Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen eines Laser schweißprozesses zum Verschweißen zweier für die Laserwellenlänge transpa renter Werkstücke, vorzugsweise aus Glas, wobei in den Werkstücken von einem gepulsten Laserstrahl, insbesondere Ultrakurzpulslaserstrahl, ein Schmelzvolu men im Bereich der Grenzfläche der beiden Werkstücke aufgeschmolzen wird, um eine Schweißnaht zu erzeugen, und wobei die Intensität der vom Schmelzvolumen emittierten Prozessstrahlung detektiert wird.

Ein derartiges Überwachungsverfahren ist beispielsweise durch die DE 102018 128377 A1 bekannt geworden.

Die Qualitätskontrolle von zwei laserverschweißten Werkstücken aus Glas erfolgt zumeist in einem der Schweißbearbeitung nachgelagerten Arbeitsschritt. Das ge schweißte Endwerkstück wird dabei oftmals einer aufwendigen manuellen Prüfung unterzogen. Ob ein Spalt überbrückt wurde oder nicht, wird mit einem Mikroskop bestimmt. Die Position und die Größe des Spalts werden bisher aufwendig nach Prozessende anhand von Querschliffen mikroskopisch untersucht. Zudem werden Festigkeitsmessungen durchgeführt.

Aus der DE 102018 128377 A1 ist ein Verfahren zur Überwachung eines Schweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas bekannt, wo bei in den Werkstücken in einer mit einem gepulsten Ultrakurzpulslaserstrahl be aufschlagten Prozesszone eine Schweißnaht ausgebildet wird. Die Intensität der von der Prozesszone emittierten Prozessstrahlung wird zeitaufgelöst detektiert und die Periodizität, die Frequenz und das Frequenzspektrum von Intensitäts schwankungen der detektierten Prozessstrahlung bestimmt, um daraus auf die Qualität der erzeugten Schweißnaht zu schließen.

Der vorliegenden Erfindung stellt sich die Aufgabe, das eingangs genannte Über wachungsverfahren dahingehend weiterzubilden, dass beim Fügen transparenter Werkstücke ein überbrückter Spalt erkannt werden kann, um so festzustellen, ob eine stoffschlüssige Verbindung stattgefunden hat oder nicht.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Überwachungsverfahren erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass der detektierte Intensitätsverlauf hinsichtlich mindestens eines der folgenden Merkmale ausgewertet wird: - Tiefe eines Intensitätsabfalls, welcher durch einen Schmelzauswurf aus dem Schmelzvolumen in einen Spalt zwischen den Werkstücken verursacht ist,

- Dauer eines Intensitätsabfalls, und

- Wiederanstieg der Intensität nach einem Intensitätsabfall, und dass anhand dieser Auswertung bestimmt wird, ob der Spalt beim Laser schweißprozess überbrückt wurde oder nicht.

Klassisch wird mittels Gaußstrahl in das Glasvolumen nahe der Grenzfläche fo kussiert und ein Schmelzvolumen erzeugt. Hierbei wird insbesondere über meh rere Pulse die Absorption in Richtung der einfallenden Wellenfront gezogen, da es dort aufgrund der erhöhten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung variiert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbrin gung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vor gang startet, ausgehend vom Fokus, erneut und ein weiteres Schmelzvolumen wird gebildet. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten mit perio disch aneinander gereihten, ggf. überlappenden Schmelzvolumen (periodische Signatur). Liegt die Grenzfläche innerhalb des aufgeschmolzenen Volumens, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügen den Werkstücken jedoch einen Spalt, wird durch den herrschenden Druck inner halb der Prozesszone impulsartig Schmelze in den Spalt ausgetrieben. Wird der Spalt zwischen den Werkstücken vollständig mit Material gefüllt, sodass die Ab sorption im zweiten Glas fortgesetzt werden kann, kommt es zu einer stoffschlüs sigen Verbindung. Die Position und die Größe des Spalts beeinflussen die Festig keit und die Sichtbarkeit der Schweißverbindung. Verteilt sich die Schmelze je doch weitläufig im Spalt, kann die Absorption nicht aufrechterhalten werden. Der Spalt wird nicht überbrückt, und es kommt zu keiner stoffschlüssigen Verbindung. Während der Bearbeitung emittiert die Wechselwirkungszone Prozessstrahlung mit einem kontinuierlichen Spektrum. Wird Schmelze in den Spalt ausgeworfen, verteilt sich das Material im Spalt und kühlt ab. Dies führt dazu, dass die Intensität der emittierten Prozessstrahlung einbricht und weniger Laserstrahlung absorbiert wird. Vor dem Einbruch der Strahlungsemission kann es zu einer kurzen Emissi onsspitze kommen. Kann die Absorption trotz Schmelzauswurf fortgesetzt werden, nimmt die Intensität der Prozessstrahlung wieder zu und erlischt, wenn sich der Prozess zu weit in Richtung des konvergenten Strahls verlagert.

