WO2021032499A1 - Verfahren zum bestimmen von spritzermerkmalen bei der laserbearbeitung sowie zugehörige bearbeitungsmaschine und computerprogrammprodukt - Google Patents

Verfahren zum bestimmen von spritzermerkmalen bei der laserbearbeitung sowie zugehörige bearbeitungsmaschine und computerprogrammprodukt Download PDF

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WO2021032499A1
WO2021032499A1 PCT/EP2020/072147 EP2020072147W WO2021032499A1 WO 2021032499 A1 WO2021032499 A1 WO 2021032499A1 EP 2020072147 W EP2020072147 W EP 2020072147W WO 2021032499 A1 WO2021032499 A1 WO 2021032499A1
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spatter
workpiece
processing
laser beam
images
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PCT/EP2020/072147
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Johannes SEEBACH
Nicolai Speker
Steven WEIDGANG
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Publication date
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    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
    • G06T7/0004—Industrial image inspection

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining at least one spatter feature of spatters that emerge from a melting zone of the workpiece when machining a workpiece by means of a machining beam, in particular a laser beam, with the method for determining spatter features during laser processing following procedural steps:
  • Such a method and such a device are known, for example, from DE 102014 107 716 B3.
  • the laser beam then not only melts the metal, but also generates steam.
  • a deep, narrow, steam-filled hole then forms in the molten metal: the so-called steam capillary (also called keyhole).
  • the vapor capillary is the result of an equilibrium between the pressure of the evaporating material and the surface tension acting on the melt and gravity, which counteract the vapor pressure in order to close the vapor capillary.
  • the vapor capillary is therefore surrounded by liquid metal. This liquid area is commonly referred to as the melt pool.
  • the shape of the weld pool (width, length) is characterized by the speed of the relative movement between the laser beam and the material, the shape of the heat source and, to a large extent, by the component itself.
  • melt waves form another factor that can disrupt the described equilibrium that the steam capillary maintains.
  • the constant pumping of the The vapor capillary causes the outflowing vapor to constantly entrain the smallest quantities of the melt in the form of process emissions. If this process is disturbed by "melt waves", the vapor capillary collapses. Trapped gas and the simultaneous construction of a new vapor capillary lead to splashes of molten material, which are deposited on the surface of the workpieces near the weld seam. The material thrown out is missing in the weld seam, which in the worst case makes reworking necessary. In addition, the deposited metal spatter must be removed, which requires expensive post-processing.
  • a method for reducing weld spatter during welding with a laser beam is known, the laser beam executing a spatially oscillating movement parallel or perpendicular to the joint that is superimposed on the feed movement during welding.
  • the oscillation parameters of this oscillation are dynamically adjusted during the welding process in such a way that the formation of weld spatter is reduced.
  • the number and size of the weld spatter recorded with a camera of the laser focal spot and the joint with a high repetition rate are evaluated in real time.
  • the same spatter may be detected several times in several images, which leads to a falsification of the recorded number of weld spatter.
  • the object of the present invention is to develop a method of the type mentioned at the outset in such a way that spatter features, such as the number of spatters, can be determined as accurately as possible, and also dynamic spatter features, such as the generation rate, speed and trajectory of the spatter, can be determined. It is also on- would give the invention to specify a processing machine suitable for performing the method.
  • this object is achieved in that the splashes are respectively tracked over several consecutive images and that the at least one splash feature is determined by means of a cross-image evaluation of the several images.
  • the images are evaluated across images with regard to spatter features relevant to processing quality.
  • the splash features can be the number and size of the splashes, but also the generation rate, generation density, speed and trajectory of the splashes. From the specific number and size of the splashes, a loss of material volume in the melting zone caused by the splashes and, if the particle density is known, also the associated loss of mass of the melting zone can be determined.
  • the machining laser beam is a thermal machining beam such as a laser beam or an electron beam.
  • the evaluated images are preferably individual images of a recorded video sequence, which ensures a clear cross-image allocation of the individual splashes in the individual images.
  • one and the same splash is advantageously only counted in one of the multiple images, in particular only when it first occurs in an image, by means of the cross-image evaluation. This measure prevents the same splashes from being counted several times in several images, which would lead to a falsification of the specific number of splashes.
  • a splash when it first occurs in an image, a splash is assigned its own identifier, with which the splash is also identified in the subsequent images.
  • the cross-image evaluation then evaluates a splash marked in the images with the same identifier with regard to features relevant to processing quality.
