DE102006028250A1 - Monitoring laser welding processes with or without spontaneous plasma zone formation, images optical radiation from processing region, analyzes spectrally and evaluates - Google Patents

Monitoring laser welding processes with or without spontaneous plasma zone formation, images optical radiation from processing region, analyzes spectrally and evaluates

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DE102006028250A1 DE200610028250 DE102006028250A DE102006028250A1 DE 102006028250 A1 DE102006028250 A1 DE 102006028250A1 DE 200610028250 DE200610028250 DE 200610028250 DE 102006028250 A DE102006028250 A DE 102006028250A DE 102006028250 A1 DE102006028250 A1 DE 102006028250A1
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Abstract

Optical radiation from the processing zone of the laser beam incident on the workpiece (4) and from the immediate surroundings, is imaged in an intermediate plane (7). From this intermediate image a profile section is screened-out, and projected onto a linear spectrometer (10). The result is spatially-resolved, spectrally-analyzed and evaluated appropriately. To form the image of the processing zone and its immediate surroundings in the imaging plane, a beam splitter (6) is placed in the beam path. The profile section is taken through the intermediate image of the processing zone in the processing direction and/or at right angles to it. The section is taken in both of these directions, screened out and projected onto two linear spectrometers (10, 11). It is spatially-resolved, spectrally-analyzed and evaluated appropriately. Spectral analysis is undertaken in the waveband 350-1700 nm. The spectra are digitized and represented as images with wavelength on the x-axis and intensity on the y-axis. The profile sections are recorded continuously in time, at a rate of 2000 sections per second. From the results, conclusions are drawn concerning the: processing direction, spacing of laser optics from the working plane, weld depth, quality of materials to be welded, quality of the solid-liquid phase during weld seam imaging and the influence of protective gas on weld quality. The splitter has a radially-symmetrical transmission profile; the transmission at its center is less than at its edges. It is a gray filter. A fraction of the laser radiation incident in the processing zone, is imaged onto a photodiode (15). It is integrated over a defined waveband. From the quotient of the integration results and the photodiode signal, information is derived concerning the laser beam continuity and/or the degree of contamination of the optical elements. In laser processing where no plasma suitable for imaging is produced, microwave energy is also coupled into the processing zone, in order to produce a plasma for imaging.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft die in-line-Überwachung der thermischen Zusammenhänge bei der Materialbearbeitung, insbesondere beim Schweißen verschiedener Materialien mit Lasern. The present invention relates to the in-line monitoring of the thermal connections in material processing, in particular during the welding of different materials with lasers.
  • Nach dem bekannten Stand der Technik sind zahlreiche Lösungen zur Überwachung von Prozess-Parametern bei der Lasermaterialbearbeitung bekannt, bei denen in der Regel Einzel- oder Mehrdetektorsysteme eingesetzt werden. According to the known prior art, numerous solutions for monitoring process parameters in laser material processing are known, in which generally used single or multi-detector systems. Als Detektoren werden vorzugsweise Photodioden, Pyrometer, Spektrometer und Kamerasysteme verwendet, mit denen Signale gewonnen werden, aus denen unter anderem Angaben zur Temperatur in der Bearbeitungszone, zur Kapillargeometrie, zum Arbeitsabstand (Fokus), zur Geometrie der Schweißnaht und zur Bearbeitungsrichtung abgeleitet werden können um den Bearbeitungsprozess optimal und zeitnah zu regeln. As detectors, preferably photodiodes, pyrometers, spectrometer and camera systems are used, which are obtained signals from which, inter alia, information on the temperature in the processing zone, the capillary geometry, the working distance (focus), the geometry of the weld seam and to the machine direction can be derived by to control the machining process optimally and promptly.
  • Die The DE 101 60 623 DE 101 60 623 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung der Emissionsspektroskopie, insbesondere der Laser-Emissionsspektroskopie, bei dem ein gepulster Laserstrahl zur Generierung eines laserinduzierten Plasmas automatisch auf ein Werkstück fokussiert wird. relates to a method and an apparatus for performing emission spectroscopy, in which a pulsed laser beam to generate a laser-induced plasma is automatically focused on a workpiece, in particular of the laser-emission spectroscopy. Dabei wird die durch Laserstrahlbeaufschlagung mit variablem Pulsabstand ΔT vom Plasma emittierte Strahlung detektiert und eine Elementanalyse des erfassten Strahlungsspektrums durchgeführt. The light emitted by laser beam irradiation with a variable pulse interval .DELTA.T by the plasma is detected and performed an elemental analysis of the detected radiation spectrum. Aus den für die spektrale Verteilung der Strahlung als integrales Maß ermittelten Werten werden entsprechende Kontroll- oder Steuergrößen generiert. corresponding control or control variables are generated from the data obtained for the spectral distribution of the radiation as an integral measurement values.
