DE102008047140B4

DE102008047140B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102008047140B4
Application number: DE102008047140A
Authority: DE
Original assignee: FALLDORF SENSOR GmbH
Current assignee: FALLDORF SENSOR GmbH
Priority date: 2008-09-12
Filing date: 2008-09-12
Publication date: 2010-07-22
Anticipated expiration: 2028-09-13
Also published as: DE102008047140A1

Abstract

Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen mit einer Kamera (2) und einer flächenhaften Beleuchtung (1), wobei die Kamera (2) an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) ein Schmelzbad (7) und eine Stoßfuge (5) erfasst und die Regelung in Abhängigkeit von einem detektiertem Versatz von Schmelzbad (7) zu Stoßfuge (5) erfolgt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen. Zunehmend werden Laser zum Schweißen von Flachblechen und Rohren eingesetzt. Aufgrund der geringen Ausdehnung des Schmelzbades ist es erforderlich, den Fokus des Schweißlaserstrahles genau zur Stoßfuge auszurichten. Durch die Vorverarbeitung der Fügepartner, z. B. durch Tafelschnitt oder Rohrformung, entstehen jedoch Variationen der Stoßfugenlage.
Diese Variationen können gemäß dem Stand der Technik mit kamerabasierten Sensoren, welche vorlaufend zum Schweißort angeordnet sind, erfaßt werden. Diese Sensoren zur sog. Nahtverfolgung arbeiten nach dem Lichtschnittverfahren, welches die Kontur des Stoßbereiches erfaßt und/oder mit einer Graubildauswertung, welche die dunkle Stoßfuge zwischen der hellen, umgebenden Rohroberfläche detektiert. Nach einer Bilddatenauswertung wird gemäß der erfaßten Stoßposition die nominelle Position des Schweißlaserstrahls nachgestellt.
Zur Erfassung und Kompensation dieser Variation sind bereits Verfahren bekannt. So ist in FR 2 847 187 A1 eine Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserstrahlschweißen von Stumpfstößen beschrieben, die eine an eine Bilddaten verarbeitende Einheit angeschlossene CCD-Kamera sowie eine Beleuchtungsquelle aufweist, die einen Lichtstreifen auf der Oberfläche zu verschweißender Werkstücke erzeugt. Die Regelung der Nahtlage erfolgt dort in Abhängigkeit von der Position einer Lichtmarke, die der Lage der Stoßfuge entspricht, relativ zur Kamera.
In ähnlicher Weise wird in DE 10 2006 004 919 A1 die Stoßfuge vor der Schweißposition mit einem Linienprojektor beleuchtet und die Stoßlage relativ zur Kamera ermittelt und korrigiert.
In DE 698 00 179 T2 ist eine Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserstrahlschweißen von Stumpfstößen beschrieben, bei der – ohne von einer externen Beleuchtungsquelle Gebrauch zu machen – die Umgebung einer Schweißzone mittels einer CCD-Kamera erfasst wird. Unter Verwendung einer Bilddaten verarbeitenden Einheit werden die erfassten Bilder der Schweißzone mit gespeicherten Referenzbildern verglichen, woraus dann ein Signal zur Regelung der Nahtlage erzeugt wird.
DE 103 35 501 A1 offenbart eine weitere Vorrichtung, bei der die Umgebung eines Prozessortes mit einer CCD- oder CMOS-Kamera erfasst wird. Eine Beleuchtung dieses Ortes mittels einer Fremdlichtquelle ist dort lediglich außerhalb des Schweißvorgangs vorgesehen. Während des Schweißens erfolgt die Bahnverfolgung durch Bestimmung einer Stoßfuge in einem Vorlauffenster, der Prozessort wird aufgrund der hohen Lichtintensität ausgeblendet.
Schließlich ist aus JP 2001 287 064 A eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Schmelzbad mittels Beleuchtungsquellen flächenhaft beleuchtet wird und das Schmelzbad und dessen Umgebung mittels einer CCD-Kamera erfasst werden.
Die bekannten Verfahren erfassen eine Stoßposition und stellen hiernach die nominelle Position des Schweißlaserstrahls ein. Die nominelle Position des Schweißlaserstrahls muß jedoch nicht der tatsächlichen Position entsprechen, da die Richtungsstabilität des Schweißlaserstrahls begrenzt ist und optische und mechanische Komponenten der Strahlführung durch mechanische und thermische Einflüsse die Lage des Schweißfokus verschieben.
Es ist bekannt, daß mit konventionellen CCD Kameras bei einer starken schmalbandigen Beleuchtung des Sichtbereiches und einem entsprechenden Filter vor der Kamera das Schmelzbad und die Umgebung ohne eine Übersteuerung der Kamera abgebildet werden können. Mit dem Aufkommen moderner CMOS-Kameras, die bei einer logarithmischen Kennlinie einen hohen Dynamikbereich aufweisen, reduzieren sich die Anforderungen an die Intensität der Beleuchtung.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen bereitzustellen, welche die Lage der Stoßfuge und die tatsächliche Lage des Schmelzbades relativ zueinander ermitteln.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ergänzend zur bekannten kamerabasierten Schmelzbaderfassung die Erfassung der Stoßfuge in die Bildauswertung mit einbezogen.
Untersuchungen haben gezeigt, daß die Auswertbarkeit der Kameraufnahmen stark von der Anordnung der Kamera und der Beleuchtung abhängt. Die erfindungsgemäße Kombination einer möglichst senkrechten Kamerasichtachse, gegenüber einer waagerechten Werkstückoberfläche, mit mindestens zwei seitlichen positionierten Beleuchtungsquellen erlaubt eine gute Erkennung der Stoßfuge. Die Stoßfuge zeichnet sich dann durch eine dunkle Kontur gegenüber einer hellen umgebenden Werkstückoberfläche ab.
Insbesondere bei Schweißungen an Rohren ist die Winkelstellung der Beleuchtung kritisch, da sich aufgrund der Oberflächenkrümmung eine starke Variation der zur Kamera rückgestreuten Helligkeiten ergibt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Beleuchtung eines jeden Punktes der zu beobachtenden Oberfläche über einen größeren Winkelbereich, als er von einer annähernd punktförmigen Lichtquelle zu erzielen wäre. Dieser Winkelbereich wird über eine Auffächerung und Teilung der von dem Beleuchtungslaser emittierten Strahlen in mehrere überlappende Teilstrahlen gebildet. Um dies nur innerhalb einer Ebene durchzuführen, kann die Strahlformung mit Zylinderlinsen, bzw. Zylinderlinsenarrays ausgeführt werden. Als Strahlquelle dient, wie auch im allgemeinen Fall, das kollimierte Licht einer Laserdiode, welches auch über eine Lichtleitfaser übertragen werden kann.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt:
1 zeigt ein Rohr 4 als Werkstück. Der fokussierte Schweißlaserstrahl 3 erzeugt das Schmelzbad 7, welches entlang der Stoßfuge 5 wandert und somit die Lasernaht erzeugt. Die Kamera 2 ist nahezu senkrecht angeordnet und erfaßt das Schmelzbad 7 und die Stoßfuge 5. Die beiden Beleuchtungslaser 1 sind seitlich angeordnet.
In 2 ist der Sichtbereich 8 dargestellt.
3 zeigt die Beleuchtung der Stoßfuge nach der geringen Aufweitung eines kollimierten Laserstrahls (10). Der Winkel zwischen den beiden Beleuchtungslasern (1) ist mit W bezeichnet.
4 zeigt eine Ausgestaltung, bei der kollimierte Laserstrahlen (10) über eine Zylinderlinse (9) aufgeweitet werden, dann über ein Zylinderlinsenarray (13) in mehrere Teilstrahlen (12) aufgeteilt werden, die nachfolgend gebündelt werden, um die Stoßfuge überlappend zu beleuchten.