Um bereits beim Laserschweißen zu erkennen, ob ein Spalt überbrückt wurde o- der nicht, werden erfindungsgemäß die Tiefe und/oder Dauer des Intensitätsab falls und/oder der Wiederanstieg der Intensität nach einem Intensitätsabfall ausge wertet und daraus auf einen überbrückten oder nicht überbrückten Spalt geschlos sen. Bricht die Intensität nicht vollständig ein und steigt erneut an, wurde der Spalt überbrückt. Bricht die Intensität vollständig ein und wird nicht fortgesetzt, wurde der Spalt nicht überbrückt. Da sich der Einbruch der Strahlungsemission gleicher maßen über das gesamte Emissionsspektrum beobachtet werden kann, ist die Detektion über einen großen Wellenlängenbereich oder wellenlängenselektiv mög lich. Erfindungsgemäß kann die Auswertung anhand des detektierten Intensitäts verlaufs der einzelnen Schmelzvolumen oder anhand eines zeitlich gemittelten In tensitätsverlaufs, z.B. eines jeweils über ein Schmelzvolumen integrierten Intensi tätsverlaufs, stattfinden.

Tiefe und Dauer des Intensitätsabfalls und Wiederanstieg der Intensität können unabhängig voneinander ausgewertet werden und weisen unabhängig voneinan der auf einen Spalt hin. Ein Intensitätsanstieg nach dem Intensitätseinbruch deu tet auf einen überbrückten Spalt hin, d.h., die Schweißnaht wird trotz Spalt im oberen Material fortgesetzt.

Vorzugsweise wird die Spaltbreite eines überbrückten Spalts, welche die Qualität der Schweißverbindung beeinflusst, anhand der Tiefe und der Dauer des Intensi tätsabfalls der detektierten Prozessstrahlung ermittelt werden.

Der detektierte Intensitätsverlauf kann vorteilhaft auch zusätzlich hinsichtlich des Zeitpunkts des Intensitätsabfalls oder hinsichtlich des Zeitpunkts einer dem Inten sitätsabfall vorangehenden Intensitätsspitze ausgewertet werden, um daraus die Position eines überbrückten Spalts zu ermitteln.

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 Merk male je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung fin den. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschlie ßende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwa chung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke aus Glas; und

Fign. 2a-2f gemessene zeitliche Intensitätsverläufe der emittierten Prozess strahlung beim Laserschweißen zweier Werkstücke aus Quarzglas bei verschiedenen Spaltbreiten.

Die in Fig. 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 dient zum Überwachen eines La serschweißprozesses zum Verschweißen zweier aufeinanderliegender, hier ledig lich beispielhaft plattenförmiger Werkstücke 2, 3 aus einem für die Laserwellen länge transparenten Material, z.B. aus Glas, mittels eines gepulsten Laserstrahls 4. Als gepulster Laserstrahl 4 wird bevorzugt ein Ultrakurzpulslaserstrahl mit Pul sen im Femto- oder Pikosekundenbereich und mit Frequenzen der Repetitionsra ten von 100kHz bis zu mehreren MHz verwendet.

