On-lineProzessüberwachung beimLaserstrahltiefschweissen · (s.Abb.1).MitHilfeoptischen...

Vergrößerung des Kapillarvo-lumens hervorruft. Die Ver-drängung der Schmelze führtdabei zu einer positiven Rück-kopplung. Prozessporen ent-stehen, wenn durch Abschnü-ren der Kapillare die so ent-standene Schmelzbrücke ers-tarrt,ohne dass der darunter lie-gende Hohlraum aufgefülltwird, und der darin enthalteneMetalldampf an den Wändenkondensiert. Übersteigt derDruck im inneren der Kapilla-re den Widerstand der entge-genwirkenden Kräfte um einVielfaches, kommt es zum

PhysikalischeGrundlagenDie aus der Dampfkapillarereflektierte Laserleistung istdem Anteil der einfallendenLaserleistung, der nicht in derKapillare absorbiert wird,gleichzusetzen: P =P (1- )Die Absorption in derKapillare kann durch einM o d e l l , b a s i e r e n d aufVielfachreflexionen an derenWänden, beschrieben werden(s.Abb. 1).MitHilfe optischenR a y t r a c i n g w u r d e e i nAlgorithmus entwickelt, der inAbhängigkeit der einfallendenL a s e r l e i s t u n g , d e r e nWellenlänge, Polarisation,Leistungsdichteverteilung undStrahlpropagation sowie den

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optischen Eigenschaften desWerkstoffs die reflektierteLaserleistung und derenr ä u m l i c h e n Ve r t e i l u n gberechnet. VerschiedeneKapillargeometrien wurdena n g e n o m m e n , um d e nEinfluss der Prozessparameterauf den Reflexionsgrad darzu-stellen.Die Ergebnisse der Simu-lationsrechnung zeigen eineasymptotische Annäherungdes Reflexionsgrads zurvollständigen Einkopplungmit steigendem Schacht-verhältnis der Kapillare (s.Abb. 2). Begründet ist diesdurch die sich erhöhendeAnzah l a n Vie l fachre -flexionen und der damite i n h e r g e h e n d e n Wand-absorption. Die kürzereWellenlänge des Nd:YAG-Lasers bedingt diesen Verlaufbereits bei kleineren Aspektenim Vergleich zu CO -Laserna u f g r u n d der h ö h e r e nW a n d a b s o r p t i o n . D i ereflektierte Leistung ist daherein direkter Indikator desA s p e k t v e r h ä l t n i s d e rKapillare und damit derEinschweißtiefe, sofern derKapillardurchmesser konstantbleibt.

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ma JURCA Optoelektronikmit hoher zeitlicher Auflö-sung. Flankierend wurde derSchweißprozess mit einemH o c h g e s c h w i n d i g k e i t s -Videosystemobserviert.

I m S t r a h l e n g a n g d e sNd:YAG-Lasers befindet sichein teildurchlässiger Spiegel( S t r a h l t e i l e r ) a l s 9 0 ° -Umlenker, dessen Trans-missionsgrad T =1% beträgt.Die vom Strahlteiler reflek-tierten 99% Laserleistung des

Realisierung des Messauf-baus

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Das Ziel jeder Qualitätssicherungsstrategie ist es, Ausschuss-und Nacharbeitskosten zu senken. Zum Erreichen diesesZiels bedarf es einer Qualitätsprüfung, die nicht erst als eineBeurteilung des fertigen Bauteils im Sinne einerAusschusserkennung ansetzt. Für das Laserstrahl-tiefschweißen bietet ein Zusammenhang zwischen Einkop-pelgrad der Laserstrahlung und Schachtverhältnis derDampfkapillare die Möglichkeit, eine 100%-Dokumentationhinsichtlich der Nahtqualität aus der Tiefe des zubearbeitenden Werkstoffvolumens on-line zu erhalten. Diedurch Laserstrahlung erzeugte Dampfkapillare, die dasTiefschweißen ermöglicht, wird dabei als prägenderInformationskanal für die aus der Kapillare rückreflektierteLaserstrahlleistung verwendet. Eine Simulationsrechnungzeigt hierfür die optimale Detektorposition, ein vielfältigesVersuchsprogramm erbrachte den Nachweis derFunktionsfähigkeit.

On-line Prozessüberwachungbeim Laserstrahltiefschweissen

Abb.1: Vielfachreflexion inder Kapillare

Abb. 2: Reflexionsgrad als Indikator der Einschweißtiefe

NahtfehlerDie Dampfkapillare wirddurch die hohe Intensität desLaserstrahls gebildet undwächst durch hohe Absorptionim Bereich des KapillargrundsindieTiefe, bis sich ein Kräfte-gleichgewicht eingestellt hat.Der Gesamtdruck in der Kapil-lare, der hydrostatische und-dynamische Druck derSchmelze und deren Oberflä-chenspannung geben der Ka-pillaren ihre Geometrie. Late-rale Oszillationen der Kapilla-re können bis zur vollständi-gen Blockade des ausströmen-denMetalldampfes führen. Da-raus ergibt sich ein Druckauf-bau im Kapillargrund, der eine

Schmelzauswurf.Die einher gehende Verände-rung des Schachtverhältnis be-einflusst den Reflexionsgradder Kapillare als auchdie räum-liche Verteilung der reflektier-ten Laserleistung. DieModell-rechnung zeigt, dass ein be-züglich der Kapillaren ste-chend angeordneter Detektordabei den größten Signalgra-dienten erwarten lässt.

