Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Schweißlaserstrahls, welcher zur Ausbildung einer Schweißnaht mit den Werkstücken in einem Wechselwirkungsbereich wechselwirkt.

Weiter betrifft die Erfindung eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Schweißlaserstrahls, welcher zur Ausbildung einer Schweißnaht mit den Werkstücken in einem Wechselwirkungsbereich wechselwirkt.

Weiter betrifft die Erfindung eine Laserschweißvorrichtung zur Durchführung eines Laserschweißprozesses zum Verschweißen zweier Werkstücke mittels eines Schweißlaserstrahls, welcher zur Ausbildung einer Schweißnaht mit den Werkstücken in einem Wechselwirkungsbereich wechselwirkt.

Aus der DE 10 2019 006 282 Al ist ein Verfahren zur Prozessbewertung beim Laserstrahlschweißen eines oberen Fügepartners mit mindestens einem unteren Fügepartner bekannt, wobei mittels optischer Kohärenztomografie Höheninformationen in einem sich durch das Laserstrahlschweißen bildenden Keyhole und/oder in einem Umgebungsbereich des Keyholes ausgewertet werden und wobei Höheninformationssignale der optischen Kohärenztomografie ausgewertet werden, die einer Oberseite des mindestens einen unteren Fügepartners zuzuordnen sind.

Aus der EP 0 573 474 Bl ist ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung bekannt, bei dem der Bearbeitungsprozess, insbesondere die Einschweißtiefe oder der Durchschweißgrad überwacht wird, indem aus einem nicht abschirmenden, laserinduzierten Plasma oder Dampf herrührende optische und/oder akustische Signale detektiert werden, die einer Frequenzanalyse unterworfen werden, auf deren Ergebnis eine vorbestimmte Rechenfunktion zur Ermittlung einer Bewertungsgröße angewendet wird. Die mittleren Amplituden zweier unterschiedlicher Frequenzbänder der analysierten Frequenzen werden mit der vorbestimmten Rechenfunktion zur Ermittlung der Bewertungsgröße verwendet.

Aus der US 2020/0198050 Al ist ein Bearbeitungsverfahren für ein Werkstück bekannt, wobei zur Materialbearbeitung ein Prozessstrahl auf das Werkstück gerichtet wird und wobei eine Überwachung der Materialbearbeitung mittels eines auf das Werkstück gerichteten Bildgebungsstrahls erfolgt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eingangs genanntes Verfahren zur Überwachung eines Laserschweißprozesses bereitzustellen, mittels welchem Durchschweißungen mit erhöhter Zuverlässigkeit detektierbar sind.

Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Überwachung des Laserschweißprozesses während des Laserschweißprozesses ein Messstrahl eines optischen Kohärenztomographen zur Erfassung von Messwerten auf den Wechselwirkungsbereich gerichtet wird, wobei der Messstrahl im Fall einer Durchschweißung der Werkstücke die Werkstücke in dem Wechselwirkungsbereich zumindest teilweise durchdringt und der die Werkstücke durchdringende Messstrahl auf ein zu den Werkstücken beabstandetes Referenzelement trifft, ein erster Messwertebereich definiert wird, welcher einer Detektion eines Materials der Werkstücke durch den Messstrahl in dem Wechselwirkungsbereich zugeordnet ist, ein zweiter Messwertebereich definiert wird, welcher einer Detektion des Referenzelements durch den Messstrahl zugeordnet ist, und während dem Laserschweißprozess erfasste Messwerte ausgewertet werden, wobei ein Verhältnis einer Anzahl von in dem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in dem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten gebildet wird und/oder wobei eine jeweilige Varianz von in dem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in dem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten ermittelt wird.

Während des Laserschweißprozesses wird mittels dem Schweißlaserstrahl an den Werkstücken in dem Wechselwirkungsbereich eine Dampfkapillare ausgebildet. Eine Durchschweißung der Werkstücke kann aus technischer Sicht sowohl bei geöffneter als auch bei geschlossener Dampfkapillare erfolgen.

Vorliegend ist, falls nicht anders angegeben, unter einer Durchschweißung grundsätzlich eine Durchschweißung der Werkstücke bei geöffneter Dampfkapillare zu verstehen. Insbesondere ist hierunter eine Durchschweißung zu verstehen, welche bei geöffneter Dampfkapillare ausgebildet wurde oder ausgebildet wird.

Mittels dem erfindungsgemäßen Verfahren und/oder den erfindungsgemäßen Vorrichtungen lassen sich insbesondere Durchschweißungen der Werkstücke bei geöffneter Dampfkapillare detektieren. Insbesondere lässt sich ein Öffnungszustand der Dampfkapillare bei der Ausbildung der Schweißnaht detektieren und/oder bewerten.

Unter einer geöffneten Dampfkapillare ist zu verstehen, dass sich die Dampfkapillare derart durch die Werkstücke erstreckt, dass der Messstrahl eine Kombination der zu verschweißenden Werkstücke durchdringen kann, d.h. dass er insbesondere an einer ersten Seite der Kombination in die Dampfkapillare eintritt und an einer zu der ersten Seite beabstandeten zweiten Seite der Kombination aus der Dampfkapillare zumindest teilweise wieder austritt.

