DE19927803A1

DE19927803A1 - Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen

Info

Publication number: DE19927803A1
Application number: DE19927803A
Authority: DE
Inventors: Matthias Negendanck
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2000-12-28
Also published as: AU6260800A; WO2000076715A3; WO2000076715A8; WO2000076715A2; EP1194260A2

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen zum Einsatz zur Prozeßbeobachtung in einem Stell- und/oder Regelkreis vorgeschlagen, die einen PSD (Position Sensitive Diode) (1), ein System zur optischen Abbildung (7) und optische Filter (8) umfaßt, wobei der PSD an eine verstärker- und/oder datenverarbeitende Einheit (5) angeschlossen ist. Erfindungsgemäß erfolgt die Bestimmung der Fokuslage durch Detektion des Schwerpunkts der Abbildung der gefilterten optischen Emission der Wechselwirkungszone auf dem PSD.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen.

Das Laserstrahlschweißen ist ein Fügeverfahren, das durch seine vielen Vorteile ei nen festen Platz in der Fertigung erobert hat. So wird dieses Verfahren in der Auto mobilindustrie z. B. zum Schweißen von Dachnähten, im Schiffbau zum Schweißen von Sandwichpaneelen, im Behälterbau etc. eingesetzt.

Eine verfahrensbedingte Anforderung ist die korrekte Einhaltung der Fokuslage, der Abstand zwischen Fokus und Werkstückoberfläche, während des Bearbeitungspro zesses. Abweichungen von einigen 0.1 mm können zu einer verringerten Ein schweißtiefe und zusätzlich durch Änderung des Gesamtprozesses zur Verschlech terung der Bearbeitungsqualität führen. Der Parameter Fokuslage ist meßtechnisch sehr schwer zu erfassen, wie im folgenden dargelegt wird.

Sensorsysteme zur Fokuslagenkontrolle beim Laserstrahlschweißen kann man in folgende Gruppen unterteilen:

1. Systeme mit Sensoren zur Ermittlung der geometrischen Größe Bearbeitungsab stand.
Hier sind taktile Sensoren, die über einen Tastfinger im Vorlauf den Abstand messen und optische Triangulationsverfahren, wie z. B. Lichtschnitt oder Verfah ren mit pendelndem Laserstrahl zu nennen. Diesen Systemen ist gemeinsam, daß sie nur im Vorlauf betrieben werden können, da beim Bearbeitungsort zu ho he Temperaturen für einen Tastfinger und zu hohe optische Prozeßemissionen für einen Probelaserstrahl vorherrschen. Damit sind diese Verfahren nur sehr eingeschränkt einsetzbar, da z. B. beim 3-D-Laserstrahlschweißen ein vorlaufen der Sensor bei Kurven in der Bearbeitungsbahn einen falschen Meßwert liefern.
2. Systeme mit Sensoren zur Detektion der Prozeßemission.
Hierzu zählen Systeme, die den zeitlichen Verlauf der Prozeßemission mit Senso ren wie z. B. Photodiode, Mikrophon o. ä. aufnehmen und aus dem zeitlichen Verlauf einen Zusammenhang mit der Fokuslage herstellen. Die Systeme, die die Fokuslage auf diese Weise direkt messen, haben den gemeinsamen Nachteil, daß Änderungen in der Intensität und dem zeitlichen Verlauf auf sehr viele Pro zeßparameter zurückzuführen sind, und somit nicht eindeutig der Fokuslage zu geordnet werden können. Diese Systeme werden i. a. nur zur Prozeßbeobach tung aber nicht für Regel- und Stellkreise eingesetzt. Eine Ausnahme macht das System nach DE 195 16 376.1, das die Antwort des Schweißprozesses auf eine minimale Modulation der Fokuslage analysiert. Dieses System birgt aber den Nachteil, daß es aufgrund der störsicheren Meßmethode in Form einer Relativ messung nur auf die Fokuslage z = 0 mm regeln kann. In der Praxis sind aber meist andere Fokuslagen verlangt.
3. Systeme mit Sensoren zur Aufnahme der Intensitätsverteilung der Prozeßemissi on am Bearbeitungsort.
Hierfür werden CCD-, CMOS- oder Hochgeschwindigkeitskameras in entweder on-axis oder off-axis Beobachtungsrichtung verwendet. Diese Systeme bieten über digitale Bildverarbeitung die Möglichkeit eine Vielzahl von Prozeßkenngrö ßen aufzunehmen und sie mit großer Sicherheit auch in einen Zusammenhang mit der Fokuslage bringen zu können. Als Beispiel sei hier das System "QUALAS" (Patentanmeldung DE 197 16 293 A1) aufgeführt, das im wesentlichen aus ei ner Kamera, die Off-axis am Bearbeitungskopf angebracht ist, einer geeigneten Optik, die den Bearbeitungsort abbildet und ein DSP (Digital-Signal-Processing)- Boards besteht. Durch leistungsfähige Bidverarbeitungsalgorithmen kann eine Vielzahl von Prozeßkenngrößen in Echtzeit abgeleitet werden, deren Zusammen hang mit der Fokuslage bereits nachgewiesen sind. Nachteil dieses oder ähnli cher Systeme ist der hohe systemtechnische Aufwand bei gleichzeitig geringer Meßfrequenz. Die Meßfrequenz ist z. Zt. durch den Takt der CCD-Kamera von 50 Hz und der Leistungsfähigkeit des DSP-Boards beschränkt. Der hohe system technische Aufwand ist durch den Einsatz des schnellen DSP-Boards bedingt.

