Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung einer Anbindungsfläche beim Laserschweißen von kupferhaltigen, gebogenen Stableitern, insbesondere von Hairpins für einen Elektromotor, wobei zwei Stableiter teilweise überlappend angeordnet werden und mittels eines Bearbeitungs-Laserstrahls miteinander verschweißt werden, wobei sich eine Schweißperle ausbildet, durch die die Stableiter miteinander ver bunden werden.

Kupferhaltige, gebogene Stableiter, insbesondere so genannte Hairpins, werden in elektrodynamischen Maschinen, wie Elektromotoren oder elektrischen Genera toren, verbaut. Die Stableiter werden, entsprechend einer vorgesehenen elektri schen Verschaltung, angeordnet und miteinander verschweißt, um damit einen Elektromagneten aufzubauen. Eine elektrodynamische Maschine verfügt dabei ty pischerweise über mehrere Dutzend, oft Hunderte von gebogenen Stableitern, die paarweise miteinander verschweißt werden müssen. Dabei ist es wichtig, mittels der Verschweißung eine ausreichende Querschnitts fläche zur Verfügung zu stellen, durch die der elektrische Strom von einem Stab leiter in den anderen Stableiter fließen kann („Anbindungsfläche"). Ist die Anbin dungsfläche zu klein, droht im Betrieb eine erhebliche ohmsche Erwärmung, eine Einbuße im Wirkungsgrad oder gar eine Unbrauchbarkeit der elektrodynamischen Maschine.

Das Verschweißen der Stableiter erfolgt oftmals mittels eines Laserstrahls („La serschweißen"). Ein Laserstrahl wird dafür typischerweise auf die endseitigen Stirnflächen von zwei überlappenden, meist aneinander anliegenden Stableitern gerichtet, wodurch Wärme in die Stableiter eingebracht wird, diese aufschmelzen und nach der Erstarrung über die wieder erstarrte Schweißperle miteinander ver bunden sind. In der Regel wird der Laserstrahl mit einer vorgegebenen Leistung für eine vorgegebene Zeit auf die Stableiter gerichtet, wodurch in der Regel eine ausreichend große Anbindungsfläche erreicht wird.

Aufgrund von Verschmutzungen oder Rauigkeit an der Oberfläche der Stableiter kann jedoch die Reflektivität der Stableiter für den Laserstrahl schwanken, und dadurch auch der tatsächliche Energieeintrag. Ebenso kann durch Fehlpositionie rungen der Stableiter, etwa Spalten oder Versatz, oder ungenauer Positionierung des Laserstrahls der tatsächliche Energieeintrag variieren. Bei zu geringem Ener gieeintrag wird zu wenig Material aufgeschmolzen, so dass eine zu kleine Schweißperle entsteht, die eine zu geringe Anbindungsfläche zur Verfügung stellt. Auch im Falle von starker Spritzerbildung beim Laserschweißen kann eine zu kleine Schweißperle mit zu geringer Anbindungsfläche entstehen.

Die Größe der erreichten Anbindungsfläche kann mittels Röntgenanalyse be stimmt werden. Dafür muss der Stableiter nach dem Verschweißen in eine geeig nete Röntgenapparatur zur Anfertigung des Röntgenbildes verbracht werden, was apparativ aufwändig ist. Ebenso ist es bekannt, von der Schweißperle einen me- tallographischen Querschliff anzufertigen, was jedoch recht aufwändig ist und die Verschweißung zerstört. Aufgabe der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Überwachung der Anbindungsflä che beim Laserschweißen von kupferhaltigen, gebogenen Stableitern zur Verfü gung zu stellen, welches einfach, schnell und zerstörungsfrei durchzuführen ist.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass nach dem Ende der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls während des Abkühlens der Schweißperle wenigstens eine mit der Temperatur der Schweiß perle veränderliche Messvariable zumindest an einem Teil der Schweißperle als Funktion der Zeit gemessen wird, dass aus der wenigstens einen gemessenen Messvariablen ein von der Wärmeka pazität der Schweißperle abhängiger Parameter bestimmt wird, und dass aus dem Parameter die Anbindungsfläche qualitativ oder quantitativ be stimmt wird.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Größe bzw. die Masse der Schweißperle auf indirekte Weise über die Ableitung der durch das Laser schweißen eingebrachten Wärme aus der Schweißperle nach dem Ende des La serschweißvorgangs bestimmt. Im Allgemeinen kann dann von der Größe der Schweißperle auf die Größe der Anbindungsfläche rückgeschlossen werden, und damit die Anbindungsfläche überwacht werden.

Man beachte, dass eine direkte Bestimmung der Größe der Schweißperle, etwa durch Analyse eines optischen Bildes der Schweißperle, aufgrund von Unregelmä ßigkeiten an den Stableitern, insbesondere Schrägflächen an den Stableiteren den, nach den Erfahrungen der Erfinder in der Regel nicht mit ausreichender Zu verlässigkeit möglich ist. Die Schweißperle hat am Ende der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls nä herungsweise die Verdampfungstemperatur des Stableitermaterials; entspre chend ist näherungsweise eine der Masse der Schweißperle proportionale Wär memenge in der Schweißperle gespeichert.

Diese gespeicherte Wärmemenge wird über die in der gegebenen Schweißsitua tion vorhandenen Wärmeleitpfade abgeleitet, wobei die Wärmeleitpfade durch die Dimensionen der Stableiter und das Stableitermaterial vorgegeben sind, und (bei normalem Schweißverlauf, d.h. Kontakt der Schweißperle zu den Stableitern über deren vollen Querschnitt) nicht von der Größe der Schweißperle abhängen. In guter Näherung erfolgt die Ableitung der in der Schweißperle gespeicherten Wär memenge eindimensional durch die beiden Stableiter. Der Wärmestrom durch die Stableiter ist dabei begrenzt.

Je größer die ursprünglich gespeicherte Wärmemenge der Schweißperle ist, desto langsamer erfolgt die Abkühlung der Schweißperle. Mittels der Messvariablen wird das Abkühlverhalten beobachtet. Über das Abkühlverhalten kann damit auf die ursprüngliche gespeicherte Wärmemenge rückgeschlossen werden, und damit auf die (absolute) Wärmekapazität.

Die Messvariable, die eine durch die Temperatur direkt oder indirekt (etwa über den Phasenzustand) beeinflusste Eigenschaft zumindest des Teils der Schweiß perle beschreibt, wird als Funktion der Zeit gemessen; dadurch wird das Abkühl verhalten der Schweißperle beobachtet, und der von der (absoluten) Wärmeka pazität der Schweißperle abhänge Parameter kann bestimmt werden. Der von der (absoluten) Wärmekapazität abhängige Parameter indiziert die Masse der Schweißperle, da die (absolute) Wärmekapazität der Schweißperle proportional zur Masse der Schweißperle ist.

Die Masse der Schweißperle bestimmt wiederum deren geometrische Größe, und damit die Anbindungsfläche, die die Schweißperle bzw. die Verschweißung zwi schen den Stableitern insbesondere zur Durchleitung von elektrischem Strom zur Verfügung stellt. Über eine Kalibrierung für die gegebene Schweißsituation (ins besondere für die Dimensionen der Stableiter und das Stableitermaterial) kann dann aus dem Parameter auf die Anbindungsfläche geschlossen werden.

Zur Kalibrierung der Überwachung der Anbindungsfläche kann für einige Ver schweißungen jeweils die Messvariable vermessen und daraus der Parameter be stimmt werden, und weiterhin jeweils die tatsächliche Anbindungsfläche konven tionell (etwa durch eine Röntgenuntersuchung oder einen metallographischen Querschliff) bestimmt werden („Kalibrierexperimente"). Aus den Kalibrierexperi menten ergibt sich dann (für die gegebene Schweißsituation) der Zusammen hang zwischen dem Parameter und der tatsächlichen Anbindungsfläche. Dieser Zusammenhang kann dann bei späteren Verschweißungen (bei gleicher Schweiß situation) dazu genutzt werden, die Anbindungsfläche qualitativ oder quantitativ aus dem Parameter zu bestimmen, ohne dass dann noch eine konventionelle Be stimmung der tatsächlichen Anbindungsfläche erfolgt.

