DE102010015023B4

DE102010015023B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Qualitätssicherung und Prozesskontrolle bei der Laserbearbeitung von Werkstücken

Info

Publication number: DE102010015023B4
Application number: DE201010015023
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Current assignee: ALSITEC S.A.R.L., FR
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2012-05-10
Anticipated expiration: 2030-04-15
Also published as: DE102010015023A1

Abstract

Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken, bei dem das Werkstück (10) zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone (W) durch einen aus einem Bearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahl (2) erwärmt wird und zur Prozesskontrolle ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Wirkzone (W) berührungslos ermittelt wird mittels einer Temperaturmesseinrichtung (3), welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Temperatur des Werkstücks proportionalen Parameter an mehreren innerhalb der Wirkzone (W) im Abstand zueinander liegenden Messstellen (4) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig an jeder Messstelle (4) mittels einer berührungslosen Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) ein Messabstand (d) zur Oberfläche (11) sowie die Emissivität (E) der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) im Bereich der Wirkzone (W) ermittelt und die ermittelten Werte des Messabstands (d) und der Emissivität (E) zur Berechnung und/oder Korrektur des an jeder Messstelle (4) ermittelten Temperaturwerts verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken. Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung nach der Erfindung kann eine Qualitätssicherung und Prozesskontrolle während des Bearbeitungsvorgangs bei der Laserbearbeitung von Werkstücken erfolgen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Laserbearbeitung von Werkstücken, wie zum Beispiel beim Laserschweißen, Laserschneiden oder Laserbeschichten bekannt, wobei die Temperatur oder ein Temperaturprofil im Bereich der thermischen Wirkzone des zu bearbeitenden Werkstücks während des Bearbeitungsvorgangs zur Prozesskontrolle erfasst und ausgewertet wird. Eine Steuerung des Bearbeitungsvorgangs unter Verwendung der erfassten Temperaturdaten erfolgt dabei allerdings in den seltensten Fällen und dann nur in Bezug auf einzelne Prozeßparameter. Da der Wirkmechanismus bei der Laserbearbeitung von Werkstücken in der Regel thermischer Natur ist, kann jedoch grundsätzlich über eine genaue und vollständige sowie ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur im Bereich der Wirkzone des zu bearbeitenden Werkstücks die Qualität des Bearbeitungsvorgangs on-line erfasst und überwacht werden. Mit der ermittelten Temperatur oder dem Temperaturprofil der Wirkzone kann damit der Bearbeitungsprozess gesteuert und optimiert werden, falls Einsatzbedingungen und störende Einflüsse berücksichtigt bzw. kompensiert werden.
So ist beispielsweise aus der DE 10 2007 024 789 B3 ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern an einer Schweißnaht während eines Laser-Schweißprozesses bekannt, bei dem die Strahlung, die von einer sich an ein flüssiges Schmelzbad anschließenden und bereits erstarrten Schmelze emittiert wird, zweidimensional und ortsaufgelöst detektiert wird, um mindestens einen Kennwert für die Wärmeabfuhr in der erstarrten Schmelze entlang eines Profilschnitts der Wirkzone zu ermitteln und durch Vergleichen des ermittelten Kennwerts mit einem Referenzwert Fehler an der Schweißnaht zu erkennen. In einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird ein Temperaturprofil der Schweißnaht in Querrichtung mittels eines geeigneten Detektors (beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine strahlungssensitive Thermo-Kamera) ermittelt. Die Messung erfolgt dabei seriell in der thermischen Wirkzone des Schweißlasers, beispielsweise im Bereich des noch flüssigen Schmelzbads oder auch im Bereich der bereits erstarrten Schmelze der Schweißnaht, wobei die Messpunkte allerdings seriell aufgenommen, d. h. nicht gleichzeitig erfasst werden
Aus der EP 0 655 294 B1 ist ein Verfahren zur Prozess- und/oder Qualitätskontrolle bei der Stumpfnaht-Laserschweißung von Blechen bekannt, bei dem an mindestens zwei Stellen hinter der Schweißzone gleichzeitig und beiderseits der Fügelinie die Temperatur gemessen wird. Die Temperaturmessung erfolgt dabei beispielsweise mit zwei Pyrometern, welche hinter der Schweißzone beiderseits der Fügelinie der verschweißten Bleche angeordnet sind. Die ermittelten Temperaturmesswerte können durch Zuordnung zu Prozesskenngrößen zur Ermittlung von Schweißfehlern und Bindefehlern und zur Steuerung des Schweißverfahrens verwendet werden. Bei diesem Verfahren ist es möglich, eine geometrische Zuordnung der an den Messstellen, welche typischerweise eine Fläche von cirka 1 mm² aufweisen, erfassten Temperaturen zur Position der Schweißnaht herzustellen.
