DE10160623A1

DE10160623A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs

Info

Publication number: DE10160623A1
Application number: DE2001160623
Authority: DE
Inventors: Berthold Kessler
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2001-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: DE10160623B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs. Eine optische Abbildungsanordnung (16, 22, 24; 29, 24) bildet ein Beobachtungsgebiet im Bereich einer Wechselwirkungszone (17) zwischen Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (18) auf einen Eintrittsbereich (21) einer Empfängeranordnung (19) ab, so daß optische Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (17) zwischen Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (18) erfaßt wird. Um ein Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten optischen Strahlung zu ermitteln, ist in der Empfängeranordnung (19) ein lichtzerlegendes Element (25) und eine positionsempfindliche Fotoempfängeranordnung (26) zum Erfassen eines Spektrums der erfaßten optischen Strahlung vorgesehen. Aus dem Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten optischen Strahlung wird dann eine Kontroll- und/oder Steuergröße für den Bearbeitungsvorgang abgeleitet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs.
Um bei der Laserbearbeitung die Qualität des Bearbeitungsvorgangs in Echtzeit erfassen und bewerten zu können, und um gegebenenfalls steuernd oder regelnd in den Bearbeitungsvorgang eingreifen zu können, ist es bereits bekannt, optische Strahlung aus den Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück zu beobachten. Insbesondere wird je nach verwendetem Arbeitslaser die optische Strahlung eines Plasmas oder einer Metalldampfwolke erfasst, um aus der Intensität der Strahlung auf den Zustand des Plasmas bzw. der Metalldampfwolke und damit auf die Qualität der Laserbearbeitung schließen zu können.
Die Messung der Strahlungsintensität ist jedoch sehr stark von der Justierung der jeweiligen Sensoren abhängig, so daß bei der Anordnung der Sensoren ein erheblicher Justageaufwand erforderlich ist.

Aus der DE 39 08 178 A1 ist bereist ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und -schneiden bekannt, bei dem die Wechselwirkungszone bzw. der so genannte Dampfkanal in der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück beobachtet wird, um aus der Wechselwirkungszone herausgeschleudertes Material sowie die Plasmawolke über der Wechselwirkungszone zu erfassen. Zur Beobachtung des herausgeschleuderten Materials, wird der Nahinfrarotbereich verwendet, während das Plasma im Nah-UV-Bereich der optischen Strahlung beobachtet wird. In beiden Fällen wird der zu überwachende Bereich mit Hilfe einer Abbildungsoptik auf einen entsprechenden photoempfindlichen Empfänger abgebildet.

Aus der DE 199 27 803 ist ferner ein Verfahren zur Kontrolle der Fokuslage beim Laserstrahlschweißen bekannt, bei dem die optische Emission der Wechselwirkungszone auf eine positionssensitive Diode abgebildet wird, deren Ausgangssignal den Intensitätsschwerpunkt der von der Wechselwirkungszone ausgehenden Strahlung darstellt. Die geometrische Lage des Intensitätsschwerpunkts steht im Zusammenhang mit der Fokuslage, so daß die Fokuslage entsprechend dem ermittelten Schwerpunkt falls erforderlich geregelt werden kann.

Aus der DE 100 13 892 A1 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schweißqualität an einer Schweißnaht zwischen Werkstücken bekannt, bei dem eine Emissionsintensität von sichtbarem Licht erfasst wird, das von einer Schweißnaht während des Laserschweißens ausgesandt wird. Ferner wird die Intensität von reflektiertem Laserlicht erfasst. Die Ausgangssignale entsprechender Fotosensoren werden dann einer Messvorrichtung zugeführt, um aus den jeweiligen Intensitäten der erfassten Strahlung auf die Qualität der Laserschweißung zu schließen.

