Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hersteliung einer Schweißverbindung zwischen Materialflanken in einem Fügespalt eines metallischen Werkstücks unter Verwendung eines Schweißstrahlgenerators, mit dem ein Schweißstrahl von einer ersten Seite des metallischen Werkstücks auf den Fügespalt gerichtet wird, um eine vollständige Schweißverbindung der Materialflanken über die gesamte Tiefe des Fügespalts zu erzielen, und einer optischen Erfassungseinrichtung, mit der eine von dem Schweißstrahlgenerator abgewandte Oberfläche des Werkstücks von einer zweiten Seite des Werkstücks abgebildet wird, um optisch ein beim Schwei prozess entstehendes Schmelzbad zu erkennen und mit einer Auswertungsstufe auszuwerten.

Die Erfindung betrifft ferner eine Prozessbeobachtungsvorrichtung zur Verwendung bei der Durchführung des Verfahrens.

Für die Herstellung von Schweißverbindungen in einem Fügespalt eines metallischen Werkstücks ist es bekannt, das Material der Materialflanken des Werkstücks am Fügespalt mittels eines Laserstrahls oder Elektronenstrahls aufzuschmelzen, um beim Erkalten eine materialschlüssige Verbindung der Materialflanken über den Fügespalt hinweg herzustellen. Sofern der Fügespalt nicht ausreichend eng und mit parallelen Flanken herstellbar ist, kann neben dem Schweißen mit einem Schweißstrahl in einem Hybridverfahren ein weiteres Schweißverfahren eingesetzt werden, mit dem insbesondere ein für die Herstellung der Schweißverbindung geeignetes Zusatzmaterial in flüssiger Form in den Fügespalt eingebracht wird.

Die Belastbarkeit der hergestellten Schweißverbindung hängt wesentlich davon ab, dass die Schweißverbindung über die gesamte Höhe der Materialflanken in dem Fügespalt erfolgt ist. Es ist daher erforderlich, den Schweißstrahl genau entlang dem Fügespalt zu führen und darüber hinaus die Energie des Schweißstrahls so einzustellen, dass die geeignete Materialmenge der Materialfianken aufgeschmolzen wird, um die Schweißverbindung der Flanken herzustellen. Ist die Energie des Schweißstrahls zu gering, erfolgt die Schweäß-verbindung nur über einen Teil der Tiefe des Fügespalts - also der Materiaistärke -. Dieser Effekt kann auch eintreten, wenn der Schweißstrahl nicht präzise entlang des Fügespalts geführt wird.

Es ist grundsätzlich bekannt, den Schweißstrahl entlang dem Fügespalt zu führen, indem die Position des Schweißstrahls auf der Seite des Schweißstrahigenerators relativ zum Fügespalt detektiert und ggf. nachgeführt wird. Da sich die bloße optische Beobachtung der Position des Schweißstrahls einerseits und des Fügespalts andererseits nicht als ausreichend herausgestellt hat, sind Verfahren entwickelt worden, um die Qualität des Schweißvorgangs optisch abzuschätzen. Dabei wird von dem Effekt einer Schlüsseilochbildung ("Keyhole") im Schmelzbad durch den einfallenden Schweißstrahl ausgegangen. Der die Energie übertragende Schweißstrahl verursacht im Strahiquerschnitt eine Verdampfung des geschmolzenen Metalls, sodass sich im Schmelzbad innerhalb des Fügespalts ein Kanal ausbildet, in dem sich Metalldampf des geschmolzenen Metalls befindet. Gemäß DE 197 16 293 C2 wird beim Laserschweißen das Keyhole optisch von der Laserseite aus detektiert, um dadurch eine korrekte Fokussierung des Laserstrahls an der Materialoberfläche festzustellen. Ein kleiner Keyhoie-Durchmesser spricht für eine korrekte Fokussierung, während eine Defokussierung zu einer Vergrößerung des Keyholedurchmessers führt. Ferner wird die Größe des Schmelzbads detektiert, insbesondere um Schmelzbadauswürfe (in Form von Spritzern o. ä.) erkennen zu können, die zu Fehlstellen der Schweißverbindung führen können. Die Beobachtung mit einer Kamera erfolgt unter einem Winkel zum Laser-Schweißstrahl, wobei die dabei entstehenden Abbildungsfehler berücksichtigt werden müssen. Es wird ein Kompromiss zwischen der Schärfe des Bildes und der Erfassbarkeit der gesamten Schmelzbadfläche erforderlich.

Durch EP 2 322 312 A1 und US 6,084,205 ist es bekannt, bei einem flächigen Werkstück, das auch als Rohrmantel ausgebildet sein kann, die Abbildung der Laserschweißnaht von der dem Laserstrahl abgewandten Seite des Werkstücks aus vorzunehmen. Dabei wird ebenfalls die Größe des Keyholes detektiert. Allerdings wird wegen der Beobachtung von der dem Schweißlaser abgewandten Seite eine _ _

Mindestgröße des Keyholes als Qualitätsparameter für den Schweißvorgang angesehen. Eine ausreichende Größe des von der Schweißrückseite erkennbaren Keyholes wird als Maßstab dafür angesehen, dass ein Durchschweißen durch die gesamte Materialstärke erfolgt ist. Die optische Erkennung dient somit der Bestimmung der Größe der Keyholefläche. Gemäß EP 2 322 3 2 A1 kann eine Beleuchtung mit einer Plasmaquelle vorgenommen werden. Ferner ist es möglich, den Schweißlaser, der eine Laserleistung von über 15 kW aufweisen kann, mit einer zweiten Wärmequelle, beispielsweise einem Lichtbogen, zu kombinieren.

