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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Qualitätskontrolle von thermischen
Fügeverfahren
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Es
ist bekannt, zum thermischen Fügen,
insbesondere beim Schweißen
Hochenergiestrahlung zu verwenden und charakteristische Schweißparameter,
wie etwa die geometrischen Abmessungen eines Schmelzbades, zu detektieren.
Es zeigt sich, dass bei Fügeverfahren
mit Lasern ein erheblicher Anteil eines Ausschusses dadurch entsteht,
dass Spritzer und Schmelzperlen, die aus dem Schmelzbad herausgeschleudert
werden, sich auf Funktionsflächen
niederschlagen und diese unbrauchbar machen. Dies ist bei einer
Großserienfertigung,
z.B. im Automobilbereich, besonders störend, da Fügeverfahren mit Lasern aufgrund
ihres geringen Wärmeeintrags
vorteilhaft die Verzüge
von Bauteilen beim Fügen
minimal halten können,
weswegen im allgemeinen auf ein Nachbearbeiten der gefügten Komponenten
verzichtet werden kann. In einer Großserienfertigung führen Schmelzbadauswürfe daher
zur Ausschleusung der betroffenen Komponenten aus dem Herstellungsprozess,
da eine Nachbearbeitung zu aufwändig
und teuer ist. Um den Ausschuss sicher zu erfassen, ist eine Inspektion
der Komponenten nach dem Fügen
notwendig. Typischerweise sind jedoch weit weniger als 10% der Komponenten
betroffen, so dass eine visuelle Inspektion der gefügten Komponenten
besondere Aufmerksamkeit und Konzentration erfordert.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE
197 16 293 A1 ist ein Verfahren zur Regelung eines Laserschweißverfahrens
bekannt, bei dem eine Einschweißtiefe
in Abhängigkeit
einer detektierten Länge
oder Fläche
eines Schmelzbads geregelt wird. Um die entsprechenden Geometriedaten
des Schmelzbades und eines zugehörigen
so genannten Keyholes zu erfassen, wird eine Video-Kamera eingesetzt. Ein
Keyhole entsteht, wenn die hohe Intensität des auf den zu fügenden Bereich
auftreffenden Laserstrahls das Material in dessen unmittelbarer
Umgebung verdampft. Die Form des Strahls sowie die an der Grenzfläche zum
umgebenden Schmelzbad reflektierte Strahlung führt zur Ausbildung eines weit
in die Tiefe einer Fügestelle
hinein reichenden Dampfkanals, der als Keyhole bezeichnet wird.
Die Geometrie des Schmelzbads und des Keyholes geben Aufschluss über den
Ablauf und auch die Qualität
des Laserschweißvorgangs.
Die Qualität
des Schweißvorgangs
bezüglich
Schmelzbadauswürfen
lässt sich dabei
aus einem linearen Zusammenhang zwischen Schmelzbadlänge einerseits
und Einschweißtiefe und
Laserleistung andererseits ableiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, das aus der
DE 197 16 293 A1 bekannte Verfahren weiter
zu entwickeln, um eine noch schnellere und prozesssicherere Detektion
von Schweißfehlern,
insbesondere von Schmelzbadauswürfen,
zu gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung
wird eine zeitabhängige
Bewegung der räumlichen
Energie- und/oder Leistungsdichteverteilung eines Schmelzbades oder eines
Keyholes verfolgt. Als Messgröße wird
dabei vorteilhafterweise der räumliche
Verlauf einer Grenzfläche
zwischen dem Schmelzbad oder dem Keyhole und dem jeweils benachbarten
Bereich verwendet. Durch Beobachtung der zeitlichen Entwicklung
dieser Grenzfläche
gelingt eine schnelle und sichere Detektion eines Schmelzbadauswurfs:
ein Schmelzbadauswurf ist nämlich
regelmäßig von
einer Veränderung
der Schmelzbad- bzw. Keyholekontur begleitet. Auf diese Weise kann
eine spätere
Inspektion gefügter
Komponenten gezielt auf diejenigen Komponenten bzw. diejenigen Bereiche
gerichtet werden, bei denen ein Schmelzbadauswurf detektiert wurde.
Im Gegensatz zu einer Kontrolle aller gefügten Komponenten, die üblicherweise
im Rahmen einer Sichtkontrolle durchgeführt wird, kann die Inspektion
auf eine wesentlich geringere Anzahl von möglicherweise unbrauchbaren
Komponenten beschränkt
werden.