Eine typische qualitative Bestimmung der Anbindungsfläche beschränkt sich auf eine Aussage, ob die Anbindungsfläche ausreichend groß ist (Verschweißung „iO", in Ordnung) oder nicht ausreichend groß ist (Verschweißung „niO", nicht in Ordnung). Eine typische quantitative Aussage ist eine unmittelbare Flächenan gabe zur Anbindungsfläche (zum Beispiel „5,5 mm ² ).

Bevorzugte Varianten der Erfindung

Allgemeine Varianten

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgese hen, dass die zwei Stableiter mit Endbereichen parallel zueinander und nebeneinander liegend angeordnet werden, insbesondere wobei die Endbereiche der Stableiter flächig aneinander gepresst werden, dass stirnseitige Endflächen der Stableiter näherungsweise auf gleicher Höhe be züglich der Richtung einer Längserstreckung der Endbereiche der Stableiter lie gen, und dass der Bearbeitungs-Laserstrahl so auf die zwei Stableiter gerichtet wird, dass sich die Schweißperle an den stirnseitigen Endflächen der Stableiter ausbil det, insbesondere wobei die Endbereiche der Stableiter näherungsweise vertikal nach oben gerichtet sind und der Bearbeitungs-Laserstrahl näherungsweise senkrecht auf die stirnseitigen Endflächen fällt. Bei Ausbildung der Schweißperle an den stirnseitigen Endflächen der Stableiter ist der Wärmeabfluss aus der Schweiß perle gut definiert, und das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders präzise. Typischerweise wird der Bearbeitungs-Laserstrahl direkt auf die stirnseitigen Endflächen gerichtet, und bewegt sich dabei zwischen den Stableitern hin und her, etwa auf einer Kreisbahn. Bei einer Ausrichtung der Endbereiche (Beine) der Stableiter vertikal nach oben liegt die darauf erzeugte (zunächst noch flüssige) Schweißperle besonders stabil.

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der zur Messung der Messvariable zu mindest ein Teil der Schweißperle im sichtbaren Spektralbereich und/oder im inf raroten Spektralbereich beobachtet wird. Eine Beobachtung im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich ist bei geringen Kosten leicht möglich, etwa mit einer Kamera oder einer Photodiode. Bei vielen Schweißapparaturen sind optische Be obachtungssysteme bereits vorhanden, etwa zur relativen Ausrichtung von La serstrahl und Werkstück(en), und können für das erfindungsgemäße Verfahren mit genutzt werden. Man beachte, dass die Beobachtung bevorzugt mit einer Frequenz von wenigstens 100 Hz erfolgt.

Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante wird die wenigstens eine Messvariable an einem Teil der Schweißperle gemessen, welcher Teilflächen der Stableiter, auf die der Bearbeitungs-Laserstrahl eingewirkt hat, gegenüber liegt, insbesondere wobei die wenigstens eine Messvariable an einem Teil der Schweiß perle gemessen wird, der zentral und oben an der Schweißperle liegt. Durch die Messung der Messvariable an diesem Teil kann die Wärmeableitung besonders zuverlässig beobachtet werden; insbesondere sind Randeffekte durch Unregel mäßigkeiten der Stableiter minimiert. Zentral oben an der Schweißperle wird die Erstarrung der Schweißperle typischerweise abgeschlossen, so dass die Erstar rungszeit hier besonders leicht zu bestimmen ist.

Varianten betreffend die Messvariable

Bei einer vorteilhaften Variante umfasst die wenigstens eine Messvariable eine Intensität einer Glühemission zumindest des Teils der Schweißperle. Die Intensi tät der Glühemission ist vergleichsweise einfach zu messen und auszuwerten.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung hierzu sieht vor, dass die Intensität der Glü hemission lediglich in einem begrenzten Spektralbereich gemessen wird, insbesondere wobei der begrenzte Spektralbereich nicht größer als 800 nm bis 1100 nm ist, insbesondere wobei zur Einschränkung des begrenzten Spektralbereichs ein Bandpassfilter und/oder einen Breitbandfilter vor einer Sensoreinrichtung zur Messung der Intensität der Glühemission angeordnet wird, und insbesondere wobei ein Wellenlängenbereich des Bearbeitungs-Laserstrahls außerhalb des begrenzten Spektralbereichs liegt. Der Spektralbereich von 800 nm bis 1100 nm ist für kupferhaltige Stableiter für die Bestimmung der von der Temperatur abhängigen Messvariablen besonders aufschlussreich. Durch die Blo ckade der Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls kann eine Überlastung der eingesetzten Sensoreinrichtung vermieden werden. Bei einer Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls von ca. 1030 nm kann beispielsweise das gemessene Spektrum mit einem Bandpassfilter auf 800-1000 nm eingeschränkt werden, o- der mit einem Breitbandfilter der Wellenlängenbereich um 1030 nm gezielt ge blockt werden. Insbesondere kann auch ein gemessener Spektralbereich <1000 nm ausgewählt werden.

Bevorzugt ist eine Variante, die vorsieht, dass während des Abkühlens der Schweißperle die Schweißperle mit einem Be obachtungs-Lichtstrahl, insbesondere Beobachtungs-Laserstrahl, beleuchtet wird, und dass die wenigstens eine Messvariable eine Intensität des an der Oberfläche der Schweißperle reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls umfasst. Bei der Ab kühlung der Schweißperle, und insbesondere bei einem Phasenübergang (Erstar rung), ändert sich deren Reflektivität für den Beobachtungs-Lichtstrahl, was durch diese Variante genutzt werden kann. Typischerweise ist der Beobachtungs- Lichtstrahl schmalbandig (zB mit einer vollen spektralen Breite von 40 nm oder weniger, meist 20 nm oder weniger), und stammt bevorzugt aus einem Beobach tungs-Laser, insbesondere Dioden-Laser, oder einer LED oder einem LED-Ring. Durch Einsatz des Beobachtungs-Lichtstrahls kann eine besonders genaue Über wachung der Anbindungsfläche erfolgen. Man beachte, dass in der Praxis der re flektierte Beobachtungs-Lichtstrahl von der Glühemission der Schweißperle über lagert wird, und beide Effekte (bzw. zugehörige Intensitäten) grundsätzlich ge meinsam gemessen werden, etwa als mittlerer Grauwert in einem Teilbereich ei nes Bildes einer Kamera oder als Grauwert einer Photodiode.

Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, die vorsieht, dass die Intensität des reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls lediglich in einem begrenzten Spektralbereich um eine mittlere Wellenlänge des Beobachtungs- Lichtstrahls gemessen wird, insbesondere wobei der begrenzte Spektralbereich nicht größer als +/-20 nm o- der +/- 10 nm um die mittlere Wellenlänge des Beobachtungs-Lichtstrahls ist, und insbesondere wobei zur Einschränkung des begrenzten Spektralbereichs vor einer Sensoreinrichtung, mit der die Intensität des reflektierten Beobachtungs- Lichtstrahls gemessen wird, ein Bandpassfilter angeordnet wird. Durch die Be schränkung auf die begrenzten Spektralbereich um die mittlere Wellenlänge des Beobachtungs-Lichtstrahls wird erreicht, dass (zusätzlich vorhandene) Glühemis sion die Messung der Messvariablen weniger stark überlagert bzw. verfälscht. Ebenso bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der vor einer Sensoreinrich tung, mit der die Intensität des reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls gemes sen wird, ein Polarisationsfilter angeordnet wird, insbesondere wobei der Polarisationsfilter als ein Linienpolarisator gewählt ist. Dadurch können die Kontraste bei der Beobachtung der Schweißperle über den reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahl verbessert werden.

Eine Weiterentwicklung der Varianten mit Beobachtung der Intensität der Glühe mission und/oder des reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls sieht vor, dass die Schweißperle mit einer Kamera beobachtet wird, und die Intensität der Glühe mission und/oder des reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls an einem Teil der Schweißperle mit der Kamera bestimmt wird, indem ein mittlerer Grauwert der Kamera in einem Teilbereich des von der Kamera aufgenommenen Bildes be stimmt wird. Dieses Vorgehen ist vergleichsweise einfach und in der Praxis be währt; geeignete Kameras stehen bei einem Schweißaufbau oftmals ohnehin zur Verfügung, etwa zur Positionierung des Laserstrahls auf dem Werkstück.

