DE102004020704A1

DE102004020704A1 - Sensorvorrichtung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück sowie Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs und Laserbearbeitungskopf

Info

Publication number: DE102004020704A1
Application number: DE102004020704A
Authority: DE
Inventors: Bert Dr. Schürmann; Berthold Kessler; Jörg Dr.rer.nat. Bernges
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2005-11-24
Also published as: US20050252895A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (16) zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück (17) für eine Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweißvorgangs, sowie eine Vorrichtung zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere des Laserschweißvorgangs, und einen Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung weist eine strahlungsempfindliche Empfängeranordnung und eine Abbildungsvorrichtung auf, die einen zu beobachtenden Bereich aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (16) auf die Empfängeranordnung abbildet. Um einen kompakten und platzsparenden Aufbau zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Abbildungsvorrichtung einen im Arbeitsstrahlengang des Laserstrahls angeordneten fokussierenden Spiegel umfasst, der Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelt und auf die Empfängeranordnung fokussiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück für eine Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweissvorgangs, sowie eine Vorrichtung zur Überwachung des Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere des Laserschweissvorgangs, und einen Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Sensor- und Überwachungsvorrichtung.
Zur Prozessüberwachung bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserstrahlschweißen, also bei der Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden Sensor- und Überwachungsvorrichtungen eingesetzt, die als strahlungsempfindliche Empfänger Photodioden oder CCD Bildsensoren verwenden, die optische Emissionen während des Bearbeitungsprozesses erfassen und aufzeichnen.
Hierzu werden unter anderem externe Systeme eingesetzt, die außen an einem Laserbearbeitungskopf angebaute Sensoren, beispielsweise Flächenkameras, also CCD Bildsensoren mit flächenmäßig angeordneten Empfängerelementen, Zeilenkameras, also CCD Bildsensoren mit zeilenförmig angeordneten Empfängerelementen, oder Photodiodensysteme nutzen. Diesen Sensoren sind eigene Abbildungsoptiken und Schutzvorrichtungen zugeordnet.
Aus der DE 100 13 892 A1 ist eine derartige externe Vorrichtung zur Bestimmung der Schweißqualität an einer Schweißnaht zwischen Werkstücken bekannt. Die Vorrichtung umfasst erste und zweite Sensoreinrichtungen die beide mit einer Messvorrichtung verbunden sind, und die die Emissionsintensität von Licht erfassen, das von der Schweißnaht unter verschiedenen Winkeln seitlich emittiert wird.
Neben externen Systemen zur Überwachung von Laserbearbeitungsvorgängen werden auch Systeme eingesetzt, bei denen für den Strahlungstransport von der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück zu den strahlungsempfindlichen Empfängern zumindest einzelne Elemente des Laserstrahlführungssystems innerhalb des Laserbearbeitungskopfes benutzt werden.
Beispielsweise ist aus der DE 101 20 251 A1 ein Verfahren und eine Sensorvorrichtung zur Überwachung eines an einem Werkstück durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgangs bekannt, bei dem die Prozessstrahlung aus dem Wechselwirkungsbereich zwischen Laserstrahl und Werkstück über die Fokussierlinse für den Arbeitslaserstrahl, zu einem Teilerspiegel gelangt, mit dessen Hilfe die aus der Wechselwirkung kommende Strahlung aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelt wird. Eine dem Teilerspiegel nachgeordnete Abbildungsoptik fokussiert dann die Strahlung auf eine ortsauflösende Empfängeranordnung, die eine Blende zur Bestimmung eines Beobachtungsfeldes auf dem Werkstück aufweist.
Die DE 101 60 623 A1 betrifft eine weitere Vorrichtung zum Überwachen eines Laserbearbeitungsvorgangs. Diese bekannte Sensor- und Überwachungsvorrichtung wird mit einem Laserbearbeitungskopf eingesetzt, bei dem ein kollimierter Arbeitslaserstrahl über einen Umlenkspiegel auf einen als Fokussieroptik dienenden Hohlspiegel umgelenkt wird. Der Hohlspiegel weist dabei eine effektive Öffnung auf, die größer ist, als die des Umlenkspiegels. Somit wird ein Teil der von der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück ausgehenden Strahlung, die auf den Hohlspiegel trifft, an dem Umlenkspiegel ringförmig vorbei geführt und kann von einer hinter dem Umlenkspiegel angeordneten Sammellinse auf eine Eintrittsblende der Empfängeranordnung fokussiert werden. Wird dabei der Abstand zwischen Blende und Sammellinse variiert, so wird der Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone entsprechend verschoben.