  • Auch in der Also in the DE 43 20 408 A1 DE 43 20 408 A1 wird ein Verfahren zur Prozesskontrolle und Prozessregelung bei der Oberflächenbehandlung von Werkstücken beschrieben, bei dem zur Materialbehandlung mit einem gepulsten Laser ein Plasma erzeugt wird. a method of process monitoring and process control during the surface treatment of workpieces, is described in which a plasma is generated for treatment of the material with a pulsed laser. Die vom Plasma ausgesendete Strahlung wird auch hier mit Hilfe der Plasma-Emissionsspektroskopie untersucht, indem die für die jeweilige Bear beitung relevanten Laserparameter on-line gemessen werden. The light emitted by the plasma is examined here using the plasma emission spectroscopy by the processing for each Bear relevant laser parameters on-line are measured. Das gemessene Spektrum wird mit einem Referenzspektrum verglichen um eine Elementaranalyse durchzuführen. The measured spectrum is compared to carry out an elemental analysis with a reference spectrum. Im Ergebnis dieser Auswertung kann die Regelung der Laserparameter und/oder der Position des Werkstückes erfolgen. As a result of this evaluation, the control of the laser parameters and / or the position of the workpiece can be done.
  • Bei dem in In the in DE 100 56 329 A1 DE 100 56 329 A1 beschriebenen Abstandssensor mit dem entsprechenden optischen Abstandsmessverfahren wird der Arbeitsabstand der Laserbearbeitungsanlage zur Werkstückoberfläche optisch durch Projektion eines Messobjektes, wie beispielsweise eines Gitters, auf das Werkstück überwacht. Distance sensor described with the corresponding optical distance measuring method, the working distance of the laser processing system to the workpiece surface optically by projecting a measurement object, such as a grating, monitored on the workpiece. Das reflektierte Licht des Messobjektes wird dabei bei zwei verschiedenen Wellenlängen detektiert und mit Referenzsignalen verglichen. The reflected light of the measuring object is then detected at two different wavelengths and compared to reference signals. In Auswertung dieses Vergleiches ist eine präzise und zuverlässige, sogar richtungsabhängige Regelung des Abstandes der Laserbearbeitungsanlage von der Werkstückoberfläche möglich. In evaluating this comparison accurate and reliable, even directional control the distance of the laser processing system of the workpiece surface is possible.
  • Weitere optische Verfahren zur Überwachung des Arbeitsabstandes beruhen auf der Aufspaltung des Laserstrahls mit einem diffraktiven Element in einen Arbeits- und einen Messstrahl mit anschließender Detektion des am Werkstück reflektierten Messstrahls ( Other optical methods for monitoring of the working distance based on the splitting of the laser beam with a diffractive element into a working and a measuring beam (with subsequent detection of the reflected measurement beam on the workpiece DE 199 14 984 A1 DE 199 14 984 A1 ), bzw. Detektion der Strahlung aus der Wechselwirkungs- oder Bearbeitungszone und Einstellen der Fokuslage auf maximale Signalhöhe ( ), Or detection of radiation from the interaction or processing zone, and adjusting the focus position to maximum signal level ( DE 102 48 458 A1 DE 102 48 458 A1 ). ).
  • Darüber hinaus werden im Stand der Technik Verfahren zur Ermittlung der Lage der Nahtfuge ( Moreover, in the prior art process (to determine the position of the Nahtfuge DE 38 30 892A1 DE 38 30 892A1 ; ; DE 42 03 667 A1 DE 42 03 667 A1 ) und zum Ableiten von einen oder mehreren prozessrelevanten Parameter durch Detektion der beim Tiefschweißen aus der Plasmawolke austretenden Strahlung beschrieben (z. B. WO 90/10 520 A1; . (Described above) and for deriving one or more process-related parameters by detecting the emerging during the deep-welding of the plasma cloud radiation, for example, WO 90/10 520 A1; DE 41 40 182 A1 DE 41 40 182 A1 ; ; US 6,621,047 A US 6,621,047 A ; ; US 2004/0026389 A1). US 2004/0026389 A1).
  • Gemäß WO 90/10 520 A1 wird die Strahlung aus der Plasmazone in zwei Wellenlängenbereichen gemessen. According to WO 90/10 520 A1, the radiation from the plasma zone in two wavelength ranges is measured. Während durch spektrometrische Auswertung der Signale im Bereich 200 nm bis 450 nm solche Größen wie Laserausgangsleistung, Strahldefokussierung sowie Schutz- und Arbeitsgaszuführung über wacht werden können, lassen sich aus der Auswertung der Signale im Bereich 800 nm bis 1300 nm Rückschlüsse auf Auswürfe und Hohlräume ziehen. While 200 nm such variables such as laser output power, beam defocusing as well as protective and working gas supply can be monitored over by spectrometric analysis of the signals in the range to 450 nm, can be obtained from the evaluation of the signals in the range 800 nm to 1300 nm draw conclusions on ejections and cavities.
  • In der Patentschrift In the patent DE 43 13 287 A1 DE 43 13 287 A1 wird die Einschweißtiefe spektroskopisch aus den spektralen Intensitäten von zwei Ionenlinien mit unterschiedlichem Ionisationsgrad ermittelt. the welding depth is determined spectroscopically from the spectral intensities of two ion lines with different ionization degree.
