Optische Kohärenztomografie für das Laserschweißen

Die OCT-Überwachungstechnologie von Lessmüller Lasertechnik ermöglicht eine hochgenaue, berührungslose Nahtführung sowie Qualitätskontrolle. Das System erweitert die Möglichkeiten der Echtzeit-Prozessüberwachung und Qualitätssicherung bei unterschiedlichen Bearbeitungsprozessen, primär beim Laserschweißen.

 

  • Echtzeit-Schweißnahtführung, Prozessüberwachung und Qualitätssicherung beim Laserschweißen und Löten
  • Direkte hochauflösende Höhenmessungen und multidimensionale Visualisierung
  • Präzise und schnelle Online-Bestimmung von Schweißposition, Schweißebene, Einschweißtiefe und Schweißnahtprofil
  • Online-Fehlererkennung und Autokorrektur für eine Reduzierung von Ausschussproduktion, Prüfkosten und Nacharbeitsquote
  • Kompakte und leichte Gestaltung, geringe Störkontur

       OCT-Sensor       OCT-Scanner            OCT-IPC

               OCT-Sensor                             OCT-Scanner                                      OCT-IPC

  • Einfache Adaption an gängige Laserschweißoptiken mit Kameraanschluss.
  • Mess- und Auswertungseinheiten sind auf der Bedienerseite und mit dem OCT-Scanner gekoppelt
  • Robustes Industriedesign: Staubdichter Aufbau (IP-64) mit roboterschlepptauglichem Kabel und Schnittstellen
  • Kommunikation über Standard-Feldbusse (Profinet, Profibus, Ethercat, Devicenet, Ethernet, Ethernet/IP, 0–10 V Analogsignal)
Integration des OCT-Systems am Beispiel einer Lessmüller LSO-Schweißoptik

Integration des OCT-Systems am Beispiel einer Lessmüller LSO-Schweißoptik.

 

Die OCT-Überwachungstechnologie ermöglicht eine hochgenaue, berührungslose Nahtführung und erweitert die Möglichkeiten der Echtzeit-Prozessüberwachung und Qualitätssicherung.

Der integrierte Lichtstrahl im OCT-Sensor ist in einen Referenzarm und einen Messarm aufgeteilt. Das aufgeteilte Licht wird auf einen Spiegel im Referenzarm und auf die Bearbeitungsoberfläche im Messarm projiziert und zum OCT-Interferometer zurückgeworfen.

Durch Laufzeitvergleich wird der Längenunterschied des Messarms relativ zum Referenzarm bestimmt. Dadurch wird eine Tiefenmessung abgebildet. Dreidimensionale Profile entstehen durch laterale Abtastung der Bauteiloberfläche mit dem OCT-Scanner und gleichzeitiger Tiefenmessungen mit dem OCT-Sensor.

Während des aktiven Schweißprozesses wird die Bauteiloberfläche mit 98.400-Messpunkten pro Sekunde pro Rasterbild μm-genau abgetastet. Ein Rasterbild umfasst den gesamten Bereich der Schweißstoßfuge, des Schmelzbades und der erkalteten Naht.

 

Integration des OCT-Systems in die starre Lessmüller LSO-Schweißoptik: Schematische Darstellung der OCT-Messungen (siehe blaue Punktlinien) an der Kehlnaht unter 0°-Einstrahlkonfiguration. Rechts und links befinden sich OCT-Messbilder und entsprechende Querschnittsprofilfotos der Schweißstoßfuge (Pre-Prozess) und der erkalteten Naht (Post-Prozess)

Integration des OCT-Systems in die starre Lessmüller LSO-Schweißoptik: Schematische Darstellung der OCT-Messungen (siehe blaue Punktlinien) an der Kehlnaht unter 0°-Einstrahlkonfiguration. Rechts und links befinden sich OCT-Messbilder und entsprechende Querschnittsprofilfotos der Schweißstoßfuge (Pre-Prozess) und der erkalteten Naht (Post-Prozess).