  • at least one machining parameter is set or changed on the basis of the determined at least one spatter feature, specifically advantageously in the direction of reducing the number and / or size of the spatter.
  • the at least one machining parameter preferably includes at least one of the following laser welding parameters: total power of the laser beam, pulse frequency of the laser beam, laser power modulation of the laser beam, focus position of the laser beam and division of the laser power between core and ring fibers of a double fiber, in which the laser beam is directed towards the workpiece.
  • the weld seam quality when using a double fiber with core and ring fiber is influenced by various process parameters.
  • One of the essential factors is the division of the laser power between core and ring fibers (2in1 fibers), which must be adapted to the requirements of the welding process.
  • the spatter formation in the process or melting zone is recorded using a suitable process camera.
  • the power distribution of the double fiber i.e. the laser power distribution between the core and ring fiber, is adjusted or regulated depending on the number and size of the sprites occurring. It is also possible to control other process-relevant parameters such as laser pulse frequency and laser power modulation.
  • the processing quality of the workpiece is preferably determined on the basis of the determined at least one spatter feature.
  • the total number of spatters determined during workpiece processing can be used as a quality assurance criterion.
  • the invention also relates to a processing machine with a processing head for directing a processing beam, in particular a laser beam, onto a workpiece to be processed, with a camera that is directed onto a spatial area that is produced during workpiece processing of spatter coming from a melting zone of the workpiece emerge, is flown through, and with an image processing unit for evaluating the splashes in an image recorded by the camera,
  • the image processing device according to the invention has a cross-image evaluation device which tracks the splashes over several consecutive images and at least one spatter feature is determined from the several images.
  • the cross-image evaluation device enables in particular the quantification and qualification of the splashes.
  • a CMOS camera with sufficient temporal and spatial resolution can be used as the camera.
  • the processing machine according to the invention has the same advantages as the method according to the invention.
  • the processing machine preferably has a control unit which is programmed to set or change at least one processing parameter on the basis of the determined at least one spatter feature during workpiece processing.
  • the camera can be aligned parallel or coaxially to the machining beam striking the workpiece or at an angle to the workpiece surface, in particular to the melting zone, or parallel to the workpiece surface.
  • the camera is particularly advantageously designed as a video camera. Using a recorded video sequence, a splash in the individual images can be tracked or identified particularly easily and simply across all images.
  • the invention also relates to a computer program product which has code means which are adapted to carry out all steps of the method according to the invention when the program runs on a controller of a processing machine.
  • FIG. 1 schematically a processing machine according to the invention for laser beam welding of workpieces
  • Figs. 2a-2c sequentially recorded images of welding spatter generated during laser welding.
  • the processing machine 1 shown schematically in FIG. 1 is used to weld a workpiece 2 by means of a laser beam 3.
  • the processing machine 1 comprises a laser beam generator 4 for generating the laser beam 3, a processing head 5 for directing the laser beam 3 onto the workpiece 2, a camera 6 which is directed to a spatial area 7, which during the workpiece processing of spatter 8, which from one of the Laser beam 3 melted melt zone 9 of the workpiece 2 exit, is flown through, and an image processing unit 10 for evaluating the spatter 8 in an image II1-H3 recorded by the camera 6 (FIGS. 2a-2c).
  • the laser beam 3 in a double fiber 12, which has a core fiber 13 and a ring fiber 14 surrounding the core fiber 13, in the direction of workpiece 2 leads.
  • the camera 6 can alternatively also be aligned parallel or coaxially to the laser beam 3 striking the workpiece 2 or also parallel to the workpiece surface 12 be tet.
  • the camera 6 can be designed for recording individual images or as a video camera for recording a video sequence.
  • the image processing device 10 has a cross-image evaluation device 16, which each time the splashes 8 over several follow successively recorded images 111-113 away and can determine one or more spatter features M from the several images II 1 -I I3.
  • the processing machine 1 has a control unit 17 which is programmed to set at least one welding parameter P on the basis of the specific spatter feature M during workpiece processing.
  • a controlled by the control unit 17 Ablenkein unit 18 is arranged, which the laser beam 3 according to the specific spatter feature M either only in the core fiber 13 or only in the ring fiber 14 or so well in the core fiber 13 and in the ring fiber 14 deflects.
  • the quality of the weld seam in laser beam welding with a double fiber 12 is influenced by various processing or process parameters.
