DE19716293C2 - Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Rege­ lung beim Laserstrahlschweißen.

Seit einigen Jahren werden Laser in der industriellen Fertigung insbesondere zum Schweißen, Schneiden und Oberflächenbehandeln eingesetzt. In der Automobilindustrie beispielsweise gewinnt die Laserschweißtechnik aufgrund der hohen erzielbaren Bearbei­ tungsgeschwindigkeiten, der geringen thermischen Belastung des Werkstückes und der hohen Automatisierbarkeit zunehmend an Be­ deutung. Verbunden mit dem Einsatz dieser Technologie ist der Bedarf nach einer Qualitätssicherung der erzeugten Schweißnaht auf der Grundlage einer Überwachungs- (und Regelungs-)möglich­ keit des Schweißprozesses.

Aus "Opto-elektronischer Sensor für die Echtzeitbeobachtung beim Laserschweißen zur Nahtführung und adaptiven Prozessbeein­ flussung" von W. Jüptner und B. Hollermann, Laser und Optoelek­ tronik, 1990, 56 ff, ist ein videooptischer Sensor bekannt, mit welchem mittels einer bildauswertenden Elektronik Charakteri­ stika des Schmelzbades ermittelt werden können und der zur Auf­ nahme der Schmelzbadgeometrie eine Schwarz/Weiß-CCD-Kamera zur Aufnahme eines zusätzlich durch einen Beleuchtungslaser ausge­ leuchteten Schmelzbades eines Laserschweißvorgangs umfaßt. Bei den erhaltenen Aufnahmen eines Schmelzbades wirkt sich der stö­ rende Einfluß des Leuchtens des im Zentrum des Schweißvorgangs erzeugten Plasmas aus, der mit Hilfe einer intensiv strahlenden Infrarot-Lampe unterdrückt werden soll. Um die Schmelzbadgeome­ trie auswerten zu können, wird die erhaltene Aufnahme stark ge­ filtert (durch Anwendung eines Laplace-Filters und/oder Tief­ pass-Filters und/oder Sobel-Filters) und binarisiert sowie eventuell fouriertransformiert. In dem derart erhaltenen Bild kann das Schmelzbad nicht in seiner Gesamtheit herausgestellt werden, da der erhaltene helle Bereich aufgrund der vorangegan­ genen Bildverarbeitung nur Teile des Schmelzbades, jedoch nicht die reale Schmelzbadgeometrie wiedergibt, so daß eine Auswer­ tung eines einzigen Bildes nicht zu einer eindeutigen Aussage über die Geometrie des Schmelzbadrandes führen kann. Aus diesem Grunde wird in dem bekannten System der Einbezug von zehn oder mehr Aufnahmen durch sukzessive Superposition gefordert.

Aus "Thermografische Bilderzeugung und -verarbeitung beim La­ serschweißen" von G. Brüggemann aus: Bildhafte Darstellung und Auswertung der Ergebnisse der ZfP, DGZfP - Deutsche Gesell­ schaft für zerstörungsfreie Prüfung, Stutensee, 27.-28. Novem­ ber 1995, ist ein System zur Qualitätskontrolle beim Laser­ schweißen bekannt, das eine CCD-Kamera mit vorgeschalteten Po­ larisations- und Metallinterferenzfiltern zur selektiven und partiellen Dämpfung umfaßt, mittels welchem der Schweißvorgang im nahen Infrarot aufgenommen wird. Da nach der selektiven Fil­ terung der Lichtstrahlung des Schmelzbades die Wärmestrahlung bereits so stark abgedunkelt ist, daß eine weitere globale Ab­ schattung die Information über das Wärmefeld verfälschen würde, werden nur lokale Bildfragmente des Laserplasmas und dessen di­ rekte Umgebung mittels eines direkt auf dem Kamera-Chip mon­ tierten Graufilters partiell gedämpft (abgedunkelt). Da mit dem bekannten System eine quantitative Temperaturmessung durchge­ führt werden soll, wurde jedem Grauwert der CCD-Kamera eine Temperatur zugeordnet. Die weitere Auswertung basiert auf einem Vergleich mit Referenzgeometrien.

Des weiteren ist aus "Analyse thermographischer Bilddaten zur On-line-Überwachung von Laserstrahlprozessen" von G. Brüggemann und F. Heindörfer aus: Schweißen und Schneiden, 1994, 622-625, ein System zur Schweißprozeßüberwachung bekannt, bei dem durch Registrieren des von der Schweißung ausgehenden Temperaturfel­ des das Schmelzbad bzw. seine geometrischen Abmessungen Rück­ schlüsse auf Veränderungen der Laserleistung und/oder der Vor­ schubgeschwindigkeit, Spalt- und Versatzprobleme, Durchschwei­ ßungsverluste oder ähnliches ermöglichen.