Die Prozessbeobachtung zur Sicherstellung der Qualität des Schweißvorgangs über die Erkennung der Größe des Keyholes des Schmelzbads ist problematisch, weil sie wegen der geringen Größe des Keyholes erhebliche messtechnische Probleme aufwirft und wesentliche Schweißfehler nicht erkennen kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Qualität der Schweißverbindung bei der Herstellung der Schweißverbindung mit messtechnisch gut erfassbaren Parametern überprüfen und als Regel- oder Steuerungsparameter zur Verfügung zu stellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass mit der optischen Erfassungseinrichtung und der Auswertungsstufe gleichzeitig die Lage des Schmelzbads und die Lage des Fügespalts bestimmt und die relative Lage zueinander als Parameter für die Nachregeiung der Positionierung des Schweißstrahls relativ zum Fügespalt bereit gestellt wird.

Die Erfindung beruht somit auf der Beobachtung der Schweißnahtwurzei auf der dem Schweißstrahlgenerator abgewandten Rückseite des Werkstücks während des Schweißvorgangs. Im Bereich der Schweißnahtwurzel entsteht typischerweise ein ellipsenförmiges Schmelzbad, wenn die Energie des Schweißstrahls für ein Durchschweißen ausreicht. Für die Überprüfung der Schweißquaütät ist es erfindungsgemäß relevant, die Lage des Schmelzbads relativ zum Fügespalt zu bestimmen. Hierfür muss die optische Erfassungseinrichtung geeignet sein, gleich- _ _

zeitig sowohl das Schmelzbad als auch einen Abschnitt des noch nicht bearbeiteten Fügespalts zu erkennen.

Die Lage des Schmelzbads kann in einer bevorzugten Ausführungsform durch die Bestimmung der Längsachse des Schmelzbads erfolgen, wenn das Schmelzbad langgestreckt, beispielsweise ellipsenförmig, ausgebildet ist. Für die Ellipsenform entspricht die Längsachse der Hauptachse.

Zur sicheren optischen Erfassung sowohl des Schmelzbades als auch des sich daran anschließenden noch nicht bearbeiteten Fügespalts ist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine gesonderte Beleuchtung vorgesehen, die auf das Schmelzbad und den noch nicht bearbeiteten Fügespalt gerichtet wird.

Dadurch ist es möglich, die unmittelbare Strahlung des Schweißstrahlgenerators, insbesondere beim Einsatz eines Schweißlasers, für die Auswertung zumindest weitgehend auszublenden, indem für die Beleuchtung und/oder die optische Abtastung ein ausgefilteter Wellenlängenbereich verwendet wird, der einen Abstand zum Wellenlängenbereich des Schweißstrahlgenerators aufweist. Der Schweißstrahlgenerator ist bevorzugt ein Laser.

Für die Bestimmung der Lage des Schweißstrahls relativ zum Fügespalt kann ferner eine Bestimmung des Verhältnisses der Längen der Halbachsen, also der Hauptachse und der Nebenachse, des zumindest angenähert ellipsenförmigen Schmelzbades vorgenommen werden, weil aus Veränderungen des Verhältnisses Schlüsse auf Fehlpositionierungen des Schweißstrahlgenerators relativ zum Füge- spait gezogen werden können, wie dies unten noch näher erläutert wird.

Zur Verminderung des Einflusses von Streulicht und reflektiertem Licht kann es zweckmäßig sein, wenn die Beleuchtung mit einer polarisierten Strahlung erfolgt. Die optische Abtastung kann dann mit einem entsprechenden Polarisationsfilter vorgenommen werden.

In einer besonders bevorzugten konstruktiven Ausbildung der Erfindung wird die gesamte Anordnung aus Kamera und Beleuchtung als ein einziges Modul mit ei- nem einzigen Gehäuse ausgebildet, das auf der dem Schweißstrahlgenerator abgewandten Seite des Werkstücks angeordnet wird. Dabei ist es erforderlich, sowohl für den Beleuchtungsstrahl als auch für den Abtaststrahl in das Gehäuse ein Sichtfenster zu integrieren. Insbesondere das Sichtfenster für den Abtaststrahl zur optischen Erfassungseinrichtung hin sollte so ausgebildet sein, dass eine Geister- bilderzeugung durch eine Reflexion am Glas-Luft-Übergang vermieden wird. Hierfür könnte eine Antireflex-Beschichtung vorgesehen werden. Für den rauen Betrieb an einer Schweißvorrichtung, bei der durchaus Spritzer aus flüssigem Metall entstehen können, wird eine Antireflex-Beschichtung leicht beschädigt.

Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, zumindest das Sichtfenster für die optische Abtastung im Brewster-Winkel zu dem durch das Sichtfenster hindurchtretenden Strahl auszurichten. Insbesondere bei der Verwendung von p-polarisierter Strahlung wird unter dem Brewster-Winkel die Reflexion auf praktisch Null herabgesetzt, sodass eine wenig stabile Antireflex-Beschichtung vermieden werden kann und dennoch keine die Auswertung störenden Geisterbilder entstehen.

