Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus metallischem Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, vorzugsweise zweier Stableiter, mittels eines Bearbeitungslaserstrahls, der auf nebeneinander angeordnete Endflächen der Werkstücke gerichtet wird, um an den beiden End- flächen ein Schmelzbad und im weiteren Verlauf eine Schmelzperle aufzuschmelzen, die dann zu einer Schweißperle erstarrt. Vorzugsweise sind die Endflächen der Werkstücke, auf die der Bearbeitungslaserstrahl gerichtet wird, jeweils auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet. Die Erfindung betrifft auch eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Bearbeitungsmaschine und ein zugehöriges Computerprogrammprodukt.

Kupferhaltige, gebogene Stableiter, insbesondere so genannte Hairpins, werden in elektrodynamischen Maschinen, wie Elektromotoren oder Generatoren, verbaut. Die Stableiter werden, entsprechend einer vorgesehenen elektrischen Verschaltung, angeordnet und miteinander verschweißt, um damit einen Elektromagneten aufzubauen. Ein Elektromotor verfügt dabei typischerweise über mehrere Dutzend, oft Hunderte von gebogenen Stableitern, die paarweise miteinander verschweißt werden müssen. Dabei ist es wichtig, mittels der Verschweißung eine ausreichende Querschnittsfläche zur Verfügung zu stellen, durch die der elektrische Strom von einem Stableiter in den anderen Stableiter fließen kann („Anbindungsfläche“). Ist die Anbindungsfläche zu klein, drohen im Betrieb eine erhebliche ohmsche Erwärmung, eine Einbuße im Wirkungsgrad oder gar eine Unbrauchbarkeit der elektrodynamischen Maschine.

Das Verschweißen der Stableiter erfolgt mittels eines Laserstrahls, der dafür typischerweise auf die stirnseitigen Endflächen zweier nebeneinander angeordneter, meist aneinander anliegender Stableiter gerichtet wird. Die Endflächen werden durch die eingebrachte Wärme aufgeschmolzen und sind nach der Erstarrung über eine wieder erstarrte Schmelzperle miteinander verbunden. In der Regel wird der Laserstrahl stets mit der gleichen Leistung für die gleiche Zeit auf die Stableiter gerichtet, wodurch 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 Fehlpositionierungen der Stableiter, etwa Spalten oder Versatz, oder ungenauer Positionierung des Laserstrahls der tatsächliche Energieeintrag variieren. Bei zu geringem Energieeintrag wird zu wenig Material aufgeschmolzen, so dass eine zu kleine Schmelzperle entsteht, die eine zu geringe Anbindungsfläche zur Verfügung stellt. Auch im Falle von starker Spritzerbildung beim Laserschweißen kann eine zu kleine Schmelzperle mit zu geringer Anbindungsfläche entstehen. Erst durch zerstörende Prüfung oder durch Computertomografie(CT)- oder Röntgentechnik kann die Anbindungsfläche im Nachgang kontrolliert werden. Im Regelfall erfolgt daher eine Sichtkontrolle durch den Werker, oder es werden zyklisch Stichproben durch CT- oder Röntgentechnik ausgewertet. Eine Nacharbeit der fehlerhaften Teile ist sehr aufwendig.

Aus der DE 10 2014 226 710 A1 ist die Überwachung von Hairpins mittels Sensoren bekannt, welche die Ausdehnung des Schmelzbades messen und auf diese Weise erkennen können, ob der Schweißprozess in den vorgegebenen Grenzen abläuft. Darüber hinaus werden weitere Sensoren eingesetzt, welche die erstarrte Schweißnaht prüfen und gute von schlechten Nähten unterscheiden können.

Ferner sind aus der DE 10 2014 113 283 A1 Punkt-Abstandssensoren für ein koaxiales Messverfahren, insbesondere zur optischen Kohärenztomographie, bekannt, um zur Qualitätsüberprüfung einen Analysebereich auf dem Werkstück zu erfassen.

