) zum Nachjustieren eines Laserstrahls (1) beim Laserstrahlschweißen verwendet werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Messstrahl (2) eine Scanneroptik (50) durchläuft, wobei der Messstrahl (2) durch ein Bewegen zumindest eines Spiegels (51) der Scanneroptik (50) entlang der zumindest einen Messbahn (8) bewegt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Messstrahl (3) ein OCT-Messstrahl eines OCT-Sensorsystems ist.
Vorrichtung (100) zum Bestimmen zumindest einer geometrischen Ergebnisgröße und/oder zumindest eines Qualitätsmerkmals einer Schweißnaht (3) auf zumindest einem Werkstück (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung folgendes aufweist: - eine Scannereinheit (41), die zum Scannen einer Schweißnaht (3) mittels eines Messstrahls (2) während eines Laserstrahlschweißens der Schweißnaht (3) und zum Bewegen des Messstrahls (2) entlang zumindest einer Messbahn (8) auf der Schweißnaht (3) eingerichtet ist, - eine Ermittlungseinheit (42) zum Ermitteln von Datenpunkten (11) aus dem Scanprozess der Scannereinheit (41), wobei die ermittelten Datenpunkte (11) eine Höhe und/oder Tiefe der Schweißnaht (3) gegenüber einer Werkstückoberfläche (10) des zumindest einen Werkstücks (9) angeben, und - eine Auswerteinheit (43) zum Bestimmen der zumindest einen geometrischen Ergebnisgröße und/oder des zumindest einen Qualitätsmerkmals durch Auswerten der zuvor ermittelten Datenpunkten (11).