WO2022023112A1 - Verfahren zum überwachen eines laserschweissprozesses zum verschweissen zweier werkstücke hinsichtlich eines prozessabbruchs - Google Patents

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WO2022023112A1
WO2022023112A1 PCT/EP2021/070205 EP2021070205W WO2022023112A1 WO 2022023112 A1 WO2022023112 A1 WO 2022023112A1 EP 2021070205 W EP2021070205 W EP 2021070205W WO 2022023112 A1 WO2022023112 A1 WO 2022023112A1
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WO
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intensity
workpieces
laser
welding
melt
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Application number
PCT/EP2021/070205
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French (fr)
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Sebastian HECKER
Tim Hesse
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Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Publication date
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    • B23K26/50—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece
    • B23K26/57—Working by transmitting the laser beam through or within the workpiece the laser beam entering a face of the workpiece from which it is transmitted through the workpiece material to work on a different workpiece face, e.g. for effecting removal, fusion splicing, modifying or reforming
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    • B23K26/32—Bonding taking account of the properties of the material involved
    • B23K26/324—Bonding taking account of the properties of the material involved involving non-metallic parts

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a laser welding process for welding two workpieces that are transparent to the laser wavelength, preferably made of glass, with a pulsed laser beam, in particular an ultra-short pulse laser beam, melting a melting volume in the workpieces in the area of the interface between the two workpieces. to produce a weld seam, and wherein the intensity of the process radiation emitted by the melt volume is detected.
  • a pulsed laser beam in particular an ultra-short pulse laser beam
  • the quality control of two laser-welded glass workpieces takes place in a work step downstream of the welding process.
  • the welded end workpiece is often subjected to a complex manual test.
  • Process interruptions in the laser welding process are usually identified optically by means of a microscopic examination of the permanent weld seams after the end of the process (top view). The assessment of the overall welding result is based on the experience of a skilled worker.
  • DE 10 2018 128 377 A1 discloses a method for monitoring a welding process for welding two workpieces made of glass, where a weld seam is formed in the workpieces in a process zone exposed to a pulsed ultra-short pulse laser beam.
  • the intensity of the process radiation emitted by the process zone is detected in a time-resolved manner and the periodicity, the frequency and the frequency spectrum of intensity fluctuations of the detected process radiation are determined in order to draw conclusions about the quality of the weld seam produced.
  • the object of the present invention is to further develop the monitoring method mentioned at the outset such that when transparent workpieces are joined, a process termination of the laser welding process at the interface of the workpieces can be reliably detected.
  • this object is achieved according to the invention in that the detected intensity curve is evaluated with regard to abrupt or vertical drops in intensity in order to identify a process termination of the laser welding process caused by a gap.
  • the detected intensity curve can be evaluated during or after the laser welding process.
  • a Gaussian beam is used to focus in the glass volume near the interface and create a melting volume.
  • the absorption is pulled in the direction of the incident wave front, in particular over several pulses, since there is a preferred absorption due to the increased temperature.
  • the longitudinal position of the local energy input thus varies over several pulses due to shielding.
  • weld seams are generated in a targeted manner by modulating the laser power or beam shaping is used to shape the absorption front. If the interface lies within the melted volume, a material bond is created. If there is a gap between the workpieces to be joined that cannot be bridged, the process is aborted, which affects the intensity of the radiation emitted during the process.
  • melt is ejected into the gap, and this melt ejection and the associated cooling of the material initially prevent the absorption of the laser radiation from continuing in the upper material, so that a cavity remains.
  • the termination of the process has an effect on the formation of the subsequent melt volume, because the ejected melt, voids and cracks cause the laser radiation to be shielded, which means that the subsequent melt volume is not fully formed and does not reach the interface. Melting volumes that do not reach or penetrate the interface do not contribute to the welding process. This process runs periodically and leads to periodic behavior in the emitted process radiation (plasma emission).