DE 10 2016 109 909 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Prozessüberwachung bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschweißen und Lasertiefschweißen, mittels optischer Abstandsmessung. Die Abstandsmessung kann dabei beispielsweise durch optische Kohärenztomographie erfolgen.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zur Überwachung des Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke anzugeben, welches einfach, schnell und zerstörungsfrei durchzuführen ist, sowie ein Verfahren zur Regelung des Laserschweißprozesses anzugeben, um eine stets ausreichend große Anbindungsfläche sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während des Laserschweißprozesses das flüssige Schmelz- bad und die flüssige Schmelzperle mittels eines OC (optical coherence tomo- grap/?y)-Messstrahls in mindestens einem Linienscan abgetastet, eine Ist-Geometrie des Schmelzbads und/oder der Schmelzperle anhand des mindestens einen Linienscans bestimmt und mindestens ein Schweißparameter anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie des Schmelzbads und der flüssigen Schmelzperle eingestellt, insbesondere geregelt wird und/oder dass nach dem Laserschweißprozess die erstarrte Schweißperle mittels eines OCT-Messstrahls in mindestens einem Linienscan abgetastet, eine Ist-Geometrie der Schweißperle anhand des mindestens einen Linienscans bestimmt und die Qualität der Schweißperle anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie der Schweißperle überwacht wird.

Erfindungsgemäß wird durch einen oder mehrere Linienscans mit dem OCT- Messstrahl die Ist-Geometrie des Schmelzbades, der Schmelzperle und/oder der Schweißperle abgetastet und daraus vorzugsweise mindestens eines der folgenden Ist-Geometriemerkmale des Schmelzbades, der Schmelzperle und/oder der Schweißperle bestimmt:

- Durchmesser und/oder Rundheit des Schmelzbades,

- Durchmesser, Höhe und/oder Wölbung der Schmelzperle, und

- Durchmesser, Höhe und/oder Wölbung der Schweißperle.

Anhand der Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie des Schmelzbads, der Schmelzperle und/oder der Schweißperle kann die Anbindungsfläche ermittelt bzw. darauf geschlossen werden.

Ist der bestimmte Ist-Durchmesser der erstarrten Schmelzperle kleiner als der für eine perfekte Schmelzperle vorgegebene Soll-Durchmesser oder die Außenkontur der erstarrten Schmelzperle zu unrund, so ist die Anbindungsfläche der erstarrten Schmelzperle zu klein, und die Schmelzperle wird als defekt klassifiziert. Ist die bestimmte Ist-Höhe der erstarrten Schmelzperle kleiner als die für eine perfekte Schmelzperle vorgegebene Soll-Höhe oder weicht die bestimmte Ist-Wölbung der erstarrten Schmelzperle von der für eine perfekte Schmelzperle vorgegebenen, z.B. kugelkalottenförmigen Soll-Wölbung ab, wird die Schmelzperle als defekt klassifiziert. Weicht während des Laserschweißprozesses das bestimmte mindestens eine Ist- Geometriemerkmal des Schmelzbades oder der Schmelzperle vom vorgegebenen Soll-Geometriemerkmal ab, so kann über eine Änderung eines Schweißparameters gegengesteuert werden. Ist beispielsweise der bestimmte Ist-Durchmesser des Schmelzbades oder der Schmelzperle kleiner als der für den jeweiligen Messzeitpunkt vorgegebene Soll-Durchmesser, so kann durch eine Verlängerung des Schweißparameters „Schweißdauer“ doch noch eine ausreichend große Anbindungsfläche der erstarrten Schweißperle erreicht werden.

Vorzugsweise erfolgt die OCT-Abtastung mittels des OCT-Messstrahls in mindestens zwei unterschiedlichen, insbesondere zueinander rechtwinkligen Linienscans, um die Ist-Geometrie dreidimensional zu erfassen.

Für den Fall einer als defekt klassifizierten Schweißperle kann die Schweißperle automatisch nachgeschweißt oder eine andere Aktion, insbesondere eine Warnmeldung, ausgelöst werden. Das unmittelbare Nachschweißen stellt keine aufwendige Nacharbeit von fehlerhaften Teilen dar.

