-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Fehlerdetektion bei Laserbearbeitungsprozessen, wobei
Prozesseigenschaften während des Prozesses mittels einer
Kamera erfasst werden.
-
Stand der Technik
-
Bei Laserbearbeitungsprozessen, wie beim Laserschweißen,
-bohren oder Laserschneiden, wird mittels eines fokussierten
Laserstrahls Energie in das Werkstück eingebracht, dieses
lokal aufgeschmolzen sowie teilweise auch verdampft. Sowohl
während des Prozesses als auch danach kühlt der
aufgeschmolzene Werkstoff ab, sobald er der Energiezufuhr
entzogen wird.
-
Vor allem beim Lasertiefschweißen und bei Punktschweißungen
handelt es sich um hochdynamische Prozesse. Damit verbunden
sind eine Vielzahl von Prozessinstabilitäten, die Fehler am
Bauteil nach sich ziehen können. Derartige Fehler können
sein:
Poren, Lunker und Löcher in der Schweißnaht: Für das
Produkt ergeben sich daraus Qualitätsnachteile, wie z. B.
eine geringere Festigkeit der Schweißnaht aufgrund des
fehlenden Materials oder Undichtigkeit aufgrund eines
Loches in der Schweißnaht.
Spritzer: Diese können eine Verunreinigung der Umgebung
darstellen, die Dichtflächen unbrauchbar macht oder zu
elektrischen Kurzschlüssen führt. Falls sich anhaftende
Spritzer im eingebauten Zustand vom Bauteil lösen, sind
Folgeschäden an anderer Stelle möglich. Zudem korrelieren
Spritzer häufig mit Materialverlust und damit mit Poren
oder Löchern.
Abbrand: Dies sind Schmauchspuren um die Schweißung herum,
die ein Hinweis auf eine ungenügende Aufschmelzung der
Fügepartner oder einen unzureichenden Anbindequerschnitt
geben.
-
Es besteht ein Bedürfnis, derartige Fehler zuverlässig und
nach Möglichkeit automatisch zu detektieren.
-
Eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim
Laserstrahlschweißen ist aus der DE 197 16 293 A1 bekannt.
Hier wird als Prozesseigenschaft die Geometrie des beim
Schweißprozess gebildeten Schmelzbades mittels einer Kamera
detektiert, wobei die Kamera an eine bilddatenverarbeitende
Einheit angeschlossen ist, um die erfassten Daten
auszuwerten. Länge, Fläche und weitere Geometrieparameter
des beim Aufschmelzen des Werkstücks entstehenden
Schmelzbades werden bestimmt und hieraus verschiedene
Schweißparameter über abgespeicherte Referenzfunktionen
berechnet. Zu diesen Schweißparametern gehören die
Einschweißtiefe, die Fokuslage, das Entstehen von Spritzern
sowie die Nahtlage oder der Spaltversatz. Zur Bestimmung
und Regelung der genannten Schweißparameter ist eine exakte
Analyse des Schweißbades notwendig, was einen hohen
Rechenaufwand erforderlich macht. In der Praxis besitzen
die Schweißbäder nur selten eine derart klar umrissene
Kontur, dass hieraus die genannten Schweißparameter mit
hoher Genauigkeit bestimmbar wären.
-
Ein weiterer Nachteil beim Vorgehen gemäss der genannten
DE 197 16 293 A1 ist die Notwendigkeit eines Modells, das
zuvor durch Referenzmessungen abgesichert und abgespeichert
werden muss. Alle genannten Schweißparameter werden über
den Umweg dieses Modells berechnet, so dass Fehler beim
aufgestellten Modell zu einer falschen Bestimmung der
Schweißparameter führen, ohne dass eine unmittelbare
Korrektur möglich wäre. Schließlich gestatten die in der
Praxis auftretenden Konturen der Schweißbäder keine exakte
Regelung von Nahtlage oder Spaltversatz der zu schweißenden
Bauteile.
