DE10255497B4

DE10255497B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen

Info

Publication number: DE10255497B4
Application number: DE2002155497
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Eßer; Michael Dr.-Ing. Schmidt
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: DE10255497A1

Abstract

Verfahren zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle (6) mit einem Laser-Messstrahl (2) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl (2),
– Erfassung der in der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Reflexion (R) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes (U_ON),
– Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Streuung (S) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes (U_OFF),
– Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle (6) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U_ON) und dem Streuwert (U_OFF), und – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle (6) auf einen oder mehrere Parameterwerte (P_H, τ_H) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien.
Zum Hintergrund der Erfindung ist auf die zunehmende Miniaturisierung der Fügezone beispielsweise bei der Verschweißung von elektronischen Bauelementen auf Leiterbahnen zu verweisen. Viele in der Elektronikproduktion eingesetzte Materialien sind für die Laserbearbeitung nur wenig geeignet, da aufgrund der Geometrie der Fügezonen, wegen der verwendeten Materialpaarungen etc. Fügesituationen entstehen, bei denen das sogenannte Prozessfenster sehr klein ist. Ein Beispiel hierfür bildet die Cu-Leadframe-Montage, bei der ein Laserstrahl-Mikroschweißen als Verbindungsprozess zwar grundsätzlich in Frage kommt. Eine Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung konnte dabei jedoch bisher nur über Inline-Überwachung oder Einstellung prozessrelevanter Einflussgrößen und die Applikation einer komplexen Leistungsregelung erfolgen.

Aus der DE 195 22 493 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung einer gewünschten Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahls in ein Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei dem die Bearbeitungsstelle mit einem Messlaserstrahl beaufschlagt wird. Mittels eines Sensors wird zudem eine in der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls an der Schweißstelle erfasst und ein dafür repräsentativer Reflexionswert bestimmt. Ferner wird mittels eines Sensors eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls detektiert.

Die JP 06-099 292 A bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung, bei der eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Streustrahlung erfasst wird. Jedoch wird diese Messgröße dazu verwendet, um einen Schmelzbeginn an der Bearbeitungsstelle zu detektieren.

Ein Lösungsansatz zur eingangs erörterten Problematik ist in dem Fachartikel Hoving, W.: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. In: Geiger, M.; Otto, A. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik (Tagungsband: LEF'99), Bamberg: Meisenbach, 1999. 19 – 21 angegeben. Die dort vorgestellte Methode hat sich jedoch nicht als ausreichend prozesssicher erwiesen. Speziell beim Fügen von Kupfermaterialien ändert sich das Absorptionsverhalten bei der Erwärmung durch die Ausbildung von Oxidschichten auf der Kupfer-Oberfläche stark. Dies bedingt einen extrem von der Oberfläche abhängigen und damit schlecht reproduzierba ren Energieeintrag pro Laserpuls, was zu signifikanten Prozessschwankungen führt. Damit kann die bei industriellen Fertigungsprozessen geforderte Zuverlässigkeit nicht erreicht werden.

Aus den Fachartikeln von Lim, D. C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 41 – 49 und Lim, D. C; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 2: quality estimation using an artifical neural network. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 51 – 57 ist es bekannt, für die Prozessüberwachung einen außerhalb der Strahlachse angebrachten Infrarot-Sensor zu verwenden. Dieser detektiert das Temperaturprofil beim Punktschweißen von Elektronenröhren für Fernsehgeräte, was Rückschlüsse auf die räumliche Ausprägung der Schmelzbadgeometrie und der Wärmeeinflusszone im Schweißpunkt erlaubt. Um die Vielzahl der Abhängigkeiten zwischen Signal und interessierenden Kenngrößen der Punktschweißung zu modellieren, wird ein künstliches neuronales Netzwerk trainiert, das bis zu 95 % Korrelation erreicht. Die in diesem Stand der Technik untersuchte Fügesituation schafft hinsichtlich der Materialauswahl Edelstahl und der Fügegeometrie allerdings nahezu ideale Bedingungen für eine Punktschweißung, sodass nur eine geringe Schwankungsbreite der Sensorsignale zu verzeichnen ist. Zudem wird hier eine Aussage über die Schweißqualität erst nach erfolgter Schweißung getroffen. Eine Regelung des Schweißprozesses selbst ist nicht vorgesehen.