Aus der US-PS 5 517 420 ist eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen bekannt, bei der mittels einer Kamera, insbesondere einer CCD-Kamera, die Geome­ trie einer beim Schweißprozeß gebildeten Interaktionszone auf­ genommen wird, wobei die Kamera an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen ist. Aus dem über die Kamera aufgenomme­ nen Bild werden räumliche Informationen über die Größe der In­ teraktionszone durch Bestimmung der Anzahl von oberhalb einer vorgegebenen Anzahl liegenden hellen Pixeln gewonnen, wobei die Interaktionszone das Schmelzbad und das das Schmelzbad überla­ gernde Schweißplasma umfaßt. Diese Informationen werden mittels einer sogenannten Fuzzy-Logik-Steuerung verarbeitet und dienen als Grundlage für eine stabile Steuerung der Schweißgeschwin­ digkeit.

Aus der DE 41 06 008 C2 ist eine Vorrichtung zur Online- Überwachung bei der Werkstückbearbeitung mit Laserstrahlung be­ kannt, bei der zur kurzzeitigen Beobachtung von Lichtvorgängen in dem Umgebungsbereich der Bearbeitungsstelle eine ortsauflö­ sende Beobachtung erfolgt. Durch die ortsauflösende Beobachtung können Einzelheiten der Lichtvorgänge des Beobachtungsbereichs ermittelt werden, beispielsweise Einzelheiten von Schweiß­ spritzerbewegungen, nämlich deren zeitlicher Verlauf, Anzahl der Schweißspritzer und Masse der Schweißspritzer.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißpa­ rametern beim Laserstrahlschweißen bereitzustellen, bei der ei­ ne direkte Online-Regelung des Laserschweißprozesses, insbeson­ dere der Tiefe und Lage der Schweißnaht, und somit eine Mini­ mierung von Schweißfehlern während des Schweißvorgangs ermög­ licht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Demnach er­ folgt eine Regelung der Fokuslage des Laserstrahls in Abhängig­ keit eines geometrischen Ähnlichkeitfaktors, ohne daß Tempera­ turwertzuordnungen bzw. -berechnungen notwendig wären. Der geo­ metrische Ähnlichkeitsfaktor stellt ein empirisches Maß der Fo­ kuslage dar und berechnet sich als Quotient der Schmelzbadflä­ che und dem Abstand zwischen den geometrischen Schwerpunkten des Laserstrahl-Keyholes und der Schmelzbadfläche. Bei dem geo­ metrischen Ähnlichkeitsfaktor fließt die Überlegung ein, daß eine Änderung der Fokuslage aus der Null-Lage eine Änderung der Schmelzbadgeometrie nach sich zieht.

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Regelung eines Spaltversatzes und/oder der Nahtlage des Laserstrahls in Abhän­ gigkeit der detektierten Geometrie der Schmelzbadfront. Das Auftreten eines Spaltes, eines Höhenversatzes oder ein Versatz der Nahtlage des Laserstrahls hat jeweils eine Änderung der Geometrie der Schmelzbadfront zur Folge, die mit der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung detektierbar ist. Damit wird erfin­ dungsgemäß die Möglichkeit einer direkten Detektion und Rege­ lung eines Spaltversatzes (beispielsweise Höhenversatz am Nullspalt oder Vorhandensein eines Spaltes geringer Breite) und/oder der Nahtlage des Laserstrahls bereitgestellt.

In Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Erkennung von Schmelzbadauswürfen über die Detektion der Schmelzbadlänge oder Schmelzbadfläche. Schmelzbadauswürfe, die als Folge von Schweißfehlern auftreten, haben eine plötzliche Änderung der Schmelzbadgeometrie zu Folge, die erfindungsgemäß als Einbruch der Schmelzbadlänge bzw. Schmelzbadfläche detektiert wird, so daß ein direktes und sofortiges Erkennen von Schmelzbadauswür­ fen bewirkenden Schweißfehlern ermöglicht wird.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine Grau­ wertzuordnung der Bildpunkte des von der Kamera detektierten Schmelzbadbildes, wobei es sich vorteilhafterweise um eine zweistufige Binarisierung mit zwei Grauwertgrenzen handelt. Ge­ genüber einer reinen Binarisierung (Weiß und Schwarz) wird durch dieses Vorgehen das detektierte Bild des Schmelzbades in drei Bereiche eingeteilt, nämlich einem Bereich für das soge­ nannte Keyhole des Laserstrahls, einem Bereich für das eigent­ liche Schmelzbad sowie einen die Umgebung des Schmelzbades wie­ dergebenden Bereich. Diese erfindungsgemäße Vorgehensweise der Bildbearbeitung liefert eine gut reproduzierbare Darstellung eines Schmelzbades mit klar abgegrenzten Konturen, die einer weiteren erfindungsgemäßen Auswertung und Regelung zugrundege­ legt werden können.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich erläutert.