In einer weiter bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Kamera ein Objektiv auf, dessen optische Achse geneigt zur Bildebene der Kameras angeordnet wird. Auf diese Weise kann der Schweißbereich von der Kamera beobachtet werden, ohne dass die Kameras in der optischen Achse des Schweißstrahls angeordnet ist. Dabei kann eine Verschwenkung der optischen Achse des Objektivs ohne Einbußen der Abbildungsschärfe erreicht werden, wenn das Objektiv in einer Scheimpfluganordnung (Tiltoptik) verwendet wird. Bekanntlich kann in der

Scheimpfluganordnung, in der die Bildebene gegenüber der Objektivebene ebenfalls um ein vorgegebenes Maß verschwenkt ist, scharf abgebildet werden, wenn sich die Achsen der Objektebene, der Objektivebene und der Bildebene in einer Geraden schneiden. In einer weiter entwickelten Ausführungsform hat es sich bewährt, das Objektiv in einer Tilt-Shift-Anordnung zu verwenden, in der die Objektivebene zusätzlich etwas verschoben ist, um eine verzerrungsfreie Abbildung zu erreichen.

Es ist für den Fachmann erkennbar, dass die oben beschriebene Ausbildung des separaten Moduls und die Ermöglichung der scharfen Abbildung auch bei einer schrägen Betrachtungsachse eine eigene erfinderische Bedeutung haben und auch unabhängig von dem Auswertungsverfahren für das Schmelzbad mit Vorteil realisierbar sind.

Die oben erwähnte Aufgabe wird ferner durch eine Prozessbeobachtungsvornchtung für die Durchführung des Verfahrens gelöst, die zur Anordnung auf einer zweiten Seite eines flächigen Werkstücks, das auf seiner ersten Seite mittels eines auf den Fügespalt gerichteten Schweißstrahls bearbeitet wird, vorgesehen und gekennzeichnet ist durch eine optische Erfassungseinrichtung zur gleichzeitigen Erfassung der Lage eines bei der Schweißbearbeitung auftretenden Schmelzbads sowie des Fügespalts und einer Auswertungsstufe zur Bestimmung der Lage des Schmelzbads relativ zum Fügespalt.

Die Prozessbeobachtungsvornchtung ist dabei aus den oben erwähnten Gründen vorzugsweise mit einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der zweiten Seite des Werkstücks im Bereich des Schweißstrahls und einer Strecke des noch unbearbeiteten Fügespalts ausgebildet.

Weitere Merkmale der Prozessbeobachtungsvornchtung ergeben sich aus der Umsetzung der vorteilhaften Ausführungsformen des obigen Verfahrens und aus den nachstehenden Erläuterungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Anordnung eines Schweißkopfes auf einer ersten

Seite eines Werkstücks sowie einer optischen Abtasteinrichtung in Form einer Kamera und einer Beleuchtungseinrichtung auf der zweiten Seite des Werkstücks;

Figur 2 eine schematische Darstellung der Ausbildung eines Schmelzbads durch einen unter einem Winkel zu einem Fügespalt einfallenden Schweißstrahl; Figur 2a eine schematische Darstellung der Ausbildung eines Schmelzbads bei einem im Winkel verlaufenden Fügespalt und einem nicht kongruent verlaufenden Schweißstrahl;

Figur 2b eine schematische Draufsicht auf die zweite Seite des Werkstücks bei Ausbildung eines ellipsenförmigen Schmelzbads für eine ordnungsgemäße Verschweißung;

Figur 3 eine schematische Darstellung einer Regelung der Positionierung des Schweißkopfes durch Feststellung der Lage der Hauptachse des ellipsenförmigen Schmelzbades relativ zum Fügespalt;

Figur 4 eine schematische Darstellung der Regelung der Schweißenergie in

Abhängigkeit von gemessenen Solllängen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbades;

Figur 5 die Ausbildung der Kamera und der Beleuchtung gemäß Figur 1 als ein Prozessbeobachtungsmodul;

Figur 6 die Ausbildung eines ellipsenförmigen Schmelzbades bei über die

Länge des Fügespalts korrekt ausgeführter Schweißung;

Figur 7 eine Darstellung von drei Abbildungen des detektierten Schmelzbads bei abnehmender Schweißstrahlleistung;

Figur 8 Abbildungen des detektierten Schmelzbads bei einer zunehmenden

Depositionierung des Schmelzbads relativ zum Fügespalt.

Figur 1 zeigt schematisch eine Anordnung zur Herstellung einer Schweißverbindung an einem Werkstück 1, das aus zwei Teilstücken besteht, die über eine Fügenaht 2 miteinander verschweißt werden sollen. Hierzu ist auf einer ersten Seite des Werkstücks 1 ein Schweißkopf 3 angeordnet, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Schweißlaser enthält und somit einen Schweißstrahl 4 in Form eines Laserstrahls aussendet.

Zur Prozessbeobachtung dient eine optische Abtasteinrichtung in Form einer Kamera 5, deren Abtaststrahl 6 in einem Winkel zur Achse des Schweißstrahls 4 steht.

