DE19527070C1

DE19527070C1 - Welding process with several high energy beams, esp. laser beams

Info

Publication number: DE19527070C1
Application number: DE19527070A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl Phys Seidel; Christian Dipl Ing Koerber
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Trumpf Laser und Systemtechnik GmbH
Priority date: 1995-07-25
Filing date: 1995-07-25
Publication date: 1996-10-10
Anticipated expiration: 2015-07-26
Also published as: WO1997004915A1

Abstract

In this welding process by means of several high energy welding beams, in particular laser beams, the welding beams are simultaneously projected onto two opposite outer surfaces of the workpiece, inducing a plasma therein, and both welding beams are controlled depending on the permeability of steam diffusion capillaries formed by both beams. The permeability of the steam diffusion capillaries is monitored by measuring plasma fluctuation. In order to better sense the permeability of the steam diffusion capillaries, the welding process is carried out in such a way that an indicative frequency is modulated onto the high energy radiation of at least one welding beam, and/or in that the frequency spectrum of at least one welding beam has a characteristic frequency that distinguishes it from the other welding beam. The indicative frequency and/or characteristic frequency are determined from the welding plasma at the outer surface of the workpiece opposite to the welding beam that is modulated and/or has a characteristic frequency.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schweißverfahren mit mehreren Hochenergie-Schweißstrahlen, insbesondere Laser strahlen, bei dem die Schweißstrahlen gleichzeitig auf zwei einander gegenüberliegende Werkstückaußenflächen plasmaindu zierend einstrahlen, und bei dem die Strahlungsleistung mindestens eines der beiden, eine Dampfkapillare bildenden Schweißstrahlen zeitlich moduliert wird, wobei die Durchgängigkeit der Dampfkapillaren mittels Messung der Plasmafluktuation überwacht wird.The invention relates to a welding process several high-energy welding beams, especially lasers radiate with the welding beams simultaneously on two opposite workpiece outer surfaces plasmaindu radiate radiantly, and in which the radiation power at least one of the two welding beams forming a steam capillary is modulated in time, whereby the patency of the steam capillaries is monitored by measuring the plasma fluctuation.

Ein Schweißverfahren mit den vorgenannten Merkmalen ist aus der DE 42 16 643 A1 bekannt. A welding process with the aforementioned features is known from DE 42 16 643 A1.

Die bekannte Durchgän gigkeitsmessung weist nur eine erheblich eingeschränkte Genauigkeit auf.The well-known passage capability measurement shows only a considerably restricted Accuracy on.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten so zu verbessern, daß die Genauigkeit der Messungen erheblich gesteigert werden kann.The invention is therefore based on the object a process with the above-mentioned process steps to improve so that the accuracy of the measurements significantly can be increased.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Hochenergie strahlung mindestens eines-Schweißstrahls eine über den Fluk tuationsfrequenzen des Schweißplasmas liegende Indikations frequenz aufmoduliert wird.This object is achieved in that the high energy radiation of at least one welding beam over the flood tuationsfrequenzen the welding plasma lying indication frequency is modulated.

Bei dem vorbeschriebenen Verfahren werden nicht mehr die durch Intensitätsschwankungen des laserinduzierten Schweißplasmas auftretenden Plasmafluktuationsfrequenzen, die typischerweise im Bereich von bis zu 10 kHz liegen, selbst verwendet, um die Durchgängigkeit der Dampfkapillare zu ermitteln. Vielmehr wird ein besonderer Indikator eingesetzt. Die Hochenergiestrahlung wird modu liert. Die Modulation erfolgt derart, daß eine Indikations frequenz außerhalb des Frequenzbereichs der Plasmafluktuation eingesetzt wird. Da die Indikationsfrequenz abweicht bzw. höher liegt, ist durch die Ermittlung ihres Auftretens ein sicheres Zeichen dafür gegeben, daß die Dampfkapillare durchgängig ist. Dabei kann der Nachweis der Kapillardurch gängigkeit soweit verbessert werden, daß qualitative und quantitative Bestimmungen der Durchgängigkeit der Dampfkapil laren bei der prozeßbegleitenden Analyse zur Steuerung der beiden Schweißstrahlen entschieden verbessert sind. Es wird ein umfassendes Qualitätssicherungssystem ermöglicht, bei dem der Nachweis der Indikationsfrequenz in Echtzeit möglich ist. Dabei können Eingriffe in die Strahlengänge der Hoch energie-Schweißstrahlen vermieden werden.In the above-described method, the through are no longer Fluctuations in intensity of the laser-induced welding plasma occurring Plasma fluctuation frequencies, typically in the range of up to 10 kHz, even used for patency of the steam capillary. Rather, it will be a special one Indicator used. The high energy radiation becomes modu liert. The modulation is such that an indication frequency used outside the frequency range of plasma fluctuation becomes. Because the indication frequency deviates or higher, is by determining their occurrence given a sure sign that the steam capillary is consistent. The detection of the capillary Commonness are improved so far that qualitative and quantitative determinations of the patency of the steam capillary laren in the process-accompanying analysis to control the both welding beams are decidedly improved. It will enables a comprehensive quality assurance system in which the detection of the indication frequency is possible in real time. This can interfere with the beam paths of the high energy welding beams can be avoided.