Neben diesen Sensor- und Überwachungsvorrichtungen, die zur Strahlführung abbildende Elemente des Arbeitsstrahlenganges nutzen, ist aus der DE 198 52 302 A1 eine Prozessüberwachungseinrichtung bekannt, bei der ein Fokussierspiegel für den Arbeitslaserstrahl mit einem Loch versehen ist, durch das aus der Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück stammende Strahlung hindurchtreten kann, um von einer hinter dem Loch angeordneten Optik auf einen Detektor gelenkt zu werden. Hierbei ist zwar der Detektor intern angeordnet, zur Strahlführung werden jedoch keine optischen Elemente des Arbeitslaserstrahlengangs als solche verwendet.
Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Sensorvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere einen kompakten platzspa renden Aufbau aufweist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs sowie einen Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, die trotz Sensorvorrichtung einen kompakten und platzsparenden Aufbau besitzen.
Diese Aufgaben werden durch die Sensorvorrichtung nach Patentanspruch 1, die Überwachungsvorrichtung nach Patentanspruch 11 und den Laserbearbeitungskopf nach Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß ist also bei einer Sensorvorrichtung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone zwischen einem Laserstrahl und einem Werkstück eine strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung, und eine Abbildungsvorrichtung vorgesehen, die einen zu beobachtenden Bereich aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone auf die Empfängeranordnung abbildet, wobei die Abbildungsvorrichtung einen im Arbeitsstrahlengang des Laserstrahls angeordnetes fokussierendes optisches Element umfasst, das Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelt und auf die Empfängeranordnung fokussiert.
Durch den Einsatz eines optischen Elements, das sowohl zur Auskoppelung von Prozessstrahlung aus dem Arbeitsstrahlengang des Laserstrahls als auch zu deren Fokussierung dient, wird es ermöglicht eine kompakte Sensorvorrichtung zu schaffen, die sich ohne viel Platzbedarf in einen Laserbearbeitungskopf integrieren läßt.
Eine besonders vorteilhafte praktische Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung zeichnet dadurch aus, dass das im Arbeitsstrahlengang des Laserstrahls angeordnete fokussierende optische Element ein fokussierender Spiegel, insbesondere ein fokussierender Ringspiegel ist, der eine freie Öffnung für den Laserstrahl aufweist.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das im Arbeitsstrahlengang des Laserstrahls angeordnete fokussierende optische Element ein Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel ist, der entweder den Laserstrahl durchlässt und Strahlung aus einem anderen Spektralbe reich als dem des Laserstrahls ablenkt und auf die Empfängeranordnung fokussiert oder der den Laserstrahl ablenkt und die Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls durchlässt und auf die Empfängeranordnung fokussiert.
Hierbei durch eine geeignete Wahl des dichroitischen Materials bereits eine gewünschte Filterfunktion realisiert werden, so dass zuzätzliche Filter eingespart werden können.
Sollen verschiedene Parameter eines Laserbearbeitungsvorgangs gleichzeitig erfasst, überwacht und gegebenenfalls aufgezeichnet werden, so ist es zweckmäßig, wenn die Empfängeranordnung zumindest einen ersten und einen zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger umfasst, und wenn die aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelte Strahlung mittels wenigstens eines Strahlteilerspiegels in verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils auf die einzelnen Empfänger gelenkt werden.
Dabei kann vorgesehen sein, dass die einzelnen Empfänger unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.
Je nach den gewünschten und/oder erforderlichen Überwachungsaufgaben kann die Empfängeranordnung als Empfänger eine Photodiode und/oder ein Photodiodenarray, insbesondere einen ein- oder zweidimensionalen CCD-Bildsensor, oder auch einen PSD (positionsempfindlicher Detektor) oder einen CMOS-Empfänger umfassen.