Aus dem Fachartikel Tönshoff, H.K; Schumacher, J.: Genau auf den Punkt gebracht – Prozeßkontrolle beim Nd: YAG-Laserstrahlschweißen unter Windows. In: F & M 104 (1996) 9, München: Carl Hanser, 1996. 605 – 608 ist es für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von dünnen Edelstahlfolien mit Hilfe einer Punktenaht bekannt, dass helle, spektral breitbandig emittierte Prozessleuchten zu detektieren, das auch als Sekundärleuchten bezeichnet wird. Diese Sekundärleuchten wird On-axis – also in der Laser-Strahlachse – über die Laserfaser zum Detektor übertragen, der innerhalb des Lasergehäuses angebracht ist. Eine Wandlung dieses Leuchtens in ein Signal ermöglicht somit die Überwachung des gesamten Schweißprozesses und kann für Rückschlüsse auf die erzielte Schweißquelle genutzt werden. Für die gleiche Spiegelgeometrie ist es aus dem Fachartikel von Bagger, C.: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP. 91-02/PI. 91.1-A, Procestteknisk Institut, Danmarks Tekniske Hojskole, 1991 bekannt, die On-axis-reflektierte Laserstrahlleistung zu detektieren, die zur Abschätzung der Ausbildung der sogenannten Dampfkapillare verwendet wird. Eine lineare Korrelation dieses Signals mit der durch metallografische Probenanalysen bestimmten Einschweißtiefe ist hier die Basis für eine Regelung, die darüber hinaus auch aus dem Beitrag Beyer, E.: Systeme zur Prozeßüberwachung und Regelung in der Laserfertigungstechnik. In: Fhg ILT (Hrsg.): Tagungsband des Aachener Kolloquium für Lasertechnik '95.2 – 25 bekannt ist. Auch hier wird nicht innerhalb eines Schweißpulses geregelt, es erfolgt vielmehr eine Anpassung der Laserparameter von einem Schweißpunkt zum nächsten.

Ein erster Ansatz zu einer Echtzeit-Impulsenergiebegrenzung bzw. Leistungsregelung wird in dem Fachartikel Kußmaul, K; Schäfer, M.: Energiedosierung – eine neue Perspektive für den Einsatz des Lasers in der Mikro verbindungstechnik. In: VTE 2/94. 81- 87 dargestellt. Hier wird die in der Laser-Strahlachse reflektierte Leistung im Zeit- und Frequenzbereich untersucht, um nach Einschalten des Laserpulses zum Zeitpunkt t₀ den Zeitpunkt t_M des ersten Aufschmelzens der Oberfläche zu detektieren. Die Zeitspanne von t_M bis zum Pulsende wird dann konstant gehalten, während t_M – t₀ variabel bleibt. Damit werden die Schwankungen der Leistungsabsorption durch die oberflächliche Oxidschicht aufgefangen.

Gerade beim Schweißen von Kupfer in der Elektronikproduktion führen schon leichte Veränderungen der Oberfläche, wie geringfügige Oxidation oder Rauigkeitsunterschiede dazu, dass diese Stellen mit für ungestörte Oberflächen festgelegten Prozessparametern nicht mehr fehlerfrei geschweißt werden können, d. h. die Prozessfenster für das Verschweißen auf solchen unterschiedlichen Oberflächen überlappen sich nicht.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen anzugeben, mit dem auch kritische Oberflächen- und damit Prozessfenster-Bedingungen besser beherrschbar werden.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:

– Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle mit einem Laser-Messstrahl gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl,
– Erfassung der in der Laser-Strahlachse auftretenden Reflexion des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes,
– Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse auftretenden Streuung des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes,
– Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und dem Streuwert, und
– Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle auf einen oder mehrere Parameterwerte in Abhängigkeit des Kennwertes gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf das oberflächenabhängige Reflektions- und Streuverhalten der Fügezone auf, das mit Hilfe eines Messstrahles zu einem repräsentativen Reflektionswert und einem repräsentativen Streuwert führt. Bei diesen beiden Werten kann es sich beispielsweise um das Messsignal entsprechender Fotodetektoren handeln. Wie Versuche im Rahmen der Entwicklung der Erfindung gezeigt haben, können Reflektions- und Streuwert zu einen Kennwert verknüpft werden, der für die Oberflächenbeschaffenheit der erfassten Punktschweißstelle signifikant ist. Aufgrund dieses Kennwertes können ein oder mehrere Laser-Energieparameter für die an der untersuchten Stelle erfolgende Punktschweißung, also die Pulsleistung und/oder Pulsdauer und/oder Pulsform gemäß einer vorbestimmten Zuordnung geregelt werden. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch die Bestimmung der verschiedenen Prozessfenster für bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten ermittelt worden. Näheres hierzu ergibt sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.