Das Schweißverfahren kann dadurch verbessert werden, daß als Indikationsfrequenz diejenige Frequenz verwendet wird, die zur Einstellung der mittleren Laserleistung eines HF-an geregten Lasers mit einem Puls-Weiten-Modulationsverfahren dient. Die Frequenz zur Einstellung der mittleren Laserlei stung eines HF-angeregten Lasers, also eines Lasers mit Hoch frequenzanregung, steht für die Durchführung des Schweißver fahrens ohne weiteres zur Verfügung. Sie moduliert sich der Schweißstrahlung ohne weiteres auf, bedarf also zustrahlungs seitig keiner besonderen Maßnahmen, weil sie infolge des Puls-Weiten-Modulationsverfahrens ohnehin vorhanden ist. Wichtig ist, daß die Laserleistungsdichtespektren der beiden Laser verschieden sind und insbesondere die als Indikations frequenz genutzte Frequenz oder mehrere solcher Indikations frequenzen nur im Spektrum eines Lasers enthalten ist bzw. sind.The welding process can be improved in that that frequency is used as the indication frequency, those for setting the average laser power of an HF-on excited laser with a pulse width modulation method serves. The frequency for setting the middle laser line of an RF-excited laser, i.e. a laser with high frequency excitation, stands for the execution of the welding process driving readily available. It modulates itself Welding radiation without further exposure, therefore requires radiation mutually no special measures because they are due to the Pulse width modulation method is present anyway. It is important that the laser power density spectra of the two Lasers are different and especially those used as indications frequency used frequency or several such indications frequencies is only contained in the spectrum of a laser or are.

Von dem vorgenannten typischen Plasmafluktuationsfre quenzbereich beim Laserstrahlschweißen weicht eine Frequenz von 50 kHz hinreichend ab und hat nicht zur Folge, daß zu ih rer Beherrschung im Hardware-Bereich besondere Maßnahmen ge troffen werden müßten. Es ist daher vorteilhaft, daß Schweiß verfahren so durchzuführen, daß als Indikationsfrequenz eine Frequenz von 50 kHz eingesetzt wird, die zugleich zur Ein stellung der mittleren Laserleistung mit einem Puls-Weiten-Modulationsverfahren eingesetzt wird.Of the aforementioned typical plasma fluctuation frequency frequency range for laser beam welding gives way to a frequency sufficiently from 50 kHz and does not have the consequence that to ih Mastery in the hardware area special measures should be hit. It is therefore advantageous that sweat proceed in such a way that a Frequency of 50 kHz is used, which at the same time setting the mean laser power with a Pulse width modulation is used.

Von Vorteil ist es, das Schweißverfahren so durchzufüh ren, daß einer der beiden Schweißstrahlen von einem DC-ange regten Laser und der andere der beiden Schweißstrahlen von einem HF-angeregten Laser erzeugt wird, und daß die Messung von der Werkstückseite des DC-angeregten Lasers aus erfolgt. Infolge der unterschiedlichen Anregung der die Schweißstrah len erzeugenden Laser ergeben sich auf den beiden entspre chenden Werkstückseiten entsprechend unterschiedliche Fre quenzspektren. Auf der Werkstückseite des DC-angeregten La sers ist das Frequenzspektrum des HF-angeregten Lasers von Hause aus mit Sicherheit nicht vorhanden und insbesondere fehlt die im Frequenzspektrum des HF-angeregten Lasers ent haltene Modulationsfrequenz von ca. 50 kHz. Eine daher rüh rende Störung des Meßergebnisses auf der Werkstückseite des DC-angeregten Lasers ist infolgedessen ausgeschlossen.It is advantageous to carry out the welding process in this way ren that one of the two welding beams from a DC-ange excited laser and the other of the two welding beams from an RF-excited laser is generated, and that the measurement from the workpiece side of the DC-excited laser. As a result of the different excitation of the welding beam len generating lasers arise on the two correspond corresponding workpiece sides different fre frequency spectra. On the workpiece side of the DC-excited La sers is the frequency spectrum of the RF-excited laser from Certainly not available from home and in particular missing in the frequency spectrum of the HF-excited laser sustained modulation frequency of approx. 50 kHz. One is therefore early disturbance of the measurement result on the workpiece side of the As a result, DC-excited laser is excluded.