Die Unterseite des in Fig. 1 oberen Werkstücks 2 und die Oberseite des unteren Werkstücks 3 liegen aneinander an und bilden eine Grenzfläche 5, in der die Ver schweißung vorgenommen werden soll bzw. vorgenommen wurde. Der Laser strahl 4 wird von einer Bearbeitungsoptik 6 durch das obere Werkstück 2 hindurch in das untere Werkstück 3 nahe der Grenzfläche 5 fokussiert, um dort ein Schmelzvolumen 7 zu erzeugen. Bevorzugt wird ein Ultrakurzpulslaser verwendet, dessen mittlere Leistung zeitlich moduliert wird. Vorzugsweise werden die Bear beitungsparameter so gewählt, dass mit jeder Modulationsperiode ein einzelnes Schmelzvolumen 7 erzeugt wird. Durch die dabei sehr hohen erreichbaren Intensitäten im Fokus F treten im Glas material nichtlineare Absorptionseffekte auf. Bei geeigneten Repetitionsraten des gepulsten Laserstrahls 4 kommt es zu Wärmeakkumulationseffekten im Glasmate rial, wodurch es zu einem lokalen Aufschmelzen des Glasmaterials kommt. Das Schmelzvolumen 7 wird entsprechend so in die Werkstücke 2, 3 gelegt, dass es nahe der Grenzfläche 5 angeordnet ist oder die Grenzfläche 5 umfasst. Beim er neuten Erstarren des vormals aufgeschmolzenen Materials findet eine stoffschlüs sige Verschweißung der Werkstücke 2, 3 statt. Der Laserstrahl 4 wird gemeinsam mit der Bearbeitungsoptik 6 in einer Vorschubrichtung X relativ den Werkstücken 2, 3 bewegt, um in den Werkstücken 2, 3 eine Schweißnaht 8 einzuziehen.

Insbesondere über mehrere Pulse wird die Absorption im unteren Werkstück 3 in Richtung des einfallenden Laserstrahls 4 gezogen, da es dort aufgrund der erhöh ten Temperatur zu einer bevorzugten Absorption kommt. Durch Abschirmung vari iert die longitudinale Position der lokalen Energieeinbringung somit über mehrere Pulse hinweg. Wird der Absorptionsbereich zu weit in den konvergenten Strahl verlagert, bricht die Energieeinbringung ein, und der Vorgang startet, ausgehend vom Fokus F, erneut. Typischerweise führt dies zu modulierten Schweißnähten 8 mit periodischer Signatur.

Liegt die Grenzfläche 5 innerhalb des aufgeschmolzenen Schmelzvolumens 7, kommt es zu einer stoffschlüssigen Verbindung. Gibt es zwischen den zu fügen den Werkstücken 2, 3 einen Spalt 9, wird durch den herrschenden Druck innerhalb der Prozesszone impulsartig Schmelze in den Spalt 9 ausgetrieben. Wird der Spalt 9 zwischen Werkstücken 2, 3 vollständig mit Material gefüllt, sodass die Ab sorption im oberen Werkstück 2 fortgesetzt werden kann, kommt es zu einer stoff schlüssigen Verbindung. Verteilt sich die Schmelze jedoch weitläufig im Spalt 9, kann die Absorption nicht aufrechterhalten werden. Der Spalt 9 wird nicht über brückt, und es kommt zu keiner stoffschlüssigen Verbindung. Die Position und die Größe des Spalts 9 beeinflussen die Festigkeit und die Sichtbarkeit der Schweiß verbindung und wirken sich auch auf die Intensität der während des Prozesses von der Wechselwirkungszone des Laserstrahls 4 im Werkstück 2, 3 emittierten Prozessstrahlung 10 aus. Die Intensität der emittierten Prozessstrahlung 10 erfolgt durch einen bevorzugt koaxial zum Laserstrahl 4 angeordneten Detektor, hier in Form einer Photodiode 11. Alternativ kann der Detektor auch neben der Bearbeitungsoptik 6 oder unter halb der Werkstücke 2, 3 angebracht sein („off-axis“). Statt mit einer Photodiode kann die Detektion der emittierten Prozessstrahlung 10 auch mit einem schnellen Zeilensensor oder einer Kamera erfolgen.