Bei einer anderen Weiterentwicklung der Varianten mit Beobachtung der Intensi tät der Glühemission und/oder des reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls ist vorgesehen, dass die Schweißperle mit einer Photodiode beobachtet wird, und die Intensität der Glühemission und/oder des reflektierten Beobachtungs-Licht strahls zumindest an einem Teil der Schweißperle als der Grauwert der Photodi ode bestimmt wird. Die Bestimmung des Grauwerts mit einer Photodiode ist be sonders kostengünstig.

Bevorzugt ist weiterhin eine Variante, bei der die Messvariable eine Temperatur zumindest an einem Teil der Schweißperle umfasst. Eine Messung der Tempera tur selbst zumindest an einem Teil der Schweißperle kann das Abkühlverhalten der Schweißperle unmittelbar beschreiben, so dass die Überwachung der Anbin dungsfläche besonders genau und zuverlässig erfolgen kann. Allerdings ist die Messung der Temperatur apparativ relativ aufwändig.

Bevorzugt ist eine Weiterentwicklung dieser Variante, bei der die Temperatur mittels Quotientenpyrometrie gemessen wird, wobei die Intensitäten einer Glü hemission zumindest des Teils der Schweißperle bei zwei unterschiedlichen Wel lenlängen gemessen werden. Die Messung mittels Quotientenpyrometrie ist be sonders zuverlässig. Hierfür können Photodioden mit schmalbandigen Bandpass filtern, die für die beiden unterschiedlichen Wellenlängen selektiv sind, eingesetzt werden. Alternativ kann auch eine Thermografiekamera eingesetzt werden, oder ein gemessenen Spektrum kann an einen grauen Strahler (zB Kupfer) angefittet werden.

Varianten betreffend den Parameter

Besonders bevorzugt ist eine Variante, bei der der Parameter eine Zeitdauer ist, die zwischen einem ersten definierten Zustand und einem zweiten definierten Zu stand während des Abkühlens der Schweißperle vergeht. Eine Zeitdauer ist rela tiv einfach zu messen. Typischerweise wird zumindest einer der definierten Zu stände durch den zeitlichen Verlauf der wenigstens einen Messvariable erkannt. Typische definierte Zustände sind das Erreichen von bestimmten Temperaturen oder erkannte Phasenübergänge.

Bei einer bevorzugten Weiterentwicklung dieser Variante ist der erste definierte Zustand das Ende der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls. Der Zeitpunkt des Endes der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls („Abschalten") ist typi scherweise über die Steuerung des Schweißprozesses vorgegebenen bzw. be kannt, und braucht daher nicht gesondert ermittelt zu werden.

Ebenso bevorzugt ist eine Weiterentwicklung, bei der der zweite definierte Zu stand die vollständige Erstarrung der Schweißperle ist. Der Phasenübergang von flüssig nach fest kann in der Regel optisch einfach erkannt werden, und ist daher gut als zweiter definierter Zustand geeignet. Dabei ändert sich sowohl das Emis sionsverhalten als auch die Reflektivität relativ stark. Zudem kann die (vollstän dige) Erstarrung optisch auch dadurch erkannt werden, dass Bewegungen an der Schweißperle vollständig zum Erliegen gekommen sind.

Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung wird der erste und/oder der zweite de finierte Zustand dadurch erkannt, dass die Messvariable einen Schwellwert er reicht. Dieses Vorgehen ist besonders einfach. Insbesondere kann die vollstän dige Erstarrung der Schweißperle dadurch erkannt werden, dass die Intensität der Glühemission einen Schwellwert erreicht (bzw. nach unten durchbricht).

Bevorzugt ist auch eine Weiterentwicklung, bei der der erste und/oder der zweite definierte Zustand dadurch erkannt wird, dass eine erste und/oder zweite zeitli che Ableitung der Messvariable einen Schwellwert erreicht, insbesondere dadurch, dass eine erste und/oder zweite zeitliche Ableitung der Messvariable den Schwellwert erreicht, nachdem zuvor die Messvariable über eine vorgegebene Mindestdauer nur innerhalb vorgegebener Grenzen ge schwankt hat. In der ersten oder der zweiten Ableitung der Messvariablen sind Informationen über den Abkühlverlauf, insbesondere über Phasenübergänge, oft mals leichter erkennbar als in der Messvariablen selbst. Insbesondere führt die Erstarrung der Schweißperle zu einem Anstieg der Reflektivität für einen Be obachtungs-Lichtstrahl, der als positiver Gradient in der ersten Ableitung der In tensität der reflektierten Laserstrahlung leicht erkennbar ist.

Bevorzugt ist eine Variante, bei der der Parameter ein zeitlicher Gradient der Messvariable ist, der zu einem vorgegebenen Zeitpunkt oder gemittelt über einen vorgegebenen Zeitraum bestimmt wird. Der Gradient kann zum Beispiel unmit telbar nach dem Ende der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls, oder gemit telt über einige zehn Millisekunden nach dem Ende des Bearbeitungszeitraums bestimmt werden. Die Messvariable kann dabei insbesondere eine Temperatur o- der eine Intensität der Glühemission sein. Insbesondere kann der Gradient zur Temperatur oder zur Intensität der Glühemission bestimmt werden, wenn die Schweißperle noch vollständig flüssig ist. Varianten zur Auswertung des Parameters

Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgese hen, dass der Parameter oder eine aus dem Parameter quantitativ bestimmte Anbin dungsfläche mit einem Entscheidungswert verglichen wird, dass wenn der Entscheidungswert nicht erreicht wird, die Anbindungsfläche der Verschweißung als zu klein erkannt wird, insbesondere wobei in diesem Fall be troffene Stableiter aussortiert werden oder ein Nachschweißen vorgenommen wird, und dass wenn der Entscheidungswert erreicht wird, die Anbindungsfläche als ausreichend groß erkannt wird und betroffene Stableiter für die weitere Verwen dung zugelassen werden. Dieses Vorgehen ist besonders einfach.

Vorteilhaft ist eine Weiterentwicklung zu dieser Variante, die vorsieht, dass mit tels einer Kamera ein nicht von der Schweißperle bedeckter Anteil eines Quer schnitts der Stableiter bestimmt wird, und dass falls der nicht bedeckte Anteil des Querschnitts einen Grenzwert überschreitet, die Anbindungsfläche der Ver schweißung der Stableiter als zu klein erkannt wird, auch wenn der Entschei dungswert erreicht wird. Falls die Schweißperle den Querschnitt der Stableiter unvollständig bedeckt, wird die gegenseitige Anbindungsfläche der Stableiter ausnahmsweise nicht über die Masse bzw. die Größe der Schweißperle ausrei chend charakterisiert. Vielmehr ist anzunehmen, dass der Querschnitt, der die elektrische Leitung zwischen den Stableitern begrenzt, im Bereich des Kontakts der Schweißperle zum Stableiter liegt. Ist dieser zu klein, ist die Verschweißung genauso unbrauchbar wie im Falle einer zu kleinen Schweißperle. Mit dieser Wei terentwicklung wird die Zuverlässigkeit der Erkennung elektrisch unbrauchbarer Verschweißungen weiter erhöht. Bevorzugt ist auch eine Variante, bei der eine Vielzahl von Paaren von Stablei tern nacheinander verschweißt werden, wobei ein oder mehrere Schweißparame ter beim Verschweißen der Paare von Stableitern in einem Regelkreis optimiert und/oder nachgeregelt werden, so dass der Parameter oder eine aus dem Para meter quantitativ bestimmte Anbindungsfläche für die Paare von verschweißten Stableitern auf einen vorgegebenen Zielwert eingestellt werden. Durch dieses Vorgehen lässt sich die Qualität der produzierten Verschweißungen erhöhen, und die Anzahl von Aussortiervorgängen und/oder Nachschweißvorgängen minimie ren.

