DE10120251B4

DE10120251B4 - Verfahren und Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs sowie Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung

Info

Publication number: DE10120251B4
Application number: DE10120251A
Authority: DE
Inventors: Berthold Kessler; Bert Dr. Schürmann
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2006-03-23
Anticipated expiration: 2021-04-26
Also published as: DE10120251A1; US20040026389A1; US20020158053A1; US6621047B2

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, bei dem zur Qualitätssicherung folgende Schritte ausgeführt werden:
– Abbilden einer Wechselwirkungszone auf eine vor einem strahlungsempfindlichen Empfänger angeordnete Blende (11), um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) auszuwählen,
– Erfassen einer aus dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) kommenden Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal liefert,
– Filtern des elektrischen Signals, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung feststellen zu können, und
– Auswerten des gefilterten elektrischen Signals zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs sowie eine Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und einen Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung.

Aus der WO 90/10520 ist bereits ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und -schneiden bekannt, bei dem das aus einer Plasmawolke bei der Materialbearbeitung entstandene Ultraviolettlicht zur Überprüfung der Laserstrahleinkopplung und anderer Prozeßparameter mit einer UV-empfindlichen Fotodiode erfaßt wird, die in einem Detektorkopf angeordnet ist. Zusätzlich oder anstelle der UV-empfindlichen Fotodiode kann eine IR-empfindliche Fotodiode im Detektorkopf vorgesehen sein, wobei die IR-empfindliche Fotodiode durch eine verschiebbare Blende gegenüber dem Schweißherd der Laserbearbeitung abgeschirmt werden kann.

Um die Strahlung aus der Plasmawolke erfassen zu können, wird die im Bereich oder in der Umgebung der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück, also z.B. im Bereich des Schweißherds auftretende Plasmawolke auf die Fotodiode oder -dioden abgebildet. Die Blende zur Unterbrechung der direkten Sichtverbindung zwischen Fotodiode und Schweißherd ist dabei als senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbare Stellschraube in einem Bereich zwischen Abbildungsoptik und Fotodiode angeordnet.

Ferner ist es aus dem zur Amtsakte gegebenen Artikel von L. Schlichtermann et al, "Laserschweißprozesse on-line mit LWM 900 überwachen", bekannt, die im Bereich oder in der Umgebung der Wechselwirkungszone bei der Laserbearbeitung entstehende Strahlung nach Spektralbereich und Ort getrennt zu überwachen, um aus entsprechenden Daten auf die Qualität des Laserschweißprozesses zu schließen. Dabei wird zum einen die Temperatur der Schweißnaht einige mm hinter dem Schweißherd durch Messen der IR-Strahlung erfaßt. Um die Größe von auftretenden Spritzern, die gelegentlich aus dem Schweißherd herausgeschleudert werden, zu erfassen, wird Strahlung im nahen Infrarotbereich gemessen. Außerdem wird das UV-Licht der Plasmawolke erfaßt.

Die einzelnen Detektoren sind dabei so ausgelegt, daß die Plasmawolke bzw. die Schweißnaht auf die strahlungsempfindlichen Empfänger abgebildet werden.

Die von den strahlungsempfindlichen Empfängern gelieferten elektrischen Signale, die der jeweils erfaßten Strahlung entsprechen, werden dann in geeigneter Weise ausgewertet, um Aussagen über die Qualität des einzelnen Bearbeitungsvorgang treffen zu können. Während größere Spritzer und im Zusammenhang damit auftretende Löcher in der Schweißnaht sicher erkannt werden können, ist es bei der konventionellen Online-Qualitätsüberwachung nahezu unmöglich sehr kleine Schweißfehler und Löcher festzustellen, da die durch entsprechend kleine Spritzer oder Auswürfe entstehenden Signalschwankungen innerhalb der zulässigen Schwankungsbreite der Meßsignale liegen, die bei einer fehlerfreien Laserbearbeitung auftreten dürfen.