  • a process termination is concluded in the process by the abrupt or vertical drop in intensity of the detected process radiation caused by a Melt ejection, and possibly also the periodic behavior of the detected process radiation in the event of a process termination, can be used as evidence of a process termination.
  • a process abort is identified during the welding process based on a specific process feature (sudden or vertical drop in intensity).
  • the quality test of welded joints can be carried out on an industrial scale directly during the welding process, which means that a time-consuming manual test downstream of the process can be omitted.
  • the detected intensity profile is preferably evaluated for each melt volume produced with regard to an abrupt or vertical drop in intensity.
  • the number of intensity breaks evaluated and also the periodicity of abrupt or vertical breaks in intensity can be used.
  • the length of the weld seam that shows a process termination at the interface can be determined based on the number of detected process terminations and the melt volume in between that does not contribute to the welding of the workpieces.
  • the laser power of the laser beam is preferably modulated in order to generate a single melting volume within a modulation period.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a device for monitoring a laser welding process for welding two workpieces made of glass
  • FIGs. 2a, 2b two micrographs of a weld seam between two workpieces made of alkali aluminosilicate glass in a cross-sectional view of the lower workpiece (FIG. 2a) and in a plan view of the upper workpiece (FIG. 2b);
  • Fig. 4 shows the measured intensity profile over time of the process radiation emitted during laser welding of two workpieces with melt volumes that are a short distance apart.
  • the device 1 shown schematically in Fig. 1 is used to monitor a laser welding process for welding two superimposed workpieces 2, 3, which are plate-shaped here by way of example, made of a material that is transparent to the laser wavelength, e.g. made of glass, by means of a pulsed laser beam 4.
  • An ultrashort pulsed laser beam with pulses in the femtosecond or picosecond range and with frequencies of the repetition rates of 100 kHz up to several MHz is preferably used as the pulsed laser beam 4 .
  • the laser beam 4 may have an elongated beam shape such as a Bessel beam shape.
  • the underside of the upper workpiece 2 in FIG. 1 and the upper side of the lower workpiece 3 rest against one another and form an interface 5 in which the welding is to be carried out or has been carried out.
  • the laser beam 4 is focused by processing optics 6 through the upper workpiece 2 into the lower workpiece 3 in the area of the boundary surface 5 in order to produce a melting volume 7 there.
  • An ultra-short pulse laser is preferably used, whose average power is modulated over time.
  • the processing parameters are preferably selected in such a way that a single melting volume 7 is generated for each modulation period.
  • the melting volume 7 is accordingly placed in the workpieces 2 , 3 in such a way that it is arranged close to the interface 5 or encompasses the interface 5 .
  • the laser beam 4 is moved together with the processing optics 6 in a feed direction X relative to the workpieces 2, 3 in order to pull in a weld seam 8 in the workpieces 2, 3.
  • the absorption in the lower workpiece 3 is pulled in the direction of the incident laser beam 4, since preferential absorption occurs at the upper side of the interaction zone due to the increased temperature.
  • the longitudinal position of the local energy input varies over several pulses. If the absorption area is shifted too far into the convergent beam, the energy input breaks down and the process starts again, starting from the focus F. Typically, this leads to modulated weld seams 8 with periodically lined up, possibly overlapping melt volumes 7 (periodic signature).
  • weld seams 8 are produced in a targeted manner by modulation of the laser power and/or beam shaping is used to shape the absorption front.
  • the process is aborted, which affects the intensity of the process radiation 10 emitted during the process.
  • the intensity of the emitted process Radiation 10 occurs through a detector preferably arranged coaxially to the laser beam 4, here in the form of a photodiode 11.
  • the detector can also be attached next to the processing optics 6 or below the workpieces 2, 3 (“off-axis”).
  • the emitted process radiation 10 can also be detected with a fast line sensor or a camera.
  • the laser beam 4 is guided to the processing optics 6 with a dichroic mirror 12, which is, for example, highly reflective for the laser wavelength and transmits radiation in the visible wavelength range from 300 to 800 nm, and is focused in the lower workpiece 3 just below the interface 5.
