DE10255497A1

DE10255497A1 - Regulation method for a laser spot-welding process, whereby scattering and reflection properties of the laser beam are measured prior to or at the beginning of a weld process in order to determine and regulate beam energy

Info

Publication number: DE10255497A1
Application number: DE2002155497
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Eßer; Michael Dr.-Ing. Schmidt
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: DE10255497B4

Abstract

Method for regulating laser energy parameters during laser-beam spot-welding, whereby scattering and reflection of the laser beam are measured before or at the beginning of processing in the joint zone. A significant characteristic value is determined from the reflection and scatter values and used to regulate the laser energy parameters. An Independent claim is made for a device for regulating the energy parameters of the laser beam of a laser spot welding apparatus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien.The invention relates to a method and a device for controlling laser energy parameters in the Laser spot welding especially of conductive, reflective materials.

Zum Hintergrund der Erfindung ist auf die zunehmende Miniaturisierung der Fügezone beispielsweise bei der Verschweißung von elektronischen Bauelementen auf Leiterbahnen zu verweisen. Viele in der Elektronikproduktion eingesetzte Materialien sind für die Laserbearbeitung nur wenig geeignet, da aufgrund der Geometrie der Fügezonen, wegen der verwendeten Materialpaarungen etc. Fügesituationen entstehen, bei denen das sogenannte Prozessfenster sehr klein ist. Ein Beispiel hierfür bildet die Cu-Leadframe-Montage, bei der ein Laserstrahl-Mikroschweißen als Verbindungsprozess zwar grundsätzlich in Frage kommt. Eine Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung konnte dabei jedoch bisher nur über Inline-Überwachung oder Einstellung prozessrelevanter Einflussgrößen und die Applikation einer komplexen Leistungsregelung erfolgen.The background to the invention is to the increasing miniaturization of the joining zone, for example in the welding to refer from electronic components to conductor tracks. Many in Materials used in electronics production are for laser processing not very suitable, because of the geometry of the joining zones, due to the material pairings etc. used, joining situations arise where the so-called process window is very small. An example therefor forms the copper leadframe assembly, where a laser beam micro welding as a joining process basically it is a possibility. Ensuring the reproducibility of the joint connection So far, however, has only been able to Line monitoring or setting process-relevant influencing variables and the application of a complex power control.

Ein Lösungsansatz zu dieser Problematik ist in dem Fachartikel Hoving, W.: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. In: Geiger, M.; Otto, A. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik (Tagungsband: LEF'99), Bamberg. Meisenbach, 1999. 19–21 angegeben. Die dort vorgestellte Methode hat sich jedoch nicht als ausreichend prozesssicher erwiesen. Speziell beim Fügen von Kupfermaterialien ändert sich das Absorptionsverhalten bei der Erwärmung durch die Ausbildung von Oxidschichten auf der Kupfer-Oberfläche stark. Dies bedingt einen extrein von der Oberfläche abhängigen und damit schlecht reproduzierba ren Energieeintrag pro Laserpuls, was zu signifikanten Prozessschwankungen führt. Damit kann die bei industriellen Fertigungsprozessen geforderte Zuverlässigkeit nicht erreicht werden.A solution to this problem is in the specialist article Hoving, W .: Laser Technology in Electronic Packaging and joining. In: Geiger, M .; Otto, A. (ed.): Laser in electronics production & precision engineering (Conference proceedings: LEF'99), Bamberg. Meisenbach, 1999. 19-21 specified. However, the method presented there has not proven to be proven to be sufficiently reliable. Especially when joining Copper materials changes the absorption behavior during heating by the formation of Oxide layers on the copper surface strong. This requires one extra pure from the surface dependent and thus poorly reproducible energy input per laser pulse, which leads to significant process fluctuations. This can be used in industrial manufacturing processes required reliability not can be achieved.