Mittels dem Referenzelement werden im Fall von Durchschweißungen mit geöffneter Dampfkapillare bei Ausbildung der Schweißnaht eindeutig zuordenbare Messwerte generiert. Auf Grundlage dieser Messwerte kann daher zuverlässig ermittelt werden, ob Durchschweißungen an der Schweißnaht vorliegen. Insbesondere kann auf Grundlage dieser Messwerte auch eine räumliche Dichte von Durchschweißungen an der ausgebildeten Schweißnaht zuverlässig ermittelt werden. Auf Basis dieser Dichte von Durchschweißungen an der Schweißnaht lässt sich beispielsweise deren Fluiddichtigkeit bewerten, wobei eine höhere Anzahl und/oder höhere Dichte von Durchschweißungen auf eine höhere Fluiddichtigkeit schließen lässt. Die Fluiddichtigkeit von Schweißverbindungen kann beispielsweise bei der Herstellung von Brennstoffzellen relevant sein. Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion von Durchschweißungen bei dem Laserschweißprozess geeignet und insbesondere zur Ermittlung einer räumlichen Anzahl und/oder Dichte von Durchschweißungen an einer ausgebildeten Schweißnaht.

Das Referenzelement ist insbesondere ein von den Werkstücken unabhängiges Element und insbesondere unabhängig von einer Anordnung und/oder Ausgestaltung der Werkstücke. Insbesondere ist das Referenzelement nicht Teil des Werkstücks und/oder nicht mit dem Werkstück verbunden und/oder nicht an dem Werkstück angeordnet.

Vorzugsweise ist das Referenzelement an einer Halteeinrichtung, an welcher die Werkstücke zur Durchführung des Laserschweißprozesses angeordnet sind, angeordnet und/oder ausgebildet.

Insbesondere ist unter dem Wechselwirkungsbereich ein Bereich zu verstehen, in welchem der Schweißlaserstrahl bei Durchführung des Laserschweißprozesses auf ein Material der Werkstücke trifft, und/oder in welchem eine Wechselwirkung des Schweißlaserstrahls mit einem Material der Werkstücke stattfindet, wobei das Material mittels dem Laserstrahl insbesondere erwärmt und/oder aufgeschmolzen wird.

Insbesondere bestehen die Werkstücke aus einem für eine Wellenlänge des Schweißlaserstrahls opaken und/oder intransparenten Material. Insbesondere wird der Schweißlaserstrahl von den Werkstücken in dem Wechselwirkungsbereich absorbiert.

Unter einem zumindest teilweisen Durchdringen der Werkstücke durch den Messstrahl ist insbesondere zu verstehen, dass der Messstrahl zumindest teilweise durch eine Kombination der zu verschweißenden Werkstücke transmittiert wird.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die mittels dem Messstrahl erfassten Messwerte während dem Laserschweißprozess erfasst und/oder ausgewertet werden. Es ist grundsätzlich auch möglich, dass die Auswertung von während dem Laserschweißprozess erfassten Messwerten zu einem späteren Zeitpunkt, beispielsweise nach Abschluss des Laserschweißprozesses, erfolgt.

Günstig kann es sein, wenn mittels dem Messstrahl des optischen Kohärenztomographen während dem Laserschweißprozess Messwerte mit einer Frequenz von mindestens 200 kHz und/oder höchstens 300 kHz erfasst werden. Es lässt sich dadurch Schweißnaht mit einer hohen räumlichen Auflösung überwachen und insbesondere auf Durchschweißungen überwachen.

Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn mittels dem Messstrahl des optischen Kohärenztomographen während dem Laserschweißprozess Messwerte in einem räumlichen Abstand von höchstens 10,0 pm, bevorzugt von höchstens 5,0 pm und besonders bevorzugt von höchstens 3,0 pm erfasst werden.

Beispielsweise beträgt der räumliche Abstand mindestens 1,0 pm.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass basierend auf dem Verhältnis der Anzahl von in dem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in dem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten eine räumliche Dichte von Durchschweißungen der ausgebildeten Schweißnaht und/oder eine Fluiddichtigkeit der ausgebildeten Schweißnaht und/oder ein Öffnungszustand einer beim Laserschweißprozess ausgebildeten Dampfkapillare bewertet wird oder bewertbar ist. Die räumliche Anzahl und/oder Dichte von Durchschweißungen lässt sich dadurch besonders zuverlässig beurteilen. Insbesondere lässt sich auf Grundlage der Anzahl bzw. Dichte der Durchschweißungen an der Schweißnaht eine Fluiddichtigkeit der Schweißnaht beurteilen. Insbesondere lässt sich basierend auf dem Verhältnis bewerten, ob bei Ausbildung der Schweißnaht die Dampfkapillare geöffnet ist oder nicht und insbesondere wie häufig die Dampfkapillare bei Ausbildung der Schweißnaht geöffnet ist. Eine ausreichende Fluiddichtigkeit kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn mindestens 10% und insbesondere mindestens 50% und insbesondere mindestens 90% der erfassten Messwerte in dem zweiten Messwertebereich liegen.

