DE10255497B4

DE10255497B4 - Method and device for controlling laser energy parameters in laser beam spot welding

Info

Publication number: DE10255497B4
Application number: DE2002155497
Authority: DE
Inventors: Gerd Dr.-Ing. Eßer; Michael Dr.-Ing. Schmidt
Original assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Current assignee: Blz Bayerisches Laserzentrum Gemeinnuetzige Forschungsgesellschaft Mbh; BLZ GmbH
Priority date: 2002-11-27
Filing date: 2002-11-27
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2022-11-28
Also published as: DE10255497A1

Abstract

Verfahren zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
– Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle (6) mit einem Laser-Messstrahl (2) gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl (2),
– Erfassung der in der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Reflexion (R) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes (U_ON),
– Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse (A) auftretenden Streuung (S) des Messstrahles (2) an der Schweißstelle (6) und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes (U_OFF),
– Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle (6) signifikanten Kennwertes (Q) aus dem Reflexionswert (U_ON) und dem Streuwert (U_OFF), und – Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle (6) auf einen oder mehrere Parameterwerte (P_H, τ_H) in Abhängigkeit des Kennwertes (Q) gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.Method for controlling laser energy parameters in laser beam spot welding, in particular of conductive, reflective materials, characterized by the following method steps:
- Actuation of the respective point welding point (6) with a laser measuring beam (2) of the same wavelength as the welding beam (2),
Detecting the reflection (R) of the measuring beam (2) occurring in the laser beam axis (A) at the welding point (6) and determining a reflection value (U _ON ) representative thereof,
Detecting the scattering (S) of the measuring beam (2) outside the laser beam axis (A) at the welding point (6) and determining a scatter value (U _OFF ) representative thereof,
Determining a characteristic value (Q) significant for the surface quality of the respective spot welding point (6) from the reflection value (U _ON ) and the scattering value (U _OFF ), and - regulating a laser energy parameter for spot welding at the respective spot welding point (6) one or more parameter values (P _H , τ _H ) as a function of the characteristic value (Q) in accordance with a predetermined association between these two values.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen insbesondere von leitfähigen, reflektiven Materialien.The The invention relates to a method and a device for regulation of laser energy parameters in laser beam spot welding in particular of conductive reflective materials.

Zum Hintergrund der Erfindung ist auf die zunehmende Miniaturisierung der Fügezone beispielsweise bei der Verschweißung von elektronischen Bauelementen auf Leiterbahnen zu verweisen. Viele in der Elektronikproduktion eingesetzte Materialien sind für die Laserbearbeitung nur wenig geeignet, da aufgrund der Geometrie der Fügezonen, wegen der verwendeten Materialpaarungen etc. Fügesituationen entstehen, bei denen das sogenannte Prozessfenster sehr klein ist. Ein Beispiel hierfür bildet die Cu-Leadframe-Montage, bei der ein Laserstrahl-Mikroschweißen als Verbindungsprozess zwar grundsätzlich in Frage kommt. Eine Sicherstellung der Reproduzierbarkeit der Fügeverbindung konnte dabei jedoch bisher nur über Inline-Überwachung oder Einstellung prozessrelevanter Einflussgrößen und die Applikation einer komplexen Leistungsregelung erfolgen.To the Background of the invention is to the increasing miniaturization the joining zone for example, in the welding of electronic components to refer to tracks. Many in electronics production used materials are for the laser processing only little suitable, because of the geometry the joining zones, because of the material pairings used etc. joining situations arise at where the so-called process window is very small. An example therefor forms the Cu lead frame assembly, in the case of a laser beam micro welding as a joining process though basically it is a possibility. Ensuring the reproducibility of the joint connection but it was only possible over Line monitoring or setting of process-relevant parameters and the application of a complex power control.

Aus der DE 195 22 493 A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung einer gewünschten Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahls in ein Werkstück sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt, bei dem die Bearbeitungsstelle mit einem Messlaserstrahl beaufschlagt wird. Mittels eines Sensors wird zudem eine in der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls an der Schweißstelle erfasst und ein dafür repräsentativer Reflexionswert bestimmt. Ferner wird mittels eines Sensors eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Reflexion des Messstrahls detektiert.From the DE 195 22 493 A1 is a method for determining the instantaneous and bringing about a desired penetration depth of a machining laser beam in a workpiece and an apparatus for performing this method is known, in which the processing site is acted upon by a measuring laser beam. By means of a sensor also occurring in the laser beam axis reflection of the measuring beam is detected at the weld and determines a representative reflection value. Furthermore, a reflection of the measuring beam occurring outside the laser beam axis is detected by means of a sensor.

Die JP 06-099 292 A bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Laser-Bearbeitung, bei der eine außerhalb der Laser-Strahlachse auftretende Streustrahlung erfasst wird. Jedoch wird diese Messgröße dazu verwendet, um einen Schmelzbeginn an der Bearbeitungsstelle zu detektieren.The JP 06-099292 A relates to a method and a device for laser machining, where one is outside the laser beam axis occurring scattered radiation is detected. However, this measure becomes this used to detect a start of melting at the processing site.