  • One of the essential processing parameters is the division of the welding power between the core fiber 13 and the ring fiber 14, which must be adapted to the requirements of the welding process in order to minimize the number and size of the syringes 8 as much as possible.
  • the spatter formation in the melting zone 9 is recorded by means of the camera 6.
  • the spatter 8 is tracked by the cross-image evaluation device 16 over several consecutive images 111-113 and the number and size of the splashes 8 are tracked by the cross-image evaluation direction 16 determined from the several images II 1-H 3.
  • a spatter 8 is assigned its own identifier ID1-ID6 when it first occurs in a picture 111-113, with which this spatter 8 is then also identified in the subsequent pictures 111-113.
  • the distribution of the welding power to the core fiber 13 and the ring fiber 14 is adjusted or regulated.
  • it determines the Control unit 17 from the specific number and size of the spatter 8 as a processing parameter P a power distribution parameter, which is passed on as a manipulated variable to the deflection unit 18, which then deflects the laser beam 3 accordingly. From the specific number and size of the splashes 8, a loss of material volume in the melting zone 9 caused by the splashes 8 and, if the particle density is known, also the associated loss of mass in the melting zone 9 can be determined.
  • other splash features M can also be determined from the multiple images II 1 -H 3, such as the generation rate and density of the splashes 8, the speed of the sprayer 8 or the flight curve of the Splash 8.
  • control unit 17 can also adjust or regulate other machining parameters P, such as the total power, the pulse frequency or the focus position of the laser beam 3, and as manipulated variables during the workpiece machining from the spatter feature (s) M pass on the corresponding components, for example to the laser beam generator 4 or the processing head 5.
  • other machining parameters P such as the total power, the pulse frequency or the focus position of the laser beam 3, and as manipulated variables during the workpiece machining from the spatter feature (s) M pass on the corresponding components, for example to the laser beam generator 4 or the processing head 5.
  • the specific spatter feature or features M can also be used as a criterion for the processing quality of the workpiece 2.

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Abstract

Ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Spritzermerkmals (M) von Spritzern (8), die beim Bearbeiten eines Werkstücks (2) mittels eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (3), aus einer Schmelzzone (9) des Werkstücks (2) austreten, weist folgende Verfahrensschritte auf: - Aufnehmen von Bildern (111-113) eines von Spritzern (8) durchflogenen Raumbereiches (7) während des Bearbeitens des Werkstücks (2), und - Bestimmen des mindestens einen Spritzermerkmals (M) durch Auswerten der aufgenommenen Bilder (111-113), wobei erfindungsgemäß die Spritzer (8) jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder (111-113) hinweg verfolgt werden und das mindestens eine Spritzermerkmal (M) mittels einer bildübergreifenden Auswertung der mehreren Bilder (111-113) bestimmt wird.

Description

Verfahren zum Bestimmen von Spritzermerkmalen bei der Laserbearbeitung sowie zugehörige Bearbeitungsmaschine und Computerprogrammprodukt Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Spritzermerkmals von Spritzern, die beim Bearbeiten eines Werkstücks mittels ei nes Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, aus einer Schmelz zone des Werkstücks austreten, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aufnehmen von Bildern eines von Spritzern durchflogenen Raumbereiches während des Bearbeitens des Werkstücks, und
- Bestimmen des mindestens einen Spritzermerkmals durch Auswerten der auf genommenen Bilder, sowie auch eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Bearbeitungsma schine mit einem Bearbeitungskopf zum Richten eines Bearbeitungsstrahls, insbe sondere Laserstrahls, auf ein zu bearbeitendes Werkstück, mit einer Kamera, die auf einen Raumbereich gerichtet ist, der bei der Werkstückbearbeitung von Sprit zern durchflogen wird, welche aus einer Schmelzzone des Werkstücks austreten, und mit einer Bildverarbeitungseinheit zum Auswerten der Spritzer in einem von der Kamera aufgenommenen Bild.
Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind beispielsweise aus der DE 102014 107 716 B3 bekannt geworden.
Beim Schweißprozess mittels Laser entsteht an der Stelle, an der der Laserstrahl auf die zu fügenden Werkstücke trifft, ein Schmelzbad. Beim Tiefschweißen sind sehr hohe Leistungsdichten von etwa 1 Megawatt pro Quadratzentimeter nötig.
