DE68903094T2

DE68903094T2 - Laserschweissueberwachungssystem und verfahren.

Info

Publication number: DE68903094T2
Application number: DE8989830496T
Authority: DE
Inventors: John Brian Lowry; Paul Andrew Robertson
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1988-11-22
Filing date: 1989-11-14
Publication date: 1993-02-18
Anticipated expiration: 2009-11-15
Also published as: US5038016A; IT8968018A1; EP0370967B1; IT1239263B; DE68903094D1; ES2035642T3; GB2236846B; PL162344B1; GB8827282D0; JPH02179378A; JP2672380B2; BR8906130A; EP0370967A1; IT8968018A0; GB2236846A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laserschweißüberwachungssystem nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Prüfen einer Kehlschweißung.
Ein soches System ist z.B. durch EP-A-0 266 764 bekannt.
Der Einsatz von Lasern zum Schweißen ist allgemein bekannt und bietet spezielle Vorteile bei der automatischen Fertigung von Kraftfahrzeugkarosserien und ähnlichen Produkten. Der Hauptvorteil besteht darin, daß zwischen Schweißgerät und zu schweißendem Werkstück kein physikalischer Kontakt erforderlich ist, daß das Werkstück von einer Seite aus geschweißt werden kann und daß kein Zusatzmetall benötigt wird. Ein Hauptproblem besteht allerdings in der Schwierigkeit, die Position der von einem Laser erzeugten Schweißstelle genau zu kontrollieren.
Bei der Herstellung von Fahrzeugen ist es erwünscht, die Fertigung soweit wie möglich zu automatisieren. Diese erfordert eine genaue Prüfung der Schweißvorgänge. Es ist deshalb das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Laserschweißsystem zur Verfügung zu stellen, das eine Feinsteuerung der Funktion erlaubt und dadurch eine automatisierte Fertigung ermöglicht. Der Ausdruck "Laserschweißen" umfaßt in diesem Zusammenhang auch ähnliche Arbeitsvorgänge, wie Formgebung oder Trennen, Wärmebehandlung usw..
US-A-3 689 159 beschreibt ein Laserbearbeitungsgerät, bei dem ein paralleler Überwachungslichtstrahl, der auf Wunsch ein durch Laser erzeugter Strahl sein kann, über einen Spiegel in den Strahlenweg eines Laserbearbeitungsstrahls umgelenkt wird, so daß beide Strahlen über ein Fokussierungsobjektiv auf ein Werkstück projiziert werden und ihre Brennpunkt zusammenfallen. Der Überwachungslichtstrahl wird durch eine schwingende Platte moduliert, und Änderungen der Ausgangsgröße des von dem Werkstück reflektierten modulierten Lichts werden zur Detektierung des Defokussierungszustands und zur Erzeugung eines Korrektursignals verwendet. Es ist mit diesem System allerdings nicht möglich, festzustellen, ob sich der fokussierte Laserstrahlpunkt an der vorgeschriebenen Stelle auf dem Werkstück befindet, d.h. es erfaßt nur Fehleinstellungen nach oben und unten, nicht jedoch seitliche Fehlseinstellungen.
Die PCT-Anmeldung US 28/01 235 offenbart ein Schweißsystem, bei dem ein Laserstrahl in einer kreisförmigen Bahn rund um einen Bahnpunkt gelenkt wird, der vor der Position liegt, an der das Schweißen stattfindet. Damit kann der zu prüfende Schweißvorgangs zwar lokalisiert, jedoch keine Messung des Schweißvorgangs selbst durchgeführt werden, d.h. es läßt sich nicht feststellen, ob der Schweißvorgang dort wo er erforderlich ist, auch tatsächlich ausgeführt wird, bzw. ob er korrekt ausgeführt wird. Da bei diesem System ein vor dem Schweißpunkt liegender Bahnpunkt benutzt wird, werden für ein automatisiertes Schweißsystem, das auch andere als gerade Linien schweißen können soll, außerdem Mittel benötigt, die die Nachführungsmittel relativ zu dem Schweißpunkt verschwenken können.
Es wurden weiterhin Systeme offenbart, bei denen zur Überwachung der Abtastung einer Schweißbahn Fernsehgeräte eingesetzt werden. Diese Systeme nehmen allerdings großen Mengen von redundanten Informationen auf und lassen sich deshalb nur schwer mit einer hinreichend großen Antwortgeschwindigkeit aufbauen. Außerdem treten bei diesen Systemen Interferenzstörungen durch das von der Schweißstelle selbst emitierte Licht auf.
Das Patentdokument EP-A-0 266 764 läßt sich im wesentlichen mit US-A- 3 689 1 59 vergleichen, es offenbart jedoch darüberhinaus Mittel, mit denen das Licht der Prüfquelle in einen Strahlenweg auf das Werkstück gelenkt werden kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die oben beschriebenen Probleme zu lösen und die Möglichkeit zu schaffen, sowohl die seitliche als auch die vertikale Positionierung eines Laserstrahlpunkts zu überwachen. Unter Laserstrahlpunkt sei hier ein Punkt verstanden, an dem ein Laserstrahl entweder zum Zwecke des Schweißens oder Trennens oder Formens eines Werkstücks konzentriert wird, und der Ausdruck Laserschweißen wird in der breiten Bedeutung benutzt daß er alle diese Operationen umfaßt.
