DE102009052762A1

DE102009052762A1 - Laserbearbeitungskopf und Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung eines Lichtleitfaserendes

Info

Publication number: DE102009052762A1
Application number: DE102009052762A
Authority: DE
Inventors: Georg Spörl; Alexis Donke; Bert Schürmann
Original assignee: Precitec KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2009-11-11
Filing date: 2009-11-11
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2029-11-12
Also published as: DE102009052762B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, mit einer Optik zur Fokussierung des aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls auf das Werkstück, einer Rückreflexsensorvorrichtung mit einem Strahlungsdetektor, die dazu ausgebildet ist, die Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls zu bestimmen, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, und einer Steuerungsvorrichtung, welche mit der Rückreflexsensorvorrichtung verbunden ist und ein Intensitätssignal von der Rückreflexsensorvorrichtung empfängt, wobei die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl abzuschalten, wenn die von der Rückreflexsensorvorrichtung bestimmte Intensität einen Schwellwert überschreitet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls sowie ein Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung eines Faserendes einer Lichtleitfaser, welche einen Laserstrahl an einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks leitet.
Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, wobei zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können. Bei der Verwendung des Laserbearbeitungskopfes für Schneidarbeiten kann neben dem Laserstrahl zusätzlich ein Prozessgas durch eine Düse auf das Werkstück geleitet werden, welches das durch den Laserstrahl aufgeschmolzene Material eines zu bearbeitenden Werkstücks nach unten aus der Schnittfuge bläst.
Für den Einsatz in Laserschneidvorgängen werden auch Faserlaser eingesetzt. Ein Faserlaser ist eine spezielle Form des Festkörperlasers, wobei ein dotierter Kern einer Glasfaser das aktive Medium bildet. Der Faserlaser weist an seinen Endflächen Spiegel auf, die einen Resonator bilden und somit einen kontrollierten Laserbetrieb ermöglichen. Diese Spiegelflächen bestehen aus mit UV-Licht in die Glasfaser einbeschriebenen Brechzahlveränderungen, den so genannten Faser-Bragg-Gittern. Somit entstehen an diesen Gittern keine zusätzlichen Kopplungsverluste, wobei diese Gitter nur die gewünschten Wellenlängen selektiv reflektieren. Als Dotierungselement für den laseraktiven Faserkern wird Erbium am häufigsten verwendet, gefolgt von Ytterbium und Neodym. Die Wellenlängen des Laserlichts unterscheiden sich kaum, sie liegen bei 1,06 μm (Neodym) und 1,03 μm (Ytterbium). Ein großer Vorteil dieser Faserlaser ist, dass die emittierte Lichtwellenlänge vom Glas nur sehr gering absorbiert wird, das emittierte Laserlicht kann also mittels einer Glasfaser von der Laservorrichtung zu einem angeschlossenen Laserbearbeitungskopf geleitet werden.
Um ein Werkstück mittels des Laserbearbeitungskopfes zu bearbeiten, insbesondere zu schneiden, wird das von der Lichtleitfaser dem Laserbearbeitungskopf zugeleitete Laserlicht aus einem Faserende, welches in einer Halterung im Laserbearbeitungskopf gehalten wird, durch eine Kollimatoroptik ausgekoppelt, wobei die Kollimatoroptik auf den Mittelpunkt der Lichtleitfaser, also den lichtleitenden Kern im Faserende fokussiert ist und den ausgekoppelten Laserstrahl kollimiert. Der ausgekoppelte Laserstrahl wird zu einer Fokussierungsoptik geleitet, welche den parallelen Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert, um das Werkstück zu bearbeiten.
