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Bei der abtragenden Lasermaterialbearbeitung wird durch einen auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks fokussierten Laserstrahl Material aufgeschmolzen und durch eine geeignete Gasströmung durch Überdruck oder Unterdruck ausgetrieben Durchdringt der Laserstrahl das Werkstück, so wird vom Laserschneiden gesprochen, ansonsten vom Laserabtragen. Beim Laserschweissen werden zwei Werkstückteile zugleich an der Nahtstelle aufgeschmolzen und so miteinander verbunden Bei auftragenden Laserverfahren werden zusätzlich Werkstoffe zugerührt, aufgeschmolzen und so mit dem Werkstück verbunden Wird das Werkstück umgeschmolzen, legiert ö. ä., spricht man von Oberflächenbehandlung durch Laserstrahlen.
Soll bei diesen Bearbeitungsverfahren ein System zur Prozessbeobachtung, - kontrolle oder -regelung eingesetzt werden, so sind die Temperatur des Schmelzbades und dessen Position relativ zum Fokus des Bearbeitungsstrahls die wichtigsten zu messenden Prozessparameter Zur Messung des Abstandes des Schmelzbades bzw. der Werkstückposition gibt es mehrere gebräuchliche Möglichkeiten wie taktile und kapazitive Messung, Triangulation oder Ausnutzung der chromatischen Aberration : Die einfachste Anordnung besteht aus einem taktilen Sensor wie einem mechanischem Fühler oder einem Laufrad. Soll jedoch mit einem derartige taktilen Sensor eine komplexe
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Geometrien einsetzbar Bei der kapazitiven Abstandsmessung wird die Tatsache ausgenützt, dass sich die Kapazität zwischen dem Bearbeitungskopf und dem Werkstück mit deren Abstand voneinander ändert.
Durch Messung der Kapazitätsänderung kann so auf eine Abstandsänderung geschlossen werden. Nachteilig bei dieser Methode ist, dass sie dann nicht eingesetzt werden kann, wenn eine Plasmawolke über dem Schmelzbad entsteht, und dass weder tiefe dreidimensionale Oberflächen noch einzelne, ortlich genau bestimmte Punkte aufgenommen werden können Bei der Triangulationsmessung mit kohärentem Licht wird ein Hilfslaser eingesetzt, der koaxial oder seitlich auf die zu erfassende Stelle des Werkstücks gerichtet und dort diffus reflektiert wird. Mittels eines positionsempfindlichen Detektors wird diese kohärente Rückstrahlung aufgenommen und daraus die Position des Auftreffpunktes bestimmt.
Hier wird die mögliche Messauflösung bei Einsatz von praktikablen Optiken durch das Auftreten von sogenanntem Speckle- Rauschen beschränkt, einem Störeinfluss durch Interferenzerscheinungen
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sowohl Fehler durch Interferenzerscheinungen vermieden werden können als auch der Leuchtfleck möglichst klein gehalten werden kann (vgl DE 42 06 499 C2). Nachteilig bei diesem Verfahren ist die starke Justierempfindlichkeit des Systems und die schwierige Kompensation der Auswirkungen einer sich ändernden Leuchtfleckgrösse. Eine andere Methode nutzt den wellenlängenabhängigen Brechungsindex, d h. die chromatische Aberration der Bearbeitungslinse aus (vgl EP 0811 453 A2).
Hier wird die Rückprojektion der Schmelzbadstrahlung durch die Bearbeitungslinse auf die Apertur der Glasfaser für den Bearbeitungslaserstrahl gemessen, indem diese Strahlung, die durch die Glasfaser in den Resonator geleitet wird, dort ausgekoppelt wird und in zwei Frequenzbänder im sichtbaren (0. 3-0 7 pu) und infraroten (1.1-1.6 pm) Bereich geteilt wird. Die Schmelzbadstrahlung wird schliesslich in diesen beiden Bereichen gemessen und aus dem Verhältnis der beiden Signale eine Regelgrösse zur Abstandsregelung gewonnen Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass durch die Messung von zwei Frequenzbändern der Schmelzbadstrahlung die Auflösung als auch die Linearität gering ist, sowie diese Messsignale stark von der Temperatur des Schmelzbades abhängen.