Der Laserstrahl schmilzt das Metall dann nicht nur auf, sondern erzeugt auch Dampf. In der Metallschmelze bildet sich sodann ein tiefes, schmales, dampfge fülltes Loch: die sog. Dampfkapillare (auch Keyhole genannt). Die Dampfkapillare ist das Ergebnis eines Gleichgewichts zwischen Druck des verdampfenden Materi als sowie auf die Schmelze wirkender Oberflächenspannung und Schwerkraft, welche dem Dampfdruck entgegen wirken, um die Dampfkapillare zu schließen. Die Dampfkapillare ist also von flüssigem Metall umgeben. Dieser flüssige Bereich wird allgemein als Schmelzbad bezeichnet. Die Schmelzbadform (Breite, Länge) ist gekennzeichnet durch die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen La serstrahl und Werkstoff, die Form der Wärmequelle und in hohem Maße durch das Bauteil selbst. Homogene Schweißnahtverläufe führen in der Regel zur Ausbil dung eines gleichmäßigen Schmelzbades, d.h., das Schmelzbad weist während des Prozesses eine konstante Größe auf. Änderungen im Schweißnahtverlauf (Spalt, Geschwindigkeit, Wärmeableitung) bewirken jedoch Änderungen in der Größe des Schmelzbades. Dies kann zur Folge haben, dass sich die von der Grö ße des Schmelzbades abhängigen Eigenschwingungen an determinierten Stellen auf der Schmelzbadoberfläche überlagern und sogenannte „Schmelzewellen" bil den. Diese können sich in alle Richtungen durch das Schmelzbad bewegen. Dem nach bilden die Schmelzewellen einen weiteren Faktor, der das beschriebene Gleichgewicht, welches die Dampfkapillare aufrechterhält, stören kann. Das be ständige Pumpen der Dampfkapillare führt dazu, dass der ausströmende Dampf beständig kleinste Mengen der Schmelze in Form von Prozessemissionen mit reißt. Wird dieser Prozess von „Schmelzwellen" gestört, bricht die Dampfkapillare zusammen. Eingeschlossenes Gas und der zeitgleiche Aufbau einer neuen Dampfkapillare führen zu Spritzern von aufgeschmolzenem Material, die sich in der Nähe der Schweißnaht auf der Oberfläche der Werkstücke ablagern. Das aus geworfene Material fehlt in der Schweißnaht, was im ungünstigsten Fall eine Nacharbeit erforderlich macht. Zusätzlich müssen die abgelagerten Metallspritzer entfernt werden, was eine kostspielige Nachbearbeitung erforderlich macht.
Aus der eingangs genannten DE 10 2014 107 716 B3 ist ein Verfahren zur Reduk tion von Schweißspritzern während des Schweißens mit einem Laserstrahl be kannt, wobei der Laserstrahl während des Schweißens eine der Vorschubbewe gung überlagerte, räumlich oszillierende Bewegung parallel oder senkrecht zum Fügestoß ausführt. Die Oszillationsparameter dieser Oszillation werden während des Schweißprozesses dynamisch in der Art angepasst, dass die Entstehung von Schweißspritzern reduziert wird. Als Grundlage für die Anpassung der Oszillati onsparameter werden die in einem Bildausschnitt von mit einer Kamera von dem Laserbrennfleck und dem Fügestoß mit hoher Wiederholrate aufgenommenen Bil dern erfasste Anzahl und Größe der Schweißspritzer in Echtzeit ausgewertet. Al lerdings werden dieselben Spritzer in mehreren Bildern möglicherweise mehrfach detektiert, was zu einer Verfälschung der erfassten Anzahl an Schweißspritzern führt.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass Spritzermerkmale, wie z.B. die Anzahl der Spritzer, möglichst unverfälscht bestimmt werden können und auch dynamische Spritzermerkmale, wie z.B. die Erzeugungsrate, Geschwindig keit und Flugkurve der Spritzer, bestimmt werden können. Es ist ferner auch Auf- gäbe der Erfindung, eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Bearbei tungsmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spritzer jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder hinweg verfolgt werden und dass das mindestens eine Spritzermerkmal mittels einer bildübergreifenden Auswertung der mehreren Bilder bestimmt wird.