Dieses Verfahren wird vor oder zu Beginn jedes Punktschweißvorganges – also von Punkt zu Punkt – durchgeführt, ist also eine Echtzeit- Laserparameterregelung durch eine Vermessung des lokalen Oberflächenzustandes in der jeweiligen Fügezone. Damit ist für jeden Schweißpunkt eine hohe Zuverlässigkeit für eine ordnungsgemäße Schweißverbindung gegeben.

Gemäß bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet werden. Als Alternative dazu kann der eigentliche Schweißstrahl am Pulsanfang als Messstrahl verwendet und während seiner verbleibenden Pulsdauer auf den signifikanten Parameterwert geregelt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise bei Verwendung einer festen Pulsleistung die Pulsdauer entsprechend eingestellt wird.

Durch die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Verwendung mindestens zweier Off-axis-Photodioden zur Erfassung der seitlichen Streuung werden Fehlmessungen, wie sie beispielsweise durch eine Verkippung der Werkstückoberfläche relativ zum Laserstrahl auftreten könnten, vermieden. Für den Streuwert wird dabei ein aus den Signalen der mindestens zwei Off-axis-Detektoren gemittelter Wert angesetzt.

In rechentechnischer Hinsicht hat es sich als besonders einfach herausgestellt, zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und Streuwert einen Quotienten zu bilden. Dies ist die am einfachsten zu realisierende aussagefähige Rechenoperation zwischen den zwei Größen.