Um die Störung der Messung weiterhin zu verringern, wird das Schweißverfahren so durchgeführt, daß ein Strahlungssen sor außerhalb des Strahlungsbereichs des vom HF-angeregten Laser induzierten Plasmas angewendet wird. Infolgedessen kann auch von dem durch die HF-angeregte Hochenergiestrahlung in duzierten Plasma keine Verfälschung bei der Messung ausgehen.To further reduce the measurement interference, the welding process is carried out so that radiation radiation sensor outside the radiation range of the one excited by the HF Laser induced plasma is applied. As a result also from the high-energy radiation excited by the HF in induced plasma do not falsify the measurement.

Eine zweckmäßige Durchführung der Messung von der Werk stückseite des DC-angeregten Lasers aus wird dadurch er reicht, daß ein Strahlungssensor neben der Laserstrahlung des DC-angeregten Lasers in Meßnähe zum von letzterem indu zierten Plasma angeordnet ist. Bei dieser Anordnung des Strahlungssensors ist eine direkte Messung von Hochenergie strahlung der einen Werkstückseite durch die Dampfkapillare hindurch auf die andere Werkstückseite ausgeschlossen. Viel mehr wird ausgenutzt, daß ein Teil der vom HF-angeregten La ser stammenden Laserstrahlung die Dampfkapillare durchdringt und im Plasma des DC-angeregten Lasers Intensitätsschwankun gen mit der Indikationsfrequenz verursacht, die von dem in Rede stehenden Strahlungssensor erfaßt werden können. Es kann auch eine Kopplung der auf den beiden Werkstückseiten vorhan denen Plasmen in Frage kommen.A convenient implementation of the measurement from the factory This makes it the piece side of the DC-excited laser is enough that a radiation sensor next to the laser radiation of the DC-excited laser close to the measurement of the latter indu decorated plasma is arranged. With this arrangement of the Radiation sensor is a direct measurement of high energy radiation from one side of the workpiece through the steam capillary excluded on the other side of the workpiece. A lot more is used that a part of the RF-excited La laser radiation penetrates the vapor capillary and intensity fluctuation in the plasma of the DC-excited laser gen with the frequency of indications caused by the in Radiation sensor in question can be detected. It can also a coupling of the existing on the two workpiece sides which are suitable for plasmas.

Das Schweißverfahren kann mit einfachen baulichen Mit teln durchgeführt werden, wenn als Strahlungssensor eine Fo todiode mit einem die spektrale Empfindlichkeit begrenzenden Filter eingesetzt wird. Mit dem die spektrale Empfindlichkeit begrenzenden Filter wird die Belastung der Fotodiode redu ziert und ihre relative Sensibilität bezüglich des zu messen den Frequenzbereichs gesteigert, was dem Meßergebnis der Durchgängigkeit zugute kommt. The welding process can be done with simple constructional be carried out if a Fo todiode with a spectral sensitivity limiting Filter is used. With the spectral sensitivity limiting filter, the load on the photodiode is reduced graces and their relative sensitivity to measure the frequency range increased, which the measurement result of Consistency benefits.

Das Schweißverfahren kann dahingehend ausgestaltet wer den, daß die Durchgängigkeit der Dampfkapillare anzeigende Signale erzeugt werden, indem aufgrund von in die Dampfkapil lare eindringender indikationsfrequenzmodulierter Hochener giestrahlung erzeugte Sensorsignale in Bezug zu der Indikati onsfrequenz gesetzt werden. Infolge der Bezugnahme auf die Indikationsfrequenz ergeben sich klar auszuwertende Signale, die in den Steuerverfahren für die beiden Schweißstrahlen mit größerer Genauigkeit eingesetzt werden können.The welding process can be designed accordingly that indicates the continuity of the steam capillary Signals are generated by due to in the steam capil lare penetrating indication frequency modulated Hochener radiation generated sensor signals in relation to the indicati frequency can be set. As a result of the reference to the Signal frequency results in clearly evaluable signals the in the control process for the two welding beams with greater accuracy can be used.