Fig. 1 zeigt in stark schematischer Darstellung eine Draufsicht auf ein Schmelzbad, wie es typischerwei­ se beim Laserstrahlschweißen auftritt.

Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Korre­ lation zwischen Einschweißtiefe und Schmelzbadlänge bzw. Schmelzbadfläche.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der Schmelzbadlänge in Abhängigkeit der eingespeisten Laserleistung zur Detektion einer Durchschweißung durch das Werkstück.

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Schmelzbadlänge über der Zeit zur Detektion von Schmelzbadauswürfen.

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung zur Veran­ schaulichung der Fokuslage beim Laserstrahlschwei­ ßen.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm des erfindungsgemäßen geometri­ schen Ähnlichkeitsfaktors und der Einschweißtiefe in Abhängigkeit der Fokuslage.

Fig. 8a zeigt ein von einer erfindungsgemäßen CCD-Kamera aufgenommenes Bild eines Schmelzbades und

Fig. 8b zeigt das Bild der Fig. 8a nach weiterer elektro­ nischer Bildverarbeitung.

Fig. 9a zeigt in schematischer seitlicher Ansicht einen La­ serstrahlschweißvorgang mit in der Höhe zueinander versetzten Werkstücken und

Fig. 9b zeigt eine Draufsicht auf ein zu dem Schweißprozeß der Fig. 9a gehörendes Schmelzbad.

Fig. 10a zeigt in schematischer seitlicher Ansicht einen La­ serstrahlschweißprozeß mit einem Spalt zwischen den zu verschweißenden Werkstücken und

Fig. 10b zeigt eine Draufsicht auf ein zu dem Schweißprozeß der Fig. 10a gehörendes Schmelzbad.

Fig. 11 zeigt in schematischer Draufsicht ein Schmelzbad bei lateralem Versatz des Laserschweißstrahls.

Fig. 1 zeigt in stark schematischer Darstellung eine Drauf­ sicht auf ein Schmelzbad 10, wie es typischerweise beim Laser­ strahlschweißen auftritt. Das Schmelzbad 10 befindet sich auf einem in Schweißbearbeitung befindlichen Werkstück 14, das in der Darstellung der Fig. 1 von rechts nach links verschweißt wird, wobei die Betrachtungsrichtung der Einstrahlrichtung des Laserstrahls entspricht und wobei die rechts hinter dem Schmelzbad befindliche Schweißnaht 22 und der links vor dem Schweißbad 10 befindliche Fügespalt 24 (vergleiche Fig. 2) in der Fig. 1 aus Gründen der Darstellungsvereinfachung nicht ge­ zeigt sind.

Das Schmelzbad 10 weist im wesentlichen die Form eines langge­ streckten Tropfens auf mit einem geometrischen Schwerpunkt S. Die Länge 1 und die Breite b des Schmelzbades 10 bestimmen des­ sen Geometrie, mittels welcher eine nachfolgend erläuterte er­ findungsgemäße Regelung der Schweißparameter beim Laserstrahl­ schweißen vorgenommen werden kann.

Am schweißrichtungsseitigen breiteren Kopfende des Schmelzbades 10 (in der Darstellung der Fig. 1 links) befindet sich der Einstrahlpunkt des Laserstrahls und das diesen umgebende soge­ nannte Keyhole 12, das im wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser d und einem geometrischen Schwerpunkt (= Mittel­ punkt) M ist. Der Abstand zwischen dem geometrischen Schwer­ punkt M des Keyholes 12 und des geometrischen Schwerpunkts S des Schmelzbades 10 ist mit x bezeichnet.

Die Form und Gestalt der erläuterten Schmelzbadgeometrie beim Laserstrahlschweißen ist von vielen komplex zusammen wirkenden Faktoren bestimmt. Diese Faktoren lassen sich im wesentlichen in drei voneinander unabhängige Hauptgruppen unterteilen: Ein­ flüsse der Laserparameter, der Maschinenparameter und der Werk­ stückparameter.