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Zweckmäßigerweise
wird als Maß für die Qualitätsabweichung
die Änderung
herangezogen, die ein charakteristischer Parameter der Grenzfläche des
Schmelzbads und/oder des Keyholes innerhalb eines vorgegebenen,
frei wählbaren
Zeitintervalls durchläuft:
Wenn dieser Parameter innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls
eine überdurchschnittlich
große
Bewegung ausführt,
kann die Größe dieser Bewegung
als Maß für eine Intensität eines
Schmelzbadauswurfs herangezogen werden. Schmelzbadauswürfe, die
erkennbare Störungen
hinterlassen, können
dann leicht von solchen, die keine Störungen hinterlassen, unterschieden
werden. Vorteilhaft kann eine schnelle Veränderung der Geometrie des Keyholes
bei einem Schmelzbadauswurf ausgenutzt werden. Ein durch eine schnelle Änderung
der Keyholegeometrie ausgelöstes
Signal gestattet dann einen prozesssicheren Rückschluss auf einen Schmelzbadauswurf;
die Rückschlusssicherheit kann über 80%,
insbesondere bis zu 90%, betragen.
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Wird
eine erste zeitliche Ableitung der Messwerte der Bewegung der Grenzfläche gebildet,
kann besonders bei schnellen Bewegungen eine erhöhte Auflösung erzielt werden. Die Betrachtung
des zeitlich differenzierten Signals erlaubt eine weitere Verbesserung
der Rückschlusssicherheit
von über
90%. Unbrauchbare Komponenten können
dann im Rahmen der Qualitätskontrolle
noch gezielter detektiert werden.
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Werden
Messwerte der Bewegung oder der zeitlichen Ableitung erfasst und
gleitende Mittelwerte daraus gebildet, kann eine statistische Größe, insbesondere
eine gleitende Standardabweichung, definiert werden. Eine Amplitude
dieses Signals liefert ein quantitatives Maß für die Stärke eines Schmelzbadauswurfs.
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Vorteilhaft
wird eine Amplitude eines Messsignals als quantitatives Maß der Qualitätsabweichung erfasst;
dies erleichtert eine quantitative Auswertung der Messsignale.
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Wird – bezogen
auf die Schweißrichtung – die Bewegung
einer hinteren Grenzfläche
des Keyholes beobachtet, kann ein Schmelzbadauswurf mit besonders
hoher Empfindlichkeit detektiert werden. Die hintere Grenzfläche zeigt
nämlich
bei einem Schweizbadauswurf ein besonders charakteristisches Verhalten.
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Wird
andererseits – bezogen
auf die Schweißrichtung – die Bewegung
einer vorderen Grenzfläche
des Schmelzbades beobachtet, steht eine alternative oder zusätzliche
Beobachtungsmöglichkeit
zur Verfügung.
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Ein
besonders sensibler Nachweis eines Schmelzbadauswurfs ist gegeben,
wenn als Maß für die Qualitätsabweichung
der relative Abstand bzw. die relative Geschwindigkeit zwischen
der vorderen Grenzfläche
des Schmelzbads und der hinteren Grenzfläche des Keyholes verwendet
wird: Bewegt sich die vordere Grenzfläche des Schmelzbads entgegengesetzt
zu der hinteren Grenzfläche
des Keyholes, so ist dies ein sicheres Indiz für einen Schmelzbadauswurf.
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Da
sich beide Grenzflächen
leicht gleichzeitig beobachten lassen, kann zum Erkennen eines Schmelzbadauswurfs
auch als Kriterium verwendet werden, dass – bezogen auf die Schweißrichtung – die vordere
Grenzfläche
des Schmelzbads sich nach vorne und gleichzeitig die hintere Grenzfläche des Keyholes
sich nach hinten bewegt.
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Vorteilhaft
ist, eine Änderung
der Form des Keyholes zur Beurteilung der Qualitätsabweichung heranzuziehen.
Dies gelingt mit geringem messtechnischem Aufwand, indem ein ortsauflösender Detektor
die Form des Keyholes ermittelt und Abweichungen außerhalb
eines zugehörigen
Toleranzbandes als Qualitätsabweichung
erkannt werden. Ein ortsauflösender
Detektor bietet zusätzlich
die Möglichkeit,
Schmelztropfen oder Schlieren auf dem zu fügenden Körper zu erkennen, da diese
sich mit derselben Geschwindigkeit wie die Schweißgeschwindigkeit
bewegen.
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Die
Erfindung ist besonders für
einen Einsatz in einer Großserienfertigung
geeignet, insbesondere beim Fahrzeugbau.
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Weitere
Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen und
der Beschreibung zu entnehmen.