Aus den Fachartikeln von Lim, D. C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 41–49 und Lim, D. C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 2: quality estimation using an artifical neural network. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 51–57 ist es bekannt, für die Prozessüberwachung einen außerhalb der Strahlachse angebrachten Infrarot-Sensor zu verwenden. Dieser detektiert das Temperaturprofil beim Punktschweißen von Elektronenröhren für Fernsehgeräte, was Rückschlüsse auf die räumliche Ausprägung der Schmelzbadgeometrie und der Wärmeeinflusszone im Schweißpunkt erlaubt. Um die Vielzahl der Abhängigkeiten zwischen Signal und interessierenden Kenngrößen der Punktschweißung zu modellieren, wird ein künstliches neuronales Netzwerk trainiert, das bis zu 95 % Korrelation erreicht. Die in diesem Stand der Technik untersuchte Fügesituation schafft hinsichtlich der Materialauswahl Edelstahl und der Fügegeometrie allerdings nahezu ideale Bedingungen für eine Punktschweißung, sodass nur eine geringe Schwankungsbreite der Sensorsignale zu verzeichnen ist. Zudem wird hier eine Aussage über die Schweißqualität erst nach erfolgter Schweißung getroffen. Eine Regelung des Schweißprozesses selbst ist nicht vorgesehen.From the professional articles by Lim, D. C .; Gweon, D. G .: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor - Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (ed.): Proc. Instn. Mech. Engrs. - Volume 213, 1999. 41-49 and Lim, D. C .; Gweon, D.G .: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor - Part 2: quality estimation using an artifical neural network. In: ImechE (ed.): Proc. Instn. Mech. Engrs. - volume 213, 1999. 51-57 it is known for process monitoring one outside infrared sensor attached to the beam axis. This detects the temperature profile when spot welding electron tubes for televisions what Conclusions on the spatial shaping the weld pool geometry and the heat affected zone at the welding point. To the multitude of dependencies between the signal and the relevant parameters of spot welding modeling becomes an artificial one trains neural network that achieves up to 95% correlation. The joining situation examined in this prior art creates with regard to the choice of materials stainless steel and the joining geometry, however, almost ideal conditions for a spot weld, so that there is only a small fluctuation range of the sensor signals is. In addition, a statement about the welding quality is only made here completed welding met. There is no regulation of the welding process itself intended.

Aus dein Fachartikel Tönshoff, H.K; Schumacher, J.: Genau auf den Punkt gebracht – Prozeßkontrolle beim Nd: YAG-Laserstrahlschweißen unter Windows. In: F&M 104 (1996) 9, München: Carl Hanser, 1996. 605–608 ist es für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von dünnen Edelstahlfolien mit Hilfe einer Punktenaht bekannt, dass helle, spektral breitbandig emittierte Prozessleuchten zu detektieren, das auch als Sekundärleuchten bezeichnet wird. Diese Sekundärleuchten wird On-axis – also in der Laser-Strahlachse – über die Laserfaser zum Detektor übertragen, der innerhalb des Lasergehäuses angebracht ist. Eine Wandlung dieses Leuchtens in ein Signal ermöglicht somit die Überwachung des gesamten Schweißprozesses und kann für Rückschlüsse auf die erzielte Schweißquelle genutzt werden. Für die gleiche Spiegelgeometrie ist es aus den Fachartikeln von Bagger, C: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP.91-02/PI.91.1-A, Procestteknisk Institut, Danmarks Tekniske H⌀jskole, 1991 und Bagger, C.: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP.91-02/PI.91.1-A, Procestteknisklnstitut, Danmarks Tekniske H⌀jskole, 1991 bekannt, die On-axis-reflektierte Laserstrahlleistung zu detektieren, die zur Abschätzung der Ausbildung der sogenannten Dampfkapillare verwendet wird. Eine lineare Korrelation dieses Signals mit der durch metallografische Probenanalysen bestimmten Einschweißtiefe ist hier die Basis für eine Regelung, die darüber hinaus auch aus dem Beitrag Beyer, E.: Systeme zur Prozeßüberwachung und Regelung in der Laserfertigungstechnik. In: Fhg ILT (Hrsg.): Tagungsband des Aachener Kolloquium für Lasertechnik '95. 2–25 bekannt ist. Auch hier wird nicht innerhalb eines Schweißpulses geregelt, es erfolgt vielmehr eine Anpassung der Laserparameter von einem Schweißpunkt zum nächsten.From your specialist article Tönshoff, H.K; Schumacher, J .: In a nutshell - process control for Nd: YAG laser beam welding on Windows. In: F&M 104 (1996) 9, Munich: Carl Hanser, 1996. 605-608 is it for the Nd: YAG laser beam welding from thin Stainless steel foils with the help of a point seam known that bright, to detect spectrally broadband emitted process lights, the also as secondary lights referred to as. These secondary lights becomes on-axis in the laser beam axis - about that Transfer laser fiber to the detector, the inside of the laser housing is appropriate. A conversion of this lighting into a signal thus enables The supervision of the entire welding process and can for Conclusions on the sweat source achieved be used. For the same mirror geometry is from the specialist articles from excavators, C: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP.91-02 / PI.91.1-A, Procestteknisk Institute, Danmarks Tekniske H⌀jskole, 1991 and Bagger, C .: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP.91-02 / PI.91.1-A, Procestteknisklnstitut, Danmarks Tekniske H⌀jskole, Known in 1991 to detect the on-axis reflected laser beam power, the for assessment the formation of the so-called steam capillary is used. A linear correlation of this signal with that by metallographic Sample analyzes of a certain welding depth is the basis for a regulation, the one above also from the article by Beyer, E .: Systems for Process Monitoring and control in laser manufacturing technology. In: Fhg ILT (ed.): Conference proceedings of the Aachen Colloquium for Laser Technology '95. 2–25 known is. Here too, there is no regulation within a welding pulse; rather an adjustment of the laser parameters from one welding spot to the next.