1: Beleuchtungslaser
2: Kamera
3: Schweißstrahl
4: Rohr
5: Stoßfuge
6
7: Schmelzbad
8: Sichtbereich
9: Zylinderlinse
10: Laserstrahl
11
12: Teilstrahlen
13: Zylinderlinsenarrays

Claims

Vorrichtung zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen mit einer Kamera (2) und einer flächenhaften Beleuchtung (1), wobei die Kamera (2) an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) ein Schmelzbad (7) und eine Stoßfuge (5) erfasst und die Regelung in Abhängigkeit von einem detektiertem Versatz von Schmelzbad (7) zu Stoßfuge (5) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera eine CCD-Kamera (2) oder eine CMOS-Kamera (2) mit logarithmischer Kennlinie ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) mit einem schmalbandigen Interferenzfilter ausgerüstet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine schmalbandige Beleuchtung.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 800 nm und 1000 nm erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Laserdiode.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lichtleitfaser zum Übertragen von Licht der Beleuchtung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) mittig über der Stoßfuge (5) steht und nur soweit aus der Achse eines Schweißlasers gekippt ist, dass keine Kollision der Kamera (2) mit einem Schweißstrahl (3) stattfindet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlengang der Kamera (2) koaxial in den Strahlengang des Schweißlasers eingespiegelt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mit mindestens zwei seitlichen Lichtquellen (1) erfolgt, die zwischeneinander einen Winkel (W) von 30 bis 150 Grad aufspannen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung eines Oberflächenpunktes in einem Sichtbereich (8) der Kamera (2) durch eine Auffächerung und Teilung eines Strahls (10) eines Beleuchtungslasers (1) in mehrere überlappende Teilstrahlen (12) zumindest in einer Raumebene rechtwinklig zum Stoßverlauf über einen Winkelbereich (B) von 5 bis 30 Grad erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11 gekennzeichnet durch eine Strahlformung mittels Zylinderlinsen oder Zylinderlinsenarrays (13).
Verfahren zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen, bei dem eine kamerabasierte Schmelzbaderfassung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Kamera (2) ein Schmelzbad (7) und eine Stoßfuge (5) erfasst wird und die Regelung in Abhängigkeit von einem detektierten Versatz von Schmelzbad (7) zu Stoßfuge (5) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) beim Erfassen des Schmelzbades (7) und der Stoßfuge (5) mit einem schmalbandigen Interferenzfilter ausgerüstet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine schmalbandige Beleuchtung der zu bearbeitenden Oberfläche erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mit Laserlicht mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen 800 und 1000 mm erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kamera (2) mittig über der Stoßfuge (5) angeordnet wird und nur soweit aus der Achse eines Schweißlasers gekippt wird, dass keine Kollision der Kamera (2) mit einem Schweißstrahl (3) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahlengang der Kamera (2) koaxial in den Strahlengang des Schweißlasers eingespiegelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung mit mindestens zwei seitlichen Lichtquellen (1) durchgeführt wird, die zwischeneinander einen Winkel (W) von 30 bis 150 Grad aufspannen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung eines Oberflächenpunktes in einem Sichtbereich (8) der Kamera (2) durch eine Auffächerung und Teilung eines Strahls (10) eines Beleuchtungslasers (1) in mehrere überlappende Teilstrahlen (12) zumindest in einer Raumebene rechtwinklig zum Stoßverlauf über einen Winkelbereich (B) von 5 bis 30 durchgeführt wird.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zur Regelung der Nahtlage beim Laserschweißen von Stumpfstößen, insbesondere von Flachblechen oder Rohren.