  • Der Hauptnachteil der nach dem Stand der Technik bekannten technischen Lösungen zur Prozessüberwachung, insbesondere durch spektroskopische Verfahren ist darin zu sehen, dass mit den bekannten spektroskopischen Verfahren keine Aussagen zur spektralen Verteilung der emittierten Strahlung in Abhängigkeit vom Ort in der Bearbeitungszone gewonnen werden können. The main disadvantage of the known prior art technical solutions for process monitoring, in particular by spectroscopic methods is the fact that with the known spectroscopic method, no statements about the spectral distribution of the emitted radiation depending on the location can be obtained in the treatment zone. Eine Prozesskontrolle auf der Basis von spektralen Messungen im VIS- und NIR-Bereich sind nur möglich, wenn beim Laserbearbeitungsprozess ein Plasma entsteht. A process control on the basis of spectral measurements in the VIS and NIR range are possible only if a plasma produced when laser machining process. Bei bestimmten Bearbeitungsprozessen wie dem Wärmeleitschweißen entsteht jedoch kein Plasma, so dass dort eine spektroskopische Prozesskontrolle in dem genannten Wellenlängenbereich nicht möglich ist. In certain machining processes such as heat conduction, no plasma, but produced so that there can not be a spectroscopic process control in the said wavelength range. Außerdem wird die Zusammensetzung des zu bearbeitenden Materials zur Zeit nicht überwacht. In addition, the composition of the material to be processed at the time is not monitored.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde Verfahren zur Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen zu entwickeln, mit dem auf Basis der ortsaufgelösten, spektralen Verteilungen der Bearbeitungszone exaktere Überwachungen und Beeinflussungen möglich sind, unabhängig davon ob verfahrensbedingt in der Bearbeitungszone eine Plasmazone ausgebildet wird oder nicht. The present invention has for its object to develop methods for monitoring laser machining processes, precise monitoring and influences are the based on the spatially resolved spectral distributions of the processing zone possible, regardless of whether a plasma zone is formed independently due to the process in the processing zone or not.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. According to the invention the object is achieved by the features of the independent claims. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Preferred further developments and embodiments are subject of the dependent claims.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen wird die optische Strahlung aus der Bearbeitungszone des Laserstrahls auf dem Werkstück und deren unmittelbare Umgebung in eine Zwischenbildebene abgebildet, wobei aus diesem Zwischenbild mindestens ein Profilschnittbild ausgeblendet, auf ein Linienspektrometer abgebildet, ortsaufgelöst spektral zerlegt und entsprechend ausgewertet wird. With the inventive method for monitoring laser machining processes, the optical radiation from the machining zone of the laser beam on the workpiece and its immediate vicinity is imaged into an intermediate image plane, from this intermediate image at least hidden registered sectional image is imaged on a line spectrometer, spatially resolved is spectrally decomposed and evaluated in accordance with ,
  • Obwohl eine Prozesskontrolle auf der Basis von spektralen Messungen im VIS- und NIR-Bereich nur möglich ist, wenn beim Laserbearbeitungsprozess ein Plasma entsteht und das vorgeschlagene Verfahren zur Überwachung auch von Laserbearbeitungsprozessen insbesondere dafür vorgesehen ist, kann es auch für solche Laserbearbeitungsprozesse angewendet werden, bei denen verfahrensbedingt in der Bearbeitungszone kein Plasma gebildet wird. Although a process control on the basis of spectral measurements in the VIS and NIR range is only possible if a plasma produced when laser machining process and the proposed method for monitoring and laser machining processes is particularly intended for, it can also be used for such laser machining processes, which due to the process in the processing zone no plasma is formed.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. The invention is described in more detail below with reference to embodiments. Dazu zeigen show to
  • 1 1 : eine Anordnung zur Anwendung des Verfahrens zur Überwachung beim Laserschweißen, An arrangement for application of the method for monitoring laser welding,
  • 2 2 : eine Schweißnaht mit Bearbeitungszone und den gekreuzt angeordneten Messbereichen der Linienspektrometer, : A weld with processing zone and the crossed line arranged measuring areas of the spectrometer,
  • 3 3 : einen Strahlteiler mit radialsymmetrischem Transmissionsverlauf und : A beam splitter with radially symmetrical transmission curve and
  • 4 4 : eine Anordnung zur Anwendung des Verfahrens mit zusätzlicher Mikrowellenquelle zur Erzeugung einer Plasmazone. An arrangement for application of the method with additional microwave source for generating a plasma zone.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen wird die optische Strahlung aus der Bearbeitungszone des Laserstrahls auf dem Werkstück und deren unmittelbare Umgebung in eine Zwischenbildebene abgebildet, wobei aus diesem Zwischenbild mindestens ein Profilschnittbild ausgeblendet, auf ein Linienspektrometer abgebildet, ortsaufgelöst spektral zerlegt und entsprechend ausgewertet. In the inventive method for monitoring laser machining processes, the optical radiation from the machining zone of the laser beam on the workpiece and its immediate vicinity is imaged into an intermediate image plane, from this intermediate image at least hidden registered sectional image is imaged on a line spectrometer spatially resolved, spectrally analyzed and evaluated accordingly. Zur Abbildung der Bearbeitungszone und deren unmittelbarer Umgebung in die Zwischenbildebene ist im Strahlengang ein Strahlteiler vorhanden. To map the processing zone and its immediate vicinity in the intermediate image plane, a beam splitter is present in the beam path.