Aus der DE 10 2004 053 659 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche bekannt, welche insbesondere zur Erfassung der temperaturbedingten Emission einer mittels Laserschweißen hergestellten Schweißnaht eingesetzt werden können. Um dabei auch unregelmäßige Strukturen, wie zum Beispiel Schweißraupen, vermessen zu können, ist in einer Ausführungsform ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen zusätzlich eine konfokale Entfernungsmessung nach dem Rückreflex-Prinzip erfolgt, um ergänzend zu den gewonnenen Temperaturmessdaten auch die geometrische Objektoberflächenform entlang der Messlinie zu ermitteln.
Aus der DE 198 43 556-A ist ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bekannt, bei dem das Werkstück in einer thermischen Wirkzone durch einen Laserstrahl erwärmt und mittels einer Strahlungsmesseinrichtung von einer Oberfläche des Werkstücks emittierte Wärmestrahlung an mehreren innerhalb der Wirkzone im Abstand liegenden Messstellen erfasst wird. Die Wärmestrahlung wird mittels Lichtlichtfasern einer Strahlungsmesseinrichtung zugeleitet.
Aus der DE 198 53 733-C ist ei Verfahren zur lokal gezielten Wärmebehandlung von Werkstückoberflächen bekannt, bei dem ein Laserstrahl oszillierend über die Oberfläche eines gleichförmig bewegten Werkstückes gelenkt und die Temperatur an der Werkstückoberfläche berührungslos mit mindestens einem Pyrometer zur Regelung der Laserleistung gemessen wird. Dabei wird mittels eines Abstandssensors eine Abstandsmessung vorgenommen.
Aus der WO 2008/052591-A ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Bearbeitungsbereichs eines Werkstücks, an dem eine Laserbearbeitung durchgeführt wird, bekannt, wobei die von dem Bearbeitungsbereich emittierte Strahlung durch ein Detektorsystem ortsaufgelöst erfasst und für jedes auf das Detektorsystem abgebildete Flächenelement des Bearbeitungsbereichs gleichzeitig bei zumindest zwei Wellenlängen erfasst wird. Die Ermittlung eines Messabstands erfolgt dabei nicht.
Die modernen thermischen Füge- und Trennverfahren mittels Laserbearbeitung erfahren einen zunehmend hohen Automatisierungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Komplexität der Werkstücke und der Prozessgeschwindigkeit. Darüber hinaus erhöht sich die Vielfalt der Materialien der zu bearbeitenden Werkstücke und deren Geometrien. Dies erfordert eine erhöhte Flexibilität der Prozesskontrolle und -steuerung, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht bieten können. So sind die bekannten Vorrichtungen in der Regel starr mit dem Bearbeitungskopf der Laservorrichtung verbunden und können daher die Temperatur oder ein Temperaturprofil nur in einer eindimensionalen Geometrie erfassen. Änderungen in der Geometrie der zu erfassenden thermischen Wirkzone können nicht berücksichtigt werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur berührungslosen Erfassung der Temperatur in der thermischen Wirkzone sind darüber hinaus in der Regel so aufgebaut, dass sie die Irradianz der Wirkzone nicht senkrecht sondern unter einem relativ flachen Winkel zur Oberfläche des Werkstücks detektieren. Dies führt insbesondere bei der Temperaturerfassung an stark reflektierenden Oberflächen (wie zum Beispiel Aluminium-Oberflächen) zu Schwierigkeiten, da die Abstrahlung der thermischen Strahlung überwiegend senkrecht zur Oberfläche erfolgt. Ferner wird bei den bekannten Vorrichtungen die Irradianz einer relativ großen Werkstückoberfläche erfasst, was im Falle einer Defokussierung der Abbildungsoptik oder bei einer verfahrensbedingten Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück zu Fehlern in der Auswertung führen kann, weil die Messfläche nicht an die thermische Wirkzone der Strahlung angepasst ist.
