DE10160623B4

DE10160623B4 - Apparatus and method for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding operation

Info

Publication number: DE10160623B4
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: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: DE10160623A1

Abstract

Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs, 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 als Fotoempfängeranordnung einen positionssensitiven Detektor aufweist, dessen Ausgangssignal dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entspricht.Apparatus for monitoring a laser machining operation, in particular a laser welding operation, comprising an optical imaging arrangement (16, 22, 24, 29, 24) which has an observation area in the region of an interaction zone (17) between working laser beam (13) and workpiece (18) on an entrance area (16). 21) of a receiver arrangement (19). which has a light-decomposing element (25) and a position-sensitive detector as a photoreceiver arrangement whose output signal corresponds to the center of gravity of the spectral distribution of the detected optical radiation relative to the wavelength or frequency of the optical radiation.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs.The invention relates to an apparatus and a method for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding operation.

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.In order to be able to record and evaluate the quality of the machining process in real time in laser processing, and to be able to intervene in the machining process if necessary, it is already known to observe optical radiation from the region of an interaction zone between working laser beam and workpiece. In particular, depending on the working laser used, the optical radiation of a plasma or a metal vapor cloud is detected in order to be able to deduce the intensity of the radiation on the state of the plasma or the metal vapor cloud and thus on the quality of the laser processing.

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.However, the measurement of the radiation intensity is very much dependent on the adjustment of the respective sensors, so that a considerable adjustment effort is required in the arrangement of the sensors.

Ferner ist aus der DE 39 08 187 A1 bereits 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.Furthermore, from the DE 39 08 187 A1 A method for quality assurance in laser beam welding and cutting is already known, in which the interaction zone or the so-called vapor channel is observed in the interaction zone between the laser beam and the workpiece in order to detect material spun out of the interaction zone and the plasma cloud above the interaction zone. To observe the ejected material, the near-infrared region is used while the plasma is observed in the near-UV region of the optical radiation. In both cases, the area to be monitored is imaged by means of imaging optics onto a corresponding photosensitive receiver.

Aus der DE 199 27 803 A1 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.From the DE 199 27 803 A1 Furthermore, a method for controlling the focal position in laser beam welding is known, in which the optical emission of the interaction zone is imaged onto a position-sensitive diode whose output signal represents the intensity center of gravity of the radiation from the interaction zone radiation. The geometric position of the intensity center of gravity is related to the focus position, so that the focus position can be regulated according to the determined center of gravity if necessary.

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.From the DE 100 13 892 A1 Further, there is known a method and apparatus for determining weld quality at a weld between workpieces which detects an emission intensity of visible light emitted from a weld during laser welding. Furthermore, the intensity of reflected laser light is detected. The output signals of corresponding photosensors are then fed to a measuring device in order to conclude from the respective intensities of the detected radiation on the quality of the laser welding.

Intensitätsmessungen der Strahlung sind jedoch, wie Eingangs bereits erwähnt, stark Justage abhängig, so daß bereits kleine Fehler in der Justierung der Sensoren eine zuverlässige Qualitätskontrolle und/oder Steuerung des Arbeitsvorgangs zumindest erheblich erschweren.However, intensity measurements of the radiation are, as already mentioned, strongly adjustment dependent, so that even small errors in the adjustment of the sensors make a reliable quality control and / or control of the operation at least considerably more difficult.

Die JP 09-010970 A beschreibt eine Laserschweißanlage, bei der Licht aus dem Schmelzbad von einem Sensor erfaßt und über eine optische Faser einer Spektralanalysevorrichtung zugeführt wird. Die Spektralintensität wird bei einer intrinsischen Wellenlänge des Hauptelements des Schweißmaterials gemessen. Das Meßsignal wird zur Bildung einer spektralen Verteilung einer Auswerteschaltung eingegeben und mit einem Referenzwert verglichen, um festzustellen, ob das zu schweißende Material im geschmolzenen Zustand ist.The JP 09-010970 A describes a laser welding system in which light from the molten bath is detected by a sensor and fed via an optical fiber to a spectral analysis device. The spectral intensity is measured at an intrinsic wavelength of the main element of the welding material. The measurement signal is input to form a spectral distribution of an evaluation circuit and compared with a reference value to determine if the material to be welded is in the molten state.