Unter den Laserparametern als Einflußgrößen auf die Schmelzbad­ geometrie versteht man neben der Laserleistung selbst haupt­ sächlich die Strahlqualität der Laserquelle und deren zeitli­ ches Verhalten. Die Untersuchung dieser Kenngrößen ist für die Übertragung experimentell ermittelter Ergebnisse auf nicht un­ tersuchte Laserquellen von großer Bedeutung. Durch die erfin­ dungsgemäße Vorrichtung soll erreicht werden, daß der Einfluß der Laserquelle auf die verarbeiteten Meßergebnisse (rechne­ risch) eliminiert werden kann. Als zentrale Punkte der Maschi­ nenparameter bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Rege­ lungsvorrichtung wurde der Einfluß der Fokuslage, der Bearbei­ tungsgeschwindigkeit und des Prozeßgases auf die Geometrie des Schmelzbades und des Keyholes analysiert. Als Werkstückparame­ ter wurden I-Nähte und Kehlnähte mit und ohne Spalt, sowie la­ teralem Versatz des Laserstrahls zur Fügeebene untersucht.

Um die Geometrie des Schmelzbades 10 und des Keyholes 12 mög­ lichst störungsfrei detektieren zu können, muß die erfindungs­ gemäße Regelungsvorrichtung an die Anforderungen beim Laser­ strahlschweißen angepaßt sein. Die Schmelze des Schmelzbades emittiert elektromagnetische Strahlung vorwiegend im infraroten Bereich und kann im nahen Infrarot (NIR; 820 nm bis 1050 nm) gut detektiert werden. In diesem Wellenbereich strahlt das Me­ tallplasma sehr schwach und kann deshalb über entsprechende Filter ausgeblendet werden. Da Bearbeitungsgeschwindigkeiten untersucht werden sollen, die unterhalb einer Geschwindigkeit von 10 m/min liegen, ist eine Bildwiederholungsrate von 1/50 s ausreichend. Aus diesen Randbedingungen und unter der Prämisse der Wirtschaftlichkeit ist ein CCD-Chip zur ortsaufgelösten De­ tektion am besten geeignet. Erfindungsgemäß wird dieser CCD- Chip durch vorgeschaltete Filter und Blenden angepaßt, so daß eine kontrastreiche Darstellung des Schmelzbades einschließlich des Keyholes bei normaler Raumbeleuchtung und insbesondere ohne zusätzliche Fremdbeleuchtung erreicht werden kann. Als Filter finden ein scharfkantiges Interferenzfilter sowie ein Graufil­ ter der optischen Dichte 1 Anwendung.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrich­ tung. Die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung umfaßt eine CCD-Kamera 20, die zur Detektion der Schmelzbadgeometrie wie vorstehend erläutert ausgerüstet ist. Die Kamera 20 ist auf ein Schmelzbad 10 gerichtet, das durch einen Laserstrahlschweißpro­ zeß mittels Laserstrahl 16 auf einem Werkstück 14 entstanden ist. Am Kopfende des Schmelzbades 10 ist ein Plasma-Jet 18 an­ geordnet.

Die Kamera 20 ist an eine bilddatenverarbeitende Einheit 28 an­ geschlossen, die im wesentlichen einen mit einem Bildschirm ausgestatteten Bildverarbeitungsrechner umfaßt, der insbesonde­ re zur Digitalisierung und Binarisierung (Grauwertzuordnung) des von der Kamera 20 aufgenommenen Bildes dient. Die bild­ datenverarbeitende Einheit 28 ist mit einer Laser- und Maschi­ nensteuerung 30 verbunden, die wiederum (in nicht dargestellter Art und Weise) mit dem Laser bzw. der Strahlführungsmaschine verbunden ist. Gegebenenfalls kann zusätzlich ein mit der Kame­ ra 20 verbundener Videorecorder mit Kontrollmonitor vorgesehen sein.

Fig. 8a zeigt eine Aufnahme eines Schmelzbades, das entspre­ chend der Darstellung der Fig. 1 ausgerichtet ist und mittels einer erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung mit einer in Fig. 2 dargestellten Anordnung aufgenommen wurde. Die verwendete CCD-Kamera hatte eine Auflösung von 752 × 582 Pixel, der Ka­ meraabstand zum Schmelzbad betrug 200 mm. Das Bild wurde als 50 Hertz PAL-Signal aufgenommen und es wurde eine Auflösung von 200 µm erzielt. Wie vorstehend beschrieben, wurde dem Chip der CCD-Kamera ein Filtersystem für ein scharf begrenztes Infra­ rotspektrum sowie ein Graufilter vorgeschaltet, so daß ohne zu­ sätzliche Fremdbeleuchtung eine kontrastreiche Aufnahme erhält­ lich ist.

