Wurzelseitiges Prozessbeobachtungssystem

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prozessbeobachtung und -regelung für das Strahlschweißen. Dabei erfolgt die optische Prozessbeobachtung wurzelseitig, also auf der Werkstückunterseite. Ebenso beschreibt die Erfindung eine Prozessbeobachtungsvorrichtung, die auf die Anforderungen des Strahlschweißens optimiert wurde. Die so durchgeführte Prozessbeobachtung und -regelung verhindert Flankenbindefehler und sorgt so für eine höhere Belastbarkeit der Schweißverbindung.

Problemstellung

Die Makromaterialbearbeitung mittels Strahlschweißen stellt hohe Anforderungen an die Ausrichtungs- und Positioniergenauigkeit. Üblicherweise wird der Schweißprozess daher auf der Werkstückoberseite beobachtet, wobei die optische Begutachtung des Keyholes Rückschlüsse auf die Qualität der Schweißung zulässt. Die Beobachtung allein auf der Werkstückoberseite reicht allerdings nicht aus, um das Auftreten von Flankenbindefehlern auszuschließen. So kann eine Verkippung des Strahles relativ zu dem Fügespalt nicht zuverlässig erkannt werden. Selbst kleinste Winkel führen bei hohen Materialstärken schnell zu einer nicht vollständigen Flankenerfassung. Abgesehen von der Positionierung des Laserstrahls können auch durch die Materialflanken gebildete Winkel zu einer Verkippung relativ zur Strahlachse führen. In diesem Fall kommt es trotz einer Beobachtung und Regelung des Strahles auf der Werkstückoberseite zu Flankenbindefehlern im Wurzelbereich, die auch nur wurzelseitig detektierbar sind. Gleiches gilt für Anwendungen, bei denen bauteilbedingt keine senkrechte Einstrahlung des Laserstrahles möglich ist.
Neben diesen Verkippungen muss häufig auch die Streckenenergie nachgeregelt werden, wenn eine gleichbleibende Einschweißtiefe erzielt werden soll.

Die Prozessbeobachtung zeigt einen größer werdenden Versatz zwischen Schweißnaht und Fügespalt der zu einer Streckung der ellipsenförmigen Schmelzbadgeometrie führt. (Bildquelle: Stefan Kaierle, LZH)

Unsere Lösung

Durch die gleichzeitige Erfassung der Schweißnahtwurzelposition und des Fügespaltes auf der Werkstückrückseite lässt sich eine Fehlausrichtung detektieren. Dabei wird anstelle des relativ kleinen Keyholes die Position der Hauptachse der Schmelzbadgeometrie relativ zum Fügespalt gemessen. Diese ergibt die Positionsabweichung der Strahlachse und kann über die Regelung des Roboter-/Achssystems ausgeglichen werden.
Weiterhin gibt die Geometrie des Schmelzbades Aufschluss über die Eindringtiefe und kann genutzt werden, um die Laserleistung nachzuregeln.

Die Vorrichtung zur wurzelseitigen Prozessbeobachtung muss vor Prozessemissionen geschützt sein und wird daher erfindungsgemäß in einem kompakten Gehäuse mit Sichtfenstern installiert. Die Beobachtung kann dabei nicht senkrecht unter der Prozesszone erfolgen, da der Detektor sonst von dem Laserschweißstrahl getroffen würde. Die Beobachtung erfolgt daher unter einem Winkel – seitlich versetzt zu der Prozesszone. Negative Auswirkungen auf die Abbildungsqualität werden dabei durch ein Tilt-Shift Objektiv ausgeglichen. Um sowohl das Schmelzbad als auch den noch unbearbeiteten Fügespalt erfassen zu können, ist ein hoher Dynamikumfang notwendig. Der erforderliche Dynamikbereich kann reduziert werden, in dem eine im Gehäuse eingearbeitete Beleuchtungsquelle genutzt wird.
Die in dem Gehäuse erforderlichen Sichtfenster führen zu störenden Teilreflexion. Diese können durch Antireflexbeschichtungen vermieden werden, allerdings sind diese Beschichtungen teuer und nicht sehr widerstandsfähig. Da aber mit einiger Belastung durch Prozessemissionen zu rechnen ist, werden Teilreflexionen erfindungsgemäß dadurch vermieden, dass die Fenster im Brewsterwinkel angeordnet werden und die Beleuchtung mit P-polarisiertem Licht erfolgt.

Vorteile

  • Vermeidung von Flankenbindefehlern auch im Nahtwurzelbereich und bei hohen Materialstärken
  • Regelung der Laserstrahlintensität auf den optimalen Wert für den jeweils gerade bearbeiteten Materialabschnitt
  • Kompaktes Prozessbeobachtungssystem auf der Werkstückrückseite
  • Hohe Abbildungsqualität durch Tilt-Shift Optik
  • Widerstandsfähige Sichtfenster – dank Brewsterwinkel keine Antireflexbeschichtung notwendig.

Anwendungsbereiche

Fertigung dickwandiger Bauteile etwa im:

  • Schiffbau
  • Rohrbau
  • Windturmbau
  • Kranbau
  • Nutzfahrzeugbau

Entwicklungsstand

Es existiert eine prototypische Umsetzung des Verfahrens. Mit dieser wurden Untersuchungsresultate erzielt, die den Vorteil der erfolgreichen Prozessüberwachung und -regelung belegen. Weiterhin existiert ein Konstruktionsmodell und dessen Umsetzung für die Prozessbeobachtungsvorrichtung inklusive vorgesehenem Tilt-Shift Objektiv und Ausrichtung der Sichtfenster im Brewesterwinkel kombiniert mit einer P-polarisierten Beleuchtung.

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Patentsituation

Deutsche Patentanmeldung: DE102015115270A1

Patentanmelder: Laser Zentrum-Hannover e.V. (LZH)

Kontakt

Dr. Ireneusz Iwanowski
Patentmanager (Physik, Technik und Software)
E-Mail: iiwanowski(at)sciencebridge.de
Tel.: +49 (0) 551 30 724 153
Referenz: CPA-1809-LZH
www.sciencebridge.de

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