 

In das OCT integrierte Auswertungsalgorithmen werden dazu verwendet, die Position der Schweißstoßfuge unmittelbar vor der Wirkzone in Echtzeit präzise zu detektieren.

Schweißoptik, Roboter oder ein anderes Führungssystem nutzen die OCT-Output-Signale, um die aktuelle Bearbeitungsstrahlposition exakt zu regeln. Simultan wird die Einschweißtiefe ermittelt, indem die Tiefenmessungen entlang des flüssigen Schmelzbades erfasst werden und die maximale Tiefe akquiriert wird.

Diese Information kann über Feldbusse übermittelt werden, um ggf. die Laserleistung in Echtzeit zu regulieren. Gleichzeitig wird das Oberflächenprofil der erkalteten Schweißnaht aufgenommen, die Aufschluss über qualitätsrelevante Informationen zur fertigen Laserschweißnaht gibt.

 

Adaptation für das Laser Remote-Schweißen

OCT ermöglicht dem Bearbeitungslaserkopf Schweißstoßfuge oder Naht selbstgesteuert zu verfolgen, und dies unabhängig der aktuellen Bewegungsrichtung des Laserkopfs und ohne vorherige Kalibrierung oder vorgegebene Informationen über die Bahnkurve.

Integration des OCT-Systems am Beispiel einer Remote-Scanner-Schweißoptik (hier: SCANLAB intelliWELD 30 FC V)

Integration des OCT-Systems am Beispiel einer Remote-Scanner-Schweißoptik (hier: SCANLAB intelliWELD 30 FC V).

 

Mit der koaxialen Ausrichtung des OCT-Strahls zum Bearbeitungsstrahl erfolgt die Messung in Maschinekoordinaten - und dies ungeachtet der Schweißrichtung. Zudem lässt sich das Scanfeld frei bestimmen, wobei der Messtrahl flexibel positioniert werden kann.

OCT verfügt über einen großen Arbeitsabstand und ist daher immun gegen Fokusänderungen aufgrund von Scannerspiegelbewegungen oder Veränderungen des Abstandes zum Bauteil.

Das System nutzt den Weglängenmodulator. Damit kann die Höhenposition jedes Punktes auf der Bauteiloberfläche bei der variablen Fokussierung des Remote-Schweißsystems im Arbeitsbereich von 390 mm ermittelt werden.

OCT erlaubt Messungen mit unterschiedlichen Einstrahlwinkeln ohne notwendiges Rekalibrieren und ermöglicht „on-the-fly“-Nahtführung. Die höhenbasierte OCT-Messung ist besonders vorteilhaft  für spezielle Schweißgeometrien, die für strukturierte Lichtmessungen problematisch sind.

OCT kommt bei allen Anwendungen zum Einsatz – unabhängig von Verteilung und Orientierung der Schweißbahnen.

 

Vorteile:

  • Exakte Regelung der Schweißposition
  • μm-präzise Schweißprozess- und Qualitätsüberwachung für optimale Schweißqualität
  • OCT-Genauigkeit ist durch Prozessleuchten unbeeinflusst
  • Störfaktoren im Prozessumfeld wie z.B. Befestigungselemente haben keinen Einfluss auf Nahtführung und Bearbeitungszykluszeiten
  • Die axiale Messgenauigkeit ist unabhängig von der Fokussierung
  • Vermessung und ggf. Regelung der Einschweißtiefe
  • Erfassung, Auswertung, Videoaufzeichnung und Dokumentation (ggf. einschließlich Qualitätsnachweis) sowie Post-Analyse der OCT-Messdaten
  • Datenverarbeitungs-Geschwindigkeit ist kompatibel mit der Schweißgeschwindigkeit und ermöglicht Applikationen für ein zeiteffizientes „on-the-fly“-Laserschweißen und eine flexible Produktion
  • Simple QS-Lösung für unterschiedliche Laserschweiß- und Lötprozesse
  • Zuverlässig im Betrieb bei Applikationen mit höchster Genauigkeit