-
Die mit der oben behandelten Vorrichtung mögliche Detektion
von Spritzern bei Laserbearbeitungsprozessen ist jedoch
noch nicht ausreichend, um alle Fehler zuverlässig unter
Fertigungsbedingungen zu erkennen. Alle, die Qualität des
bearbeiteten Bauteils beeinträchtigenden Fehler,
insbesondere die eingangs genannten, müssen mit großer
Zuverlässigkeit während oder unmittelbar nach dem
Laserbearbeitungsprozess erkannt werden, so dass
fehlerhafte Bauteile ausgegliedert werden können.
-
Vorteile der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird mittels derselben Kamera, die während
des Laserbearbeitungsprozesses Prozesseigenschaften
erfasst, die Wärmestrahlung wenigstens eines Teils des
Werkstücks während und/oder nach dem
Laserbearbeitungsprozeß thermographisch erfasst, und anhand
der erfaßten Bilder werden auftretende Fehler detektiert.
-
Es hat sich gezeigt, dass mittels dieser Form der
thermographischen Erfassung auf Fehler beim
Laserbearbeitungsprozess geschlossen werden kann.
-
Insbesondere erlaubt die thermographische Erfassung des
Abkühlverhaltens nach dem Laserschweißprozess Rückschlüsse
auf Fehler in der Schweißnaht, wie etwa Poren, Löcher und
Anbindefehler.
-
Nach dem Schweißprozess kühlt das Bauteil über verschiedene
Mechanismen ab. Die drei wesentlichen sind Wärmeleitung
innerhalb des Werkstücks, Wärmestrahlung und Konvektion
über Luftströmungen. Die Wärmestrahlung lässt sich mittels
auf dem Markt erhältlicher Thermokameras räumlich und
zeitlich aufgelöst beobachten. Die Auflösung im
Temperaturbereich liegt zwar im Bereich einiger mK, jedoch
ist die zeitliche Auflösung bei der Bildaufnahme in der
Regel zu gering, um eine Auswertung hinsichtlich
auftretender Fehler zu gestatten. Thermokamerasysteme mit
hohen Bildaufnahmeraten sind teuer. Als weiterer Nachteil
erweist sich, dass es mit Standard-Thermokamerasystemen
nicht möglich ist, den Laserschweißprozess selbst zu
überwachen.
-
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird deshalb vorzugsweise
eine CMOS-Kamera sowohl zur Prozessüberwachung als auch zur
thermographischen Erfassung eines Werkstücks während
und/oder nach einem Laserbearbeitungsprozess verwendet.
-
Der Sensor einer solchen CMOS-Kamera ist aus Silizium und
damit im Wellenlängenbereich von 0,3 bis 1,1 µm sensitiv.
Damit ist es möglich, mit diesem Sensor Temperaturen von
geschmolzenem und erstarrendem Metall relativ zu messen. Im
vorliegenden Anwendungsfall ist die Temperaturauflösung der
CMOS-Kamera zur Fehlerdetektion ausreichend. Vorteilhaft
ist insbesondere die höhere Aufnahme- und
Verarbeitungsgeschwindigkeit sowie die höhere
Helligkeitsdynamik, so dass sich die CMOS-Kamera auch zur
Prozessüberwachung eignet.
-
Die (logarithmische) CMOS-Kamera kann, je nach Modell, ein
Vielfaches mehr als die in der EU oder USA gewöhnlichen 25
bzw. 30 Vollbilder pro Sekunde aufnehmen. Als CMOS-Kamera
ermöglicht sie den wahlfreien Zugriff auf Unterbereiche des
Flächensensors. Dadurch werden entsprechend der kleineren
Bildpunkteanzahl weniger Daten ausgelesen. Bei einer
gleichbleibenden Datenübertragungsgeschwindigkeit bedeutet
dies, dass infolgedessen mehr solcher Teilbilder übertragen
werden können. So sind Bildraten von bis zu 8000
Teilbildern pro Sekunde realisierbar. Zusätzlich wird die
Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöht, indem nur der
Bereich ausgelesen wird, der auch Informationen enthält, so
dass die Bildverarbeitung nicht mehr diesen sogenannten
"area of interest" selbst finden muß.