Um ein Meß- oder Beobachtungsfeld im Bereich der Wechselwirkungszone festzulegen, ist es von Vorteil, wenn zumindest einem der Empfänger eine diesen zu beobachtenden Bereich festlegende Blende zugeordnet ist, wobei als Blende eine positiv oder negativ Blende vorgesehen sein kann.
Zweckmäßiger Weise läßt sich eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung in einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweissvorgangs vorsehen, die eine Auswerteschaltung umfasst, der Ausgangssignale der Empfängeranordnung der Sensorvorrichtung zugeführt werden, die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet und die ihrerseits Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung liefert, die den Laserstrahl und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt. Obwohl es grundsätzlich denkbar ist, die Ausgangssignale der Empfängeranordnung direkt als Status-, Steuer- und/oder Regelsignale zunutzen, ist es doch vorteilhaft, die Signale von der Empfängeranordnung zunächst einer Signalverarbeitung zu unterziehen, so dass aus ihnen Werte oder Signale gewonnen werden, die von nachfolgenden Schaltungen dann entsprechend den Anforderungen an die Laserbearbeitung verarbeitet werden können.
Ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, der ein Gehäuse, durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl geführt ist, und eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls in einen außerhalb des Gehäuses vorgesehenen Arbeitsfokus aufweist, ist vorteilhafter Weise mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung ausgerüstet.
Die Sensorvorrichtung kann dabei im Gehäuse integriert oder in einem eigenen Gehäuse aufgenommen sein, das dann am Gehäuse des Laserbearbeitungskopfes montiert ist.
Eine andere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf zeichnet sich dadurch aus, dass eine Auswerteschaltung vorgesehen ist, der Ausgangssignale der Empfängeranordnung der Sensorvorrichtung zugeführt werden, die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet und die ihrerseits Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung liefert, die den Laserstrahl und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine stark vereinfachte schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
4 eine Schnittdarstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dargestellt, die in einen Laserbearbeitungskopf 10 integriert ist, der nur durch eine Fokussieroptik 11 und einen dadurch festgelegten Arbeitsstrahlengang 12 angedeutet ist. Die Sensorvorrichtung umfasst eine Abbildungsvorrichtung, die neben der Fokussieroptik 11 für einen Laserstrahl 13 als fokussierendes, optisches Element einen fokussierenden Spiegel 14 aufweist, der gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung als Ringspiegel ausgebildet ist, der eine freie Öffnung 15 für den Laserstrahl 13 aufweist.
Die aus Fokussieroptik 11 und fokussierendem Ringspiegel 14 gebildete Abbildungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung bildet einen Bereich einer Wechselwirkungszone 16 zwischen dem Laserstrahl 13 und einem Werkstück 17 auf eine Blende 18 ab, die einer strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung 19 zugeordnet ist.
Die Blende 18 kann dabei eine positiv oder negativ Blende sein, sie kann also entweder einen zentralen oder einen ringförmigen Beobachtungsbereich festlegen. Die kann in in der 1 nicht näher dargestellter Weise eine oder mehrere Fotodioden mit gleicher oder unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit, eine Kamera, oder einen ein- oder zweidimensionalen CCD-Bildsensor aufweisen. Ferner ist es auch möglich in der Empfängeranordnung 19 einen positionsempfindlichen Detektor, also einen sogenannten PSD (position sensitive detector) oder einen CMOS-Empfänger, also einen auf der CMOS-Technik basierenden fotoempfindlichen Empfänger einzusetzen.
Die Empfängeranordnung 19 liefert Ausgangssignale an eine Auswerteschaltung 20, die die Signale von der Empfängeranordnung 19 verarbeitet, um ihrerseits geeignete Statussignale für eine Qualitätssicherung und für die Steuerung oder Regelung einer Laserbearbeitungsmaschine zu liefern. Die Statussignale können dabei einer Steuer- oder Regelschaltung 21 zugeführt werden, die entsprechende Steuersignale für den Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine liefert, in deren Laserbearbeitungskopf die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung integriert ist.