Ein erster Ansatz zu einer Echtzeit-Impulsenergiebegrenzung bzw. Leistungsregelung wird in dein Fachartikel Kußmaul, K; Schäfer, M.: Energiedosierung – eine neue Perspektive für den Einsatz des Lasers in der Mikro verbindungstechnik. In: VTE 2/94. 81–87 dargestellt. Hier wird die in der Laser-Strahlachse reflektierte Leistung im Zeit- und Frequenzbereich untersucht, um nach Einschalten des Laserpulses zum Zeitpunkt t₀ den Zeitpunkt t_M des ersten Aufschmelzens der Oberfläche zu detektieren. Die Zeitspanne von t_M bis zum Pulsende wird dann konstant gehalten, während t_M – t₀ variabel bleibt. Damit werden die Schwankungen der Leistungsabsorption durch die oberflächliche Oxidschicht aufgefangen.A first approach to real-time pulse energy limitation or power control is in your article Kußmaul, K; Schäfer, M .: Energy metering - a new perspective for the use of lasers in micro connection technology. In: VTE 2/94. 81-87. Here, the power reflected in the laser beam axis is examined in the time and frequency domain, so that after switching on the laser pulse at time t _0, the time t _{M of} the first open to detect melting of the surface. The time period from t _M to the end of the pulse is then kept constant, while t _M - t ₀ remains variable. This absorbs fluctuations in power absorption through the superficial oxide layer.

Gerade beim Schweißen von Kupfer in der Elektronikproduktion führen schon leichte Veränderungen der Oberfläche, wie geringfügige Oxidation oder Rauigkeitsunterschiede dazu, dass diese Stellen mit für ungestörte Oberflächen festgelegten Prozessparametern nicht mehr fehlerfrei geschweißt werden können, d. h. die Prozessfenster für das Verschweißen auf solchen unterschiedlichen Oberflächen überlappen sich nicht.Especially when welding Copper in electronics production is already making slight changes the surface, like minor Oxidation or roughness differences mean that these spots with set for undisturbed surfaces Process parameters can no longer be welded correctly, d. H. the process window for the weld together on such different surfaces do not overlap.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen anzugeben, mit dem auch kritische Oberflächen- und damit Prozessfenster-Bedingungen besser beherrschbar werden.The invention is based on this the task of a method and a device for control specify laser energy parameters for laser spot welding, with which critical surface and thus process window conditions become more manageable.

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

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

In terms of process engineering, this object is achieved as follows by the method steps specified in claim 1:

- application of the respective spot welding point with a laser measuring beam of the same wavelength as the welding beam,
- Detection of the reflection of the measuring beam at the welding point occurring in the laser beam axis and determination of a representative reflection value,
- Detection of the scattering of the measuring beam occurring outside the laser beam axis at the welding point and determination of a representative scatter value,
- Determination of a characteristic value for the surface quality of the respective spot weld from the reflection value and the scatter value, and
- Regulating a laser energy parameter for spot welding at the respective spot welding point to one or more parameter values as a function of the characteristic value according to a predetermined association between these two values.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf das oberflächenabhängige Reflektions- und Streuverhalten der Fügezone auf, das mit Hilfe eines Messstrahles zu einem repräsentativen Reflektionswert und einem repräsentativen Streuwert führt. Bei diesen beiden Werten kann es sich beispielsweise um das Messsignal entsprechender Fotodetektoren handeln. Wie Versuche im Rahmen der Entwicklung der Erfindung gezeigt haben, können Reflektions- und Streuwert zu einen Kennwert verknüpft werden, der für die Oberflächenbeschaffenheit der erfassten Punktschweißstelle signifikant ist. Aufgrund dieses Kennwertes können ein oder mehrere Laser-Energieparameter für die an der untersuchten Stelle erfolgende Punktschweißung, also die Pulsleistung und/oder Pulsdauer und/oder Pulsform gemäß einer vorbestimmten Zuordnung geregelt werden. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch die Bestimmung der verschiedenen Prozessfenster für bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten ermittelt worden. Näheres hierzu ergibt sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.The method according to the invention is based on surface-dependent reflection and spreading behavior of the joining zone with the help of a measuring beam to a representative Reflective value and a representative Scattering value leads. These two values can be, for example, the measurement signal act corresponding photo detectors. How trials under the Development of the invention have shown reflectance and scatter value linked to a characteristic value be the one for the surface quality the detected spot weld is significant. Based on this characteristic, one or more laser energy parameters for the spot welding taking place at the investigated point, ie the pulse power and / or pulse duration and / or pulse shape according to a predetermined Assignment are regulated. This assignment is, for example, by the determination of the different process windows for certain surface conditions been determined. For details, this results from the description of the exemplary embodiment.

Dieses Verfahren wird vor oder zu Beginn jedes Punktschweißvorganges – also von Punkt zu Punkt – durchgeführt, ist also eine Echtzeit- Laserparameterregelung durch eine Vermessung des lokalen Oberflächenzustandes in der jeweiligen Fügezone. Damit ist für jeden Schweißpunkt eine hohe Zuverlässigkeit für eine ordnungsgemäße Schweißverbindung gegeben.This procedure is before or too Start of each spot welding process - i.e. from Point to point - is done a real-time laser parameter control by measuring the local surface condition in the respective Joining zone. In order to is for every spot weld high reliability for one proper weld connection given.

Gemäß bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet werden. Als Alternative dazu kann der eigentliche Schweißstrahl am Pulsanfang als Messstrahl verwendet und während seiner verbleibenden Pulsdauer auf den signifikanten Parameterwert geregelt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise bei Verwendung einer festen Pulsleistung die Pulsdauer entsprechend eingestellt wird.According to preferred further developments of the method according to the invention can be a separate measuring beam, the actual welding beam upstream test beam can be used. As an alternative to that can the actual welding beam used as a measuring beam at the beginning of the pulse and during its remaining Pulse duration can be regulated to the significant parameter value. In In practice, this means that, for example, when using a fixed pulse power the pulse duration is set accordingly.

Durch die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Verwendung mindestens zweier Off-axis-Photodioden zur Erfassung der seitlichen Streuung werden Fehlmessungen, wie sie beispielsweise durch eine Verkippung der Werkstückoberfläche relativ zum Laserstrahl auftreten könnten, vermieden. Für den Streuwert wird dabei ein aus den Signalen der mindestens zwei Off-axis-Detektoren gemittelter Wert angesetzt.By according to a preferred embodiment Intended use of at least two off-axis photodiodes for Detection of the lateral scatter are incorrect measurements as they are for example by tilting the workpiece surface relative to the laser beam avoided. For the The scatter value is averaged from the signals of the at least two off-axis detectors Value set.

In rechentechnischer Hinsicht hat es sich als besonders einfach herausgestellt, zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und Streuwert einen Quotienten zu bilden. Dies ist die am einfachsten zu realisierende aussagefähige Rechenoperation zwischen den zwei Größen.Computationally it turned out to be particularly easy to determine the significant Characteristic value from the reflection value and scatter value a quotient to build. This is the easiest and most meaningful arithmetic operation between the two sizes.

Die weiterhin beanspruchte Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers wird neben einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgeinäßen Verfahrens in der folgenden Beschreibung anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Insoweit erübrigen sich nähere Ausführungen an dieser Stelle. Es zeigen:The still claimed device to regulate energy parameters of a welding laser is in addition to an embodiment of the method according to the invention in the following description with reference to the attached drawings. in this respect unnecessary approach versions at this point. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Laserstrahl-Punktschweißeinrichtung mit einer Regelungsvorrichtung für die Laser-Energieparameter, 1 1 shows a schematic representation of a laser beam spot welding device with a control device for the laser energy parameters,

2 ein Prozessfenster-Diagramm von Pulsleistung in Abhängigkeit von Pulsdauer bei einem Punktschweißvorgang, 2 a process window diagram of pulse power as a function of pulse duration in a spot welding process,

3 ein Korrelationsdiagramm zwischen Reflektions- und Streuwert, und 3 a correlation diagram between reflection and scatter value, and

4 ein Korrelationsdiagramm der Pulsleistung in Abhängigkeit des Kennwertes aus Reflektions- und Streuwert. 4 a correlation diagram of the pulse power as a function of the characteristic value from the reflection and scatter value.