Wie in dem Verfahren der DE 10 2007 024 789 B3 erfolgt die Auswertung der erfassten Temperaturmesswerte häufig durch Vergleich mit Standard-Prozessparametern und Kalibration. So wird beispielsweise in der DE 10 2007 024 789 B3 die Abkühlrate der erstarrten Schmelze bei konstanten Prozessbedingungen ermittelt. Sobald sich jedoch ein Prozessparameter verändert, weicht das Messsignal vom Soll ab und wird als – tatsächlich nicht vorhandener – Schweißfehler erkannt. In derselben Weise werden beispielsweise auch Spritzer, die beim Laserschweißen oder -schneiden in der Wirkzone entstehen, als Prozessfehler erkannt, weil solche Materialspritzer sehr hohe Temperaturen aufweisen und deshalb das Temperaturmesssignal verfälschen können.
Bei den bekannten Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur der thermischen Wirkzone werden abbildende Systeme mit einer festen Brennweite verwendet. Der Messfleckdurchmesser und die erfasste Irradianz der Werkstückoberfläche sind daher stark von der Messentfernung abhängig und eine Defokussierung führt leicht zu Messfehlern. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen liegt in der Verwendung von strahlungsempfindlichen Empfängern, wie zum Beispiel Fotodioden, die einen relativ großen Empfindlichkeitsbereich aufweisen, weshalb die Streustrahlung des Laserstrahls und/oder der wärmeabstrahlenden Metalldampfwolke zu einer das Messergebnis verfälschenden Hintergrundstrahlung führen.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Prozesskontrolle bei der thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken aufzuzeigen, mit denen auch bei einer momentanen Änderung eines Prozessparameters und auch bei unterschiedlichsten Geometrien der thermischen Wirkzone eine zuverlässige Erfassung der Temperatur oder eines Temperaturprofils des Werkstücks im Bereich der thermischen Wirkzone erfolgen kann.
Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einer Vorrichtung zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgezeigt und die Ansprüche 10 bis 14 stellen bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung dar.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Werkstück von einen aus einem Bearbeitungskopf austretenden Laserstrahl zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone erwärmt und es wird zur Prozesskontrolle ein ortsaufgelöstes Temperaturfeld der Wirkzone berührungslos ermittelt, wobei hierfür eine Temperaturmesseinrichtung vorgesehen ist, welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Werkstücktemperatur proportionalen Parameter an mehreren, innerhalb der Wirkzone im Abstand zueinander liegenden Messstellen gleichzeitig erfasst. Gleichzeitig wird an jeder Messstelle mittels einer berührungslosen Messeinrichtung ein Messabstand zur Oberfläche sowie die Emissivität der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt und die ermittelten Werte des Messabstands und der Emissivität zur Berechnung und/oder Korrektur des an jeder Messstelle ermittelten Temperaturwerts verwendet. Über die Erfassung des Messabstands an verschiedenen Messstellen innerhalb der Wirkzone wird zusätzlich ein Höhenprofil der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt. Die Messstellen sind dabei zweckmäßig im Abstand zueinander so angeordnet, dass sowohl in Längs- als auch in Querrichtung einer Bewegungslinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks gleichzeitig die Temperatur, der Messabastand zur Oberfläche und die Emissivität jeder Messstelle erfasst werden können und daraus ein ortsaufgelöstes Temperaturfeld bzw. -profil innerhalb der Wirkzone ermittelt werden kann.
