DE102007036556A1 - Method for monitoring the focus position in laser beam machining processes - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Überwachung der Fokuslage bei Laserstrahlbearbeitungsprozessen, bestehend aus folgenden Schritten: - hochfrequente Intensitätsmodulation des Laserstrahls (1) zur Bearbeitung, wodurch dem Prozessleuchten aufgrund der Laserstrahlbearbeitung eine Modulation gleicher Frequenz aufgeprägt ist, - zeitaufgelöste Messung der Verhältnisse der Intensität und/oder der Phasenlage zwischen den Signalen des Bearbeitungslaserstrahles (1) und den Signalen des Prozessleuchtens, - Ermittlung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahles (1) anhand des Amplitudenverhältnisses und/oder der Phasenverschiebung oder einer Kombination daraus.Method for monitoring the focus position in laser beam processing processes, comprising the following steps: - high-frequency intensity modulation of the laser beam (1) for processing, whereby the process lights due to the laser beam processing a modulation of the same frequency is impressed, - time-resolved measurement of the ratios of the intensity and / or the phase angle between the signals of the processing laser beam (1) and the signals of the process lighting, - Determining the focus position of the processing laser beam (1) on the basis of the amplitude ratio and / or the phase shift or a combination thereof.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung beziehungsweise Überwachung der Fokuslage bei der Laserstrahlmaterialbearbeitung, insbesondere eine automatisierte Ausführung.The The invention relates to a method for determining or monitoring the focal position in the laser beam material processing, in particular an automated version.
Bei der Materialbearbeitung unter Einsatz von Laserstrahlung wie beispielsweise beim Schweißen, Bohren oder Schneiden, ist die Fokuslage des Bearbeitungsstrahles, genau genommen – die Fokuslage relativ zur Werkstückoberfläche, relevant für das Bearbeitungsergebnis. Der entsprechende Laserstrahl ist fokussiert, der Abstand des Fokus zum Laser beziehungsweise einer optischen Einheit kann in der Regel eingestellt werden und die Kenntnis über die Lage des Fokus relativ zum Werkstück ist wesentlich für die Führung des entsprechenden Prozesses.at the material processing using laser radiation such as when welding, drilling or cutting, is the focus position of the processing beam, in fact - the focus position relative to the workpiece surface, relevant to the Machining result. The corresponding laser beam is focused, the distance of the focus to the laser or an optical Unit can usually be set and the knowledge about the Location of the focus relative to the workpiece is essential for the leadership of the corresponding process.
Insbesondere für Schweißungen, bei denen dreidimensionale Führungen der Schweißnaht oder allgemein ein wandernder Schweißort berücksichtigt werden muss, ist ein Verfahren zur Fokuslagenkontrolle notwendig. Ein Beispiel hierfür ist die Verschweißung von „Tailored Blanks" im Automobilbau, wobei nicht aufbauend gearbeitet wird, sondern eine komplette dreidimensional strukturierte Bodenplatte, die teilweise verstärkt sein kann, in eine Karosserie eingebaut wird. Ein Vorteil besteht darin, dass Schweißnähte durch sonst notwendige Umformungen jetzt nicht übermäßig beansprucht werden.Especially for welds involving three-dimensional guides the weld or generally a wandering location must be considered, is a procedure for focus position control necessary. An example of this is the welding of "tailored blanks" in automotive engineering, not constructive is being worked, but a complete three-dimensionally structured Base plate, which may be partially reinforced, in one Body is installed. One advantage is that welds by otherwise necessary transformations now not excessive be claimed.
Im Stand der Technik bekannte Verfahren messen in der Regel den Abstand zwischen Laserkopf und Werkstück. Im Falle des Laserschneidens kommen häufig kapazitive Abstandsmessungen zum Einsatz [1]. Weitere Methoden zur Abstandsmessung zwischen Laserkopf und Werkstück werden Beispielsweise mit Lasertriangulation durchgeführt. Weiterhin kann ein Messverfahren die chromatische Abbaration der Prozessstrahlung ausnut zen. Hierbei wird die unterschiedliche Fokuslage verschiedener Fokuslängen an den Linsen im Beobachtungsstrahlengang ausgewertet [2].in the The prior art methods usually measure the distance between laser head and workpiece. In the case of laser cutting come often capacitive distance measurements are used [1]. Further Methods for distance measurement between laser head and workpiece are performed for example with laser triangulation. Furthermore, a measuring method, the chromatic abatement of Use process radiation. Here is the different focal position different focal lengths on the lenses in the observation beam path evaluated [2].
