Verfahren und Vorrichtung zur optischen Beurteilung der Schweissqualität beim Schweissen

Hinweis auf verwandte Anmeldungen

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der schweizerischen Patentanmeldung Nr. 1431/06, die am 6. September 2006 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung hiermit durch Bezug aufgenommen wird.

Hintergrund

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Beurteilung der Schweissqualität, insbesondere beim Laserschweissen, bei dem ein Bild der Schweisszone aufgenommen wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Stand der Technik

Es ist bekannt, Schweissnähte optisch zu prüfen. Dazu wird insbesondere mit 2D Laser Scannern eine Laserlichtlinie (Lasertriangulationslinie) quer über die Naht gelegt und es werden daraus Geometriedaten der Naht ermittelt. Aus JP 2005111538 ist es weiter bekannt, das Bild der Metallschmelze beim Laserschweissen aufzunehmen und es mit Referenzdaten zu vergleichen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde die optische Qualitätsprüfung von Schweissnähten zu verbessern.

Dies wird bei dem eingangs genannten Verfah- ren dadurch erreicht, dass dabei das Prozessleuchten einerseits als auch ein Grau- oder Farbbild der erstarrten

Schweissnaht und die Lasertriangulationslinie andererseits in verschiedenen Bildbereichen aufgenommen werden.

Durch die drei verschiedenen Bildelemente auf dem Bild mit den beiden Bildbereichen lässt sich die Qua- litätsbeurteilung der Schweissung optimal während des Schweissprozesses durchführen.

Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung werden die verschiedenen Bildelemente auf einem einzigen Sensor aufgenommen, der mehrere Bildbereiche auf- weist, auf welche aufgenommen werden kann (Multiple Regions of Interest, MROI) . Es muss dann nur dieser eine Sensor ausgelesen werden, um alle Bildbereiche mit den drei Bildelementen des Bildes auswerten zu können. Bei der Aufnahme wird bevorzugt ein erster Bildbereich mit dem Prozessleuchten mit einer Belichtungszeit von 5 μsec oder kleiner aufgenommen. Der erste Bildbereich, auf dem als Bildelement das Prozessleuchten aufgenommen wird, wird bevorzugt mit logarithmischer Kennlinie des Sensors ausgestaltet. Weiter wird vorzugsweise ein zweiter Bildbereich vorgesehen auf dem das Bildelement der Lasertriangulationslinie und das Bildelement des Grau- oder Farbbildes der Naht zusammen aufgenommen sind. Dabei wird z.B. der zweite Bildbereich mit einer Belichtungszeit von ca. 10 μsec und mit einer Beleuchtungsdauer durch eine Blitzlichtquelle von kleiner als 10 μsec beleuchtet. Bevorzugt ist es weiter, dass die Aufnahmeparameter für die Aufnahme des ersten und des zweiten Bildbereichs zwischen den Aufnahmen verändert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Planoptik mit verschiedenen

Transparenzbereichen für den ersten und den zweiten Sensorbereich bzw. Bildbereich vorgesehen, insbesondere direkt über dem Sensorchip.

Bevorzugt ist weiter, dass die Aufnahme durch die Laseroptik des Schweisslasers hindurch erfolgt, was eine besonders kompakte Anordnung ergibt. Im Fall von

Lichtbogenschweissung, bzw. MIG/MAG Schweissung, wird eine neben dem Brenner angeordnete Optik verwendet.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen. Diese ist gemäss dem entsprechenden Vorrichtungsanspruch ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Ausgestaltungen, Vorteile und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Schweisskopfes mit daran angeordneter Kamera;

Figur 2 ein gemäss der Erfindung aufgenommenes Bild einer fehlerfreien Schweissung bzw. Schweiss- naht; und

Figur 3 ein gemäss der Erfindung aufgenomme- nes Bild mit Schweissfehler hervorgerufen durch einen Schweissdrahtfehler .