Intensitätsmessungen der Strahlung sind jedoch, wie Eingangs bereits erwähnt, stark Justage abhängig, so daß bereist kleine Fehler in der Justierung der Sensoren eine zuverlässige Qualitätskontrolle und/oder Steuerung des Arbeitsvorgangs zumindest erheblich erschweren.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung der Eingangs genannten Art bereit zustellen, die ohne großen Justageaufwand zuverlässige Meßsignale für die Qualitätssicherung und/oder die Steuerung des Laserbearbeitungsvorgangs liefern.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 sowie jeweils durch die Vorrichtungen nach Anspruch 11 oder 15 gelöst.

Verfahrensseitig ist also gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen, daß optische Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück erfasst wird, daß aus der erfassten optischen Strahlung ein Maß für deren spektrale Verteilung festgestellt wird, und daß das Maß für die spektrale Verteilung der erfassten optischen Strahlung genutzt wird, um daraus eine Kontroll- und/oder Steuergröße für den Bearbeitungsvorgang abzuleiten.

Die erfindungsgemäße Ermittlung eines Maßes für die spektrale Verteilung der optischen Strahlung, die aus dem Bereich der Wechselwirkungszone kommt, ermöglicht eine sehr schnelle und zuverlässige Aussage über den Bearbeitungsvorgang, wobei selbst bei großen Intensitätsschwankungen in Folge unterschiedlicher Erfassungsrichtungen für die Strahlung das Maß für die spektrale Verteilung stets dasselbe ist, da die spektrale Verteilung der Strahlung im Gegensatz zur Intensität nicht von der Abstrahlrichtung abhängig ist.

Je nach verwendetem Bearbeitungslaser wird die optische Strahlung einer im Bereich der Wechselwirkungszone vorhandenen Plasmawolke bzw. Metalldampfwolke erfasst.

Die spektrale Verteilung der von der Plasmawolke bzw. Metalldampfwolke emittierten Strahlung lässt Rückschlüsse auf die Temperatur der Plasmawolke bzw. Metalldampfwolke zu, aus der wiederum auf die Einschweißtiefe des Lasers und gegebenenfalls auch auf die Schweißtemperatur zurückgeschlossen werden kann.

Je nach Überwachungs- und/oder Regelaufgabe ist es vorteilhaft, die optische Strahlung aus einem Bereich über der Oberfläche der Wechselwirkungszone oder aus einem Bereich eines Dampf- oder Kapillarkanals in der Wechselwirkungszone selbst zu erfassen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogene Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung ermittelt wird. Die Ermittlung des spektralen Schwerpunkts, also des Schwerpunkts der spektralen Verteilung der erfassten Strahlung hat den Vorteil, daß hierdurch ein Maß für die Temperatur der Strahlungsquelle erhalten wird, daß auf einfache und schnelle Weise ermittelt werden kann. Stammt die optische Strahlung von einem Plasma, so wird davon ausgegangen, daß sich beim Laserschweißen mit großer Näherung ein thermisches Plasma über der Wechselwirkungszone ausbildet.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die erfaßte optische Strahlung spektral zerlegt und als Spektrum auf einen positionsempfindlichen Empfänger abgebildet wird, aus dessen Ausgangssignal der spektrale Schwerpunkt ermittelt wird.

Grundsätzlich ist es dabei möglich, jede Art von positionsempfindlichen Empfänger zu benutzen, um den spektralen Schwerpunkt zu ermitteln. Beispielsweise ist es denkbar, ein Fotodiodenarray, z. B. eine Fotodiodenzeile einzusetzen, und dann die Ausgangssignale der einzelnen Fotodioden in einer entsprechenden Auswerteschaltung so zu verarbeiten, daß der Schwerpunkt des von der Fotodiodenzeile aufgezeichneten Spektrums bestimmt wird.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es jedoch bevorzugt, daß zum Ermitteln des spektralen Schwerpunkts ein positionssensitiver Detektor zusammen mit einem Spektralapparat verwendet wird. Positionsempfindliche Dioden oder Detektoren haben den Vorteil, daß ihr Ausgangssignal bereits den spektralen Schwerpunkt darstellt, so daß ohne großen Rechenaufwand mit hoher Geschwindigkeit ein geeignetes Maß für die spektrale Verteilung der erfassten Strahlung ermittelt werden kann.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein erster Teil der erfaßten optischen Strahlung auf eine erste strahlungsempfindliche Empfängeranordnung und ein zweiter Teil der erfaßten optischen Strahlung auf eine zweite strahlungsempfindliche Empfängeranordnung gelenkt wird, wobei die beiden Empfängeranordnungen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsverläufe aufweisen, so daß aus den Ausgangssignalen der beiden Empfängeranordnungen der spektrale Schwerpunkt der erfaßten Strahlung ermittelt werden kann.

Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn für einen ersten Teil der erfaßten Strahlung ein erstes Integral über einen bestimmten Spektralbereich ermittelt wird, daß ein zweiter Teil der erfaßten Strahlung einer Farbfilterung unterzogen wird, um die erfaßte Strahlung über den bestimmten Spektralbereich zu gewichten, und daß aus der gewichteten Strahlung ein zweites Integral über den bestimmten Spektralbereich ermittelt wird, so daß der spektrale Schwerpunkt aus den beiden Integralen bestimmt werden kann.

Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs, zeichnet sich durch eine optischen Abbildungsanordnung aus, die ein Beobachtungsgebiet im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück auf einen Eintrittsbereich einer Empfängeranordnung abbildet, die ein lichtzerlegendes Element und eine positionsempfindliche Empfängeranordnung zum Erfassen eines Spektrums der erfassten optischen Strahlung aufweist.

Zweckmäßigerweise kann dabei vorgesehen sein, daß als Fotoempfängeranordnung ein Fotodiodenarray vorgesehen ist, dem eine Auswerteschaltung nachgeordnet ist, die aus den Ausgangssignalen des Arrays ein dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entsprechendes Ausgangssignal liefert.

Um jedoch eine besonders zeitnahe Qualitätsüberwachung und/oder Sicherung zu ermöglichen, ist bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß als Fotoempfängeranordnung ein positionssensitiver Detektor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entspricht.

Um auch bei relativ geringen Lichtintensitäten im sichtbaren Bereich das empfangene Licht möglichst verlustfrei auswerten zu können, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß als lichtzerlegendes Element ein abbildendes Beugungsgitter vorgesehen ist, das den Eintrittsbereich auf die Fotoempfängeranordnung abbildet.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs eine optische Abbildungsanordnung auf, die ein Beobachtungsgebiet im Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Arbeitslaserstrahl und Werkstück über einen Strahlteiler auf eine erste und eine zweite Strahlungsempfindliche Empfängeranordnung abbildet, wobei die beiden Empfängeranordnungen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsverläufe aufweisen, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung, die aus den Ausgangssignalen der beiden Empfängeranordnungen den spektralen Schwerpunkt der erfaßten Strahlung ermittelt.