Ein Lösungsansatz zur eingangs erörterten Problematik ist in dem Fachartikel Hoving, W.: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. In: Geiger, M.; Otto, A. (Hrsg.): Laser in der Elektronikproduktion & Feinwerktechnik (Tagungsband: LEF'99), Bamberg: Meisenbach, 1999. 19 – 21 angegeben. Die dort vorgestellte Methode hat sich jedoch nicht als ausreichend prozesssicher erwiesen. Speziell beim Fügen von Kupfermaterialien ändert sich das Absorptionsverhalten bei der Erwärmung durch die Ausbildung von Oxidschichten auf der Kupfer-Oberfläche stark. Dies bedingt einen extrem von der Oberfläche abhängigen und damit schlecht reproduzierba ren Energieeintrag pro Laserpuls, was zu signifikanten Prozessschwankungen führt. Damit kann die bei industriellen Fertigungsprozessen geforderte Zuverlässigkeit nicht erreicht werden.One approach to the problem discussed at the beginning is in the article Hoving, W .: Laser Technology in Electronic Packaging and Joining. In: Geiger, M .; Otto, A. (ed.): Laser in electronics production & precision engineering (Conference volume: LEF'99), Bamberg: Meisenbach, 1999. 19-21 specified. However, the method presented there has not been described as sufficiently reliable proved. Especially when joining Copper materials changes the absorption behavior during heating by the training of oxide layers on the copper surface strong. This requires one extremely from the surface dependent and thus poorly reproducible energy input per laser pulse, which leads to significant process fluctuations. This can be used in industrial Manufacturing processes required reliability can not be achieved.

Aus den Fachartikeln von Lim, D. C.; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 41 – 49 und Lim, D. C; Gweon, D. G.: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor – Part 2: quality estimation using an artifical neural network. In: ImechE (Hrsg.): Proc. Instn. Mech. Engrs. – Volume 213, 1999. 51 – 57 ist es bekannt, für die Prozessüberwachung einen außerhalb der Strahlachse angebrachten Infrarot-Sensor zu verwenden. Dieser detektiert das Temperaturprofil beim Punktschweißen von Elektronenröhren für Fernsehgeräte, was Rückschlüsse auf die räumliche Ausprägung der Schmelzbadgeometrie und der Wärmeeinflusszone im Schweißpunkt erlaubt. Um die Vielzahl der Abhängigkeiten zwischen Signal und interessierenden Kenngrößen der Punktschweißung zu modellieren, wird ein künstliches neuronales Netzwerk trainiert, das bis zu 95 % Korrelation erreicht. Die in diesem Stand der Technik untersuchte Fügesituation schafft hinsichtlich der Materialauswahl Edelstahl und der Fügegeometrie allerdings nahezu ideale Bedingungen für eine Punktschweißung, sodass nur eine geringe Schwankungsbreite der Sensorsignale zu verzeichnen ist. Zudem wird hier eine Aussage über die Schweißqualität erst nach erfolgter Schweißung getroffen. Eine Regelung des Schweißprozesses selbst ist nicht vorgesehen.Out the technical articles of Lim, D. C .; Gweon, D.G .: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor - Part 1: the radiation feature as a criterion for quality monitoring. In: ImechE (ed.): Proc. Instn. Mech. Engrs. - Volume 213, 1999. 41 - 49 and Lim, D.C .; Gweon, D. G .: A new criterion for quality monitoring of pulsed laser spot welding using an infrared sensor - Part 2: quality estimation using an artifical neural network. In: ImechE (ed.): Proc. Instn. Mech. Engrs. - Volume 213, 1999. 51-57 it is known for the process monitoring one outside the beam axis attached to use infrared sensor. This detects the temperature profile during spot welding of electron tubes for televisions what Conclusions on the spatial shaping allowed the Schmelzbadgeometrie and the heat affected zone in the weld. To the variety of dependencies between signal and interesting parameters of spot welding modeling becomes an artificial one neural network that achieves up to 95% correlation. The joining situation investigated in this prior art creates with regard to However, the material selection stainless steel and the joining geometry almost ideal conditions for a spot weld, so that only a small fluctuation range of the sensor signals can be recorded is. In addition, a statement about the quality of welding only after successful welding met. A regulation of the welding process itself is not intended.