  • Hierbei verläuft der Profilschnitt durch das Zwischenbild der Bearbeitungszone in Bearbeitungsrichtung und/oder senkrecht dazu. Here, the profile section or passes through the intermediate image of the processing zone in the processing direction and / perpendicular thereto. Vorzugsweise werden zwei Profilschnitte durch das Zwischenbild der Bearbeitungszone jeweils in Bearbeitungsrichtung und senkrecht dazu, ausgeblendet, auf zwei Linienspektrometer abgebildet, ortsaufgelöst spektral zerlegt und entsprechend ausgewertet. Preferably, two profile sections are hidden by the intermediate image of each processing zone in the processing direction and perpendicular thereto, mapped to two line spectrometer spatially resolved, spectrally analyzed and evaluated accordingly.
  • Dabei geht die Lösung davon aus, dass die von einem Laser kommende Strahlung über ein Strahlführungssystem und eine Strahlformungsoptik auf die zu bearbeitende Werkstückoberfläche fokussiert wird. The solution assumes that the next radiation from a laser via a beam guiding system and a beam-shaping optics is focused onto the workpiece to be machined surface. Die Bearbeitungszone einschließlich der unmittelbaren Umgebung davon wird durch die Strahlformungsoptik und einen Strahlteiler hindurch in eine Zwischenbildebene abgebildet. The processing zone including the immediate vicinity thereof is imaged by the beam shaping optics and a beam splitter passes in an intermediate image plane.
  • Aus dem Zwischenbild wird jeweils ein in Bearbeitungsrichtung (X-Richtung) und/oder senkrecht dazu (Y-Richtung) verlaufender Schnitt ausgeblendet und auf je ein Linienspektrometer abgebildet. in each case one in the machining direction (X direction) and / or perpendicular to it (Y-direction) is hidden extending section and mapped to one line spectrometer from the intermediate image. Die Spektrometer liefern im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 1200 nm spektral aufgelöste Schnitte in X- und Y-Richtung durch die Bearbeitungszone und die angrenzenden Materialbereiche. The spectrometer provide in the wavelength range from 350 nm to 1200 nm spectrally resolved cuts in the X and Y directions through the processing zone and the adjacent material regions.
  • In einem nächsten Verfahrensschritt werden die ortsaufgelösten Spektren der beiden Profilschnitte digitalisiert und als Bilder mit einer wellenlängenabhängigen Abszissenachse und einer intensitätsabhängigen Ordinatenachse ausgewertet. In a next step, the spatially resolved spectra of the two profile sections are digitized and evaluated as images with a wavelength-dependent x-axis and y-axis intensity-dependent. Aus den Spektren lassen sich folgende Aussagen zum Bearbeitungsprozess ableiten: From the spectra, the following statements on the editing process can be derived:
    • • Zusammensetzung des oder der zu bearbeitenden Materials/-lien, • Composition of the or the material to be machined / -lien,
    • • Nahtverlauf beim Laserschweißen und -Schneiden, • seam in laser welding and -cutting,
    • • Strahlquerschnitt des Lasers in der Bearbeitungszone, • the laser beam cross-section in the processing zone,
    • • Ausdehnung der Bearbeitungszone in Bearbeitungsrichtung und senkrecht dazu, • extent of the processing zone in the processing direction and perpendicular thereto,
    • • Fokuszustand des Lasers und damit Abstand des Bearbeitungskopfes vom Werkstück, • focus state of the laser and thus the distance of the machining head from the workpiece,
    • • Einschweiß- und Durchtrenntiefe beim Laserschweißen und -Schneiden, • Weld and severing depth in laser welding and -cutting,
    • • Qualität der Schweißnaht (z. B. Nahtfehler) hinter der Bearbeitungszone, • quality of the weld (z. B. seam failure) after the processing zone,
    • • Qualität und Quantität der Schutz- und Arbeitsgaszuführung. • quality and quantity of protective and working gas supply.
  • Die Aufnahme der Profilschnitte erfolgt hierbei vorzugsweise zeitlich fortlaufend mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2000 Schnitten/s. The recording of the profile sections preferably takes place continuously in time at a rate of at least 2000 cuts / s.
  • Im Zentrum der Bearbeitungszone ist die von den Spektrometern detektierte Strahlungsintensität im allgemeinen wesentlich höher als in den Randbereichen. At the center of the processing zone detected by the spectrometers radiation intensity is generally much higher than in the peripheral areas. Das hat zur Folge, dass entweder die Randbereiche auf Kosten des Zentrums von den Spektrometern nicht aufgelöst werden können oder wenn sie aufgelöst werden, das Zentrum überstrahlt ist und dieses dann nicht aufgelöst werden kann. The result is that either the peripheral areas can not be resolved at the expense of the center of the spectrometers or when dissolved, the center is outshined and then this can not be resolved.
  • Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der im Strahlengang vorhandene Strahlteiler über einen radialsymmetischen Transmissionsverlauf verfügt, wobei die Transmission im Zentrum des Strahlteilers geringer ist als in dessen Randbereichen. This is achieved in that the existing beam splitter in the beam path via a transmission curve has radialsymmetischen, wherein the transmission in the center of the beam splitter is less than in the edge regions thereof. Vorzugsweise ist der Strahlteiler mit radialsymmetischem Transmissionsverlauf als Graufilter ausgebildet. Preferably, the beam splitter having radialsymmetischem transmission curve is designed as a gray filter. Es wirkt so, dass die vom Laser kommende Strahlung nahezu ohne Verluste in die Strahlformungsoptik reflektiert wird und die aus dem Zentrum der Bearbeitungszone emittierte Strahlung durch dieses Filter vor dem Auftreffen auf die Spektrometer stärker gedämpft wird als die aus den Randbereichen emittierte Strahlung. It works so that the coming of the laser radiation is reflected into the beam shaping optics virtually no losses and the radiation emitted from the center of the processing zone radiation through this filter before striking is attenuated more on the spectrometer than the radiation emitted from the edges. Dabei kann der Transmissionsverlauf des Strahlteilers vorteilhaft an die Strahlungsintensi tätsverteilung in der Bearbeitungszone und an die Empfindlichkeit der Spektrometer angepasst. Here, the transmission characteristic of the beam splitter can advantageously tätsverteilung to the Strahlungsintensi in the treatment zone and adapted to the sensitivity of the spectrometer.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird bei dem Verfahren ein Teil der in der Bearbeitungszone ankommenden Laserstrahlung auf eine Fotodiode abgebildet und über einen definierten Wellenlängenbereich integriert. In an advantageous embodiment a part of the incoming laser radiation in the machining zone is imaged onto a photo diode and integrated over a defined wavelength range in the process. Die über den gesamten Wellenlängenbereich integrierten Spektrometersignale werden zum Signal der Fotodiode ins Verhältnis gesetzt. The integrated over the entire wavelength range spectrometer signals are ratioed to the signal of the photodiode. Aus dem zeitlichen Verlauf dieser normierten Signale werden Ausfälle oder Aussetzer bei der Laserstrahlung sowie eine schleichende Verschmutzung der Bearbeitungsoptik oder eines vor der Bearbeitungsoptik angeordneten Schutzglases detektiert. From the time variation of these normalized signals failures or interruptions in the laser radiation as well as a gradual contamination of the machining optical system or arranged in front of the processing optic protective glass to be detected.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für Laserbearbeitungsverfahren, bei denen es verfahrensbedingt in der Bearbeitungszone nicht zur Ausbildung eines Plasmas kommt, einsetzbar. The inventive method is also suitable for laser processing method, which are not due to the process in the processing zone to form a plasma comes, can be used. Hierbei wird zusätzlich Mikrowellenenergie in die Bearbeitungszone eingekoppelt, um in der Bearbeitungszone ein Plasma zu erzeugen. Here microwave energy is additionally coupled into the processing zone to produce a plasma in the processing zone. Dabei werden die aus der Schmelzzone freigesetzten Atome und Moleküle und bei Verwendung von Schutzgas die Atome und Moleküle des Schutzgases durch die Mikrowellenenergie in einen plasmaähnlichen Zustand versetzt, so dass die aus diesem Plasma emittierte Strahlung mit mindestens einem Linienspektrometer analysiert werden kann. Thereby be released from the fusion zone atoms and molecules and the atoms and molecules of the inert gas mixed with the use of protective gas by the microwave energy into a plasma-like state, so that the radiation emitted from this plasma radiation may be analyzed with at least one line spectrometer.
  • Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher beschrieben. The inventive method for monitoring laser machining processes will be described in detail with reference to various embodiments.
  • Hierzu zeigt this is shown 1 1 eine Anordnung zur Anwendung des Verfahrens zur Überwachung beim Laserschweißen. an arrangement for implementing the method for monitoring laser welding. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die vom Laserstrahlung 0 mit der Wellenlänge λ 0 über einen Spiegel Is in this embodiment by the laser radiation of wavelength λ 0 with 0 via a mirror 1 1 und einen Strahlteiler and a beam splitter 2 2 in die Strahlformungsoptik the beam shaping optics 3 3 umgelenkt, die den Laserstrahl 0 auf das Werkstück deflected, the laser beam onto the workpiece 0 4 4 fokussiert. focused. Hierbei wird zunächst davon ausgegangen, dass die Energiedichte des Laserstrahls 0 in der Bearbeitungszone groß genug ist, so dass ein Dampf-/Plasmakanal ausgebildet wird und eine Plasmazone Here, it is initially assumed that the energy density of the laser beam 0 in the processing zone is large enough so that a vapor / plasma channel is formed and a plasma zone 5 5 entsteht. arises. Aus dieser Zone wird Strahlung im UV- und VIS-Bereich emittiert. From this zone radiation is emitted in the UV and VIS range. Die Bearbeitungszone mit Schmelzzone, Plasmazone The processing zone melting zone, plasma zone 5 5 und deren unmittelbare Umgebung werden Hilfe der Strahlformungssoptik and their immediate surroundings will help the Strahlformungssoptik 3 3 über die Strahlteiler via the beam splitters 2 2 und and 6 6 in die Zwischenbildebenen in the intermediate image planes 7 7 abgebildet. displayed.