Die JP 08-206859 A beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschweißprozesses, bei dem das aus der Wechselwirkungszone kommende Licht über ein Prisma spektral zerlegt auf ein CCD eingestrahlt wird. Das CCD verwandelt das eingestrahlte Licht in einen Pulszug, der der spektralen Verteilung der empfangenen Strahlung entspricht. Mit Hilfe von zwei ausgesuchten Wellenlängen wird dann die Temperatur des Schmelzbades ermittelt und mit einem Referenzwert verglichen, um ein Ausgangssignal zu liefern, das den Eindringzustand des Laserstrahls beschreibt.The JP 08-206859 A describes a device for monitoring a laser welding process in which the light coming from the interaction zone is spectrally dissected onto a CCD via a prism. The CCD transforms the incident light into a pulse train corresponding to the spectral distribution of the received radiation. With the aid of two selected wavelengths, the temperature of the molten bath is then determined and compared with a reference value in order to provide an output signal which describes the penetration state of the laser beam.

Die US 5,969,335 A zeigt ein weiteres Verfahren zur Steuerung des Lasers einer Laserbearbeitungsanlage, bei dem Strahlung aus der Plasmawolke über der Wechselwirkungszone erfaßt wird, um dann in Abhängigkeit der erfaßten Strahlung den Laser zu steuern. Hierzu umfaßt ein Fotodetektor ein Beugungsgitter, das zumindest zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu einem Fotoempfänger durchläßt, der entsprechende elektrische Signale liefert.The US 5,969,335 A shows a further method for controlling the laser of a laser processing system, in which the radiation is detected from the plasma cloud over the interaction zone, and then to control the laser depending on the detected radiation. For this purpose, a photodetector comprises a diffraction grating which transmits at least two light beams having different wavelengths to a photoreceiver which supplies corresponding electrical signals.

Die DE 44 39 714 A1 beschreibt ein Bearbeitungsverfahren zum Markieren, insbesondere Beschriften von Produkten unter Verwendung von Laserstrahlung, bei dem während eines Teils der Markierung, der nicht materialspezifisch ist, unter Materialverdampfung ein Plasma erzeugt und die vom Plasma emittierte Strahlung spektral erfaßt und analysiert wird, um daraus materialspezifische Parameter des Produktes abzuleiten, mit deren Hilfe das Markierungsverfahren auf die materialspezifischen Parameter abgestimmt wird.The DE 44 39 714 A1 describes a processing method for marking, in particular labeling of products using laser radiation, wherein during a part of the mark which is not material specific, a plasma is generated under material evaporation and the radiation emitted by the plasma is spectrally detected and analyzed in order to derive therefrom material specific parameters Derive product, with the help of which Marking method is matched to the material-specific parameters.

Auch die Entgegenhaltung DE 40 06 622 C2 zeigt nur, daß es bekannt ist, aus der Wechselwirkungszone zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück stammende Strahlung spektral zu zerlegen und auf separate Detektoren einer Auswerteeinheit zu lenken, die dann ein Überwachungssignal für die Laserbearbeitung liefert.Also the citation DE 40 06 622 C2 shows only that it is known to spectrally disperse radiation originating from the interaction zone between a laser beam and a workpiece and to direct them to separate detectors of an evaluation unit, which then supplies a monitoring signal for the laser processing.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs bereitzustellen, die ohne großen Justageaufwand zuverlässige Meßsignale für die Qualitätssicherung und/oder die Steuerung des Laserbearbeitungsvorgangs liefern.Based on this, the object of the invention is to provide a device and a method for monitoring a laser processing operation, which supply reliable measurement signals for quality assurance and / or the control of the laser processing operation without great adjustment effort.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtungen nach Anspruch 1 und 3 sowie durch die Verfahren nach Anspruch 5 und 6 gelöst.This object is achieved by the devices according to claim 1 and 3 and by the method according to claim 5 and 6.