Die DE 100 13 892 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schweißqualität an einer Schweißnaht zwischen Werkstücken, bei dem aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück kommende Prozessstrahlung von zwei Detektoren erfasst wird. Die beiden Detektoren sind dabei so angeordnet, dass sie in unterschiedliche Raumwinkelbereiche abgestrahlte Prozessstrahlung erfassen. Dabei weißt jeder der beiden Detektoren zwei Photodioden auf, von denen die eine Strahlung aus dem sichtbaren Bereich über einen dichroitischen Spiegel empfängt, während der anderen IR-Strahlung zugeführt wird.

Die Ausgangssignale der Photodioden werden dann über entsprechende Vorverstärker und Analog/Digital-Wandler einem Computer zugeführt, in dem eine Frequenzanalyse mit Hilfe eines FFT-Analysators durchgeführt wird.

Die DE 196 30 437 A1 beschreibt eine Detektorvorrichtung, die an einen Laserbearbeitungskopf anschließbar ist, um Strahlung aus dem Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Werkstück und Laserstrahl zu erfassen.

Dabei wird Strahlung, die aus der Dampfkapillare stammt, sowie Strahlung, die aus dem die Dampfkapillare umgebenden Bereich herrührt, über einen Umlenkspiegel zu einem gallileischen Fernrohr geleitet, hinter dem eine Spiegelanordnung vorgesehen ist, um Strahlung aus der Umgebung der Dampfkapillare auf einen Infrarotsensor umzulenken, während Strahlung aus der Dampfkapillare durch einen Spalt zu einem UV-Sensor durchgelassen wird.

Anstelle der gezeigten Spiegelanordnung, die ähnlich wie Scraperspiegel arbeitet und eine reflektierende Spaltblende darstellt, kann auch ein Spiegel hinter dem gallileischen Teleskop angeordnet werden, der in einem bestimmten Wellenlängenbereich selektiv durchlässig oder selektiv reflektiv ist, sodass UV-Strahlung zu einem UV-Sensor durchgelassen wird, während Wärmestrahlung zu einem IR-Sensor umgelenkt wird. Dabei sind vor den einzelnen Sensoren Masken mit Durchlassöffnungen vorgesehen, um aus dem im Wesentlichen parallelen Strahlenbündel, das das gallileische Fernrohr verlässt, bestimmte Bereiche herauszuschneiden, die in etwa der Dampfkapillare bzw. dem diese umgebenden Bereich entsprechen.

Da ein gallileisches Fernrohr keine Gesichtsfeldblende besitzt, lässt sich damit auch kein genau definiertes Beobachtungsfeld festgelegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein weiteres Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs bereitzustellen, das es ermöglicht, auch kleine Störungen in der Laserbearbeitung, insbesondere kleine Auswürfe/Spritzer oder Löcher in der Schweißnaht zuverlässig zu erfassen. Daneben liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Sensorvorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens sowie einen damit ausgerüsteten Laserbearbeitungskopf zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1, die Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 und den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 22 gelöst.

Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß ein bestimmtes Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück, also auf der Wechselwirkungszone selbst oder in ihrer Umgebung durch Ab bilden der Wechselwirkungszone auf eine vor einem strahlungsempfindlichen Empfänger angeordnete Blende ausgewählt wird, und daß ein von einem strahlungsempfindlichen Empfänger geliefertes, der erfaßten Strahlung entsprechendes Signal einer Filterung unterzogen wird, um kleinere Störungen wie kleine Auswürfe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen, und um anschließend das gefilterte elektrische Signal zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs auszuwerten.

Um kleine und sehr kleine Störungen beim Laserbearbeitungsvorgang erfassen zu können, wird also ein spezielles, klar definiertes Beobachtungsfeld festgelegt, und das der aus diesem Beobachtungsfeld kommenden Strahlung entsprechende elektrische Signal wird gefiltert, so daß auch durch kleinere Bearbeitungsstörungen hervorgerufene Signalschwankungen erfaßt werden können.