Fig. 8b ist eine Darstellung der in Fig. 8a gezeigten Aufnah­ me nach einer Bilddatenverarbeitung, in welcher das Kamerabild einer Digitalisierung (0,4 MB/Bild), einer Binarisierung und einer Datenreduktion (0,14 MB/Bild) unterzogen wurde. Bestand­ teil der Bilddatenverarbeitung ist dabei insbesondere eine Grauwertzuordnung durch eine zweistufige Binarisierung, wobei dem den Keyhole entsprechenden hellsten Bereich (beispielsweise < 254) Weiß zugeordnet wird, dem dem Schmelzbad selbst entspre­ chenden mittelhellen Bereich (beispielsweise < 64) ein Grauton und dem dem Werkstück entsprechenden dunklen Bereich (< 64) Schwarz zugeordnet wird. Das in Fig. 8b dargestellte Resultat des bearbeiteten Kamerabildes gestattet aufgrund der scharfen Konturdarstellung eine problemlose Erfassung der Geometriedaten des Schmelzbades und des Keyholes, wie sie unter Bezugnahme auf die Fig. 1 vorstehend erläutert wurden.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm zur Veranschaulichung der linearen Abhängigkeit der Schmelzbadlänge bzw. der Schmelzbadfläche von der Einschweißtiefe des Laserstrahles in das zu bearbeitende Werkstück. In dem Diagramm der Fig. 3 ist über die Einschweiß­ tiefe in mm entlang der linken Ordinatenachse die Schmelzbad­ länge in mm und entlang der rechten Ordinatenachse die Schmelz­ badfläche in mm² aufgetragen. Die experimentell ermittelten Werte der Schmelzbadlänge sind mit ausgefüllten Quadraten, die­ jenigen der Schmelzbadfläche mit ausgefüllten Dreiecken mar­ kiert. Die entsprechenden Fehlergrenzen sind mit leeren Quadra­ ten bzw. leeren Dreiecken gekennzeichnet. Aus dem Diagramm der Fig. 3 folgt, daß mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Einschweißtiefe auf +/-0,15 mm genau feststellbar ist.

Die gefundene lineare Abhängigkeit zwischen Schmelzbadlänge bzw. -fläche und der Einschweißtiefe läßt sich erfindungsgemäß auch zur Erkennung einer Durchschweißung des Werkstückes nut­ zen, da die eingekoppelte Laserleistung sich proportional zur Einschweißtiefe verhält, bei einer Durchschweißung jedoch bei beliebigem Anstieg der Laserleistung naturgemäß keine weitere Einschweißtiefe erzielt werden kann, so daß auch die Schmelz­ badlänge nicht mehr weiter anwächst. Dieser Sachverhalt ist in dem Diagramm der Fig. 4 wiedergegeben, in welchem die Schmelz­ badlänge in mm über der Laserleistung in Watt aufgetragen ist. Hier wurden zwei unterschiedliche Bleche mit einer Dicke von 6 mm (quadratische Meßpunkte) und 10 mm Dicke (rautenförmige Meß­ punkte) einer Laserschweißbehandlung unterzogen. Bis zu einer Dicke von 6 mm war bei beiden Blechen ein nahezu identischer Anstieg der Schmelzbadlänge über der eingespeisten Laserlei­ stung festzustellen. Bei einer Einschweißtiefe von 6 mm (im dargestellten Beispiel einer Laserleistung von ca. 3,8 kW ent­ sprechend) war das dünnere Blech jedoch durchgeschweißt, so daß selbst bei zunehmender Laserleistung kein Anwachsen der Schmelzbadlänge mehr zu verzeichnen war. Bei dem dickeren Blech dahingehend steigt die Schmelzbadlänge auch bei einer weiteren Zunahme der Laserleistung weiterhin linear an.

Wird demnach bei einer Steigerung der Laserleistung festge­ stellt, daß die Schmelzbadlänge konstant bleibt, so kann daraus geschlossen werden, daß das Werkstück bereits durchschweißt wurde. Diese Tatsache wird in einer erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zu einer Online-Regelung der Laserleistung genutzt, so daß fehlerhaftes Schweißen aufgrund zu geringen Verbindungsquer­ schnitts (z. B. Linienberührung bei Kehlnähten) detektiert und minimiert werden kann.