Zur on-line-Steuerung der beiden Schweißstrahlen wird das Schweißverfahren vorzugsweise so durchgeführt, daß das in Bezugsetzen der Signale nach dem Lock-in-Verfahren durchge führt wird. Dieses Verfahren ist insbesondere geeignet, die in Echtzeit erfolgende Steuerung der beiden Schweißstrahlen mit der gewünschten qualitativen und quantitativen Genauig keit durchführen zu können.For on-line control of the two welding beams the welding process is preferably carried out so that the Relocation of the signals after the lock-in procedure leads. This method is particularly suitable for real-time control of the two welding beams with the desired qualitative and quantitative accuracy ability to perform.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:The invention is based on a Darge in the drawing presented embodiment explained. It shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Schweißverfah rens, Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement for carrying out the invention Schweißverfah Rens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung von frequenzabhängi gen Leistungsdichtespektren zur Erläuterung der Ermittlung der Durchgängigkeit der Dampfkapillare, und Fig. 2 is a schematic representation of frequency-dependent power density spectra to explain the determination of the patency of the steam capillary, and

Fig. 3 Meßergebnisse der Anordnung der Fig. 1 in Abhängig keit von der Zeit. Fig. 3 measurement results of the arrangement of Fig. 1 as a function of time.

Fig. 1 zeigt ein Werkstück mit zwei voneinander abgewen deten Werkstückaußenflächen 12, 13, auf die Hoch energie-Schweißstrahlen 10, 11 einwirken. Die Einwirkung erfolgt gleichzeitig und führt unter Bildung von laserinduzierten Plasmen 15, 22 zu einer Dampfkapillaren 14, die in der schema tischen Darstellung vergrößert und durchgängig dargestellt wurde. Der in Fig. 1 gestrichelte Bereich des Werkstücks 23 soll die Schmelzzone symbolisieren. Fig. 1 shows a workpiece with two mutually deviated workpiece outer surfaces 12 , 13 , act on the high-energy welding beams 10 , 11 . The action takes place simultaneously and leads to the formation of laser-induced plasmas 15 , 22 to a vapor capillaries 14 , which has been enlarged and shown continuously in the schematic representation. The area of the workpiece 23 which is dashed in FIG. 1 is intended to symbolize the melting zone.

Das gleichzeitige bzw. simultane Schweißen des Werk stücks von beiden Werkstückseiten 18, 19 bewirkt eine symme trische Wärmeeinbringung und hat eine symmetrische Naht mit einem eben solchen Eigenspannungsfeld zur Folge. Eine beid seitig geöffnete Dampfkapillare ermöglicht eine nahezu voll ständige Ausgasung. Aufgrund der besonderen Randbedingungen der Wärmeführung kann der Überlappungsgrad in der Stoßmitte bzw. in der Werkstückmitte mit geringerem Energieaufwand her gestellt werden, als wenn von den beiden Werkstückseiten her nacheinander geschweißt wird. Der Prozeßwirkungsgrad des beidseitig gleichzeitigen Schweißens übertrifft daher den Prozeßwirkungsgrad des einseitigen Schweißens und des beid seitigen sequentiellen Schweißens.The simultaneous or simultaneous welding of the workpiece from both workpiece sides 18 , 19 brings about a symmetrical introduction of heat and has a symmetrical seam with such a residual stress field. A steam capillary open on both sides enables almost complete outgassing. Due to the special boundary conditions of the heat conduction, the degree of overlap in the center of the joint or in the center of the workpiece can be achieved with less energy expenditure than if welding is carried out in succession from the two workpiece sides. The process efficiency of the simultaneous welding on both sides therefore exceeds the process efficiency of the one-sided welding and the bilateral sequential welding.

Um die aus der Fig. 1 ersichtliche Durchgängigkeit der Dampfkapillaren 14 zu erreichen, müssen die Hoch energie-Schweißstrahlen 10, 11 so gesteuert werden, daß sie fluchten. Hierzu muß ein die Fokussieroptik 24 bzw. 25 enthaltender Be arbeitungskopf jeder der im übrigen nicht detailliert darge stellten Schweißvorrichtungen entsprechend gesteuert werden. Die Steuerung kann in herkömmlicher Weise mit infolgedessen nicht dargestellten Mitteln durchgeführt werden.In order to achieve the continuity of the steam capillaries 14 shown in FIG. 1, the high-energy welding beams 10 , 11 must be controlled so that they are aligned. For this purpose, a processing head containing the focusing optics 24 and 25 , respectively, must be controlled accordingly for each of the welding devices which are not shown in detail in the rest. The control can be carried out in a conventional manner by means not shown as a result.