Durch den Einsatz einer Blende zum Auswählen eines bestimmen Beobachtungsfeldes die Wechselwirkungszone wird es dabei nicht nur ermöglicht, das Beobachtungsfeld klar zu definieren und Streulicht aus anderen Bereichen wirkungsvoll zu reduzieren, sondern es ist auch möglich, unabhängig von der Ausgestaltung des strahlungsempfindlichen Empfängers, also unabhängig von der Form seiner strahlungsempfindlichen Empfängerfläche ein definiertes, beliebig gestaltbares Beobachtungsfeld festzulegen, das z.B. punkt- oder linienförmig sein kann.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers entsprechend dem ausgewählten Beobachtungsfeld festgelegt wird.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unterzogen wird, wobei das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen wird, um kleinere Störungen wie kleine Auswürfe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Hochpaßfilterung lassen sich in Kombination mit der Unterdrückung von Störstrahlung aus anderen Bereichen als dem ausgewählten Beobachtungsfeld Schwankungen des elektrischen Aus gangssignals des Empfängers zuverlässig erkennen, die durch kleine Störungen des Bearbeitungsvorgangs bewirkt werden, so daß die Qualitätsüberwachung für Laserbearbeitungsvorgänge wesentlich verbessert werden kann.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Sensorvorrichtung mit einer ortsauflösenden Empfängeranordnung, die eine Abbildungsoptik, mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück auf eine Blende abbildbar ist, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld auszuwählen, und einen strahlungsempfindlichen Empfänger umfaßt, der in Strahlungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende angeordnet ist und ein der erfaßten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung vorgesehen, die das Ausgangssignal der Empfängeranordnung nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvorgang zu erkennen.

Zweckmäßigerweise weist die Signalverarbeitungsschaltung einen Filterkreis zum Filtern des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine Auswerteschaltung auf, die das gefilterte elektrische Signal auswertet. Der Filterkreis ist dabei vorzugsweise ein Hochpaßfilter.

Um die erfindungsgemäße Überwachung bei einer Vielzahl von verschiedenen Laserbearbeitungsvorgängen für verschiedenste Materialien durchführen zu können, ist vorgesehen, daß die Auswerteschaltung Speichermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Ausgangssignal-Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs und einen Vergleichskreis umfaßt, der das erfaßte, gefilterte Ausgangsmaterial mit den gespeicherten Werten vergleicht und und ein Vergleichssignal liefert, das Störungen während des Bearbeitungsprozesses anzeigt.

Um eine einwandfreie Justierung des Überwachungsstrahlengangs der Sensorvorrichtung auch dann realisieren zu können, wenn die Sensorvorrichtung relativ zur Wechselwirkungszone fest angeordnet, also beispielsweise fest an einem Laserbearbeitungskopf gehalten ist, zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik und Blende veränderbar ist, wobei die Blende zumindest in einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei von einander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zur optischen Achse der Abbildungsoptik verschiebbar ist, um ein bestimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück als Beobachtungsfeld auswählen zu können.

Als Blende kann eine Lochblende vorgesehen sein, die ein zentrales Beobachtungsfeld festlegt, oder eine dazu inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs. Sinnvollerweise wird die Blendenform, z.B. Punkt, Kreis, Viereck, Linie oder dergleichen entsprechend der spektralen Empfindlichkeit des Empfängers gewählt.

So ist es beispielsweise möglich, daß, wenn der strahlungsempfindliche Empfänger ein Temperatursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor ist, der Empfänger entweder mit einer Lochblende oder mit einer dazu inversen Blende kombiniert wird. Im ersten Fall wird der als Temperatursensor eingesetzte Empfänger so ausgerichtet, daß die Lochblende einen Beobachtungsfleck im Nachlauf der Schweißung festlegt. Zusammen mit einer inversen Blende, die den sogenannten "Keyhole"-Bereich ausblendet, kann der Temperatursensor eingesetzt werden, um Infrarotstrahlung aus der gesamten Umgebung des Keyholes oder Schweißherdes zu erfassen.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der strahlungsempfindliche Empfänger ein für Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger ist. Ein derartiger Empfänger wird mit einer Lochblende eingesetzt, die als Beobachtungsfeld einen Bereich der Plasmawolke festlegt, um daß Signal-Rauschverhältnis aufgrund üblicherweise starker Schwankungen in der Plasmawolke deutlich zu verbessern. Wird zur Erfassung des Rückreflexes, also der vom Bearbeitungsbereich zurückreflektierten Bearbeitungslaserstrahlung ein Empfänger eingesetzt, der für die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlich ist, so läßt sich durch die Kombination eines derartigen Empfängers mit einer Lochblende die Laserstreustrahlung an der Plasmawolke weitgehend unterdrücken.