Aus dem Fachartikel Tönshoff, H.K; Schumacher, J.: Genau auf den Punkt gebracht – Prozeßkontrolle beim Nd: YAG-Laserstrahlschweißen unter Windows. In: F & M 104 (1996) 9, München: Carl Hanser, 1996. 605 – 608 ist es für das Nd:YAG-Laserstrahlschweißen von dünnen Edelstahlfolien mit Hilfe einer Punktenaht bekannt, dass helle, spektral breitbandig emittierte Prozessleuchten zu detektieren, das auch als Sekundärleuchten bezeichnet wird. Diese Sekundärleuchten wird On-axis – also in der Laser-Strahlachse – über die Laserfaser zum Detektor übertragen, der innerhalb des Lasergehäuses angebracht ist. Eine Wandlung dieses Leuchtens in ein Signal ermöglicht somit die Überwachung des gesamten Schweißprozesses und kann für Rückschlüsse auf die erzielte Schweißquelle genutzt werden. Für die gleiche Spiegelgeometrie ist es aus dem Fachartikel von Bagger, C.: Investigations in On-Line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP. 91-02/PI. 91.1-A, Procestteknisk Institut, Danmarks Tekniske Hojskole, 1991 bekannt, die On-axis-reflektierte Laserstrahlleistung zu detektieren, die zur Abschätzung der Ausbildung der sogenannten Dampfkapillare verwendet wird. Eine lineare Korrelation dieses Signals mit der durch metallografische Probenanalysen bestimmten Einschweißtiefe ist hier die Basis für eine Regelung, die darüber hinaus auch aus dem Beitrag Beyer, E.: Systeme zur Prozeßüberwachung und Regelung in der Laserfertigungstechnik. In: Fhg ILT (Hrsg.): Tagungsband des Aachener Kolloquium für Lasertechnik '95.2 – 25 bekannt ist. Auch hier wird nicht innerhalb eines Schweißpulses geregelt, es erfolgt vielmehr eine Anpassung der Laserparameter von einem Schweißpunkt zum nächsten.From the technical article Tönshoff, HK; Schumacher, J .: Accurate to the point - process control in Nd: YAG laser welding under Windows. In: F & M 104 (1996) 9, Munich: Carl Hanser, 1996. 605-608 it is known for the Nd: YAG laser beam welding of thin stainless steel foils with the aid of a Punktaht that bright, spectrally broadband emitted process lights to detect the Also referred to as secondary lights. These secondary lights are transmitted on-axis - ie in the laser beam axis - via the laser fiber to the detector, which is mounted inside the laser housing. A conversion of this lighting in a signal thus allows the monitoring of the entire welding process and can be used to draw conclusions about the achieved welding source. For the same mirror geometry, it is from the article by Bagger, C .: Investigations in On-line Process Control of the Laser Welding Process. Publication No. AP. 91-02 / PI. 91.1-A, Procestteknisk Institute, Danmarks Tekniske Hojskole, 1991, the To detect on-axis reflected laser beam power, which is used to estimate the formation of the so-called vapor capillary. A linear correlation of this signal with the weld depth determined by metallographic sample analyzes is the basis for a control, which is also described in the article Beyer, E .: Systems for Process Monitoring and Control in Laser Production Technology. In: Fhg ILT (Hrsg.): Conference volume of the Aachener Kolloquium for laser technology '95 .2 - 25 is well-known. Again, it is not regulated within a welding pulse, but rather an adjustment of the laser parameters from one spot to the next.

Ein erster Ansatz zu einer Echtzeit-Impulsenergiebegrenzung bzw. Leistungsregelung wird in dem Fachartikel Kußmaul, K; Schäfer, M.: Energiedosierung – eine neue Perspektive für den Einsatz des Lasers in der Mikro verbindungstechnik. In: VTE 2/94. 81- 87 dargestellt. Hier wird die in der Laser-Strahlachse reflektierte Leistung im Zeit- und Frequenzbereich untersucht, um nach Einschalten des Laserpulses zum Zeitpunkt t₀ den Zeitpunkt t_M des ersten Aufschmelzens der Oberfläche zu detektieren. Die Zeitspanne von t_M bis zum Pulsende wird dann konstant gehalten, während t_M – t₀ variabel bleibt. Damit werden die Schwankungen der Leistungsabsorption durch die oberflächliche Oxidschicht aufgefangen.A first approach to a real-time pulse energy limit or power control is in the article Kußmaul, K; Schäfer, M .: Energy dosing - a new perspective for the use of lasers in micro connection technology. In: VTE 2/94. 81-87. Here, the power reflected in the laser beam axis in the time and frequency domain is examined in order to detect the time t _{M of} the first melting of the surface after switching on the laser pulse at time t ₀ . The time span from t _M to the end of the pulse is then kept constant, while t _M - t ₀ remains variable. Thus the fluctuations of the power absorption are absorbed by the superficial oxide layer.

Gerade beim Schweißen von Kupfer in der Elektronikproduktion führen schon leichte Veränderungen der Oberfläche, wie geringfügige Oxidation oder Rauigkeitsunterschiede dazu, dass diese Stellen mit für ungestörte Oberflächen festgelegten Prozessparametern nicht mehr fehlerfrei geschweißt werden können, d. h. die Prozessfenster für das Verschweißen auf solchen unterschiedlichen Oberflächen überlappen sich nicht.Just when welding of copper in electronics production are already making slight changes the surface, like minor Oxidation or roughness differences that these sites with set for undisturbed surfaces Process parameters can no longer be welded without errors, d. H. the process window for the weld together on such different surfaces do not overlap.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung von Laser-Energieparametern beim Laserstrahl-Punktschweißen anzugeben, mit dem auch kritische Oberflächen- und damit Prozessfenster-Bedingungen besser beherrschbar werden.From that The invention is based on the object, a method and a device for controlling laser energy parameters in Laser spot welding specify, with the also critical surface and thus process window conditions become more manageable.