Die optische Abtastung wird dadurch erleichtert, dass unter einem entsprechenden Winkel ein Beleuchtungsstrahi 7 einer Beleuchtungsvorrichtung 8 auf die zweite Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 gerichtet wird. Kamera 5 und Beleuch- tungsvorrichtung 8 befinden sich daher auf der zweiten Seite des Werkstücks 1 , die der ersten Seite, auf der sich der Schweißkopf 3 befindet, gegenüberliegt.

In der Schweißbearbeitung mittels Laser- oder Elektronenstrahls werden aufgrund eines relativ hohen Aspektverhältnisses (Nahttiefe oder Einschweißtiefe zu Nahtbreite) hohe Anforderungen an die Positioniergenauigkeit gestellt, insbesondere beim Fügen hoher Materialstärken. Eine Ausrichtung bzw. Positionierung der Schweißstrahlung entlang von Merkmalen auf der Oberseite des Werkstücks 1 ist nicht hinreichend, um eine zuverlässige Anbindung über die gesamte Dicke des Materials zu gewährleisten. Insbesondere treten Flankenbindefehler speziell im Bereich der Nahtwurzel auf.

Dies wird anhand der Figur 2 verdeutlicht. Sie zeigt schematisch eine Fehlausrichtung bezüglich des Einstrahlwinkels des Schweißstrahls. Dargestellt ist daher ein Ausschnitt des Werkstücks 1 im Bereich des Fügespalts 2, der durch zwei parallele Materialflanken 9 begrenzt wird. Die ideale Einfallrichtung für einen Schweißstrahl 4 verliefe in der Mittenebene ME des Fügespalts. Dargestellt ist ein einfallender Schweißstrahl 4, der einen Winkel α mit der Mittenebene ME bildet. Da der Schweißstrahl 4 geradlinig durch das Material des Werkstücks 1 verläuft, bildet sich ein Schmelzbad 10 aus, das mit zunehmender Werkstücktiefe eine unsymmetrische Ausbildung erfährt. Wenn der Schweißstrahl 4 - wie angestrebt - auf die Mitte des Fügespalts 2 auf der ersten Oberseite des Werkstücks 1 justiert wird, bildet sich auf der ersten Seite eine Form des Schmelzbads 10 aus, die eine fehlerfreie Verschweißung für eine Beobachtung auf der ersten Seite des Werkstücks 1 vorspiegelt. Mit zunehmender Tiefe bildet sich das Schmelzbad 10 hingegen in _g

verjüngter Form mit einem zunehmenden Abstand vom Fügespalt 2 aus, wie dies in Figur 2 schematisch dargestellt ist. Demgemäß ist von der zweiten Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 das Schmelzbad 10 zu erkennen, wenn der Schweißstrahl 4 stark genug ist, um eine Durchschweißung bis zur zweiten Oberfläche (Rückseite) des Werkstücks 1 zu gewährleisten. Eine Prozessbeobachtung auf der Werkstückrückseite, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, würde unter Auswertung der Schmelzbadgröße und der Größe des Keyholes eine ordnungsgemäße Verschweißung anzeigen, obwohl die Verschweißung am unteren (zur zweiten Oberfläche hin gerichteten) Ende des Fügespaits nicht ordnungsgemäß erfolgt ist. Vielmehr hat nur eine Einschweißung in den Fügespait 2 stattgefunden.

Bereits eine leichte Fehlausrichtung (Verkippung) der Achse des Schweißstrahls 4 kann daher zu ungenügenden Schweißergebnissen führen. Die Ursachen einer Fehlausrichtung der Achse des Schweißstrahls können beispielsweise Formtoleranzen der Blechkanten oder bereits kleine Winkelfehler der Schweißstrahlachse bezogen auf die Flanken des Werkstücks 1 im Fügespalt 2 sein, die trotz einer exakten Ausrichtung und Positionierung des Schweißkopfes 3 entlang von Merkmalen auf der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Schweißnaht zur Folge haben.

Unabhängig von einem Winkeifehler bzw. der Positionierung des Schweißstrahls 4 können neben einer Verkippung der Achse des Schweißstrahls weiterhin Winkel durch die Werkstückkantenqualität bzw. den Werkstückkantenzustand resultieren, sodass trotz einer exakten Ausrichtung und Positionierung entlang von Merkmalen an der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Verbindung auftreten können, weil relative Verkippungen zwischen den Fügekanten und der Strahlachse auftreten, wie dies in Figur 2a verdeutlicht ist. Diese Situation gilt entsprechend generell für alle nicht planen Kantenqualitäten, die keinen abschließenden Fräsbearbeitungen unterzogen wurden. Bei Blechdicken bis zu 12 mm werden häufig keine gefrästen Kanten, sondern Schiagscherenschnitte, Plasma- oder Laserstrahlschnitte eingesetzt, bei denen Fügekanten ohne Planheit resultieren. Bei größeren Materialstärken werden vorrangig Säge-, Plasma-, Laserstrahl- oder Wasserstrahlschnitte eingesetzt. Mit zunehmender Blechdicke resultieren gerin- _{1 Q}

gere Kantenqualitäten bezüglich der Planarität und/oder der Rauheit der Fügekanten, sodass in Abhängigkeit vom Anwendungsfall kostenintensive Fräsprozesse erforderlich sein können. Eine ähnliche Situation bezüglich unterschiedlicher, nicht planer Fügekanten resultiert beispielsweise nach einer Rohreinformung bei längsnahtgeschweißten Rohren.