Erfindungsgemäß werden die Bilder hinsichtlich Bearbeitungsqualitätsrelevanter Spritzermerkmale bildübergreifend ausgewertet. Bei den Spritzermerkmalen kann es sich um Anzahl und Größe der Spritzer, aber auch um Erzeugungsrate, Erzeu gungsdichte, Geschwindigkeit und Flugkurve der Spritzer handeln. Aus der be stimmten Anzahl und Größe der Spritzer kann ein durch die Spritzer verursachter Materialvolumenverlust der Schmelzzone und, bei Kenntnis der Partikeldichte, auch der zugehörige Masseverlust der Schmelzzone ermittelt werden. Bei dem Bearbeitungslaserstrahl handelt es sich um einen thermischen Bearbeitungsstrahl, wie z.B. einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl.
Vorzugsweise handelt es sich bei den ausgewerteten Bildern um Einzelbilder einer aufgenommen Videosequenz, wodurch eine eindeutige bildübergreifende Zuord nung der einzelnen Spritzer in den Einzelbildern sichergestellt ist.
Beim Zählen der Spritzer wird vorteilhaft mittels der bildübergreifenden Auswer tung ein und derselbe Spritzer nur in einem der mehreren Bilder, insbesondere nur beim erstmaligen Auftreten in einem Bild, gezählt. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass dieselben Spritzer in mehreren Bildern mehrfach gezählt werden, was zu einer Verfälschung der bestimmten Spritzeranzahl führen würdet.
Besonders bevorzugt wird einem Spritzer beim erstmaligen Auftreten in einem Bild ein eigener Identifikator zugeordnet, mit dem der Spritzer auch in den nachfolgen den Bildern gekennzeichnet wird. Die bildübergreifende Auswertung wertet dann einen in den Bildern mit demselben Identifikator gekennzeichneten Spritzer hin sichtlich Bearbeitungsqualitätsrelevanter Merkmale aus. Besonders bevorzugt wird während des Bearbeitens des Werkstücks mindestens ein Bearbeitungsparameter anhand des bestimmten mindestens einen Spritzer merkmals eingestellt oder geändert, und zwar vorteilhaft in Richtung einer Reduk tion der Anzahl und/oder Größe der Spritzer. Bei der Werkstückbearbeitung mittels Laserstrahl umfasst der mindestens eine Bearbeitungsparameter vorzugsweise mindestens einen der folgenden Laserschweißparameter: Gesamtleistung des La serstrahls, Pulsfrequenz des Laserstrahls, Laserleistungsmodulation des Laser strahls, Fokuslage des Laserstrahls und Aufteilung der Laserleistung auf Kern- und Ring-Faser einer Doppelfaser, in welcher der Laserstrahl in Richtung Werk stück geführt ist. Die Schweißnahtqualität bei Verwendung einer Doppelfaser mit Kern- und Ring-Faser ist durch diverse Prozessparameter beeinflusst. Einer der wesentlichen Faktoren ist die Aufteilung der Laserleistung auf Kern- und Ring-Fa ser (2in1 -Faser), welche passend zu den Anforderungen des Schweißprozesses angepasst werden muss. Um parallel zum Schweißvorgang Information über die Prozessstabilität bzw. das Aufkommen von Schweißspritzern zu erhalten, wird mit tels einer geeigneten Prozesskamera die Spritzerbildung in der Prozess- bzw. Schmelzzone erfasst. Abhängig von der Anzahl und Größe der auftretenden Sprit zer wird die Leistungsverteilung der Doppelfaser, also die Laserleistungsverteilung zwischen Kern- und Ringfaser, angepasst bzw. geregelt. Zusätzlich ist die Rege lung weiterer prozessrelevanter Parameter wie Laserpulsfrequenz und Laserleis tungsmodulation denkbar.
Bevorzugt wird die Bearbeitungsqualität des Werkstücks anhand des bestimmten mindestens einen Spritzermerkmals ermittelt. So kann beispielsweise die Gesamt anzahl der während der Werkstückbearbeitung bestimmten Spritzer als Kriterium zur Qualitätssicherung verwendet werden.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Bearbeitungsmaschine mit einem Bearbeitungskopf zum Richten eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf ein zu bearbeitendes Werkstück, mit einer Kamera, die auf einen Raumbereich gerichtet ist, der bei der Werkstückbearbeitung von Spritzern, welche aus einer Schmelzzone des Werkstücks austreten, durchflogen wird, und mit einer Bildverarbeitungseinheit zum Auswerten der Spritzer in einem von der Kamera aufgenommenen Bild, wobei die Bildverarbeitungsvorrichtung erfindungsgemäß eine bildübergreifende Auswertungseinrichtung aufweist, welche die Spritzer jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder hin weg verfolgt und aus den mehreren Bildern mindestens ein Spritzermerkmal be stimmt. Die bildübergreifende Auswertungseinrichtung ermöglicht insbesondere die Quantifizierung und Qualifizierung der Spritzer. Als Kamera kann beispiels wiese eine zeitlich und räumlich hinreichend gut auflösende CMOS-Kamera einge setzt werden. Mit der erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine ergeben sich die gleichen Vorteile wie beim erfindungsgemäßen Verfahren.