Diese Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrensschritte wie folgt gelöst:

– Beaufschlagung der jeweiligen Punkt-Schweißstelle mit einem Laser-Messstrahl gleicher Wellenlänge wie der Schweißstrahl,
– Erfassung der in der Laser-Strahlachse auftretenden Reflexion des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Reflexionswertes,
– Erfassung der außerhalb der Laser-Strahlachse auftretenden Streuung des Messstrahles an der Schweißstelle und Bestimmung eines dafür repräsentativen Streuwertes,
– Ermittlung eines für die Oberflächenbeschaffenheit der jeweiligen Punktschweißstelle signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und dem Streuwert, und
– Regeln eines Laser-Energieparameters für die Punktschweißung an der jeweiligen Punktschweißstelle auf einen oder mehrere Parameterwerte in Abhängigkeit des Kennwertes gemäß einer vorbestimmten Zuordnung zwischen diesen beiden Werten.

This object is achieved in procedural terms by the method steps indicated in claim 1 as follows:

- impingement of the respective point welding point with a laser measuring beam of the same wavelength as the welding beam,
Detecting the reflection of the measuring beam at the welding point occurring in the laser beam axis and determining a reflection value representative thereof;
Detecting the scattering of the measuring beam occurring outside the laser beam axis at the welding point and determining a representative scatter value,
Determination of a characteristic value of the reflection value and the scattering value which is significant for the surface condition of the respective spot welding point, and
- Controlling a laser energy parameter for the spot welding at the respective spot welding point to one or more parameter values as a function of the characteristic value according to a predetermined association between these two values.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt auf das oberflächenabhängige Reflektions- und Streuverhalten der Fügezone auf, das mit Hilfe eines Messstrahles zu einem repräsentativen Reflektionswert und einem repräsentativen Streuwert führt. Bei diesen beiden Werten kann es sich beispielsweise um das Messsignal entsprechender Fotodetektoren handeln. Wie Versuche im Rahmen der Entwicklung der Erfindung gezeigt haben, können Reflektions- und Streuwert zu einen Kennwert verknüpft werden, der für die Oberflächenbeschaffenheit der erfassten Punktschweißstelle signifikant ist. Aufgrund dieses Kennwertes können ein oder mehrere Laser-Energieparameter für die an der untersuchten Stelle erfolgende Punktschweißung, also die Pulsleistung und/oder Pulsdauer und/oder Pulsform gemäß einer vorbestimmten Zuordnung geregelt werden. Diese Zuordnung ist beispielsweise durch die Bestimmung der verschiedenen Prozessfenster für bestimmte Oberflächenbeschaffenheiten ermittelt worden. Näheres hierzu ergibt sich aus der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.The inventive method relies on the surface-dependent reflection and scattering behavior of the joining zone on the basis of a measuring beam to a representative Reflection value and a representative Litter value leads. For example, these two values may be the measurement signal act corresponding photodetectors. As experiments in the context of Development of the invention have reflected and scattered value linked to a characteristic value be that for the surface texture the detected spot weld is significant. Because of this characteristic, one or more laser energy parameters may be used for the spot welding at the point of examination, ie the pulse power and / or pulse duration and / or pulse shape according to a predetermined Assignment be regulated. This assignment is for example by the determination of the different process windows for certain surface textures been determined. For details, This is apparent from the description of the embodiment.

Dieses Verfahren wird vor oder zu Beginn jedes Punktschweißvorganges – also von Punkt zu Punkt – durchgeführt, ist also eine Echtzeit- Laserparameterregelung durch eine Vermessung des lokalen Oberflächenzustandes in der jeweiligen Fügezone. Damit ist für jeden Schweißpunkt eine hohe Zuverlässigkeit für eine ordnungsgemäße Schweißverbindung gegeben.This Procedure is before or at the beginning of each spot welding process - ie Point to point - is done So a real-time laser parameter control by measuring the local surface condition in the respective Joining zone. In order to is for every spot weld a high reliability for one proper weld given.

Gemäß bevorzugten Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Messstrahl ein gesonderter, dem eigentlichen Schweißstrahl zeitlich vorgelagerter Probestrahl verwendet werden. Als Alternative dazu kann der eigentliche Schweißstrahl am Pulsanfang als Messstrahl verwendet und während seiner verbleibenden Pulsdauer auf den signifikanten Parameterwert geregelt werden. In der Praxis bedeutet dies, dass beispielsweise bei Verwendung einer festen Pulsleistung die Pulsdauer entsprechend eingestellt wird.According to preferred Further developments of the method according to the invention can be used as a measuring beam separate, the actual welding beam temporally upstream Sample beam can be used. As an alternative, the actual welding beam used at the beginning of the pulse as a measuring beam and during its remaining Pulse duration are controlled to the significant parameter value. In In practice, this means that, for example, when using a fixed pulse power the pulse duration is set accordingly.