Die Erfindung stellt zur Erreichung dieses Ziel ein Laserschweißüberwachungssystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 zur Verfügung.
Mit Rücksicht auf die Veränderlichkeit der Oberfläche des Werkstücks ist der umlaufende Strahlenweg vorzugsweise, quer zur Bearbeitungsfläche betrachtet, im wesentlichen kreisförmig. Es können dann nämlich um die ganze Schweißstelle herum Vergleiche zwischen von dem ausgesendeten Prüflicht herrührenden Signalen angestellt werden. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es z.B. durch US-A-4 41 7 1 27 zwar an sich bekannt ist, das Licht einer Laserprüfquelle in eine um eine Schweißzone herumlaufenden Bahn zu lenken, diese bezieht sich allerdings auf Gasschweißen.
Wenn das System längs einer vorbestimmten Bahn eine Kehlnahtschweißung ausführt, überschreitet der Prüfstrahl beim Umkreisen des Schweißpunkts die Bahn der Positionen der zu schweißenden Naht in einem ersten Punkt, und nach einem Winkel von etwa 180º hinter dieser Position überschreitet er einen zweiten Punkt, an dem der Schweißvorgang bereits stattgefunden hat. Der letztgenannte Punkt liefert ein Signal, das zur Überwachung der fertiggestellten Schweißstelle verwendet werden kann, während der erstgenannte Punkt ein minimales Reflektionsignal liefert, das sich dann als Maß für das Zentrum der Schweißstelle verwenden läßt, wenn es mit Signalen zu beiden Seiten der erstgenannten Signale verglichen wird. Aus der Prüflicht-Abtasteinrichtung kann ein Referenz-Zeitsignal abgeleitet werden, das die Position des Prüfstrahls auf seiner umlaufenden Bahn bestimmt. Ein Versatz gegenüber einem Referenzsignal kann zur Erzeugung eines Korrektursignals verwendet werden, um die Position der Schweißstelle zu verändern. Dies ermöglicht eine seitliche Kontrolle.
Die Mittel, die das Licht der Prüfquelle in einer umlaufenden Bahn auslenken, sind erfindungsgemäß so ausgebildet, daß sie das Licht in der Weise umlenken, daß es einen Kegel beschreibt. Kegelform bedeutet hier, daß sich die Größe der kreisförmigen Bahn in Abhängigkeit von der Länge des Strahlenwegs ändert. So kann ein Verfahren zum Messen der Fokussierung des Strahls vorgesehen sein, bei dem einfach der Durchmesser der von dem Prüfstrahl umschriebenen kreisförmigen Bahn gemessen wird. Alternativ kann die Fokussierung durch ein astigmatisches Fokussierungserfassungssystems ermittelt werden, das in an sich bekannter Weise die effektive Länge des Strahlenwegs mißt.
Ein geeignetes Verfahren zur Erzeugung des kegelförmigen Prüfstrahls besteht darin, den Strahl über einen Spiegel umzulenken, der um eine Achse rotiert, die mit der Spiegelebene einen Winkel bildet, der annähernd jedoch nicht genau gleich 90º ist.
Im folgenden sei anhand der Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben:
Fig. 1 zeigt ein System gemäß der Erfindung in einer schematischen Gesamtansicht,
Fig. 2 zeigt die optische Anordnung des Lasers und der Prüfquelle,
Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform des Detektorsystems,
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Detektorsystems,
Fig. 5 zeigt ein Werkstück mit einer Kehlschweißnaht in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 6 zeigt die Anordnung von Fig. 5 in einer Draufsicht,
Fig. 7 zeigt die Darstellung einer Fehleinstellung in einer Draufsicht.
Das in Fig. 1 dargestellt Gesamtsystem besitze einen Hauptschweißlaser und ein Strahllenkungssystem, das einen Laserenergiestrahl 1 über ein Fokussierungsystem 2, typischerweise eine ZnSe-Linse, in einen Lasersschweißpunkt 3 auf einem Werkstück 4 richtet. Zum Schweißen der Teile von Fahrzeugkarosserien können CO&sub2;-Laser verwendet werden, da diese hinreichend große Leistungen liefern können. Der Laserstrahl wird normalerweise von Spiegeln (z.B. in einem Roboter) so umgelenkt, daß die Strahlenergie durch eine (in Fig. 1 nicht dargestellte) kleine Düse austritt, die wenige Millimeter von dem Werkstück entfernt angeordnet ist. In den Schweißkopf wird an einem Punkt unmittelbar unter dem Objektiv ein Schutzgas, z.B. Stickstoff oder Argon, eingeblasen, das dann aus der Düse austritt. Dies hat den Vorteil, daß keine Abfälle oder Materialien von der Schweißstelle zurückkehren und das Objektiv kontaminieren können.