Hierbei lässt sich der schaltungstechnische Aufwand wesentlich reduzieren, wenn als erste strahlungsempfindliche Empfängeranordnung ein fotoempfindlicher Sensor vorgesehen ist, der ein der einfallenden Intensität entsprechendes Signal liefert, und wenn als zweite strahlungsempfindliche Empfängeranordnung ein dem ersten Sensor entsprechender zweiter fotoempfindlicher Sensor mit zugeordnetem Farbfilter vorgesehen ist, das eine spektrale Gewichtung der gefilterten Strahlung bewirkt.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einer daran angeordneten Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs,
Fig. 2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit Überwachungsvorrichtung, wobei im Laserbearbeitungskopf eine andere Strahlführung vorgesehen ist, als bei der Ausgestaltung von Fig. 1,
Fig. 3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes und eine Überwachungsvorrichtung, wobei zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Überwachungsvorrichtung ein Lichtleiter vorgesehen ist,
Fig. 4 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung zur Ermittlung eines Maßes für die spektrale Verteilung einfallender optischer Strahlung, und
Fig. 5 ein Temperatur-Orts-Diagramm zur Veranschaulichung einer gemessenen Temperatur eines Plasmas oberhalb eines Werkstücks, im Bereich der Werkstückoberfläche und in einer Dampfkapillare (oder einem Dampfkanal).
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Wie in Fig. 1 rein schematisch dargestellt ist, ist in einem Laserbearbeitungskopf 10 eine Laseroptik 11 angeordnet, die einen Arbeitsstrahlengang 12 für einen Arbeitslaserstrahl 13 festlegt. Die Laseroptik 11 umfasst einen Kolimator 14, der einen über einen Lichtleiter 15 zugeführten divergenten Laserstrahl parallelisiert, und eine Fokussieroptik 16, die den parallelisierten Arbeitslaserstrahl 13 in eine Wechselwirkungszone 17 fokussiert, in der der Arbeitslaserstrahl 13 mit dem Werkstück 18 wechselwirkt, in dem er das Material des Werkstücks für den jeweiligen Bearbeitungsvorgang aufschmilzt.
Seitlich am Laserbearbeitungskopf 10 oder in nicht näher dargestellter Weise in diesen integriert ist eine Empfängeranordnung 19 in einem entsprechenden Gehäuse 20 vorgesehen. Um Strahlung, insbesondere optische Strahlung, insbesondere sichtbares Licht und Licht aus dem nahem UV-Bereich auf einen von einer Eintrittsblende 21 gebildeten Eintrittsbereich der Empfängeranordnung 19 abzubilden, wird die aus dem Bereich der Wechselwirkungszone 17 kommende Strahlung, die zunächst den Arbeitstrahlengang 12 in entgegengesetzter Richtung wie der Arbeitslaserstrahl 13 durchläuft, mit Hilfe einer Teilerplatte 22 aus dem Arbeitsstrahlengang 13 in einen Beobachtungsstrahlengang ausgekoppelt, der von einer Fokussierlinse 24 und der Eintrittsblende 21 der Empfängeranordnung 19 festgelegt wird. Die Auskopplung der reflektierten Strahlung erfolgt dabei in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Umlenkung. Es ist jedoch auch möglich, im Falle eines Laserbearbeitungskopfes, in dem der Arbeitsstrahlengang mit Hilfe eines Spiegels um 90° umgelenkt ist, den Spiegel als Strahlteiler auszubilden, so daß die Auskopplung der reflektierten Strahlung gerade, also ohne Umlenkung erfolgt.
Die Empfängeranordnung 19 umfasst als lichtzerlegendes Element ein Beugungsgitter 25, das als konkaves Reflektionsgitter ausgebildet ist, um nicht nur ein Spektrum zu erzeugen, sondern auch die vorzugsweise kreisförmige Eintrittsöffnung der Eintrittsblende 21 auf eine Fotoempfängeranordnung 26 abzubilden.