Der gefundene lineare Zusammenhang zwischen Schmelzbadlänge ei­ nerseits und Einschweißtiefe/Laserleistung andererseits kann auch zur Kontrolle der Schmelzbadqualität bezüglich Schmelz­ badauswürfen genutzt werden. Erfindungsgemäß wird wie in Fig. 5 dargestellt die Schmelzbadlänge über die Zeit beobachtet. Im idealen Falle sollte diese bei gleichbleibender Laserleistung und Einschweißtiefe konstant sein. Eine abrupte Änderung, wie sie im Diagramm der Fig. 5 im Bereich zwischen 0,3 und 0,4 Se­ kunden stattfindet, deutet auf einen mit einem Schmelzbadaus­ wurf verbundenen Schweißfehler hin, der zu einem Einbruch der Schmelzbadlänge führt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestat­ tet somit die unmittelbare Detektion derartiger Schweißfehler.

Ein weiterer die Qualität der Schweißnaht beeinflussender Schweißparameter ist die Fokuslage des Laserstrahls auf die Werkstückoberfläche. Fig. 6 zeigt ein Werkstück 14, das mit drei unterschiedlichen Laserstrahlen 16, 16', 16" bearbeitet wird, wobei der mittlere Laserstrahl 16 in der Fokus-Nullage liegt, d. h. die Fokuslage des Brennpunktes des Laserstrahls liegt exakt auf der Oberfläche des Werkstückes 14. Der in der Darstellung der Fig. 6 linke Laserstrahl 16' befindet sich in positiver Fokuslage, d. h. der Brennpunkt liegt oberhalb der Werkstückoberfläche, was eine Verbreiterung des Laserstrahls an der Werkstückoberfläche und somit eine Vergrößerung des Durch­ messers d des Keyholes sowie eine Vergrößerung der Breite b des Schmelzbades und eine Verringerung der Einschweißtiefe zur Fol­ ge hat. Entsprechend wird als negative Fokuslage eine Defokus­ sierung bezeichnet, bei der der Brennpunkt des Laserstrahles im Inneren des Werkstücks 14 liegt, wie dies in der Darstellung der Fig. 6 bei dem rechts dargestellten Laserstrahl 16" der Fall ist.

Bei der Entwicklung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung wurde nunmehr gefunden, daß unabhängig von der Laserleistung und somit der Schmelzbadfläche bei idealer Fokuslage die Schmelzbadgeometrie gleiche Proportionen aufweist. Dies wird erfindungsgemäß durch den geometrischen Ähnlichkeitsfaktor be­ schrieben, der als Quotient der Schmelzbadfläche und dem Ab­ stand x des Keyhole-Schwerpunktes M und des Schmelzbad-Schwer­ punktes S berechnet wird.

In dem Diagramm der Fig. 7 ist der geometrische Ähnlichkeits­ faktor entlang der linken Ordinatenachse über der Fokuslage aufgetragen, während entlang der rechten Ordinatenachse die Einschweißtiefe aufgetragen ist. Die ideale Fokuslage liegt entsprechend den vorstehenden Erläuterungen bei 0 mm, wo natur­ gemäß die Einschweißtiefe ihr Maximum hat, die Kurve des geome­ trischen Ähnlichkeitsfaktors jedoch ihr Minimum. Mit zunehmen­ der Defokussierung in die positive oder negative Fokuslage nimmt die Einschweißtiefe ab und der geometrische Ähnlichkeits­ faktor nimmt zu (Verringerung des Abstandes der Schwerpunkte des Keyholes und des Schmelzbades). In der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung erfolgt demnach eine Regelung der Fokusla­ ge des Laserstrahls in Abhängigkeit des geometrischen Ähnlich­ keitsfaktors stets auf das Minimum dieses Ähnlichkeitsfaktors hin. Dies gestattet eine ständige Nachregelung in einer kleinen Umgebung des Minimums des Ähnlichkeitsfaktors und somit um ein Maximum der Einschweißtiefe, was wiederum zu einer bestmögli­ chen, nämlich schmalen und tiefen Schweißnaht führt.