Durch die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehene Verwendung mindestens zweier Off-axis-Photodioden zur Erfassung der seitlichen Streuung werden Fehlmessungen, wie sie beispielsweise durch eine Verkippung der Werkstückoberfläche relativ zum Laserstrahl auftreten könnten, vermieden. Für den Streuwert wird dabei ein aus den Signalen der mindestens zwei Off-axis-Detektoren gemittelter Wert angesetzt.By according to a preferred Ausfüh tion form intended use of at least two off-axis photodiodes for detecting the lateral scattering are incorrect measurements, as might occur, for example, by tilting the workpiece surface relative to the laser beam avoided. For the scattering value, a value averaged from the signals of the at least two off-axis detectors is used.

In rechentechnischer Hinsicht hat es sich als besonders einfach herausgestellt, zur Ermittlung des signifikanten Kennwertes aus dem Reflexionswert und Streuwert einen Quotienten zu bilden. Dies ist die am einfachsten zu realisierende aussagefähige Rechenoperation zwischen den zwei Größen.In From a computational point of view, it has turned out to be particularly easy for determining the significant characteristic value from the reflection value and Scattering to form a quotient. This is the easiest way meaningful arithmetic operation to be realized between the two sizes.

Die weiterhin beanspruchte Vorrichtung zur Regelung von Energieparametern eines Schweißlasers wird neben einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in der folgenden Beschreibung anhand der bei gefügten Zeichnungen näher erläutert. Insoweit erübrigen sich nähere Ausführungen an dieser Stelle. Es zeigen:The Furthermore claimed device for controlling energy parameters a welding laser is next to an embodiment the method according to the invention in the following description with reference to the attached drawings explained in more detail. in this respect unnecessary get closer versions at this point. Show it:

1 eine schematische Darstellung einer Laserstrahl-Punktschweißeinrichtung mit einer Regelungsvorrichtung für die Laser-Energieparameter, 1 a schematic representation of a laser beam spot welding device with a control device for the laser energy parameters,

2 ein Prozessfenster-Diagramm von Pulsleistung in Abhängigkeit von Pulsdauer bei einem Punktschweißvorgang, 2 a process window diagram of pulse power as a function of pulse duration in a spot welding process,

3 ein Korrelationsdiagramm zwischen Reflektions- und Streuwert, und 3 a correlation diagram between reflection and scattering, and

4 ein Korrelationsdiagramm der Pulsleistung in Abhängigkeit des Kennwertes aus Reflektions- und Streuwert. 4 a correlation diagram of the pulse power as a function of the characteristic value of reflection and scattering value.

Die 1 zeigt einen gepulsten Laser 1, dessen Laserstrahl 2 über eine Lichtleitfaser 3 zu dem eigentlichen Bearbeitungskopf herangeführt wird. Der Laserstrahl 2 wird über eine dichroitischen Spiegel 4 und eine Strahlformungslinse 5 auf die Fügezone 6 einer Punktverschweißung zwischen einer dünnen Kupferschicht 7 auf einem Substrat 8 und dem Anschlussbeinchen 9 eines nicht näher dargestellten elektronischen Bauelements gerichtet. In Verlängerung der Lichtleitfaser 3 überwacht koaxial zur Laserstrahlachse A jenseits des dichroitischen Spiegels 4 eine erste Fotodiode 10 – die Laser-Monitor-Diode – die vom Laser emittierte Leistung, um diese für die im Folgenden erläuterten Regelungszwecke als Sollgröße zur Verfügung zu haben.The 1 shows a pulsed laser 1 , whose laser beam 2 over an optical fiber 3 is introduced to the actual processing head. The laser beam 2 is about a dichroic mirror 4 and a beam-shaping lens 5 on the joining zone 6 a spot weld between a thin layer of copper 7 on a substrate 8th and the connection leg 9 directed an electronic component not shown. In extension of the optical fiber 3 monitored coaxially with the laser beam axis A beyond the dichroic mirror 4 a first photodiode 10 - the laser monitor diode - the power emitted by the laser in order to have it available as a target value for the control purposes explained below.

Oberhalb des dichroitischen Spiegels 4 ist ebenfalls koaxial zur Laserstrahlachse A eine Fotodiode 11, im Folgenden „On-axis-Diode" genannt, angeordnet, die die in der Laserstrahlachse A auftretende Reflektion R des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfasst.Above the dichroic mirror 4 is also coaxial to the laser beam axis A, a photodiode 11, hereinafter referred to as "on-axis diode", arranged, which occurs in the laser beam axis A reflection R of the laser beam 2 in the joining zone 6 detected.

Ferner sind in einem Winkel W von beispielsweise 60° zur die Werkstückebene darstellenden Horizontalen zwei weitere Fotodioden 12, 13 – die Off-axis-Dioden – radial gegenüberliegend bezogen auf die Laserstrahlachse A angeordnet, die die außerhalb der Strahlachse A auftretende Streuung S des Laserstrahls 2 in der Fügezone 6 erfassen.Further, at an angle W of, for example, 60 ° to the workpiece plane horizontal representing two more photodiodes 12 . 13 - The off-axis diodes - arranged radially opposite relative to the laser beam axis A, which occurs outside the beam axis A scattering S of the laser beam 2 in the joining zone 6 to capture.