Ebenso ist es nicht möglich, auf diese Art den Absolutabstand zwischen Linse und Schmelzbad zu messen.
Vorliegende Erfindung stellt eine Verbesserung der letztgenannten Messmethode dar, indem mittels eines Spektroskops oder Monochromators die Farbe des Bildpunkte des Schmelzbades In einem fixen, von der Bearbeitungsoptik entfernten Abstand gemessen wird Mit derselben Messvorrichtung kann auch die gesamte Strahlungsemission des Schmeizbades spektral aufgelöst gemessen werden Dadurch wird sowohl eine genaue, von den Prozessparametem unabhängige Abstandsmessung als auch Temperaturmessung des Schmelzbades möglich.
Die gegenständliche Erfindung basiert auf den wellenlängenabhängigen Fokussierungseigenschaften der Bearbeitungsoptik bei der Lasermaterialbearbeitung. Der Rohstrahl aus einer Laserquelle wird im einfachsten Fall durch die sogenannte Bearbeitungslinse auf ein Werkstück fokussiert und erwärmt am Auftreffpunkt das Werkstück. Dieses wird dadurch in der erwärmten Zone zur Emission von inkohärenter Strahlung angeregt Die Wellenlänge der Emission mit der
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hochsten Strahldichte hängt unter anderem von der Temperatur ab.
Diese Strahlung trifft auch auf die Bearbeitungslinse und wird von ihr entgegen der Richtung des Bearbeitungslaserstrahls fokussiert Aufgrund des wellenlängenabhängigen Brechungsindexes besitzt die Bearbeitungslinse für verschiedene Wellenlängen verschiedene Fokussierungseigenschaften (chromatische Aberration). Dies bedeutet, dass der Bildpunkt der erwärmten Zone (z. B Schmelzbad) je nach Wellenlänge in verschiedener Entfernung von der Bearbeitungslinse liegt. So liegt z. B. der grüne Bildpunkt des Schmelzbades näher bei der Bearbeitungslinse als der rote.
Im Bildpunkt ist die Intensität des gerade fokussierten Strahlungsanteils um ein vielfaches grösser als die der restlichen Strahlung
Verschiebt man das Werkstück und damit die emittierende Oberfläche bezüglich der Bearbeitungslinse, so verschieben sich auch die Orte der Bildpunkte der verschiedenen Wellenlängen Nimmt man also einen fixen Bezugspunkt zur Bearbeitungslinse an, z. B. eine Apertur in einem Ablenkspiegel im Strahlengang, so verändert sich die Farbe der Schmelzbadabbildung an diesem Punkt je nach der Entfernung des Schmelzbades von der Bearbeitungslinse. Diese Farbe (Wellenlänge) jenes Teiles der Schmelzbadstrahlung, der genau auf diese Apertur abgebildet wird, kann gemessen werden und somit auch der Abstand vom Schmelzbad zur Bearbeitungsoptik errechnet werden.
Die Bestimmung dieses Maximums im Spektrum der Schmelzbadstrahlung erfolgt vorzugsweise mittels eines Spektroskops.
Bisher (s EP 0 811 453 A2, LUMONICS) wurde die Schmelzbadstrahlung nur In zwei Wellenlängenbändem gemessen und dadurch ein Wert fur das Verhältnis der Strahlungsintensitäten der beiden Wellenlängenbereiche gewonnen Dieses Verhältnis der Strahlungsintensitäten ist stark von der Temperatur des Schmelzbades abhängig. Bei der gegenständlichen Patentanmeldung werden diese Nachteile vermieden, indem die Wellenlänge des Strahlungsanteils mit der höchsten Intensität erfasst wird, unabhängig von der Intensität der Gesamtstrahlung.
Bisher konnte auch nicht der Absolutwert des Abstandes vom Schmelzbad zur Bearbeitungslinse bestimmt werden, was erst durch Messung der Wellenlänge des Farbanteils mit der höchsten Intensität gelingt, da dadurch bei Kenntnis der Brechungseigenschaften der Bearbeitungslinse auf den Absolutabstand rückgerechnet werden kann.