Fig. 9a zeigt in seitlicher schematischer Darstellung einen Laserstrahlschweißprozeß mit einem auf zwei mit einem Nullspalt 40 aneinandergefügte Werkstücke 14', 14" gerichteten Laser­ strahl 16, wobei die beiden Werkstücke 14', 14" einen Höhen­ versatz Δh zueinander aufweisen. Ein derartiger Höhenversatz der Kanten an Fügestellen kann entweder beabsichtigt sein oder als Fehler auftreten. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern ist der Höhenversatz Δh als Veränderung der Geometrie der Schmelzbadfront detektierbar. Ein zu einem derartigen Höhenversatz gehörendes Schmelzbad 10 ist in Fig. 9b dargestellt.

Beim Auftreten eines Höhenversatzes Δh zwischen den zu ver­ schweißenden Werkstücken bildet sich an der Schmelzbadfront durch eine asymetrische Verformung eine Nase 13 aus. Mit ande­ ren Worten ausgedrückt, findet an dem Schmelzbad ein Längenver­ satz statt, so daß die linke Hälfte des Schmelzbades eine ande­ re Länge aufweist als die rechte Hälfte des Schmelzbades. In dem in der Fig. 9b dargestellten Beispiel ist somit die linke Hälfte des Schmelzbades 10 kürzer als die rechte Hälfte, wo­ durch die beschriebene Nase 13 entsteht. Der Längenunterschied, d. h. die Länge der Nase beträgt dabei Δ1, welches ein Maß für den Höhenversatz Δh ist.

Die Detektierbarkeit dieser Nase läßt sich durch die Position der Kamera beeinflussen. Zum einen kann durch eine Verringerung des Abstandes zwischen der Kamera und der Werkstückoberfläche die örtliche Auflösung des Systems deutlich verbessert werden. Andererseits führt der Winkel zur Vertikalen, unter dem die Ka­ mera angebracht ist, zu einer Verzerrung der Abbildung in Längsrichtung des Schmelzbades. Je größer der Neigungswinkel der Kamera zur Vertikalen wirkt, desto stärker treten die Ver­ änderungen in Längsrichtung des Schmelzbades und damit auch die in der Schmelzbadfront auftretende Nase in Erscheinung. Es muß also eine Kameraposition gewählt werden, die einen Kompromiß zwischen der Schärfe des Bildes bzw. der Erfassung der gesamten Schmelzbadfläche und der Detektierbarkeit der Veränderung der Schmelzbadfront darstellt.

Ist ein Höhenversatz beim Schweißen erwünscht, so kann die aus der Verformung der Schmelzbadfront gewonnene Information durch die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung zur Nahtführung her­ angezogen werden, indem die Geometrie der Nase 13 aufrechter­ halten wird. Ist dahingegen ein Höhenversatz nicht erwünscht, so wird mittels der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung die Werkstückführung derart geregelt, daß die Schmelzbadfront eine möglichst ideale Form (vergleiche Fig. 1) annimmt.

Anhand der Fig. 10a und 10b wird der Einfluß eines Spaltes auf die Schmelzbadgeometrie dargestellt. Fig. 10a zeigt in seitlicher schematischer Darstellung zwei mittels eines Laser­ strahls 16 zu verschweißende Werkstücke 14', 14", die nicht unmittelbar aneinandergefügt sind, sondern zwischen denen sich ein Spalt 42 befindet. Ein derartiger Spalt wirkt sich wie aus der Fig. 10b ersichtlich auf die Geometrie der Schmelzbadfront aus, indem diese eine im wesentlichen rechteckige Einbuchtung 13' aufweist, deren Breite Δy ein Maß für die Spaltbreite zwi­ schen den beiden Werkstücken 14', 14" ist.

Der sogenannte technische Nullspalt (Bezugszeichen 40 in Fig. 9a) sowie geringe Spaltbereiten im Bereich von ca. 0,05 mm sind in der Schmelzbadfront nicht zu erkennen. Ab einer Breite von ca. 0,1 mm zeichnen sich die den Spalt begrenzenden Werkstück­ kanten deutlich in der Schmelzbadfront ab, so daß ab dieser Spaltbreite die Veränderung der Schmelzbadfront zur Bestimmung der Spaltbreite und zur Bestimmung der Nahtlage in erfindungs­ gemäßer Weise verwendet werden kann.

Neben der tatsächlichen Spaltbreite besitzt wiederum die Kame­ raposition einen entscheidenden Einfluß auf die Detektierbar­ keit des Spaltes. So ergibt sich durch Verringerung des Abstan­ des zwischen Werkstückoberfläche und Kamera eine deutliche Ver­ besserung der örtlichen Auflösung des Systems. Daher wurden be­ züglich der Detektierbarkeit des Spaltes die besten Ergebnisse bei dem minimal realisierbaren Kameraabstand von ca. 100 mm er­ zielt. Da sich bei diesem Bildausschnitt jedoch für höhere Lei­ stungen nicht mehr die gesamte Schmelzbadfläche erfassen läßt, muß ein Kompromiß zwischen der angestrebten Bildauflösung und dem erforderlichen Bildausschnitt gewählt werden.