-
Die CMOS-Kamera mit logarithmischer Empfindlichkeit besitzt
zudem eine höhere Helligkeitsdynamik als gewöhnliche
Kameras. Signale hoher Leuchtdichte werden stärker gedämpft
als weniger helle. Somit werden Überstrahlungseffekte, wie
sie beispielsweise bei CCD-Kameras auftreten, vermieden.
Innerhalb der beispielsweise 1024 möglichen
Helligkeitsstufen kann eine wesentlich größere
Helligkeitsdynamik erzielt werden. Signale geringerer
Leuchtdichte werden stärker differenziert erfasst.
-
Die CMOS-Kamera erlaubt somit den idealen Einsatz zur
Online-Prozeßüberwachung als auch zur Fehlerdetektion
mittels thermographischer Erfassung während und/oder nach
dem eigentlichen Bearbeitungsprozess.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Kamera
Wärmestrahlung im nahen Infrarot, vorzugsweise im Bereich
von 725 bis 1050 und/oder 850 bis 1100 nm erfasst. Die
genannten Bereiche lassen sich beispielsweise durch
Vorschalten geeigneter Filter auswählen.
-
Insbesondere das Abkühlverhalten der Werkstücke im
bearbeiteten Bereich erlaubt einen guten Rückschluss auf
mögliche Fehler während des Bearbeitungsprozesses,
insbesondere beim Laserschweißen. Unterschiedlich schnell
abkühlende Bereiche oder Bereiche zu geringen oder ganz
fehlenden Wärmetransports können Hinweise auf Fehler geben.
-
Zur vollautomatischen Fehlerdetektion werden vorzugsweise
die erfaßten Bilder mittels Bildverarbeitung ausgewertet.
Figuren
-
Im folgenden soll anhand von Ausführungsbeispielen die
Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren
näher erläutert werden.
-
Fig. 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung zur Online-
Prozessüberwachung von Laserschweißprozessen und zur
thermographischen Fehlererfassung in schematischer
Darstellung.
-
Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung der
Kontaktschweißung.
-
Fig. 3 zeigt Werkstückaufnahmen nach Bildbearbeitung mit
fehlerfreier (Fig. 3A) und fehlerhafter (Fig. 3B)
Schweißung.
Vorteilhafte Ausführungsformen
-
Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung 1 wird zur Online-
Prozeßüberwachung beim Laserschweißen eingesetzt und weist
einen Bearbeitungskopf 2 sowie eine Kamera 4,
vorteilhafterweise eine logarithmische CMOS-Kamera, auf.
Das zu bearbeitende Werkstück ist mit 3 gekennzeichnet. In
Fig. 1 sind die optischen Strahlengänge mit eingezeichnet.
-
Der Laserstrahl gelangt über einen Lichtwellenleiter LWL in
den Zuführzweig 2.2, in dem sich eine Kollimationslinse
2.21 befindet, und wird über einen an dessen Ende
angeordneten Strahlteiler 2.4 in den Bearbeitungszweig 2.1
des Bearbeitungskopfs 2 geführt. Der Bearbeitungszweig 2.1
weist eine Fokussierlinse 2.11 und ein Schutzglas 2.12 auf.
Die Fokussierlinse 2.11 fokussiert den Laserstrahl auf das
Werkstück 3, wo beispielsweise zwei Bauteile miteinander
verschweißt werden.
-
Zur Beobachtung des Laserbearbeitungsprozesses werden der
Beobachtungszweig 2.3 sowie die Kamera 4 verwendet, die
ihrerseits über eine Anschlussleitung 6, beispielsweise
einen Duplex-Lichtwellenleiter, mit einer
Bildverarbeitungseinrichtung 5 in Form eines
Bildverarbeitungs-PCs verbunden ist.