Um die Auswahl und Justierung eines Beobachtungsfeldes zu vereinfachen, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß eine Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück vorgese hen ist, die eine Beobachtungsoptik aufweist, deren Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel in den Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist, wobei die Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes eine Kamera, vorzugsweise eine Videokamera ist.

Eine weitere Verbesserung und Vereinfachung des Einstellens der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung läßt sich erreichen, wenn eine Lichtquelle vorgesehen ist, die die Blende von der Empfängerseite her beim Justieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung beleuchtet, so daß zur Auswahl eines Beobachtungsfeldes im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück ein Bild der Blende auf dem Werkstück beobachtbar ist, wobei die Lichtquelle zum Justieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger austauschbar ist und mit der Blende mitbewegbar ist.

Als Lichtquelle kann dabei eine Laserlichtquelle oder eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel vorgesehen sein. Ein besonderer Vorteil der Kaltlichtquelle liegt darin, daß die Blende zur Festlegung des Beobachtungsfeldes unter Verwendung einer Beobachtungskamera auch an sehr schlecht einzusehenden Bauteilen einjustiert werden kann.

Ist ein Laserbearbeitungskopf mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ausgerüstet, so ist es besonders vorteilhaft, wenn die Sensorvorrichtung so angeordnet ist, daß der Überwachungsstrahlengang und ggf, der Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel so in den Laserbearbeitungsstrahlengang eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik für einen Arbeitslaserstrahl zusammen mit der Abbildungsoptik der Empfängeranordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld auf die Blende abbildet.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische Darstellung des Beobachtungsstrahlengangs einer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeigneten Sensorvorrichtung in Kombination mit einem vereinfachtem Blockschaltbild einer Signalverarbeitungsschaltung, und
2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit daran angeordneter Sensorvorrichtung und Beobachtungskamera zum Justieren der Sensorvorrichtung.
In den beiden Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie in 1 gezeigt ist, weist die Sensorvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen strahlungsempfindlichen Empfänger 10 auf, vor dem eine Blende 11 in X- und Y-Richtung verschiebbar angeordnet ist. Anstelle der als Lochblende dargestellen Blende 11 kann auch eine dazu inverse Blende vorgesehen sein, die den zentralen Bereich des strahlungsempfindlichen Empfängers 10 abdeckt. Die Form der Blende muß kein Kreis sein, sondern kann jede beliebige Form aufweisen, um auf einem Werkstück 12 ein Beobachtungsfeld 13 festzulegen. Zu diesem Zweck wird die Blende 11 von einer Abbildungsoptik 14 auf die Werkstückoberfläche 12, oder was gleich bedeutend damit ist, die Werkstückoberfläche 12 auf die Blende 11 abgebildet. Die Abbildungsoptik 14, die in 1 als dünne Einzellinse dargestellt ist, kann auch aus mehreren Linsen zusammengesetzt sein. Ferner ist es denkbar, als Abbildungsoptik 14 auch einen Abbildungsspiegel einzusetzen, wodurch insbesondere Intensitätsverluste bei Beobachtungen im ultravioletem Spektralbereich vermeidbar sind.