All dies ist Standard und dem einschlägigen Fachmann bekannt. Es folgt nun die Beschreibung des Steuersystems, d.h. des Bereichs, in dem die Erfindung verkörpert ist.
Ein Prüflaser lenkt über ein Prüfabtastsystem und einen als Strahlenteiler- und - kombinierer dienenden Spiegel 5 Laserenergie in einen im wesentlichen kegelförmigen Strahlenweg 6, der durch das Fokussierungsobjektiv 2 und deshalb durch Bewegungen dieses Objektivs oder Brennweitenänderungen durch Umwelteinflüsse in einem Maß beeinflußt wird, das leicht zu der Wirkung in Relation gesetzt werden kann, die auf den Hauptlaserstrahl 1 ausgeübt wird.
Die allgemeine Funktion des Systems besteht darin, daß ein Hauptschweißsensor über den Strahlenteiler 5 einen proportionalen Anteil des Hauptlaserstrahls 1 aufnimmt. Dieser liefert eine Gesamtmessung darüber, wohin der Schweißstrahl relativ zu dem Fokussierungsobjektiv 2 gelenkt wird. Diese Information wird einem Hauptsteuersystem zugeführt.
Weitere Signale werden durch die Prüfung des von dem Werkstück 4 reflektierten Lichts des Strahls 6 gewonnen. Dieses Licht wird über den Strahlenweg 6 in das Prüfabtastsystem zurückgeführt, in dem durch Analyse ein Steuersignal abgeleitet wird, das über den Pfad 8 in das Hauptsteuersystem eingespeist wird.
Das Hauptsteuersystem verarbeitet alle diese abgeleiteten Informationen und liefert über den Pfad 9 Feinsteuerungssignale an die Fokussierungssteuerung für die Einstellung des Objektivs 2 und über den Pfad 10 eine Spurführungsfeininformation an das Strahllenkungssystem. Das Hauptsteuersystem kann zusätzlich über den Pfad 7 Grobsteuerungssignale an das Strahllenkungssystem liefern, durch die der Schweißpunkt 3 relativ zu dem Werkstück 4 schnell, jedoch grob positioniert wird. Dies kann z.B. zu Beginn jedes Schweißvorgangs notwendig sein; aber auch während des Schweißens werden diese Grobsteuerungssignale in Kombination mit den erwähnten Feinsteuerungssignalen zur Ausführungen größerer Bewegungen verwendet, die jenseits des Arbeitsbereich des Fokussierungssteuerungssystems liegen.
Fig. 2 zeigt nähere Einzelheiten des Prüfstrahlsystems.
Der Prüfstrahllaser richtet Energie auf einen rotierenden Spiegel 11, der sich um eine Achse 12 dreht, die fast, jedoch nicht ganz rechtwinklig zur Spiegelfläche ausgerichtet ist, mit dieser z.B. einen Winkel von 88º bildet. Dies führt zur Erzeugung eines kegelförmigen Strahls. In der Praxis kann der tatsächliche Winkel in Abhängigkeit von der Konfiguration des Systems gewählt werden, je näher er jedoch bei 90º liegt, umso kleiner ist der Winkel des so erzeugten kegelförmigen Strahls.
Der Strahl verläuft durch das Fokussierungsobjektiv 2 und damit durch die Auslaßöffnung der Düse 13, so daß er auf dem Werkstück 4 fokussiert wird, und beschreibt einen umlaufenden Strahlenweg, der den konzentrierten Laserschweißstrahl 3 kreisförmig umfährt.
Die Größe der Düsenöffnung liegt zweckmäßigerweise bei etwa 8 mm und hat von dem Werkstück einen Abstand von 3 mm bis 4 mm. Deshalb hat der von dem Prüfstrahl projizierte Kreis zweckmäßigerweise einen Durchmesser von etwa 6 mm bis 8 mm, so daß er ohne Abschirmung oder störende Beeinflussung durch die Düse optimale Leistung liefert. Der Winkel des rotierenden Spiegels ist so gewählt, daß dieses Ergebnis erreicht wird.
Fig. 3 und 4 zeigen zwei unterschiedliche Konfigurationen von Systemen zum Sammeln der reflektierten Strahlung.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten ersten Fall ist in dem rückkehrenden Strahlengang vor der Position des rotierenden Spiegels 11 ein Strahlenteiler 14 angeordnet.