Die 1 zeigt einen gepulsten Laser 1, dessen Laserstrahl 2 über eine Lichtleitfaser 3 zu dem eigentlichen Bearbeitungskopf herangeführt wird. Der Laserstrahl 2 wird über eine dichroitischen Spiegel 4 und eine Strahlformungslinse 5 auf die Fügezone 6 einer Punktverschweißung zwischen einer dünnen Kupferschicht 7 auf einem Substrat 8 und dem Anschlussbeinchen 9 eines nicht näher dargestellten elektronischen Bauelements gerichtet. In Verlängerung der Lichtleitfaser 3 überwacht koaxial zur Laserstrahlachse A jenseits des dichroitischen Spiegels 4 eine erste Fotodiode 10 – die Laser-Monitor-Diode – die vom Laser emittierte Leistung, um diese für die im Folgenden erläuterten Regelungszwecke als Sollgröße zur Verfügung zu haben.The 1 shows a pulsed laser 1 . whose laser beam 2 over an optical fiber 3 is brought up to the actual processing head. The laser beam 2 is about a dichroic mirror 4 and a beam shaping lens 5 on the joining zone 6 a spot weld between a thin copper layer 7 on a substrate 8th and the connection leg 9 an electronic component not shown directed. In the extension of the optical fiber 3 monitors coaxially to the laser beam axis A beyond the dichroic mirror 4 a first photodiode 10 - The laser monitor diode - the power emitted by the laser in order to have it available as a target variable for the control purposes explained below.

Oberhalb des dichroitischen Spiegels 4 ist ebenfalls koaxial zur Laserstrahlachse A eine Fotodinde 11, im Folgenden „On-axis-Dinde" genannt, angeordnet, die die in der Laserstrahlachse A auftretende Reflektion R des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfasst.Above the dichroic mirror 4 is also arranged coaxially to the laser beam axis A, a photo nozzle 11, hereinafter referred to as "on-axis dinde", which contains the reflection R of the laser beam occurring in the laser beam axis A. 2 in the joining zone 6 detected.

Ferner sind in einem Winkel W von beispielsweise 60° zur die Werkstückebene darstellenden Horizontalen zwei weitere Fotodioden 12, 13 – die Off-axis-Dioden – radial gegenüberliegend bezogen auf die Laserstrahlachse A angeordnet, die die außerhalb der Strahlachse A auftretende Streuung S des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfassen.Furthermore, two further photodiodes are at an angle W of, for example, 60 ° to the horizontal representing the workpiece plane 12 . 13 - The off-axis diodes - arranged radially opposite with respect to the laser beam axis A, the scattering S of the laser beam occurring outside the beam axis A. 2 in the joining zone 6 to capture.

Schließlich ist eine Signalauswerte- und Regeleinrichtung 14 vorgesehen, die mit dem Laser 1, der Laser-Monitor-Photodiode 10, der On-axis-Photodiode 11 und den beiden Off-axis-Photodioden 12, 13 in mess- und regeltechnischer Weise gekoppelt ist. In dieser Regeleinrichtung 14 werden die im Folgenden näher erläuterten Bestimmungen und Berechnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen und der Laser 1 entsprechend in seiner Pulsdauer τ_H und/oder Pulsleistung P_H und/oder Pulsform gesteuert.Finally, there is a signal evaluation and control device 14 provided that with the laser 1 , the laser monitor photodiode 10 , the on-axis photodiode 11 and the two off-axis photodiodes 12 . 13 is coupled in a measurement and control manner. In this control device 14 the determinations and calculations for carrying out the method according to the invention, which are explained in more detail below, and the laser 1 controlled accordingly in its pulse duration τ _H and / or pulse power P _H and / or pulse shape.

Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird anhand von 2 das Prozessfenster-Diagramm eines Punktschweißvorgangs bei einer Kupfer-Oberfläche erläutert. In dem Diagramm ist die Pulsleistung P_H gegenüber der Pulsdauer τ_H aufgetragen und dabei die Leistungsgrenze des Lasers strichliert mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet. Explizit schafft der von dem Diagramm repräsentierte Laser also eine Leistung von 4 kW bis zu einer Pulsdauer von knapp 6 ms. Anschließend sinkt bei steigender Pulsdauer die maximale Laserleistung auf 2,5 kW bei 10 ms.Before going into this in more detail, we will use 2 the process window diagram of a spot welding process on a copper surface is explained. In the diagram, the pulse power P _{H is} plotted against the pulse duration τ _H and the power limit of the laser is dashed with the reference symbol 15 indicated. The laser represented by the diagram explicitly creates a power of 4 kW up to a pulse duration of almost 6 ms. Then, with increasing pulse duration, the maximum laser power drops to 2.5 kW at 10 ms.

Für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche gilt das von der Laser-Leistungsgrenze 15 und der mit durchgezogener Linie gezeigten Unter grenze 16 markierte Prozessfenster ➀. Eine geschliffene Oberfläche ist relativ gut reflektierend, sodass zur Erzeugung einer zuverlässigen Schweißverbindung eine relativ hohe Laserenergie, also eine hohe Leistung bei geringer Pulsdauer oder eine hohe Pulsdauer bei geringerer Laserleistung eingebracht werden muss. Zuverlässige Verbindungen werden bei Laserparametern erreicht, die in der Mitte des Prozessfensters liegen, beispielsweise bei einer Pulsdauer von 5 ms und einer Leistung von 3,5 kW oder einer Pulsdauer von 8 ms und einer Pulsleistung von 2,5 kW. Bei gleicher Pulsdauer würde eine Laserleistung von 2 kW unterhalb des Prozessfensters ➀ liegen und damit zu keiner Verbindung führen.For a polished copper surface, this applies to the laser power limit 15 and the lower limit shown with a solid line 16 marked process window ➀. A ground surface is relatively well reflective, so that in order to produce a reliable welded connection, a relatively high laser energy, that is to say a high power with a short pulse duration or a high pulse duration with a lower laser power, must be introduced. Reliable connections are achieved with laser parameters that are in the middle of the process window, for example with a pulse duration of 5 ms and a power of 3.5 kW or a pulse duration of 8 ms and a pulse power of 2.5 kW. With the same pulse duration, a laser power of 2 kW would be below the process window ➀ and would therefore not lead to a connection.

Die beiden strichpunktierten Linien 17 geben die Obergrenzen der Prozessfenster ➁ und ➂ für eine oxidierte bzw. geschliffene, oxidierte Kupfer-Oberfläche an. Die Untergrenzen 18 sind punktiert angedeutet. Gut erkennbar liegen diese Prozessfenster ➁ und ➂ deutlich unterhalb des Prozessfensters ➀ für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche. Dies ist dadurch bedingt, dass durch die oberflächliche Oxidation das Reflektionsvermögen herabgesetzt ist und damit ein höherer Energieeintrag in die Fügezone stattfindet. Insoweit wird die Laserenergie besser umgesetzt, womit entsprechend eine geringere Leistung und/oder Pulsdauer verwendet werden kann. Gute Schweißverbindungen werden bei einer oxidierten Oberfläche beispielsweise mit einer Laserleistung von 3 kW bei einer Pulsdauer von 4 ms, einer Leistung von 2 kW und einer Pulsdauer von 7 ms usw. erzielt.The two dash-dotted lines 17 indicate the upper limits of the process windows ➁ and ➂ for an oxidized or ground, oxidized copper surface. The lower limits 18 are indicated by dotted lines. These process windows are clearly visible ➁ and ➂ well below the process window ➀ for a polished copper surface. This is due to the fact that the surface oxidation reduces the reflectivity and thus a higher energy input into the joining zone takes place. In this respect, the laser energy is implemented better, which means that a lower power and / or pulse duration can be used accordingly. Good welded connections are achieved with an oxidized surface, for example with a laser power of 3 kW with a pulse duration of 4 ms, a power of 2 kW and a pulse duration of 7 ms etc.