  • the dichroic mirror 12 can also be transmissive for the laser wavelength and reflective for the process radiation 10 .
  • the process radiation 10 can also be observed in the infrared wavelength range.
  • An optical filter element 13 is used to select a desired wavelength range and/or to suppress reflected laser radiation from the process radiation 10. Following the filter element 13, the process radiation 10 is focused onto the photodiode 11, e.g. with a lens 14.
  • a monitoring unit 15 is used to evaluate the temporal intensity profile of the emitted process radiation 10 and to draw conclusions about the quality of the weld seam 8 .
  • process radiation 10 is emitted with a continuous spectrum during the laser welding process. If the absorption front reaches a gap 9, melt is expelled or ejected into the gap 9 in a pulsed manner by the pressure prevailing within the heated material. This melt ejection and the associated cooling of the material initially prevent further absorption of the laser radiation and a cavity remains.
  • Figs. 2a, 2b show the same weld seam 8 between two workpieces 2, 3 made of alkali aluminosilicate glass in a cross section of the lower workpiece 3 and in a plan view.
  • the feed direction X of the laser beam 4 runs from right to left.
  • 2a shows a large number of melt volumes 7, with large melt volumes often having a cavity 16 and also often being surrounded by cracks 17. Between the large melting volume 7, which extends to the boundary surface 5, there are smaller melting volumes 7, which become larger in the feed direction X. 2b shows the same weld seam 8 from above; here cavities 16, cracks 17 and melt ejections 18 can be seen.
  • Fig. 3 shows the intensity curve l(t) of the emitted process radiation 10 over time when laser welding two workpieces in the case of a melt volume 7 with melt ejection 18.
  • Fig. 4 shows the measured temporal intensity profile l (t) of the emitted pro cess radiation 10 during laser welding of two workpieces, the Schmelzvo lumen 7 were generated in succession in time with a small temporal and thus clotting gem spatial distance. Since the spatial extent of the melting volume 7 is greater than the distance between the melting volume 7, the melting volume 7 overlaps subsequent melt volume reflected or scattered at the remaining cavity 16 or the solidified melt at the glass surface. After a melt ejection 18, there is initially no or only a slightly visible change caused by the material; such periods of time are marked with "o". The consequence of this is that little or no process radiation 10 is emitted.
  • melt volume 7 With increasing distance from the preceding melt volume 7, the reflection and scattering at the cavities 16 and the solidified melt decrease, as a result of which the melt volume 7 becomes increasingly larger. Since the expansion of the melting volume 7 is imaged by the process radiation 10 emitted, the maximum intensity increases as the melting volume 7 increases. Melting volumes 7 that do not reach the interface 5 are marked with "*" and do not contribute to the welding result. As soon as the melt volumes 7 become large enough and reach the interface 5, another melt ejection 18 occurs. Due to the periodicity of the build-up and decrease in the melt volume, the emitted process radiation 10 also shows a periodic behavior, namely a repetitive pattern of seam formation. A process termination is followed by increasingly larger melting volumes 7 (not strictly periodic, but a pattern can be seen).
  • melt volumes 7 that do not contribute to the welding result that occur between two process aborts, the lower the ratio of the melt volumes that contribute to the weld result to the total number of melt volumes generated, and consequently the lower the process efficiency. If there is little or no shielding of the laser radiation, the melting volume 7 reaches the interface 5 every time, so that the melt is ejected and the process is aborted. . As a result, there is an abrupt or vertical drop in the emitted process radiation 10 and thus in the intensity measured with each melt volume.
  • This drop in the emitted process radiation 10 due to a melt ejection 18 and the periodic behavior of the emitted process radiation 10 can be used as a feature for detecting a process termination. Since the termination and the periodic behavior of the emitted process radiation 10 can be observed equally over the entire emission spectrum, detection is possible over a large wavelength range or wavelength-selectively. This process behavior is independent of the beam shape or the energy input over time, which is why the same characteristics can be used to detect a process termination.