Aus dem gleichen Grund kann es günstig sein, wenn basierend auf der jeweiligen Varianz der in dem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in dem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten eine räumliche Dichte von Durchschweißungen der ausgebildeten Schweißnaht und/oder eine Fluiddichtigkeit der ausgebildeten Schweißnaht und/oder ein Öffnungszustand einer beim Laserschweißprozess ausgebildeten Dampfkapillare bewertet wird oder bewertbar ist. Insbesondere lässt sich basierend auf der Varianz bewerten, ob bei Ausbildung der Schweißnaht die Dampfkapillare geöffnet ist oder nicht und insbesondere wie häufig die Dampfkapillare bei Ausbildung der Schweißnaht geöffnet ist.

Insbesondere ist eine Varianz der erfassten Messwerte, welche einer Detektion des Referenzelements durch den Messstrahl zugeordnet ist, größer als eine Varianz der erfassten Messwerte, welche einer Detektion des Materials des Werkstücks durch den Messstrahl in dem Wechselwirkungsbereich zugeordnet ist.

Eine ausreichende Fluiddichtigkeit kann beispielsweise dann gegeben sein, wenn die Varianz der in dem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerte kleiner ist als die Varianz der in dem ersten Messwertebereich liegenden Messwerte.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die zur Auswertung herangezogenen Messwerte in einem definierten zeitlichen Intervall erfasst werden, wobei insbesondere das zeitliche Intervall mindestens 1 ms und/oder höchstens 50 ms beträgt. Es ergibt sich dadurch eine Überwachung der Schweißnaht entlang einer bestimmten Strecke.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der Messstrahl parallel und/oder koaxial zu dem Schweißlaserstrahl orientiert ist. Es lässt sich dadurch der Messstrahl auf technisch einfache Weise auf den Wechselwirkungsbereich richten. Ein an dem Referenzelement reflektierter Messstrahl kann dadurch während dem Schweißprozess auf technisch einfache Weise detektiert werden.

Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn der Messstrahl und der Schweißlaserstrahl aus einer gleichen Richtung auf die Werkstücke gerichtet werden und/oder aus einer gleichen Richtung auf die Werkstücke treffen.

Aus dem genannten Grund kann es vorteilhaft sein, wenn der Messstrahl und der Schweißlaserstrahl auf eine erste Seite einer Kombination der zu verschweißenden Werkstücke treffen.

Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn der Messstrahl im Fall einer Durchschweißung der Werkstücke aus einer zweiten Seite der Kombination der zu verschweißenden Werkstücke austritt, wobei die zweite Seite zu der ersten Seite in einer Strahlausbreitungsrichtung des Schweißlaserstrahls und/oder des Messstrahls beabstandet ist.

Insbesondere ist das Referenzelement in einer Strahlausbreitungsrichtung des Schweißlaserstrahls und/oder des Messstrahls zu den Werkstücken beabstandet und insbesondere zur zweiten Seite der Kombination der zu verschweißenden Werkstücke beabstandet.

Vorteilhaft kann es sein, wenn der im Fall einer Durchschweißung die Werkstücke durchdringende Messstrahl an dem Referenzelement reflektiert wird und ein an dem Referenzelement reflektierter Messstrahl mittels dem optischen Kohärenztomographen detektiert wird. Ein an dem Referenzelement reflektierter Messstrahl kann dadurch während dem Schweißprozess auf technisch einfache Weise detektiert werden.

Aus dem gleichen Grund kann es vorteilhaft sein, wenn der reflektierte Messstrahl dem Schweißlaserstrahl entgegengerichtet ist, und/oder wenn der reflektierte Messstrahl vor dessen Detektion durch den optischen Kohärenztomographen den Wechselwirkungsbereich durchdringt. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass, falls keine Durchschweißung und/oder keine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare vorliegt vorliegt, der Messstrahl in dem Wechselwirkungsbereich an einem Material von zumindest einem der Werkstücke reflektiert wird und ein an dem Material reflektierter Messstrahl mittels dem optischen Kohärenztomographen detektiert wird. Insbesondere wird der Messstrahl nicht am Referenzelement reflektiert, wenn keine Durchschweißung vorliegt. Es erfolgt dann insbesondere eine Erfassung von Messwerten in dem ersten Messwertebereich.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Laserschweißprozess ein Tiefenschweißprozess ist, und/oder dass bei dem Laserschweißprozess mittels dem Schweißlaserstrahl an den Werkstücken in dem Wechselwirkungsbereich eine Dampfkapillare ausgebildet wird.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass eine Verschweißung der Werkstücke mittels dem Schweißlaserstrahl als Überlappungsstoß und/oder Parallelstoß erfolgt.

Im Fall einer Durchschweißung durchdringt der Messstrahl die Werkstücke zumindest teilweise durch die Dampfkapillare. Insbesondere werden dann Messwerte in dem zweiten Messwertebereich detektiert.