Wie vorstehend erwähnt, kann ein technischer Nullspalt ohne be­ sondere Nahtvorbereitung nicht detektiert werden. Mit der er­ findungsgemäßen Vorrichtung besteht in der Anbringung einer Fa­ se an einem der beiden Werkstücke die Möglichkeit, einen derar­ tigen Nullspalt zu detektieren, da sich eine Fase in der Schmelzbadgeometrie wie ein leichter Höhenversatz auswirkt und demnach die Veränderung der Schmelzbadfront wie in Fig. 9b zur Folge hat.

In den unter Bezugnahme auf die Fig. 9a, 9b, 10a und 10b er­ läuterten Beispielen hängt die Lage der detektierbaren Kanten von der Position des Laserstrahls relativ zu der Fügestelle zwischen den Werkstücken 14', 14" ab. Bei korrekt positionier­ tem Strahl befinden sich die detektierbaren Kanten der Nase 13 bzw. der Einbuchtung 13' in der Mitte der Schmelzbadfront. Ver­ ändern nun entweder der Laserstrahl oder das Werkstück ihre Po­ sition, so wandern die detektierbaren Kanten seitlich aus der Schmelzbadfront aus. Dies wirkt sich wie in Fig. 11 darge­ stellt durch einen Versatz um Δz der jeweiligen Kante zu dem Schwerpunkt M des Keyholes aus. Dieser laterale Versatz des La­ serstrahls kann durch die erfindungsgemäße Regelungsvorrichtung derart ausgeregelt werden, daß der Versatz Δz gleich Null wird.

Erfindungsgemäß wird somit eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen bereitgestellt, die als Grundlage für eine Online-Qualitätssicherung unter Kontrol­ le der Tiefe und Lage der Schweißnaht und somit für einen Onli­ ne-Regelkreis dient. Erfindungsgemäß erfolgt die Regelung über Primärparameter des Schweißprozesses, insbesondere die Ein­ schweißtiefe und die Fokuslage. Die Kontrolle dieser Parameter wird direkt der Schmelzbadgeometrie entnommen, die mittels ei­ ner erfindungsgemäßen Kamera und einer bilddatenverarbeitenden Einheit direkt einem kontrastreich aufgenommenen und bearbeite­ ten Abbild des zu kontrollierenden und regelnden Schmelzbades entnommen wird. Die bilddatenverarbeitende Einheit kann dabei ein Rechner üblicher Rechner- und Speicherkapazität, beispiels­ weise ein Personalcomputer, sein.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Regelung der Fokuslage beim Laserstrahl­ schweißen mit einer Kamera (20), insbesondere einer CCD-Kamera, zur Detektion der Geometrie eines beim Schweißprozeß gebildeten Schmelzbades (10) anhand der vom Schmelzbad ausgesandten Wär­ mestrahlung, wobei die Kamera (20) an eine bilddatenverarbei­ tende Einheit (28) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Fokuslage des Laserstrahls (16) in Abhän­ gigkeit eines geometrischen Ähnlichkeitsfaktors erfolgt, der sich als Quotient der Schmelzbadfläche und dem Abstand (x) zwi­ schen den geometrischen Schwerpunkten (M, S) des Laserstrahl- Keyholes (12) und der Schmelzbadfläche berechnet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne Erkennung von Schmelzbadauswürfen über die Detektion der Schmelzbadlänge (1) oder Schmelzbadfläche erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung eines Spaltversatzes und/oder der Nahtlage des Laserstrahls in Abhängigkeit der detektierten Geometrie der Schmelzbadfront erfolgt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kamera (20) elektromagnetische Strahlung in einem Bereich zwischen 800 nm und 1.100 nm registriert.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kamera (20) elektromagnetische Strahlung in einem Bereich zwi­ schen 820 nm und 1.050 nm detektiert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kamera (20) ein scharfkantiges Interferenzfilter sowie ein Graufilter der optischen Dichte 1 vorgeschaltet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine Grauwertzuordnung der Bildpunkte des von der Kamera (20) detektierten Schmelzbadbildes erfolgt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ei­ ne dreistufige Grauwertzuordnung (Weiß, Grau, Schwarz) erfolgt.