  • Each melt ejection 18 contributes to the welding result, since the melting volume 7 penetrates the boundary surface 5 and causes the two workpieces 2, 3 to form a material connection. The other melting volumes 7 are only produced in the lower workpiece 3, so that a cohesive connection cannot be achieved through these melting volumes 7.
  • the process radiation 10 measured by the photodiode 11 is evaluated in the monitoring unit 15 for a sudden or vertical drop in intensity for each melt volume 7 that is produced.
  • the signal gradient is evaluated for this purpose and, if the gradient falls below a predetermined threshold value, a drop in intensity is evaluated as erratic or vertical.
  • the drop in the measured process radiation 10 due to a melt ejection 18 and the periodic behavior of the measured process radiation 10 in the event of a process termination are used as concrete process features.
  • the length of the weld seam 8, which has a process interruption at the interface 5, can be determined on the basis of the number of detected process interruptions and melt volumes in between, which do not contribute to the welding result.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) detektiert wird, wird erfindungsgemäß der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich senkrechter Intensitätsabfälle ausgewertet wird, um einen spaltbedingten Prozessabbruch des Laserschweißprozesses zu identifizieren.

Description

Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke hinsichtlich eines Prozessabbruchs
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laser schweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transpa renter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken von einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolu men im Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen emittierten Prozessstrahlung detektiert wird. Ein derartiges Überwachungsverfahren beispielsweise durch die DE 10 2018 128 377 A1 bekannt geworden.
Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das geschweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzo gen. Die Identifikation von Prozessabbrüchen des Laserschweißprozesses erfolgt zumeist optisch durch eine mikroskopische Untersuchung an den permanenten Schweißnähten nach Prozessende (Draufsicht). Die Einschätzung des gesamten Schweißergebnisses basiert auf der Erfahrung eines Facharbeiters.
Aus der DE 10 2018 128 377 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas bekannt, wo bei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Ultrakurzpulslaserstrahl be aufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Intensität der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung wird zeitaufgelöst detektiert und die Periodizität, die Frequenz und das Frequenzspektrum von Intensitäts schwankungen der detektierten Prozessstrahlung bestimmt, um daraus auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht zu schließen.
Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Über wachungsverfahren dahingehend weiterzubilden, dass beim Fügen transparenter Werkstücke ein Prozessabbruch des Laserschweißprozesses an der Grenzfläche der Werkstücke zuverlässig erkannt werden kann.
Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich sprunghafter bzw. senkrechter Intensitätsabfälle ausgewertet wird, um einen spalt bedingten Prozessabbruch des Laserschweißprozesses zu identifizieren. Dabei kann die Auswertung des detektierten Intensitätsverlaufs während oder nach dem Laserschweißprozess erfolgen. Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolumen nahe der Grenzfläche fo kussiert und ein Schmelzvolumen erzeugt. Hierbei wird insbesondere über meh rere Pulse die Absorption in Richtung der einfallenden Wellenfront gezogen, da es dort aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbrin gung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vor gang startet, ausgehend vom Fokus, erneut, wodurch ein weiteres Schmelzvolu men gebildet wird. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten mit periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen (periodi sche Signatur). Alternativ werden Schweißnähte durch eine Modulation der Laser leistung gezielt erzeugt oder Strahlformung zur Formung der Absorptionsfront ein gesetzt. Liegt die Grenzfläche innerhalb des aufgeschmolzenen Volumens, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügenden Werk stücken einen Spalt, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Pro zessabbruch, der sich auf die Intensität der emittierten Strahlung während des Prozesses auswirkt.