Bei einer Inbetriebnahme des Laserbearbeitungskopfes und einem Beginn des Laserschneidprozesses muss zunächst ein Einstich in das Werkstück mittels des Laserstrahls erfolgen. Hierbei wird das Werkstück mit einer Laserleistung bestrahlt, welche dazu ausreicht, das bestrahlte Material, welches in der Regel ein Metall ist, aufzuschmelzen. Bei der Bestrahlung des Werkstücks während des Einstichvorgangs mittels des Laserstrahls können jedoch aufgrund der guten Reflexionseigenschaften des Metalls Laserstrahlrückreflexe auftreten, die durch die Fokussierungsoptik und die Kollimatoroptik wieder zurück in Richtung des Faserendes projiziert werden. Aufgrund von Abbildungsfehlern in der Optik und der nicht exakten Spiegelung durch das Werkstück sind die Rückreflexe des auf das Werkstück fokussierten Laserstrahls in der Regel aufgeweitet und treffen daher nicht nur den Faserkern der Lichtleitfaser (was einen negativen Einfluss auf den Resonator haben kann), sondern auch die Halterung der Lichtleitfaser sowie die den Faserkern umgebende Hüllschicht der Lichtleitfaser. Die Rückreflexe des Laserstrahls, der in einem Leistungsbereich von 5 kW liegen kann, können bei einem Auftreffen auf die Hüllschicht der Lichtleitfaser diese beschädigen. Es kann einerseits eine direkte Beschädigung auftreten oder die Lichtleiteigenschaften der Hüllschicht werden derart verändert, dass aufgrund des im Laserbetrieb hindurch geleiteten Laserlichts mit hoher Leistung aufgrund der veränderten Lichtleiteigenschaften eine starke Erwärmung und eine anschließende Zerstörung der Lichtleitfaser auftritt.
Die US 2009/0107963 A1 beschreibt eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Bearbeitungsverfahren. Bei diesem Laserbearbeitungskopf wird ein Laserstrahl durch einen schmalen Durchgangsbereich im Strahlengang des Arbeitslaserstrahls hindurch fokussiert, welcher von einem Temperatursensor umgeben ist. Im Falle eines fehlerhaften Schneidvorgangs wird ein großer Teil des Laserlichts an dem geschmolzenen Metall in dem Schneidloch des Werkstücks wieder in den Laserbearbeitungskopf zurück reflektiert und trifft den Temperatursensor. Durch die Erwärmung des Temperatursensors aufgrund des auftreffenden Laserlichts wird ein fehlerhafter Schneidvorgang festgestellt und Schneidparameter entsprechend verändert.
Die WO 03/016854 A1 beschreibt eine Sensorvorrichtung zur Detektion von Beschädigungen an einem Faserende einer optischen Lichtleitfaser. Bei dieser Vorrichtung werden Sensoren um das Ende der Lichtleitfaser herum angeordnet, welche aufgrund einer Beschädigung des Endes der Lichtleitfaser erzeugtes Streulicht detektieren und eine entsprechende Beschädigung des Lichtleitfaserendes anzeigen.
Die EP 0 113 104 A2 beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen eines Faserbruchs in Lichtleitfasern. Bei dieser Vorrichtung wird eine Kunststofffaser parallel zu der die Hauptlaserleistung übertragenen Faser angeordnet, wobei im Falle eines Faserbruchs die benachbarte Kunststofffaser schmilzt und ein Referenzstrahl zur Überwachung der Laserübertragung unterbrochen wird, welcher durch die Kunststofffaser geschickt wird.
Die EP 0 470 583 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Erfassung von Schneidzuständen bei einem Laserbearbeitungsvorgang. Im Falle eines fehlerhaften Schneidzustands wird, wenn das von einem Werkstück zurückgeworfene Licht einen bestimmten Wert für eine vorbestimmte Zeit überschreitet, ein fehlerhafter Schneidvorgang angezeigt, bei welchem beispielsweise ein Werkstückmaterial verbrannt wird. Im Falle dieses fehlerhaften Schneidvorgangs stoppt der Laserbearbeitungskopf den Bearbeitungsvorgang und gibt eine Warnung aus.
Die DE 39 26 859 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Überarbeiten von Werkstücken mittels Laserstrahlung. Um ein gesteuertes Verfahren ohne Überschreitung einer kritischen Temperatur, zum Beispiel der Verdampfungstemperatur des Werkstückmaterials, auf einfache Weise zu erreichen, wird mit einem Strahlungsdetektor die von einer Bearbeitungsstelle ausgehende Wärmestrahlung gemessen, mit der eine obere Temperatur als Obergrenzwert eines vorbestimmten Temperaturbereichs und eine untere Temperatur als Untergrenzwert dieses Temperaturbereichs überwacht werden. Weiter wird die Laserstrahlung bei Erreichen des oberen Grenzwerts abgeschaltet und bei Erreichen des unteren Grenzwerts wieder eingeschaltet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Laserbearbeitungskopf sowie ein Verfahren bereitzustellen, durch welche eine Beschädigung eines Faserendes einer Lichtleitfaser, welche einen Laserstrahl an einen Laserbearbeitunskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks leitet, vermieden werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einer Optik zur Fokussierung des aus einer Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls auf das Werkstück, einer Rückreflexsensorvorrichtung mit einem Strahlungsdetektor, die dazu ausgebildet ist, die Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls zu bestimmen, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, und einer Steuerungsvorrichtung, welche mit der Rückreflexsensorvorrichtung verbunden ist und ein Intensitätssignal von der Rückreflexsensorvorrichtung empfängt, wobei die Steuerungsvorrichtung dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl abzuschalten, wenn die von der Rückreflexsensorvorrichtung bestimmte Intensität einen Schwellwert überschreitet.