Anlage zum Laserschweißen für das erfindungsgemäße Verfahren

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch eine Anlage zum Laser schweißen von kupferhaltigen, gebogenen Stableitern, insbesondere von Hairpins für einen Elektromotor, mit einer Halteeinrichtung, mit der zwei Stableiter überlappend angeordnet wer den können, insbesondere wobei die Halteeinrichtung einen Statorträger mit ei ner Vielzahl von zu verschweißenden Stableitern umfasst, und mit einem Laserbearbeitungskopf, der einen Bearbeitungs-Laserstrahl bereit stellt, mit dem die zwei Stableiter miteinander verschweißt werden, so dass sich eine Schweißperle ausbildet, durch die die Stableiter miteinander verbunden werden, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Anlage weiterhin eine Sensoreinrichtung umfasst, mit der nach dem Ende der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls während des Abkühlens der Schweißperle wenigstens eine mit der Temperatur der Schweißperle veränderli che Messvariable zumindest an einem Teil der Schweißperle messbar ist, und dass die Anlage weiterhin eine elektronische Auswerteeinrichtung aufweist, die dazu eingerichtet ist, insbesondere dazu programmiert ist, aus der wenigs tens einen gemessenen Messvariablen einen von der Wärmekapazität der Schweißperle abhängigen Parameter zu bestimmen, und dass die elektronische Auswerteeinrichtung weiterhin dazu ausgebildet ist, insbesondere dazu programmiert ist, aus dem Parameter eine durch die Schweiß perle eingerichtete Anbindungsfläche gualitativ oder guantitativ zu bestimmen. Die erfindungsgemäße Anlage ist insbesondere eingerichtet zur Ausführung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens, bzw. kann zur Durchfüh rung eines erfindungsgemäßen, oben beschriebenen Verfahrens verwendet wer den. Mit der Anlage ist es möglich, die Anbindungsfläche beim Laserschweißen von kupferhaltigen, gebogenen Stableitern zur Verfügung einfach, schnell und zerstörungsfrei zu überwachen, insbesondere auch online während der Fertigung der Verschweißungen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführ ten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in be liebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, son dern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht zwei gebogene Stableiter in teilweise überlappender Anordnung, die im Rahmen der Erfindung mitei nander verschweißt werden sollen;

Fig. lb zeigt in einer schematischen Schrägansicht die aneinander liegenden

Endbereiche der beiden Stableiter von Fig. la, mit Blick auf die stirnseiti gen Endflächen;

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Endbereiche von zwei ge mäß der Erfindung verschweißten Stableitern, die über eine Schweißperle miteinander verbunden sind, mit Markierung der Anbindungsfläche; Fig. 3 zeigt ein Diagramm darstellend die röntgenographisch bestimmte Anbin dungsfläche und die gemessene Erstarrungszeit für sechs beispielhafte verschweißte Messproben;

Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage zum Laserschweißen, mit Messung der Inten sität der Glühemission an einem Teil der Schweißperle mittels einer Ka mera;

Fig. 5a zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Endbereiche von zwei ge mäß der Erfindung verschweißten Stableitern, die über eine Schweißperle miteinander verbunden sind, mit Markierung des von der Kamera der An lage von Fig. 4 aufgenommenen Bildes und des für die Bestimmung der Glühemission ausgewählten Teilbereichs dieses Bildes, entsprechend ei nem zentralen, oberen Teil der Schweißperle;

Fig. 5b zeigt in einer schematischen Seitenansicht die Endbereiche von zwei ge mäß der Erfindung verschweißten Stableitern, die über eine Schweißperle miteinander verbunden sind, mit Markierung des von einer alternativ an geordneten Kamera aufgenommenen Bildes und des für die Bestimmung der Glühemission ausgewählten Teilbereichs dieses Bildes, entsprechend einem seitlich an der Schweißperle liegenden Teils der Schweißperle;

Fig. 6 zeigt ein schematisches Diagramm darstellend einen mittleren Grauwert, entsprechend der Intensität der Glühemission, der an einem Teil der Schweißperle während ihres Abkühlens als Funktion der Zeit beobachtet wird (oben), sowie die erste zeitliche Ableitung des Grauwerts (Mitte) und die zweite zeitliche Ableitung des Grauwerts (unten), für die Erfindung;

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage zum Laserschweißen, mit Messung der Inten sität eines an der Schweißperle reflektierten Beobachtungs-Laserstrahls mittels einer Kamera; Fig. 8 zeigt ein schematisches Diagramm darstellend einen mittleren Grauwert, entsprechend der Überlagerung der Intensität der Glühemission und der Intensität des reflektierten Beobachtungs-Laserstrahls, der an einem Teil der Schweißperle während ihres Abkühlens als Funktion der Zeit mit der Anlage von Fig. 7 beobachtet wird (oben), sowie die erste zeitliche Ablei tung des Grauwerts (Mitte) und die zweite zeitliche Ableitung des Grau werts (unten), für die Erfindung;

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage zum Laserschweißen, mit Messung der Tem peratur der Schweißperle mittels Quotientenpyrometrie;

Fig. 10 zeigt ein schematisches Diagramm darstellend die Temperatur, die an ei nem Teil der Schweißperle während ihres Abkühlens als Funktion der Zeit in der Anlage von Fig. 9 beobachtet wird (oben), sowie die erste zeitliche Ableitung der Temperatur (Mitte) und die zweite zeitliche Ableitung der Temperatur (unten), für die Erfindung;

Fig. 11a zeigt eine schematische Aufsicht auf die Schweißperle stirnseitig auf die Endbereiche zweier verschweißter Stableiter, wobei die Querschnitte der Endbereiche der Stableiter vollständig von der Schweißperle abgedeckt sind, für die Erfindung;

Fig. 11b zeigt eine schematische Aufsicht auf die Schweißperle stirnseitig auf die Endbereiche zweier verschweißter Stableiter, wobei die Querschnitte der Endbereiche der Stableiter nur teilweise von der Schweißperle abgedeckt sind, für die Erfindung.

Die Fig. la zeigt in einer schematischen Seitenansicht zwei kupferhaltige, gebo gene Stableiter la, lb, ausgebildet als so genannte Hairpins, zur Fertigung einer elektrodynamischen Maschine, etwa eines Elektromotors. Jeder Stableiter la, lb ist näherungsweise U-förmig ausgebildet und verfügt über zwei Beine (Schenkel) 2a, 3a und 2b, 3b sowie einen die Beine verbindenden Mittelteil 4a, 4b.

Die Stableiter la, lb sollen elektrisch leitfähig miteinander verbunden werden, und sollen dafür an ihren Endbereichen 5a, 5b miteinander verschweißt werden. Zu diesem Zweck sind das Bein 3a des ersten Stableiters la und das Bein 2b des zweiten Stableiters lb überlappend und hier auch aneinander anliegend angeord net. Wie in Fig. lb in schematischer Schrägansicht auf die Endbereiche 5a, 5b er sichtlich, sind dabei die stirnseitigen Endflächen 6a, 6b der beiden Stableiter la, lb auf ungefähr gleicher Höhe angeordnet worden, und die langen Seiten 11a, 11b der Endbereiche 5a, 5b der Beine 3a, 2b liegen flächig und fluchtend anei nander an, wobei die Beine 3a, 2b in nicht näher dargestellter Weise aneinander- gepresst werden. Die Beine 3a, 2b sind parallel zueinander und vertikal ausge richtet, sodass die beiden Endflächen 6a, 6b nach oben ausgerichtet sind.

Zum Verschweißen der beiden Endbereiche 5a, 5b wird ein Bearbeitungs-Laser strahl 7 eingesetzt, der hier die stirnseitigen Endflächen 6a, 6b in einer sich wie- derholenden Kreisbahn 12 überstreicht. Der Bearbeitungs-Laserstrahl 7 trifft da bei näherungsweise senkrecht auf die Endflächen 6a, 6b; man beachte dabei, dass der Einfallswinkel des Bearbeitungs-Laserstahls 7 während der Fertigung verschiedener Paare von Stableitern typischerweise etwas variiert, um die meist in einem Statorträger (nicht näher dargestellt, vgl. aber z.B. Fig. 4) angeordne- ten Stableiter la, lb nicht zu oft versetzen zu müssen. Typischerweise weicht der Bearbeitungs-Laserstrahl 7 dabei nicht mehr als 40° von einem senkrechten Einfall ab.