Um eine ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur und des Messabstands an jeder Messstelle zu gewährleisten, ist bevorzugt jeder Messstelle ein Faserbündel mit wenigstens zwei Lichtleitfasern zugeordnet, wobei die freien Faserenden jedes Faserbündels jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle in einem Messabstand zur Oberfläche des Werkstücks angeordnet sind und die von jeder Messstelle emittierte thermische Strahlung in wenigstens eine der Lichtleitfasern des jeweils zugeordneten Faserbündels eingekoppelt und zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet und von dieser erfasst wird.
Um Probleme bei einer Defokussierung der Einkopplung zu vermeiden, wird die von jeder Messstelle emittierte thermische Strahlung ohne eine Abbildungsoptik in die jeweilige Lichtleitfaser des jeweils zugeordneten Faserbündels eingekoppelt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst jedes Faserbündel insgesamt drei Lichtleitfasern, wobei in eine Lichtleitfaser die von der zugeordneten Messstelle emittierte thermische Strahlung eingekoppelt wird, um zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet zu werden. In die beiden anderen Lichtleitfasern wird jeweils an einem mit einer Lichtquelle gekoppelten Ende Licht unterschiedlicher Wellenlängen eingekoppelt, welches jeweils am freien Faserende dieser Lichtleitfasern austritt und im Bereich der Wirkzone auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft und von dort zurück reflektiert wird. Die von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektierte Lichtstrahlung wird in eine der anderen beiden Fasern des Faserbündels eingekoppelt und zu einer Entfernungsmesseinrichtung geleitet. Die Entfernungsmesseinrichtung ermittelt aus den Intensitäten der zurückreflektierten Lichtstrahlung den Messabstand zwischen der jeweiligen Messstelle und dem freien Faserende des zugeordneten Faserbündels. Auf diese Weise kann zum einen durch die Erfassung der Temperatur an den verschiedenen Messstellen ein Temperaturprofil der Wirkzone sowie ein Höhenprofil der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt werden. Durch die gleichzeitige (berührungslose) Erfassung der Werkstücktemperatur und der Messabstandhöhe an mehreren verschiedenen Messstellen im Bereich der thermischen Wirkzone kann eine Zuordnung der erfassten Messparameter (Temperatur und Messabstand) zu den einzelnen Messstellen erfolgen, welche zueinander eine feste, vorgegebene geometrische Zuordnung aufweisen. Um auch thermische Wirkzonen mit mehrdimensionaler Geometrie und während des Bearbeitungsprozesses wechselndem Verlauf erfassen zu können, ist in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Faserbündel jeweils in vorgegebener Geometrie zueinander an einer am Bearbeitungskopf angeordneten Halteeinrichtung fixiert sind, wobei der Bearbeitungskopf und/oder die daran angeordnete Halteeinrichtung um einen Azimutwinkel um eine koaxial zur optischen Achse des Bearbeitungskopfes angeordnete Schwenkachse und/oder um einen Elevationswinkel um eine senkrecht zur optischen Achse des Bearbeitungskopfes und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes angeordnete Schwenkachse verschwenkbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann bspw. beim Laserschweißen zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei oder mehreren Werkstücken mittels einer Schmelzverbindung verwendet werden, wobei eine Wärmequelle mit ausreichender Leistungsdichte eingesetzt wird, um die Verbindungspartner anzuschmelzen. Um die mechanischen und thermischen Eigenschaften der genannten Verbindung in einer gewollten Art und Weise zu beeinflussen, wird bei einem solchen Schweißverfahren häufig Zusatzmaterial in Pulver-, Draht- oder Pastenform und-/oder ein Schutzgas mit einer passenden Zusammensetzung verwendet. Da der Wirkmechanismus zur Herstellung einer solchen dauerhaften Verbindung über ein solches Laserschweißverfahren thermischer Natur ist, kann über eine genaue, gleichzeitige und ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur der verbundenen Werkstücken mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens die Qualität der hergestellten Verbindung on-line und in Echtzeit überwacht werden.