Es ist also ein Laserbearbeitungskopf vorgesehen, bei welchem die Intensität von Rückreflexen eines Arbeitslaserstrahls, welche von einem Werkstück in den Laserbearbeitungskopf zurückgeworfen werden, gemessen wird, um bei einer Intensitätsüberschreitung der Rückreflexe, welche durch die Optik des Laserbearbeitungskopfes zurücklaufen und auf ein Faserende treffen, den Laserstrahl abzuschalten. Somit kann verhindert werden, dass die zurücklaufenden Rückreflexe für eine zu lange Zeitdauer auf das Faserende mit einem mittleren lichtleitenden Kern und einer diesen Kern umgebenden Hüllschicht treffen und somit durch Abgabe der Laserenergie das Faserende beschädigen.
Für die Bestimmung der Intensität des von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, ist es zweckmäßig, wenn ein bestimmter prozentualer Anteil der zurückreflektierten Laserintensität in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser durch die Rückreflexsensorvorrichtung gemessen wird, wobei es hierfür in einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil ist, wenn die Optik eine Kollimatoroptik zum Kollimieren des aus der Lichtleitfaser austretenden Laserstrahls sowie eine Fokussieroptik zum Fokussieren des kollimierten Laserstrahls auf das Werkstück umfasst, wobei ein Strahlumlenker oder ein Strahlteiler in dem Strahlengang des Laserstrahls zwischen Kollimatoroptik und Fokussieroptik angeordnet ist, um einen Anteil des von dem Werkstück in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückreflektierten Laserstrahls auszukoppeln und der Rückreflexsensorvorrichtung zuzuleiten.
Um sicherzustellen, dass die Rückreflexsensorvorrichtung nur Rückreflexe des Arbeitslaserstrahls von dem Werkstück aufnimmt und nicht durch die während der Bearbeitung des Werkstücks entstehende Wärmestrahlung gestört wird, ist es zweckmäßig, wenn die Rückreflexsensorvorrichtung einen optischen Filter umfasst, welcher vor dem Strahlungsdetektor angeordnet und auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmt ist.
Hierfür ist es zweckmäßig, wenn der optische Filter ein optischer Bandpassfilter ist, wobei die Emissionswellenlänge des Laserstrahls innerhalb des Wellenlängendurchlassbereichs liegt, dessen Halbwertsbreite vorzugsweise 50 nm, besonders bevorzugt 20 nm und insbesondere 10 nm ist.
Für die genaue Bestimmung der Intensität des von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, ist es von Vorteil, wenn die Rückreflexsensorvorrichtung eine Sensoroptik umfasst, welche vor dem Strahlungsdetektor so angeordnet ist, dass eine Oberfläche des Werkstücks in gleicher Weise auf den Strahlaustrittsbereich der Lichtleitfaser wie auf die Sensorfläche des Strahlungsdetektors projiziert wird.
Erfindungsgemäß ist weiter ein Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung eines Faserendes einer Lichtleitfaser vorgesehen, welche einen Laserstrahl an einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks leitet. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dabei die folgenden Schritte auf: (a) Einschalten des Laserstrahls, welcher aus einer Lichtleitfaser austritt und mittels einer Optik auf das Werkstück fokussiert wird, (b) Bestimmen der Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, und (c) Abschalten des Laserstrahls, wenn die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, wenn der Schritt des Abschaltens des Laserstrahls ferner das Kriterium umfasst, dass die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls durchgehend über eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten sein muss, bis der Laserstrahl abgeschaltet wird.
