PROZESSKONTROLLE

Aus der Ferne betrachtet Prozessüberwachung beim Remote-Laserstrahlfügen und ihre Möglichkeiten

Die stark verbesserten Strahlqualitäten der modernen Festkörperlasersysteme, bzw. die sehr guten Strahlqualitäten der CO2-Laser haben einer neuartigen Fertigungsstrategie den Weg in die industrielle Produktion gebahnt, dem Remote-Laserstrahlfügen mit großen Fokuslängen. Mit diesem Verfahren können im Vergleich zum konventionellen Punktschweißen die Taktzeiten um bis zu 60% verkürzt werden. Das alleine macht diese Technologie schon für Bereiche wie den Karosserierohbau interessant. In Hinblick auf die Sicherung der Bearbeitungsqualität werden mit dieser Technik zwangsläufig neue Fragen aufgeworfen. Kann aus der großen Entfernung eine zuverlässige Überwachung des Fügeprozesses während der Bearbeitung erfolgen? Sind die bereits für die herkömmlichen Laseroptiken entwickelten Systeme ohne Modifikation im Bereich der Remote-Bearbeitung einsetzbar? Dieser Artikel beschreibt die Ergebnisse beim Einsatz von Systemen zur Online-Prozessüberwachung an industriellen Beispielen und die notwendigen Modifikationen, damit eine größtmögliche Übereinstimmung zwischen den Forderungen der Anwender und den Möglichkeiten der Systeme erreicht wird.

Einleitung Der Einsatz der Remote-Technologie beim Laserstrahlfügen bedeutet für die Überwachung dieser Prozesse keinen grundsätzlich neuen Ansatz. Die hervorragenden Strahlqualitäten und die großen Fokuslängen haben keinen Einfluss auf die grundsätzlichen physikalischen Vorgänge bei der Strahl-StoffWechselwirkung. Daher sind für die Systeme zur Prozessüberwachung auch nur bedingt Modifikationen bzw. Neuentwicklungen notwendig.

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DIE AUTOREN JÜRGEN MÜLLER-BORHANIAN Jürgen Müller-Borhanian studierte an der Universität Stuttgart Physik. Nach wissenschaftlichen Tätigkeiten in den Bereichen Lasermaterialbearbeitung und Prozessüberwachung bei der Lasermaterialbearbeitung am Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) und der Forschungsgesellschaft für Strahlwerkzeuge (FGSW) Stuttgart war er ab 2004 bei der FGSW als leitender Wissenschaftler angestellt. Seit März 2006 ist er bei der Precitec KG tätig und leitet dort die Abteilung Vertrieb Schweißkomponenten.

MARKUS KOGEL-HOLLACHER Nach dem Studium der Physik an der RWTH Aachen und der Diplomarbeit am Institut für Lasertechnik in Aachen ist er seit 1996 Mitarbeiter bei der Precitec Optronik GmbH. Zunächst zuständig für den Vertrieb von Komponenten für die Lasermaterialbearbeitung, ist er seit fünf Jahren Leiter der Abteilung und hauptverantwortlich für nationale und internationale Förder- und Entwicklungsprojekte in dem Themenkomplex Prozessüberwachung und -regelung bei der Lasermaterialbearbeitung.

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Jürgen Müller-Borhanian Precitec KG Tel.: 07225/68 43 32 Fax: 07225/68 49 00 E-Mail: [email protected] Website: www.precitec.de

Für den Bereich der Online-Prozessüberwachung ist der wesentliche Unterschied zu den herkömmlichen Bearbeitungssystemen der große Abstand zwischen Bearbeitungskopf und Werkstückoberfläche. Die Qualität und Zuverlässigkeit der Aussage über den aktuellen Prozesszustand ist eng verknüpft mit der Größe des/der Sensorsichtfeldes/er in Bezug auf die Wechselwirkungszone. Bei großen Fokuslängen sollten daher auch die Abbildungsverhältnisse der Sensoren zur Prozessüberwachung optimiert werden. Zusätzlich ist für den potentiellen Anwender von sehr großem Interesse, wie zuverlässig ein Fehler bei der Bearbeitung von dem nor-