Weitere Vorteile und Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: Schematische und perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken;
1a: Ausschnitt aus denn Bereich der Wirkzone des Werkstücks von 1;
2: Schematische Darstellung eines Faserbündels der Vorrichtung von 1 mit einer daran gekoppelten Auswerteeinrichtung zur Erfassung und Auswertung der Intensitäten der in den Lichtleitfasern des Faserbündels geführten elektromagnetischen Strahlung.
3: Schematische Darstellung eines im Abstand zur Werkstückoberfläche angeordneten Faserbündels der Vorrichtung von 1 in zwei unterschiedlichen Geometrien (Neigungswinkel der Fasern) zur Veranschaulichung der Einkopplung des an der Oberfläche reflektierten Rückreflexes aus der Zone einer Messstelle, welche dem Faserbündel zugeordnet ist;
4: Graphische Darstellung der von den Detektoren der Vorrichtung der 2 erfassten Intensitäten der in die Fasern eines Faserbündels eingekoppelten Rückreflexe für Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen in Abhängigkeit des Messabstands z zwischen dem freien Ende des Faserbündels und der Werkstückoberfläche;
5: Schematische Darstellung einer zweckmäßigen Anordnung der Messstellen innerhalb der thermischen Wirkzone auf der Oberfläche des Werkstücks;
6: Schematische Darstellung des auf die Oberfläche des Werkstücks gerichteten Laserstrahls des Bearbeitungslasers und der innerhalb der thermischen Wirkzone des Laserstrahls angeordneten Messstellen von 5 sowie den jeder Messstelle zugeordneten Faserbündeln und skizziertem Verlauf des Temperaturprofils im Bereich der thermischen Wirkzone.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Bearbeitungskopf 1, aus dem ein Laserstrahl 2 austritt und auf die Oberfläche 11 eines zu bearbeitenden Werkstücks 10 auftrifft. Der Laserstrahl 2 erwärmt das Werkstück 10 lokal in einer thermischen Wirkzone W. Die Erwärmung ist dabei so stark, dass das Material des Werkstücks 10 aufgeschmolzen wird. Der Bearbeitungskopf 1 umfasst eine Halteeinrichtung 17. In der Halteeinrichtung 17 sind mehrere Faserbündel 5 in einer vorgegebenen Geometrie angeordnet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 8 Faserbündel 5 vorgesehen, welche in zwei Reihen unterteilt sind, wobei in jeder Reihe vier Faserbündel nebeneinander liegend angeordnet, in der Halteeinrichtung 17 befestigt sind. Die Faserbündel 5 umfassen jeweils zwei oder mehr Lichtleitfasern. Bei dem in der vergrößerten Darstellung der 1a zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jedes Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. jeweils zwei Lichtleitfasern 6a und 7a, 6b und 7b, 6c und 7c, 6d und 7d, etc. Jedes Faserbündel 5 weist ein freies Faserende 9 auf, welches in einem vorgegebenen Messabstand d über der Oberfläche 11 des zu bearbeitenden Werkstücks 10 angeordnet ist. Jedem Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. ist auf diese Weise ein korrespondierender Messpunkt 4a, 4b, 4c, 4d, etc. auf der Oberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W zugeordnet.