Um sicherzustellen, dass die Rückreflexsensorvorrichtung lediglich die Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls misst, ist es von Vorteil, wenn die Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls mittels einer Rückreflexsensorvorrichtung gemessen wird, deren spektrale Empfindlichkeit durch einen davor angeordneten optischen Filter, insbesondere einen optischen Bandpassfilter, auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmt ist.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Einstellen eines Schwellwertes für eine Intensität eines von einem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls bei der Bearbeitung des Werkstücks mittels des Laserstrahls durch einen Laserbearbeitungskopf vorgesehen, wobei dieses Verfahren die folgenden Schritte aufweist: (a) Setzen eines Anfangsschwellwerts für eine Intensität eines von dem Werkstück zurückreflektierten Laserstrahls, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser zurückläuft, auf einen Wert, bei welchem eine Beschädigung des Strahlaustrittsbereichs der Lichtleitfaser nicht auftritt, (b) Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens zur Vermeidung einer Beschädigung eines Faserendes einer Lichtleitfaser während eines Einstechvorgangs in das Werkstück, (c) Überprüfung des Werkstücks dahingehend, ob ein Einstich mittels des Laserstrahls in dem Werkstück erzeugt wurde, (d) Erhöhen des Schwellwerts um einen vorbestimmten Wert, wenn das Einstichergebnis nicht gut ist, und (e) Wiederholen der Schritte (b) bis (d), bis ein gutes Einstichergebnis in das Werkstück mittels des Laserstrahls erreicht ist.
Für eine Automatisierung des Einstichprozesses ist es hierbei zweckmäßig, wenn die Überprüfung des Werkstücks hinsichtlich eines erfolgten Einstichs mittels einer automatischen Auswertung eines Kamerabildes von dem Werkstück erfolgt.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Rückreflexsensorvorrichtung gemäß der Erfindung.
In 1 ist eine stark vereinfachte Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes 10 mit einer Rückreflexsensorvorrichtung 12 zur Vermeidung einer Beschädigung einer Lichtleitfaser 14 bei einem an einem Werkstück 16 durchzuführenden Laserbearbeitungsvorgang gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -Anlagen verwendet wird. Für die Bearbeitung des Werkstücks 16 wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 18 durch ein Gehäuse 20 des Laserbearbeitungskopfes 10 hindurch auf das Werkstück 16 gelenkt und mittels einer Fokussieroptik 22 auf das Werkstück 16 fokussiert, wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 18 wird dem Laserbearbeitungskopf 10 durch die Lichtleitfaser 14 zugeführt, wobei das Faserende der Lichtleitfaser 14 in einer Faserhalterung 24 gehalten ist. Der bei dem Faserende der Lichtleitfaser 14 innerhalb eines Strahlaustrittsbereichs 26 aus der Lichtleitfaser 14 austretende Laserstrahl 18 wird mittels einer Kollimatoroptik 28 kollimiert und auf einen Strahlumlenker 30 gelenkt, welcher den Laserstrahl 18 in Richtung der Fokussieroptik 22 umlenkt. Der Strahlumlenker 30 kann hierbei eine verspiegelte Glasplatte sein.
Die Anordnung der Kollimatoroptik 28 und der Lichtleitfaser 14 zu der Fokussieroptik 22 ist jedoch nicht auf das in 1 gezeigte Beispiel beschränkt, es ist auch möglich, dass der von der Kollimatoroptik 28 aufgeweitete Laserstrahl 18 gerade entlang der optischen Achse L auf die Fokussieroptik 22 zuläuft. In diesem Falle ist anstelle des Strahlumlenkers 30 ein Strahlteiler vorgesehen, der einen Großteil der auf ihn treffenden Laserstrahlung durchlässt (in diesem Fall ist die Rückreflexsensorvorrichtung 12 an der Stelle angeordnet, an welcher in 1 die Kollimatoroptik 28 montiert ist), wohingegen im erstbeschriebenen Fall der Strahlumlenker 30 einen Großteil der auf ihn auftreffenden Strahlung reflektiert und einen geringen Teil der Strahlung durchlässt. Das Verhältnis zwischen durchgelassener Strahlung zur reflektierten Strahlung liegt hier bei etwa 1:1000 (bei dem Strahlumlenker 30), bei dem Strahlteiler ist das Verhältnis entsprechend invertiert.
Die Lichtleitfaser 14 weist einen Faserkern 32 und einen den Faserkern 32 umgebenen Fasermantel 34 auf, wobei der Faserkern 32 dazu vorgesehen ist, den Laserstrahl 18 durch die Lichtleitfaser 14 zu leiten und der Fasermantel 34 dazu vorgesehen ist, aufgrund eines Brechungsindexunterschiedes den von der Lichtleitfaser 14 geleiteten Laserstrahl innerhalb der Lichtleitfaser 14 zu halten.