Markus Kogel-Hollacher Precitec Optronik GmbH Tel.: 06106/82 90 33 Fax: 06106/82 90 26 E-Mail: [email protected] Website: www.precitec-optronik.de

malen Prozesszustand unterschieden werden kann. Von Vorteil bei den derzeitigen Anwendungen ist, dass ausschließlich die Nahtgeometrie der I-Naht am Überlappstoß geschweißt wird. Damit kann algorithmisch eine starke Fokussierung auf die nahttypischen Effekte bei dieser Geometrie erfolgen. Im Folgenden werden Beispiele für den Einsatz von Systemen zur Prozessüberwachung bei Remote-Anwendungen dargestellt mit den für den jeweiligen Einsatzfall eingesetzten Sensorkonfigurationen und den Modifikationen, sofern diese applikations- oder systembedingt notwendig sind.

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Prozessüberwachung bei CO2-Laser Remote-Anwendungen Sensorkonfiguration und -integration Bei den Großfeldscanner-Systemen mit Fokuslängen von bis zu 1600 mm ist es in Hinblick auf die Überwachung des Prozesses unabdingbar, die Wechselwirkungszone immer koaxial zum Bearbeitungslaserstrahl zu beobachten. Nur mit dieser Anordnung ist gewährleistet, dass der jeweilige Sensor ausschließlich die Bearbeitungszone im Messfeld hat. Als Beispiel für derartige Scannersysteme können die TrumaScan L4000 der Firma Trumpf bzw. das Remote Welding System RWS der Firma Rofin Sinar angeführt werden. Neben großen Arbeitsbereichen in der

ABBILDUNG 1: Schematische Darstellung der Sensorposition für den RWS von Rofin Sinar.

ABBILDUNG 2: Technische Umsetzung der Sensorkonfiguration für den RWS.

DIE FIRMA Die Precitec Group

Die Precitec KG gilt weltweit als Spezialist für komplexe Systemlösungen auf dem Gebiet der Lasermaterialbearbeitung. Neben vieltausendfach bewährten Schneidköpfen mit integrerter Abstandssensorik verfügt Precitec für den Bereich der Laserschweißtechnik über ein umfassendes Angebot von Bearbeitungsköpfen mit integrierten Sensorsystemen zur Online-Prozesskontrolle sowie zur berührungslosen Nahtverfolgung und Nahtgeometrievermessung. Die Precitec Optronik GmbH arbeitet seit über 14 Jahren erfolgreich mit der Precitec KG zusammen mit dem Schwerpunkt der Entwicklung herausragender Lösungen für die Optoelektronik und Bildverarbeitung.

Ebene bieten beide Scannersysteme auch eine Variation der Z-Position des Laserstrahls an. Für eine Integration von Sensorik in den Strahlengang bedeutet dies, dass die Sensoreinheit immer den richtigen Abstand zur Werkstückoberfläche haben muss. Sinnvoll

ist daher eine direkte mechanische Verknüpfung der Sensorelemente mit der Fokussiereinheit. Diese Anbauposition ist schematisch für den RWS von Rofin Sinar in Abbildung 1 dargestellt.

ABBILDUNG 3: Schematische Darstellung der Sensorposition für den TrumaScan L4000 von Trumpf.