Schließlich ist eine Signalauswerte- und Regeleinrichtung 14 vorgesehen, die mit dem Laser 1, der Laser-Monitor-Photodiode 10, der On-axis-Photodiode 11 und den beiden Off-axis-Photodioden 12, 13 in mess- und regeltechnischer Weise gekoppelt ist. In dieser Regeleinrichtung 14 werden die im Folgenden näher erläuterten Bestimmungen und Berechnungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgenommen und der Laser 1 entsprechend in seiner Pulsdauer τ_H und/oder Pulsleistung P_H und/oder Pulsform gesteuert.Finally, a signal evaluation and control device 14 provided with the laser 1 , the laser monitor photodiode 10 , the on-axis photodiode 11 and the two off-axis photodiodes 12 . 13 coupled in terms of measurement and control technology. In this control device 14 the provisions and calculations for implementing the method according to the invention, which are explained in more detail below, are made and the laser 1 controlled according to its pulse duration τ _H and / or pulse power P _H and / or pulse shape.

Bevor hierauf näher eingegangen wird, wird anhand von 2 das Prozessfenster-Diagramm eines Punktschweißvorgangs bei einer Kupfer-Oberfläche erläutert. In dem Diagramm ist die Pulsleistung P_H gegenüber der Pulsdauer τ_H aufgetragen und dabei die Leistungsgrenze des Lasers strichliert mit dem Bezugszeichen 15 angedeutet. Explizit schafft der von dem Diagramm repräsentierte Laser also eine Leistung von 4 kW bis zu einer Pulsdauer von knapp 6 ms. Anschließend sinkt bei steigender Pulsdauer die maximale Laserleistung auf 2,5 kW bei 10 ms.Before this is discussed in more detail, is based on 2 explains the process window diagram of a spot welding process on a copper surface. In the diagram, the pulse power P _{H is} plotted against the pulse duration τ _H , while the power limit of the laser dashed lines with the reference numeral 15 indicated. Explicitly, the laser represented by the diagram thus provides a power of 4 kW up to a pulse duration of just under 6 ms. Then, as the pulse duration increases, the maximum laser power drops to 2.5 kW at 10 ms.

Für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche gilt das von der Laser-Leistungsgrenze 15 und der mit durchgezogener Linie gezeigten Unter grenze 16 markierte Prozessfenster ➀. Eine geschliffene Oberfläche ist relativ gut reflektierend, sodass zur Erzeugung einer zuverlässigen Schweißverbindung eine relativ hohe Laserenergie, also eine hohe Leistung bei geringer Pulsdauer oder eine hohe Pulsdauer bei geringerer Laserleistung eingebracht werden muss. Zuverlässige Verbindungen werden bei Laserparametern erreicht, die in der Mitte des Prozessfensters liegen, beispielsweise bei einer Pulsdauer von 5 ms und einer Leistung von 3,5 kW oder einer Pulsdauer von 8 ms und einer Pulsleistung von 2,5 kW. Bei gleicher Pulsdauer würde eine Laserleistung von 2 kW unterhalb des Prozessfensters ➀ liegen und damit zu keiner Verbindung führen.For a ground copper surface, this is true of the laser power limit 15 and the lower limit shown by a solid line 16 marked process window ➀. A ground surface is relatively well reflective, so that to produce a reliable weld a relatively high laser energy, ie a high power at low pulse duration or a high pulse duration at lower laser power must be introduced. Reliable connections are achieved with laser parameters located in the middle of the process window, for example with a pulse duration of 5 ms and a power of 3.5 kW or a pulse duration of 8 ms and a pulse power of 2.5 kW. With the same pulse duration, a laser power of 2 kW would lie below the process window ➀ and thus lead to no connection.

Die beiden strichpunktierten Linien 17 geben die Obergrenzen der Prozessfenster ➁ und ➂ für eine oxidierte bzw. geschliffene, oxidierte Kupfer-Oberfläche an. Die Untergrenzen 18 sind punktiert angedeutet. Gut erkennbar liegen diese Prozessfenster ➁ und ➂ deutlich unterhalb des Prozessfensters ➀ für eine geschliffene Kupfer-Oberfläche. Dies ist dadurch bedingt, dass durch die oberflächliche Oxidation das Reflektionsvermögen herabgesetzt ist und damit ein höherer Energieeintrag in die Fügezone stattfindet. Insoweit wird die Laserenergie besser umgesetzt, womit entsprechend eine geringere Leistung und/oder Pulsdauer verwendet werden kann. Gute Schweißverbindungen werden bei einer oxidierten Oberfläche beispielsweise mit einer Laserleistung von 3 kW bei einer Pulsdauer von 4 ms, einer Leistung von 2 kW und einer Pulsdauer von 7 ms usw. erzielt.The two dash-dotted lines 17 specify the upper limits of the process windows ➁ and ➂ for an oxidized or ground, oxidized copper surface. The lower limits 18 are indicated by dots. Well visible are these process windows ➁ and ➂ well below the process window ➀ for a ground copper surface. This is due to the fact that due to the superficial oxidation, the reflectance is reduced and thus a higher energy input takes place in the joining zone. In that regard, the laser energy is better implemented, which accordingly a lower power and / or pulse duration can be used. Good welds are achieved with an oxidized surface, for example with a laser power of 3 kW with a pulse duration of 4 ms, a power of 2 kW and a pulse duration of 7 ms, etc.