Durch die Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls 7 schmilzt das Material der Stableiter la, lb nahe den Endflächen 6a, 6b auf, und es bildet sich eine so ge nannte Schweißperle. Man beachte, dass dabei in der Regel eine vorgegebene Laserleistung für eine vorgegebenen Zeit für eine Vielzahl von Paaren von zu ver schweißenden Stableitern eingesetzt wird, deren Anbindungsfläche im Rahmen der Erfindung überwacht werden soll.

Die Fig. 2 zeigt die Endbereiche 5a, 5b der Stableiter la, lb nach dem Laser schweißen. Die Stableiter la, lb sind über die Schweißperle 8 elektrisch leitfähig miteinander verbunden. Die Schweißperle 8 sitzt dabei in der Regel vollflächig auf beiden Stableitern la, lb auf, bedeckt also jeweils deren volle Querschnitts flächen Qa, Qb (näheres dazu siehe auch Fig. 11a später).

Die Qualität der elektrisch leitfähigen Verbindung der beiden Stableiter la, lb wird durch die so genannte Anbindungsfläche 9 wesentlich bestimmt. Dies ist die Querschnittsfläche, die durch die Schweißperle 8 für eine elektrische Stromlei tung vom ersten Stableiter la zum zweiten Stableiter lb zur Verfügung gestellt wird, und entspricht näherungsweise der Schnittfläche der Schweißperle 8 in der Kontaktebene der aneinander anliegenden, langen Seiten 11a, 11b der Beine 3a, 2b der Stableiter la, lb.

Im Allgemeinen ist die Anbindungsfläche 9 umso größer, je größer die Schweiß perle 8 ist. Die Größe der Schweißperle 8 (sei es ihre Höhe H, oder auch ihr Volu men) ist aufgrund von häufigen Unregelmäßigkeiten an den Endbereichen 5a, 5b der Stableiter la, lb (etwa ungleichmäßige oder schräge Einkürzungen bereits vor Beginn des Schweißprozesses) sehr schwierig zu bestimmen, und insbeson dere ist es nach den Erfahrungen der Erfinder über direkte Bildauswertungen kaum möglich, eine zuverlässige Bestimmung der Größe der Schweißperle 8 vor zunehmen.

Daher sieht die vorliegende Erfindung vor, die Größe der Schweißperle 8 indirekt zu bestimmen, indem der Verlauf der Abkühlung der Schweißperle 8 nach dem Abschalten des Bearbeitungs-Laserstrahls verfolgt wird. Bei Abschalten des Bear beitungs-Laserstrahls befindet sich typischerweise die gesamte Schweißperle 8 näherungsweise auf der Schmelztemperatur Ts des Materials der Stableiter la, lb (Man beachte, dass der Bearbeitungs-Laserstrahl in gewissem Umfang Mate rial der Stableiter la, lb verdampft). Die Wärmeableitung aus der Schweißperle 8 erfolgt anschließend praktisch ausschließlich über die beiden Stableiter la, lb und ist damit durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials der Stableiter und deren zur Verfügung stehenden Querschnittsflächen Qa, Qb begrenzt („eindimensionale Wärmeableitung"). Je größer die Schweißperle 8, desto mehr Wärmeenergie muss über die Stableiter la, lb abgeleitet werden. Bei begrenzter Wärmeablei tung führt dies dazu, dass die Temperatur einer großen Schweißperle 8 über die- Zeit langsamer absinkt als die Temperatur einer kleineren Schweißperle 8.

Die Erfindung sieht deshalb vor, eine von der Temperatur der Schweißperle 8 fa der eines Teils der Schweißperle 8) abhängige Messvariable als Funktion der Zeit zu messen, und aus dieser Messvariablen einen von der (absoluten) Wärmekapa zität der Schweißperle abhängigen Parameter zu bestimmen. Die (absolute) Wär mekapazität der Schweißperle 8 ist proportional zu deren Masse und damit zu deren Volumen bzw. Größe. Entsprechend kann aus dem Parameter sodann qua litativ oder quantitativ auf die Anbindungsfläche geschlossen werden.

Die Messung einer temperaturabhängigen Messvariablen ist relativ einfach mög lich, insbesondere auch optisch. Besonders einfach ist beispielsweise die Messung der Intensität der Glühemission der Schweißperle mit einer Kamera oder einer Photodiode möglich; ebenso kann als Messvariable auch die Temperatur zumin dest einen Teils der Schweißperle diesen. Ein besonders einfach zu bestimmen der, von der Wärmekapazität der Schweißperle 8 abhängiger Parameter ist die Zeitdauer zwischen dem Abschalten des Bearbeitungs-Laserstrahls und der (voll ständigen) Erstarrung der Schweißperle („Erstarrungszeit"); ebenso kann als Pa rameter ein Temperaturgradient verwendet werden.

Die Fig. 3 illustriert in einem Diagramm für verschiedene experimentelle Mess proben, bei denen eine Verschweißung von Endbereichen von Stableiter-Dum- mies mit einem Bearbeitungs-Laserstrahl entsprechend der in Fig. lb und Fig. 2 gezeigten Geometrie für die Erfindung vorgenommen wurde, jeweils eine über optische Beobachtungen bestimmte Erstarrungszeit (vgl. Kreis-Markierungen) und eine über herkömmliche Röntgenanalyse bestimmte tatsächliche Anbin dungsfläche (vgl. Quadrat-Markierungen). Es ist deutlich zu erkennen, dass die Anbindungsfläche mit der Erstarrungsfläche stark korreliert. Entsprechend kann über die Erstarrungszeit auf die Anbindungsfläche rückgeschlossen werden, und diese qualitativ oder quantitativ bestimmt werden.

Im Diagramm von Fig. 3 kann ersehen werden, dass ab einer Erstarrungszeit von ca. 140 ms eine Anbindungsfläche von ca. 8 mm ² erreicht wird. Wenn beispiels weise in dieser Situation im Rahmen der Überwachung der Anbindungsfläche der Stableiterverschweißungen eine Anbindungsfläche von wenigstens 8 mm ² sicher gestellt werden soll, kann aus einer Erstarrungszeit kürzer als 140 ms („Entschei dungswert") auf eine unzureichende Anbindungsfläche kleiner 8 mm ² geschlos sen werden, und ab einer Erstarrungszeit von 140 ms auf eine ausreichende An bindungsfläche von 8 mm ² oder mehr. Dies wäre eine typische qualitative Be stimmung der Anbindungsfläche. Verschweißungen mit als zu klein erkannter An bindungsfläche werden typischerweise einer Nachschweißung zugeführt.

Aus dem Diagramm kann auch, wenn gewünscht, beispielsweise ein einfacher, linearer funktionaler Zusammenhang zwischen der Erstarrungszeit und der An bindungsfläche erhalten werden. In guter Näherung gilt hier für die Erstarrungs zeit EZ und die Anbindungsfläche AF:

AF (EZ) = 0,0419 mm ² /ms * EZ + 2,426 mm ²

Über einen solchen funktionalen Zusammenhang kann auch leicht eine quantita tive Aussage über die Anbindungsfläche aus der Erstarrungszeit als Parameter getroffen werden.

Für die qualitative oder quantitative Bestimmung der Anbindungsfläche aus dem Parameter sind für eine jeweilige Schweißsituation (insbesondere Größe, Anord nung und Material der Stableiter) Kalibriermessungen nötig, wie sie in Fig. 3 ge zeigt sind. Falls gewünscht, können auf Basis einer quantitativen Bestimmung der Anbin dungsfläche auch Schweißparameter (wie die Laserleistung oder die Dauer der Einwirkung des Bearbeitungs-Laserstrahls) auf eine bestimmte Anbindungsfläche optimiert bzw. eingeregelt werden.