Um das vom Beugungsgitter 25 erzeugte Spektrum so auswerten zu können, daß ein Maß für die spektrale Verteilung der erfassten optischen Strahlung ermittelt werden kann, ist eine Fotoempfängeranordnung 26 erforderlich, deren Ausgangssignal oder Ausgangsignale mit der spektralen Verteilung im Spektrum korrelieren.
Beispielsweise kann als Fotoempfängeranordnung 26 ein Fotodiodenarray, insbesondere eine Fotodiodenzeile vorgesehen sein, deren Ausgangssignale jeweils der Intensität des erfassten Lichts in einem bestimmten schmalen Wellenlängenbereich entspricht. Die Ausgangssignale einer Fotodiodenzeile geben somit im wesentlichen die spektrale Verteilung im Spektrum selbst wieder, aus der dann ein geeignetes Maß für die Verteilung berechnet werden kann. Z. B. der spektrale Schwerpunkt des Spektrums oder das Maximum der Verteilung, das - unter der Vorraussetzung eines thermischen Spektrums - der Farbtemperatur der Strahlungsquelle, also einer sich über der Wechselwirkungszone 17 bildenden thermischen Plasma - oder Metalldampfwolke entspricht.
Eine besonders einfache elektronische Auswertung ergibt sich, wenn als Fotoempfängeranordnung 26 ein positionssensitiver Detektor, dessen Ausgangssignal dem Intensitätsschwerpunkt der einfallenden Strahlung, und da im vorliegende Fall ein Spektrum detektiert wird, dem spektralem Schwerpunkt des Spektrums entspricht. Für die bei der Erfindung vorgesehene Auswertung des Spektrums eignet sich insbesondere ein eindimensionaler positionssensitiver Detektor.
Das Ausgangssignal der Fotoempfängeranordnung wird an eine Auswerteschaltung 27 angelegt, die das Maß für die spektrale Verteilung, insbesondere den spektralen Schwerpunkt des Spektrums für Qualitätssicherungszwecke und/oder Regelzwecke auswertet.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung kann durch eine Verschiebung der Fokussierlinse 24 gegenüber der Eintrittsblende 21 der Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone 17 verschoben werden. Fig. 5 zeigt das Ergebnis einer Messung, bei der die Temperatur eines Plasmas oberhalb des Werkstück, im Bereich der Werkstückoberfläche und in einer sich bei der Laserbearbeitung in der Wechselwirkungszone 17 ausbildenden Dampfkapillare (oder Dampfkanal) aus der spektralen Verteilung der Plasmastrahlung ermittelt wurde. Es ist dabei deutlich zu erkennen, daß oberhalb der Werkstückoberfläche, die in Fig. 5 durch die gestrichelte senkrechte Linie bei 0 mm angedeutet wird, die Temperatur des Plasmas im wesentlichen konstant ist, während sie bei tieferem Eintauchen in die Dampfkapillare stark ansteigt.
Somit ist es beispielsweise denkbar zur Überwachung eines Laserschweißvorgangs das Plasma bzw. die Metalldampfwolke in einem Bereich unterhalb der Werkstückoberfläche zu beobachten, um aus der Lage des spektralen Schwerpunkts oder der damit korrelierten Temperatur des Plasmas bzw. der Metalldampfwolke auf die Fokuslage des Arbeitslasers bzw. die Einschweißtiefe zu schließen. Andererseits scheint es auch möglich, die Plasma- oder Metalldampfwolke zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückoberfläche zu erfassen, um aus Schwankungen der spektralen Schwerpunktlage entweder unmittelbar oder über die damit korrelierte Plasma- oder Metalldampftemperatur auf die Laserleistung oder andere Parameter des Bearbeitungsvorgangs zu schließen.