Zur Ansteuerung beziehungsweise zur Nachführung des Laserkopfes bei nicht optimaler Lage des Laserfokus relativ zur Werkstückoberfläche werden bei bekannten Verfahren vorgegebene und konstante Verfahrwege für den Laserkopf beziehungsweise für die Relativbewegung zum Werkstück vorgegeben.to Control or tracking of the laser head at not optimal position of the laser focus relative to the workpiece surface in known methods predetermined and constant travels for the laser head or for the relative movement to Workpiece specified.
Um bei der Messung der aktuellen Fokuslage die Reproduzierbarkeit zur erhöhen werden Verfahren gesucht die eine reduzierte Störanfälligkeit gegenüber regelmäßig vorhandenen Prozessleuchten aufweisen.Around in the measurement of the current focus position, the reproducibility for procedures are being sought which have a reduced susceptibility to interference have regularly available process lights.
Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombination des beigefügten Hauptanspruches.The Solution of this task is done by the feature combination of the attached main claim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.advantageous Embodiments are to be taken from the subclaims.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Messung des absoluten Abstandes zwischen Schweißkopf und Werkstück nicht wie bei herkömmlichen Verfahren indirekt über den Abstand zu messen ist, sondern es können die relativen Änderungen der Fokuslage des Bearbeitungsstrahles zum Werkstück angegeben werden. Die Information über die Fokuslage wird aus dem Prozessgeschehen gewonnen. Zunächst wird eine dem Prozessleuchten aufgeprägte Intensitätsmodulation erzeugt, indem eine hochfrequente Intensitätsmodulation auf den Bearbeitungslaserstrahl aufgebracht wird. Die Modulation und die aufgeprägte Modulation weisen die gleiche Frequenz auf. Durch nachfolgende frequenzselektive Messungen des Prozessleuchtens werden entsprechende Signale generiert. Aus den in der Frequenz im Wesentlichen konstanten Signalen zwischen der Modulation am Laserstrahl und dem Signal im Prozessleuchten lassen sich jedoch hinsichtlich Phasenlage und Amplitudenverhältnis Unterschiede feststellen. Je nach relativer Fokuslage ändern sich die Verhältnisse der genannten Parameter entsprechend. Somit kann durch Auswertung der Amplitudenverhältnisse, der Phasenverschiebungen oder beider Einflussgrößen in Kombination eine Relativverschiebung der Fokuslage ermittelt werden. Die Werte beruhen auf Messungen die zeitaufgelöst die Intensität des Prozesslichtes und getrennt davon die des eingestrahlten Laserstrahles aufnehmen.Of the The invention is based on the finding that a measurement of the absolute Distance between welding head and workpiece not as with conventional methods indirectly via It is the relative changes that can be measured the focal position of the machining beam to the workpiece specified become. The information about the focus position is taken from the Process events won. First, a process light is impressed Intensity modulation generated by a high-frequency Intensity modulation applied to the processing laser beam becomes. The modulation and the imposed modulation have the same frequency. By subsequent frequency-selective measurements the process lighting generates corresponding signals. Out the signals substantially constant in frequency between the modulation of the laser beam and the signal in the process lights can be, however, in terms of phase and amplitude ratio Find differences. Change according to the relative focus position the conditions of the mentioned parameters correspond. Thus, by evaluating the amplitude ratios, the phase shifts or both factors in combination a relative shift of the focus position determined become. The values are based on measurements that are time-resolved the intensity of the process light and separately from that of the recorded incident laser beam.
Es ist vorteilhaft die elektromagnetischen Intensitätsschwankungen in ein proportionales elektrisches Signal zu wandeln.It is advantageous the electromagnetic intensity fluctuations to convert into a proportional electrical signal.
Weiterhin kann die Aufnahme eines Signals aus dem verwendeten Laserstrahl mit mindestens der doppelten Frequenz der Modulationsfrequenz vorteilhaft erfasst werden.Farther can record a signal from the laser beam used advantageous with at least twice the frequency of the modulation frequency be recorded.
Die Modulationsamplitude für den Bearbeiturgslaserstrahl beträgt vorzugsweise wenige Prozent der Gesamtamplitude.The Modulation amplitude for the Bearbeitungsurgslaserstrahl amounts preferably a few percent of the total amplitude.
Die Bestimmung von Phase und Amplitude geschieht kontinuierlich, so dass in vorteilhafter Weise eine Steuerung beziehungsweise Regelung des Prozesses möglich ist.The Determination of phase and amplitude happens continuously, so that advantageously a control or regulation the process is possible.