Vorzugsweise weist die Bearbeitungsmaschine eine Steuereinheit auf, die pro grammiert ist, während der Werkstückbearbeitung mindestens einen Bearbei tungsparameter anhand des bestimmten mindestens einen Spritzermerkmals ein zustellen oder zu ändern.
Um den von den Spritzern durchflogenen Raumbereich zu erfassen, kann die Ka mera parallel oder koaxial zu dem auf das Werkstück auftreffenden Bearbeitungs strahl oder unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche, insbesondere zur Schmelzzone, oder parallel zur Werkstückoberfläche ausgerichtet sein.
Besonders vorteilhaft ist die Kamera als eine Videokamera ausgeführt. Anhand ei ner aufgenommenen Videosequenz lässt sich ein Spritzer in den Einzelbildern be sonders leicht und einfach bildübergreifend verfolgen bzw. identifizieren.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Com puterprogramm produkt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung einer Bear beitungsmaschine abläuft.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine zum Laserstrahlschweißen von Werkstücken; und
Fign. 2a-2c zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder von beim Laserstrahl schweißen erzeugten Schweißspritzern.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dient zum Schweißen eines Werkstücks 2 mittels eines Laserstrahls 3.
Die Bearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 4 zum Erzeugen des Laserstrahls 3, einen Bearbeitungskopf 5 zum Richten des Laserstrahls 3 auf das Werkstück 2, eine Kamera 6, die auf einen Raumbereich 7 gerichtet ist, der bei der Werkstückbearbeitung von Spritzern 8, welche aus einer vom Laserstrahl 3 aufgeschmolzenen Schmelzzone 9 des Werkstücks 2 austreten, durchflogen wird, und eine Bildverarbeitungseinheit 10 zum Auswerten der Spritzer 8 in einem von der Kamera 6 aufgenommenen Bild II1-H3 (Fign. 2a-2c). Wie in Fig. 1 gezeigt, wird der Laserstrahl 3 in einer Doppelfaser 12, welche eine Kernfaser 13 und einer die Kernfaser 13 umgebende Ringfaser 14 aufweist, in Richtung Werkstück 2 ge führt.
Anders als im gezeigten Ausführungsbeispiel, in dem die Kamera 6 unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche 15 auf die Schmelzzone 9 gerichtet ist, kann die Kamera 6 alternativ auch parallel oder koaxial zu dem auf das Werkstück 2 auf treffenden Laserstrahl 3 oder auch parallel zur Werkstückoberfläche 12 ausgerich tet sein. Die Kamera 6 kann zur Aufnahme von Einzelbildern oder aber als eine Vi deokamera zur Aufnahme einer Videosequenz ausgeführt sein.
Die Bildverarbeitungsvorrichtung 10 verfügt über eine bildübergreifende Auswer tungseinrichtung 16, welche die Spritzer 8 jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder 111-113 hinweg verfolgen und aus den meh reren Bilder I I 1-I I3 ein oder auch mehrere Spritzermerkmale M bestimmen kann.
Außerdem weist die Bearbeitungsmaschine 1 eine Steuereinheit 17 auf, die pro grammiert ist, während der Werkstückbearbeitung mindestens einen Schweißpa rameter P anhand des bestimmten Spritzermerkmals M einzustellen. Im Strahlen gang des Laserstrahls 3 ist eine von der Steuereinheit 17 angesteuerte Ablenkein heit 18 angeordnet, die den Laserstrahl 3 entsprechend dem bestimmten Spritzer merkmal M entweder nur in die Kernfaser 13 oder nur in die Ringfaser 14 oder so wohl in die Kernfaser 13 als auch in die Ringfaser 14 ablenkt.