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Die technische Umsetzung dieser Forderung für den Scanner RWS von Rofin Sinar ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Sensorblock ist auf der beweglichen Einheit des Scanners montiert, die auch die Fokussiereinheit trägt. Weiterhin ist mit dieser Position die koaxiale Beobachtung der Wechselwirkungszone optimal gewährleistet. Die Lösung für den Scanner TrumaScan L4000 der Firma Trumpf ist schematisch in der Abbildung 3 dargestellt. Im Gegensatz zu der Lösung aus Abbildung 1 weist die kundespezifische Lösung für den TrumaScan L4000 der Abbildung 3 einen gefalteten Strahlengang auf. Damit ist sichergestellt, dass das Sichtfeld der Kombination aus Temperatur- und Plasmasensor auf der Werkstückoberfläche ausschließlich die Wechselwirkungszone und angrenzende Bereiche umfasst. Die Technische Umsetzung für den TrumaScan ist in Abbildung 4 dargestellt. Die Abbildung zeigt das Abbildungssystem (links im Bild) und die eigentliche Sensorbaugruppe. Um zu gewährleisten, dass bei einer Z-Variation des Laserstrahls eine exakte Abbildung der Wechselwirkungszone auf die Sensoren erfolgt, ist das Abbildungssystem der Sensoreinheit auf dem beweglichen Fokussiermodul des Scannersystems angebracht.

Applikationsergebnisse Das folgende Beispiel zeigt mit dem RemoteVerfahren gefügte Seitenteile eines Sitzrahmens. Auf jedem Bauteil sind vier Schweißverbindungen sichtbar. Diese Seitenteile sind in Abbildung 5 dargestellt, wobei die Bereiche der Schweißverbindungen weiß umrandet sind. Bei der Überwachung der Qualität dieses Prozesses wird die Multi-Sensor-Technologie verwendet, d.h. die Beobachtung erfolgt mit UV-empfindlichen (Plasma) und IR-empfindlichen (Temperatur) Sensoren. Der Vorteil dieser Multi-Sensor-Technologie wurde schon in verschiedenen Anwendungen demonstriert (siehe [1–3]). Wie schon angedeutet ist die Nahtgeometrie dieser Art von Applikationen die I-Naht am Überlappstoß, d.h. neben den typischen Primärparametern wie Laserleistung, Schweißgeschwindigkeit und Fokuslage, sind für die Festigkeit der Schweißung der Parameter Spalt zwischen den Fügepartnern und der Volumenstrom des Schutzgases (in diesem Fall Helium) wichtige Einflussgrößen. Eine Nahtoberraupe einer Schweißung mit nicht optimalem Spaltmaß ist in Abbildung 6 dar-

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ABBILDUNG 4: Technische Umsetzung der Sensorkonfiguration für den TrumaScan L4000.

ABBILDUNG 5: Mit dem Remote Verfahren geschweißte Seitenteile eines Sitzrahmens.

ABBILDUNG 6: Nahteinfall aufgrund eines zu großen Spaltes.

gestellt. Durch den zu großen Spalt ist ein Nahteinfall am Nahtanfang und insbesondere am Nahtende entstanden. Wie sich die Sensorsignale in diesem Fall eines zu großen Spaltes im Überlappstoß und im Falle unzureichender Schutzgasabdeckung verhalten, zeigen die Diagramme in den Abbildungen 7 und 8.

Abbildung 7 zeigt die Signalverläufe als Screenshots des Online-Prozessüberwachungssystems LWM (Laser Welding Monitor) für die verschiedenen Spaltmaße, wobei der Spalt von links nach rechts ansteigt. In den einzelnen Zeilen sind die Laserleistung, das Plasma- und das Temperatursignal dargestellt (von oben nach unten).

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ABBILDUNG 7: Signalverhalten bei Änderung des Spaltmaßes zwischen 0 mm und 0.4 mm (von links nach rechts).

ABBILDUNG 8: Signalverhalten bei Reduktion des Schutzgasvolumenstroms von 8 l/min auf 1 l/min (von links nach rechts).

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Das unterschiedliche Verhalten der Signalkurven für den Plasma-Sensor (Reduktion der Signalamplitude) und den Temperatur-Sensor (Anstieg der Signalamplitude) bei Vergrößerung des Spaltmaßes zeigt die Notwendigkeit und damit den Vorteil des Einsatzes beider Sensoren. Es kann somit speziell für diesen Fehlerfall eine nahezu eindeutige Aussage getroffen werden. Wie sich die Sensorsignale im Falle variierenden Schutzgasvolumenstroms verhalten, ist in Abbildung 8 dargestellt.