Eine erfindungsgemäße Bearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Werkstücke aus metallischem Werkstoff, insbesondere aus Kupfer oder Aluminium, vorzugsweise von Stableitern, mittels eines Bearbeitungslaserstrahls umfasst einen Laserstrahlerzeuger zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls, einen Laserscanner zum zweidimensionalen Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls auf nebeneinander liegende Endflächen zweier Werkstücke, um an den beiden Endflächen ein Schmelzbad und im weiteren Verlauf eine Schmelzperle aufzuschmelzen, die dann zu einer Schweißperle (9‘) erstarrt, einen optischen Kohärenztomographen (optical coherence tomography, OCT) zum Erzeugen eines OCT-Messstrahls, der von dem Laserscanner auf die beiden Endflächen gerichtet wird, einen zwischen Kohärenztomograph und Laserscanner angeordneten OCT- Scanner zum zweidimensionalen Ablenken des OCT-Messstrahls auf den beiden Endflächen, um das Schmelzbad, die Schmelzperle und/oder die Schweißperle mittels des OCT-Messstrahls in mindestens einem Linienscan abzutasten, eine Maschinensteuerung zum Ansteuern des Laserscanners und des OCT-Scanners, eine Auswerteeinrichtung zum Bestimmen einer Ist-Geometrie des Schmelzbades, der Schmelzperle und/oder der Schweißperle anhand des mindestens einen Linienscans, sowie eine Einstelleinrichtung zum Einstellen, insbesondere Regeln, mindestens eines Schweißparameters anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie des Schmelzbads und/oder der Schmelzperle, und/oder eine Überwachungseinrichtung zum Überwachen der Qualität der Schweißperle anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie der Schweißperle. Die Maschinensteuerung ist programmiert, während und/oder nach dem Laserschweißprozess den OCT-Scanner anzusteuern, um die Endflächen der Werkstücke mittels des OCT- Messstrahls in mindestens einem Linienscan abzutasten.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Computerprogrammprodukt, welches Codemittel aufweist, die zum Durchführen aller Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens angepasst sind, wenn das Programm auf einer Maschinensteuerung einer Bearbeitungsmaschine abläuft.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung sind der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen entnehmbar. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsmaschine zum Laserschweißen zweier Stableiter; und

Fign. 2a, 2b die zu verschweißenden Endflächen zweier Stableiter mit einem aufgeschmolzenen Schmelzbad (Fig. 2a) und einer aufgeschmolzenen Schmelzperle (Fig. 2b); und

Fig. 3 die miteinander verschweißten Endflächen zweier Stableiter mit einer erstarrten Schmelzperle. Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Bearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschweißen zweier Werkstücke aus metallischem Werkstoff, hier beispielhaft in Form zweier gebogener Stableiter 2 („Hairpins“) aus Kupfer, mittels eines Bearbeitungslaserstrahls 3. Die beiden Stableiter 2 weisen die gleiche zu verschweißende Endfläche 4 mit gleichem Querschnitt auf und sind mit ihren Endflächen 4 auf gleicher Höhe nebeneinander angeordnet.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen Laserstrahlerzeuger 5 zum Erzeugen des Bearbeitungslaserstrahls 3, einen Laserscanner 6 zum zweidimensionalen Ablenken des Bearbeitungslaserstrahls 3 in x-, y-Richtung auf den Endflächen 4 der Werkstücke 2, sowie einen optischen Kohärenztomographen (OCT) 7 zum optischen Abtasten der Endflächen 4 der Werkstücke 2. Der Laserscanner 6 kann beispielsweise einen um zwei Achsen ablenkbaren Scannerspiegel oder zwei jeweils um eine Achse ablenkbare Scannerspiegel aufweisen.

Wie in Fign. 2a, 2b gezeigt, wird mittels des Bearbeitungslaserstrahls 3 an den beiden Endflächen 4 ein gemeinsames, zunächst ebenes Schmelzbad 8 aufgeschmolzen, aus dem sich im weiteren Schweißverlauf eine aufgeschmolzene Schmelzperle 9 entwickelt, die dann zu einer Schweißperle erstarrt. Fig. 3 zeigt die beiden miteinander verschweißten Stableiter 2, deren Endflächen 4 über die erstarrte Schweißperle 9‘ miteinander stoffschlüssig verbunden sind.

Der OCT 7 weist in bekannter Weise eine OCT-Lichtquelle (z.B. Superlumineszenzdiode) zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einen OCT-Strahlteiler zum Aufteilen des Lichtstrahls in einen OCT-Messstrahl 10 und einen OCT-Referenzstrahl auf. Der OCT-Messstrahl 10 wird an einen Messarm weitergeleitet und trifft auf die Endflächen 4 der Werkstücke 2, an denen der OCT-Messstrahl 10 zumindest teilweise reflektiert und an den in dieser Richtung undurchlässigen oder teildurchlässigen OCT-Strahlteiler zurückgeführt wird. Der OCT-Referenzstrahl wird an einen Referenzarm weitergeleitet und am Ende des Referenzarms von einem Spiegel reflektiert. Der reflektierte OCT-Referenzstrahl wird ebenfalls an den OCT-Strahl- teiler zurückgeführt. Die Überlagerung der beiden reflektierten Strahlen wird schließlich von einem Detektor (OCT-Sensor) detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen über die Endflächen 4 der Werkstücke 2 zu ermitteln. Dieses Verfahren basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang der Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen.