Vorrichtungsseitig ist also gemäß dem geltenden Patentanspruch 1 als Fotoempfängeranordnung ein positionssensitiver Detektor, z. B. eine positionssensitive Diode vorgesehen, dessen bzw. deren Ausgangssignal dem auf Wellenlänge oder Frequenz der optischen Strahlung bezogenen Schwerpunkt der spektralen Verteilung der erfaßten optischen Strahlung entspricht. Das Ausgangssignal eines derartigen positionssensitiven Detektors stellt also bereits ein Maß für den spektralen Schwerpunkt dar, so daß ohne großen Rechenaufwand mit hoher Geschwindigkeit ein geeignetes Maß für die spektrale Verteilung der erfaßten Strahlung ermittelt werden kann. Somit ist eine besonders zeitnahe Qualitätsüberwachung und/oder Sicherung zu ermöglich.On the device side, therefore, according to the valid claim 1 as a photoreceiver arrangement, a position-sensitive detector, for. Example, a position-sensitive diode provided whose or whose output corresponds to the wavelength or frequency of the optical radiation related focus of the spectral distribution of the detected optical radiation. The output signal of such a position-sensitive detector thus already represents a measure of the spectral center of gravity, so that a high degree of speed can be used to determine a suitable measure of the spectral distribution of the detected radiation without great computational effort. Thus, a particularly timely quality control and / or backup is possible.

Um auch bei relativ geringen Lichtintensitäten im sichtbaren Bereich das empfangene Licht möglichst verlustfrei auswerten zu können, ist bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, daß als lichtzerlegendes Element ein abbildendes Beugungsgitter vorgesehen ist, das den Eintrittsbereich auf die Fotoempfängeranordnung abbildet.In order to be able to evaluate the received light as lossless as possible even at relatively low light intensities in the visible range, it is provided in an expedient embodiment of this device according to the invention that an imaging diffraction grating is provided as the light-decomposing element which images the entrance area onto the photoreceptor arrangement.

Gemäß dem geltenden Patentanspruch 3 wird der spektrale Schwerpunkt als Maß der spektralen Verteilung der erfaßten Strahlung mit Hilfe von zwei Empfängeranordnungen ermittelt, die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeitsverläufe aufweisen, so daß aus den beiden Ausgangssignalen der gesuchte Schwerpunkt ermittelt werden kann.According to the valid claim 3, the spectral center of gravity is determined as a measure of the spectral distribution of the detected radiation with the aid of two receiver arrangements having different spectral sensitivity profiles, so that the desired center of gravity can be determined from the two output signals.

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.In this case, the circuit complexity can be substantially reduced if a photosensitive sensor is provided as the first radiation-sensitive receiver arrangement, which provides a signal corresponding to the incident intensity, and if a second photosensitive sensor with associated color filter is provided as a second radiation-sensitive receiver arrangement corresponding to the first sensor causes a spectral weighting of the filtered radiation.

Die Ermittlung eines Maßes für die spektrale Verteilung der optischen Strahlung, die aus dem Bereich der Wechselwirkungszone kommt, gemäß den erfindungsgemäßen Verfahren 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.The determination of a measure for the spectral distribution of the optical radiation, which comes from the region of the interaction zone, according to the inventive method allows a very fast and reliable statement about the machining process, even for large intensity fluctuations due to different detection directions for the radiation the measure of the spectral distribution is always the same, since the spectral distribution of the radiation is not dependent on the emission direction in contrast to the intensity.

Die Erfassung des spektralen Schwerpunkts, also des Schwerpunkts der spektralen Verteilung der erfaßten Strahlung hat dabei den Vorteil, daß hierdurch ein Maß für die Temperatur der Strahlungsquelle erhalten wird, das 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.The detection of the spectral center of gravity, ie the center of gravity of the spectral distribution of the detected radiation has the advantage that a measure of the temperature of the radiation source is thereby obtained, which can be determined in a simple and rapid manner. If the optical radiation originates from a plasma, it is assumed that, with laser welding, a thermal plasma forms over the interaction zone with great approximation.

Der Einsatz von positionsempfindliche Dioden oder Detektoren als positionsempfindliche Empfänger hat 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.The use of position-sensitive diodes or detectors as position-sensitive receiver has the advantage that its output signal already represents the spectral center of gravity, so that a large amount of computational effort at high speed a suitable measure of the spectral distribution of the detected radiation can be determined.