Falls keine Durchschweißung vorliegt, kann der Messstrahl die Werkstücke an der Dampfkapillare nicht durchdringen. Insbesondere werden dann Messwerte in dem ersten Messwertebereich detektiert.

Beispielsweise beträgt eine Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Schweißlaserstrahl und den Werkstücken mindestens 0,5 m/s und/oder höchstens 1,5 m/s beträgt.

Erfindungsgemäß wird eine eingangs genannte Überwachungsvorrichtung bereitgestellt, umfassend einen optischen Kohärenztomographen zur Bereitstellung eines Messstrahls zur Erfassung von Messwerten während des Laserschweißprozesses, wobei der Messstrahl so eingerichtet ist, dass dieser während des Laserschweißprozesses auf den Wechselwirkungsbereich gerichtet wird und im Fall einer Durchschweißung der Werkstücke die Werkstücke in dem Wechselwirkungsbereich zumindest teilweise durchdringt, ein zu den Werkstücken beabstandetes Referenzelement, auf welches der die Werkstücke durchdringende Messstrahl trifft, und eine Auswertungseinrichtung zur Auswertung von während dem Laserschweißprozess erfassten Messwerten, wobei mittels der Auswertungseinrichtung ein Verhältnis einer Anzahl von in einem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in einem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten gebildet wird und/oder wobei mittels der Auswertungseinrichtung eine jeweilige Varianz von in einem ersten Messwertebereich liegenden Messwerten und in einem zweiten Messwertebereich liegenden Messwerten gebildet wird, wobei der erste Messwertebereich einer Detektion eines Materials der Werkstücke durch den Messstrahl in dem Wechselwirkungsbereich zugeordnet ist und der zweite Messwertebereich einer Detektion des Referenzelements durch den Messstrahl zugeordnet ist.

Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung weist insbesondere ein oder mehrere Merkmale und/oder Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf.

Insbesondere ist das erfindungsgemäße Verfahren mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchführbar. Insbesondere führt die erfindungsgemäße Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren durch.

Erfindungsgemäß wird eine eingangs genannte Laserschweißvorrichtung bereitgestellt, umfassend eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung.

Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Laserschweißvorrichtung eine Halteeinrichtung umfasst, an welcher die Werkstücke zur Durchführung des Laserschweißprozesses anordenbar sind oder angeordnet sind, wobei das Referenzelement an der Halteeinrichtung angeordnet und/oder ausgebildet ist. Das Referenzelement lässt sich dadurch auf technisch einfache Weise in die Laserschweißvorrichtung integrieren und in definiertem Abstand zu den zu verschweißenden Werkstücken anordnen.

Beispielsweise ist oder umfasst die Halteeinrichtung eine Spanneinrichtung, an welcher die Werkstücke eingespannt anordenbar sind. Insbesondere ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" im Allgemeinen eine Abweichung von höchstens 10 % zu verstehen. Falls nicht anders angegeben, ist unter den Angaben "zumindest näherungsweise" oder "näherungsweise" insbesondere zu verstehen, dass ein tatsächlicher Wert und/oder Abstand und/oder Winkel um höchstens 10 % von einem idealen Wert und/oder Abstand und/oder Winkel abweicht.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer

Laserschweißvorrichtung zur Durchführung eines Laserschweißprozesses, welche eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung des Laserschweißprozesses aufweist; und

Fig. 2 ein Beispiel von mittels der Überwachungsvorrichtung während eines Laserschweißprozesses erfassten Messwerten.

Ein Ausführungsbeispiel einer Laserschweißvorrichtung ist in Fig. 1 schematisch gezeigt und dort mit 100 bezeichnet. Mittels der Laserschweißvorrichtung 100 lässt sich ein Laserschweißprozess, insbesondere ein Tiefenschweißprozess, zur Herstellung einer Schweißverbindung zwischen mindestens zwei Werkstücken durchführen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass mittels der Laserschweißvorrichtung 100 eine Schweißverbindung zwischen einem ersten Werkstück 102 und einem zweiten Werkstück 104 hergestellt wird.

Die zu verschweißenden Werkstücke 102, 104 sind insbesondere plattenförmig und/oder tafelförmig ausgebildet. Beispielsweise bestehen die Werkstücke 102, 104 aus einem metallischen Material und/oder sind als Metallblech ausgebildet. Vorzugsweise weisen die zu verschweißenden Werkstücke 102, 104 jeweils eine Dicke D von ca. 75 pm auf.

Die Laserschweißvorrichtung 100 umfasst eine Laserquelle 106, mittels welcher ein Schweißlaserstrahl 108 zur Ausbildung der Schweißverbindung bereitgestellt wird.

Der Schweißlaserstrahl 108 weist beispielsweise eine Wellenlänge von mindestens 500 nm und/oder höchstens 1100 nm auf. Bevorzugt weist der Schweißlaserstrahl eine Wellenlänge von mindestens 515 nm und/oder höchstens 535 nm oder von mindestens 1030 nm und/oder höchstens 1070 nm auf.