Um eine scharfe Abbildung zu realisieren, ist die Abbildungsoptik 14 in herkömmlicher Weise in Z-Richtung, also in Richtung ihrer optischen Achse verschiebbar angeordnet.
Je nachdem, welcher Spektralbereich der vom Beobachtungsfeld 13 ausgehenden Strahlung erfaßt werden soll, kann ein entsprechendes Filter 15 an geeigneter Stelle im Beobachtungsstrahlengang angeordnet werden. Zur kontinuierlichen Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs liefert der strahlungsempfindliche Empfänger 10 ein elektrisches Signal, daß der empfangenen Strahlungsintensität entspricht, an eine Signalverarbeitungsschaltung 16, die einen Filterkreis 17 und eine Aus werteschaltung 18 umfaßt. Der Filterkreis kann dabei jede Filteranordnung sein, die kleine, kurze und/oder schnelle Signale aus dem Rauschen heraushebt. Vorzugsweise wird der Filterkreis von einem Hochpaßfilter 17 gebildet. Es ist aber auch denkbar, ein Bandpaßfilter zu verwenden.
Zum Auswerten des hochpaßgefilterten elektrischen Signals umfaßt die Auswerteschaltung 18 in nicht näher dargestellter Weise Speichermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Werten, die mit Hilfe eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, und einen Vergleichkreis, der das erfaßte gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicherten Werten vergleicht und ein Vergleichssignal liefert, aus dem auf Störungen während des Bearbeitungsprozesses geschlossen werden kann. Das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Empfängers 10 kann auch in ebenfalls nicht dargestellten Speichermitteln der Auswerteschaltung gespeichert und/oder zur Aufzeichnung ausgegeben werden, um den Bearbeitungsverlauf zu protokollieren und um die Güte des jeweiligen Bearbeitungsergebnisses zur dokumentieren.
Ferner kann auch ein Melde-, Warn- und/oder Alarmsignal ausgegeben werden, wenn die Anzahl der erfaßten Störungen oder deren Größe bestimmte Grenzwerte übersteigen. Derartige Ausgangssignale der Auswerteschaltung 18 können in geeigneter Weise in einer nicht näher dargestellten Maschinensteuerung weiter verarbeitet werden.
2 zeigt die Anordnung einer ortsauflösenden Empfängeranordnung 19 an einem Laserbearbeitungskopf 20. Der Laserbearbeitungskopf 20 umfaßt ein Gehäuse 21, durch das ein Laserbearbeitungstrahlengang 22 mit einem Kollimator 23 und einer Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 hindurchgeführt ist. In Arbeitslaserstrahlrichtung vor der Fokussieroptik 24 ist ein Strahlteilerspiegel 26 angeordnet, der dazu dient, einen Überwachungsstrahlengang 27 und einen Beobachtungsstrahlengang 28 in den letzten Abschnitt des Laserbearbeitungsstrahlengangs 22 einzukoppeln. Die Empfängeranordnung 19 und eine Beobachtungskamera 29, die beispielsweise eine Videokamera ist, sind mittels eines An schlußgehäuses 30 am Gehäuse 21 des Laserbearbeitungskopfes 20 gehalten. Im Anschlußgehäuse 30 ist ein weiterer Strahlteilerspiegel 31 angebracht, um den Beobachtungsstrahlengang 28 in den Überwachungsstrahlengang 27 einzukoppeln.
Um die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Überwachungsverfahrens zu justieren, wird zunächst der Laserbearbeitungskopf gegenüber dem Werkstück 12 so positioniert, wie es für die beabsichtigte Laserbearbeitung erforderlich ist. Dann wird in der Empfängeranordnung 19 der strahlungsempfindliche Empfänger 10 gegen eine geeignete Lichtquelle 32, z.B. eine Laserlichtquelle oder eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel, ausgetauscht, um die Blende 11 von hinten zu beleuchten. Die Abbildungsoptik 14' bildet die Blende 11 über den Strahlteilerspiegel 31 und den Strahlteilerspiegel 26 zusammen mit der Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 auf die Oberfläche des Werkstücks 12 ab. Die Lage und Schärfe des Bildes der Blende 11 auf der Werkstückoberfläche läßt sich mit der Kamera 29 beobachten, die durch den Strahlteilerspiegel 31 hindurch über den Strahlteilerspiegel 26 im Laserbearbeitungskopf 20 und die Fokussieroptik 24 die Werkstückoberfläche beobachtet.