Um nun die Beschaffenheit der Oberfläche an der jeweiligen Punktschweißstelle, also in der jeweiligen Fügezone 6, zu erfassen, werden die Reflektion R und die Streuung S mit Hilfe der Dioden 11, 12, 13 nach Aufbringen eines pulsartigen Messstrahles auf die Fügezone erfasst. Der Messstrahl kann dabei ein niedrigenergetischer, vom Laser 1 ausgesandter Strahl bzw. der eigentliche Schweißstrahl in seiner Startphase sein. Als Zeitfenster kann beispielsweise eine Messdauer von 100 bis 300 μs am Anfang des bis zu 10 ms dauernden Schweißpulses verwendet werden.Now to the nature of the surface at the respective spot welding point, ie in the respective joining zone 6 , to grasp the reflection R and the scattering S by means of the diodes 11 . 12 . 13 detected after applying a pulse-like measuring beam to the joining zone. The measuring beam can be a low-energy, from the laser 1 be emitted beam or the actual welding beam in its starting phase. As a time window, for example, a measurement duration of 100 to 300 microseconds can be used at the beginning of up to 10 ms continuous welding pulse.

In 3 ist nun für verschiedene Oberflächenzustände die maximale Diodenspannung der Fotodiode 11 – das grauunterlegte On-axis-Signal U_ON im Diagramm – als repräsentativer Reflektionswert, die gemittelte maximale Diodenspannung der beiden Dioden 12, 13 – das kreuzschraffiert unterlegte Off-axis-Signal U_OFF – als repräsentativer Streuwert aufgetragen. So ergibt sich bei einer spiegelnden, blanken Oberfläche (linke Balkengruppe in 3) ein hoher Reflektionswert U_ON von über 8 V Diodenspannung, wogegen der Streuwert U_OFF mit 2 V gemittelter maximaler Diodenspannung demgegenüber gering ist. Bei blank oxidierter Oberfläche (zweite Balkengruppe von links) kehren sich die Verhältnisse um, indem das On-axis-Signal U_ON niedrig ist (geringere Reflektion) und das Off-axis-Signal U_OFF sich vervielfacht hat (Streuung durch raue oxidierte Oberfläche). Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei einer geschliffenen, oxidierten Oberfläche (rechte Balkengruppe in 3) bzw. etwas abgeschwächt bei einer geschliffenen Oberfläche (zweite Balkengruppe von rechts in 3).In 3 is now the maximum diode voltage of the photodiode for different surface states 11 - the gray-shaded on-axis signal U _ON in the diagram - as a representative reflection value, the average maximum diode voltage of the two diodes 12 . 13 - The cross-hatched backed off-axis signal U _OFF - applied as a representative scatter value. This results in a specular, shiny surface (left - hand group in 3 ), a high reflection value U _ON of over 8 V diode voltage, whereas the scattering value U _OFF with 2 V average averaged diode voltage is low contrast. In the case of blank oxidized surface (second group of bars from the left) the conditions are reversed by the on-axis signal U _{ON being} low (lower reflection) and the off-axis signal U _OFF having multiplied (scattering by rough oxidized surface) , Similar conditions result for a ground, oxidized surface (right - hand group of bars in 3 ) or slightly weakened at a ground surface (second group of bars from the right in 3 ).

Aus dem On-axis- U_ON und Off-axis-Signal U_OFF wird beim erfindungsgemäßen Regelungsverfahren nun ein signifikanter Kennwert in Form des Quotienten Q = U_ON/U_OFF dieser beiden Werte gebildet, der in 3 als weißpunktiert unterlegter Balken dargestellt ist. Wie sich ohne weiteres aus einem Vergleich der Signalquotienten Q bei den unterschiedlichen Oberflächenzuständen ergibt, sind diese Quotienten signifikant für den jeweiligen Oberflächenzustand. Insofern kann der so in Echtzeit ermittelte Signalquotient Q als Kennwert für die Regelung der Pulsleistung, Pulsdauer oder Pulsform des für die Punktverschweißung an dieser Stelle verwende ten Laserpulses herangezogen werden. Der entsprechende Parameter wird dabei beispielsweise aus der in 4 gezeigten mathematischen Näherungsfunktion ermittelt, die die zu verwendende Pulsleistung P_H bei sich ändernden Signalquotienten Q zeigt. Die beiden Linien 19 und 20 stellen dabei die untere und obere Prozessfenstergrenze und die Linie 21 die optimale Leistung in Abhängigkeit des Signalquotienten dar. Oben ist im Diagramm gemäß 4 wieder die Leistungsgrenze 15 des Lasers strichliert eingetragen.From the on-axis U _ON and off-axis signal U _OFF , a significant characteristic value in the form of the quotient Q = U _ON / U _{OFF of} these two values is now formed in the control method according to the invention 3 is shown as white dotted underlayed bar. As can readily be seen from a comparison of the signal quotients Q for the different surface states, these quotients are significant for the respective surface state. In this respect, the thus determined in real time signal quotient Q can be used as a characteristic value for the control of the pulse power, pulse duration or pulse shape of the point for welding at this point th laser pulse used. The corresponding parameter is, for example, the in 4 shown mathematical approximation function shows the pulse power to be used P _H with changing signal quotient Q. The two lines 19 and 20 set the lower and upper process window limits and the line 21 the optimal performance depending on the signal quotient. Above is in the diagram according to 4 again the power limit 15 the laser is registered by dashed lines.