Bei einem Beginn des Laserbearbeitungsvorganges, welcher bei einem Schneidvorgang in der Regel ein Einstichprozess ist, wird der Laserstrahl 18 mit voller Leistung auf das Werkstück 16 fokussiert, um eine Aufschmelzung des Materials, in der Regel eines Metalls, des Werkstücks 16 zu erreichen und ein Einstichloch zu erzeugen. Beim Einschalten des Laserstrahls 18 treten jedoch aufgrund der guten Reflexionseigenschaften von Metall Rückreflexionen des Laserstrahls 18 von dem Werkstück 16 auf, welche durch die Fokussieroptik 22, den Strahlumlenker 30 und die Kollimatoroptik 28 wieder zurück auf den Strahlaustrittsbereich 26 der Lichtleitfaser 14 projiziert werden. Aufgrund von einer nicht perfekten Reflexion von dem Werkstück 16 und optischen Abbildungsfehlern der Optiken 22 und 28 ist der rückreflektierte Laserstrahl 18 im Vergleich zu dem ausgekoppelten Laserstrahl 18 leicht aufgeweitet. Somit können also Rückreflexe von dem Werkstück 16 nicht nur auf den Faserkern 32 der Lichtleitfaser 14, sondern auch auf den Fasermantel 34 der Lichtleitfaser 14 und auf Teile der Halterung 24 treffen. Bei einem Auftreffen der Rückreflexe auf den Faserkern 32 der Lichtleitfaser 14 wird das rückreflektierte Laserlicht zurück zum Resonator der Laserbearbeitungsmaschine geleitet, wodurch der Resonator beschädigt werden kann. Bei einem Auftreffen des rückreflektierten Laserlichts auf den Fasermantel 34 und Teile der Halterung 24 der Lichtleitfaser 14 wird ein Teil der rückreflektierten Laserstrahlleistung in dem Strahlaustrittsbereich 26 durch den Fasermantel 34 absorbiert, wodurch eine Beschädigung des Fasermantels 34 der Lichtleitfaser 14 auftreten kann.
Erfindungsgemäß wird daher die Rückreflexsensorvorrichtung 12 vorgesehen, durch welche eine Beschädigung des Faserendes der Lichtleitfaser 14 aufgrund eines von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18 vermieden werden kann. Die Rückreflexsensorvorrichtung 12 umfasst einen Strahlungsdetektor 36, welcher im spektralen Bereich des Laserstrahls 18 empfindlich ist. Der Strahlungsdetektor 36 kann hierbei ein Halbleiterdetektor sein, welcher eine auf eine Sensorfläche 38 auftreffende Strahlung detektiert und die integriert gemessene Strahlung in ein Intensitätssignal umwandelt, welches ein einfaches Spannungssignal oder ein digitales Signal sein kann.
Die Rückreflexsensorvorrichtung 12 umfasst weiter eine Sensoroptik 40, welche das von dem Werkstück 16 zurückreflektierte Laserlicht auf die Sensorfläche 38 des Strahlungsdetektors 36 projiziert. Die Sensoroptik 40 ist dabei vorteilhafterweise so vor dem Strahlungsdetektor 36 angeordnet, dass eine Oberfläche des Werkstücks 16 in gleicher Weise auf den Strahlaustrittsbereich 26 der Lichtleitfaser 14 wie auf die Sensorfläche 38 des Strahlungsdetektors 36 projiziert wird.
Somit kann sichergestellt werden, dass der Strahlungsdetektor 36 eine Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls 18 misst, welcher durch den Strahlteiler 38 entsprechend einem prozentualen Anteil aus dem Strahlengang zwischen Kollimatoroptik 28 und Fokussierungsoptik 22 ausgekoppelt wird, die im Wesentlichen proportional zu der Intensität des von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18 ist, welcher auf den Strahlaustrittsbereich 26 auftrifft. Somit kann die von dem Strahlungsdetektor 36 gemessene Intensität des rückreflektierten Laserstrahls 18 in die Intensität des reflektierten Laserstrahls 18, welcher auf den Strahlaustrittsbereich 26 der Lichtleitfaser 14 trifft, umgerechnet werden. Unter Strahlaustrittsbereich 26 soll hier ein Bereich verstanden werden, welcher die Stirnseite des Endbereichs des Faserkerns 32, des Fasermantels 34 und auch Teile der Faserhaltung 24 umfasst.