Der Bearbeitungskopf 1 ist gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück 10 beweglich und insbesondere in einer Bewegungsrichtung B gegenüber dem Werkstück 10 verfahrbar, so dass der Laserstrahl 2 auf der Oberfläche 11 des Werkstücks 10 eine Bewegungslinie M abfahren kann. Die Bewegungslinie M kann dabei in dem 3D-Kooradinatensystem x-y-z eine gekrümmte Linie darstellen, d. h. die Bewegungslinie M kann bei einer ebenen Werkstückoberfläche 11 in der x-y-Ebene gekrümmt sein und bei der Werkstückoberfläche 11 kann es sich auch um eine unebene 3D-Fläche mit einem Höhenprofil (in z-Richtung) handeln.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bearbeitungskopf 1 um einen Azimutwinkel α um eine koaxial zur optischen Achse 19 des Bearbeitungskopfes 1 angeordnete Schwenkachse verschwenkbar. Zusätzlich ist der Bearbeitungskopf 1 auch um einen Elevationswinkel γ um eine senkrecht zur optischen Achse 19 und senkrecht zur Bewegungsrichtung B angeordnete Schwenkachse verschwenkbar. In einem hier zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung 17 gegenüber dem feststehenden Bearbeitungskopf 1 um einen Azimutwinkel α und um einen Elevationswinkel γ verschwenkbar am Bearbeitungskopf 1 angelenkt ist. Durch die Verschwenkbarkeit des Bearbeitungskopfes 1 bzw. der Halteeinrichtung 17 gegenüber dem Bearbeitungskopf 1 können die den Faserbündeln 5 zugeordneten Messstellen 4 innerhalb der thermischen Wirkzone W in ihrer Position variiert werden. Die relative Lage der Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d, etc. untereinander bleibt dabei jedoch konstant, da die den jeweiligen Messstellen zugeordneten Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. fest in der Halteeinrichtung 17 positioniert sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Temperaturmesseinrichtung 3, mit der die Temperatur des Werkstücks 10 im Bereich der thermischen Wirkzone W gemessen werden kann. Die Anordnung zur Messung der Temperatur an jeder einzelnen Messstelle 4a, 4b, 4c, 4d, etc. ist in 2 schematisch dargestellt. 2 zeigt eines der Faserbündel 5 aus der Vorrichtung von 1 mit einer an dieses Faserbündel 5 gekoppelten Auswerteeinrichtung zur Erfassung und Auswertung der Intensitäten der in den einzelnen Lichtleitfasern des Faserbündels geführten elektromagnetischen Strahlung. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Faserbündel 5 drei verschiedene Lichtleitfasern 6, 7, 8. Im Einschub der 2 ist das Faserbündel 5 im Querschnitt dargestellt und es sind die drei Lichtleitfasern 6, 7 und 8 zu erkennen. Das freie Ende 9 der Lichtleitfaser 5 ist in einem Messabstand d zur Oberfläche 11 des Werkstücks 10 angeordnet. Die anderen Enden 13.6, 13.7 und 13.8 der einzelnen Lichtleitfasern 6, 7, 8 sind jeweils mit einem Verarbeitungsmodul 20.6, 20.7 bzw. 20.8 verbunden. Das Verarbeitungsmodul 20.6 der ersten Lichtleitfaser 6 umfasst einen ersten Detektor 14.6a und einen zweiten Detektor 14.6a sowie eine Auskoppeloptik 16.6 mit optischen Komponenten wie Linsen und Strahlteiler und optische Filter 15.6a und 15.6b, über welche die in der ersten Lichtleitfaser 6 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf die Detektoren 14.6a und 14.6b gelenkt wird.
Das der zweiten Lichtleitfaser 7 zugeordnete Verarbeitungsmodul 20.7 umfasst eine erste Lichtquelle 12.7 sowie einen lichtempfindlichen Detektor 14.7. Darüber hinaus sind auch in dem Verarbeitungsmodul 20.7 optische Komponenten 16.7 wie Linsen, Strahlteiler und ein Filter 15.7 vorgesehen, über welche die in der zweiten Lichtleitfaser 7 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf den Detektor 14.7 geleitet bzw. das von der Lichtquelle 12.7 emittierte Licht in die zweite Lichtleitfaser 7 eingekoppelt wird.