Die Fig. 4 zeigt in einer Schemadarstellung den Aufbau einer ersten erfindungs gemäßen Anlage 40 zum Laserschweißen, mit der das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt werden kann.

Die Anlage 40 verfügt über einen Bearbeitungs-Laser 41, mit dem über einen halbdurchlässigen Spiegel 42 ein Bearbeitungs-Laserstrahl (nicht näher darge stellt, vgl. aber hierzu Fig. lb) mit einer Wellenlänge von hier 1030 nm über ei nen Scanner-Spiegel 43 einer programmierbaren Fokussier-Optik 43a auf die Endbereiche 5a, 5b eines Paars von Stableitern la, lb gerichtet werden kann.

Die Stableiter la, lb sind in einer Halteeinrichtung 50 angeordnet, die hier als Statorträger 51 für einen Elektromotor ausgebildet ist; die Halteeinrichtung 50 hält typischerweise gleichzeitig mehr als dreißig Paare von Stableitern gleichzei tig.

Nach Abschalten des Bearbeitungs-Laserstrahls zeigt die entstandene Schweiß perle (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 2 hierzu) eine Glühemission 44. Die Glühemission 44 wird über den Scanner-Spiegel 43, den halbdurchlässigen Spie gel 42 und den Spiegel 45 sowie die Kollimationslinse 57 in eine Sensoreinrich tung 46, hier eine Kamera 47, abgebildet; alternativ könnte als Sensoreinrich tung 46 auch eine Photodiode eingesetzt werden (nicht näher dargestellt, vgl. aber Fig. 9). Vor der Kamera 47 ist ein optischer Filter 48 angeordnet, hier ein Bandpassfilter 49, der nur den Spektralbereich von 800 nm bis 1000 nm passie ren lässt. Die Kamera 47 ist an eine elektronische Auswerteeinrichtung 52 ange schlossen. Die Kamera 47 blickt hier gemäß dem aufgezeigten Strahlengang von oben auf die Endbereiche 5a, 5b der Stableiter la, lb bzw. die dortige Schweiß perle. Die programmierbare Fokussieroptik 43a sowie die Spiegel 42, 45 und die Ka mera 47 sind hier zu einem Laserbearbeitungskopf 53 zusammengefasst; man beachte aber, dass die Kamera auch unabhängig vom Laserbearbeitungskopf an geordnet werden kann, insbesondere um seitlich auf die Schweißperle zu blicken.

Mit der Kamera 47 wird hier von oben ein Bild 54 von der Schweißperle 8 aufge nommen, wie in Fig. 5a schematisch dargestellt. Von einem Teilbereich 55 des Bildes 54 wird ein mittlerer Grauwert (mittlere Helligkeit) als Messvariable be stimmt; dieser Grauwert entspricht der Intensität der Glühemission der Schweiß perle 8 in einem dem Teilbereich 55 entsprechenden Teil 56 der Schweißperle 8, wobei dieser Teil 56 hier zentral und oben an der Schweißperle 8 liegt. Der Teil 56 liegt somit gegenüber den vormaligen Teilflächen (stirnseitige Endflächen), auf die der Bearbeitungs-Laserstrahl zuvor gefallen ist (vgl. Fig. lb hierzu).

Alternativ kann auch die Kamera seitlich auf die Schweißperle 8 gerichtet sein, wie in Fig. 5b dargestellt. Der Teilbereich 55 des entsprechenden Bildes 54 wird dann typischerweise entfernt vom Rand der Schweißperle 8, ungefähr in der Mitte der Schweißperle 55, gewählt.

Die Fig. 6 zeigt oben in einem schematischen Diagramm einen typischen, mit der Anlage von Fig. 4 beobachteten Verlauf des mittleren Grauwerts G als Funk tion der Zeit t während der Abkühlung der Schweißperle. Der Grauwert G ent spricht der Intensität der Glühemission der Schweißperle. Die Messung des mitt leren Grauwerts erfolgt vom Abschalten des Bearbeitungs-Lasers bis nach dem Phasenübergang flüssig nach fest der Schweißperle.

Unmittelbar bei Abschaltung des Bearbeitungs-Laserstrahls wird ein Grauwert G(Tv) entsprechend der Verdampfungstemperatur Tv des Materials der Stableiter gemessen. Nach dem Abschalten des Bearbeitungs-Lasers (markiert mit „Laser off') fällt über die zeitlichen Abschnitte I, II, III der Grauwert G entsprechend dem Temperaturrückgang der noch vollständig flüssigen Schweißperle ab, und verharrt dann während einer Phase der von unten nach oben fortschreitenden Rekristallisation (Erstarrung) der Schweißperle im Abschnitt IV, bei einem nahezu konstanten Wert G(Ts) entsprechend der Schmelztemperatur Ts des Materials der Stableiter. In Abschnitt IV wird der Grauwert G an einem nach wie vor flüssigen Teil der Schweißperle bestimmt. In den Abschnitten V, VI und VII erfolgt die Er starrung des letzten, noch flüssigen und hier beobachteten oberen Teils der Schweißperle, wobei der Grauwert deutlich abfällt, da durch den Phasenübergang von flüssig nach fest die Glühemission stark reduziert wird. Während des Ab schnitts VI wandert die Erstarrungsfront durch den ausgewerteten Teilbereich des Bildes der Kamera, wobei hier G seinen steilsten und näherungsweise linea ren Verlauf hat. In einem sich anschließenden Abschnitt VIII fällt dann der Grau wert G weiter, jedoch deutlich langsamer, entsprechend dem allmählichen weite ren Absinken der Temperatur der vollständig erstarrten Schweißperle.

Über den Schnittpunkt SP1 der Kurve des Grauwerts G(t) mit der Linie eines ers ten Schwellwerts SW1, der bevorzugt einem Grauwert aus dem (erwarteten) Wertebereich des Abschnitts VI entspricht, kann die tatsächliche Erstarrungszeit EZ (entsprechend der Zeitdauer von Beginn des Abschnitts I bis zum Ende des Abschnitts VII) auf einfache Weise in guter Näherung bestimmt werden, etwa mit der elektronischen Auswerteeinheit (man beachte, dass aufgrund des flachen Verlaufs im Bereich der Abschnitte VII und VIII die Bestimmung eines Schnitt punkt dort deutlich größere Fehler aufwiese). Man beachte weiterhin, dass die Abschnitte V, VI und VII typischerweise kurz sind im Vergleich zu den Abschnit ten I, II, III und IV. Falls gewünscht, kann ein bekannter (erwarteter) zeitlicher Versatz ZV zwischen dem Schnittpunk SP1 und dem Ende der Erstarrung auf den Zeitpunkt des festgestellten Schnittpunkts SP1 aufaddiert werden, um die tat sächliche Erstarrungszeit EZ noch besser anzunähern.

Für eine andere Feststellung der Erstarrungszeit EZ kann auf die erste zeitliche Ableitung G' des Grauwerts G zurückgegriffen werden, vgl. mittleres Diagramm von Fig. 6; die Ableitung kann numerisch erfolgen. In der ersten Ableitung G' ist der Abfall der Glühemission während der Erstarrung der Schweißperle in den Ab schnitten V, VI und VII noch besser zu erkennen als in der Kurve von G; die Er starrung ist im Abschnitt V durch ein negativ werdendes G' gut zu erkennen. Da jedoch auch zu Beginn der Abkühlung, etwa im Abschnitt I bereits ähnliche (ne gative) Werte von G' Vorkommen, wird die Erstarrungszeit EZ näherungsweise durch einen Schnittpunkt SP2 der Kurve von G' mit der Linie eines zweiten Schwellwerts SW2 kurz unter „null" bestimmt, bezüglich dessen zuvor die Kurve von G über eine Mindestdauer MD nur innerhalb vorgegebener Grenzen Gl, G2 geschwankt hat. Letzteres Kriterium ist nur vor dem Schnittpunkt SP2 im Ab schnitt IV (wo G' näherungsweise „null" ist) und zu Beginn des Abschnitts V ge geben (und nicht etwa in den Abschnitten I, II und VII), so dass dadurch der zweite Schnittpunkt SP2 eindeutig feststellbar ist. Man beachte wiederum, dass die Abschnitte V, VI und VII kurz sind im Vergleich zu den Abschnitten I, II, III und IV; falls gewünscht, kann wiederum ein bekannter (erwarteter) zeitlicher Versatz zwischen dem Schnittpunkt SP2 und dem Ende der Erstarrung auf den Zeitpunkt des Schnittpunkts SP1 aufaddiert werden, um die Erstarrungszeit EZ noch genauer zu bestimmen (siehe oben).