Die Auswerteschaltung 20 und die Steuer- oder Regelschaltung 21 sind in der Zeichnung als gesonderte Funktionsblöcke dargestellt, sie können aber auch sowohl schaltungstechnisch als auch funktionell als Einheit ausgebildet sein. Dabei ist es beispielsweise möglich, dass Ausgangssignal der Empfängeranordnung 19 unmittelbar als Eingangssignal für einen Steuer- oder Regelkreis zu verwenden.
Der fokussierende Ringspiegel 14 kann als sphärischer oder asphärischer Ringspiegel ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, einen ebenen Ringspiegel zu verwenden, dessen Spiegelfläche mit einem fokussierenden Beugungsmuster oder einer Fresnellstruktur versehen ist.
Während des Betriebs einer Laserverarbeitungsmaschine, also während ein Laserbearbeitungsvorgang, beispielsweise ein Laserschweißvorgang läuft, wird ein Laserstrahl 13 von der Fokussieroptik 11 auf das Werkstück 17 Fokussiert, das dann im Bereich der Wechselwirkungszone 16 aufgeschmolzen wird. Die Strahlung die vom Bereich der Wechselwirkungszone 16 ausgeht, wird dann von der Fokussieroptik 11 zurück in den Arbeitsstrahlengang 12 geführt, wo sie auf den fokussierenden Ringspiegel 14 trifft, der einen ringförmigen Bereich dieser Strahlung auf die Blende 18 der Empfängeranordnung 19 fokussiert. Die Abbildungsvorrichtung der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung, also die Fokussieroptik 11 und der fokussierende Ringspiegel 14 bilden somit die Wechselwirkungszone 16 auf die Blende 18 ab. Durch die relative Lage der Blende 18 und durch deren Form lässt sich ein bestimmter Beobachtungsbereich im Bereich der Wechselwirkungszone 16 festlegen.
Bei Verwendung einer negativ Blende ist es beispielsweise möglich, einen zentralen Bereich der Wechselwirkungszone 16, dass sogenannte Keyhole auszublenden, sodass im wesentlichen nur Strahlung aus Randbereichen der Wechselwirkungszone 16 auf die Empfängeranordnung gelangen, sodass eine aussagekräftige Temperatur-Information gewonnen werden kann.
Insbesondere bei der Herstellung von linearen Schweißnähte kann ein bezüglich der Bearbeitungsrichtung hinter der Wechselwirkungszone 16 liegender Bereich auf die Empfängeranordnung abgebildet werden, um so beispielsweise ein der Qualitätssicherung und/oder Regelung des Bearbeitungsvorgangs dienendes Statussignal zu erhalten, dass den Erfolg der Schweißung anzeigt.
Wird als Empfängeranordnung 19 eine Flächen- oder Zeilenkamera, also ein zwei- bzw. eindimensionaler CCD-Bildsensor oder der gleichen eingesetzt, so lassen sich während des Laserbearbeitungsvorgangs auch Temperaturprofile aus dem Bereich der Wechselwirkungszone 16 darstellen, aus denen sich dann durch entsprechende Auswertung für die Qualitätssicherung und die Regelung des Bearbeitungsvorgangs geeignete Signale ermitteln lassen. Dabei ist es beispielsweise denkbar, dass ein gemessenes Temperaturprofil im Bereich der Wechselwirkungszone mit einem theoretisch oder durch Versuche ermittelten Soll-Temperaturprofil verglichen werden, um dann den Laserbearbeitungsvorgang so zu steuern, dass die Abweichung des ermittelten Temperaturprofils von dem Soll-Temperaturprofil minimiert wird.
Die Abbildung der Wechselwirkungszone 16 oder eines ausgewählten Beobachtungsfeldes aus der Wechselwirkungszone 16 oder aus deren Umgebung auf die Empfängeranordnung kann auch zur geometrischen Bewertung der Schweißstelle zu Zwecken wie Nahtverfolgung, Spaltbreitenmessung und/oder Nahtvolumenberechnung genutzt werden.
Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung unterscheidet sich von dem oben anhand von 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass an Stelle eines fokussierenden Ringspiegels 14 ein dichroitischer Spiegel 24 vorgesehen ist, der den Laserstrahl 13 ungehindert passieren läßt, während die aus dem Bereich der Wechselwirkungszone 16 stammende Prozessstrahlung von dem dichroitischer Spiegel 24 reflektiert und damit aus dem Arbeitsstrahlengang 12 des Laserbearbeitungskopfes 10 ausgekoppelt wird. Der dichroitischer Spiegel 24 ist dabei auf seiner zur Fokussieroptik 11 weisenden Seite so ausgebildet, dass er zumindest in einem außenliegenden Ringbereich eine fokussierende Wirkung für die Prozeßstrahlung besitzt. Hierzu kann er zumindest in dem außen liegenden Ringbereich beispielsweise mit einer Fresnellstruktur oder einem fokussierenden Beugungsmuster versehen sein.
Der Einsatz eines dichroitischer Spiegels ermöglicht es durch geeignete Materialwahl einen bestimmten ausgewählten Spektralbereich der Prozeßstrahlung auszuwählen. Die Wahl des Spektralbereichs erfolgt dabei in Abhängigkeit zu den überwachenden Parametern der Laserbearbeitung. Dabei ist es beispielsweise möglich, einen bestimmten Bereich der Wärmestrahlung zu erfassen.
Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung nach 3 ist die Fokussieroptik 11 für den Laserstrahl 13 als sphärischer oder asphärischer Hohlspiegel ausgebildet während der dichroitischer Spiegel 34 aus einem Material hergestellt ist, dass für die Wellenlänge des Laserstrahls 13 reflektierend ist, während es andere Spektralbereiche, insbesondere ausgewählte interessierende Spektralbereiche der Prozeßstrahlung durchläßt. Die Rückseite des dichroitischer Spiegel 34 ist dabei wiederum so ausgebildet, dass sie eine fokussierende Wirkung besitzt. Dabei ist es beispielsweise denkbar, anstelle einer in 3 dargestellten Platte ein Prisma zu verwenden, bei dem die Austrittsfläche für die beobachtende Prozeßstrahlung als fokussierende Fläche ausgebildet ist.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 10 mit einer integrierten Sensorvorrichtung, die als Empfängeranordnung 19 erste und zweite Empfänger 41, 42 aufweist. Die beiden Empfänger 41, 42 können dabei beide als Fotodioden mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit ausgestaltet sein, es ist aber auch denkbar, dass einer oder beide der Empfänger als Kamera ausgestaltet sind.
Die Empfängeranordnung 19 ist in einem Gehäuse 43 angeordnet, dass über ein Winkelgehäuse 44 an einem Gehäuse 45 des Laserbearbeitungskopfes gehalten ist, durch das der Arbeitsstrahlengang 12 des Laserstrahls 13 geführt ist. Hier sind also Teile der Sensorvorrichtung in einem Gehäuse 43, 44 aufgenommen ist, das am Gehäuse 45 des Laserbearbeitungskopfes 10 montiert ist. Bei anderer Ausgestaltung des Gehäuses für den Laserbearbeitungskopf ist es auch denkbar, dass die Sensorvorrichtung mit allen ihren Elementen im Gehäuse des Laserbearbeitungskopf integriert ist.
Die von dem fokussierenden Spiegel 14, der in 4 nur als gestrichelte Linie dargestellt ist, aus dem Arbeitsstrahlengang 12 ausgekoppelte Prozess strahlung wird über einen im Winkelgehäuse 14 angeordneten Umlenkspiegel 46 in Richtung der Empfängeranordnung 19 umgelenkt. Im Winkelgehäuse 44 ist in Lichtrichtung gesehen hinter dem Umlenkspiegel 46 ein Schutzglas 47 angeordnet, um den Eingangsbereich der Empfängeranordnung 19 gegen den Innenraum des Laserbearbeitungskopfes 10 abzudichten.
Ein Teilerspiegel 48 läßt einen Teil der Prozessstrahlung zum Empfänger 41 durch, während ein anderer Teil reflektiert und über einen weiteren Umlenkspiegel 49 auf den zweiten Empfänger 42 gelenkt wird.
Die Ausgangssignale der beiden Empfänger 41, 42, die als Fotodioden und/oder als CCD Bildsensoren ausgebildet sein können, können wiederum für eine Vielzahl von Überwachungs-, Steuer-, und Regelaufgabe zur Qualitätskontrolle und zur Prozeßsteuerung entsprechenden Auswerte-, Steuer-, und/oder Regelschaltungen zugeführt werden.