Bei einem Prozessabbruch tritt ein Schmelzauswurf in den Spalt auf, und dieser Schmelzauswurf und die damit einhergehende Abkühlung des Materials verhin dern zunächst eine Fortsetzung der Absorption der Laserstrahlung im oberen Ma terial, so dass ein Hohlraum zurückbleibt. Der Prozessabbruch wirkt sich auf die Ausbildung der darauffolgenden Schmelzvolumen aus, denn die ausgeworfene Schmelze, Voids und Risse bewirken eine Abschirmung der Laserstrahlung, wodurch nachfolgende Schmelzvolumen nicht vollständig ausgebildet werden und die Grenzfläche nicht erreichen. Schmelzvolumen, welche die Grenzfläche nicht erreichen bzw. durchdringen, tragen nicht zum Schweißprozess bei. Dieser Pro zess läuft periodisch ab und führt zu periodischem Verhalten in der emittierten Prozessstrahlung (Plasmaemission).
Erfindungsgemäß wird im Prozess ausgehend von der Intensität der emittierten Prozessstrahlung auf einen Prozessabbruch geschlossen, indem der sprunghafte bzw. senkrechte Intensitätsabfall der detektierten Prozessstrahlung durch einen Schmelzauswurf, sowie ggf. auch das periodische Verhalten der detektierten Pro zessstrahlung im Falle eines Prozessabbruchs, als Nachweismerkmal eines Pro zessabbruchs herangezogen werden. Ein Prozessabbruch wird während des Schweißprozesses anhand eines konkreten Prozessmerkmals (sprunghafter bzw. senkrechter Intensitätsabfall) identifiziert. Erfindungsgemäß kann die Qualitätsprü fung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während des Schweißprozesses erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, auf wendige manuelle Prüfung entfallen kann.
Vorzugsweise wird der detektierte Intensitätsverlauf für jedes erzeugte Schmelz volumen hinsichtlich eines sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabfalls aus gewertet.
Als Maß für die Qualität der Schweißnaht können die Anzahl an ausgewerteten In- tensitätsabbrüchen und zusätzlich auch die Periodizität von sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabbrüchen herangezogen werden.
Die Länge der Schweißnaht, die einen Prozessabbruch an der Grenzfläche auf weist, kann anhand der Anzahl an detektierten Prozessabbrüchen und dazwi schenliegender Schmelzvolumen, welche nicht zum Verschweißen der Werkstü cke beitragen, ermittelt werden.
Vorzugsweise wird dabei die Laserleistung des Laserstrahls moduliert, um so in nerhalb einer Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen zu erzeugen.
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 abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwa chung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas;
Fign. 2a, 2b zwei Mikroskopaufnahmen einer Schweißnaht zwischen zwei Werkstücken aus Alkali-Aluminosilikatglas in einer Querschnittan sicht des unteren Werkstücks (Fig. 2a) und in einer Draufsicht auf das obere Werkstück (Fig. 2b);
Fig. 3 den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf der emittierten Pro zessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke für den Fall eines Schmelzvolumens mit Schmelzauswurf; und
Fig. 4 den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf der emittierten Pro zessstrahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke mit gering beabstandeten Schmelzvolumen.
Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Überwachen eines La serschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, hier ledig lich beispielhaft plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellen länge transparenten Material, z.B. aus wie Glas, mittels eines gepulsten Laser strahls 4. Als gepulster Laserstrahls 4 wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pulsen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetiti onsraten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet. Der Laserstrahl 4 kann eine langgezogene Strahlform, wie z.B. Bessel-Strahlform, aufweisen.
Die Unterseite des in Fig. 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 liegen aneinander an und bilden eine Grenzfläche 5, in der die Ver schweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde. Der Laser strahl 4 wird von einer Bearbeitungsoptik 6 durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 im Bereich der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, dessen mittlere Leistung zeitlich moduliert wird. Vorzugsweise werden die Bear beitungsparameter so gewählt, dass je Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen 7 erzeugt wird.
Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Fokus F treten im Glas material nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des gepulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmate rial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen 7 wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 5 angeordnet ist oder die Grenzfläche 5 umfasst. Beim er neuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüs sige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt. Der Laserstrahl 4 wird gemeinsam mit der Bearbeitungsoptik 6 in einer Vorschubrichtung X relativ den Werkstücken 2, 3 bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen.