Die Rückreflexsensorvorrichtung 12 umfasst weiter einen optischen Filter 42, welcher vor dem Strahlungsdetektor 36 angeordnet ist. Der optische Filter 42 ist hierbei ein optischer Bandpassfilter, wobei die Emissionswellenlänge des Laserstrahls 18 innerhalb des Wellenlängendurchlassbereichs des optischen Bandpassfilters 42 liegt. Somit dringt nur Licht im gleichen spektralen Bereich wie das des Laserstrahls 18 durch den optischen Bandpassfilter 42 hindurch und wird auf die Sensorfläche 38 des Strahlungsdetektors 36 projiziert. Die Halbwertsbreite des Wellenlängendurchlassbereichs des optischen Bandpassfilters 42 kann hierbei vorzugsweise bei 50 nm, besonders bevorzugt bei 20 nm und insbesondere bei 10 nm liegen. Durch den Einsatz des optischen Bandpassfilters 42 können Störeinflüsse, wie beispielsweise Wärmestrahlung, welche durch ein Aufschmelzen des Materials des Werkstücks 16 erzeugt wird, durch den optischen Filter 42 gefiltert werden.
Die von dem Strahlungsdetektor 36 der Rückreflexsensorvorrichtung 12 gemessene Strahlungsintensität wird in ein Intensitätssignal gewandelt und an eine Steuerungsvorrichtung 44 gesendet. Die Steuerungsvorrichtung 44 ist dazu ausgebildet, den Laserstrahl 18 abzuschalten, wenn die von der Rückreflexsensorvorrichtung bestimmte Intensität einen Schwellwert überschreitet. Das Abschalten des Laserstrahls bei Überschreiten des Schwellwerts kann hierbei sofort erfolgen, es ist jedoch auch möglich, dass die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls durchgehend über eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten sein muss, bis der Laserstrahl durch die Steuerungsvorrichtung 44 abgeschaltet wird. Die Abtastfrequenz, mit welcher die Steuerungsvorrichtung 44 das von der Rückreflexsensorvorrichtung 13 empfangene Intensitätssignal überwacht, kann hierbei bei 10 kHz liegen, in diesem Fall wäre die kleinste Integrationsdauer 0,1 ms. Die Laserstrahlleistung, welche auf das Werkstück 16 projiziert wird, liegt hierbei bei 5 kW bis 10 kW.
Im Folgenden wird nun ein Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung eines Faserendes der Lichtleitfaser 14 beschrieben, das bei der Bearbeitung des Werkstücks 16 durch den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf 10 durchgeführt wird. Zunächst wird der Laserstrahl 18 eingeschaltet, welcher aus der Lichtleitfaser 14 bei dem Strahlaustrittsbereich 26 austritt und mittels der Kollimatoroptik 28 und der Fokussierungsoptik 22 auf das Werkstück 16 fokussiert wird. Danach wird die Intensität des von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs 26 der Lichtleitfaser 14 zurückläuft, bestimmt. Wenn die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls den oben beschriebenen Schwellwert überschreitet, wird der Laserstrahl abgeschaltet.
Somit kann also durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Bearbeitung des Werkstück 16 erfolgen, bei der sichergestellt ist, dass bei auftretenden Rückreflexen des Laserstrahls 18, welche einen Schwellwert überschreiten, der Laserstrahl 18 abgeschaltet und somit die Lichtleitfaser 14 geschützt wird.
Im Folgenden soll noch ein erfindungsgemäßes Verfahren beschrieben werden, durch welches ein Schwellwert für die Intensität des von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18 bei der Bearbeitung des Werkstücks 16 mittels des Laserstrahls 18 durch den Laserbearbeitungskopf 10 eingestellt werden kann.
Diese Einstellung des Schwellwerts erfolgt bei einem Einstichvorgang bei einem Schneidprozess des Werkstücks 16. Zunächst wird ein Anfangsschwellwert für die Intensität des von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18 auf einen Wert gesetzt, bei welchem sichergestellt ist, dass eine Beschädigung des Strahlaustrittsbereichs 26 der Lichtleitfaser 14 nicht auftritt. Dieser Wert sollte gering genug sein, dass eine Beschädigung der Lichtleitfaser 14 vermieden wird, jedoch groß genug, um einen sinnvollen Startwert zu bilden.
Danach wird der Laserstrahl 18 eingeschaltet und das oben beschriebene Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung des Faserendes der Lichtleitfaser 14 durchgeführt, also die Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls 18 bestimmt und der Laserstrahl 18 abgeschaltet, wenn die bestimmte Intensität den Anfangsschwellwert überschreitet.
