DD237271A1 - Anordnung zur steuerung von verfahrensparametern waehrend der werkstoffbearbeitung mittels laserstrahlen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die waehrend der Laserwerkstoffbearbeitung die Steuerung der Laserausgangsleistung, des Abstandes zwischen Fokussierungsoptik und Werkstueckoberflaeche oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstueck in Abhaengigkeit von der Temperatur in der Bearbeitungszone und damit von der eingebrachten Strahlungsenergie bzw. eines bestimmten Bearbeitungsergebnisses ermoeglicht. Sie ist insbesondere zum Fuegen und Oberflaechenbehandeln geeignet. Um die Messgenauigkeit gegenueber bisher bekannten Anordnungen zu erhoehen, besteht die Aufgabe der Erfindung in der Erfassung eines moeglichst grossen Raumwinkelbereichs der reflektierten Strahlung oder der emittierten Waermestrahlung. Zur Loesung der Aufgabe ist erfindungsgemaess die Schutzgasaustrittsduese mit einem zur Laserstrahlachse geneigten optischen Element verbunden, welches eine Hauptoeffnung fuer den Durchgang der Laserstrahlung besitzt. Das optische Element kann im einfachsten Fall eine ebene spiegelnde Platte sein.

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, die während der Laserwerkstoffbearbeitung die Steuerung der Laserausgangsleistung oder des Abstandes zwischen Fokussierungsoptik und Werkstückwerkstoffoberfläche oder der Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff in Abhängigkeit von der Temperatur in der Werkstückwerkstoff-Bearbeitungszone und damit von der eingebrachten Laserstrahiungsenergie bzw. eines bestimmten Bearbeitungsergebnisses ermöglicht

Anwendungsgebiete ergeben sich damit in der Steuerung der Schmelzbadtiefe und/oder Schmelzbadbreite beim Laser-Fügen oder Laser-Oberflächenveredeln (~ härten), in der Steuerung der Wärmeeinflußzone (Härtetiefe) beim Laser-Oberflächenveredeln (—härten) und in der Bestimmung geeigneter Werkstückwerkstoffoberflächengüten hinsichtlich einer optimalen Laserstrahlungsabsorption. Letzteres dürfte insbesondere bei Verwendung von relativ geringen Laserstrahlleistungen von Bedeutung sein

Eine Überprüfung des jeweiligen Aggregatzustandes in der Werkstückwerkstoff-Laserbearbeitungszone ist dadurch während

des Bearbeitungsvorganges möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bereits eine Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern vorgeschlagen worden, welche für die bekannten Verfahrenshauptgruppen der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahl, wie z. B. Stoffeigenschaftsändern, Abtragen und Fügen anwendbar ist (WP B23K/2685847). Um hierein repräsentatives Steuersignal für mindestens einen Verfahrensparameter zu erzeugen, sind die erforderlichen Strahlungsempfänger nahe an der Bearbeitungszone angeordnet. Bei einer Anordnung mit einer den Laserstrahl umgebenden Schutzgasdüse befinden sich die Strahlungsempfänger demnach unmittelbar neben der Schutzgasdüsenaustrittsöffnung. Im allgemeinen sind Strahlungsempfängerflächen relativ klein und begrenzt, so daß nur ein relativ geringer Raumwinkelbereich der reflektierten Laserstrahlung und/oder,der emittierten Wärmestrahlung erfaßt wird und damit zur elektronischen Weiterverarbeitung verwendet werden kann. Die Folge ist, daß das Meßsignal relativ große Schwankungen unterliegt, so daß nur ein ungenaues Steuern von Verfahrensparametern möglich ist

Des weiteren ist aus der DE-AS 2034341 eine Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laserstrahlen bekannt, bei der die Fokussierung des Brennfleckes auf der Werkstückoberfläche durch Kontrollicht erfolgt, welches vor und nach der Reflexion auf der Werkstückoberfläche die Fokussieroptik passiert. Mit Hilfe eines im reflektierten Strahlengang hinter der Fokussieroptik im Winkel von 45° Laserstrahlachse angeordneten gelochten Spiegels wird das Kontrollicht auf einen Strahlungsempfänger gelenkt. Bei dieser Anordnung wird für den Fall, daß der Laserstrahl durch eine Schutzgasdüse hindurchgeführt werden soll, der erfaßbare Strahlungsanteil zu gering, um ein verwertbares Steuersignal zu erzeugen. Zum anderen sind relativ kurzbrennweite Fokussieroptiken mit einer großen freien Öffnung erforderlich, um einen möglichst großen Raumwinkelbereich der reflektierten Strahlung zu erfassen. Beide Forderungen grenzen die Einsatzmöglichkeiten von Hochleistungslasem zur Werkstoffbearbeitung ein bzw. sind aus thermischen Gründen unzweckmäßige