Insbesondere über mehrere Pulse wird die Absorption im unteren Werkstück 3 in Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 gezogen, da es an der Oberseite der Wechselwirkungszone aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung der Laserstrahlung variiert die longitudi nale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus F, er neut. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten 8 mit periodisch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen 7 (periodische Signa tur). Alternativ werden Schweißnähte 8 durch eine Modulation der Laserleistung gezielt erzeugt und/oder Strahlformung zur Formung der Absorptionsfront einge setzt.
Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügen den Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, der nicht überbrückt werden kann, kommt es zu einem Prozessabbruch, der sich auf die Intensität der während des Prozesses emittierten Prozessstrahlung 10 auswirkt. Die Intensität der emittierten Prozess- Strahlung 10 erfolgt durch einen bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 4 angeordne ten Detektor, hier in Form einer Photodiode 11. Alternativ kann der Detektor auch neben der Bearbeitungsoptik 6 oder unterhalb der Werkstücke 2, 3 angebracht sein („off-axis“). Statt mit einer Photodiode kann die Detektion der emittierten Pro zessstrahlung 10 auch mit einem schnellen Zeilensensor oder einer Kamera erfol gen.
Der Laserstrahl 4 wird mit einem dichroitischen Spiegel 12, der beispielsweise hochreflektierend für die Laserwellenlänge und transmittierend für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm ist, zur Bearbeitungsoptik 6 geführt und im unteren Werkstück 3 kurz unterhalb der Grenzfläche 5 fokus siert. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 12 auch transmissiv für die La serwellenlänge und reflektiv für die Prozessstrahlung 10 sein. Statt oder zusätz lich zum sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Beobachtung der Prozess strahlung 10 auch im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Die vom Werk stück 2, 3 emittierte Prozessstrahlung 10 wird mithilfe der Bearbeitungsoptik 6 eingefangen und durch den dichroitischen Spiegel 12 aus dem Laserstrahlen strahlengang ausgekoppelt. Ein optisches Filterelement 13 dient zur Selektion eines gewünschten Wellenlängenbereiches und/oder zur Unterdrückung reflek tierter Laserstrahlung aus der Prozessstrahlung 10. Im Anschluss an das Fil terelement 13 wird die Prozessstrahlung 10, z.B. mit einer Linse 14, auf die Photodiode 11 fokussiert.
Mithilfe einer Überwachungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitätsverlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 ausgewertet und daraus auf die Qualität der Schweißnaht 8 geschlossen.
Ausgehend von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 4 im Werkstück 2, 3 wird während des Laserschweißprozesses Prozessstrahlung 10 mit einem konti nuierlichen Spektrum emittiert. Erreicht die Absorptionsfront einen Spalt 9, wird durch den innerhalb des erwärmten Materials herrschenden Druck impulsartig Schmelze in den Spalt 9 ausgetrieben bzw. ausgeworfen. Dieser Schmelzauswurf und die damit einhergehende Abkühlung des Materials verhindern zunächst eine weitere Absorption der Laserstrahlung und ein Hohlraum bleibt zurück. Fign. 2a, 2b zeigen in einem Querschnitt des unteren Werkstücks 3 und in einer Draufsicht dieselbe Schweißnaht 8 zwischen zwei Werkstücken 2, 3 aus Alkali- Aluminosilikatglas. Die Vorschubrichtung X des Laserstrahls 4 verläuft von rechts nach links. Fig. 2a zeigt eine Vielzahl an Schmelzvolumen 7, wobei große Schmelzvolumen oftmals einen Hohlraum 16 aufweisen und zudem häufig von Rissen 17 umgeben sind. Zwischen den großen Schmelzvolumen 7, die bis zur Grenzfläche 5 reichen, liegen kleinere Schmelzvolumen 7, die in Vorschubrichtung X größer werden. Fig. 2b zeigt dieselbe Schweißnaht 8 von oben; hier sind Hohl räume 16, Risse 17 und Schmelzauswürfe 18 zu erkennen.