  • In den Zwischenbildebenen In the intermediate image planes 7 7 befinden sich Spaltblenden, durch die aus den Bildern je ein Schnitt in X- und Y-Richtung ausgeblendet wird. are slit, each a sectional view in the X and Y direction is hidden by the from the images. Die Profilschnitte werden mit Hilfe der Freistrahloptiken The profile sections are using the free beam optics 8 8th und and 9 9 auf die kompakten Linien-Spektrometer the compact lines spectrometer 10 10 und and 11 11 abgebildet. displayed. In den Spektrometern In the spectrometers 10 10 und and 11 11 wird die Strahlung nach bekannten Prinzipien spektral zerlegt, wobei die Spektren von Matrixkameras detektiert werden und als Bildfolgen SP 1 (t n , λ, x k , y0) und SP 2 (t n , λ, x0, y l ) über die Leitungen the radiation is decomposed spectrally in accordance with known principles, whereby the spectra of matrix cameras are detected and as the image sequences SP 1 (t n, λ, x k, y0), and SP 2 (t n, λ, x0, y l) via lines 12 12 und and 13 13 zu einem Auswerterechner gelangen, wobei arrive at an evaluation computer, wherein
  • t n , n = 1, 2, ... t n, n = 1, 2, ...
    die Zeitparameter, the time parameters,
    λ: λ:
    die Wellenlänge the wavelength
    x k , k = 1, 2, ..., K max x k, k = 1, 2, ..., K max
    die Pixelkoordinate des Profilschnitts in X-Richtung; The pixel coordinate of the profile section in the X direction;
    y l : y l:
    die Pixelkoordinate des Profilschnitts in Y-Richtung, und The pixel coordinate of the profile section in the Y direction, and
    l = 1, 2, ..., L max l = 1, 2, ..., L max
    die ortsfeste Pixelpositionen auf den Matrixkameras the fixed pixel positions on the matrix cameras
    der Spektrometer darstellen. the spectrometer represent.
  • Ein Teil der Laserstrahlung 0 gelangt über den Strahlteiler A portion of the laser radiation passes through the beam splitter 0 2 2 und eine Optik and optics 14 14 auf eine Fotodiode a photodiode 15 15 . , Diese wird mit dem Bildeinzugstakt der Spektrometer getriggert und liefert die Signale S 0 (t n ). This is triggered with the image acquisition timing of the spectrometer and supplies the signals S 0 (t n). Die Signale So werden über die Leitung The signals So be on the line 16 16 ebenfalls zum Auswerterechner übertragen. also transmitted to the evaluation.
  • Im Auswerterechner werden die zeitlich aufeinanderfolgenden Spektren in Spektrenanalysatoren nach charakteristischen Elementen des Werkstücks und des Schutzgases (wenn vorhanden) ausgewertet. In the evaluation, the temporally successive spectra are in Spektrenanalysatoren according to characteristic elements of the workpiece and of the shielding gas (if present) is evaluated. Es wird die Breite des Dampf-/Plasmakanals und der Schmelzzone ermittelt. It is determined the width of the vapor / plasma channel and the melt zone.
  • Durchschweißungen bzw. Durchschneidungen und die Fokuslage des Bearbeitungskopfes werden anhand des zeitlichen Intensitätsverlaufs bei charakteristischen Wellenlängen festgestellt. Full penetration or intersections and the focal position of the machining head are determined on the basis of the time intensity curve at characteristic wavelengths. Anhand des ortsaufgelösten Verlaufs der Spektren bei einer signifikanten Wellenlänge wird der Verlauf der Schweißnaht ermittelt. The course of the weld is determined based on the spatially resolved profile of the spectra at a significant wavelength.
  • Durch Integration über ein Wellenlängenintervall jedes Teilbildes SP 1 (t n ) und SP 2 (t n ) (n = 1, 2, ...) und Quotientenbildung mit dem Fotodiodensignal S 0 (t n ) werden Aussetzer bei der ankommenden Laserstrahlung sowie eine schleichende Verschmutzung eines Schutzglases vor der Bearbeitungsoptik oder der Bearbeitungsoptik selbst erkannt. By integration over a wavelength interval of each field SP 1 (t n), and SP 2 (t n) (n = 1, 2, ...) and forming a quotient with the photo diode signal S 0 (t n) are misfires in the incoming laser radiation, and a recognized creeping contamination of a protective glass before processing optics and optical processing system itself.
  • 2 2 zeigt eine Schweißnaht shows a weld 12 12 mit Bearbeitungszone und den gekreuzt angeordneten Messbereichen der Linienspektrometer with processing zone and the crossed line arranged measuring areas of the spectrometer 10 10 und and 11 11 . , Die Bearbeitungsrichtung wird durch den Pfeil The machining direction is indicated by the arrow 14 14 charakterisiert. characterized. Während die in die Zwischenbildebene abgebildet Bearbeitungszone und deren unmittelbare Umgebung mit While the imaged into the intermediate image plane processing zone and its immediate environment 13 13 gekennzeichnet ist, stellt is in sets 15 15 die Plasmazone, the plasma zone, 16 16 die Schmelzzone und the melting zone and 12 12 die fertige Schweißnaht dar. the finished weld is.
  • 3 3 zeigt den radialsymmetrischem Transmissionsverlauf eines Strahlteilers shows the radially symmetrical transmission curve of a beam splitter 2 2 . , Die vom Spiegel By the mirror 1 1 kommende Laserstrahlung 0 wird im Zentrum des Strahlteilers coming laser radiation 0 is in the center of the beam splitter 2 2 mit hoher Reflektivität, z. with high reflectivity such. B. r = 0,98 in die Strahlformungsoptik B. r = 0.98 in the beam shaping optics 3 3 reflektiert und auf das Werkstück and reflected on the workpiece 4 4 fokussiert. focused. Aus der Bearbeitungszone wird Strahlung im UV- und VIS-Bereich emittiert. From the machining zone radiation is emitted in the UV and VIS range. Die Bearbeitungszone mit Schmelzzone, Plasmazone The processing zone melting zone, plasma zone 5 5 und deren unmittelbare Umgebung werden Hilfe der Strahlformungssoptik and their immediate surroundings will help the Strahlformungssoptik 3 3 über die Strahlteiler via the beam splitters 2 2 und and 6 6 in die Zwischenbildebenen in the intermediate image planes 7 7 abgebildet, wobei die aus dem Zentrum der Bearbeitungszone emittierte Strahlung wird durch den Strahlteiler ready, wherein the light emitted from the center of the processing zone radiation through the beamsplitter 2 2 vor dem Auftreffen auf die Spektrometer before striking the spectrometer 10 10 und and 11 11 stärker gedämpft als die aus den Randbereichen emittierte Strahlung. attenuated more than the radiation emitted from the edge regions.