Wege zur Ausführung der Erfindung

Figur 1 zeigt in einer stark schematisierten

Ansicht einen Schweisskopf 1, welcher über dem Schweiss- gut 2 angeordnet ist, welches in diesem Beispiel aus zwei zu verschweissenden Blechen 2 ¹ und 2" besteht. Der Schweissbrenner wird in diesem bevorzugten Fall von einem Laserstrahl 3 gebildet, welcher durch eine Optik 4 hindurch auf das Schweissgut 2 auftrifft und dort die Schweissung ausführt. Auch andere Schweissverfahren als Laserschweissung sind gemäss der Erfindung beurteilbar, so insbesondere Schweissungen mit allen bekannten Licht- bogenverfahren. Die Schweissung erfolgt vorzugsweise als MIG/MAG-Schweissung mit entsprechender Gaszuführung, was aber in der schematischen Darstellung von Figur 1 nicht

dargestellt ist. Durch eine Kamera 6 wird der Schweissbe- reich auf dem Schweissgut 2 betrachtet. Die Kamera ist vorzugsweise eine hoch-dynamische CMOS-Kamera und insbesondere eine Kamera, welche zur Aufnahme mehrerer Bilder auf dem Sensorchip ausgestaltet ist (was auch als MROI (Multiple Regions of Interest) bekannt ist), welche als ein Bild ausgegeben werden. Insbesondere kann eine Kamera vom Typ Photonfocus Hurricane, MV-1024 CL-80/160 der Firma Photonfocus AG, CH-8853 Lachen, Schweiz, verwendet werden, welche mit MROI ausgestattet ist und für die verschiedenen Bereiche unterschiedliche Belichtungszeiten ermöglicht. Es können aber auch zwei Kameras bzw. zwei Sensoren verwendet werden. Die Aufnahme erfolgt vorzugsweise aber durch eine Kamera und insbesondere durch eine Kamera 6, welche direkt am Schweisskopf angeordnet ist. Vorzugsweise erfolgt die Aufnahme direkt durch die Optik 4 für den Laserstrahl hindurch, wie in dem gezeigten Beispiel dargestellt. Durch einen Strahlteiler 7 für das von der Kamera 6 betrachtete sichtbare Licht gelangt das vom Schweissgut 2 ausgehende Licht über die Kameraoptik 8 auf deren CMOS-Sensor 6' . Eine Beleuchtung zur Beleuchtung des aufgenommenen Bereiches, welche vorzugsweise über den Strahlteiler 7 das Schweissgut 2 beleuchtet, ist mit 9 bezeichnet. Der entsprechende Strahlengang für die Be- leuchtung ist mit 5 bezeichnet. Bei dieser Beleuchtung handelt es sich um eine Xenon-Blitzbeleuchtung oder um eine LED-Beleuchtung, insbesondere eine Beleuchtung mit oberflächenemittierenden Laserdioden (Vertical Cavity Surface Emitting Laser/VCSEL) . Diese Dioden besitzen die Eigenschaft hoher optischer Leistung bei geringer Packungsdichte und geringer Strahldivergenz und können den Schweissbereich mit ausreichender Helligkeit beleuchten. Die Aufnahme des Schweissbereichs durch die Schweissoptik 4 hindurch für alle gemäss Erfindung aufzunehmende Berei- che benötigt sehr hohe Beleuchtungsstärken, da die Sensorparameter des CMOS-Sensors lichtunempfindlich eingestellt werden, um das sehr helle Prozessleuchten aufneh-

men zu können und die Laseroptik keine guten Transparenzeigenschaften für sichtbares Licht hat. Die gezeigte Anordnung, bei welcher die Kamera 6 den Schweissbereich durch die Schweissoptik 4 hindurch betrachtet, ist indes die bevorzugte Anordnung, wenn auch andere Anordnungen, bei welchen die Kamera den Schweissbereich nicht durch die Laseroptik 4 hindurch betrachtet, ebenfalls möglich sind. Mittels einer bekannten Anordung 11 mit einem weiteren Laser wird mindestens eine Triangulationslinie über die erstarrte Schweissnaht projiziert, wie dies in den nachfolgenden Figuren ersichtlich ist. Eine Steuerung und/oder Auswerteschaltung 10, die in der Regel von einem Rechner gebildet wird, empfängt die aus der Kamera ausgelesenen Bilddaten zu deren Auswertung. Bei einer Lichtbo- genschweissung (MIG/MAG-Schweissung) erfolgt die Aufnahme mit einer Kamera mit einer nahe am Schweissbrenner ange- _; ordneten Optik, was hier nicht weiter erläutert wird.