Fig. 3 zeigt den zeitlichen Intensitätsverlauf l(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke für den Fall eines Schmelzvolumens 7 mit Schmelzauswurf 18. Der ab t = 0,2 ms stattfindende Intensitätsanstieg kenn zeichnet die Ausdehnung der Wechselwirkungszone und damit das Anwachsen des Schmelzvolumens 7 und der emittierten Prozessstrahlung 10. Erreicht zum Zeitpunkt t = 0,65 ms die Absorptionsfront den Spalt 9, wird Schmelze aus dem Schmelzvolumen 7 in den Spalt 9 ausgeworfen. Aufgrund des nun fehlenden ab strahlenden Schmelzvolumens fällt die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 zum Zeitpunkt t = 0,65 ms schlagartig bzw. senkrecht ab. Da der Prozess im oberen Werkstück 2 nicht fortgeführt werden kann, kommt es zu keiner Anbin dung zwischen den beiden Werkstücken.
Fig. 4 zeigt den gemessenen zeitlichen Intensitätsverlauf l(t) der emittierten Pro zessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke, wobei die Schmelzvo lumen 7 zeitlich aufeinanderfolgend mit geringem zeitlichem und dadurch gerin gem räumlichem Abstand erzeugt wurden. Da die räumliche Ausdehnung der Schmelzvolumen 7 größer als der Abstand der Schmelzvolumen 7 ist, überlappen die Schmelzvolumen 7. Nach einem Schmelzauswurf 18, der durch einen schlag artigen bzw. senkrechten Intensitätsabfall der emittierten Prozessstrahlung 10 ge kennzeichnet ist, wird der einfallende Laserstrahl 4 bei einem darauffolgenden Schmelzvolumen am zurückgebliebenen Hohlraum 16 oder der erstarrten Schmelze an der Glasoberfläche reflektiert oder gestreut. Nach einem Schmelz auswurf 18 wird daher zunächst keine oder nur eine gering sichtbare Änderung am Material hervorgerufen; solche Zeitspannen sind mit „o“ gekennzeichnet. Dies hat zur Folge, dass keine oder nur wenig Prozessstrahlung 10 emittiert wird. Mit zunehmendem Abstand von vorangehenden Schmelzvolumen 7 nehmen die Re flexion und Streuung an den Hohlräumen 16 und der erstarrten Schmelze ab, wodurch die Schmelzvolumen 7 zunehmend größer werden. Da die Ausdehnung der Schmelzvolumen 7 von der emittierten Prozessstrahlung 10 abgebildet wird, nimmt die maximale Intensität mit größer werdendem Schmelzvolumen 7 zu. Schmelzvolumen 7, welche die Grenzfläche 5 nicht erreichen, sind mit „*“ gekenn zeichnet und tragen nicht zum Schweißergebnis bei. Sobald die Schmelzvolumen 7 groß genug werden und die Grenzfläche 5 erreichen, kommt es zu einem weite ren Schmelzauswurf 18. Aufgrund der Periodizität des Schmelzvolumenaufbaus und -abbaus zeigt auch die emittierte Prozessstrahlung 10 ein periodisches Ver halten, nämlich ein sich wiederholendes Schema der Nahtausbildung. Auf einen Prozessabbruch folgen zunehmend größer werdende Schmelzvolumen 7 (nicht streng periodisch, aber Muster erkennbar). Je mehr Schmelzvolumen 7, die nicht zum Schweißergebnis betragen, zwischen zwei Prozessabbrüchen auftreten, desto geringer wird das Verhältnis der Schmelzvolumen, die zum Schweißergeb nis betragen, zur Gesamtanzahl erzeugter Schmelzvolumen und desto geringer wird folglich die Prozesseffizienz. Findet keine oder nur eine geringe Abschirmung der Laserstrahlung statt, erreicht das Schmelzvolumen 7 jedes Mal die Grenzflä che 5, so dass Schmelze ausgeworfen wird und es zu einem Prozessabbruch kommt. . Dadurch kommt es bei jedem Schmelzvolumen zu einem sprunghaften bzw. senkrechten Abfall der emittierten Prozessstrahlung 10 und damit der ge messenen Intensität.