Die weiterhin beanspruchte Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers wird neben einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der folgenden Beschreibung anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Insoweit erübrigen sich nähere Ausführungen an dieser Stelle. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Laserstrahl-Punktschweißeinrichtung mit einer Regelungsvorrichtung für die Laser-Energieparameter,
2 ein Prozessfenster-Diagramm von Pulsleistung in Abhängigkeit von Pulsdauer bei einem Punktschweißvorgang,
3 ein Korrelationsdiagramm zwischen Reflektions- und Streuwert, und
4 ein Korrelationsdiagramm der Pulsleistung in Abhängigkeit des Kennwertes aus Reflektions- und Streuwert.
Die 1 zeigt einen gepulsten Laser 1, dessen Laserstrahl 2 über eine Lichtleitfaser 3 zu dem eigentlichen Bearbeitungskopf herangeführt wird. Der Laserstrahl 2 wird über eine dichroitischen Spiegel 4 und eine Strahlformungslinse 5 auf die Fügezone 6 einer Punktverschweißung zwischen einer dünnen Kupferschicht 7 auf einem Substrat 8 und dem Anschlussbeinchen 9 eines nicht näher dargestellten elektronischen Bauelements gerichtet. In Verlängerung der Lichtleitfaser 3 überwacht koaxial zur Laserstrahlachse A jenseits des dichroitischen Spiegels 4 eine erste Fotodiode 10 – die Laser-Monitor-Diode – die vom Laser emittierte Leistung, um diese für die im Folgenden erläuterten Regelungszwecke als Sollgröße zur Verfügung zu haben.
Oberhalb des dichroitischen Spiegels 4 ist ebenfalls koaxial zur Laserstrahlachse A eine Fotodiode 11, im Folgenden „On-axis-Diode" genannt, angeordnet, die die in der Laserstrahlachse A auftretende Reflektion R des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfasst.
Ferner sind in einem Winkel W von beispielsweise 60° zur die Werkstückebene darstellenden Horizontalen zwei weitere Fotodioden 12, 13 – die Off-axis-Dioden – radial gegenüberliegend bezogen auf die Laserstrahlachse A angeordnet, die die außerhalb der Strahlachse A auftretende Streuung S des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfassen.
Schließlich ist eine Signalauswerte- und Regeleinrichtung 14 vorgesehen, die mit dem Laser 1, der Laser-Monitor-Photodiode 10, der On-axis-Photodiode 11 und den beiden Off-axis-Photodioden 12, 13 in mess- und regeltechnischer Weise gekoppelt ist. In dieser Regeleinrichtung 14 werden die im Folgenden näher erläuterten Bestimmungen und Berechnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen und der Laser 1 entsprechend in seiner Pulsdauer τ_H und/oder Pulsleistung P_H und/oder Pulsform gesteuert.
Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird anhand von 2 das Prozessfenster-Diagramm eines Punktschweißvorgangs bei einer Kupfer-Oberfläche erläutert. In dem Diagramm ist die Pulsleistung P_H gegenüber der Pulsdauer τ_H aufgetragen und dabei die Leistungsgrenze des Lasers strichliert mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet. Explizit schafft der von dem Diagramm repräsentierte Laser also eine Leistung von 4 kW bis zu einer Pulsdauer von knapp 6 ms. Anschließend sinkt bei steigender Pulsdauer die maximale Laserleistung auf 2,5 kW bei 10 ms.
Für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche gilt das von der Laser-Leistungsgrenze 15 und der mit durchgezogener Linie gezeigten Unter grenze 16 markierte Prozessfenster ➀. Eine geschliffene Oberfläche ist relativ gut reflektierend, sodass zur Erzeugung einer zuverlässigen Schweißverbindung eine relativ hohe Laserenergie, also eine hohe Leistung bei geringer Pulsdauer oder eine hohe Pulsdauer bei geringerer Laserleistung eingebracht werden muss. Zuverlässige Verbindungen werden bei Laserparametern erreicht, die in der Mitte des Prozessfensters liegen, beispielsweise bei einer Pulsdauer von 5 ms und einer Leistung von 3,5 kW oder einer Pulsdauer von 8 ms und einer Pulsleistung von 2,5 kW. Bei gleicher Pulsdauer würde eine Laserleistung von 2 kW unterhalb des Prozessfensters ➀ liegen und damit zu keiner Verbindung führen.
Die beiden strichpunktierten Linien 17 geben die Obergrenzen der Prozessfenster ➁ und ➂ für eine oxidierte bzw. geschliffene, oxidierte Kupfer-Oberfläche an. Die Untergrenzen 18 sind punktiert angedeutet. Gut erkennbar liegen diese Prozessfenster ➁ und ➂ deutlich unterhalb des Prozessfensters ➀ für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche. Dies ist dadurch bedingt, dass durch die oberflächliche Oxidation das Reflektionsvermögen herabgesetzt ist und damit ein höherer Energieeintrag in die Fügezone stattfindet. Insoweit wird die Laserenergie besser umgesetzt, womit entsprechend eine geringere Leistung und/oder Pulsdauer verwendet werden kann. Gute Schweißverbindungen werden bei einer oxidierten Oberfläche beispielsweise mit einer Laserleistung von 3 kW bei einer Pulsdauer von 4 ms, einer Leistung von 2 kW und einer Pulsdauer von 7 ms usw. erzielt.
Um nun die Beschaffenheit der Oberfläche an der jeweiligen Punktschweißstelle, also in der jeweiligen Fügezone 6, zu erfassen, werden die Reflektion R und die Streuung S mit Hilfe der Dioden 11, 12, 13 nach Aufbringen eines pulsartigen Messstrahles auf die Fügezone erfasst. Der Messstrahl kann dabei ein niedrigenergetischer, vom Laser 1 ausgesandter Strahl bzw. der eigentliche Schweißstrahl in seiner Startphase sein. Als Zeitfenster kann beispielsweise eine Messdauer von 100 bis 300 μs am Anfang des bis zu 10 ms dauernden Schweißpulses verwendet werden.
In 3 ist nun für verschiedene Oberflächenzustände die maximale Diodenspannung der Fotodiode 11 – das grauunterlegte On-axis-Signal U_ON im Diagramm – als repräsentativer Reflektionswert, die gemittelte maximale Diodenspannung der beiden Dioden 12, 13 – das kreuzschraffiert unterlegte Off-axis-Signal U_OFF – als repräsentativer Streuwert aufgetragen. So ergibt sich bei einer spiegelnden, blanken Oberfläche (linke Balkengruppe in 3) ein hoher Reflektionswert U_ON von über 8 V Diodenspannung, wogegen der Streuwert U_OFF mit 2 V gemittelter maximaler Diodenspannung demgegenüber gering ist. Bei blank oxidierter Oberfläche (zweite Balkengruppe von links) kehren sich die Verhältnisse um, indem das On-axis-Signal U_ON niedrig ist (geringere Reflektion) und das Off-axis-Signal U_OFF sich vervielfacht hat (Streuung durch raue oxidierte Oberfläche). Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei einer geschliffenen, oxidierten Oberfläche (rechte Balkengruppe in 3) bzw. etwas abgeschwächt bei einer geschliffenen Oberfläche (zweite Balkengruppe von rechts in 3).
Aus dem On-axis- U_ON und Off-axis-Signal U_OFF wird beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren nun ein signifikanter Kennwert in Form des Quotienten Q = U_ON/U_OFF dieser beiden Werte gebildet, der in 3 als weißpunktiert unterlegter Balken dargestellt ist. Wie sich ohne weiteres aus einem Vergleich der Signalquotienten Q bei den unterschiedlichen Oberflächenzuständen ergibt, sind diese Quotienten signifikant für den jeweiligen Oberflächenzustand. Insofern kann der so in Echtzeit ermittelte Signalquotient Q als Kennwert für die Regelung der Pulsleistung, Pulsdauer oder Pulsform des für die Punktverschweißung an dieser Stelle verwende ten Laserpulses herangezogen werden. Der entsprechende Parameter wird dabei beispielsweise aus der in 4 gezeigten mathematischen Näherungsfunktion ermittelt, die die zu verwendende Pulsleistung P_H bei sich ändernden Signalquotienten Q zeigt. Die beiden Linien 19 und 20 stellen dabei die untere und obere Prozessfenstergrenze und die Linie 21 die optimale Leistung in Abhängigkeit des Signalquotienten dar. Oben ist im Diagramm gemäß 4 wieder die Leistungsgrenze 15 des Lasers strichliert eingetragen.
Statt der in 1 gezeigten, getrennten Fotodioden 11, 12, 13 für die On-axis-Erfassung der Reflektion und die Off-axis-Erfassung der Streuung des Laserstrahles kann anstelle der On-axis-Photodiode 11 ein Mehrquadranten-Fotodetektor angebracht werden. Dieser weist zentral eine On-axis-Photodiode und außerhalb der Strahlachse A radial beabstandete Dioden auf, die dann als Off-axis-Detektoren arbeiten.