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Im
folgenden ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
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Dabei
zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht
auf ein Schmelzbad mit einem Keyhole,
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2 eine bevorzugte Messanordnung
zur Durchführung
des Verfahrens,
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3 eine Messkurve mit Signalen
der Bewegung einer hinteren Grenzfläche eines Keyholes mit drei
Schmelzbadauswürfen
unterschiedlicher Stärke,
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4 die erste zeitliche Ableitung
der Messkurve aus 3,
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5 eine Darstellung der Messkurve
mit gleitender Mittelwertbildung, und
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6 eine Messkurve der Bewegung
einer hinteren Grenzfläche
eines Keyholes und einer vorderen Grenzfläche des Schmelzbades mit erkennbar gegenläufigen Bewegungsrichtungen.
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Eine
stark schematische Darstellung eines Schmelzbades 11 mit
einem Keyhole, wie es typischerweise bei einem thermischen Fügeverfahren mit
Hochenergiebestrahlung, insbesondere beim Laserschweißen, auftritt,
ist in 1 als Draufsicht
dargestellt. Das Schmelzbad 11 befindet sich auf einer
in Schweißbearbeitung
befindlichen Komponente 10, die in 1 von links nach rechts verschweißt wird, wobei
die Betrachtungsrichtung der Einstrahlrichtung des Laserstrahls
entspricht und wobei die rechts hinter dem Schmelzbad 11 befindliche
Schweißnaht 18 und
der links von dem Schmelzbad 11 befindlichen Fügespalt 17 (2) der Übersichtlichkeit wegen nicht
gezeigt sind. Die Schweißrichtung
ist durch einen Pfeil R gekennzeichnet.
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Das
Schmelzbad 11 weist im wesentlichen Tropfenform auf mit
einem geometrischen Schwerpunkt S. Die Länge l und die Breite b des
Schmelzbades bestimmen seine Geometrie. Am Kopfende des Schmelzbads 11 befindet
sich der Einstrahlpunkt des Laserstrahls und das diesen umgebenden
Keyhole 12, das im wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser
d und einem geometrischen Schwerpunkt M ist. Der Abstand zwischen
dem geometrischen Schwerpunkt M des Keyholes 12 und dem
geometrischen Schwerpunkt S des Schmelzbads 11 ist mit
x bezeichnet. Im Falle des Schmelzbads 11 bildet die gesamte
das Schmelzbad 11 umgebende Grenzfläche 13' eine Grenze zwischen verflüssigtem
und erstarrtem Material, während
im Falle des Keyholes 12 die gesamte das Keyhole 12 umgebende
Grenzfläche 14' einen Dampfkanal
von verflüssigtem
Material trennt. Bezogen auf die Schweißrichtung R weist das Schmelzbad 11 eine
vordere Grenzfläche 13 – entsprechend
dem in Schweißrichtung
R am weitesten fortgeschrittenen Teil der Grenzfläche 13' des Schmelz bads 11 – und das
Keyhole 12 eine hintere Grenzfläche 14 – entsprechend
dem relativ zur Schweißrichtung
R am weitesten zurückgebliebenen Teil
der Grenzfläche 14' des Keyholes 12 – auf.
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Um
die Geometrie des Schmelzbads 11 und des Keyholes 12 möglichst
störungsfrei
detektieren zu können,
wird eine in 2 dargestellte
Messanordnung verwendet.
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Die
Messanordnung umfasst eine CCD-Kamera
19, die zur Detektion
der Schmelzbadgeometrie ausgerüstet
ist. Dazu sind optische Vorkehrungen wie Graufilter, Farbfilter
vorgesehen, wie sie aus der
DE 197 16 293 A1 bekannt sind. Die Kamera
19 ist auf
eine Komponente
10 gerichtet, welche entlang einer Fügenaht
17 mit
einem Laserstrahl
15 bestrahlt und verschweißt wird.
Der Laserstrahl
15 bewegt sich mit einer Schweißgeschwindigkeit
v
L relativ zu dem Werkstück
10 in Schweißrichtung
R. Der Laserstrahl
15 kann mit einer Laser- und Maschinensteuerung
21 gesteuert
oder geregelt werden. Die Kamera
19 kann mit einem Videorecorder
mit Kontrollmonitor verbunden sein. Vorzugsweise ist die Kamera
19 fest
mit dem Laserschweißkopf
verbunden, so dass Kamera
19 und Laserstrahl
15 dieselbe
Relativbewegung ausführen.
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Zweckmäßigerweise
wird ausschließlich
das Schmelzbad 11 und das Keyhole 12 auf der Kamera 19 abgebildet
und das für
die Messung störende Plasmaleuchten,
welches beim Laserschweißen
entsteht, sowie eventuell reflektierte Laserstrahlung abgeblockt.