Dieser Abfall der emittierten Prozessstrahlung 10 aufgrund eines Schmelzauswur- fes 18 sowie das periodische Verhalten der emittierten Prozessstrahlung 10 kön nen als Merkmal zur Detektion eines Prozessabbruchs herangezogen werden. Da der Abbruch und das periodische Verhalten der emittierten Prozessstrahlung 10 gleichermaßen über das gesamte Emissionsspektrum beobachtet werden können, ist die Detektion über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselek tiv möglich. Dieses Prozessverhalten ist unabhängig von der Strahlform oder der zeitlichen Energieeinbringung, weshalb für die Detektion eines Prozessabbruchs dieselben Merkmale herangezogen werden können. Jeder Schmelzauswurf 18 trägt zum Schweißergebnis bei, da hierbei das Schmelzvolumen 7 die Grenzfläche 5 durchdringt und eine stoffschlüssige Verbin dung der beiden Werkstücke 2, 3 bewirkt. Die anderen Schmelzvolumen 7 werden nur im unteren Werkstück 3 erzeugt, so dass eine stoffschlüssige Verbindung durch diese Schmelzvolumen 7 nicht erreicht werden kann.
Erfindungsgemäß wird die von der Photodiode 11 gemessene Prozessstrahlung 10 in der Überwachungseinheit 15 für jedes erzeugte Schmelzvolumen 7 auf einen sprunghaften bzw. senkrechten Intensitätsabfall hin ausgewertet. Beispielsweise wird hierfür die Signalsteigung ausgewertet und, sofern ein vorgegebener Stei gungsschwellwert unterschritten wird, ein Intensitätsabfall als sprunghaft bzw. senkrecht gewertet. Der Abfall der gemessenen Prozessstrahlung 10 durch einen Schmelzauswurf 18 sowie das periodische Verhalten der gemessenen Prozess- Strahlung 10 im Falle eines Prozessabbruchs werden als konkrete Prozessmerk male herangezogen. Die Länge der Schweißnaht 8, die einen Prozessabbruch an der Grenzfläche 5 aufweist, kann anhand der Anzahl an detektierten Prozessab- brüchen und dazwischenliegender Schmelzvolumen, welche nicht zum Schwei ßergebnis beitragen, ermittelt werden. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab di rekt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Überwachen eines Laserschweißprozesses zum Verschwei ßen zweier für die Laserwellenlänge transparenter Werkstücke (2, 3), vor zugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken (1, 2) von einem gepulsten Laserstrahl (4), insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolumen (7) im Bereich der Grenzfläche (5) der beiden Werkstücke (2, 3) aufge schmolzen wird, um eine Schweißnaht (8) zu erzeugen, und wobei die In tensität der vom Schmelzvolumen (7) emittierten Prozessstrahlung (10) de- tektiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich senkrechten Intensitäts abfälle ausgewertet wird, um einen spaltbedingten Prozessabbruch des La serschweißprozesses zu identifizieren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der detektierte Intensitätsverlauf für jedes erzeugte Schmelzvolumen (7) hinsichtlich eines senkrechten Intensitätsabfalls ausgewertet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aus wertung des detektierten Intensitätsverlaufs während oder nach dem Laser schweißprozess erfolgt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Anzahl an ausgewerteten Intensitätsabbrüchen als Maß für die Qualität der Schweißnaht (8) herangezogen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass zusätzlich die Periodizität von senkrechten Intensitätsabbrü chen als Maß für die Qualität der Schweißnaht (8) herangezogen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Länge der Schweißnaht (8), die einen Prozessabbruch an der Grenzfläche (5) aufweist, anhand der Anzahl an detektierten Pro- zessabbrüchen und dazwischenliegenden Schmelzvolumen (7), welche nicht zum Verschweißen der Werkstücke (2, 3) beitragen, ermittelt werden.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Laserleistung des Laserstrahls (4) moduliert wird.
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