Die Fig. 2 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10, bei dem der kollimierte Arbeitslaserstrahl 13 über einen Umlenkspiegel 28 auf einen als Fokussieroptik dienenden Hohlspiegel 28 umgelenkt wird. Der Hohlspiegel 29 fokussiert den Arbeitslaserstrahl 13 in den Brennpunkt im Bereich der Wechselwirkungszone 17 des Werkstücks 18. In umgekehrter Weise wird von der Wechselwirkungszone 17 ausgehende optische Strahlung vom Hohlspiegel 29 entgegen der Richtung des Arbeitslaserstrahls in Richtung auf den Umlenkspiegel 28 gelenkt. Da wie in Fig. 2 zu erkennen ist, die effektive Öffnung des Fokussierspiegels 29, vom Umlenkspiegel 28 aus gesehen, größer ist als der Durchmesser des Umlenkspiegels 28 wird nur die im Zentralbereich des umgelenkten Strahlungsbündels vorhandene Strahlung aus dem Strahlenbündel ausgekoppelt, während die Strahlung des Randbereichs von der Fokussierlinse 24 auf die Eintrittsblende 21 der Empfängeranordnung 19 fokussiert wird. Die Auswertung der auf diese Weise erfassten Strahlung aus der Wechselwirkungszone 17 erfolgt dann in der gleichen Weise wie bei der Vorrichtung nach Fig. 1.
In entsprechender Weise kann auch ein durchbohrter Umlenkspiegel, ein sogenannter Scraper-Spiegel, im Strahlengang angeordnet sein, der den Arbeitslaserstrahl durchläßt und nur den Randbereich der zurückkommenden Strahlung zur Empfängeranordnung umlenkt.
Wie in Fig. 3 dargestellt, kann zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Empfängeranordnung 19 eine optische Faser als Lichtleiter 40 vorgesehen sein, der die Strahlung vom Laserbearbeitungskopf 10 zur Empfängeranordnung 19 transportiert. In diesem Fall wird die zu überwachende Strahlung, die aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelt ist, von einer Linse oder einem Objektiv 41 in den Lichtleiter 40 eingekoppelt. In entsprechender Weise wird dann die aus dem Lichtleiter 40 austretende Strahlung von einer weiteren Linse oder Objektiv 42 kollimiert, um dann wie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 und 2 von der Fokussierlinse 24 auf die Eintrittsblende 21 der Empfängeranordnung 19 fokussiert zu werden. Der Einsatz eines Lichtleiters 40 zwischen Laserbearbeitungskopf 10 und Empfängeranordnung 19 hat den Vorteil, daß die Empfängeranordnung 19 entfernt vom Laserbearbeitungskopf 10 angeordnet werden kann, so sie bei der Laserbearbeitung nicht zusammen mit dem Laserbearbeitungskopf 10 bewegt werden muß.
Fig. 4 zeigt eine andere Empfängeranordnung zur Analyse der spektralen Verteilung der optischen Strahlung aus der Wechselwirkungszone 17. Die mit Hilfe einer Fokussieroptik 16, 29 und gegebenenfalls eines Umlenkelements erfasste und weitgehend kollimierte Strahlung aus der Wechselwirkungszone wird bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 mittels einer Teilerfläche 30 so aufgeteilt, daß ein erster Teil der optischen Strahlung von einer ersten Fokussierlinse 31 auf einen ersten fotoempfindlichen Sensor 32 fokussiert wird, während ein zweiter Teil der erfassten Strahlung mittels einer zweiten Fokussierlinse 33 auf einen zweiten fotoempfindlichen Empfänger 36 fokussiert wird. Vor dem zweiten fotoempfindlichen Sensor 34, im vorliegenden Falle zwischen Teilerfläche 30 und Fokussierlinse 33 ist ein optisches Filter 35 angeordnet, das im interessierenden Spektralbereich eine im wesentliche linear ansteigende oder linear abfallende Transmission besitzt.
Die beiden Sensoren 32, 34 müssen dabei im wesentlichen die selbe spektrale Empfindlichkeit besitzen. Die Ausgangssignale der beiden Sensoren 32 und 34 werden an eine nachgeordnete Auswerteschaltung 36 angelegt, die aus den Ausgangssignalen der Sensoren 32 und 34 ein Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten optischen Strahlung, insbesondere den spektralen Schwerpunkt der Verteilung ermittelt.
Auch die in Fig. 4 dargestellte Empfängeranordnung kann zusammen mit einem Lichtleiter 40 und den erforderlichen Optiken oder Objektiven eingesetzt werden.