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Die
durch die Kamera 19 gemessene Energie- bzw. Leistungsdichteverteilung
wird in einer Bildverarbeitungs-Hardware 20 digitalisiert
und anschließend
mit Hilfe eines Schwellwertverfahrens binarisiert. Daraus werden
vorzugsweise zwei Bereiche gebildet: das Gebiet des Keyholes 12 und
das Gebiet des Schmelzbads 11. Aus Form und Lage von Schmelzbad 11 und/oder
Keyhole 12 lassen sich prozessrelevante Informatio nen aus
einer Wechselwirkungszone zwischen Keyhole 12 und Schmelzbad 11 ableiten.
Die geometrischen Abmessungen mindestens eines der aufgeschmolzenen
Bereiche, etwa des Schmelzbads 11 und/oder des Keyholes 12,
werden dann zur Qualitätsbeurteilung
des Schweißergebnisses
herangezogen. Ein Auftreten eines Schmelzbadauswurfs wird als Qualitätsabweichung klassifiziert.
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Ein
Auswurf von Schmelze aus dem Schmelzbad 11 ist mit einer
deutlichen Formänderung
des Keyholes 12 verbunden. Dieses kollabiert kurzzeitig,
was mit einer anschließenden
Eruption von Schmelze aus dem Bereich des Keyholes 12 verbunden
ist.
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Die
Erfassung von Schmelzbadauswürfen nach
dem erfindungsgemäßen Verfahren
zur Qualitätskontrolle
eines thermischen Fügeverfahrens
mittels Hochenergiebestrahlung kann auf verschiedene Arten geschehen.
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Besonders
bevorzugt wird eine zeitabhängige
Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 oder
der hinteren Grenzfläche 14 des
Keyholes 12 verfolgt (1).
Als Qualitätsabweichung
wird erkannt, wenn die Grenzflächen 13, 14 innerhalb
eines wählbaren
Zeitintervalls überdurchschnittlich
große
Bewegungen ausführen.
Diese Bewegungen können
insbesondere Oszillation sein, bei der die Grenzflächen 13, 14 um
eine Mittellage hin und her schwingen.
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Beim
Auftreten eines Schmelzbadauswurfs rückt die hintere Grenzfläche 14 des
Keyholes 12 (1)
kurzzeitig nach hinten, bezogen auf die Schweißrichtung R. Ein Messsignal
X14(t) der Bewegung der hinteren Grenzfläche 14 als
Funktion der Zeit t kann daher gut zur Detektion von Schmelzbadauswürfen herangezogen
werden. Liegt der Wert außerhalb
eines vorgebbaren Toleranzbereichs, d.h. ist er deutlich größer als
die normale Streuung der Messwerte, liegt ein Schmelzbadauswurf
vor. Die Rückschlusssicherheit
liegt typischerweise bei über 80%
und kann bis zu etwa 90% betragen. – Die Größe der Bewe gung ist ein Indiz
für die
Stärke
des Schmelzbadauswurfs und kann grob quantifiziert werden, so dass
eine Amplitude eines Messsignals als quantitatives Maß der Qualitätsabweichung
erfasst werden kann.
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3 zeigt eine Messkurve der
Bewegung einer hinteren Grenzfläche 14 eines
Keyholes 12 als Funktion der Zeit. Die Messkurve ist im
wesentlichen parallel zur Zeitachse und weist drei oszillationsähnliche
Strukturen auf, die als Schmelzbadauswürfe detektiert werden. Die
erste und die dritte Struktur entsprechen einer Stärke zwischen
A2 und A3, die mittlere Struktur einem mittleren Schmelzbadauswurf
der Stärke
A2. Erfahrungsgemäß verursacht
ein heftiger Schmelzbadauswurf mit einem deutlich sichtbaren Krater
eine besonders heftige Bewegung mit einer Stärke A3. Eine mittlere Bewegung
der Stärke
A2 wird durch einen kleinen Schmelzbadauswurf mit gerade noch erkennbarem
Krater verursacht. Eine Bewegung der Stärke A1 entspricht einer Oszillation des
Keyholes 12 ohne erkennbaren Schmelzbadauswurf.