-
Vom Werkstück 3 ausgehende Strahlung, die beispielsweise
während des Schweißprozesses entsteht, gelangt über den
Bearbeitungszweig 2.1 und den Strahlteiler 2.4 in den
Beobachtungszweig 2.3, in dem ein Filter 2.31 und eine
Linse 2.32 angeordnet sind, und von dort auf den Bildsensor
4.1 der Kamera 4. Die elektronischen Bildsignale des
Bildsensors 4.1 werden über die Anschlussleitung 6 der
Bildverarbeitungseinrichtung 5 zur Weiterverarbeitung
zugeführt.
-
Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel beobachtet
die (logarithmische CMOS-)Kamera 4 einen Laserschweißprozeß
auf der Achse des Laserstrahls, wobei der hierzu vorhandene
Strahlteiler 2.4 die Wellenlänge des Laserstrahls
reflektiert, hingegen für andere Wellenlängen durchlässig
ist. Auf diese Weise kann z. B. das vom Prozeß ausgestrahlte
Licht durch den Strahlteiler 2.4 hindurch auf den
Bildsensor 4.1 fallen.
-
Durch das Zusammenwirken der Kennlinien des Filters 2.31
sowie des Bildsensors 4.1 können beispielsweise
Schweißspritzer, die zu Schweißfehlern führen können,
detektiert werden. Derartige Schweißspritzer weisen in
einem bestimmten Wellenlängenbereich hohe Strahldichtewerte
auf. Die eingesetzte CMOS-Kamera ermöglicht auch eine hohe
zeitliche Auflösung des Schweißvorgangs, was insbesondere
bei Kurzzeitereignissen wie Schweißspritzern von Vorteil
ist. Derartige Spritzer und andere Instabilitäten treten
auch beim Laserbohren auf. Die dargestellte Vorrichtung 1
erlaubt eine Online-Prozeßüberwachung mit hoher Dynamik
hinsichtlich der Strahldichte und Aufnahmegeschwindigkeit.
-
Erfindungsgemäß wird nunmehr mit der Kamera 4 die
Wärmestrahlung des Werkstücks 3 (oder zumindest eines
Abschnittes dieses Werkstücks 3) thermographisch erfasst.
-
Dies kann während des Laserbearbeitungsprozesses oder
danach erfolgen. Insbesondere kann das Abkühlverhalten
eines Werkstücks nach der Laserbearbeitung verfolgt werden.
Wesentlich für die erfindungsgemäße thermographische
Erfassung durch den Bildsensor 4.1 ist, dass der Filter
2.31 für das interessierende Spektrum der Wärmestrahlung
durchlässig ist, und dass der Bildsensor 4.1 in diesem
Bereich sensitiv ist. Mittels der nachgeschalteten
Bildverarbeitungsanlage 5 können die aufgenommenen
thermographischen Bilder auf Fehler beim
Laserbearbeitungsprozeß hin ausgewertet werden.
-
Fig. 2 zeigt eine systematische Prinzipdarstellung der
Kontaktschweißung mittels einer Vorrichtung zum
Laserschweißen, wie sie beispielsweise in Fig. 1
dargestellt wurde. Ein Flachstecker 8 und ein Pin 9 sollen
zur Herstellung eines elektrischen Kontaktes miteinander
verschweißt werden (Fig. 2A). Durch die
Laserpunktschweißung wird der Pin aufgeschmolzen, wobei die
Schmelze einen Teil des Flachsteckers 8 bedeckt, sodass
nach Abkühlung die Schmelze 10 eine Stecker-Pin-Verbindung
herstellt (Fig. 2 B).
