Wurzelseitiges ProzessbeobachtungssystemDie 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. ProblemstellungDie 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.
Die Prozessbeobachtung zeigt einen größer werdenden Versatz zwischen Schweißnaht und Fügespalt der zu einer Streckung der ellipsenförmigen Schmelzbadgeometrie führt. (Bildquelle: Stefan Kaierle, LZH) Unsere LösungDurch 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. 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. Vorteile
AnwendungsbereicheFertigung dickwandiger Bauteile etwa im:
Entwicklungsstand
Konstruktionsmodell (links) und Umsetzung (rechts) des wurzelseitigen Prozessbeobachtungssystems. (Bildquelle: Stefan Kaierle, LZH) 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.
PatentsituationDeutsche Patentanmeldung: DE102015115270A1 KontaktDr. Ireneusz Iwanowski |