Um nun die Beschaffenheit der Oberfläche an der jeweiligen Punktschweißstelle, also in der jeweiligen Fügezone 6, zu erfassen, werden die Reflektion R und die Streuung S mit Hilfe der Dioden 11, 12, 13 nach Aufbringen eines pulsartigen Messstrahles auf die Fügezone erfasst. Der Messstrahl kann dabei ein niedrigenergetischer, vom Laser 1 ausgesandter Strahl bzw. der eigentliche Schweißstrahl in seiner Startphase sein. Als Zeitfenster kann beispielsweise eine Messdauer von 100 bis 300 μs am Anfang des bis zu 10 ms dauernden Schweißpulses verwendet werden.Now about the quality of the surface at the respective spot welding point, i.e. in the respective joining zone 6 , detection, the reflection R and the scatter S with the help of the diodes 11 . 12 . 13 after applying a pulse-like measuring beam to the joining zone. The measuring beam can be a low-energy laser 1 emitted beam or the actual welding beam in its starting phase. For example, a measurement period of 100 to 300 μs at the beginning of the welding pulse lasting up to 10 ms can be used as the time window.

In 3 ist nun für verschiedene Oberflächenzustände die maximale Diodenspannung der Fotodiode 11 – das grauunterlegte On-axis-Signal U_ON im Diagramm – als repräsentativer Reflektionswert, die gemittelte maximale Diodenspannung der beiden Dioden 12, 13 – das kreuzschraffiert unterlegte Off-axis-Signal U_OFF – als repräsentativer Streuwert aufgetragen. So ergibt sich bei einer spiegelnden, blanken Oberfläche (linke Balkengruppe in 3) ein hoher Reflektionswert U_ON von über 8 V Diodenspannung, wogegen der Streuwert U_OFF mit 2 V gemittelter maximaler Diodenspannung demgegenüber gering ist. Bei blank oxidierter Oberfläche (zweite Balkengruppe von links) kehren sich die Verhältnisse um, indem das On-axis-Signal U_ON niedrig ist (geringere Reflektion) und das Off-axis-Signal U_OFF sich vervielfacht hat (Streuung durch raue oxidierte Oberfläche). Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei einer geschliffenen, oxidierten Oberfläche (rechte Balkengruppe in 3) bzw. etwas abgeschwächt bei einer geschliffenen Oberfläche (zweite Balkengruppe von rechts in 3).In 3 is the maximum diode voltage of the photodiode for different surface conditions 11 - The gray-shaded on-axis signal U _ON in the diagram - as a representative reflection value, the average maximum diode voltage of the two diodes 12 . 13 - The cross-hatched off-axis signal U _OFF - plotted as a representative scatter value. This results in a reflective, bare surface (left bar group in 3 ) a high reflection value U _ON of over 8 V diode voltage, whereas the scatter value U _OFF with 2 V averaged maximum diode voltage is low. In the case of a bare oxidized surface (second group of bars from the left), the situation is reversed in that the on-axis signal U _{ON is} low (lower reflection) and the off-axis signal U _OFF has multiplied (scatter due to rough oxidized surface) , Similar conditions result for a ground, oxidized surface (right bar group in 3 ) or somewhat weakened with a ground surface (second group of bars from the right in 3 ).

Aus dem On-axis- U_ON und Off-axis-Signal U_OFF wird beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren nun ein signifikanter Kennwert in Form des Quotienten Q = U_ON/U_OFF dieser beiden Werte gebildet, der in 3 als weißpunktiert unterlegter Balken dargestellt ist. Wie sich ohne weiteres aus einem Vergleich der Signalquotienten Q bei den unterschiedlichen Oberflächenzuständen ergibt, sind diese Quotienten signifikant für den jeweiligen Oberflächenzustand. Insofern kann der so in Echtzeit ermittelte Signalquotient Q als Kennwert für die Regelung der Pulsleistung, Pulsdauer oder Pulsforin des für die Punktverschweißung an dieser Stelle verwende ten Laserpulses herangezogen werden. Der entsprechende Parameter wird dabei beispielsweise aus der in 4 gezeigten mathematischen Näherungsfunktion ermittelt, die die zu verwendende Pulsleistung P_H bei sich ändernden Signalquotienten Q zeigt. Die beiden Linien 19 und 20 stellen dabei die untere und obere Prozessfenstergrenze und die Linie 21 die optimale Leistung in Abhängigkeit des Signalquotienten dar. Oben ist im Diagramm gemäß 4 wieder die Leistungsgrenze 15 des Lasers strichliert eingetragen.From the on-axis U _ON and off-axis signal U _OFF , a significant characteristic value is now formed in the control _{method according} to the invention in the form of the quotient Q = U _ON / U _{OFF of} these two values 3 is shown as a bar with white dots. As can readily be seen from a comparison of the signal quotients Q for the different surface states, these quotients are significant for the respective surface state. In this respect, the signal quotient Q determined in real time can be used as a characteristic value for regulating the pulse power, pulse duration or pulse form of the laser pulse used for spot welding at this point. The corresponding parameter is, for example, from the in 4 shown mathematical approximation function, which shows the pulse power P _H to be used with changing signal quotients Q. The two lines 19 and 20 represent the lower and upper process window limits and the line 21 shows the optimal performance depending on the signal quotient 4 again the performance limit 15 of the laser entered in dashed lines.