Insbesondere bestehen die Werkstücke 102, 104 aus einem für die Wellenlänge des Schweißlaserstrahls 108 opaken und/oder undurchlässigen Material.

Zur Ausbildung der Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück 102 und dem zweiten Werkstück 104 wird der Schweißlaserstrahl 108 bei dem gezeigten Beispiel auf das erste Werkstück 102 gerichtet und anschließend mit einer Vorschubgeschwindigkeit relativ zu dem ersten Werkstück 102 und dem zweiten Werkstück 104 bewegt. Es wird dadurch entlang einer Trajektorie des Schweißlaserstrahls 108 eine Schweißnaht zwischen dem ersten Werkstück 102 und dem zweiten Werkstück 104 ausgebildet.

Vorzugsweise beträgt die Vorschubgeschwindigkeit ca. 1,0 m/s.

Bezüglich einer Strahlausbreitungsrichtung 110 des Schweißlaserstrahls 108 ist das zweite Werkstück 104 hinter dem ersten Werkstück 102 und/oder unterhalb dem ersten Werkstück 102 positioniert. Eine Verschweißung der Werkstücke 102, 104 mittels dem Schweißlaserstrahl 108 erfolgt dadurch als Überlappungsstoß und/oder Parallelstoß.

Das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 weisen jeweils Außenseiten 112 auf, welche senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu einer Dickenrichtung der jeweiligen Dicke D des ersten Werkstücks 102 bzw. des zweiten Werkstücks 104 orientiert sind.

Das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 sind bei Ausbildung der Schweißverbindung insbesondere flächig aneinander angelegt, wobei einander gegenüberliegende und/oder aneinander anliegende Außenseiten 112 des ersten Werkstücks 102 und des zweiten Werkstücks 104 parallel oder näherungsweise parallel zueinander orientiert sind.

Vorzugsweise ist der Schweißlaserstrahl 108 senkrecht oder näherungsweise senkrecht zu einer Außenseite 112a des ersten Werkstücks 102 orientiert, auf welche der Schweißlaserstrahl 108 gerichtet wird. Insbesondere ist der Schweißlaserstrahls 108 parallel oder näherungsweise parallel zur Dickenrichtung des ersten Werkstücks 102 und/oder des zweiten Werkstücks 104 orientiert.

Der Schweißlaserstrahl 108 wechselwirkt bei Ausbildung der Schweißnaht mit dem Material des ersten Werkstück 102 und insbesondere auch des zweiten Werkstücks 104 in einem Wechselwirkungsbereich 114. Bei dem gezeigten Beispiel dringt der Schweißlaserstrahl 108 in diesem Wechselwirkungsbereich 114 die Außenseite 112a des ersten Werkstücks 102 hindurch in das erste Werkstück 102 und insbesondere auch in das zweite Werkstück 104 ein.

In dem Wechselwirkungsbereich 114 wird der Schweißlaserstrahl 108 insbesondere von dem Material des ersten Werkstücks 102 bzw. des zweiten Werkstücks 104 absorbiert.

Aufgrund der Wechselwirkung des Schweißlaserstrahls 108 mit dem Material der Werkstücke 102, 104 wird in dem Wechselwirkungsbereich 114 nicht nur das Material der Werkstücke 102, 104 aufgeschmolzen, sondern es wird auch Dampf erzeugt. Dadurch wird in dem Wechselwirkungsbereich eine von geschmolzenem Material umgebene Dampfkapillare 116 ausgebildet, welche auch als Keyhole bezeichnet wird. Diese Dampfkapillare 116 bewegt sich insbesondere mit dem Schweißlaserstrahl 108 durch die Werkstücke 102, 104. Zur Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen dem ersten Werkstück 102 und dem zweiten Werkstück 104 mit einer hinreichenden Fluiddichtigkeit kann es erwünscht sein, dass bei Durchführung des Laserschweißprozesses eine Durchschweißung des ersten Werkstücks 102 und des zweiten Werkstücks 104 erfolgt. Eine Durchschweißung wird insbesondere dann ausgebildet, wenn die während des Laserschweißprozesses ausgebildete Dampfkapillare 116 eine Kombination 118 des zu verschweißenden ersten Werkstücks 102 und zweiten Werkstücks 104 vollständig durchdringt. In diesem Fall handelt es sich um eine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare 116.

Falls nicht anders angegeben bezieht sich der Begriff Durchschweißung nachfolgend auf eine Durchschweißung, welche bei geöffneter Dampfkapillare 116 ausgebildet wurde oder ausgebildet wird.

Insbesondere erstreckt sich die Dampfkapillare 116 im Fall einer genannten Durchschweißung von einer ersten Seite 120 der zu verschweißenden Kombination 118 zu einer zweiten Seite 122 der Kombination 118, wobei die zweite Seite 122 zu der ersten Seite 120 in Strahlausbreitungsrichtung 110 des Schweißlaserstrahls 108 beabstandet ist.