Für Nd:YAG- und CO -Laserwurden unterschiedlicheMess-systeme entwickelt. Zur Da-tenaquise dient ein Laser Wel-dingMonitorLWM900 der Fir-

Experimentelle Evaluierung2

Abdruck aus Laser Magazin 6/2000

Leistungsstrahls werdenfokussiert (Fokussierlinse mitBrenn-weite f =150 mm), umdann mit dem Werkstück inWechselwirkung zu treten.Nicht absorbierte Laser-strahlung tritt aus der Dampf-kapillare, durchläuft Fokus-sierlinse, Strahlteiler undInterferenzfilter ( =1064 ± 3nm) und trifft schließlich auf

B

λ

AusblickD i e E r f a h r u n g e n u n dErgebnisse werden nun ineinem bilateralen Projekt mitIndustriepartnern aus derS y s t e m t e c h n i k u n dApplikation genutzt, um dieverwendeten Prototypen inihrer Funktion zu optimierenu n d z u g l e i c h e i nindustrietaugliches Produkt zuentwickeln. Dabei werdeninsbesondere ein einfacherund robuster Aufbau berück-s icht igt , a l s auch e inevollständige Integration derSensorik in den Bearbeitungs-kopf, um diese vor Einflüsseneiner industriellen Umgebungzu schützen.

Die Autoren danken dem Bun-desministerium für Bildungund Forschung für die Förde-rung der Forschungsarbeitenim Rahmen des Projekts ‘On-line Detektion innerer Naht-qualität beim Laserstrahltief-schweissen’ (Förderkennzei-chen13N6787).

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Dipl.-Ing. Matthias G. MüllerFGSW - Forschungsgesellschaftfür StrahlwerkzeugeNobelstr. 1570569 StuttgartTel.: +49 (0)711-687 4321Fax: +49 (0)711-685 6842E-Mail: matthias.mueller@fgsw.uni-stuttgart.dehttp://www.ifsw.uni-stuttgart.de

Spiegel oder einen Loch-spiegel zur Auskopplung derreflektierten Leistung.

Referenzschweißungen inStahl konnten den grund-legenden Zusammenhangzwischen Aspektverhältnisund Reflexionsgrad der Kapil-lare nachweisen. Abbildung 4zeigt den Einfluss anstei-gender Vorschubgeschwindig-keit auf die Einschweißtiefe(aus Schliffbild), auf denKapillaröffnungsdurchmesser(aus Videoaufnahmen) unddamit auf das Schacht-verhältnis. Mit fallendemSchachtverhältnis steigt derReflexionsgrad der Kapillarean; dies konnte sowohlexperimentell (aus Rückre-f lexmessung) a l s a u c htheoretisch (aus Simulations-rechnung) dargelegt werden.Die grundlegende Funktions-fähigkeit zur Messung derEinschweißtiefe ist damitnachgewiesen. Auch zeigensich hier bereits die Grenzendes Verfahrens: Zu großeSchachtverhältnisse (für diehier verwendete FokussierungS>8) absorbieren nahezu diegesamte Laserleistung unddami t d a s Messs igna l .Änderungen der Einschweiß-tiefe werden nicht mehr imSignalverlauf der reflektiertenLaserleistung angezeigt.Weiterführende Versuche mitdem Werkstoff Stahl ergaben,dass der untersuchte IndikatorNahteigenschaften belegenkann wie z.B. Ein- und

E i n s c h w e i ß t i e f e u n dReflexionsgrad der Kapil-lare

Durchschweißung, Anbinde-fehler im Überlappstoß,Nahtlage an der Kehlnaht,Spalt am Stumpfstoß undNahteinfall.

Poren und AuswürfeE r h e b l i c h e K a p i l l a r -fluktuationen als Vorboten vonPoren und insbesondereAuswürfen zeichnen sichd u r c h Abbi ldung e inesMessflecks, der unmittelbarhinter der kontinuierlichausgebildeten Kapillare aufdem Schmelzbad liegt ,deutlich im Messsignal ab.DieW e l l e n b e w e g u n g d e sSchmelzbads (Al: ca. 350Hz)kollidiert mit dem aus-strömenden Metalldampf, dererhöhte Druck im inneren derKapillare kann zum Ab-schnüren eines Hohlraumsoder zum Auswerfen derSchmelze führen. Die einher-gehende Vergrößerung derKapillaröffnung lässt denMessfleck in den Bereich derRe-Emissionen wandern undfür Signalausschlag sorgen.Zusätzlich verringert sich dasS c h a c h t v e r h ä l t n i s , d e rReflexionsgrad nimmt zu DieSequenz in Abbildung 5 zeigtdas Abheben des gesamtenSchmelzguts in hoher zeit-licher Auflösung. Für einenZeitraum von ca. 10ms wirddas Aspektverhältnis der Ka-pillare durch die Schmelzbad-dimension bestimmt. Diessehr kleine Schachtverhältnisresultiert in einem Maximumder gemessenen reflektiertenLaserleistung.

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Abb. 5: Schmelzauswurf beim Schweissen von AlMgSi1

Abb. 4: Versuchsergebnisse zur Einschweißtiefe

Abb.3: Messaufbau fürNd:YAG-Laserd i e z u r M e s s u n g d e rrückref lekt ier ten Laser-s t r a h l u n g v e r w e n d e t eSilizium-Photodiode. DerInterferenzfilter gewährleistetb e i d e r M e s s u n g d e rrückref lekt ier ten Laser-s t r a h l u n g , d a s s k e i n eSt reus t rah lung f r emderLichtquellen (z.B. einerbreitbandig emittierendenMeta l ldampfwolke) dasErgebnis verfälschen kann (s.Abb. 3).Im Gegensatz zu den teil-durchlässigen opt ischenKomponenten für die kürzereWellenlänge des Nd:YAG-Lasers bedarf der Messaufbaufür CO -Laser einen Scraper2