Weiterhin ist bei manchen Anwendungen bauteilbedingt keine senkrechte Einstrahlung des Laserstrahls möglich, sodass eine definierte Verkippung der Strahlachse erforderlich ist, deren Ausführung an die vorhandene Fügekantengeometrie angepasst werden muss, sodass eine exakte Ausrichtung und Positionierung entlang von Merkmalen an der Werkstückoberseite Flankenbindefehler im Wurzelbereich der Verbindung zur Folge haben können.

Neben Fehlpositionierungen, Verkippungen und winkelbehafteten Fügekantenzu- ständen können weiterhin Schwankungen der Streckenenergie, also der Energie des Schweißstrahls 4, zu unterschiedlich tiefen Ein- bzw. Durchschweißungen führen. Bei einer abnehmenden Streckenenergie wird die Einschweißtiefe reduziert, sodass eine ungenügende Durchschweißung resultieren kann. Durch eine zunehmende Streckenenergie wird eine größere Schweißnahtwurzel ausgebildet, die hinsichtlich der Bewertung der Schweißnahtqualität neben einer zu großen Wurzelüberhöhung auch zu einer Nahtunterwölbung führen kann. Schwankungen der Streckenenergie können beispielsweise in einer variierenden, emittierten Ausgangsleistung der Strahlung der Schweißstrahlquelle sowie in einer veränderten Vorschubgeschwindigkeit eines Roboter- oder Achssystems begründet liegen.

Durch das erfindungsgemäße wurzelseitige Prozessbeobachtungssystem kann eine abnehmende Einschweißtiefe ermittelt werden, wie nachfolgend noch dargestellt wird.

Neben einer variierenden Streckenenergie können auch veränderte Werkstückbedingungen, wie beispielsweise Variationen der Materialdicke, der Werkstückgeometrie oder der chemischen Zusammensetzung, eine Veränderung der Einschweißtiefe zur Folge haben. Durch die vorliegende Erfindung kann eine homogene Wurzelausbildung sichergestellt werden, die zentral im Fügespalt 2 positioniert ist und eine gleichmäßige Wurzelüberhöhung bzw. -ausprägung zur Folge hat. Wetterhin wird eine vollständige Flankenerfassung durch die Schweißnaht sichergestellt, also das Auftreten von Flankenbindefehlern vermieden.

Durch eine Beobachtung der Schweißnahtwurzelposition in Relation zum Fügespalt kann die oben beschriebene Fehlausrichtung bzw. -positionierung während des Schweißprozesses detektiert werden.

Wie Figur 2a verdeutlicht ist bei einer ordnungsgemäßen Verschweißung auf der zweiten Seite des Werkstücks 1 typischerweise ein ellipsenförmiges Schmelzbad 10 detektierbar, das symmetrisch zum Fügespalt 2 entsteht, wobei die Hauptachse HA der Ellipse des Schmelzbads 10 mit der Mittenebene ME das Fügespalts 2 zusammenfällt. Eine detektierte seitliche Abweichung zeigt somit eine nicht mehr ordnungsgemäße Verschweißung an. Die Hauptachse HA setzt sich aus den großen Halbachsen, die senkrecht dazu stehende Nebenachse NA aus den kleinen Halbachsen zusammen, wie aus der Geometrie der Ellipse dem Fachmann bekannt ist. Die Hauptachse HA entspricht der Längsachse des Schmelzbads 10, die für langgestreckte Schmelzbadformen bestimmbar ist, die von der Ellipsenform abweichen.

Die erfindungsgemäße Detektion ist mit einem kamerabasierten Beobachtungssystem als regelungsfähiges System umsetzbar. Die Fehlausrichtung bzw. die Positionsabweichung der Strahlachse relativ zum Fügespalt wird über die Position der Hauptachse der ellipsenförmigen Geometrie des Schmelzbades 10 relativ zum Fügespalt 2 erfasst und über Bewegungen eines Roboter-/Achssystems ausgeglichen. Eine schematische Darstellung dieses Regelvorgangs ist in Figur 3 dargestellt. Ais Führungsgröße des Regelvorganges dient die Feststellung der Lage der Hauptachse des ellipsenförmigen Schmelzbades zum Fügespalt. Wird aufgrund einer Störgröße in der Regelstrecke eine Abweichung festgestellt, kann eine entsprechende Steuerung des Robotersystems oder Achssystems für den Schweißkopf 3 wirksam werden, um die Regelabweichung zu eliminieren. Für die Regelung der Durchschweißung werden die Längen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbades erfasst und die Regelung kann durch Anpassung der Strahlleistung des Schweißstrahlgenerators erfolgen. Die entsprechende Regelung ist in Figur 4 schematisch dargestellt. Die Führungsgrößen sind die Solllängen der Halbachsen des ellipsenförmigen Schmelzbads. Führt eine Störgröße in der Regelstrecke zu einer Regelabweichung, kann die Steuerspannung der Schweißstrahlquelle, insbesondere Laserstrahlquelle als Stellgröße dienen, um die Regelabweichung zu eliminieren.