Bei dem gezeigten Beispiel wird der Schweißlaserstrahl 108 zur Ausbildung der Schweißverbindung auf die erste Seite 120 gerichtet, wobei der Schweißlaserstrahl 108 insbesondere durch diese erste Seite 120 in die Kombination 118 eingekoppelt wird. Beispielsweise ist die erste Seite 120 bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung 110 eine Oberseite der Kombination 118 und die zweite Seite 122 eine Unterseite der Kombination 118.

Zur Überwachung des Laserschweißprozesses umfasst die Laserschweißvorrichtung 100 eine Überwachungsvorrichtung 124. Insbesondere lässt sich mittels der Überwachungsvorrichtung 124 die beim Laserschweißprozess ausgebildete Schweißnaht auf eine hinreichende Anzahl und/oder Dichte an Durchschweißungen überwachen.

Die Anzahl bzw. die Dichte von Durchschweißungen an der gebildeten Schweißnaht kann insbesondere als Kriterium zur Bewertung einer Fluiddichtigkeit der Schweißnaht dienen. Je höher die Anzahl bzw. die Dichte von Durchschweißungen an der gebildeten Schweißnaht ist, desto höher ist üblicherweise auch deren Fluiddichtigkeit.

Insbesondere wird mittels der Überwachungsvorrichtung 124 die Schweißnaht während oder nach deren Ausbildung auf ein Vorhandensein von Durchschweißungen überwacht.

Die Überwachungsvorrichtung 124 umfasst einen optischen Kohärenztomographen 126, mittels welchem ein Messstrahl 128 zur Erfassung von Messwerten während der Ausbildung der Schweißnaht bereitgestellt wird.

Beispielsweise beträgt eine Wellenlänge des Messstrahls 128 mindestens 800 nm und/oder höchstens 1600 nm.

Insbesondere sind mittels dem Messstrahl 128 Abstandsinformationen eines Abstands A bezüglich einer Nullpunktsposition 129 erfassbar, wobei diese Abstandsinformationen vorzugsweise eindimensional und/oder bezüglich einer Raumrichtung erfassbar sind. Beispielsweise sind die Abstandsinformationen bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung 110 und/oder bezüglich der Dickenrichtung der jeweiligen Dicke D der Werkstücke 102, 104 erfassbar.

Zur Erfassung von Messwerten und/oder Abstandsinformationen wird der Messstrahl 128 auf ein Objekt gerichtet und an diesem reflektiert. Der reflektierte Messstrahl wird anschließend von einem Detektorelement 130 des optischen Kohärenztomographen 126 detektiert.

Zur Auswertung und/oder Zwischenspeicherung von mittels dem optischen Kohärenztomographen 126 erfassten Messwerten umfasst die Überwachungsvorrichtung 124 insbesondere eine Auswertungseinrichtung 132.

Im Betrieb der Laserschweißvorrichtung 100 wird der Messstrahl 128 auf den Wechselwirkungsbereich 114 gerichtet, wobei der Messstrahl 128 vorzugsweise parallel und/oder koaxial zu dem Schweißlaserstrahl 108 orientiert ist. Der Messstrahl 128 wird bei dem gezeigten Beispiel auf die erste Seite 120 der Kombination 118 gerichtet und/oder durch die erste Seite 120 in die Kombination 118 eingekoppelt.

Insbesondere entspricht eine Strahlausbreitungsrichtung des Messstrahls 128 zumindest näherungsweise der Strahlausbreitungsrichtung 110 des Schweißlaserstrahls 108.

Die während des Laserschweißprozesses in dem Wechselwirkungsbereich 114 ausgebildete Dampfkapillare 116 ist zumindest zur ersten Seite 120 der Kombination 118 hin geöffnet, sodass der Messstrahl 128 in diese eindringen kann.

Falls keine Durchschweißung und/oder keine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare 116 vorliegt, ist die Dampfkapillare 116 zur zweiten Seite 122 hin geschlossen. In diesem Fall wird der Messstrahl 128 folglich in dem Wechselwirkungsbereich 114 an einem Material des ersten Werkstücks 102 und/oder des zweiten Werkstücks 104 reflektiert, welches insbesondere an einer Begrenzung 131 der Dampfkapillare 116 angeordnet ist. Beispielsweise kann dieses Material in festem oder flüssigem Zustand vorliegen.

Mittels dem Messstrahl 128 werden im Fall keiner geöffneten Dampfkapillare 116 insbesondere Messwerte erzeugt, welche einer Position des Materials der Werkstücke 102, 104 an der Begrenzung 131 der Dampfkapillare 116 in dem Wechselwirkungsbereich 114 zuzuordnen sind.

Das Material, an welchem im Fall keiner geöffneten Dampfkapillare 116 eine Reflexion des Messstrahls 128 erfolgt, ist insbesondere an einer zu der ersten Seite 120 in Strahlausbreitungsrichtung 110 beabstandeten tiefsten Stelle 133 (angedeutet in Fig. 1) der Dampfkapillare 116 positioniert. Die mittels dem Messstrahl 128 erfassten Messwerte sind dann beispielsweise einer Einschweißtiefe des Laserschweißprozesses zugeordnet.