Prozessüberwachung bei Festkörperlaser Remote-Anwendungen

ABBILDUNG 9: Anbau von Sensorik zur Prozessüberwachung an eine Scanner-Optik – kamerabasiert oder als Kombination mit Fotodioden.

Sensorkonfiguration und -integration Der Einsatz von Sensorik zur Prozessüberwachung bei Applikationen mit Festkörperlasern unterscheidet zwischen der Integration der Sensoren in Scanneroptiken und in „Standard“-Schweißoptiken mit großen Brennweiten. Ein Anbau zur koaxialen Beobachtung der Wechselwirkungszone ist aufgrund der transmissiven Optiken in beiden Varianten einfach realisierbar. In Abbildung 9 sind nicht nur die Anbaumöglichkeiten der Sensorik an die Bearbeitungsköpfe dargestellt, auch die Kombinationsmöglichkeiten verschiedener Sensortechniken werden aufgezeigt. Bei der Entwicklung einer Überwachungsstrategie für die Applikationen im Bereich „RobScan“ wurde erstmalig die Kombination der beiden Techniken realisiert. Dass der Einsatz von Kameratechnik grundsätzliche Verbesserungen bei der Zuverlässigkeit der Fehlerdetektion bringt, konnte schon in verschiedenen Anwendungen und Präsentationen gezeigt werden (siehe auch [4–6]). Eine der wesentlichen Anforderungen an ein Qualitätsüberwachungssystem ist, auch zur Regelung der Prozesse einsatzfähig zu sein. Die verschiedenen Ansätze in dieser Richtung stützen sich in der Mehrzahl auf Sensoriken, die klassifizierte Aussagen über den aktuellen Prozesszustand generieren. Nach derzeitigem Stand der Technik kann diese Fehlerklassifikation mit dem Einsatz von kamerabasierter Sensorik erreicht werden. Der Unterschied zwischen der Überwachung und der Regelung eines Fertigungsprozesses stellt sich wie folgt dar: Die Systeme zur Überwachung von Fertigungsprozessen generieren im Falle von unerlaubten Prozessunregelmäßigkeiten ein Fehlersignal, auf das je nach Applikation seitens der Maschinensteuerung reagiert wird. Dagegen

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ist die Aufgabe von Systemen zur Regelung von Fertigungsprozessen, den Prozess mit geeigneter Rückkopplung zu den ProzessEingangs-Größen kontinuierlich aufrecht zu halten und durch unmittelbare Kompensation einer negativen Veränderung der Fertigungsqualität vorzubeugen. Voraussetzung für eine Prozessregelung ist, dass die Ursache für jede detektierte, relevante Prozessstörung automatisch analysiert und online zur ihrem Ursprung zurückverfolgt werden kann. Nur dann ist die entsprechende Prozesseingangsgröße vom Verarbeitungssystem als Regelgröße für eine effektive Fehlerkompensation verwendbar. Aufgrund der wechselseitigen Korrelationen der zahlreichen, spezifischen Prozessparameter, ist es jedoch äußerst kompliziert die Fehlerquelle zu identifizieren. Durch den Einsatz von kamerabasierter Sensorik besteht die Möglichkeit, unabhängig von den wechselseitigen Korrelationen die für die jeweilige Applikation hinreichenden Informationen aus dem Prozess zu extrahieren. Aufgrund der hohen Dynamik von Laserbearbeitungsprozessen sind sehr hohe Bildraten notwendig, die jedoch mit der CMOS-

Kameratechnik problemlos erzielt werden können.