Diese Messanordnung ermöglicht es darüber hinaus die Temperatur des Schmelzbades zu berechnen. Die Strahlung des Schmelzbades (sog. Temperaturstrahlung) hat ein Emissionsmaximum bei einer gewissen Wellenlänge, deren Wert von der Temperatur abhängt.
Diese liegt, für bei der Lasermaterialbearbeitung üblichen Temperaturen, im Infrarotbereich ( > 1 J, Jm). Durch Bestimmung der Wellenlänge, bei der dieses Emissionsmaximum des Schmelzbades auftritt, kann auf dessen Temperatur rückgerechnet werden. Die Bestimmung dieser Wellenlänge erfolgt in gleicher Weise wie die Messung der Wellenlänge des Schmelzbadabbildes Gegenüber den bisherigen Verfahren zur Temperaturbestimmung, bei denen die Schmelzbadtemperatur nicht koaxial mit dem Bearbeitungslaserstrahl sondern seitlich gemessen wurde, kann nun das Schmelzbad direkt gemessen werden, was bei seitlicher Anordnung einer Temperaturmessanordnung bei grossen Bearbeitungstiefen nicht möglich ist.
Es muss allerdings darauf geachtet werden, dass in diesem Fall die chromatische Aberration der Bearbeitungslinse einen negativen Einfluss hat, da das tatsächliche Strahlungsspektrum des Schmelzbades aufgenommen werden muss Um dem zu begegnen gibt es mehrere Möglichkeiten : - Man kann fur die Temperaturmessung einen derart grossen Abstand von der Bearbeitungslinse wählen, dass die relative Bewegung des Werkstückes keinen grossen Einfluss auf die Leistungsdichte der Infrarotstrahlung am Ort der Apertur mehr hat.
- Nachdem der Abstand des Schmelzbades von der Bearbeitungslinse durch obige Anordnung bestimmt wurde, kann auch die Beeinflussung des Schmelzbadspektrums durch die Bearbeitungslinse am Ort der Apertur berechnet werden. Mit diesen Werten kann diese Verschiebung auch wieder rechnerisch kompensiert werden, wodurch eine Temperaturbestimmung ermöglicht wird. Dadurch ist es möglich dieselbe Apertur und Messvomchtung sowohl zur Abstandsmessung als auch zur Temperaturmessung zu verwenden.
Das am häufigsten eingesetzte Verfahren zur genauen punktuellen Abstandsmessung ist die Messung der Kapazität zwischen Bearbeitungskopf und Werkstück. Diese Kapazität kann aber während des Bearbeitungsvorganges nicht bestimmt werden, da die Messung durch das Bearbeitungsplasma gestört wird. Deswegen muss der Laser Im Pulsbetrieb betrieben werden, wobei in den Pausen die Kapazität gemessen wird. Bei vorliegender Erfindung kann die Abstandsmessung auch während der Bearbeitung vorgenommen werden.
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Eine Möglichkeit zur Auskopplung der Schmelzbadstrahlung ist die Anbringung einer Apertur In einen Ablenkspiegel, wobei das Loch in Richtung zur Bearbeitungslinse angebracht ist Die Grösse der Öffnung kann gegenüber dem Durchmesser des Laserstrahl sehr gering gehalten werden, wodurch es zu keiner Beeinträchtigung der Strahlqualität kommt Der Ablenkspiegel als reflektierendes Optikelement kann auch bei Höchstleistungslasern eingesetzt werden, wohingegen die Verwendung einer transmissiven Optik mit entsprechender wellenlängenabhängiger Beschichtung zur Auskopplung der Schmelzbadstrahlung nur bei geringeren Leistungen möglich wäre.
Ausserdem wird das Spektrum der gemessenen Schmelzbadstrahlung durch eine transmissive Optik stark beeinflusst
Das Messgerät zur Bestimmung des Spektrums kann direkt hinter dem Loch Im Ablenkspiegel positioniert werden.