Claims

Sensorvorrichtung zur Erfassung von Strahlung aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (16) zwischen einem Laserstrahl (13) und einem Werkstück (17) für eine Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweissvorgangs, mit – einer strahlungsempfindlichen Empfängeranordnung (19), und – einer Abbildungsvorrichtung (11, 14; 11, 24; 11, 34), die einen zu beobachtenden Bereich aus dem Bereich einer Wechselwirkungszone (16) auf die Empfängeranordnung (19) abbildet, wobei – die Abbildungsvorrichtung (11, 14; 11, 24; 11, 34) ein im Arbeitsstrahlengang (12) des Laserstrahls angeordnetes fokussierendes optisches Element (14; 24; 34) umfasst, das Strahlung aus dem zu beobachtenden Bereich aus dem Arbeitsstrahlengang (12) auskoppelt und auf die Empfängeranordnung (19) fokussiert.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Arbeitsstrahlengang (12) des Laserstrahls (13) angeordnete fokussierende optische Element ein fokussierender Spiegel (14), insbesondere ein fokussierender Ringspiegel ist, der eine freie Öffnung (15) für den Laserstrahl (13) aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Arbeitsstrahlengang (12) des Laserstrahls (13) angeordnete fokussierende optische Element ein Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel (24) ist, der den Laserstrahl (13) durchlässt und Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls (13) ablenkt und auf die Empfängeranordnung (19) fokussiert.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das im Arbeitsstrahlengang (12) des Laserstrahls (13) angeordnete fokussierende optische Element ein Spiegel, insbesondere ein dichroitischer Spiegel (34) ist, der den Laserstrahl (13) ablenkt und Strahlung aus einem anderen Spektralbereich als dem des Laserstrahls (13) durchlässt und auf die Empfängeranordnung (19) fokussiert.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung (19) zumindest einen ersten und einen zweiten strahlungsempfindlichen Empfänger (41, 42) umfasst, und dass die aus dem Arbeitsstrahlengang (12) auskoppelte Strahlung mittels wenigstens eines Strahlteilerspiegels (48) in verschiedene Strahlen aufgeteilt wird, die jeweils auf die einzelnen Empfänger (41, 42) gelenkt werden.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Empfänger (41, 42) unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweisen.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung (19) als Empfänger eine Photodiode umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeranordnung (19) als Empfänger ein Photodiodenarray, insbesondere einen ein- oder zweidimensionalen CCD-Bildsensor, einen PSD oder einen CMOS-Empfänger umfaßt.
Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem der Empfänger (41, 42) eine den zu beobachtenden Bereich festlegende Blende (18) zugeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Blende (18) eine positiv oder negativ Blende vorgesehen ist.
Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs, insbesondere eines Laserschweissvorgangs, mit – einer Sensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, und – einer Auswerteschaltung (20), der Ausgangssignale der Empfängeranordnung (19) der Sensorvorrichtung zugeführt werden, die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung verarbeitet und die ihrerseits Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung (21) liefert, die den Laserstrahl (13) und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt.
Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks (17) mittels eines Laserstrahls (13) mit: – einem Gehäuse (45), durch das hindurch ein Arbeitsstrahlengang (12) für den Laserstrahl (13) geführt ist; – einer Fokussieroptik (11) zur Fokussierung des Laserstrahls (13) in einen außerhalb des Gehäuses (45) vorgesehenen Arbeitsfokus (16); und mit – einer Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung im Gehäuse integriert ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung in einem Gehäuse (43, 44) aufgenommen ist, das am Gehäuse (45) des Laserbearbeitungskopfes (10) montiert ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteschaltung (20) vorgesehen ist, der Ausgangssignale der Empfängeranordnung (19) der Sensorvorrichtung zugeführt werden, die empfangenen Ausgangssignale der Empfängeranordnung (19) verarbeitet und die ihrerseits Ausgangssignale für eine Steuer- oder Regelschaltung (21) liefert, die den Laserstrahl (12) und/oder den Laserbearbeitungsvorgang steuert bzw. regelt.