  • In einer besonderen Ausgestaltung kann der Strahlteiler In a particular embodiment, the beam splitter 2 2 durch entsprechende Formgebung die Funktion der Strahlformungsoptik übernehmen. take over the function of the beam-shaping optics by appropriate shaping.
  • Für den Fall, dass bei der Lasermaterialbearbeitung das Material in der Bearbeitungszone nur geschmolzen wird und es nicht zur Ausbildung einer Plasmazone kommt, wird wie in In the event that the material in the processing zone is just melted in laser material processing and it does not come to form a plasma zone, as in 4 4 dargestellt, mit Hilfe einer Mikrowellenquelle zusätzliche Energie in die Bearbeitungszone eingekoppelt. illustrated, coupled by means of a microwave source additional energy into the processing zone. Auch hier wird die Laserstrahlung 0 mit der Wellenlänge λ 0 über einen Spiegel Again, the laser radiation wavelength λ 0 at the 0 is via a mirror 1 1 und einen Strahlteiler and a beam splitter 2 2 in die Strahlformungsoptik the beam shaping optics 3 3 umgelenkt und auf das Werkstück deflected and to the workpiece 4 4 fokussiert. focused.
  • Wenn die Energiedichte des Laserstrahls 0 in der Bearbeitungszone jedoch nicht ausreicht ein Dampf-/Plasmakanal auszubilden und keine Plasmazone If the energy density of the laser beam 0 in the processing zone is not sufficient, a vapor / plasma channel form and no plasma zone 5 5 entsteht, so wird durch eine zusätzliche Mikrowellenquelle mit Fokussieroptik arises, then by an additional microwave source with focusing optics 17 17 Energie in die Bearbeitungszone eingekoppelt und so eine Plasmazone erzeugt. Energy coupled into the processing zone, thus generating a plasma zone. Die aus dieser Plasmazone emittierte Strahlung kann dann gemäß The radiation emitted from this plasma zone radiation may then in accordance with 1 1 analysiert und für die Kontrolle des Bearbeitungsprozesses verwendet werden. are analyzed and used to control the machining process. Die Bearbeitungszone mit Schmelzzone, Plasmazone The processing zone melting zone, plasma zone 5 5 und deren unmittelbare Umgebung werden Hilfe der Strahlformungssoptik and their immediate surroundings will help the Strahlformungssoptik 3 3 über die Strahlteiler via the beam splitters 2 2 und and 6 6 in die Zwischenbildebenen in the intermediate image planes 7 7 abgebildet. displayed. In den Zwischenbildebenen In the intermediate image planes 7 7 befinden sich auch hier Spaltblenden, durch die aus den Bildern je ein Schnitt in X- und Y-Richtung ausgeblendet wird. are also slit, a section each is hidden in the X- and Y-direction by the from the images. Die Profilschnitte werden mit Hilfe der Freistrahloptiken The profile sections are using the free beam optics 8 8th und and 9 9 auf die kompakten Linien-Spektrometer the compact lines spectrometer 10 10 und and 11 11 abgebildet. displayed. In den Spektrometern In the spectrometers 10 10 und and 11 11 wird die Strahlung nach bekannten Prinzipien spektral zerlegt, wobei die Spektren von Matrixkameras detektiert werden und als Bildfolgen SP 1 (t n , λ, x k , y0) und SP 2 (t n , λ, x0, y l ) über die Leitungen the radiation is decomposed spectrally in accordance with known principles, whereby the spectra of matrix cameras are detected and as the image sequences SP 1 (t n, λ, x k, y0), and SP 2 (t n, λ, x0, y l) via lines 12 12 und and 13 13 zu einem Auswerterechner gelangen. arrive at an evaluation.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird ein Verfahren zur Verfügung gestellt, mit der Laserbearbeitungsprozesse auf einfache, sichere und exakte Weise überwacht werden könnnen. With the inventive solution, a method is provided könnnen be monitored by the laser machining processes in a simple, safe and accurate manner.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Überwachung von Laserbearbeitungsprozessen, bei dem die optische Strahlung aus der Bearbeitungszone des Laserstrahls auf dem Werkstück und deren unmittelbare Umgebung in eine Zwischenbildebene abgebildet werden, wobei aus diesem Zwischenbild mindestens ein Profilschnittbild ausgeblendet, auf ein Linienspektrometer abgebildet, ortsaufgelöst spektral zerlegt und entsprechend ausgewertet wird. A method of monitoring laser machining processes in which the optical radiation from the machining zone of the laser beam on the workpiece and its immediate surroundings are imaged into an intermediate image plane, from is this intermediate image hidden at least one profile-sectional image displayed on a line spectrometer spatially resolved, spectrally analyzed and evaluated in accordance with ,
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem zur Abbildung der Bearbeitungszone und deren unmittelbarer Umgebung in die Zwischenbildebene, im Strahlengang ein Strahlteiler vorhanden ist. The method of claim 1, wherein a beam splitter is provided for illustration of the machining area and its immediate vicinity in the intermediate image plane in the beam path.