Wird die spektrale Verteilung der von der Plasmawolke bzw. Metalldampfwolke emittierten Strahlung erfaßt, so läßt diese 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.If the spectral distribution of the radiation emitted by the plasma cloud or metal vapor cloud is detected, then these conclusions can be drawn to the temperature of the plasma cloud or metal vapor cloud, from which in turn it is possible to deduce the welding depth of the laser and optionally also the welding temperature.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below, for example, with reference to the drawing. Show it:

1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einer daran angeordneten Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, 1 a greatly simplified schematic representation of a laser processing head with a device arranged thereon for monitoring a laser processing operation,

2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit Überwachungsvorrichtung, wobei im Laserbearbeitungskopf eine andere Strahlführung vorgesehen ist, als bei der Ausgestaltung von 1, 2 a greatly simplified schematic representation of a laser processing head with monitoring device, wherein in the laser processing head, a different beam guidance is provided, as in the embodiment of 1 .

3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes und eine Überwachungsvorrichtung, wobei zwischen dem Laserbearbeitungskopf und der Überwachungsvorrichtung ein Lichtleiter vorgesehen ist, 3 a highly simplified schematic representation of a laser processing head and a monitoring device, wherein between the laser processing head and the monitoring device, a light guide is provided,

4 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer weiteren Sensoranordnung zur Ermittlung eines Maßes für die spektrale Verteilung einfallender optischer Strahlung, und 4 a highly simplified schematic representation of another sensor arrangement for determining a measure of the spectral distribution of incident optical radiation, and

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). 5 a temperature-location diagram illustrating a measured temperature of a plasma above a workpiece, in the region of the workpiece surface and in a Dampfkapillare (or a steam channel).

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the various figures of the drawing corresponding components are provided with the same reference numerals.

Wie in 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 Kollimator 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.As in 1 is shown purely schematically, is in a laser processing head 10 a laser optics 11 arranged, which has a working beam path 12 for a working laser beam 13 sets. The laser optics 11 includes a collimator 14 , one over a light guide 15 supplied divergent laser beam parallelized, and a focusing optics 16 that the parallelized working laser beam 13 in an interaction zone 17 focused, in which the working laser beam 13 with the workpiece 18 interacts, in which it melts the material of the workpiece for the respective machining operation.

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 nahen 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 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.Laterally on the laser processing head 10 or integrated in a manner not shown in this is a receiver assembly 19 in a corresponding housing 20 intended. To radiation, in particular optical radiation, in particular visible light and light from the near UV range on one of an entrance panel 21 formed inlet region of the receiver assembly 19 that will map out of the area of the interaction zone 17 incoming radiation, which is initially the working beam path 12 in the opposite direction as the working laser beam 13 passes through, with the help of a divider plate 22 from the working beam path 13 decoupled into an observation beam path from a focusing lens 24 and the entrance panel 21 the receiver arrangement 19 is determined. The decoupling of the reflected radiation takes place in the in 1 illustrated embodiment by deflection. However, it is also possible, in the case of a laser processing head in which the working beam path is deflected by means of a mirror by 90 °, form the mirror as a beam splitter, so that the decoupling of the reflected radiation is straight, ie without deflection.

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.The receiver arrangement 19 comprises a diffraction grating as a light-decomposing element 25 , which is designed as a concave reflection grating to produce not only a spectrum, but also the preferably circular inlet opening of the inlet aperture 21 on a photoreceptor arrangement 26 map.

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.Around the diffraction grating 25 To be able to evaluate generated spectrum so that a measure of the spectral distribution of the detected optical radiation can be determined, is a photoreceiver arrangement 26 whose output signal or output signals correlate with the spectral distribution in the spectrum.

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 Voraussetzung eines thermischen Spektrums – der Farbtemperatur der Strahlungsquelle, also einer sich über der Wechselwirkungszone 17 bildenden thermischen Plasma- oder Metalldampfwolke entspricht.For example, as a photoreceiver arrangement 26 a photodiode array, in particular a photodiode array be provided, whose output signals in each case corresponds to the intensity of the detected light in a certain narrow wavelength range. The output signals of a photodiode array thus essentially reflect the spectral distribution in the spectrum itself, from which a suitable measure of the distribution can then be calculated. For example, the spectral center of gravity of the spectrum or the maximum of the distribution, which - assuming a thermal spectrum - the color temperature of the radiation source, ie one above the interaction zone 17 forming thermal plasma or metal vapor cloud corresponds.