Nach dem Abschalten des Laserstrahls wird das Werkstück 16 dahingehend untersucht, ob ein Einstich mittels des Laserstrahls 18 in dem Werkstück 16 erzeugt wurde, also ob Material in dem Werkstück 16, welches in der Regel Metall ist, durch den Laserstrahl 18 aufgeschmolzen wurde. Falls das Einstichergebnis nicht gut ist, also keine Aufschmelzung von Metall in dem Werkstück 16 stattgefunden hat oder das Aufschmelzergebnis nicht zufriedenstellend ist, wird der Anfangsschwellwert um einen vorbestimmten Wert erhöht. Danach wird wiederum der Laserstrahl 18 eingeschaltet, die Intensität des von dem Werkstück 16 zurückreflektierten Laserstrahls 18, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs 26 der Lichtleitfaser zurückläuft, bestimmt und der Laserstahl 18 abgeschalten, wenn die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls 16 den nun gesetzten Schwellwert überschreitet. Danach wird das Werkstück 16 wiederum überprüft. Diese Schritte werden solange wiederholt, bis ein gutes Einstichergebnis in dem Werkstück 16 durch den Laserstrahl 18 erreicht ist. Die Überprüfung kann hierbei automatisiert durch Auswertung eines Kamerabildes mittels eines Bildverarbeitungsprogramms durchgeführt werden.
Die Einstellung des Schwellwertes erfolgt also dadurch, dass zunächst ein Schwellwert willkürlich auf einen kleinen Wert eingestellt wird, der Laser eingeschalten und der Einstichvorgang gestartet wird, und nach einem Abschalten des Laserstrahls 18 bei Überschreitung der Rückreflexintensität des Laserstrahls die Bearbeitungsstelle beurteilt wird. Im Falle eines schlechten Einstichergebnisses wird der Schwellwert erhöht und der Vorgang solange wiederholt, bis der Laser einwandfrei durch das Werkstück 16 dringt. Danach kann der Schwellwert geringfügig erniedrigt werden. Wenn bei einem nächsten Einstichvorgang der Laserstrahl 18 in ein Werkstück 16 mit vergleichbaren Maßen eindringt, ist ein richtiger Schwellwert für den getesteten Werkstücktyp mit dem entsprechenden Material und der entsprechenden Materialstärke gefunden.
Die Lichtleitfaser 14 wurde hinsichtlich ihres Aufbaus so beschrieben, dass sie einen Faserkern 32 und einen Fasermantel 34 aufweist. Der Aufbau der Lichtleitfaser 14 kann jedoch wesentlich komplexer sein, so können zwischen Faserkern 32 und Fasermantel 34 noch weitere Hüllschichten angeordnet sein, es ist jedoch auch möglich dass der Übergang zwischen Faserkern 32 zu den Fasermantel 34 bezüglich ihrer Brechungseigenschaften fließend ist.
Durch die erfindungsgemäße Rückreflexsensorvorrichtung 12 kann eine Beschädigung der Lichtleitfaser 14, insbesondere bei einem Einstichvorgang in ein Werkstück 16 dadurch vermieden werden, dass Rückreflexe, welche in Richtung der Strahlaustrittsfläche 26 der Lichtleitfaser 14 zurücklaufen und auf diese treffen, erkannt werden und bei Überschreiten einer vorbestimmten Schwellintensität (oder bei einer zeitlichen Integration einer vorbestimmten Schwell-Laserenergie) der Laserstrahl 18 abgeschaltet wird, um die Beschädigung der Lichtleitfaser zu vermeiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2009/0107963 A1 [0006]
WO 03/016854 A1 [0007]
EP 0113104 A2 [0008]
EP 0470583 B [0009]
DE 3926859 A1 [0010]

Claims

Laserbearbeitungskopf (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (16) mittels eines Laserstrahls (18), mit: – einer Optik (22, 28) zur Fokussierung des aus einer Lichtleitfaser (14) austretenden Laserstrahls (18) auf das Werkstück (16), – einer Rückreflexsensorvorrichtung (12) mit einem Strahlungsdetektor (36), die dazu ausgebildet ist, die Intensität eines von dem Werkstück (16) zurückreflektierten Laserstrahls (18) zu bestimmen, welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs (26) der Lichtleitfaser (14) zurückläuft, und – einer Steuerungsvorrichtung (44), welche mit der Rückreflexsensorvorrichtung (12) verbunden ist und ein Intensitätssignal von der Rückreflexsensorvorrichtung (12) empfängt, wobei die Steuerungsvorrichtung (44) dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl (18) abzuschalten, wenn die von der Rückreflexsensorvorrichtung (12) bestimmte Intensität einen Schwellwert überschreitet.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (22, 28) eine Kollimatoroptik (28) zum Kollimieren des aus der Lichtleitfaser (14) austretenden Laserstrahls (18) sowie eine Fokussieroptik (22) zum Fokussieren des kollimierten Laserstrahls (18) auf das Werkstück (16) umfasst, wobei ein Strahlumlenker (30) oder ein Strahlteiler in dem Strahlengang des Laserstrahls (18) zwischen Kollimatoroptik (28) und Fokussieroptik (22) angeordnet ist, um einen Anteil des von dem Werkstück (16) in. Richtung des Strahlaustrittsbereichs (26) der Lichtleitfaser (14) zurückreflektierten Laserstrahls (18) auszukoppeln und der Rückreflexsensorvorrichtung (12) zuzuleiten.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückreflexsensorvorrichtung (12) einen optischen Filter (42) umfasst, welcher vor dem Strahlungsdetektor (36) angeordnet und auf die Wellenlänge des Laserstrahls (18) abgestimmt ist.