Das dem Sensor zu Grunde liegende Meßprinzip der Triangulation ist hinreichend bekannt. Eine Variation hiervon stellt die aktive Triangulation dar. Als Erzeugende für eine Leuchtquelle auf dem Meßobjekt wird nicht ein Signallaser (z. B. Lasertriangula tion), sondern die thermische Emission des Bearbeitungsorts verwendet. Stand der Technik ist, daß dieses Verfahren für das Laserstrahlschweißen nicht eingesetzt wird, da es als zu ungenau gilt:
Zum einen weist die Fläche des Schmelzbads in der Draufsicht im wesentlichen die Form eines langgestreckten Tropfens auf. Der Schwerpunkt der thermischen Emissi on liegt somit nicht im Mittelpunkt der Laser-Material-Wechselwirkungszone. Der gemessene Abstand ändert sich somit mit der Beobachtungsrichtung des Sensors. Zum zweiten befindet sich oberhalb der Dampfkapiliare die Metalldampffackel. Die optische Emission der Metalldampffackel verschiebt den Schwerpunkt der gesamten optischen Emission des Bearbeitungsorts in Richtung der Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche. Der gemessene Abstand ändert sich in Abhängigkeit von der optischen Emission der Metalldampffackel.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage mit hoher Auflösung beim Laserstrahlschweißen bereitzustellen, die auf einem robusten, zuverlässigen Meßverfahren basiert.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Demnach erfolgt eine Kontrolle der Fokuslage in Abhängigkeit der Position des In tensitätsschwerpunkts der optischen Emission der Schweißkapillare. Diese Position wird durch die Abbildung der Dampfkapillare auf einen PSD (position sensitive diode) detektiert, vor dem optische, wellenlängenselektive Filter positioniert sind. Die Schwerpunktsermittlung ist durch die Funktionsweise der PSD gegeben. Durch Mes sungen ist ein direkter Zusammenhang zwischen Lage des Schwerpunkts und der Fokuslage nachgewiesen. Diese Relation wird erfindungsgemäß zur Kontrolle der Fokuslage genutzt, so daß dieses Sensorsystem im Gegensatz zu Systemen nach (1) 3d-fähig ist, im Gegensatz zu Systemen nach (2) auf einem sehr robusten Meß verfahren beruht, und im Gegensatz zu Systemen nach (3) keine aufwendigen Bild verarbeitungsalgorithmen benötigt und sehr hohe Meßfrequenzen ermöglicht. Durch die geeignete Wahl der wellenlängenselektiven, optischen Filter ist es möglich die optischen Emissionen des Schmelzbades und der Metalldampffackel derart abzu schwächen, daß der ermittelte Intensitätsschwerpunkt hinreichend genau in der Mitte der Dampfkapillarenaustrittsöffnung liegt. Somit weist diese Vorrichtung im Gegen satz zu der bekannten aktiven Triangulation eine deutlich höhere Meßgenauigkeit auf.