Zur Detektion der beschriebenen Abweichungen ergeben sich für die Prozessbeobachtung Anforderungen an die mittels der Kamera 5 zu erfassenden Informationen. Hierzu gehören der Austrittspunkt des Laserstrahls an der Unterseite (zweiten Seite) des Werkstücks 1 , die Lage des Fügespalts 2 zwischen den Materialflanken 9 im noch ungefügten Bereich der Teile des Werkstücks 1. Erfasst wird ferner die Schweißnahtwurzel, also der Verlauf der ausgehärteten Schweißnaht auf der Unterseite des Werkstücks 1.

In Abhängigkeit von der Schmelzbadausprägung werden bezüglich der Bildfeldgröße Breiten zwischen 5 und 20 mm erwartet. Hinsichtlich einer Prozessregelung sind aufgrund einer relativen trägen Reaktion des Material sowie einer Ermögii- chung der Merkmaiserfassung über verhältnismäßig wenige Punkte bereits Bildraten von 50 fps und Auflösungen um 640 x 480 ausreichend, um die beschriebenen Merkmale und relevanten Störungen detektieren zu können. Optional können höhere Bildraten und/oder Auflösungen verwendet werden, beispielsweise wenn höhere Biidfeldgrößen infolge zunehmender Schmelzbad-ausprägungen erforderlich sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Prozessbeobachtungsvorrichtung als ein Modul in einem robusten Gehäuse ausgeführt. Die Prozessbeobachtungsvorrichtung muss nämlich robust gegen Prozessemissionen in Form von Rauch, Dampf, Schweißspritzern und elektromagnetischer Strahlung sein. Zum Schutz vor diesen Prozessemissionen wird das Prozessbeobachtungssystem, gegebenenfalls einschließlich des Regelungssystems, in einem Gehäuse 11 implementiert, wie es in Figur 5 schematisch dargestellt ist. Das Gehäuse weist integrierte Sichtfenster 12 auf, durch die der Beieuchtungsstrahl 8 aus dem Innenraum des Gehäuses 11 austreten und der Abtaststrahl 6 in den Innenraum des Gehäuses 11 eintreten kann. Wie Figur 5 erkennen lässt, wird der Beieuchtungsstrahl 8 von der Beieuchtungsvorrichtung 7 gegen einen Umlenkspiegel 13 gerichtet und tritt nach der Umlenkung durch das zugehörige Sichtfenster 12 aus. Der Abtaststrahl 6 tritt durch sein zugehöriges Sichtfenster 12 in das Gehäuse 11 ein und gelangt auf eine Anordnung aus drei Umlenkspiegeln 14, durch die der Abtaststrahl 6 in ein Objektiv 15 gelenkt wird, das mit einer Tilt- und einer Shift-Vorrichtung versehen ist, um als Tilt-Shift-Objektiv eine modifizierte Scheimpflug-Bedingung zu erfüllen. Zwischen dem Objektiv 15 und der Kamera 5 ist eine Filterkassette 16 für ein Polarisationsfilter angeordnet. Das Polarisationsfilter der Filterkassette 16 entspricht der Polarisation des von der Beleuchtungsvorrichtung 7 ausgesandten Beobachtungsstrahls, der vorzugsweise p-polarisiert ist.

Die Anordnung der justierbaren Spiegel ermöglicht eine Umlenkung der Strahlengänge von Kamera 5 und Beleuchtungsvorrichtung 7 zu einer kompakten Anordnung. Aufgrund einer kompakteren Bauform der Beleuchtungsvorrichtung sowie der Kamera ist auch eine direkte Beleuchtung ohne Umlenkung möglich. Zur Beleuchtung der Beobachtungszone auf der zweiten Seite (Unterseite) des Werkstücks 1 wird optional eine Lichtquelle, beispielsweise eine Helium-Neon- oder Dioden-Laserstrahlquelle eingesetzt.

Da Sichtfenster 12 durch Teilreflexionen zu sogenannten Geisterbiidern führen können, muss die Reflektivität des beobachtungsseitigen Sichtfensters 12 reduziert werden. Üblicherweise werden zu diesem Zweck Antireflex-Beschichtungen auf die Glasoberflächen aufgebracht. Solche Oberflächenvergütungen sind jedoch anfällig gegenüber Schweißspritzern sowie -rauchen und können bei manueller Reinigung beschädigt werden. Erfindungsgemäß werden die Geisterbiider vermieden, indem die Fenster im sogenannten Brewster-Winkel angeordnet werden und die Beleuchtungsstrahlung mit einem Polarisationsfilter p-polarisiert wird. Im Brewster-Winkel hat die Reflektivität für p-polarisierte Strahlung ein Minimum mit dem theoretischen Wert Null. Durch die nicht erforderliche Oberflächenvergütung wird eine längere Standzeit der Sichtfenster 12 erreicht und die Sichtfenster können bei Bedarf kostengünstig, weil ohne Oberflächenvergütung, ausgetauscht werden.

Mögliche Ausführungen der Prozessbeobachtungsvorrichtung sowie von Versuchsanordnungen sind in den nachfolgenden Beispielen erläutert.

Beispiel 1

Für die Durchführung von Versuchen wurde eine Kamera des Herstellers Imaging Source vom Typ DFM 22BUC03-ML eingesetzt. Die Beobachtungskamera 5 wurde mit einem Objektiv der Firma Nikon vom Typ PC-E Micro-Nikkor Tilt-Shift- Objektiv- 85 mm - F/2.8 kombiniert. Die Kamera hat eine Auflösung von 640 x 80 und eine Bildrate von 76 fps. Das Objektiv hat eine maximale Vergrößerung von 1 :2 und eine Naheinstellgrenze von 390 nm.