Statt der in 1 gezeigten, getrennten Fotodioden 11, 12, 13 für die On-axis-Erfassung der Reflektion und die Off-axis-Erfassung der Streuung des Laserstrahles kann anstelle der On-axis-Photodiode 11 ein Mehrquadranten-Fotodetektor angebracht werden. Dieser weist zentral eine On-axis-Photodiode und außerhalb der Strahlachse A radial beabstandete Dioden auf, die dann als Off-axis-Detektoren arbeiten.Instead of in 1 shown, separate photodiodes 11 . 12 . 13 For the on-axis detection of the reflection and the off-axis detection of the scattering of the laser beam, instead of the on-axis photodiode 11 a multi-quadrant photodetector can be attached. This has a central on-axis photodiode and radially spaced diodes outside the beam axis A, which then operate as off-axis detectors.

Claims

Method for controlling laser energy parameters during laser beam spot welding, in particular of conductive, reflective materials, characterized by the following method steps: 6 ) with a laser measuring beam ( 2 ) same wavelength as the welding beam ( 2 ), - Detection of the reflection (R) of the measuring beam occurring in the laser beam axis (A) ( 2 ) at the welding point ( 6 ) and determination of a representative reflection value (U _OFF ), - detection of the scatter (S) of the measuring beam occurring outside the laser beam axis (A) ( 2 ) at the welding point ( 6 ) and determination of a representative scatter value (U _OFF ), - determination of a for the surface quality of the respective spot weld ( 6 ) significant characteristic value (Q from the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ), and - regulation of a laser energy parameter for spot welding at the respective spot welding point ( 6 ) to one or more parameter values (P _H , τ _H ) as a function of the characteristic value (Q according to a predetermined association between these two values.

A method according to claim 1, characterized in that as a measuring beam a separate, the actual welding beam temporally preceding test beam is used.

A method according to claim 1, characterized in that the actual welding beam ( 2 ) used at the beginning of the pulse and the welding beam ( 2 ) is regulated to the significant parameter value during its remaining pulse duration (τH).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the detection of the lateral scatter (S) at least two off-axis photodiodes ( 12 . 13 ) are used, whose measurement signals are averaged to determine the scatter value (U _OFF ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that that for detection of reflection (R) and lateral scatter (S) a multi-quadrant photodiode arranged on the laser beam axis is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a quotient (Q from the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ) is formed to determine the significant characteristic value.

Device for controlling energy parameters of a welding laser ( 1 ) when using laser beam spot welding, especially of conductive, reflective materials - a pulsed laser beam source ( 1 ) to generate a laser measuring beam ( 2 ) same wavelength as the welding beam ( 2 ), - a coaxial to the laser beam axis (A), the reflection (R) of the measuring beam occurring in the laser beam axis (A) ( 2 ) at the welding point ( 6 ) detecting reflection photodetector ( 11 ), - at least one scattering (S) of the measuring beam (S) occurring outside the laser beam axis (A), which occurs outside the laser beam axis (A) 2 ) at the welding point ( 6 ) detecting stray photodiode ( 12 . 13 ), and - one with the welding laser ( 1 ), the reflection photodetector ( 11 ) and the scattering photodetector ( 12 . 13 ) coupled signal evaluation and control device ( 14 ) for - determining a reflection value (U _ON ) representative of the reflection (R) and a scatter value (U _OFF ) representative of the scatter (S), - determining one for the surface quality of the respective spot weld ( 6 ) significant characteristic value (Q from the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ), and - regulation of a laser energy parameter for spot welding at the respective spot welding Job ( 6 ) to a parameter value (P _H , τ _H ) depending on the characteristic value (Q according to a predetermined association between these two values.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the laser beam source for the measuring beam from the welding laser ( 1 ) itself is formed.

Device according to claim 7 or 8, characterized by at least two off-axis photodiodes ( 12 . 13 ) for the detection of the lateral scatter.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized by a multi-quadrant photodiode arranged coaxially to the laser beam axis (A) to record both the reflection (R) and the scatter (S).