Die rückkehrende Strahlung wird dann auf einen positionssensitiven Detektor (PSD) gelenkt. Wenn sich der Spiegel in dieser Position befindet, sieht der Detektor ein Bild des von dem Strahl beschriebenen Kreises. Das Bild des Kreismittelpunkts läßt sich ausblenden, um zu verhindern, daß Strahlung von dem Schweißpunkt den Detektor direkt erreicht. Der positionssensitive Detektor ist eine Einrichtung mit großer lichtempfindlicher Fläche, so daß der Strahl stets empfangen wird. Der Fokussierungszustand kann durch Messung des Durchmessers des reflektierten Lichtkreises erfaßt werden, d.h. der Durchmesser des Kreises ändert sich mit der Höhe des Kegels und damit der Länge des Strahls. Dies wird dadurch erreicht, daß der gewichtete Mittelwert der Lichtintensität erfaßt wird, wenn ein Vollkreis durchfahren wird, während die Bahnführungsinformation durch die Betrachtung der Intensität des Lichts in den verschiedenen Zeitpunkten des Weges längs der Kreisbahn gewonnen wird.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten alternativen System ist in dem Strahlenweg des an dem rotierenden Spiegel 11 reflektierten Strahls ein Strahlenteilerspiegel 15 angeordnet. Dieser Strahlenteilerspiegel 15 führt das reflektierte Licht in einen einzigen Punkt (anstelle eines Kreises) zurück, so sich daß die Änderung seiner Intensität kritischer überwachen läßt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Aufnahme von Fremdstrahlung, z.B. von der Schweißstelle selbst kommender Strahlung, durch den Detektor leichter verhindert werden kann, so daß eine klarere Antwort gewonnen werden kann.
In diesem zweiten Beispiel wird der Fokussierungszustand mit Hilfe eines astigmatischen Fokusdetektorsystems (AFDS) erfaßt, wie sie an sich (z.B. zur Messung des Fokussierungszustands eines Laserabtasters in einem CD-Plattenspieler) bekannt sind.
In den beiden Beispielen von Fig. 3 und 4 kann durch Einsatz eines optischen Schmalbandfilters, dessen Durchlaßwellenlänge an die Wellenlänger des Prüflasers angepaßt ist, verhindert werden, daß Fremdlicht zu dem optischen System gelangt. Zur weiteren Unterdrückung von Fremdsignalen, insbesondere solcher Signale, die von der von dem Schweißpunkt emittierten Strahlung herrühren, die üblicherweise einen großen niederfrequenten Anteil hat, können zusätzlich eine Amplitudenmodulation des Prüflasers und ein Detektorsystem mit synchronisiertem Verstärker vorgesehen sein. Es ist ein Merkmal der Erfindung, daß sich eine derartige Techniken leicht implementieren läßt.
Im folgenden seien für das spezielle Beispiel einer Kehlnaht anhand von Fig. 5, 6 und 7 die Durchführung des Schweißens sowie die Art und Weise beschrieben, in der eine seitliche Positionierung überprüft werden kann.
In Fig. 5 sollen zwei Metallbleche 16 und 17 an der zwischen ihnen verlaufenden Kehllinie eine Kehlschweißnaht erhalten.
Bei korrekter räumlicher Anordnung liegt der Schweißpunkt an zentraler Stelle 18 zwischen den beiden Blechen. Wenn die Schweißstelle infolge einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück (den beiden Blechen) und dem Schweißgerät weiterwandert, wird längs der Kehle ein Pfad 19 aus Schweißmaterial erzeugt. Der Prüfstrahl 20 beschreibt einen umlaufenden Weg, der den Mittelpunkt des aktiven Schweißpunkts 18 umkreist, wobei seine Strahlung in Abhängigkeit von der Oberfläche reflektiert wird, über die der Strahl im gegebenen Zeitpunkt wandert. Die Reflektion ist am kleinsten, wenn der Strahl an der Stelle "a" über die noch nicht geschweißte Kehle, und am größten, wenn er, z.B. an den Stellen "b" und "d" über ebenes Metall wandert, wie dies in der Figur dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt dasselbe Beispiel in einer Draufsicht. Man kann die vier Zustände erkennen, nämlich
a minimale Reflektion,
b maximale Reflektion,
c minimale Reflektion zuzüglich einer geringen Reflektion von der Schweißstelle selbst und
d maximale Reflektion.
Falls die Schweißstelle korrekt im Zentrum der Kehle liegt, treten diese vier Zustände als Ausgangssignal in einer zeitlich symmetrischen Beziehung auf, wenn der Kreis abgetastet wird.
Falls die Schweißstelle hingegen in einem Punkt seitlich vom Kreismittelpunkt liegt, sind die vier Zustände in ihrer zeitlichen Abfolge nicht mehr symmetrisch. Deshalb kann ein Korrektursignal erzeugt werden, das eine Berichtigung herbeiführt. Fig. 7 zeigt in übertriebener Darstellung den Zustand, in dem die Schweißlinie den gewünschten Weg auf der Kehllinie verfehlt, so daß die vier Zustände eine andere zeitliche Abfolge haben.
Wenn zusätzlich die AFDS-Konfiguration von Fig. 4 eingesetzt wird, ändert das von dieser abgeleitete Signal sich auch dann, wenn der Prüfstrahl über die Punkte "a" und "c" von Fig. 6 wandert. Diese Information kann anstelle oder in Kombination mit den Signalen verwendet werden, die aus den oben beschriebenen Reflektionsänderungen abgeleitet werden.