Im Fall einer Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare 116 ist die Dampfkapillare 116 zur zweiten Seite 122 hin geöffnet. Die Dampfkapillare 116 erstreckt sich dann insbesondere durchgängig zwischen der ersten Seite 120 und der zweiten Seite 122 der Kombination 118 der zu verschweißenden Werkstücke 102, 104.

Insbesondere wird der Messstrahl 128 im Fall der Durchschweißung zumindest teilweise und/oder zumindest abschnittsweise durch die Kombination 118 der Werkstücke 102, 104 transmittiert. Der Messstrahl 128 durchdringt beispielsweise die Dampfkapillare 116 und/oder die Werkstücke 102, 104 in dem Wechselwirkungsbereich 114, sodass er zumindest teilweise an der zweiten Seite 122 austritt.

Anschließend trifft der transmittierte Messstrahl 128 auf ein Referenzelement 134, welches der Überwachungsvorrichtung 124 zugeordnet ist und/oder Teil der Überwachungsvorrichtung 124 ist, und wird an diesem reflektiert. Dieses Referenzelement 134 ist an einer Referenzposition 136 und/oder an einem Referenzabstand angeordnet. Insbesondere ist die Referenzposition 136 mit dem Referenzabstand zu der Nullpunktsposition 129 beabstandet.

Insbesondere wird durch Reflexion des Messstrahls 128 an dem Referenzelement 134 ein reflektierter Messstrahl 135 gebildet, welcher vorzugsweise zurück durch die Dampfkapillare 116 transmittiert wird und anschließend von dem Detektorelement 130 detektiert wird.

Im Fall der Durchschweißung werden mittels dem Messstrahl 128 folglich Messwerte erzeugt, welche der Referenzposition 136 zuzuordnen sind.

Die Wellenlänge des Messstrahls 128 ist insbesondere so gewählt, dass der Messstrahl durch die Dampfkapillare 116 transmittiert wird und an dem Material der Werkstücke 102, 104 reflektiert wird, sodass insbesondere eine Erfassung von Messwerten im Fall der Durchschweißung an dem Referenzelement erfolgt und im Fall keiner Durchschweißung und/oder keine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare 116 an dem Material der Werkstücke 102, 104 erfolgt.

Die Laserschweißvorrichtung 100 umfasst insbesondere eine Halteeinrichtung 137, an welcher das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 zur Durchführung des Laserschweißprozesses angeordnet sind. Beispielsweise ist oder umfasst die Halteeinrichtung 137 eine Spanneinrichtung zur Einspannung des ersten Werkstücks 102 und des zweiten Werkstücks 104. Beispielsweise sind das erste Werkstück 102 und das zweite Werkstück 104 mittels der Spanneinrichtung eingespannt angeordnet und/oder gegeneinander verspannt angeordnet.

Das Referenzelement 134 ist insbesondere Teil der Laserschweißvorrichtung 100 und/oder der Überwachungsvorrichtung 124. Insbesondere ist das Referenzelement 134 an der Halteeinrichtung 137 angeordnet und/oder ausgebildet.

Ein Beispiel von mittels dem Messstrahl 128 während der Ausbildung der Schweißnaht in Abhängigkeit der Zeit erfassten Messwerten ist in Fig. 2 gezeigt.

Die während der Durchführung des Laserschweißprozesses erfassten Messwerte liegen im Wesentlichen (abgesehen von Ausreißern) in einem ersten Messwertebereich 138, welcher einer Detektion des Materials der Werkstücke 102, 104 in dem Wechselwirkungsbereich 114 zuzuordnen ist, und in einem zweiten Messwertebereich 140, welcher einer Detektion des Referenzelements 134 zugeordnet ist.

Der erste Messwertebereich 138 wird derart definiert, dass in diesen diejenigen Messwerte fallen, welche der Detektion des Materials der Werkstücke 102, 104 in dem Wechselwirkungsbereich 114 zuzuordnen sind. Insbesondere umfasst der erste Messwertebereich 138 diejenigen Messwerte, welche einem Abstandsbereich 142 zuzuordnen sind, in welchem sich die Werkstücke 102, 104 bezüglich der Strahlausbreitungsrichtung 110 von der Nullpunktsposition 129 erstrecken.

Der zweite Messwertebereich 140 wird derart definiert, dass in diesen diejenigen Messwerte fallen, welche der Detektion des Referenzelements 134 zuzuordnen sind. Insbesondere umfasst der zweite Messwertebereich diejenigen Messwerte, welche der einem Abstand der Referenzposition 136 von der Nullpunktsposition 129 zuzuordnen sind. Die Laserschweißvorrichtung 100 mit der Überwachungsvorrichtung 124 funktioniert wie folgt:

Die zu verschweißenden Werkstücke 102, 104 werden an der Halteeinrichtung 137 angeordnet. Zur Ausbildung einer Schweißverbindung zwischen den Werkstücken 102, 104 wird der mittels der Laserquelle 106 generierte Schweißlaserstrahl 108 auf das erste Werkstück 102 gerichtet und relativ zu diesem bewegt, um eine Schweißnaht zu erzeugen.