Um in unterschiedliche Gebiete im Bereich der Wechselwirkungszone 17 blicken zu können, ist den Sensoren 32, 34 in nicht näher dargestellter Weise eine Blende mit einer zentralen Durchgangsöffnung zugeordnet, deren Form der Form des zu beobachtenden Gebiets entspricht.
Unter der Voraussetzung, daß die beiden Sensoren 32, 34 im interessierenden Spektralbereich der erfaßten Strahlung eine im wesentlichen konstante Empfindlichkeit besitzen, ermittelt der erste fotoempfindlichen Sensor 32 das Intensitätsintegral über den interessierenden Spektralbereich, während der zweite fotoempfindlichen Sensor 34 ein Integral über die gewichtete spektrale Intensitätsverteilung berechnet. In diesem Fall läßt sich der Schwerpunkt durch eine einfache Quotientenbildung in der Auswerteschaltung 36 ermitteln.
Werden fotoempfindliche Sensoren 32, 34 verwendet, die beispielsweise einen logarithmischen Frequenzgang besitzen, so ist die Quotientenbildung in der Schaltung 36 durch eine einfache Differenzbildung zu ersetzen. Entscheidend ist, daß mit Hilfe eines geeigneten Filters 35 eine Gewichtung der spektralen Intensitätsverteilung in Abhängigkeit von der Wellenlänge vorgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung schafft also ein Verfahren und eine Vorrichtung mit deren Hilfe eine aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück kommende Strahlung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs erfaßt und analysiert werden kann. Insbesondere wird die von einem Gebiet im Bereich der Wechselwirkungszone 17 ausgehende Strahlung mit Hilfe der Fokussieroptik 16, 29 im wesentlichen nach unendlich abgebildet, aus dem Arbeitsstrahlengang 12 ausgekoppelt und mittels einer weiteren Fokussierlinse 24 auf eine Empfängeranordnung gelenkt. Dabei dient eine geeignete Blende, nach Fig. 1 und 2 die Eintrittsblende 21, zum Separieren der Strahlung, die aus dem zu beobachtenden Gebiet kommt. Aus der Strahlung, die neben der Plasmastrahlung oder der Wärmestrahlung aus der Metalldampfwolke auch die reflektierte Laserstrahlung und das Materialleuchten aus der Wechselwirkungszone umfaßt, wird durch eine geeignete Filterung zunächst die Plasmastrahlung oder die Wärmestrahlung aus der Metalldampfwolke separiert. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch die Wahl eines geeigneten Spektralbereichs.
Im Falle eines YAG-Lasers, dessen Wellenlänge bei ca. 1064 nm liegt, wird im wesentlichen nur die Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich zwischen etwa 400 und 600 nm berücksichtigt. Im Falle eines CO2-Lasers, der bei einer Wellenlänge von etwa 10.600 nm arbeitet, und der ein Plasma über der Wechselwirkungszone 17 zündet, wird Licht aus dem Wellenlängenbereich von 200 bis 600 nm, also Licht aus dem nahen UV und dem sichtbaren Bereich erfaßt. Bei der Empfängeranordnung 19 nach Fig. 1 und 2 erfolgt die "Filterung" durch eine geeignete Anordnung des Fotoempfängers 26, also beispielsweise des positionssensitiven Detektors.
Im Falle des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 kann die Auswahl des gewünschten Spektralbereichs durch geeignete Bandfilter oder durch die Empfindlichkeit der Sensoren 32, 34 selbst realisiert werden.
Schließlich wird für die erfaßte Strahlung der spektrale Schwerpunkt ihrer spektralen Intensitätsverteilung in der oben beschriebenen Weise ermittelt, um auf den Zustand des Plasmas oder der Metalldampfwolke schießen zu können.
Aufgrund dieser Vorgehensweise wird eine schnelle und einfache Überwachung des Plasmas bzw. der Metalldampfwolke zwischen Werkstückoberfläche und Laserbearbeitungskopf oder innerhalb der Dampfkapillare der Wechselwirkungszone ermöglicht, um Rückschlüsse auf die Bearbeitungsqualität ziehen zu können.