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 typischerweise beim Laserstrahlschweißen auftritt. Das Schmelzbad befindet sich auf einem in Schweißbearbeitung befindlichen Werkstück (1), das in der Dar stellung der Fig. 1 von rechts nach links verschweißt wird, wobei die Betrachtungs richtung mit dem Poyntingschen Vektor des Bearbeitungslasers (2) einen 45°-Win kel einschließt und wobei die rechts hinter dem Schmelzbad befindliche Schweißnaht aus Gründen der Darstellungsvereinfachung nicht gezeigt ist.

Das Schmelzbad (3) weist im wesentlichen die Form eines langgestreckten Tropfens mit einem Intensitätsschwerpunkt S auf. Am schweißrichtungsseitigen breiteren Kopfende des Schmelzbads (in der Darstellung der Fig. 1 links) befindet sich der Einstrahlpunkt des Laserstrahls und das diesen umgebende Keyhole (4), die Öffnung der Dampfkapillare, das im wesentlichen kreisförmig mit einem Durchmesser d und einem Intensitätsschwerpunkt M ist. Das Schmelzbad besteht aus flüssigem Werk stoff, beispielsweise Eisen mit einem Schmelzpunkt von 1535°C. Die Dampfkapillare besteht aus Werkstoffdampf, beispielsweise Eisen mit einem Siedepunkt von 2880°C. Die Position des gesamten Schwerpunkts projiziert auf eine Parallele der Verbindungslinie zwischen S und M berechnet sich zu

X_MS = (X_M.I_M + x_S.I_S)/(I_M + I_S)

mit:
x_MS: Auf die Parallele projizierte Position des gemeinsamen Schwerpunkts von M und S
x_M: Auf die Parallele projizierte Position des gemeinsamen Schwerpunkts von M
x_S: Auf die Parallele projizierte Position des gemeinsamen Schwerpunkts von S
I_M: Gesamte empfangene Strahlungsintensität des Schmelzbads
I_S: Gesamte empfangene Strahlungsintensität der Öffnung des Dampfka pillare.

Der Abstand zwischen dem gesamten Schwerpunkt X_MS und dem Intensitätsschwer punkt der Öffnung der Dampfkapillare X_M wird mit x bezeichnet.

Die Abstand x wird kleiner je geringer die empfangene Strahlungsintensität des Schmelzbads ist. Diese Betrachtung zeigt lediglich die räumliche Verteilung der bei den, zum Phänomen beitragenden Lichtquellen, zur Realisierung der Erfindung ist es jedoch notwendig zusätzlich die verschiedenen spektralen Intensitätsverteilungen zu verwenden.

Wie bereits dargestellt herrschen in den beiden Bereichen verschiedene Temperatu ren vor. Dementsprechend ist die spektrale Verteilung unterschiedlich. Die Gesam tintensität der Strahlung hängt von der Temperatur, der Emissivität des Werkstoffs und der Fläche ab.

Fig. 2 steigt das Ergebnis einer beispielhaften Berechnung der spektralen Intensi tätsverteilung mit den Parametern:

T_{Dampfkapillare} = 6000°C: Temperatur des Metalldampfs
T_schmelzbad = 1600°C: Temperatur des Schmelzbads
A_Keyhole = 0.2826.10^-6 mm²: Fläche des Keyholes
A_Schmelzbad = 5.10^-6 mm²: Fläche des Schmelzbads
ε = 1: Emissionsgrad des Keyholes
ε = 0.67: Emissionsgrad des Schmelzbads.