Applikationsergebnisse Die Ergebnisse beziehen sich auch hier auf eine Anwendung aus dem Rohbaubereich in der Automobilindustrie, wie schon im vorherigen Abschnitt angedeutet. Es werden beidseitig verzinkte Bleche verschweißt, womit das Spaltmaß zwischen den Blechen zu den äußerst sensiblen Parametern gehört. Die Folge eines zu großen Spaltes ist ein Nahteinfall, der dazu führt, dass die geforderte Nahtfestigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Das Potential der kamerabasierten Sensorik, den Spalt zwischen den beiden Fügepartner zu detektieren, zeigt die Abbildung 10. Es wird deutlich, dass die Information über das Spaltmaß in der Ausdehnung der keyholenahen Schmelze liegt. Die Vermessung dieses Schmelzbades gelingt nur mit einem ortsauflösenden Sensor. Im Verlaufe der Entwicklung konnten die einzelnen Sensormodule bei der Fehlererkennung die folgenden Fähigkeiten nachweisen:

ABBILDUNG 10: Videobilder einer koaxial zum Bearbeitungslaser angebauten Kamera für folgende Spaltmaße: 0 mm, 0.15 mm und 0.4 mm (von links nach rechts).

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Fotodiodenbasierte Sensorik: ● Unzureichenden Durchschweißung ● Schmelzbadauswürfe ● Leistungsverlust Kamerabasierte Sensorik: ● Spaltmaß zwischen den Blechen ● Fehlendes Bauteil (zu nahe an der Bauteilkante) ● Nahteinfall bis zur vollständigen Trennung Die Aufzählung zeigt, dass die schnellen Prozessänderungen (Auswürfe, Spritzer) weiterhin eine Domäne der integrierenden Sensorik bleiben, wobei Prozessstörungen, die sich in der Deformation des Schmelzbades zeigen, mit Bildverarbeitungsalgorithmen sicher erkannt werden können.

Fazit Die angeführten Beispiele machen deutlich, dass für die Überwachung der Remote/Scanner-Prozesse keine vollständig neue Sensorik notwendig ist. Lediglich bei der Integration der Sensormodule in die Bearbeitungssysteme gibt es Unterschiede zur herkömmlichen Technik. In Bezug auf die Überwachung des Schweißprozesses sind Lösungen verfügbar, die direkt integrierbar sind. Die Erfahrungen aus den industriellen Applikationen zeigen, dass für die wesentlichen Bearbeitungsfehler eine eindeutige Erkennung gewährleistet ist. Auch beim Einsatz von Prozessüberwachungssystemen bei der Remote-/ScannerTechnologie wird die Erkenntnis bestätigt, dass mit der Kombination von verschiedenen Sensortechniken ein großer Schritt

in Richtung klassifizierter Fehlererkennung gegangen wurde. Das ist ein wichtiger Baustein für eine vollständige Prozessregelung bis hin zu sogenannten „Autonomen Produktionszellen“. Wir danken der Firma Johnson Control, Inc. (JCI) und ihrem Laserschweißteam, insbesondere Carl Klein, Mark Williamson und Anthony Kestian, für die Zusammenarbeit und das zur Verfügung stellen einiger der Bilder zu diesem Artikel.

Literatur [1] Hatwig, A., Kutzner, R., Jurca, M.: Laser Magazin 4 (1990) 20 [2] Griebsch, J., Schlichtermann, L., Jurca, M., Hoving, W., Nillesen, W.: Quality Assurance of Industrial Spot Welding with a Pulsed Nd:YAG-Laser; Proceedings ICALEO 1996 164 [3] Griebsch, J., Hügel, H., Dausinger, F., Jurca, M.; Quality Assurance in Pulsed Laser Welding; Proceedings ICALEO 1995, 603-612 [4] Goth, K.; Herzinger, T.; Kogel-Hollacher, M: “Online quality assurance of laser welded edge joints in series production”, EALA 2002 [5] Dietz, C.; Jurca, M.; Schlichtermann, L.; Kogel-Hollacher, M.; Breitschwerdt, S.; Schmid, C.; Rowold, L.; “Closed-Loop Control System for Laser Welding of Transmission Parts”, Proc. ICALEO 1998, LIA Vol. 85c [6] Kaierle, S.; Abels, P.; Kapper, G.; Kratzsch, C.; Michel, J.; Schulz, W.; Poprawe, R.; ICALEO 2001 (2001) E-12

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