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Bei
einem Schmelzbadauswurf findet eine besonders schnelle Veränderung
der Keyhole-Geometrie statt. Daher ist es vorteilhaft, eine zeitliche
Ableitung des Messsignals zu betrachten. Eine solche zeitliche Ableitung
d/dt des Messsignals aus 3 ist in 4 dargestellt. Die drei
oszillationsähnlichen Strukturen
treten bei der zeitlich differenzierten Messkurve deutlicher hervor
als bei der Messkurve X14(t) der Bewegung
selbst. Alternativ kann die Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des
Schmelzbads 11 entsprechend ausgewertet werden bzw. eine zeitliche
Ableitung dX13(t)/dt der Bewegung gebildet werden.
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Vorteilhaft
ist, Messwerte X13(t), X14(t)
der Bewegung der vorderen Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 und/oder
der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 zu
erfassen und gleitende Mittelwerte der Messwerte X13(t),
X14(t) zu bilden. Günstig ist es weiterhin, über drei
bis fünf
vorhergehende Messwerte X13(t), X14(t) zu mitteln. Der Fachmann wird einen sinnvollen
Bereich zur Mittelung wählen.
Ebenso kann dies für
eine zeitliche Ableitung getan werden. Die gleitende Mittelung ermöglicht die
Definition einer gleitenden Standardabweichung, deren Signal bzw. deren
Amplitude ein quantitatives Maß für die Heftigkeit
des Schmelzbadauswurfs ist.
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5 zeigt eine solche gleitende
Standardabweichung, die aus den Messwerten gebildet ist, die auch
den vorhergehenden 3 und 4 zugrunde liegen. Die drei
Strukturen, die jeweils einen Schmelzbadauswurf charakterisierenden
sind nunmehr in ihrer Stärke
noch deutlicher als zuvor zu unterscheiden und zu klassifizieren.
In allen drei Fällen
wären die gefügten Komponenten,
an denen solche Schmelzbadauswürfe
detektiert wurden, hinsichtlich zurückgebliebener Defekte und einer
Verwendbarkeit zu inspizieren.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Detektion bietet eine Beobachtung der Bewegung der – bezogen
auf die Schweißrichtung
R – vorderen
Grenzfläche 13 des
Schmelzbades 11 als Funktion der Zeit.
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Eine
besonders genaue Detektion ergibt sich, wenn die Messwerte X13(t), X14(t) vordere Grenzfläche 13 des
Schmelzbads 11 und der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 in
Korrelation zueinander gesetzt werden: Eine Qualitätsabweichung
des Schweißergebnisses
tritt immer dann auf, wenn die vordere Grenzfläche 13 des Schmelzbads 11 sich
entgegengesetzt zu der hinteren Grenzfläche 14 des Keyholes 12 bewegt.
Ein besonders verlässliches
Indiz für
eine Qualitätsabweichung
ist es, wenn – bezogen
auf die Schweißrichtung
R – die
vordere Grenzfläche 13 des
Schmelzbads 11 sich nach vorne und die hintere Grenzfläche 14 des
Keyholes 12 sich nach hinten bewegt. Dies ist in 6 dargestellt. Es ist erkennbar,
dass die Auslenkungen der Messkurve x14(t)
entgegengesetzt zu denen der Messkurve x13(t) gerichtet
sind. Durch Beobachtung beider Signale x13(t),
x14(t) werden Messfehler eliminiert, und
das Erkennen einer Qualitätsabweichung
wird gleichzeitig mit einer einfachen Plausibilitätsbetrachtung
abgesichert, da beide Messkurven korrespondierende Strukturen aufweisen
müssen,
um einen Schmelzbadauswurf sicher zu detektieren.
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Günstig ist,
eine Änderung
der gesamten das Keyhole 12 umgebenden Grenzfläche 14' zur Beurteilung
der Qualitätsabweichung
heranzuziehen. Dies geschieht einfach durch eine Beobachtung einer
Form des Keyholes 12. Dabei wird die zeitliche Veränderung
der Form des Keyholes 12 in allen Richtungen bezogen auf
die Schweißrichtung
R betrachtet. Dazu ist es vorteilhaft, einen ortsauflösenden Detektor
zu verwenden, der nicht nur die hintere Grenzfläche 14, sondern die
gesamte Form 14' des
Keyholes 12 bzw. die Energie-/Leistungsdichteverteilung in der unmittelbaren
Umgebung des Keyholes 12 beobachtet. Wird ein zugehöriges Toleranzband
für eine zulässige Bewegung
vorgegeben, kann eine Formänderung
des Keyholes 12, die außerhalb des Toleranzbandes
liegt, als Schmelzbadauswurf erkannt werden.
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In
einem Fertigungsverfahren ist es nunmehr ausreichend, nur noch solche
gefügten
Komponenten zu inspizieren, bei denen eine Qualitätsabweichung
während
des Fügens
beobachtet wurde.