Claims

1. Laserschweißüberwachungssystem mit einer Quelle (1) für Laserstrahlenergie und Mitteln (2) zum Umlenken von Laserstrahlenergie aus dieser Quelle auf einen konzentrierten Punkt (3) auf einem der Laserenergie auszusetzenden Werkstück (4), mit einer Laserprüfquelle, die so angeordnet ist, daß Licht aus dieser Prüfquelle auf das Werkstück (4) gelenkt wird, sowie mit einer Laserstrahl-Detektoreinrichtung (5, 14; 15), die so angeordnet ist, daß sie reflektiertes Licht, das von der Prüfquelle stammt und von dem Werkstück (4) reflektiert wird, aufnimmt und überwacht, wobei Mittel (11) vorgesehen sind, die das Licht von dieser Prüfquelle auf das Werkstück (4) lenken, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Prüfquelle in einen Strahlenweg gelenkt wird, der die Oberfläche eines Kegels (6) beschreibt und den genannten konzentrierten Punkt (3) umgibt.

2. System nach Anspruch 1, bei dem der umlaufende Strahlenweg kreisförmig ist.

3. System nach Anspruch 1, bei dem zur Erzeugung des kegelförmigen Strahlenwegs (6) des Lichts ein rotierender Spiegel (11) vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß er sich um eine Achse dreht, die mit seiner Oberfläche einen Winkel von nahezu 90º bildet.

4. System nach Anspruch 1, bei dem zur Erfassung des Fokussierungszusatnds Mittel zur Messung des Durchmessers des von dem Prüfstrahl beschriebenen Kreises vorgesehen sind.

5. Verfahren zur Prüfung der Herstellung einer Kehlschweißnaht mit Hilfe des Systems nach Anspruch 1, bei dem der konzentrierte Punkt (3) veranlaßt wird, längs einer zu schweißenden Kehllinie über das Werkstück zu wandern, wobei der Prüflichtstrahl aus Laserenergie diesen Punkt (3) um kreist und wobei von diesem Prüflichtstrahl stammendes und von dem Werkstück reflektiertes Licht zur Überwachung der Lage des Punktes relativ zu der geforderten Lage der Schweißstelle herangezogen wird.