Statt der in 1 gezeigten, getrennten Fotodioden 11, 12, 13 für die On-axis-Erfassung der Reflektion und die Off-axis-Erfassung der Streuung des Laserstrahles kann anstelle der On-axis-Photodiode 11 ein Mehrquadranten-Fotodetektor angebracht werden. Dieser weist zentral eine On-axis-Photodiode und außerhalb der Strahlachse A radial beabstandete Dioden auf, die dann als Off-axis-Detektoren arbeiten.Instead of in 1 shown, separate photodiodes 11 . 12 . 13 for the on-axis detection of the reflection and the off-axis detection of the scattering of the laser beam may be used instead of the on-axis photodiode 11 a multi-quadrant photodetector will be installed. This has centrally an on-axis photodiode and outside the beam axis A radially spaced diodes, which then work as off-axis detectors.

Claims

Method for controlling laser energy parameters in laser beam spot welding, in particular of conductive, reflective materials, characterized by the following method steps: - applying the respective spot weld ( 6 ) with a laser measuring beam ( 2 ) of the same wavelength as the welding beam ( 2 ), - detecting the reflection (R) of the measuring beam occurring in the laser beam axis (A) ( 2 ) at the weld ( 6 ) and determination of a reflection value (U _ON ) representative thereof, - detection of the scattering (S) of the measuring beam occurring outside the laser beam axis (A) ( 2 ) at the weld ( 6 ) and determination of a representative scatter value (U _OFF ), - determination of a surface quality of the respective spot weld ( 6 ) significant characteristic value (Q) from the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ), and - controlling a laser energy parameter for the spot welding at the respective spot weld location ( 6 ) to one or more parameter values (P _H , τ _H ) as a function of the characteristic value (Q) according to a predetermined association between these two values.

Method according to claim 1, characterized in that that as a measuring beam a separate, the actual welding beam temporally upstream sample beam is used.

A method according to claim 1, characterized in that as the measuring beam, the actual welding beam ( 2 ) used at the beginning of the pulse and the Welding jet ( 2 ) is controlled to the significant parameter value during its remaining pulse duration (τH).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for the detection of the lateral scattering (S) at least two off-axis photodiodes ( 12 . 13 ) whose measuring signals are averaged to determine the scattering value (U _OFF ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized that for the detection of reflection (R) and lateral scattering (S) a arranged on the laser beam axis multi-quadrant photodiode is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a quotient (Q) of the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ) is formed to determine the significant characteristic value.

Device for controlling energy parameters of a welding laser ( 1 ) in laser beam spot welding in particular of conductive, reflective materials comprising - a pulsed laser beam source ( 1 ) for generating a laser measuring beam ( 2 ) of the same wavelength as the welding beam ( 2 ), - a coaxial to the laser beam axis (A) arranged in the laser beam axis (A) occurring reflection (R) of the measuring beam ( 2 ) at the weld ( 6 ) detecting reflection photodetector ( 11 ), - at least one outside of the laser beam axis (A) arranged, the outside of the laser beam axis (A) occurring scattering (S) of the measuring beam ( 2 ) at the weld ( 6 ) detecting stray photodiode ( 12 . 13 ), and - one with the welding laser ( 1 ), the reflection photodetector ( 11 ) and the scatter photodetector ( 12 . 13 ) coupled signal evaluation and control device ( 14 ) for = determination of a reflection value (U _ON ) representative of the reflection (R) and of a scatter value (U _OFF ) representative of the scattering (S), = determination of a surface quality of the respective spot weld (U _ON ) 6 ) significant characteristic value (Q) from the reflection value (U _ON ) and the scatter value (U _OFF ), and = regulation of a laser energy parameter for the spot welding at the respective spot weld ( 6 ) to a parameter value (P _H , τ _H ) as a function of the characteristic value (Q) according to a predetermined association between these two values.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the laser beam source for the measuring beam from the welding laser ( 1 ) itself is formed.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized by at least two off-axis photodiodes ( 12 . 13 ) for the detection of lateral scattering.

Apparatus according to claim 7 or 8, characterized by a multi-quadrant photodiode arranged coaxially with the laser beam axis (A) for detecting both the reflection (R) and the scattering (S).