Die Hochenergie-Schweißstrahlen 10, 11 werden von ent sprechenden Hochenergie-Erzeugern bereitgestellt, beispiels weise von Lasern 1 und 2. Von den Lasern 1, 2 wird Laserstrah lung über Umlenkspiegel 16, 17 der jeweiligen Fokussier- bzw. Bearbeitungsoptik 24 zugeführt, in denen jeweils ein weiterer Umlenkspiegel 24′ die Strahlen 10, 11 dem eigentlichen Fokus sierspiegel 24′′ zuleitet, der die Strahlung auf die Bearbei tungsstelle des Werkstücks 23 fokussiert, also denjenigen Be reich, in dem in Fig. 1 die Dampfkapillare 14 dargestellt ist.The high-energy welding beams 10 , 11 are provided by corresponding high-energy generators, for example lasers 1 and 2 . From the lasers 1 , 2 , laser radiation is fed via deflecting mirrors 16 , 17 to the respective focusing or processing optics 24 , in each of which a further deflecting mirror 24 ', the beams 10 , 11 the actual focus sierspiegel 24 ''which supplies the radiation the machining point of the workpiece 23 is focused, that is, that area in which the steam capillary 14 is shown in FIG. 1.

Der Laser 1 ist HF-angeregt. Die Einstellung seiner mittleren Leistung erfolgt über ein Puls-Weiten-Modulations verfahren, das mit einer Frequenz von ca. 50 kHz arbeitet. Der Laser 2 ist DC-angeregt, also kontinuierlich und weist das vorerwähnte Modulationsspektrum nicht auf, hat also ins besondere keinen dominanten Peak im Bereich von 50 kHz, wie ihn der Laser 1 besitzt. The laser 1 is RF excited. Its average power is set using a pulse-width modulation process that works at a frequency of approx. 50 kHz. The laser 2 is DC-excited, that is to say continuous, and does not have the above-mentioned modulation spectrum, that is to say in particular it does not have a dominant peak in the range of 50 kHz as the laser 1 has.

Wird mit den Lasern 1, 2 ein Schweißprozeß unter Bildung laserinduzierter Plasmen 15, 22 über dem Werkstück 23 einge leitet, so findet sich die im Frequenzspektrum des HF-ange regten Lasers enthaltene Frequenz von ca. 50 kHz im Lei stungsdichtespektrum der Strahlung des Plasmas 15 wieder. Hingegen weist das Leistungsdichtespektrum des Plasmas 22 im entsprechenden Frequenzbereich keine signifikanten Peaks auf, solange beide Schweißplasmen 15, 22 links und rechts des Werk stücks entkoppelt sind, weil die Dampfkapillare 14 undurch gängig ist. Werden die Laser 1, 2 so gesteuert, daß ihre Lei stung ausreicht, um eine durchgängige Dampfkapillare 14 zu erzeugen, und fluchten die Hochenergie-Schweißstrahlen 10, 11, so erfolgt eine Plasmakopplung oder es durchdringt ein Teil der modulierten Laserstrahlung des HF-angeregten Lasers 1 die Dampfkapillare und verursacht Intensitätsschwankungen der Strahlung des Plasmas 22 mit der Modulationsfrequenz auf der Werkstückseite 18 des unmodulierten Laserstrahls 10. Diese kann dann dort nachgewiesen werden und hat somit die Qualität einer Indikationsfrequenz, durch deren Ermittlung zuverlässig festgestellt werden kann, daß die Dampfkapillare 14 durchgän gig ist.If with the lasers 1 , 2 a welding process with the formation of laser-induced plasmas 15 , 22 is introduced over the workpiece 23 , the frequency contained in the frequency spectrum of the HF-excited laser is approximately 50 kHz in the power density spectrum of the radiation of the plasma 15 again. In contrast, the power density spectrum of the plasma 22 has no significant peaks in the corresponding frequency range, as long as both welding plasmas 15 , 22 are decoupled to the left and right of the workpiece, because the vapor capillary 14 is impervious. If the lasers 1 , 2 are controlled so that their performance is sufficient to produce a continuous vapor capillary 14 and the high-energy welding beams 10 , 11 are aligned, then a plasma coupling takes place or it penetrates part of the modulated laser radiation of the RF-excited laser 1 the steam capillary and causes intensity fluctuations in the radiation of the plasma 22 with the modulation frequency on the workpiece side 18 of the unmodulated laser beam 10 . This can then be detected there and thus has the quality of an indication frequency, by the determination of which it can be reliably established that the steam capillary 14 is continuous.