Eine besonders einfache elektronische Auswertung ergibt sich, wenn als Fotoempfängeranordnung 26 ein positionssensitiver Detektor verwendet wird, dessen Ausgangssignal dem Intensitätsschwerpunkt der einfallenden Strahlung, und da im vorliegenden 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.A particularly simple electronic evaluation results when as a photoreceiver arrangement 26 a position-sensitive detector is used whose output signal corresponds to the intensity of gravity of the incident radiation, and since in the present case a spectrum is detected, the spectral center of gravity of the spectrum. In particular, a one-dimensional position-sensitive detector is suitable for the evaluation of the spectrum provided in the invention.

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.The output signal of the photoreceiver arrangement is sent to an evaluation circuit 27 which evaluates the measure of the spectral distribution, in particular the spectral centroid of the spectrum for quality assurance purposes and / or control purposes.

Bei der in 1 dargestellten Anordnung kann durch eine Verschiebung der Fokussierlinse 24 gegenüber der Eintrittsblende 21 der Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone 17 verschoben werden. 5 zeigt das Ergebnis einer Messung, bei der die Temperatur eines Plasmas oberhalb des Werkstücks, 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 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.At the in 1 arrangement shown by a shift of the focusing lens 24 opposite the entrance panel 21 the observation area in the area of the interaction zone 17 be moved. 5 shows the result of a measurement in which the temperature of a plasma above the workpiece, in the area of the workpiece surface and in a laser processing in the interaction zone 17 forming steam capillary (or steam channel) from the spectral distribution of the plasma radiation was determined. It can be clearly seen that above the workpiece surface, the in 5 is indicated by the dashed vertical line at 0 mm, the temperature of the plasma is substantially constant, while it rises sharply at deeper immersion in the vapor capillary.

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.Thus, it is conceivable, for example, for monitoring a laser welding process to observe the plasma or the metal vapor cloud in a region below the workpiece surface in order to determine the position of the spectral center of gravity or the correlated temperature of the plasma or the metal vapor cloud on the focus position of the working laser or Weld depth to close. On the other hand, it also seems possible to detect the plasma or metal vapor cloud between the laser processing head and the workpiece surface in order to conclude from fluctuations in the spectral center of gravity either directly or via the plasma or metal vapor temperature correlated therewith to the laser power or other parameters of the machining process.

Die 2 zeigt einen Laserbearbeitungskopf 10', bei dem der kollimierte Arbeitslaserstrahl 13 über einen Umlenkspiegel 28 auf einen als Fokussieroptik dienenden Hohlspiegel 29 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 2 zu erkennen ist, die effektive Öffnung des Hohlspiegels 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 1.The 2 shows a laser processing head 10 ' in which the collimated working laser beam 13 via a deflection mirror 28 on a concave mirror serving as a focusing optics 29 is diverted. The concave mirror 29 focuses the working laser beam 13 at the focal point in the area of the interaction zone 17 of the workpiece 18 , In the opposite way is from the interaction zone 17 Outgoing optical radiation from the concave mirror 29 against the direction of the working laser beam in the direction of the deflection mirror 28 directed. Because like in 2 It can be seen, the effective opening of the concave mirror 29 , from the deflection mirror 28 seen from, is greater than the diameter of the deflection mirror 28 Only the radiation present in the central region of the deflected radiation beam is coupled out of the radiation beam, while the radiation of the edge region from the focusing lens 24 on the entrance panel 21 the receiver arrangement 19 is focused. The evaluation of the radiation detected in this way from the interaction zone 17 then takes place in the same manner as in the device after 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.In a corresponding manner, a bored deflecting mirror, a so-called scraper mirror, can be arranged in the beam path, which transmits the working laser beam and deflects only the edge region of the returning radiation to the receiver arrangement.

Wie in 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 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 dass sie bei der Laserbearbeitung nicht zusammen mit dem Laserbearbeitungskopf 10 bewegt werden muß.As in 3 shown, can be between laser processing head 10 and receiver assembly 19 an optical fiber as a light guide 40 be provided, the radiation from the laser processing head 10 to the receiver arrangement 19 transported. In this case, the radiation to be monitored, which is coupled out of the working beam path, from a lens or a lens 41 in the light guide 40 coupled. In a corresponding manner, then from the light guide 40 emerging radiation from another lens or lens 42 collimated to then as in the embodiments of the 1 and 2 from the focusing lens 24 on the entrance panel 21 the receiver arrangement 19 to be focused. The use of a light guide 40 between laser processing head 10 and receiver assembly 19 has the advantage that the receiver arrangement 19 away from the laser processing head 10 can be arranged so that they do not cooperate with the laser processing head during laser processing 10 must be moved.

