Qualitätssicherung IV – Prozessüberwachung durch Pyrometrie
Die Möglichkeiten zur Kontrolle des Fügeprozesses beim Laserkunststoffschweißen sind breit gefächert. Stand der Technik sind dabei vor allem indirekte Methoden, die die Schweißnaht selbst nicht beurteilen, aber anhand verschiedener Überwachungsgrößen und -merkmale Rückschlüsse auf die zu erwartende Nahtqualität erlauben. Beim weit verbreiteten (Quasi-) Simultanschweißen ist dies z. B. die sogenannte Fügewegüberwachung, bei der die prinzipbedingte Relativbewegung der Fügepartner zueinander über die Prozesszeit als Kurve aufgenommen wird, welche nach charakteristischen Punkten, dem Verlauf und vorgegebenen Grenzen inline ausgewertet werden kann.
Wird als Verfahrensvariante das sogenannte Konturschweißen ohne Fügeweg gewählt – und steht dieser Parameter somit nicht zu Verfügung – kann zur Prozessüberwachung die Pyrometrie, also die berührungslose Temperaturmessung zur Kontrolle und Prozessregelung eingesetzt werden. Dabei wird an der aktuellen Laserposition ein Teil der entstehenden Wärmestrahlung aus der Prozesswärme erfasst, um wiederum Rückschlüsse auf die Temperatur und den Energieeintrag durch den Laser zu ziehen. Faktoren, die zu Temperaturschwankungen führen können, sind (neben den Prozessparametern selbst) die Bauteilbeschaffenheit, vorrangig die Lasertransmission, Ungleichmäßigkeiten in der Wärmeleitung – die durch Formfehler oder Nahtdefekte entstehen können – oder unerwünschte Verbrennungen an der Bauteiloberfläche. Das erfasste Temperatursignal kann dabei nicht nur zur Prozessbewertung, sondern auch zur –regelung eingesetzt werden. Typischerweise wird dazu anhand des Signals die eingebrachte Laserenergie über die Laserleistung oder Vorschubgeschwindigkeit während der Fügeoperation kontinuierlich angepasst, mit dem Ziel, eine möglichst konstante Temperatur zu erreichen.
Die bei der Pyrometrie herangezogene Wärmestrahlung liegt vorwiegend im kurzwelligen Infrarotbereich und unterliegt beim Materialdurchgang dadurch einer gewissen Dämpfung. Bei Messung an der Bauteiloberfläche kommt die Streuung und zeitliche Verzögerung der erfassten Strahlung nachteilig zum Tragen, die zu einer zeitlichen und räumlichen Unschärfe führen können. Diese Faktoren sind stark material- und geometrieabhängig und können die Größe erkennbarer Nahtdefekte einschränken, dennoch ist die Pyrometrie in vielen Fällen ein geeignetes Mittel, die Prozesssicherheit deutlich zu erhöhen.