Zur Ermittlung der Indikationsfrequenz auf der Werk stückseite 18 ist ein Strahlungssensor 20 in Gestalt einer Fotodiode vorhanden, die neben dem Schweißstrahl 10 in Meßnä he zum Plasma 22 angeordnet ist. Der Fotodiode ist ein opti sches Filter 20′ vorgeordnet, um deren spektrale Empfindlich keit zu begrenzen. Der Strahlungssensor 20 gibt Sensorsignale S2 ab, die bei Durchgängigkeit der Dampfkapillaren 14 die In dikationsfrequenz aufweisen.To determine the indication frequency on the workpiece side 18 , a radiation sensor 20 is provided in the form of a photodiode, which is arranged next to the welding beam 10 in Meßnä he to the plasma 22 . The photodiode is an optical filter 20 'upstream to limit their spectral sensitivity speed. The radiation sensor 20 emits sensor signals S2 which have the dication frequency in the case of continuity of the steam capillaries 14 .

Um Störungen der Meßgenauigkeit auszuschließen, ist der Strahlungssensor 20 auf der Werkstückseite 18 so positio niert, daß er nicht von Strahlung des Plasmas 15 erreicht werden kann. Für diese Positionierung ist in der Regel die Anordnung hinter dem Werkstück 23 ausreichend, welches als Sichtsperre wirkt und Strahlung des Plasmas 15 nicht zum Sen sor 20 gelangen läßt. In order to rule out disturbances in the measuring accuracy, the radiation sensor 20 is positioned on the workpiece side 18 in such a way that it cannot be reached by radiation from the plasma 15 . For this positioning, the arrangement behind the workpiece 23 is generally sufficient, which acts as a visual barrier and does not allow radiation of the plasma 15 to reach sensor 20 .

Signale S2 können dazu verwendet werden, das Schweißver fahren zu beeinflussen, insbesondere die beiden Schweißstrah len 10, 11. Bei Vorliegen eines Signals S2 mit Indikationsfre quenz kann beispielsweise die mittlere Leistung des Lasers 1 zurückgefahren werden, wenn diese zuvor gesteigert wurde, um eine Durchgängigkeit der Dampfkapillaren 14 zu erreichen. Eine Steuerung der Schweißstrahlen 10, 11 kann auch in dem Sinn erfolgen, daß deren Position geändert wird, damit die auf sie zurückgehenden Anteile an der Dampfkapillaren ausge richtet werden, um eine Überlappung der Wurzelbereiche der Einzelkapillaren zu erreichen.Signals S2 can be used to influence the welding process, in particular the two welding beams 10 , 11 . In the presence of a signal S2 with frequency indications, for example, the average power of the laser 1 can be reduced if this was previously increased in order to achieve a continuity of the steam capillaries 14 . The welding beams 10 , 11 can also be controlled in the sense that their position is changed so that the portions of the steam capillaries that are due to them are aligned in order to achieve an overlap of the root regions of the individual capillaries.

Fig. 2 zeigt zur Erläuterung diagrammatische Darstellun gen des Leistungsdichtespektrums (L-Dichte) in Abhängigkeit von der Frequenz für die beiden Plasmen 15, 22 bei durchgängi ger und undurchgängiger Kapillare. In beiden Fällen ist auf der Werkstückseite 19, wo sich das durch den HE-angeregten Laser 1 induzierte Plasma 15 befindet, jeweils ein ausgepräg ter 50 kHz Peak vorhanden. Auf der gegenüberliegenden Werk stückseite 18 weist das von dem DC-angeregten Laser 2 indu zierte Plasma 22 einen 50 kHz Peak jedoch nur dann auf, wenn die Kapillare durchgängig ist. Das Vorhandensein dieser Indi kationsfrequenz auf der dem Laser 1 gegenüberliegenden Werk stückseite 18 kann also bei Durchgängigkeit der Dampfkapilla ren 14 mit Sicherheit meßtechnisch festgestellt werden. Fig. 2 shows explanatory diagrams of the power density spectrum (L density) as a function of the frequency for the two plasmas 15 , 22 with a continuous and impervious capillary. In both cases, a pronounced 50 kHz peak is present on the workpiece side 19 , where the plasma 15 induced by the HE-excited laser 1 is located. On the opposite workpiece side 18 , the plasma 22 induced by the DC-excited laser 2 , however, only has a 50 kHz peak if the capillary is continuous. The presence of this indi cation frequency on the opposite side of the laser 1 work piece side 18 can thus be determined with certainty by measuring the continuity of the steam capillary ren 14 .