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 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. 4 shows another receiver arrangement for analyzing the spectral distribution of the optical radiation from the interaction zone 17 , The with the help of a focusing optics 16 . 29 and possibly a deflecting element detected and largely collimated radiation from the interaction zone is in the embodiment according to 4 by means of a splitter surface 30 divided so that a first part of the optical radiation from a first focusing lens 31 on a first photosensitive sensor 32 while a second portion of the detected radiation is focused by means of a second focusing lens 33 on a second photosensitive receiver 36 is focused. In front of the second photosensitive sensor 34 , in the present case between splitter surface 30 and focusing lens 33 is an optical filter 35 arranged, which has a substantially linearly increasing or linearly decreasing transmission in the spectral region of interest.

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.The two sensors 32 . 34 must have essentially the same spectral sensitivity. The output signals of the two sensors 32 and 34 are sent to a downstream evaluation circuit 36 created from the output signals of the sensors 32 and 34 a measure of the spectral distribution of the detected optical radiation, in particular the spectral center of gravity of the distribution determined.

Auch die in 4 dargestellte Empfängeranordnung kann zusammen mit einem Lichtleiter 40 und den erforderlichen Optiken oder Objektiven eingesetzt werden.Also in 4 shown receiver assembly may together with a light guide 40 and the required optics or lenses are used.

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.To move to different areas in the area of the interaction zone 17 to be able to see is the sensors 32 . 34 assigned in a manner not shown a diaphragm with a central passage opening, whose shape corresponds to the shape of the area to be observed.

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.Assuming that the two sensors 32 . 34 in the spectral region of interest of the detected radiation have a substantially constant sensitivity, determines the first photosensitive sensor 32 the intensity integral over the spectral region of interest, while the second photosensitive sensor 34 an integral is calculated over the weighted spectral intensity distribution. In this case, the focus can be achieved by a simple quotient formation in the evaluation circuit 36 determine.

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.Be photosensitive sensors 32 . 34 used, for example, have a logarithmic frequency response, so is the quotient formation in the circuit 36 to replace with a simple difference. It is crucial that with the help of a suitable filter 35 a weighting of the spectral intensity distribution is performed as a function of the wavelength.

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 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.The present invention thus provides a method and a device with the aid of which a radiation coming from the region of an interaction zone between laser beam and workpiece can be detected and analyzed for monitoring a laser processing operation. In particular, that of an area in the region of the interaction zone 17 outgoing radiation with the help of the focusing optics 16 . 29 essentially shown to infinity, from the working beam path 12 decoupled and by means of another focusing lens 24 directed to a receiver assembly. This is a suitable aperture, after 1 and 2 the entrance panel 21 to separate the radiation coming from the area to be observed. From the radiation which, in addition to the plasma radiation or the heat radiation from the metal vapor cloud, also comprises the reflected laser radiation and the material illumination from the interaction zone, the plasma radiation or the thermal radiation is first separated from the metal vapor cloud by suitable filtering. This is expediently carried out by selecting a suitable spectral range.

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 1 und 2 erfolgt die ”Filterung” durch eine geeignete Anordnung des Fotoempfängers 26, also beispielsweise des positionssensitiven Detektors.In the case of a YAG laser whose wavelength is about 1064 nm, only the radiation having a wavelength in the range between about 400 and 600 nm is considered essentially. In the case of a CO2 laser operating at a wavelength of about 10,600 nm, and a plasma above the interaction zone 17 ignites, light from the wavelength range of 200 to 600 nm, so light from the near UV and the visible range is detected. In the receiver arrangement 19 to 1 and 2 the "filtering" is done by a suitable arrangement of the photoreceptor 26 , So for example, the position-sensitive detector.

Im Falle des Ausführungsbeispiels nach 4 kann die Auswahl des gewünschten Spektralbereichs durch geeignete Bandfilter oder durch die Empfindlichkeit der Sensoren 32, 34 selbst realisiert werden.In the case of the embodiment according to 4 The choice of the desired spectral range can be made by suitable band filters or by the sensitivity of the sensors 32 . 34 even be realized.

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.Finally, for the detected radiation, the spectral center of gravity of its spectral intensity distribution is determined in the manner described above in order to be able to fire at the state of the plasma or the metal vapor cloud.