Claims

1. Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs, bei dem
optische Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (17) zwischen Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (18) erfaßt wird,
ein Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten optischen Strahlung ermittelt wird, und
aus dem Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten optischen Strahlung eine Kontroll- und/oder Steuergröße für den Bearbeitungsvorgang abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung einer im Bereich der Wechselwirkungszone (17) vorhandene Plasmawolke erfaßt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung einer im Bereich der Wechselwirkungszone (17) vorhandenen Metalldampfwolke erfaßt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung aus einem Bereich über der Oberfläche der Wechselwirkungszone (17) erfaßt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Strahlung aus einem Bereich eines Dampf- oder Kapillarkanals in der Wechselwirkungszone (17) erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogene Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die erfaßte optische Strahlung spektral zerlegt und als Spektrum auf einen positionsempfindlichen Empfänger (26) abgebildet wird, aus dessen Ausgangssignal der spektrale Schwerpunkt ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ermitteln des spektralen Schwerpunkts ein positionssensitiver Detektor (26) zusammen mit einem Spektralapparat (21, 25) verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Teil der erfaßten optischen Strahlung auf eine erste strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (31, 32) und ein zweiter Teil der erfaßten optischen Strahlung auf eine zweite strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (33, 34, 35) gelenkt wird, wobei die beiden Empfängeranordnungen unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsverläufe aufweisen, so daß aus den Ausgangssignalen der beiden Empfängeranordnungen der spektrale Schwerpunkt der erfaßten Strahlung ermittelt werden kann.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß für einen ersten Teil der erfaßten Strahlung ein erstes Integral über einen bestimmten Spektralbereich ermittelt wird, daß ein zweiter Teil der erfaßten Strahlung einer Farbfilterung (35) unterzogen wird, um die erfaßte Strahlung über den bestimmten Spektralbereich zu gewichten, und daß aus der gewichteten Strahlung ein zweites Integral über den bestimmten Spektralbereich ermittelt wird, so daß der spektrale Schwerpunkt aus den beiden Integralen bestimmt werden kann.

11. Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Lasaerschweißvorgangs mit einer optischen Abbildungsanordnung (16, 22, 24; 29, 24), die ein Beobachtungsgebiet im Bereich einer Wechselwirkungszone (17) zwischen Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (18) auf einen Eintrittsbereich (21) einer Empfängeranordnung (19) abbildet, die ein lichtzerlegendes Element (25) und eine positionsempfindliche Fotoempfängeranordnung (26) zum Erfassen eines Spektrums der erfaßten optischen Strahlung aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Fotoempfängeranordnung ein Fotodiodenarray vorgesehen ist, dem eine Auswerteschaltung nachgeordnet ist, die aus den Ausgangssignalen des Arrays ein dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entsprechendes Ausgangssignal liefert.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Fotoempfängeranordnung ein positionssensitiver Detektor vorgesehen ist, dessen Ausgangssignal dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entspricht.

14. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als lichtzerlegendes Element ein abbildendes Beugungsgitter (25) vorgesehen ist, das den Eintrittsbereich (21) auf die Fotoempfängeranordnung abbildet.

15. Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs, mit einer optischen Abbildungsanordnung (16, 13; 29), die ein Beobachtungsgebiet im Bereich einer Wechselwirkungszone (17) zwischen Arbeitslaserstrahl (13) und Werkstück (18) über einen Strahlteiler auf eine erste und eine zweite Strahlungsempfindliche Empfängeranordnung (31, 32; 35, 33, 34) abbildet, wobei die beiden Empfängeranordnungen (31, 32; 35, 33, 34) unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsverläufe aufweisen, und mit einer Signalverarbeitungsschaltung, die aus den Ausgangssignalen der beiden Empfängeranordnungen den spektralen Schwerpunkt der erfaßten Strahlung ermittelt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die erste strahlungsempfindliche Empfängeranordnung einen fotoempfindlichen Sensor (32) umfaßt, der ein der einfallenden Intensität entsprechendes Signal liefert, und daß die zweite strahlungsempfindliche Empfängeranordnung ein dem ersten Sensor (32) entsprechenden zweiten fotoempfindlichen Sensor (34) mit zugeordneten Farbfilter (35) aufweist, welches eine spektrale Gewichtung der gefilterten Strahlung bewirkt.