Claims

Verfahren zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle (6) mit einem Laser-Messstrahl (2) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl (2), – Erfassung der in der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Reflexion (R) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes (U_ON), – Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Streuung (S) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes (U_OFF), – Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle (6) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U_ON) und dem Streuwert (U_OFF), und – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle (6) auf einen oder mehrere Parameterwerte (P_H, τ_H) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Messstrahl der eigentliche Schweißstrahl (2) am Pulsanfang verwendet und der Schweißstrahl (2) während seiner verbleibenden Pulsdauer (τH) auf den signifikanten Parameterwert geregelt wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung der seitlichen Streuung (S) mindestens zwei Off-axis-Photodioden (12, 13) verwendet werden, deren Messsignale zur Bestimmung des Streuwertes (U_OFF) gemittelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Reflexion (R) und seitlicher Streuung (S) eine auf der Laser-Strahlachse angeordnete Mehrquadranten-Photodiode verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes ein Quotient (Q) aus Reflexionswert (U_ON) und Streuwert (U_OFF) gebildet wird.
Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers (1) beim Laserstrahl -Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien umfassend – eine gepulste Laserstrahlquelle (1) zur Erzeugung eines Laser-Messstrahls (2) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl (2), – einen koaxial zur Laser-Strahlachse (A) angeordneten, die in der Laser-Strahlachse (A) auftretende Reflexion (R) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) erfassenden Reflexions-Photodetektor (11), – mindestens einen außerhalb der Laser-Strahlachse (A) angeordneten, die außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretende Streuung (S) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) erfassenden Streu-Photodiode (12, 13), und – einer mit dem Schweißlaser (1), dem Reflexions-Photodetektor (11) und dem Streu-Photodetektor (12, 13) gekoppelten Signalauswerte- und Regeleinrichtung (14) zur = Bestimmung eines für die Reflexion (R) repräsentativen Reflexionswertes (U_ON) und eines für die Streuung (S) repräsentativen Streuwertes (U_OFF), = Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle (6) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U_ON) und dem Streuwert (U_OFF), und = Regelung eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle (6) auf einen Parameterwert (P_H, τ_H) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlquelle für den Messstrahl vom Schweißlaser (1) selbst gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch mindestens zwei Off-axis-Photodioden (12, 13) für die Erfassung der seitlichen Streuung.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine koaxial zur Laser-Strahlachse (A) angeordnete Mehrquadranten-Photodiode zur Erfassung sowohl der Reflexion (R) als auch der Streuung (S).