-
Im folgenden sei anhand der Fig. 3 der Einsatz der
Thermographie für die Fehlerdetektion beispielhaft
erläutert. Es handelt sich bei diesem Beispiel um eine
Punktschweißung mit einer Pulsdauer von 20 Millisekunden an
der Stecker-Pin-Verbindung der Common Rail (CR)
Magnetspule. Die Beobachtung des Schweißprozesses selbst
erfolgt mit derselben Kamera 4, ist jedoch hier nicht
Gegenstand weiterer Ausführungen. Statt dessen ist hier nur
der sich anschließende Abkühlvorgang beschrieben. Sowohl
das Schweißverfahren als auch der Abkühlvorgang geschehen
sehr schnell, so dass das Bildverarbeitungssystem den
Prozeß und die Abkühlung ebenfalls sehr schnell, in diesem
Beispiel mit mehr als 1000 Bildern pro Sekunde, erfassen
muß.
-
Fig. 2B zeigt die Prinzipdarstellung einer visuellen
Aufnahme einer schon geschweißten und abgekühlten Stecker-
Pin-Verbindung. Der Pin 9 ist fast vollständig
abgeschmolzen und nimmt die Mitte des Bildes ein. Die Fahne
des Steckers 8 ist im Hintergrund oben mit der
trapezförmigen Kontur zu erkennen. Der Schweißvorgang war
folglich fehlerfrei.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Aufnahme von
Wärmebildern während des Abkühlvorgangs nach dem
Laserschweißen. Die Wärmebilder sind Einzelbilder aus der
Abkühlsequenz. Zur Auswertung kann beispielsweise eine
Bildsequenz aus etwa 20 Bildern herangezogen werden
(Messung des schrittweisen Abkühlverhaltens). Die
erhaltenen Wärmebilder werden vorteilhafterweise einer
Bildverarbeitung unterzogen, deren Ergebnisse die Fig.
3A und 3B zeigen.
-
In Fig. 3B ist ein Abkühlvorgang dargestellt, wie er für
eine gute Schweißverbindung typisch ist. Durch die gute
Anbindung existiert eine gute Wärmeleitung von Pin 9 zur
Fahne des Steckers 8. Da im Schweißprozess hauptsächlich
der Pin 9 die Laserenergie absorbiert, wandert nach dem
Prozeß die Wärme vom Pin in die Fahne. In der
thermographischen Aufnahme ist dies durch das Leuchten des
Fahnenendes im oberen Bildteil zu erkennen. Des weiteren
ist anhand der Grauwertunterschiede im Wärmebild sehr gut
die Form des Schweißpunktes zu erkennen und kann über eine
Messung als Kenngröße (gestrichelter Abschnitt in Fig.
3A) zur Beurteilung der Qualität herangezogen werden. Als
weitere Kenngröße kann der zeitliche Verlauf der Abkühlung
in jedem Pixel herangezogen werden.
-
Beispielsweise kann ein Abbrand detektiert werden. Ein
heller vom Schweißpunkt wegführende Strahl wird durch heiße
Gase verursacht, die zwischen Pin und Fahne entweichen.
Durch den Dampfdruck wird die darüber liegende Schmelze
weggedrückt, wie eine Einbuchtung des birnenförmigen,
hellen Schweißpunktes (vgl. Fig. 3B) verdeutlicht. Eine
schmale, obere Ausbuchtung des Schweißpunktes zeigt, dass
die Anbindung von Pin zu Fahne nur ungenügend ist. Es
findet kein Wärmetransport von Pin in die Fahne statt. Im
zeitlichen Verlauf bleibt der Pin länger warm bzw. hell und
die Fahne kalt bzw. dunkel.
-
In Fig. 3B ist schließlich gar keine Anbindung vorhanden.
Der Pin ist kugelförmig abgeschmolzen und reflektiert sich
an der dahinterliegenden Fahne. Aufgrund der fehlenden
Anbindung findet kein Wärmetransport statt. Im zeitlichen
Verlauf bleibt der Pin länger warm bzw. hell und die Fahne
kalt bzw. dunkel.
-
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können mit dem in Fig.
1 dargestellten System zusätzlich zur Detektion von
Spritzern oder anderen Prozesseigenschaften beim
Laserschweißen jetzt auch Poren, Abbrände und andere
Anbindefehler erkannt werden.