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Filter (42) ein optischer Bandpassfilter ist, wobei die Emissionswellenlänge des Laserstrahls (18) innerhalb des Wellenlängendurchlassbereichs liegt, dessen Halbwertsbreite vorzugsweise 50 nm, besonders bevorzugt 20 nm und insbesondere 10 nm ist.
Laserbearbeitungskopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückreflexsensorvorrichtung (12) eine Sensoroptik (40) umfasst, welche. vor dem Strahlungsdetektor (36) so angeordnet ist, dass eine Oberfläche des Werkstücks (16) in gleicher Weise auf den Strahlaustrittsbereich (26) der Lichtleitfaser (14) wie auf die Sensorfläche (38) des Strahlungsdetektors (36) projiziert wird.
Verfahren zur Vermeidung einer Beschädigung eines Faserendes einer Lichtleitfaser (14), welche einen Laserstrahl (18) an einen Laserbearbeitungskopf (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (16) leitet, mit den folgenden Schritten: (a) Einschalten des Laserstrahls (18), welcher aus einer Lichtleitfaser (14) austritt und mittels einer Optik (22, 28) auf das Werkstück (16) fokussiert wird, (b) Bestimmen der Intensität eines von dem Werkstück (16) zurückreflektierten Laserstrahls (18), welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs (26) der Lichtleitfaser (18) zurückläuft, und (c) Abschalten des Laserstrahls (18), wenn die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls (18) einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt des Abschaltens des Laserstrahls (18) ferner das Kriterium umfasst, dass die bestimmte Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls (18) durchgehend über eine vorbestimmte Zeitdauer überschritten sein muss, bis der Laserstrahl (18) abgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität des zurückreflektierten Laserstrahls (18) mittels einer Rückreflexsensorvorrichtung (12) gemessen wird, deren spektrale Empfindlichkeit durch einen davor angeordneten optischen Filter (42) auf die Wellenlänge des Laserstrahls abgestimmt ist.
Verfahren zum Einstellen eines Schwellwertes für eine Intensität eines von einem Werkstück (16) zurückreflektierten Laserstrahls bei der Bearbeitung des Werkstücks (16) mittels des Laserstrahls (18) durch einen Laserbearbeitungskopf (10), mit den folgenden Schritten: (a) Setzen eines Anfangsschwellwerts für eine Intensität eines von dem Werkstück (16) zurückreflektierten Laserstrahls (18), welcher in Richtung des Strahlaustrittsbereichs (26) der Lichtleitfaser (14) zurückläuft, auf einen Wert, bei welchem eine Beschädigung des Strahlaustrittsbereichs (26) der Lichtleitfaser (14) nicht auftritt, (b) Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 8 während eines Einstechvorgangs in das Werkstück (16), (c) Überprüfung des Werkstücks (16) dahingehend, ob ein Einstich mittels des Laserstrahls (18) in dem Werkstück (16) erzeugt wurde, (d) Erhöhen des Schwellwerts um einen vorbestimmten Wert, wenn das Einstichergebnis nicht gut ist, und (e) Wiederholen der Schritte (b) bis (d), bis ein gutes Einstichergebnis in das Werkstück (16) mittels des Laserstrahls (18) erreicht ist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Überprüfung des Werkstücks (16) hinsichtlich eines erfolgten Einstichs mittels einer automatischen Auswertung eines Kamerabildes von dem Werkstück (16) erfolgt.