Das der dritten Lichtleitfaser 8 zugeordnete Verarbeitungsmodul 20.8 umfasst eine zweite Lichtquelle 12.8 sowie einen weiteren lichtempfindlichen Detektor 14.8. Daneben sind auch in dem Verarbeitungsmodul 20.8 optische Komponenten 16.8 wie Linsen, Strahlteiler und ein optisches Filter 15.8 vorgesehen, über welche die in der dritten Lichtleitfaser 8 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf den lichtempfindlichen Detektor 14.8 gerichtet bzw. die von der zweiten Lichtquelle 12.8 emittierte Strahlung in die dritte Lichtleitfaser 8 eingekoppelt wird.
Jedes weitere Faserbündel 5 ist bevorzugt identisch zu dem in 2 gezeigten Faserbündel 5 aufgebaut, d. h. jedes weitere Faserbündel 5 umfasst jeweils drei Lichtleitfasern 6, 7, 8 und die diesen zugeordneten Verarbeitungsmodule 20.6, 20.7 bzw. 20.8.
Beispielhaft haben die optischen Komponenten der Anordnung von 2 folgende Eigenschaften: Die Lichtquelle 12.7 ist eine sichtbare LED oder Laserdiode, die Lichtquelle 12.8 ist eine 1550 nm emittierende LED oder Laserdiode. Die Detektoren 14.7 und 14.6a sind InGaAs–Photodioden. Die Detektoren 14.8 und 14.6a sind Si–Photodioden. Der Filter 15.7 ist ein schmales Bandpaßfilter für 1550 nm, die Filter 15.8 und 15.6b sind schmale Bandpaßfilter für die sichtbare Wellenlänge der Lichtquelle 12.7 und der Filter 15.6a ist ein breites Bandpaßfilter für den Wellenlängenbereich von 1200 bis 1800 nm zur Filterung der von der Werkstückoberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W emittierten thermischen Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich.
Über die zweite Faser 7 wird bspw. rotes Licht der Lichtquelle 12.7 auf die Oberfläche 11 abgestrahlt und das von der Lichtquelle 12.8 emittierte und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte nahinfrarote Licht empfangen. Über die dritte Faser 8 wird nahinfrarotes Licht der Lichtquelle 12.8 auf die Oberfläche 11 abgestrahlt und das rote Licht der Lichtquelle 12.7 empfangen. Über die erste Faser 6 wird das rote Licht der Lichtquelle 12.7 sowie die von der Oberfläche 11 emittierte nahinfrarote thermische Strahlung empfangen. Die Irradianz E der von der Oberfläche 11 emittierten thermischen Strahlung wird über die erste Faser 6 vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1800 nm erfasst, wobei dieser Spektralbereich durch den Infrarot-Bandpassfilter 15.6a gefiltert wird. Die Anordnung bestehend aus dem Infrarot-Bandpassfilter 15.6a und dem Detektor 14.6a stellt eine Temperaturmesseinrichtung 3 dar, mit der die Irradianz E der von der Oberfläche 11 emittierten thermischen Strahlung und daraus die Temperatur T an der Messstelle 4, die dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordnet ist, gemessen werden kann. Das rote Licht der Lichtquelle 12.7 dient einerseits als Positionierhilfe aber auch zur Ermittlung des Messabstands d über ein Rückreflex-Verfahren.
Die Strahlteiler 25 der 2 können auch als „Y”-Faserbündel oder 2:1 Faserkoppler ausgelegt werden. Die optischen Fasern 6, 7, 8 können als singlemode (SM) oder multimode (MM) Faser verwendet werden. Die optischen Fasern 6, 7, 8 können ferner gleicher Art und mit gleichem Durchmesser oder gemischt zu einer Messstelle 4 eingesetzt werden.
