Das Laserstrahlhartlöten ist ein etabliertes Fügeverfahren in der Automobilindustrie. Dennoch können kleine Prozessfenster sowie sporadisch auftretende Prozessfehler immer wieder zu erhöhten Ausschussraten führen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird daher eine integrierte, kamerabasierte Prozessüberwachung und -steuerung für das Laserstrahlhartlöten entwickelt und evaluiert.
In einem ersten Schritt werden mit Hilfe einer kombinierten Prozessbeobachtung, bestehend
aus zwei Kamerasystemen für unterschiedliche Wellenlängenbereiche sowie einer Beleuchtung, Grundlagenversuche zur Visualisierung von Prozessfehlern und Nahtunregelmäßigkeiten durchgeführt. Das gesamte Sensorsystem ist koaxial zum Strahlengang des Bearbeitungslasers in die Bearbeitungsoptik integriert. Die Visualisierung verschiedener Fehlerklassen wird gezeigt und der Beitrag der Kamerasysteme zur Erfassung der Prozessfehler wird zusammengefasst.
In einem zweiten Schritt wird basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen ein bauraumoptimiertes Prozessüberwachungssystem abgeleitet und in eine industrieerprobte Laserlötoptik integriert. Das kompakte Sensorsystem besteht nun aus einer koaxial integrierten Kamera sowie einer quasi-koaxialen Beleuchtung.
Zur automatisierten Auswertung der Kameraaufzeichnungen werden Bildverarbeitungsalgorithmen verwendet und in einer echtzeitfähigen Hardwareumgebung implementiert. Mit diesem Ansatz werden zwei Prozessüberwachungsapplikationen realisiert. Zum einen wird eine Porenerkennung umgesetzt, welche eine Analyse der Nahtoberfläche bereits während des Fügeprozesses ermöglicht. Zum anderen wird auf Basis des zeitlichen Versatzes zwischen zwei aufeinanderfolgenden Bildern die Vorschubgeschwindigkeit des Prozesses ermittelt. Die Leistungsfähigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung wird an der dreidimensionalen Nahtkontur einer Heckklappenlötung demonstriert. Laserleistung und Drahtvorschub werden auf Basis der gemessenen Geschwindigkeit adaptiv gesteuert.
Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zeigen, dass sich eine kamerabasierte Prozessüberwachung zielführend für den Laserstrahlhartlötprozess einsetzen lässt. Einerseits kann mit Hilfe der optischen Information aus der Prozesszone die Anwesenheit von Oberflächenporen detektiert werden. Andererseits kann aus der optischen Information die Vorschubgeschwindigkeit abgeleitet und zur Gewährleistung einer konstanten Nahtqualität eingesetzt werden. Damit wird eine weitere Automatisierung der Lasermaterialbearbeitung ermöglicht.