Die Schweißnahtqualität beim Laserstrahlschweißen mit einer Doppelfaser 12 ist durch diverse Bearbeitungs- bzw. Prozessparameter beeinflusst. Einer der we sentlichen Bearbeitungsparameter ist die Aufteilung der Schweißleistung auf die Kernfaser 13 und die Ringfaser 14, welche passend zu den Anforderungen des Schweißprozesses angepasst werden muss, um die Anzahl und Größe der Sprit zer 8 möglichst zu minimieren. Um parallel zum Schweißvorgang Informationen über die Prozessstabilität bzw. das Aufkommen von Spritzern 8 zu erhalten, wird mittels der Kamera 6 die Spritzerbildung in der Schmelzzone 9 erfasst. Dazu wer den während der Werkstückbearbeitung Bilder 111 -113 des Raumbereichs 7 auf genommen, aus denen dann von der Bildverarbeitungseinheit 10 die Anzahl und Größe der auftretenden Spritzer 8 bestimmt werden können. Um dabei denselben Spritzer 8 in den einzelnen Bildern 111-113 nicht mehrfach zu zählen, werden die Spritzer 8 von der bildübergreifenden Auswertungseinrichtung 16 jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder 111-113 hinweg verfolgt und die Anzahl und Größe der Spritzer 8 von der bildübergreifenden Auswertungsein richtung 16 aus den mehreren Bilder I I 1-H 3 bestimmt.
Wie in Fign. 2a-2c gezeigt, wird einem Spritzer 8 beim erstmaligen Auftreten in ei nem Bild 111-113 ein eigener Identifikator ID1-ID6 zugeordnet, mit dem dieser Spritzer 8 dann auch in den nachfolgenden Bildern 111-113 gekennzeichnet wird. Abhängig von der so bestimmten Anzahl und Größe der Spritzer 5 wird die Auftei lung der Schweißleistung auf die Kernfaser 13 und die Ringfaser 14 angepasst bzw. geregelt. Genauer gesagt bestimmt während der Werkstückbearbeitung die Steuereinheit 17 aus der bestimmten Anzahl und Größe der Spritzer 8 als Bear beitungsparameter P einen Leistungsaufteilungsparameter, der als Stellgröße an die Ablenkeinheit 18 weitergegeben wird, die den Laserstrahl 3 dann entspre chend ablenkt. Aus der bestimmten Anzahl und Größe der Spritzer 8 kann ein durch die Spritzer 8 verursachter Materialvolumenverlust der Schmelzzone 9 und, bei Kenntnis der Partikeldichte, auch der zugehörige Masseverlust der Schmelz zone 9 ermittelt werden.
Alternativ oder zusätzlich zu der Anzahl und Größe der Spritzer 8 können aus den mehreren Bildern I I 1 -H 3 auch andere Spritzermerkmale M bestimmt werden, wie z.B. die Erzeugungsrate und -dichte der Spritzer 8, die Geschwindigkeit der Sprit zer 8 oder auch die Flugkurve der Spritzer 8.
Wie in Fig. 1 angedeutet, kann die Steuereinheit 17 während der Werkstückbear- beitung aus dem oder den Spritzermerkmalen M auch andere Bearbeitungspara meter P, wie z.B. die Gesamtleistung, die Pulsfrequenz oder die Fokuslage des Laserstrahls 3, anpassen bzw. regeln und als Stellgrößen an die entsprechenden Komponenten, z.B. an den Laserstrahlerzeuger 4 oder den Bearbeitungskopf 5, weitergeben.