  3. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem der Profilschnitt durch das Zwischenbild der Bearbeitungszone in Bearbeitungsrichtung und/oder senkrecht dazu verläuft. A method according to any one of claims 1 and 2, wherein the profile section perpendicular passes through the intermediate image of the processing zone in the processing direction and / or so.
  4. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem Profilschnitte durch das Zwischenbild der Bearbeitungszone jeweils in Bearbeitungsrichtung und senkrecht dazu, ausgeblendet, auf zwei Linienspektrometer abgebildet, ortsaufgelöst spektral zerlegt und entsprechend ausgewertet werden. A method according to at least one of the preceding claims, imaged at the profile sections of the intermediate image of each processing zone in the processing direction and perpendicular thereto, are hidden by the two line spectrometer spatially resolved, spectrally decomposed and evaluated accordingly.
  5. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die spektrale Zerlegung der Profilschnitte im Wellenlängenbereich von 350 nm bis 1700 nm erfolgt. A method according to at least one of the preceding claims, wherein the spectral decomposition of the profile sections in the wavelength range of 350 nm to 1700 nm occurs.
  6. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die ortsaufgelösten Spektren der beiden Profilschnitte digitalisiert werden und als Bilder mit einer wellenlängenabhängigen Abszissenachse und einer intensitätsabhängigen Ordinatenachse ausgewertet werden. A method according to at least one of the preceding claims, wherein said spatially resolved spectra of the two profile sections are digitized and are evaluated as images with a wavelength-dependent abscissa axis and an ordinate axis intensity dependent.
  7. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem die Aufnahme der Profilschnitte zeitlich fortlaufend mit einer Geschwindigkeit von mindestens 2000 Schnitten/s erfolgt. A method according to at least one of the preceding claims, wherein the recording of the profile sections temporally continuous s done at a speed of at least 2000 cuts /.
  8. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem aus den spektralen Bildern der beiden Profilschnitte Aussagen zur Bearbeitungsrichtung, dem Abstand der Laseroptik zur Arbeitsebene, der Schweißtiefe, der Qualität der zu verschweißenden Materialen, der Qualität der Fest-Flüssigphase bei der Bildung der Schweißnaht und bei Verwendung von Schutzgas zu dessen Qualität abgeleitet werden. A method according to at least one of the preceding claims, in which from the spectral images of the two profile sections statements to the machine direction, the distance between the laser optics to the working plane, of the welding depth, the quality of the welded materials, the quality of the solid-liquid phase in the formation of the weld and be derived with the use of a protective gas to its quality.
  9. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem der im Strahlengang vorhandene Strahlteiler über einen radialsymmetrischen Transmissionsverlauf verfügt, wobei die Transmission im Zentrum des Strahlteilers geringer ist als in dessen Randbereichen. A method according to at least one of the preceding claims, wherein the beam splitter present in the beam path via a radially symmetric transmission curve features, wherein the transmission in the center of the beam splitter is less than in the edge regions thereof.
  10. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem der Strahlteiler mit radialsymmetrischem Transmissionsverlauf als Graufilter ausgebildet ist. A method according to at least one of the preceding claims, wherein the beam splitter is formed with radially symmetrical transmission curve as a gray filter.
  11. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem der Transsmissionsverlauf des Strahlteilers an die Strahlungsintensitätsverteilung in der Bearbeitungszone und an die Empfindlichkeit der Spektrometer angepasst wird. A method according to at least one of the preceding claims, in which the trans mission profile of the beam splitter is adapted to the radiation intensity distribution in the treatment zone and the sensitivity of the spectrometer.
  12. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem ein Teil der in der Bearbeitungszone ankommenden Laserstrahlung auf eine Fotodiode abgebildet und über einen definierten Wellenlängenbereich integriert wird, wobei aus dem Quotienten aus dem Ergebnissen der Integration und dem Signal der Fotodioden Informationen zur Kontinuität der Laserstrahlung und/oder zum Grad der Verschmutzung der optischen Elemente abgeleitet werden. A method according to at least one of the preceding claims, wherein a part of the arriving in the treatment zone laser radiation imaged onto a photodiode and integrated over a defined wavelength range, wherein the quotient from the result of the integration and the signal of the photodiode information to the continuity of the laser radiation and / or be derived for the degree of contamination of the optical elements.
  13. Verfahren nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, bei dem bei Laserbearbeitungsverfahren, bei denen es verfahrensbedingt in der Bearbeitungszone nicht zur Ausbildung eines Plasmas kommt, zusätzlich Mikrowellenenergie in die Bearbeitungszone eingekoppelt wird, um in der Bearbeitungszone ein Plasma zu erzeugen. A method according to at least one of the preceding claims, wherein not occur with laser processing method, which are due to the process in the processing zone to form a plasma, addition of microwave energy is coupled into the processing zone to generate a plasma in the processing zone.
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