Im Strahlengang des OCT-Messstrahls 8 ist ein OCT-(Kleinfeld)Scanner 11 angeordnet, um den OCT-Messstrahl 10 auf den Endflächen 4 der Werkstücke 2 zweidimensional, also in x-, y-Richtung, abzulenken und so die Endflächen 4 der Werkstücke 2 mit einem oder mehreren Linienscans 12 (Fign. 2a, 2b) abzutasten. Der OCT-Scanner 11 kann beispielsweise einen um zwei Achsen ablenkbaren Scannerspiegel oder zwei jeweils um eine Achse ablenkbare Scannerspiegel aufweisen. Über einen Strahlteiler (z.B. in Form eines dichroitischen Spiegels) 13, der im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 3 schräg angeordnet ist und für den Bearbeitungslaserstrahl 3 reflektierend und für den OCT-Messstrahl 10 transmit- tierend ist, wird der OCT-Messstrahl 10 - in den Nulllagen der beiden Scanner 6, 11 koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl 3 - in den Laserscanner 6 eingekoppelt, um den OCT-Messstrahl 10 auf die Endflächen 4 der Werkstücke 2 zu richten.

Die Linienscandaten des OCTs 7 werden an eine Auswerteeinrichtung 14 weitergeleitet, die anhand des einen oder der mehreren Linienscans 12 eine Ist-Geometrie des Schmelzbades 8, der Schmelzperle 9 und der Schweißperle 9‘ bestimmt. Vorzugsweise wird eines der folgenden Ist-Geometriemerkmale des Schmelzbades 8, der Schmelzperle 9 und der Schweißperle 9‘ als Ist-Geometrie bestimmt:

- Durchmesser d und/oder Rundheit des Schmelzbades 8,

- Durchmesser D, Höhe H und/oder Wölbung der Schmelzperle 9, und

- Durchmesser D‘, Höhe H‘ und/oder Wölbung der Schweißperle 9‘.

Die bestimmte Ist-Geometrie des Schmelzbads 8 und der Schmelzperle 9 wird an eine Einstelleinrichtung 15 weitergeleitet, die einen Schweißparameter, wie z.B. die Schweißdauer, anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie des Schmelzbads 8 und der Schmelzperle 9 entsprechend entstellt, insbesondere regelt. Ist beispielsweise der bestimmte Ist- Durchmesser d, D des Schmelzbades 8 oder der Schmelzperle 9 kleiner als der für den jeweiligen Messzeitpunkt vorgegebene Soll-Durchmesser, so kann durch eine Verlängerung der Schweißdauer doch noch eine ausreichend große Anbindungsfläche der erstarrten Schweißperle 9‘ erreicht werden.

Die bestimmte Ist-Geometrie der erstarrten Schweißperle 9‘ wird an eine Überwa- chungseinrichtung 16 weitergeleitet, die die Qualität der Schweißperle 9 anhand einer Abweichung der bestimmten Ist-Geometrie von einer vorgegebenen Soll-Geometrie der Schweißperle 9‘ überwacht. Liegt die Abweichung außerhalb einer vorgegebenen Toleranz, wird die Schweißperle 9‘ als defekt klassifiziert, und die verschweißten Stableiter 2 werden aussortiert. Im Falle einer zu kleinen Anbindungsfläche kann auch unmittelbar nachgeschweißt werden, bis die Anbindungsfläche innerhalb der Toleranzen liegt, da sich die verschweißten Stableiter 2 noch in der Schweißposition befinden.

Eine Maschinensteuerung 17 steuert die Bewegung der Scanner 6, 11 und ist programmiert, während und/oder nach dem Laserschweißprozess den OCT-Scanner 11 anzusteuern, um die Endflächen 4 der Werkstücke 2 mittels des OCT-Mess- strahls 10 in einem oder mehreren Linienscans 12 abzutasten.