Das oder die bestimmten Spritzermerkmale M können auch als Kriterium der Be arbeitungsqualität des Werkstücks 2 herangezogen werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Bestimmen mindestens eines Spritzermerkmals (M) von Spritzern (8), die beim Bearbeiten eines Werkstücks (2) mittels eines Bear beitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (3), aus einer Schmelz zone (9) des Werkstücks (2) austreten, mit folgenden Verfahrensschritten:
- Aufnehmen von Bildern (111-113) eines von Spritzern (8) durchflogenen Raumbereiches (7) während des Bearbeitens des Werkstücks (2), und
- Bestimmen des mindestens einen Spritzermerkmals (M) durch Auswer ten der aufgenommenen Bilder (111-113), dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzer (8) jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenom mene Bilder (111-113) hinweg verfolgt werden und dass das mindestens eine Spritzermerkmal (M) mittels einer bildübergreifenden Auswertung der mehreren Bilder (111-113) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bilder (111- 113) Einzelbilder einer aufgenommen Videosequenz sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der bildübergreifenden Auswertung mindestens eines der folgenden Spritzermerkmale (M) bestimmt wird: Anzahl der Spritzer (8), Größe der Spritzer (8), Erzeugungsrate der Spritzer (8), Erzeugungsdichte der Spritzer (8), Geschwindigkeit der Spritzer (8), und Flugkurve der Spritzer (8).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass aus der be stimmten Anzahl und Größe der Spritzer (8) ein durch die Spritzer (8) verur sachter Materialvolumenverlust der Schmelzzone (9) ermittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass mittels der bildübergreifenden Auswertung ein und derselbe Spritzer (8) nur in einem der mehreren Bilder (111-113), insbesondere nur beim erstmaligen Auftreten in einem Bild (2), gezählt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass einem Spritzer (8) beim erstmaligen Auftreten in einem Bild (111-113) ein eigener Identifikator (ID1 -ID6) zugeordnet wird, mit dem der Spritzer (8) auch in den nachfolgenden Bildern (111-113) gekennzeichnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass während des Bearbeitens des Werkstücks (2) mindestens ein Bearbeitungsparameter (P) anhand des bestimmten mindestens einen Spritzermerkmals (M) eingestellt oder geändert wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Bearbeitungsparameter (P) in Richtung einer Reduktion der Anzahl und/oder Größe der Spritzer (8) eingestellt oder geändert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Bearbeiten des Werkstücks (2) mittels eines Laserstrahls (3) der mindes tens eine Bearbeitungsparameter (P) mindestens einen der folgenden La serschweißparameter umfasst: Gesamtleistung des Laserstrahls (3), Puls frequenz des Laserstrahls (3), Laserleistungsmodulation des Laserstrahls (3), Fokuslage des Laserstrahls (3) und Aufteilung der Laserleistung auf eine Kernfaser (13) und eine die Kernfaser (13) umgebende Ringfaser (14) einer Doppelfaser (12), in welcher der Laserstrahl (3) in Richtung Werk stück (2) geführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Bearbeitungsqualität des Werkstücks (2) anhand des be stimmten mindestens einen Spritzermerkmals (M) ermittelt wird.
11. Bearbeitungsmaschine (1 ) mit einem Bearbeitungskopf (5) zum Richten ei nes Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (3), auf ein zu bearbeitendes Werkstück (2), mit einer Kamera (6), die auf einen Raumbe reich (7) gerichtet ist, der bei der Werkstückbearbeitung von Spritzern (8), welche aus einer Schmelzzone (9) des Werkstücks (2) austreten, durchflo gen wird, und mit einer Bildverarbeitungseinheit (10) zum Auswerten der Spritzer (8) in einem von der Kamera (6) aufgenommenen Bild (I I 1-H 3), dadurch gekennzeichnet, dass die Bildverarbeitungsvorrichtung (10) eine bildübergreifende Auswer tungseinrichtung (16) aufweist, welche die Spritzer (8) jeweils über mehrere zeitlich nacheinander aufgenommene Bilder (111-113) hinweg verfolgt und aus den mehreren Bilder (I I 1-H 3) mindestens ein Spritzermerkmal (M) be stimmt.
12. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 11 , gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (17), die programmiert ist, während der Werkstückbearbei tung mindestens einen Bearbeitungsparameter (P) anhand des bestimmten mindestens einen Spritzermerkmals (M) einzustellen oder zu ändern.
13. Bearbeitungsmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) in einer Doppelfaser (12) mit einer Kernfaser (13) und ei ner die Kernfaser (13) umgebenden Ringfaser (14) in Richtung Werkstück (2) geführt ist und dass im Strahlengang des Laserstrahls (3) eine von der Steuereinheit (17) angesteuerte Ablenkeinheit (18) angeordnet ist, die den Laserstrahl (3) entsprechend dem bestimmten mindestens einen Spritzer merkmal (M) entweder nur in die Kernfaser (13) oder nur in die Ringfaser (14) oder sowohl in die Kernfaser (13) als auch in die Ringfaser (14) ab lenkt.
14. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kamera (6) parallel oder koaxial zu dem auf das Werkstück (2) auftreffenden Bearbeitungsstrahl oder unter einem Winkel zur Werkstückoberfläche (12) oder parallel zur Werkstückoberfläche (12) ausgerichtet ist.
15. Bearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kamera (6) als eine Videokamera ausgeführt ist.
16. Com puterprogramm produkt, welches Codemittel aufweist, die zum Durch führen aller Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 an gepasst sind, wenn das Programm auf einer Steuerung (17) einer Bearbei tungsmaschine (1) abläuft.
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