Um die Grösse der Apertur möglichst gering zu halten und dennoch eine gute Auskopplung der Schmelzbadstrahlung zu erreichen, kann in der Spiegelöffnung ein Glasfaserkabel angebracht werden, das diese Strahlung zu einem Spektrometer führt Dadurch wird die Anordnung des Spektrometers zur Apertur auch positionierunempfindlicher
Transmissionsminima der Bearbeitungsiinse in bestimmten einzelnen Wellenlängenbereichen können zur Verfälschung von Messergebnissen führen. Diese Fehler können vermieden werden, indem ein Wellenlängenbereich zur Abstandsbestimmung gewählt wird, der in einem Transmissionsmaximum liegt. Der Wellenlängenbereich wird durch den Abstand der Messapertur von der Bearbeitungslinse festgelegt.
Eine andere Möglichkeit ist die Messung und Abspeicherung des Transmissionsverhaltens der Bearbeitungsoptik in einem Digitalrechner, um eine rechnerische Kompensation des Emissionsspektrums vorzunehmen, bei Einsatz des Signals zu Regelungszwecken vorzugsweise in einem digitalen Signalprozessor.
Mit der Information über Schmelzbadtemperatur und Position können wichtige Messgrössen für die Regelung von verschiedenen Lasermaterialbearbeitungsprozessen gefunden werden. Neben dem Schweissen und Schneiden ist die vorliegende Erfindung besonders für die ab- und auftragende Laserbearbeitung geeignet, da die Emissionsstrahlung koaxial mit dem Laserstrahl gemessen wird und so auch tiefe schmale Spuren erfasst werden können.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen :
Fig. 1 den Strahlengang der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Messung von Temperatur und
Abstand des Schmelzbades bei der Lasermaterialbearbeitung.
Fig. 2 eine erfindungsgemässe Anordnung zur Messung der Wellenlänge der Schmelzbadstrahlung
Die Bearbeitungslinse (1) ist achromatisch, wie dies durch zwei verschiedene Brennpunkte angedeutet ist. In Fig 1a) befindet sich das Werkstück (2) bzw. das Schmelzbad (3) in einem solchen Abstand von der Bearbeitungslinse, dass jener Bildpunkt (4) der Schmelze, der im langwelligeren Bereich liegt, an der Sensorapertur (5) abgebildet wird. Der kurzwellige Teil der Strahlung hat seinen Bildpunkt (6) näher bei der Linse In Fig. 1b) wurde das Werkstück und somit, das Schmeizbad um z in Richtung der Linse verschoben. Dadurch wird auch der Bildpunkt mit dem kurzwelligeren Lieht zur Apertur des Sensors bewegt.
Kann nun die Wellenlänge des jeweiligen Intensitätsmaximums, das durch die Abbildung an der Apertur entsteht, bestimmt werden, so kann auch auf die genaue Position des Schmelzbades bezüglich der Bearbeitungslinse geschlossen werden.
Eine erfindungsgemässe Anordnung zur Bestimmung von Position und Temperatur des Schmelzbades bei der Lasermaterialbearbeitung ist in Fig. 2 dargestellt. Diese Abbildung zeigt eine übliche Anordnung einer Lasermaterialbearbeitungsanlage, bestehend aus einer Laserquelle (11), einer Fokussierungslinse (1) und einem Werkstück (2). Der Laserstrahl (13) wird durch einen Spiegel (7) auf das Werkstück gelenkt. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Messung der Wellenlänge jenes Teils der Schmelzbadstrahlung, der am Messpunkt abgebildet wird.
In der Fig. 2 ist dies das Bild (8) der Schmelze auf dem Umlenkspiegel Die Wellenlänge wird in dieser Anordnung dadurch bestimmt, dass in den Spiegel ein zentrales mit dem Laserstrahl koaxiales Loch gebohrt wird, in dem eine Glasfaser (9) angebracht ist, durch die Schmelzbadstrahlung nach Fokussierung auf die Apertur (12) zu einem Spektroskop (10) geführt wird.
Patentansprüche :