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.Because of this approach, a quick and easy monitoring of the plasma or the metal vapor cloud between the workpiece surface and the laser processing head or within the vapor capillary of the interaction zone is made possible in order to draw conclusions about the quality of machining.

Claims

Apparatus for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding operation, comprising an optical imaging arrangement ( 16 . 22 . 24 ; 29 . 24 ), which is an observation area in the area of an interaction zone ( 17 ) between working laser beam ( 13 ) and workpiece ( 18 ) to an entry area ( 21 ) a receiver arrangement ( 19 ). representing a light-decomposing element ( 25 ) and has a position-sensitive detector as the photoreceiver arrangement, the output signal of which corresponds to the focal point or frequency of the optical radiation-related center of gravity of the spectral distribution of the detected optical radiation.

Device according to Claim 1, characterized in that the light-decomposing element is an imaging diffraction grating ( 25 ) is provided, which the entrance area ( 21 ) on the position-sensitive detector ( 26 ) maps.

Apparatus for monitoring a laser processing operation, in particular a laser welding operation, comprising an optical imaging arrangement ( 16 . 13 ; 29 ), which is an observation area in the area of an interaction zone ( 17 ) between working laser beam ( 13 ) and workpiece ( 18 ) via a beam splitter ( 30 ) to a first and a second radiation-sensitive receiver arrangement ( 31 . 32 ; 35 . 33 . 34 ), the two receiver arrangements ( 31 . 32 ; 35 . 33 . 34 ) have different spectral sensitivity profiles, and with a signal processing circuit ( 36 ), which consist of the output signals of the two receiver arrangements ( 31 . 32 ; 35 . 33 . 34 ) determines the spectral center of gravity of the detected radiation.

Device according to Claim 3, characterized in that the first radiation-sensitive receiver arrangement comprises a photosensitive sensor ( 32 ), which provides a signal corresponding to the incident intensity, and that the second radiation-sensitive receiver arrangement a the first sensor ( 32 ) corresponding second photosensitive sensor ( 34 ) with associated color filters ( 35 ), which causes a spectral weighting of the filtered radiation.

Method for monitoring a laser machining process, in particular a laser welding process, in which - optical radiation from the region of an interaction zone ( 17 ) between working laser beam ( 13 ) and workpiece ( 18 ), spectrally decomposed and as a spectrum on a position-sensitive detector ( 26 ) whose output signal corresponds to the center of gravity or frequency of the optical radiation center of gravity of the spectral distribution of the detected optical radiation and thus is a measure of their spectral distribution, and - from the measure of the spectral distribution of the detected optical radiation a control and / or control variable for the machining process is derived.

Method for monitoring a laser machining process, in particular a laser welding process, in which - optical radiation from the region of an interaction zone ( 17 ) between working laser beam ( 13 ) and workpiece ( 18 ), - a first part of the detected optical radiation onto a first radiation-sensitive receiver arrangement ( 31 . 32 ) and a second part of the detected optical radiation onto a second radiation-sensitive receiver arrangement ( 33 . 34 . 35 ), the two receiver arrangements ( 31 . 32 ; 35 . 33 . 34 ) have different spectral sensitivity profiles, - from the output signals of the two receiver arrangements ( 31 . 32 ; 35 . 33 . 34 ) the wavelength or frequency related spectral center of gravity of the detected radiation is determined as a measure of the spectral distribution of the detected optical radiation, and - from the measure of the spectral distribution of the detected optical radiation a control and / or control variable for the processing operation is derived ,

Method according to Claim 6, characterized in that, for a first part of the detected radiation, a first integral over a specific spectral range is determined, that a second part of the detected radiation is subjected to color filtering ( 35 ) to weight the detected radiation over the determined spectral range, and determining a second integral over the determined spectral range from the weighted radiation such that the spectral center of gravity can be determined from the two integrals.

Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the optical radiation of one in the region of the interaction zone ( 17 ) plasma cloud is detected.

Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the optical radiation of one in the region of the interaction zone ( 17 ) existing metal vapor cloud is detected.

Method according to one of Claims 5 to 9, characterized in that the optical radiation is emitted from an area above the surface of the interaction zone ( 17 ) is detected.

Method according to one of claims 5 to 9, characterized in that the optical radiation from a region of a vapor or capillary channel in the interaction zone ( 17 ) is detected.