Durch Verschieben der Blende 11 in X- und Y-Richtung, also senkrecht zur optischen Achse des Beobachtungsstrahlengangs 27 kann auf der Werkstückoberfläche ein Beobachtungsfeld 13 relativ zur Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück festgelegt werden. Durch Verschieben der Abbildungsoptik 14' in Z-Richtung, also in Richtung der optischen Achse kann die Blende scharf auf die Werkstückoberfläche abgebildet werden, ohne das die einzelnen Parameter der Fokussieroptik 24 für den Arbeitslaserstrahl 25 bekannt sein müßten.
Nachdem in der beschriebenen Weise das Bild der Blende 11 auf der Werkstückoberfläche ausgerichtet und scharf gestellt wurde, ist ein bestimmtes Beobachtungsfeld relativ zur Wechselwirkungszone ausgewählt worden. Die Lage des Beobachtungsfeldes, das umgekehrt von der Fokusier optik 24 über die Strahlteilerspiegel 26, 31 zusammen mit der Abbildungsoptik 14' auf die Blende 11 abgebildet wird, wird dabei entsprechend der gewünschten Überwachung festgelegt.
Anschließend wird die Lichtquelle 32 wieder gegen den strahlungsempfindlichen Empfänger 10 ausgetauscht. Die Sensorvorrichtung ist nunmehr für die Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs bereit.
Während des eigentlichen Überwachungsvorgangs wird die aus dem ausgewähltem Beobachtungsfeld 13 kommende Strahlung vom strahlungsempfindlichen Empfänger 10 erfaßt, der ein entsprechendes elektrisches Ausgangssignal an den Hochpaßfilter 17 liefert. Das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 17 wird dann von der Auswerteschaltung 18 entsprechend verarbeitet, um Störungen im Laserbearbeitungsvorgang zu erfassen. Hierbei wird das gefilterte Ausgangssignal des strahlungsempfindlichen Empfängers mit gespeicherten Werten verglichen. Im einfachsten Fall kann hierzu ein Schwellenwert gespeichert sein, bei dessen Überschreiten auf eine Störung im Laserbearbeitungsprozeß geschlossen wird. Es ist aber auch möglich, wie bereits erwähnt, das gefilterte Ausgangssignal mit entsprechenden gespeicherten Werten zu vergleichen, die mit Hilfe eines ungestörten Laserbearbeitungsvorgangs ermittelt wurden, um dann auf einen Bearbeitungsfehler zu schließen, wenn die Abweichungen zwischen dem aktuellen und den gespeicherten Werten größer als einen vorgegebene Toleranzschwelle sind.
Anstelle des einzelnen strahlungsempfindlichen Empfängers 10, der mit Hilfe einer Blende 11, zur Beobachtung eines bestimmten Beobachtungsfeldes eingesetzt wird, kann auch eine CCD-Bildwandlerzeile mit und ohne Blende verwendet werden. Ferner ist es auch möglich, einen zweidimensionalen CCD-Bildwandler einzusetzen, wobei dann die Auswertung der Empfängersignale mit einer geeigneten Bildverarbeitungsschaltung durchgeführt werden kann.
Andererseits ist es bei der Verwendung eines zweidimensionalen CCD-Bildwandlers auch möglich, ein bestimmtes Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone, also auf ihr selbst oder in ihrer Umgebung auf dem Werkstück dadurch festzulegen, daß entsprechende Bildpunkte des CCD-Bildwandlers ausgewählt werden, und nur die Ausgangssignale dieser Bildpunkte, die gegebenenfalls räumlich integriert werden können, ausgewertet werden.