Während der Erzeugung der Schweißnaht wechselwirkt der Schweißlaserstrahl 108 mit dem Material der Werkstücke 102, 104 in dem Wechselwirkungsbereich 114, wobei eine Dampfkapillare 116 ausgebildet wird.

Zur Überwachung des Laserschweißprozesses wird während der Erzeugung der Schweißnaht der Messstrahl 128 auf den Wechselwirkungsbereich 114 gerichtet.

Falls keine Durchschweißung und/oder keine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare 116 an einer bestimmten Stelle vorliegt, wird der Messstrahl 128 dort an dem Material der Werkstücke 102, 104 reflektiert, sodass Messwerte erfasst werden, welche innerhalb dem ersten Messwertebereich 138 liegen. Es werden dann insbesondere keine Messwerte erfasst, welche in dem zweiten Messwertebereich 140 liegen.

Falls an einer bestimmten Stelle eine Durchschweißung mit geöffneter Dampfkapillare vorliegt, wird der Messstrahl 128 zumindest an dieser Stelle zumindest teilweise durch das Material der Werkstücke 102, 104 transmittiert, sodass Messwerte erfasst werden, welche innerhalb dem zweiten Messwertebereich 140 liegen. Bei teilweiser Transmission des Messstrahls 128 kann es in diesem Fall Vorkommen, dass an dieser Stelle zwei Messwerte generiert werden, wobei einer dem ersten Messwertebereich 138 zuzuordnen ist und einer dem zweiten Messwertebereich 140.

Die während der Ausbildung der Schweißnaht erfassten Messwerte werden beispielsweise mittels der Auswertungseinrichtung 132 zwischengespeichert und/oder ausgewertet. Zur Bewertung der Schweißnaht hinsichtlich einer räumlichen Dichte von Durchschweißungen werden insbesondere Messwerte betrachtet, welche innerhalb einem bestimmten Zeitintervall erfasst wurden und/oder welche einem bestimmten räumlichen Abschnitt der ausgebildeten Schweißnaht zugeordnet sind.

Insbesondere wird ein Verhältnis einer jeweiligen Anzahl von Messwerten bestimmt, welche bezüglich eines bestimmten Zeitintervalls und/oder räumlichen Abschnitts in dem ersten Messwertebereich 138 und in dem zweiten Messwertebereich 140 liegen.

Eine Schweißnaht mit hinreichender Dichtigkeit und/oder mit einer hinreichen Dichte an Durchschweißungen liegt insbesondere dann vor, wenn ein mindestens ein Definierter Anteil, beispielsweise ein Anteil von mindestens 50%, der betrachteten Messwerte in dem zweiten Messwertebereich 140 liegen.

Es hat sich gezeigt, dass diejenigen Messwerte, welcher einer Reflexion des Messstrahls 128 an dem Material des ersten Werkstücks 102 und/oder des zweiten Werkstücks 104 in dem Wechselwirkungsbereich 114 zuzuordnen sind, typischerweise eine größere Varianz und/oder Streuung aufweisen als diejenigen Messwerte, welcher einer Reflexion des Messstrahls 128 an dem Referenzelement 134 zuzuordnen sind.

Bei Ausführung des Schweißprozesses variiert insbesondere eine Ortsposition der Begrenzung 131 der Dampfkapillare 116, an welcher mittels dem Messstrahl 128 festes und/oder flüssiges Material der Werkstücke 102, 104 detektiert wird. Eine Reflexion des Messstrahls 128 an dem Referenzelement 134 erfolgt hingegen stets an der Referenzposition 136 des Referenzelements 134.

Alternativ oder zusätzlich kann es daher vorgesehen sein, zur Bewertung der Schweißnaht die jeweilige Varianz der in dem ersten Messwertebereich 138 und in dem zweiten Messwertebereich 140 liegenden Messwerte heranzuziehen. Eine Schweißnaht mit hinreichender Dichtigkeit und/oder mit einer hinreichenden Dichte an Durchschweißungen liegt insbesondere dann vor, wenn die Varianz der betrachteten Messwerte in dem ersten Messwertebereich 140 größer ist als die Varianz der Messwerte in dem zweiten Messwertebereich 142.

Bezugszeichenliste

100 Laserschweißvorrichtung

102 erstes Werkstück

104 zweites Werkstück

106 Laserquelle

108 Schweißlaserstrahl

110 Strahlausbreitungsrichtung

112 Außenseite

112a Außenseite

114 Wechselwirkungsbereich

116 Dampfkapillare

118 Kombination

120 erste Seite

122 zweite Seite

124 Überwachungsvorrichtung

126 optischer Kohärenztomograph

128 Messstrahl

129 Nullpunktsposition

130 Detektorelement

131 Begrenzung

132 Auswertungseinrichtung

133 tiefste Stelle

134 Referenzelement

135 reflektierter Messstrahl

136 Referenzposition

137 Halteeinrichtung

138 erster Messwertebereich

140 zweiter Messwertebereich

142 Abstandsbereich

A Abstand

D Dicke