Aufgrund von Signalen S2 kann die notwendige Steuerung der Laser 1, 2 bzw. der Hochenergie-Schweißstrahlen 10, 11 durchgeführt werden. Eine Steigerung der Meßsensibilität er gibt sich jedoch, wenn das Sensorsignal S2 in Bezug zur Indi kationsfrequenz gesetzt wird. Hierzu ist in Fig. 1 darge stellt, daß der Laser 1 ein Puls-Weiten-Modulationssignal als Referenz in einen Lock-in-Verstärker 26 eingibt, der ein Aus gangssignal S3 ausgibt, welches die Durchgängigkeit der Ka pillaren kennzeichnet. Zur Bedeutung dieses Signals S3 wird auf die Fig. 3 hingewiesen, welche die Intensität der Hoch energie-Schweißstrahlung in Abhängigkeit von der Zeit des Schweißverfahrens darstellt. Das Signal S2 entspricht den mit dem Strahlungssensor 20 aufgenommenen Strahlungsintensitäten des Plasmas 22, enthält also die Indikationsfrequenz, die vom Laser 1 herrührt. Das Signal S1 entspricht den Strahlungsin tensitäten des Plasmas 15, die mit dem Strahlungssensor 21 aufgenommen wurden. Beide Signale werden mittels den in Fig. 1 dargestellten Meßverstärkern erzeugt.The necessary control of the lasers 1 , 2 or the high-energy welding beams 10 , 11 can be carried out on the basis of signals S2. However, there is an increase in the measuring sensitivity if the sensor signal S2 is set in relation to the indi cation frequency. To this end 1 is shown in Fig. Darge provides that the laser 1 enters a pulse width modulation signal as a reference in a lock-in amplifier 26, which outputs an OFF output signal S3, which indicates the continuity of the pillaren Ka. For the meaning of this signal S3, reference is made to FIG. 3, which shows the intensity of the high-energy welding radiation as a function of the time of the welding process. The signal S2 corresponds to the radiation intensities of the plasma 22 recorded with the radiation sensor 20 , that is to say contains the indication frequency which originates from the laser 1 . The signal S1 corresponds to the radiation intensities of the plasma 15 , which were recorded with the radiation sensor 21 . Both signals are generated by means of the measuring amplifiers shown in FIG. 1.

Die Signale S1, die das puls-Weiten-Modulationssignal des Lasers 1 enthalten, also die Indikationsfrequenz aufwei sen, zeigen, daß der Laserstrahl 11 während der Zeitinterval le von 3 bis 4 s und von 6 bis 7 s abgeschaltet wurde, um während dieser Zeit eine undurchgängige Dampfkapillare zu er halten. Demgegenüber sind die Signale S2 während der gesamten Schweißzeit von ca. 0,2 bis 8,5 s durchweg vorhanden. Dadurch ergibt sich bei entsprechender Anwendung der Lock-in-Technik der Verlauf der Signale S3 für die Kapillardurchgängigkeit. Es läßt sich deutlich erkennen, daß während der Zeiten des Hochpegels von ca. 0,2 bis 3 s, von ca. 4 bis 6 s und von ca. 7 bis 8,5 s Kapillardurchgängigkeit gegeben ist, im Gegensatz zu den Zeiten von ca. 3 bis 4 s und von ca. 6 bis 7 s, in denen ein Niedrigpegel gegeben und infolgedessen die Nicht durchgängigkeit der Dampfkapillaren 14 angezeigt ist.The signals S1, which contain the pulse-width modulation signal of the laser 1 , that is to say the indication frequency, show that the laser beam 11 was switched off during the time intervals 3 to 4 s and 6 to 7 s to during this time to maintain an impervious steam capillary. In contrast, the signals S2 are present throughout the entire welding time of approx. 0.2 to 8.5 s. With appropriate use of the lock-in technique, this results in the course of the signals S3 for the capillary patency. It can be clearly seen that during the times of the high level of approx. 0.2 to 3 s, of approx. 4 to 6 s and of approx. 7 to 8.5 s there is capillary patency, in contrast to the times of approx 3 to 4 s and from about 6 to 7 s, in which a low level is given and consequently the non-continuity of the steam capillaries 14 is indicated.

Die zu Fig. 2 vorerwähnten Leistungsdichtespektren lassen sich in geeigneter Weise ermitteln. Bei rechnergestützten Analysen können beispielsweise schnelle Fouriertransformatio nen (FFT) off-line durchgeführt werden. Für Echtzeitsteuerung der beiden Schweißstrahlen 10, 11 sind Spektrum-Analysatoren geeignet, wie beispielsweise der in Fig. 1 schematisch darge stellte Lock-in-Verstärker 26.The power density spectra mentioned in relation to FIG. 2 can be determined in a suitable manner. For example, fast Fourier transforms (FFT) can be performed off-line in computer-aided analyzes. Spectrum analyzers are suitable for real-time control of the two welding beams 10 , 11 , such as the lock-in amplifier 26 shown schematically in FIG. 1.