Die Darstellung Fig. 2 zeigt, daß das Schmelzbad unterhalb von 750 nm nahezu kei ne Strahlung emittiert. Die Strahlung der Dampfkapillare besitzt in dem Bereich um 800 nm ihr Strahlungsmaximum. Erfindungsgemäß wird ein wellenlängenselektiver optischer Filter verwendet, der Strahlung oberhalb von 750 nm reflektiert oder absor biert, um den Anteil der empfangenen Intensität des Schmelzbads zu verkleinern und den Abstand x aus Fig. 1 zu verringern.

Fig. 3 zeigt in stark schematischer Darstellung den Schnitt einer Seitenansicht auf eine Wechselwirkungszone, wie sie typischerweise beim Laserstrahlschweißen auf tritt. Die Dampfkapillare (1) befindet sich in einem in Schweißbearbeitung befindli chen Werkstück (5), das in der Darstellung der Fig. 3 von rechts nach links ver schweißt wird, wobei die Betrachtungsrichtung mit dem Poyntingschen Vektor des Bearbeitungslasers (4) einen 90°-Winkel einschließt und wobei die rechts hinter dem Schmelzbad befindliche Schweißnaht aus Gründen der Darstellungsvereinfa chung nicht gezeigt ist.

Fig. 3 zeigt weiterhin die Metalldampffackel (2) in stark vereinfachter Darstellung. Die Metalldampffackel emittiert vor allem Strahlung, wenn durch die Laserstrahlung ein Plasma (3) induziert (Metalldampfplasma) wird. Diese Strahlung kann analog der Darstellung der Schmelzbadstrahlung zu einer Verschiebung des Gesamtschwer punkts in Richtung der Oberflächennormalen führen. Der Schwerpunkt der optischen Emission der Dampfkapillare wird mit S, der Schwerpunkt des induzierten Plasmas mit P und der gemeinsame Schwerpunkt mit PS bezeichnet. Die Projektionen der Schwerpunkte auf eine Parallele der Verbindungslinie der Schwerpunkte werden entsprechend mit Z_S, Z_P und Z_PS bezeichnet.

Aus vielen Untersuchungen ist bekannt, daß die Strahlung des laserinduzierten Plasmas im wesentlichen (werkstoffabhängig) im Bereich bis 550 nm emittiert wird. Erfindungsgemäß wird ein wellenlängenselektiver optischer Filter verwendet, der Strahlung unterhalb von 550 nm reflektiert oder absorbiert, um den Anteil der emp fangenen Intensität aus der Metalldampffackel zu verkleinern und, um den Abstand Z des Gesamtschwerpunkts PS von dem Schwerpunkt S zu verringern.

Die Detektion des Schwerpunkts wird erfindungsgemäß von einem PSD-Sensor durchgeführt. Das Halbleiter-Bauelement (PSD) wird erfindungsgemäß beispielswei se derart beschaltet, daß es über eine Verstärkereinheit und eine analoge oder digi tale Datenverarbeitungseinheit ein Spannungssignal ausgibt, das proportional zur Position des Intensitätsschwerpunkts eines Lichtflecks auf dem PSD ist. Erfindungs gemäß ist dieser Lichtfleck das Bild der Wechselwirkungszone nach dem Filter. Die Meßfrequenz ist im wesentlichen durch die Verstärker- und Datenverarbeitungsein heit bestimmt und kann ohne technische Probleme im KHz-Bereich und höher liegen. Der PSD besitzt eine Anstiegszeit von einigen zehn Nanosekunden.

Das Bild wird durch ein optisches System erzeugt, das die Lage der Objektebene, der Bildebene und der Linsenhauptebene sowie die Brechkraft der optischen Ele mente und die Anzahl und Position der Blenden festlegt. Erfindungsgemäß werden zwei Varianten für das optische System vorgeschlagen.