Eine etwas genauere Bestimmung der Erstarrungszeit EZ ist auch auf Basis der zweiten zeitlichen Ableitung G'' des Grauwerts G möglich, vgl. unteres Diagramm in Fig. 6; die zweite zeitliche Ableitung kann ebenfalls numerisch erfolgen, etwa in der elektronischen Auswerteeinheit. Hier wird die vollständige Erstarrung recht genau durch einen Schnittpunkt SP3 der Kurve von G'' mit der Linie eines dritten Schwellwerts SW3 bestimmt, der deutlich über „null" so groß gewählt ist, dass dieser Schwellwert SW3 erstmals im Abschnitt VII (und nicht etwa bereits im Ab schnitt III) erreicht wird. Nötigenfalls kann auch hier eine Absicherung über eine zuvor vergangene Mindestdauer erfolgen, innerhalb der der Grauwert G nur in nerhalb vorgegebener Grenzen geschwankt hat, und es kann wiederum ein be kannter (erwarteter) zeitlicher Versatz zwischen dem festgestellten Schnittpunkt SP3 und dem tatsächlichen Ende der Erstarrung aufaddiert werden, um EZ ge nauer zu bestimmen (jeweils nicht näher dargestellt, aber siehe oben).

Als von der absoluten Wärmekapazität abhängiger Parameter eignet sich (neben der Erstarrungszeit EZ) auch gut der mittlere (zeitliche) Gradient G'M des Grau werts G in einem vorgegebenen Zeitraum zwischen zwei Zeitpunkten tl und t2, die bevorzugt im Abschnitt II gewählt sind. In diesem Abschnitt II ist der Abso lutbetrag von G' relativ groß und näherungsweise konstant und daher gut zu be stimmen.

Man beachte, dass die Kurven für G, G' und G" hier idealisiert dargestellt sind, und in der Praxis zeitlich in der Regel und den aufgezeigten Verlauf etwas schwanken; durch eine ausreichend große Integrationsfläche (Teilfläche des von der Kamera beobachteten Bildes) kann jedoch eine gute Glättung der Kurven er reicht werden.

Die Fig. 7 zeigt in einer Schemadarstellung den Aufbau einer zweiten erfindungs gemäßen Anlage 40 zum Laserschweißen, mit der das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt werden kann. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede zur Anlage von Fig. 4 erläutert.

Bei der Anlage 40 von Fig. 7 wird während der Abkühlung der Schweißperle an den Stableitern la, lb die Schweißperle mit einem Beobachtungs-Lichtstrahl 71, hier Beobachtungs-Laserstrahl, einer (mittleren) Wellenlänge von hier 810 nm aus einer Beobachtungs-Lichtquelle 70, hier einem Beobachtungs-Laser, durch einen halbdurchlässigen Spiegel 45a beleuchtet. Die Beobachtungs-Lichtquelle 70 bringt keine merkliche Energie in die Stableiter la, lb ein, jedoch wird der Be obachtungs-Laserstrahl 71 an der Schweißperle abhängig von der Temperatur der Schweißperle reflektiert. Die Intensität des an der Schweißperle reflektierten Beobachtungs-Lichtstrahls 71 wird in der Kamera 47 registriert, zusammen mit der Glühemission 44 der Schweißperle.

Um den Anteil der Glühemission 44 an der gemessenen Intensität bzw. dem ge messenen Grauwert an der Kamera 47 zu minimieren, ist vor der Kamera 47 ein schmalbandiger Bandpassfilter 73 als optischer Filter 48 angeordnet, der hier le diglich Wellenlängen im Bereich 800 nm bis 820 nm passieren lässt. Optional kann zusätzlich ein Polarisationsfilter 74 vor der Kamera 47 vorgesehen sein, mit dem der Kontrast im von der Kamera 47 aufgenommenen Bild verbes sert werden kann.

Die Fig. 8 zeigt oben in einem schematischen Diagramm einen typischen, mit der Anlage von Fig. 7 beobachteten Verlauf des mittleren Grauwerts G als Funk tion der Zeit t während der Abkühlung der Schweißperle. Der Grauwert G ent spricht der Überlagerung der Intensität der Glühemission der Schweißperle und der Intensität des reflektierten Beobachtungs-Laserstrahls. Es werden nur die wesentlichen Unterschiede zur Fig. 6 erläutert.

In den ersten Abschnitten I, II und III dominiert die Glühemission die an der Ka mera gemessene Intensität, und entspricht daher weitgehend dem Verlauf in Fig. 6: Der Grauwert G nimmt entsprechend der mit der Temperatur abnehmenden Glühemission der flüssigen Schweißperle ab. Im Abschnitt IV bleibt der Grauwert G wiederum konstant.

Ab dem Abschnitt IV dominiert jedoch die Intensität des an der Schweißperle re flektierten Beobachtungs-Laserstrahls den Grauwert. Mit dem Phasenübergang ab Abschnitt V von flüssig nach fest steigt die Reflektivität der Schweißperle stark an (bzw. die Absorption nimmt stark ab), und entsprechend steigt der Grauwert G an. In Abschnitt VIII, nach dem vollständigen Erstarren der Schweiß perle, bleibt die Intensität des reflektierten Laserlichts näherungsweise gleich.

Dies ist am besten über die erste zeitliche Ableitung G' des Grauwerts G festzu stellen, vgl. das mittlere Diagramm der Fig. 8. Wenn die Kurve von G' die Linie eines Schwellwert SW4, der geringfügig über null gewählt ist, erstmalig schnei det, entspricht der Schnittpunkt SP4 in guter Näherung der Erstarrungszeit EZ; falls gewünscht, kann ein bekannter (erwarteter) zeitlicher Versatz ZV zwischen dem Zeitpunkt des Schnittpunkts SP4 und dem Ende der Erstarrung (am Ende von Abschnitt VII) auf den festgestellten Zeitpunkt des Schnittpunkts SP4 aufad diert werden, um EZ noch genauer zu bestimmen. Alternativ ist es auch möglich, das Erreichen von des Schwellwerts SW5 (bei Schnittpunkt SP5) für den Grauwert G oder des Schwellwerts SW6 (bei Schnitt punkt SP6) für die zweite Ableitung G" des Grauwerts G (vgl. unteres Diagramm) zur Bestimmung der Erstarrungszeit EZ vorzusehen, die jedoch über eine davor liegende Mindestdauer MD, in der der Grauwert G lediglich innerhalb vorgegebe ner Grenzen Gl, G2 variiert, abgesichert werden sollten (beispielshaft einge zeichnet bei G im oberen Diagramm, und den Schnittpunkt SP5 abzusichern).

Die Fig. 9 zeigt in einer Schemadarstellung den Aufbau einer dritten erfindungs gemäßen Anlage 40 zum Laserschweißen, mit der das erfindungsgemäße Verfah ren durchgeführt werden kann. Es werden wiederum nur die wesentlichen Unter schiede zur Anlage von Fig. 4 erläutert.

Die Anlage 40 ist für eine Quotientenpyrometrie eingerichtet, und verfügt ent sprechend über zwei Sensoreinrichtungen 46, hier ausgebildet als zwei Photodio den 90, 91, die von der Glühemission 44 der Schweißperle an den Stableitern la, lb beleuchtet werden. Beide Photodioden 90, 91 sind an die elektronische Aus werteeinrichtung 52 angeschlossen.