Das vorbeschriebene geregelte Schweißverfahren erlaubt eine on-line Qualitätssicherung beim simultanen Schweißen mit Hochenergie-Schweißstrahlen. Das Verfahren kann zur Optimie rung von Verfahrensparametern, zur Prozeßdatenerfassung und zur Verwendung für eine Regelung des Prozesses genutzt wer den. Das Schweißverfahren wird insbesondere beim Schweißen mit CO₂-Laserstrahlung eingesetzt, nämlich bei der Fertigung offener Träger und Halbzeuge, sowie bei der Sektionsfertigung im Stahl- und Schiffbau, im Offshore-Bereich, im Waggon- und Karosseriebau sowie bei Hebe- und Fördereinrichtungen. Bei allen hierfür in Frage kommenden Schweißverfahren kann bei allen beidseitig zugänglichen, im Vollanschluß gefügten Stoß-Konfigurationen von den Vorteilen infolge der Verbesserung der Durchgängigkeitsmessung der Dampfkapillaren Gebrauch ge macht werden. Das gilt auch für Konfigurationen, bei denen die Hochenergie-Schweißstrahlen verfahrensbedingt unter einem Einstrahlwinkel von mehr als 10° zur Flächennormalen der mit der Strahlung beaufschlagten Werkstückoberfläche angestellt werden müssen, z. B. beim Schweißen von T-Stößen im Grobblech bereich.The regulated welding process described above allows on-line quality assurance for simultaneous welding with High energy welding beams. The process can be used for optimization of process parameters, for process data acquisition and who are used for use in controlling the process the. The welding process is particularly useful when welding used with CO₂ laser radiation, namely in manufacturing open carrier and semi-finished products, as well as in section production in steel and shipbuilding, in the offshore area, in wagon and Body construction as well as lifting and conveying facilities. At all of the welding processes that can be used for this purpose can all accessible on both sides, fully connected Bump configurations from the advantages due to the improvement the patency measurement of the steam capillaries be made. This also applies to configurations where the high-energy welding beams due to the process under one Angle of incidence of more than 10 ° to the surface normal of the the workpiece surface exposed to radiation need to be, e.g. B. when welding T-joints in heavy plate Area.

Claims

. Welding method with several high-energy welding beams ( 10, 11 ), in particular laser beams, in which the welding beams ( 10, 11 ) simultaneously irradiate two workpiece outer surfaces ( 12, 13 ) opposite each other and in which the beam power of at least one of the two, a steam capillary ( 14 ) forming welding beams ( 10, 11 ) is modulated in time, the continuity of the steam capillaries ( 14 ) being monitored by measuring the plasma fluctuation, characterized in that the high-energy radiation of at least one welding beam ( 10, 11 ) lies above the fluctuation frequencies of the welding plasma Indication frequency is modulated.

2. Welding method according to claim 1, characterized in that that frequency is used as the indication frequency, which serves for setting the mean Laserlei stung an RF-excited laser ( 1 ) with a pulse-Wei ten-modulation method.

3. Welding method according to claim 1 or 2, characterized records that a frequency of 50 kHz is used.

4. Welding method according to one of claims 1 to 3, characterized in that one of the two welding beams ( 10 ) by a DC-excited laser ( 2 ) and the other of the two welding beams ( 11 ) by an HF-excited laser ( 1 ) is generated, and that the measurement is carried out from the workpiece side ( 18 ) of the DC-excited laser ( 2 ).

5. Welding method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the measurement is carried out with a radiation sensor ( 20 ) which is arranged outside of the radiation range of the RF-excited laser-induced plasma ( 15 ).

6. Welding method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the measurement is carried out with a radiation sensor ( 20 ), the ne ben of the laser radiation ( 10 ) of the DC-excited laser ( 2 ) in close proximity to the plasma induced by the latter ( 22 ) is arranged on.

7. Welding method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measurement is carried out with a radiation sensor ( 20 ) having a photodiode with a spectral sensitivity limit filter ( 20 ').

8. Welding method according to any one of claims 1 to 7, as by in that the continuity of the vapor capillary (14) indicating signals (S3) are generated by a result of the vapor capillary (14) eindrin gender indication of frequency-modulated Hochenergiestrah lung sensor signals generated ( S2) in relation to the indication frequency.

9. Welding method according to claim 8, characterized net that in relation to the signals (S2, S3) after the Lock-in procedure is carried out.