In Fig. 4 ist ein telezentrischer Aufbau dargestellt. Hierbei ist die Detektorebene (1) parallel zu den Hauptebenen des Linsensystems (2) und senkrecht zur Beobach tungsrichtung (3). Im hinteren Brennpunkt des Linsensystems (2) ist eine Blende (4) positioniert, die einen offenen Durchmesser aufweist, so daß eine telezentrische Ab bildung gewährleistet ist. Der Vorteil an dieser Variante ist, daß die transmittierte In tensität unabhängig von der Lage des Objektpunkts ist und die Kennlinie des Detek tors durch diesen Aufbau linearisiert ist. Zudem kann durch diese Blende die trans mittierte Intensität eingestellt werden.

Alternativ hierzu wird ein Aufbau nach dem Hinge-/und Scheimpflug Prinzip (Patent 1904 Großbritannien GB 1196/1904) vorgestellt. Diese Prinzipien verknüpfen die La ge der Ebenen (u. a. Gegenstands- und Bildebene) derart, daß über den gesamten Abbildungsbereich, im Gegensatz zum telezentrischen Aufbau, eine "scharfe Abbil dung" ermöglicht wird. Der Vorteil dieser Variante ist, daß während des Schweißpro zesses über eine zusätzliche CCD-Kamera der Prozeß vom Anwender beobachtet werden kann und die Entfernungseinstellung des Sensors einfacher durchgeführt werden kann.

Fig. 5 zeigt in schematischer Darstellung die Anordnung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt einen PSD-Sensor (1), der zur Detektion des Intensitätsschwerpunkts, wie vorste hend erläutert wurde, mit Abbildungsoptik (7) und optischen Filter (8) ausgerüstet ist. Der PSD-Sensor ist auf das Keyhole (2) gerichtet, das durch einen Laserschweiß prozeß mittels Laserstrahl (3) in einem Werkstück (4) entstanden ist. Der PSD- Detektor ist an eine Verstärker- und Datenverarbeitungseinheit (5) angeschlossen. Die Datenverarbeitungseinheit ist mit der Laseranlagensteuerung (6) verbunden, die wiederum (in nicht dargestellten Art und Weise) mit der Strahlführungsmaschine ver bunden ist. Gegebenenfalls kann im PSD-Sensorgehäuse zusätzlich eine Kamera für einen Kontrollmonitor und/oder Videorecorder integriert werden. Erfindungsgemäß ist durch diese Anordnung die Detektion und Kontrolle des Bearbeitungsabstands mög lich.

Claims

1. Vorrichtung zur Kontrolle der Fokuslage während des Laserstrahlschweißens mit einer positionsempfindlichen Diode, wobei die positionsempfindliche Diode an eine datenverarbeitende Einheit angeschlossen ist, dadurch gekennzeich net, daß die Kontrolle der Fokuslage in Abhängigkeit der Position des Schwer punkts der optischen Emission der Dampfkapillare, die durch optische Filterung selektiv erfaßt wird, erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal als Führungsgröße in einen Stellkreis eingesetzt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal als Führungsgröße in einen Regelkreis eingesetzt wird.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das resultierende Signal zur Prozeßbeobachtung eingesetzt wird.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor im Stell- oder Regelkreis den Bearbeitungsabstand ändert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor im Stell- oder Regelkreis eine adaptive Optik zur Änderung der Bildweite ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wellen längenselektiven Filter die Wellenlänge des Bearbeitungslasers absorbieren oder vollständig reflektieren.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wellen längeselektiven Filter die Prozeßemissionen derart filtern, daß die Intensitäts verteilung des resultierenden Bilds ihren Schwerpunkt an der Öffnung der Dampfkapillare hat.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Beob achtungsrichtung nicht mit dem Poyntingschen Vektor des Bearbeitungslaser strahls identisch ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System einen telezentrischen Aufbau hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System und die räumliche Lage der Objekt- und Bildebene so ausgelegt sind, daß es dem Scheimpflug- und/oder dem Hingeprinzip entspricht.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die positi onsempfindliche Diode eine ein- oder zweidimensionale Diode ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die daten verarbeitende Vorrichtung analog und/oder digital arbeitet.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kennli nie des Sensorsystems durch das optische System, oder die analoge oder di gitale Verarbeitung linearisiert ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale oder die laterale Position des Schwerpunkts erfaßt wird.