Eine wellenlängenabhängige Filterung des Prozesslichtes vor den Messaufnahmen ermöglicht eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses.A wavelength-dependent filtering of the process light before the measurement shots allows an improvement of the Signal / noise ratio.
Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei wird im einzelnem dargestellt:in the The following are by way of schematic not limiting the invention Figures embodiments described. It is in the single shown:
In
der
Die
Allgemein
ist nochmals anzumerken das die Intensität des Bearbeitungslaserstrahls
Zunächst werden zeitaufgelöst die Intensität des Prozesslichtes und getrennt davon die des Bearbeitungslaserstrahles aufgenommen. Es wird das Verhältnis zwischen beiden Amplituden ermittelt und kann als Grundlage zur Bestimmung der relativen Position des Fokus herangezogen werden. Die Modulationsfrequenz wird aus beiden aufgenommenen Signalen extrahiert und die Phasenbeziehung beziehungsweise das Amplitudenverhältnis der beiden extrahierten Signale wird bestimmt. Mindestens eines der berechneten Merkmale oder eine Kombination daraus ist Grundlage für die Direktion der relativen Phasenlage.First, the intensity of the process light and, separately, the processing laser beam are recorded time-resolved. The ratio between the two amplitudes is determined and can be used as a basis for determining the relative position of the focus. The Mo dationsfrequenz is extracted from both recorded signals and the phase relationship or the amplitude ratio of the two extracted signals is determined. At least one of the calculated features or a combination thereof is the basis for the direction of the relative phase relationship.
Geschieht die Bestimmung der Phase und Amplitude beziehungsweise der abweichenden werte kontinuierlich für jeweils vergangene definierte Zeitabschnitte des Signals während des Prozesses so ist eine ständige Bestimmung der Fokuslage für entsprechende Zeitabschnitte möglich indem jeweils aufeinanderfolgende Zeitintervalle miteinander verknüpft werden.happens the determination of the phase and amplitude or the deviating values for each of the past defined periods of time the signal during the process so is a constant Determination of the focus position for corresponding time periods possible by each successive time intervals be linked together.
Eine Frequenzfilterung und die Bestimmung der Phasenbeziehung und des Amplitudenverhältnisses können analog oder digital erfolgen oder auch in gemischter Form bearbeitet oder verarbeitet werden. (Die ausgewählten Indikatoren für die Bestimmung der relativen Fokuslage verändern sich nicht nur im Zusammenhang mit der Fokuslage sondern sind auch auf Materialzusammensetzung empfindlich. Dies ermöglicht bei konstanter Fokuslage eine Materialanalyse.A Frequency filtering and the determination of the phase relationship and the Amplitude ratio can be analog or digital be made or processed in mixed form or processed become. (The selected indicators for the Determining the relative focus position does not change only in connection with the focus position but are also on material composition sensitive. This allows a constant focus position Material analysis.
Die Erfindung gibt nicht einen absoluten Abstand zwischen Schweißkopf und Werkstück an sondern die relative Änderung der Fokuslage des Bearbeitungsstrahles im Verhältnis zur Werkstückoberfläche. Information der Fokuslage wird aus dem Prozessgeschehen gewonnen und nicht wie bei herkömmlichen Verfahren indirekt über den Abstand Werkstück zu Schweißkopf ermittelt.The Invention does not give an absolute distance between welding head and workpiece but the relative change the focus position of the machining beam in relation to the workpiece surface. Information of the focus position is gained from the process and not indirectly as with conventional methods determines the distance from workpiece to welding head.
Die Aufprägung einer Intensitätsmodulation auf einen Laserstrahl kann beispielsweise an einer Einpuls-Schweißanlage beziehungsweise an Schweißanlagen mit Pulsformung in einfacher weise vorgenommen werden. Die Empfangsseitige Frequenzselektive Messung des Prozesslichtes und der Laserleistung sowie die Bestimmung des Phasen und des Amplitudenverhältnisses der Modulation des eingestrahlten Laserstrahls und des Prozessleuchtens bilden die Grundlage für die Auswertung und Bestimmung der relativen Fokuslage.The Imprinting an intensity modulation on one For example, laser beam can be applied to a single-pulse welding system or on welding systems with pulse shaping in a simpler be made wisely. The reception-side frequency selective Measurement of the process light and the laser power as well as the determination the phase and the amplitude ratio of the modulation of the irradiated laser beam and the process lighting the basis for the evaluation and determination of the relative Focus position.
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