Figur 2 zeigt ein Beispiel eines aufgenommenen Bildes des Schweissbereichs, wobei es sich dabei um eine fehlerlose Schweissung bzw. Schweissnaht handelt.

Die Figur 2 zeigt dabei eine Aufnahme mit grossem Objektfeld der Kamera, so dass das Prozessleuchten und die nach dem Prozess schon erstarrte Naht auf dem selben Sensor als Bild aufgenommen, als ein Bild ausgelesen und nach- folgend geprüft werden können. Unter Prozessleuchten oder Prozesslichtauswertung wird dabei die Aufnahme und die Auswertung des Schweissbereichs mit noch flüssigem, im sichtbaren Bereich leuchtenden Schweissmaterial verstanden. Gemäss der Erfindung werden drei unterschiedliche Bildelemente aufgenommen. Die Erkennung lokaler Fehlstellen der Naht geschieht dabei mit der an sich bekannten Lasertriangulation, wozu die entsprechend über die Naht projizierte Triangulationslinie aufgenommen wird und mit einer Graubildanalyse oder allenfalls einer Farbbildana- lyse wozu das Bild der Naht aufgenommen wird. Zusätzlich wird das Prozessleuchten aufgenommen. Es kann dazu so vorgegangen werden, dass der Sensor 6 ¹ der Kamera in zwei

Hauptbereiche A und B aufgeteilt ist. Diese können insbesondere zwei separat belichtbare Bereiche auf dem selben Kamerasensor 6' sein. Im Hauptbereich A gemäss Figur 2 zur Visualisierung des Prozessleuchtens wird der Sensor- bereich mit logarithmischer Kennlinie und mit Belichtungszeiten von vorzugsweise kleiner als 5 μs betrieben. Im Hauptbereich B wird mit linearer oder logarithmischer Kennlinie und mit Belichtungszeiten im Bereich von 10 μs gearbeitet, um im Bereich Bl als Bildelement die Triangu- lationslinie und im Bereich B2 als weiteres Bildelement das Bild der Naht aufzunehmen. Die Belichtungszeit ist dabei so gewählt, dass die Triangulationslinie im Bereich Bl zur Auswertung noch genügend hell dargestellt ist, eine überstrahlung durch das Prozessleuchten aber verhin- dert wird. In dieser Belichtungszeit wird mit einer Blitzlichtquelle oder mit den erwähnten VCSEL- Lichtquellen ein Lichtpuls mit einer Dauer von <10 μs beleuchtet. Die in der optischen Nahtinspektionseinrichtung SOUVIS 5000 der Firma Soudronic AG, Bergdietikon, Schweiz verwendete Xenon-Blitzlichtquelle kann mit einer Pulsdauer von 5 μs bis 10 μs betrieben und dafür eingesetzt werden und beleuchtet die Schweissnaht genügend hell. Die kurze Blitzdauer verhindert dabei Bewegungsunschärfe. Bevorzugterweise werden die Kameraparameter für die Aufnah- me beider Bereiche umgeschaltet, um die Aufnahmesituation je nach Bereich zu optimieren. Es kann dafür das Soudronic Fast Track Kamera Modul der Firma Soudronic AG, Bergdietikon, Schweiz, eingesetzt werden, welches das schnelle Umschalten der Kameraparameter erlaubt und ebenso das schnelle Auslesen der beiden Bereiche des CMOS-Sensors 6 ¹ und welches Modul mit der vorgenannten Hurricane Kamera der Firma Photonfocus zusammenarbeitet. Eine entsprechende Steuerung für die Kamera ist in Figur 1 mit 10 angedeutet. Bevorzugt kann ferner für die Aufnahme der Berei- che A und B der Sensor mit einer Planoptik direkt auf dem Sensorchip oder beabstandet von diesem in zwei unterschiedlich empfindliche Bereiche entsprechend den Berei-

chen A und B der Figuren 2 und 3 unterteilt werden. Die Planoptik kann aus einem Deckglas mit zwei Bereichen unterschiedlicher Transparenz bestehen. Die Transparenz kann dabei 100 % für den Bereich B zur Geometrie- und Graubildauswertung betragen und kleiner als 50 % zur Prozesslichtauswertung bzw. den Bereich A.