In der Filterkassette 16 ist ein Bandpassfilter eingesetzt worden, das eine Wellenlängencharakteristik (CWL = 660 nm ± 2 nm; FWHM = 10 nm ± 2 nm) aufweist, die eine vollständige Transmission für Wellenlängen mit einer Ausprägung von 660 nm ± 2 nm erlaubt.

Als Beleuchtungsvorrichtung wurde eine Laserdiode mit einer maximalen Ausgangsleistung von 55 mW und einer Wellenlänge von 659 nm als optionales Beleuchtungsmodul eingesetzt.

Beispiel 2

Für die Schweißuntersuchungen wurde als Strahlquelle eine diodengepumpte Festkörperscheibenlaser-Strahlquelle der TRUMPF Laser- und Systemtechnik GmbH vom Typ TruDisk 16002 eingesetzt. Mit Ausgangsleistungen von bis zu 16 kW am Werkstück 1 und einer hohen Strahlqualität von 8 mmomrad ist diese Laserquelle sowohl zum Schweißen als auch zum Schneiden von Metallen geeignet. Die Ausgangs-Wellenlänge beträgt 1.030 nm.

Die Scheibenlaser-Strahlquelle verbindet die Vorteile einer Festkörperlaser-Strahlquelle mit denen einer Diodenlaser-Strahlquelle. Energieeffiziente Diodenlaser- _

- 5 -

Strahlquelien liefern als Pumpquelle die Anregungsenergie und sorgen für einen hohen Wirkungsgrad, während die Scheibe als Festkörperlaser die hohe Strahlqualität bedingt.

Weiterhin sind aufgrund der hohen Strahlqualität große Arbeitsabstände realisierbar. Die Laserstrahfquelle ist mit mehreren Lichtleitfasern ausgestattet und kann aufgrund einer fasergeführten Strahlführung flexibel in Fertigungslinien integriert sowie mit Industrierobotern oder anderen Handhabungssystemen kombiniert werden.

Bei den durchgeführten Schweißuntersuchungen ist der Laserstrahl über einen Lichtweifenleiter mit einem Faserdurchmesser von 200 pm zur wassergekühlten Laserstrahlschweißoptik geführt worden.

Beispiel 3

Als Laserstrahlschweißoptik wurde ein Bearbeitungskopf der TRUMPF Laser GmbH mit einem starren, linsenbasierten Strahlformungssystem eingesetzt. Der Bearbeitungskopf besteht im Wesentlichen aus einer Faseraufnahme für den Lichtwellenleiter, einem Kollimator (Koilimationsbrennweite 200 mm), einer Fokus- sierung (Fokussierbrennweite 200 mm), einer Schutzglasaufnahme sowie einem Crossjetmodul.

Aus dem verwendeten Lichtwellenleiter mit einem Faserdurchmesser von 200 pm resultiert in Kombination mit der verwendeten Laserstrahloptik (Abbildungsverhältnis von 1 :1) ein Fokusdurchmesser von 200 pm.

Beispiel 4

Der Laserstrahlbearbeitungskopf wurde an einem sechsachsigen Roboter der KUKA Roboter GmbH vom Typ KR 60 HA montiert. Mittels spezieller Getriebe, genauer Vermessung und einer hohen Steifigkeit der Mechanik erreicht der KR 60 HA eine hohe Positioniergenauigkeit, mit Punktwiederholgenauigkeiten von ±0,05 _{1 f} ,

mm und linearen Bahnwiederholgenauigkeiten von +0,16 mm. Hinsichtlich der hohen Torsions- und Biegefestigkeit weist dieser Typ eine CAD- und FEM-optimierte Struktur auf, woraus eine hohe Steifigkeit der Mechanik resultiert, die eine hohe Prozessgenauigkeit auch bei Kontakt gewährleistet.

Beispiel 5

Für die exemplarisch vorgestellten Schweißuntersuchungen zur prototypischen Demonstration der Funktionalität wurden Werkstückbleche der Stahlgüte S700MC eingesetzt. Die Schweißproben wiesen eine Blechdicke von 7 mm, eine Länge von 300 mm und eine Breite 120 mm auf.

Beispiel 6

Für den Laserstrahlschweißprozess der Schweißuntersuchungen zur prototypischen Funktionalitätsdemonstration wurden eine Laserstrahlleistung von 4 kW, eine Vorschubgeschwindigkeit von 1 m/min sowie eine Fokuslage des Laserstrahls auf der Blechoberseite (Werkstückoberseite) eingesetzt.

Beispiel 7

Figur 6 zeigt als Referenz exemplarische Prozessbeobachtungsaufnahmen eines Schweißprozesses, der ohne Störungen korrekt abläuft. Dargestellt sind Aufnahmen der Prozesszone an der Werkstückunterseite zu verschiedenen Zeitpunkten sowie die zugehörige Schweißnahtwurzel.