Vor der Photodiode 90 ist ein optischer Filter 48 angeordnet, der als schmal- bandinger Bandpassfilter 93 ausgebildet ist und lediglich Licht einer ersten mitt leren Wellenlänge lΐ, einschließlich eines umgebenden kleinen Wellenlängenin tervalls von typischerweise +/- 30 nm oder weniger, bevorzugt +/- 20 nm, durchlässt. Vor der Photodiode 91 ist ein optischer Filter 48 angeordnet, der ebenfalls als schmalbandiger Bandpassfilter 94 ausgebildet ist und lediglich Licht einer zweiten mittleren Wellenlänge l2, einschließlich eines umgebenden kleinen Wellenlängenintervalls von typischerweise +/- 30 nm oder weniger, bevorzugt +/- 20 nm, durchlässt. Beispielsweise liegt lΐ bei 1550 nm und l2 bei 1620 nm. Aus dem Verhältnis der Intensitäten bei den beiden Wellenlängen lΐ und l2 kann die Temperatur der Schweißperle (bzw. in derem beobachteten Teil) als Messva riable bestimmt werden. Die Fig. 10 zeigt oben in einem schematischen Diagramm einen typischen, mit der Anlage von Fig. 9 beobachteten Verlauf der Temperatur T als Funktion der Zeit t während der Abkühlung der Schweißperle; die Temperatur wird dabei in ei nem zentralen, oberer Teil der Schweißperle beobachtet. Die Temperatur T ver- läuft weitgehend analog zum Grauwert der Glühemission, wie in Fig. 6 erläutert, insbesondere mit einem starken Temperaturabfall zu Beginn in den Abschnitten I, II und III, und mit einer über längere Zeit konstanten Temperatur T entspre chend der Schmelztemperatur Ts in Abschnitt IV, so dass eine Auswertung der Temperatur T insoweit analog zur Auswertung des Grauwerts der Glühemission erfolgen kann (siehe dort), weshalb hier von einer Wiederholung abgesehen wird. Man beachte aber, dass während der Erstarrung des letzten, am längsten flüssi gen, hier beobachteten oberen Teils der Schweißperle in den Abschnitten V, VI VII die (im beobachteten Teilbereich mittlere) Temperatur nahezu konstant bleibt und sich nur sehr geringfügig ändert; erst nach der vollständigen Erstarrung der Schweißperle am Ende von Abschnitt VII fällt die Temperatur wieder langsam, mit einem näherungsweise konstanten Gradienten T ' ab. Bevorzugt wird hierbei ein Schwellwert SW7 für die Temperatur T angewandt, der kurz unter der Schmelztemperatur Ts (etwa am Anfang des erwarteten Abschnitt VIII) liegt, um als Parameter die Erstarrungszeit EZ in sehr guter Näherung über den Zeitpunkt des Schnittpunkts SP7 zu bestimmten. Ebenfalls gut möglich ist die Bestimmung des mittleren Temperaturgradienten T 'M zwischen den Zeitpunkten tl und t2 im Abschnitt II als Parameter.

Beim Laserschweißen der Endbereiche 5a, 5b der Stableiter la, lb werden in der Regel die Querschnitte Qa, Qb der Stableiter la, lb (senkrecht zur Erstreckungs richtung der Beine 3a, 2b) von der Schweißperle 8 vollständig abgedeckt, wie in Fig. 11a schematisch in Aufsicht illustriert.

In seltenen Fällen kommt es jedoch vor, etwa infolge von Spritzerbildung, dass die Schweißperle 8 bei einem der Stableiter la, lb oder auch beiden Stableitern la, lb deren Querschnitt nur unvollständig bedeckt, wie in Fig. 11b dargestellt. Im gezeigten Beispiel ist für den Stableiter la etwa 1/3 des Querschnitts Qa ein unbedeckter Anteil QaU, und etwa 2/3 des Querschnitts Qa ein von der Schweiß perle 8 bedeckter Anteil QaB. Für den Stableiter lb ist etwa 1/50 des Quer schnitts Qb ein unbedeckter Anteil QbU, und etwa 49/50 des Querschnitts Qb ein von der Schweißperle 8 bedeckter Anteil QbB, was kaum ins Gewicht fällt. Insge samt ist hier ca. 1/6 des gesamten Querschnitts Q=Qa+Qb der Stableiter la, lb unbedeckt, entsprechend einem unbedeckter Anteil QU des gesamten Quer schnitts Q von ca. 1/6.

Im Rahmen der Erfindung kann vorgesehen sein, die Anbindungsfläche auch dann als unzureichend einzustufen, wenn unabhängig von der Beobachtung der Messvariablen und dem daraus bestimmten Parameter der unbedeckte Anteil QU von Q einen Grenzwert GW überschreitet. Bevorzugt wird der Grenzwert GW zu 0,10 oder weniger, bevorzugt 0,05 oder weniger, bestimmt, bezogen auf den vollen Querschnitt Q. Dadurch kann eine schlechte elektrische Verbindung zwi schen den Stableitern la, lb erkannt und ggf. durch Nachschweißen beseitigt werden.

Zu geringe, von der Schweißperle bedeckte Anteile QB des gesamten Quer schnitts Q der Stableiter la, lb sind auch deshalb tückisch, weil sie zu einer ver schlechterten Wärmeableitung aus der Schweißperle 8 führen. Die verlangsamte Abkühlung der Schweißperle 8 täuscht eine größere Schweißperle 8 und entspre chend eine ausreichend große Anbindungsfläche bei erfindungsgemäßen Be obachtung der temperaturabhängigen Messvariablen und des daraus bestimmten Parameters vor, obwohl die Anbindungsfläche tatsächlich zu klein ist. Durch die zusätzliche Bestimmung des unbedeckten Anteils QU, die durch eine optische Auswertung einer Aufsicht auf die Schweißperle leicht möglich ist, kann diese Problematik beseitigt werden. Man beachte, dass QU+QB=1. Bezuaszeichenliste la, lb Stableiter 2a, 2b (linkes) Bein

3a, 3b (rechtes) Bein 4a, 4b Mittelteil 5a, 5b Endbereich 6a, 6b stirnseitige Endfläche 7 Bearbeitungs-Laserstrahl

8 Schweißperle 9 Anbindungsfläche

11a, 11b lange Seite 12 Kreisbahn 40 Anlage

41 Bearbeitungs-Laser

42 halbdurchlässiger Spiegel

43 Scanner-Spiegel 43a programmierbare Fokussieroptik 44 Glühemission

45 Spiegel 45a halbdurchlässiger Spiegel

46 Sensoreinrichtung

47 Kamera 48 optischer Filter

49 Bandpassfilter

50 Halteeinrichtung

51 Statorträger

52 elektronische Auswerteeinrichtung 53 Laserbearbeitungskopf

54 Bild

55 Teilbereich des Bildes

56 Teil der Schweißperle 57 Kollimationslinse

70 Beobachtungs-Lichtquelle

71 Beobachtungs-Lichtstrahl

73 Band passfilter

74 Polarisationsfilter

90 Photodiode

91 Photodiode

93 Bandpassfilter

94 Bandpassfilter EZ Erstarrungszeit G Grauwert G' erste zeitliche Ableitung des Grauwerts

G i mittlerer Gradient des Grauwerts

G" zweite zeitliche Ableitung des Grauwerts

Gl, G2 Grenze (für Messvariable)

GW Grenzwert (für unbedeckten Anteil)

H Höhe der Schweißperle

MD Mindestdauer

Q Querschnitt beider Stableiter

Qa Querschnitt von Stableiter la

Qb Querschnitt von Stableiter lb

QaB bedeckter Anteil des Querschnitts von Stableiter la

QbB bedeckter Anteil des Querschnitts von Stableiter lb

QaU unbedeckter Anteil des Querschnitts von Stableiter la

QbU unbedeckter Anteil des Querschnitts von Stableiter lb

QU unbedeckter Anteil des Querschnitts beider Stableiter

SP1-SP7 Schnittpunkte

SW1-SW7 Schwellwerte t Zeit t _l , t2 Zeitpunkte

T Temperatur

T ' erste zeitliche Ableitung der Temperatur

T 'M mittlerer Gradient der Temperatur T " zweite zeitliche Ableitung der Temperatur

Ts Schmelztemperatur

Tv Verdampfungstemperatur

ZV zeitlicher Versatz