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Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, mittels einer geeigneten Anordnung die während der Laserwerkstoffbearbeitung auftretende reflektierte Strahlung oder emittierte Wärmestrahlung in einem möglichst großen Raumwinkelbereich zu erfassen und zur Steuerung von mindestens einem Verfahrensparameter während der Laserwerkstoffbearbeitung auszunutzen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen möglichst großen Raumwinkelbereich zur Messung der reflektierten Strahlung oder der emittierten Wärmestrahlung zu nutzen, da dadurch die Meßgenauigkeit erhöht wird und stochastische Schwankungen des Meßsignals weitgehend unterdrückt werden.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern während der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahlen eine den Laserstrahl umgebende Schutzgasdüse sowie einen Strahlungsempfänger enthält, der einen genügend großen Anteil der Wärmestrahlung und/oder die reflektierten Laserstrahlung erfaßt.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Anordnung, bei der erfindungsgemäß die Schutzgasaustrittsdüse mit einem um vorzugsweise 45° zur Laserstrahlachse geneigten optischen Element vereinigt ist, das eine den Durchgang der Laserstrahlung .

gewährleistende Hauptöffnung besitzt.

Durch das optische Element kann

— durch eine fokussierende Spezialoptik mit einer düsenförmigen Hauptöffnung, deren Werkstoff wellenlängenselektiv gewählt werden kann,

— durch eine ebene Platte aus optisch transparenten oder undurchlässigen Werkstoff oder

— durch einen asphärisch gefertigten Konkavspiegel verkörpert werden.

Die asphärische Spezialoptik dient Zur Ablenkung und Bündelung der reflektierten Laser- und/oder emittierten Wärmestrahlung außerhalb der Laserstrahlachse in einen dort befindlichen Strahlungsdetektor. Die Krümmungsradien der asphärischen Spezialoptik sind so zu berechnen, daß eine weitgehende Bündelung möglich ist. Die asphärische Spezialoptik kann gleichzeitig als optischer Filter Verwendung finden. Zusätzlich zur Hauptöffnung sollten kleine Schutzgasaustrittsöffnungen in der

asphärischen Speziaioptik eingebracht sein. '

Die mit Hilfe der ebenen Platte umgelenkte Strahlung wird mit einer laserstrahlung^- und/oder wärmestrahlungsdurchlässigen Optik gebündelt und kann über optische Filter dem Strahlungsdetektor zugeführt werden.

Die ebene Platte kann gleichzeitig als Reflexfilter dienen. Sie sollte mit kleinen Schutzgasaustrittsöffnungen versehen sein. Die durch den asphärisch gefertigten Konkavspiegel abgelenkte und gebündelte Strahlung kann über optische Filter dem Strahlungsdetektor zugeführt werden. Der asphärische Konkavspiegel ist vorteilhafterweise mit kleinen Schutzgasaustrittsöffnungen versehen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend anhand dreier Ausführungsbeispiele und den dazugehörigen Figuren näher erläutert werden, welche schematische Darstellungen der Anordnungen zeigen.