Mittels des wurzelseitigen Prozessbeobachtungs- und Regelungsmoduis kann eine Durchschweißung deutlich detektiert werden. Bei gleichbleibenden Schweißparametern und Werkstückbedingungen (Schwankungen bzw. Toleranzen der Materialstärke und Werkstückgeometrie, lokale Unterschiede bezüglich der chemischen Werkstoffzusammensetzung) weist die ellipsenförmige Geometrie des Schmeizbads 10 über die Dauer der Schweißprozesses (Position a), Position b) und Position c)) keine Änderungen auf. Demgemäß zeigen die Aufnahmen für die Positionen a), b) und c) übereinstimmende Ausbildungen des Schmelzbades 10. Beispiel 8

Figur 7 zeigt demgegenüber wurzelseitige Aufnahmen, die für eine Schweißverbindung mit abnehmender Laserleistung durchgeführt worden sind. Die Laserleistung ist gemäß der oben rechts dargestellten Kurvenfigur 7 zunächst konstant gehalten und wird dann linear mit einer Rampenform abgesenkt. Während an Position a) die volle Laserleistung wirksam ist, wurde die Position b) eine verringerte und für die Position c) eine noch weiter verringerte Laserleistung angewendet.

Infolge der abnehmenden Laserstrahlleistung nimmt die Wurzelüberhöhung ab und geht in Wurzelrückfall über. Bei einer weiteren Reduzierung der Strahlleistung wird die zum Durchschweißen notwendige Streckenenergie unterschritten und lediglich eine Einschweißung erzielt, wodurch der untere Bereich der Materiaiflan- ken 9 im Wurzelbereich nicht erfasst wird. Die Aufnahmen der Positionen a), b) und c) zeigen eine Abhängigkeit zwischen der Größe der Ausbildung der ellipsenförmigen Schmelzbadgeometrie sowie der Laserstrahlletstung, sodass anhand der Aufnahmen eine Veränderung der Prozessbedingungen festgestellt werden kann. Neben einer abnehmenden Laserstrahlleistung können aber auch eine steigende Vorschubgeschwindigkeit oder eine Zunahme der Materialstärke Streckenenergieänderungen in dieser Form verursachen.

Beispiel 9

Es wurde ein Schweißversuch durchgeführt, bei dem zu Prozessbeginn eine exakte Positionierung des Schweißstrahls 5 bezüglich des Fügespalts 2 vorliegt. Über eine Verbindungslänge des Fügespalts wird eine zunehmende lineare Depo- sitionierung durchgeführt, sodass zum Verbindungsende der Wurzelbereich der Schweißnaht seitlich neben dem Fügespait 2 versetzt positioniert ist.

Figur 8 verdeutlicht die zunehmende lineare Abweichung in den Positionen a), b) und c).

Aufgrund der zu großen Depositionierung werden zum Schweißnahtende hin die im Stoß positionierten Werkstückkanten der fixierten Fügepartner nicht mehr er- fasst, sodass eine mangelnde Anbindung mit Flankenbindefehlern resultiert bzw. keine Anbindung vorliegt. Die Prozessbeobachtungsaufnahmen a, b und c zeigen eine Streckung der ellipsenförmigen Geometrie des Schmelzbades 10, wenn der Fügespalt 2 nicht mehr erfasst wird, sodass anhand der Aufnahmen eine Veränderung der Prozessbedingungen festgestellt werden kann. Die Streckung des ellipsenförmigen Schmelzbades nimmt mit zunehmender Depositionierung zu. Die laterale Abweichung ist deutlich zu erfassen.

Die durchgeführten Beispiele dienen der Veranschaulichung der Erfindung, ohne dass eine Einschränkung auf die durchgeführten Beispiele beabsichtigt ist. Die Erfindung kann für unterschiedliche metallische Werkstoffe, beispielsweise weitere Stahl Werkstoffe, Aluminium- oder Kupferlegierungen verwendet werden. Sie ist für unterschiedliche Materialstärken (vom Dünn- zum Dickblechbereich) verwendbar. Die Beschreibung für ebene Werkstückgeometrien schließt ebenso die Verwendung von gebogenen flächigen Geometrien, beispielsweise für Rohre, ein. In diesem Fall können die Werkstückbearbeitung mit der Schweißvorrichtung von der Rohraußenseite und die Prozessbeobachtung von der Rohrinnenseite aus erfolgen, um beispielsweise die Qualität einer Rohrlängsnaht sicher zu stellen. Selbstverständlich können auch andere Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Ebenso ist die Erfindung für Elektronenstrahlschweiß- verfahren verwendbar.

Die Strahlschweißverfahren können dabei auch mit anderen Schweißverfahren kombiniert werden (Hybrid-Schweißen), insbesondere um ggf. Zusatzwerkstoffe in die Schweißnaht einzubringen.

Die Auswertung der Größe und Ausprägung des Schmelzbades 0 ermöglicht eine Prozessbeobachtung, die weitgehend unabhängig von eingesetzten Materialstärken und Werkstoffen ist. Infolge eines höheren aufgeschmolzenen Werkstoffvolumens weisen die Schweißnahtwurzeln dickerer Werkstücke größere Dimensionen auf, ohne jedoch ihre geometrische Grundform zu verändern.

Ferner ist es erfindungsgemäß möglich, auch Werkstückteile unterschiedlicher _g

Materialien zu einem Werkstück 1 zu verbinden, sofern die Materialien für eine Schweißverbindung verträglich sind.