Figur 3 zeigt eine Aufnahme, die auf die erwähnte Weise und gleich wie diejenige von Figur 2 ausgeführt worden ist, wobei aber hier bei der Schweissung ein Schweissfehler, hervorgerufen durch einen Fehler des Schweissdrahtes, aufgetreten ist. Es ist ersichtlich, dass einerseits im Bereich Bl des Hauptbereiches B die Triangulation den Nahtfehler im erstarrten Bereich kenntlich macht. Andererseits ist auch in der Graubildaufnahme im Bereich B2 des Hauptbereiches B eine entsprechende

Rauhigkeit der Schweissnaht zu erkennen. Es ist daher ohne weiteres möglich, durch eine Auswertung, die ebenfalls in der Steuerung 10 stattfinden kann oder in einem separaten Rechner, den Schweissnahtfehler festzustellen. Wei- ter ist im Bereich A, in welchem das Prozessleuchten aufgenommen worden ist, ebenfalls deutlich eine Abweichung vom Normalbild, wie es sich in Figur 2 dargestellt hat, zu erkennen. Auch dies kann durch eine Bildauswertung ohne weiteres festgestellt und zur Qualitätskontrolle des Schweissvorganges verwendet werden. Beim Prozessleuchten sieht die Kamera jeweils eine typische Lichtverteilung im sichtbaren Bereich, wie dies in Figur 2 gut erkennbar ist, welche beim Vorliegen einer fehlerhaften Schweissung gestört wird, wie dies in Figur 3 ersichtlich ist. Durch die Aufnahme der Laserlinie und des Graubildes im Bereich B können weiter auf bekannte Weise die Nahtbreite und die Nahtposition vermessen werden und die geometrischen Daten wie Konvexität, Konkavität und gegebenenfalls ein Kantenversatz können vermessen werden. Weiter kann auf bekannte Weise das Nahtvolumen vermessen werden. Die Messung der geometrischen Daten erfolgt dabei über die Lasertriangu-

lation, das Erkennen lokaler und globaler Fehlstellen ü- ber die Graubildanalyse und die Lasertriangulation.

Die Auswertung des Prozessleuchtens auf Intensität und geometrische Merkmale zusammen mit der geo- metrischen Vermessung mit der Schweissnaht und der Graubildanalyse ergibt dabei eine zuverlässige Aussage über die Qualität der Schweissnaht. Das schnelle Umschalten der Sensorbereiche A und B ermöglicht optimale Sensorkennlinien bzw. Kameraparameter für die unterschiedlichen Aufgabenstellungen der beiden Aufnahmen auf die beiden Sensorbereiche. Alle Aufnahmen werden bevorzugt mit nur einem Sensor ausgeführt, was den apparativen Aufwand, den Bedienungsaufwand und Wartungsaufwand erheblich senkt. Mit der Anordnung des Sensors bzw. der Kamera direkt am Schweissbrenner wird wesentlich weniger Aufwand benötigt als für ein separates Handling in einer separaten Schweissprüfung. Die vorliegende Erfindung kann bei der Qualitätsüberwachung von Schweissnähten, insbesondere MIG/MAG-Schweissnähten aller Art verwendet werden. Ferner für die Geometrieüberwachung von Oberflächen bei gleichzeitiger Inspektion der Oberflächenbeschaffenheit und der überwachung des Schweissprozesses.

Während in der vorliegenden Anmeldung bevorzugte Ausführungen der Erfindung beschrieben sind, ist klar darauf hinzuweisen, dass die Erfindung nicht auf diese beschränkt ist und auch in anderer Weise innerhalb des Umfanges der folgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.