Der Laserstrahl 4 wird mit einem dichroitischen Spiegel 12, der beispielsweise hochreflektierend für die Laserwellenlänge und transmittierend für Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich von 300 bis 800 nm ist, zur Bearbeitungsoptik 6 geführt und im unteren Werkstück 3 kurz unterhalb der Grenzfläche 5 fokussiert. Alternativ kann der dichroitische Spiegel 12 auch transmissiv für die Laserwellen länge und reflektiv für die Prozessstrahlung 10 sein. Statt oder zusätzlich zum sichtbaren Wellenlängenbereich kann die Beobachtung der Prozessstrahlung 10 auch im infraroten Wellenlängenbereich erfolgen. Die dabei von der Prozesszone der Werkstücke 2, 3 emittierte Prozessstrahlung 10 wird mithilfe der Bearbeitungs optik 6 eingefangen und durch den dichroitischen Spiegel 12 aus dem Laserstrah lenstrahlengang ausgekoppelt. Ein optisches Filterelement 13 dient zur Selektion eines gewünschten Wellenlängenbereiches und/oder zur Unterdrückung reflektier ter Laserstrahlung aus der Prozessstrahlung 10. Im Anschluss an das Filterele ment 13 wird die Prozessstrahlung 10, z.B. mit einer Linse 14, auf die Photodiode 11 fokussiert. Mithilfe einer Überwachungseinheit 15 wird der zeitliche Intensitäts verlauf der emittierten Prozessstrahlung 10 für jedes erzeugte Schmelzvolumen auf eine Änderung in der Strahlungsintensität hin ausgewertet, die auf einen über brückten Spalt schließen lässt.

Fign. 2a-2f zeigen exemplarische zeitliche Intensitätsverläufe l(t) der emittierten Prozessstrahlung 10 beim Laserschweißen zweier Werkstücke 2, 3 aus Quarzglas bei verschiedenen Spaltbreiten. Während der Laserbearbeitung wird Prozess strahlung 10 mit einem kontinuierlichen Spektrum emittiert.

Fig. 2a zeigt den Intensitätsverlauf, wenn zwischen den beiden Werkstücken 2, 3 kein Spalt vorhanden ist, die Spaltbreite also 0 pm beträgt.

Fign. 2b-2f zeigen die Intensitätsverläufe für unterschiedliche Spaltbreiten zwi schen 2,5 pm und 9,5 pm. Wird Schmelze in einen Spalt 9 ausgeworfen, verteilt sich das Material im Spalt 9 und kühlt ab. Dies führt dazu, dass die Intensität der Prozessstrahlung 10 zu einem Zeitpunkt t _A einbricht und weniger Laserstrahlung absorbiert wird. Wird der Spalt 9 zwischen Werkstücken 2, 3 vollständig mit Mate rial gefüllt, kann die Absorption im oberen Werkstück 2 fortgesetzt werden, d.h. die Intensität fällt nicht bis auf null ab und steigt erneut an, wodurch der Spalt 9 über brückt wird (Fign. 2a-2e). Bricht hingegen, wie in Fig. 2f gezeigt, die Intensität voll ständig ein und steigt nicht wieder an, wurde der Spalt 9 nicht überbrückt. Vor dem Einbruch der Prozessstrahlung 10 kommt es zu einer kurzen Emissionsspitze bzw. Intensitätsspitze 16.

Anhand des gemessenen Zeitpunkts t _A kann auf die Position des Spalts 9 inner halb des Schmelzvolumens geschlossen werden. Je später der Schmelzauswurf stattfindet, desto höher liegt der Spalt 9 innerhalb des erzeugten Schmelzvolu mens 7. Basierend auf der Tiefe DI des Intensitätsabfalls und der zeitlichen Dauer Dί des Intensitätsabfalls kann zudem die Größe des überbrückten Spalts 9 abge schätzt werden. Je stärker die Intensität einbricht und je länger es dauert, bis die Prozessstrahlung 10 wieder ansteigt, desto größer ist der überbrückte Spalt 9. Ein in Fign. 2d und 2e gezeigter Intensitätsanstieg 17 nach dem Intensitätseinbruch deutet auf einen überbrückten Spalt 9 hin, d.h., die Schweißnaht 8 wird trotz Spalt 9 im oberen Werkstück 2 fortgesetzt. Mithilfe des beschriebenen Verfahrens kann die Qualitätsprüfung von Schweißverbindungen im industriellen Maßstab direkt während der Bearbeitung erfolgen, wodurch eine dem Prozess nachgelagerte, aufwendige manuelle Prüfung entfallen kann.