Figur 1 zeigt eine Anordnung, bei der die Laserschutzgasdüse 1 werkstückseitig mit einer in einem bestimmten Winkel zur Laserstrahlachse geneigten asphärischen Spezialoptik 2 vereinigt ist. Der Winkel zwischen der asphärischen Optik und der Laserstrahlachse ist von der Lage des Brennfleckes und des Strahlungsdetektors 6 abhängig. Diese asphärische Spezialoptik 2 ist so zu fertigen, daß sie eine Hauptöffnung 3 besitzt und mehrere kleine Schutzgasaustrittsöffnungen 4. Ihre Aufgabe ist es, die in einem relativ großen Raumwinkelbereich reflektierte Laserstrahlung und/oder die emittierte Wärmestrahlung 5 in einem außerhalb der Laserstrahlachse positionierten Strahlungsdetektor 6 zu richten und gleichzeitig zu bündeln. Je nach der Meßaufgabe kann die asphärische Spezialoptik 2 so gewählt werden, daß sie gleichzeitig als optischer Filter verwendet wird. Unabhängig davon ist jedoch eine Anordnung optischer Filter 7 vor dem Strahlungsdetektor 6 möglich. Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Laserschutzgasdüse 1 werkstückseitig mit einem um 45° zur Laserstrahlachse geneigten ebenen undurchlässigen Spiegel 8 vereinigt ist. Einfachen Anforderungen dürfte eine hochglanzpolierte Aluminiumplatte als undurchlässiger Spiegel 8 genügen, es ist aber durchaus auch eine goldbeschichtete Trägerplatte möglich. Die polierte bzw. beschichtete Unterseite 9 des Spiegels soll die Laserstrahlung und/oder die Wärmestrahlung gut reflektieren. Der Spiegel 8 ist mit einer Hauptöffnung 3 versehen, durch die die auf den Werkstückwerkstoff 10 in der Regel fokussierte Laserstrahlung 11 als auch die zentrale Schutzgasströmung 12 gelangt. Eine Variation der Strömungsform des Schutzgases ist über einer geometrischen Änderung der Fugenform der Hauptöffnung 3 und durch ein konisch geformtes Düsenröhrchen 13 möglich. Mehrere kleinere Schutzgasaustrittsöffnungen 4 verhindern, daß dampfförmiger Werkstoff die reflektierende Unterseite des Spiegels 9 verunreinigt. Das um 90° umgelenkte divergierende Wärme- reflektierende Laser-Strahlenbündel 5 wird mittels einer laserstrahlungs- und/oder wärmestrahlungsdurchlässigen Optik 14 ' konvergent gemacht. Zur größtmöglichen Ausnutzung des gesamten umgelenkten divergierenden Wärme- und laserreflektierten Strahlenbündels 5 sollte der Durchmesser oder wärme- und/oder laserstrahlungsdurchlässigen Optik 14 größer gleich der scheinbaren Höhe b_s des Spiegels 8 sein und die Lage der Optik 14 sollte möglichst nahe an der Hauptöffnung 3 liegen. Zur spektralen Trennung der reflektierten Laserstrahlung von der emittierten Wärmestrahlung der Laserwerkstückwerkstoffbearbeitungszone 15 kann man, falls dies die Laserstrahlung — und/oder wärmestrahlungsdurchlässige Optik 14 nicht schon ermöglicht, optische Filter 7 verwenden. Ein geeigneter Strahlungsdetektor 6 dient zur Quantifizierung der reflektierten Laserstrahlungsenergie und/oder der Energie durch Wärmestrahlung. Aus der so gemessenen Maßzahl für das Reflexionsvermögen und/oder der Oberflächentemperatur der Werkstückwerkstoffbearbeitungszone 15 läßt sich eine Kontroll- und Steuerungsmöglichkeit der Laserausgangsleistung bzw. der Impulsenergie oder des Abstandes zwischen Fokussierungsoptik und Werkstückwerkstoff oberfläche oder der

Relativgeschwindigkeit zwischen Laserstrahl und Werkstückwerkstoff realisieren. Analog ist eine gleichzeitige Messung von reflektierter Strahlung und Wärmestrahlung zum Zwecke der Steuerung und Kontrolle obiger genannter Verfahrensparameter möglich.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der die Laserschutzgasdüse 1 werkstückseitig mit einem in einem bestimmten Winke) zur Laserstrahlachse geneigten asphärischen gefertigten Konkavspiegel 16 vereinigt ist. Sinngemäß gilt das Gleiche wie bereits oben angeführt. Lediglich die laserbestrahlungs- und/oder wärmestrahlungsdurchlässige Optik 14 kann entfallen.

Claims (10)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Anordnung zur Steuerung von Verfahrensparametern während der Werkstoffbearbeitung mittels Laserstrahlen, welche
   eine den Laserstrahl umgebende Schutzgasdüse sowie einen Strahlungsempfänger enthält, der einen Anteil der vom
   Werkstück ausgehenden Wärme- und/oder reflektierten Laserstrahlung erfaßt und daraus ein Steuersignal für mindestens einen Verfahrensparameter erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Werkstück zugewandte Seite der Schutzgasdüse mit einem zur Achse des Laserstrahls geneigten optischen Element verbunden ist, das eine den Durchgang der
   Laserstrahlung gewährleistende Hauptöffnung besitzt.
2. 2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine fokussierende Optik ist, deren
   Brennpunkt außerhalb der Laserstrahlachse liegt und daß der Strahlungsempfänger in der Nähe dieses Brennpunktes
   angeordnet ist.
3. 3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine ebene Platte aus einem optisch
   transparenten Werkstoff ist, der eine fokussierende Optik und der Strahlungsempfänger nachgeordnet sind.
4. 4. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine reflektierende ebene Platte ist, der eine fokussierende Optik und der Strahlungsempfänger nachgeordnet sind.
5. 5. Anordnung nach Punkt 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen derfokussierenden Optik und dem
   Strahlungsempfänger optische Filter angeordnet sind.
6. 6. Anordnung nach Punkt 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ebene Platte als Reflexfilter ausgebildet ist.
7. 7. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein asphärischer Konkavspiegel ist, der die gebündelte Strahlung auf den Strahlungsempfänger richtet.
8. 8. Anordnung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Konkavspiegel und dem Strahlungsempfänger
   optischer Filter angebracht sind.
9. 9. Anordnung nach Punkt 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptöffnung des optischen Elements düsenförmig
   ausgebildet ist.
10. 10. Anordnung nach Punkt 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element mit mehreren kleinen
    Schutzgasaustrittsöffnungen versehen ist.