Claims

Verfahren zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, bei dem zur Qualitätssicherung folgende Schritte ausgeführt werden: – Abbilden einer Wechselwirkungszone auf eine vor einem strahlungsempfindlichen Empfänger angeordnete Blende (11), um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) auszuwählen, – Erfassen einer aus dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) kommenden Strahlung mit einem strahlungsempfindlichen Empfänger (10), der ein der erfassten Strahlung entsprechendes elektrisches Signal liefert, – Filtern des elektrischen Signals, um schnelle und/oder kurze, störungsbedingte Intensitätsänderungen der erfaßten Strahlung feststellen zu können, und – Auswerten des gefilterten elektrischen Signals zum Erkennen von Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers entsprechend dem ausgewählen Beobachtungsfeld (13) festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Signal einer Hochpaßfilterung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das gefilterte elektrische Signal mit gespeicherten Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs verglichen werden, um kleinere Störungen wie kleine Auswürfe oder Spritzer, sowie kleine Löcher zu erkennen.
Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück (12) durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit: – einer ortsauflösenden Empfängeranordnung (10, 11, 14), die – eine Abbildungsoptik (14), mit der ein Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl und Werkstück (12) auf eine Blende (11) abbildbar ist, um ein bestimmtes Beobachtungsfeld (13) auszuwählen, und – einen strahlungsempfindlichen Empfänger (10) umfaßt, der in Strahlungsrichtung der zu erfassenden Strahlung optisch hinter der Blende (11) angeordnet ist und ein der erfassten Strahlung aus dem Beobachtungsfeld (13) entsprechendes elektrisches Ausgangssignal liefert, und – einer Signalverarbeitungsschaltung (16), die das Ausgangssignal des Empfängers (10) nach einer geeigneten Filterung verarbeitet, um Störungen während des Laserbearbeitungsvorgangs zu erkennen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalverarbeitungsschaltung (16) einen Filterkreis (17) zum Filtern des Ausgangssignals der Empfängeranordnung und eine Auswerteschaltung (18) aufweist, die das gefilterte elektrische Signal auswertet.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterkreis ein Hochpaßfilter (17) ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (18) Speichermittel zum Speichern von Schwellenwerten und/oder Ausgangssignal-Werten eines ungestörten Bearbeitungsvorgangs und einen Vergleichskreis umfaßt, der das erfaßte, gefilterte Ausgangssignal mit den gespeicherten Werten vergleicht und ein Vergleichssignal liefert, das Störungen während des Bearbeitungsprozesses anzeigt.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Abstand zwischen Abbildungsoptik (14) und Blende (11) veränderbar ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) zumindest in einer Richtung, vorzugsweise jedoch in zwei von einander linear unabhängigen Richtungen senkrecht zu optischen Achse der Abbildungsoptik (14) verschiebbar ist, um ein bestimmtes Gebiet im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) als Beobachtungsfeld (13) auswählen zu können.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) eine Lochblende ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (11) eine inverse Blende zum Abdecken eines zentralen Bereichs ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein Temperatursensor, insbesondere ein für Infrarotstrahlung empfindlicher Temperatursensor ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für Plasmastrahlung empfindlicher Empfänger ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der strahlungsempfindliche Empfänger (10) ein für die Bearbeitungslaserstrahlung empfindlicher Empfänger (10) ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (29) zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) vorgesehen ist, die eine Beobachtungsoptik aufweist, deren Beobachtungsstrahlengang über einen Strahlteilerspiegel in den Überwachungsstrahlengang einkoppelbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Beobachtung der Auswahl eines Beobachtungsfeldes eine Kamera (29), vorzugsweise eine Videokamera ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (32) vorgesehen ist, die die Blende (11) von der Empfängerseite her beim Justieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung beleuchtet, so daß zur Auswahl eines Beobachtungsfeldes (13) im Bereich der Wechselwirkungzone zwischen Laserstrahl (25) und Werkstück (12) ein Bild der Blende (11) auf dem Werkstück (12) beobachtbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) zum Justieren der ortsauflösenden Empfängeranordnung ge gen den strahlungsempfindlichen Empfänger (10) austauschbar ist und mit der Blende (11) mitbewegbar ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Laserlichtquelle ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (32) eine Kaltlichtquelle mit Faserbündel ist.
Laserbearbeitungskopf mit einer Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Überwachungsstrahlengang (27) und ggf. der Beobachtungsstrahlengang (29) über einen Strahlteilerspiegel (26) so in den Laserbearbeitungsstrahlengang (22) eingekoppelt ist, daß die Fokussieroptik (24) für einen Arbeitslaserstrahl (25) zusammen mit der Abbildungsoptik (14') der Empfängeranordnung das ausgewählte Beobachtungsfeld (13) auf die Blende (11) abbildet.