Zur Erfassung der Emissivität der Oberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W wird das aus der DE 102004053660 bekannte Messverfahren in einer abgewandelten Weise verwendet: In dem Messverfahren der DE 102004053660 wird gepulstes nahinfrarotes Licht über dieselben Faser abgestrahlt, über die die Messung der Irradianz erfolgt, wobei das Ende der Faser auf die Werkstückoberfläche mit mindestens einem Fokussierelement (Linse) fokussiert wird. Dies hat den Nachteil, dass die Messung sehr empfindlich auf Messabstands- und Messwinkeländerungen reagiert. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird keine Fokussieroptik verwendet und die Sende- und Empfangsfaser sind unterschiedlich (dritte Faser 8 bzw. erste Faser 6 der Vorrichtung von 2). Das hat zwei wesentliche Vorteile:

a) der Messfleckdurchmesser ist nicht scharf abgegrenzt und hängt von der numerischen Apertur der Faser und von der Meßentfernung ab, und
b) bedingt durch die numerische Apertur der Faser ist eine exakte senkrechte Aufstellung der Faser auf die zu messende Werkstückoberfläche (wie in 3b gezeigt) nicht erforderlich, da für kleine Winkelabweichungen des Messwinkels β von der Normalen (innerhalb des Fasereintrittswinkels) immer ein Rückreflex innerhalb des Messfleckdurchmessers entsteht (wie im Vergleich der 3a und 3b zu sehen, wobei in 3a ein geringfügig kleinerer Messwinkel β von ca. 85° dargestellt ist). Allerdings liegt bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Reflektivität der Oberfläche 11 nicht direkt als Signal vor. Sie geht vielmehr als unbekannter Faktor in die Messung der Abstandscharakteristik ein. Somit ist es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erforderlich, gleichzeitig die Entfernung zu messen.

Bedingt durch die Verwendung der Fasern 6, 7, 8 ohne eine Abbildungsoptik ist der realisierbare Meßabstand d zur Werkstückoberfläche 11 auf typische Werte zwischen 3 und 15 mm begrenzt. Zur Umsetzung der berührungslosen Entfernungsmessung wird das Licht der beiden Lichtquellen 12.7 und 12.8 jeweils über eine der drei Fasern (Faser 7 bzw. Faser 8) auf die dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordnete Meßstelle 4 abgestrahlt und das von der Oberfläche 11 des Werkstück 10 reflektierte Licht einer jeden Lichtquelle 12.7 bzw. 12.8 wird jeweils über eine andere Faser des dieser Meßstelle 4 zugeordneten Faserbündels 5 empfangen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird das von der Lichtquelle 12.7 kommende und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte (rote) Licht in die Faser 8 eingekoppelt und von dieser zum Detektor 12.8 geführt und das von der Lichtquelle 12.8 kommende und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte (infrarote) Licht in die Faser 7 eingekoppelt und von dieser zum Detektor 12.7 geführt.
Um die Abhängigkeit des Abstandsmeßsignals von der Reflektivität zu eliminieren werden zweckmäßig zwei vorzugsweise schmalbandige Lichtquellen 12.7 und 12.8 verwendet, welche unterschiedliche Lichtwellenlängen emittieren (bspw. eine im sichtbaren Spektralbereich emittierende LED oder Laserdiode und eine im infraroten Spektralbereich emittierende LED oder Laserdiode). Das Licht der Lichtquellen 12.7 und 12.8 wird zweckmäßig jeweils in das eine Ende 13.7 bzw. 13.8 einer Lichtleitfaser 7 bzw. 8 eingekoppelt. Die Fasern 7 und 8 sind dabei bevorzugt vom gleichen Typ (eventuell mit unterschiedlichen Durchmessern). Das eingekoppelte Licht tritt jeweils am freien Ende 9 der Fasern 7, 8 aus und wird von der Oberfläche 11 an der dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordneten Messstelle 4 auf das freie Ende 9 dieses Faserbündels 5 zurück reflektiert und dort wieder in die Fasern 7 und 8 eingekoppelt. Da die Einkopplung des zurück reflektierten Lichts ohne Abbildungsoptik erfolgt, hängt die Effizienz der Einkopplung neben dem Abstand d des freien Endes 9 des Faserbündels 5 zur Oberfläche 11 auch von der numerischen Apertur der jeweiligen Faser 7 bzw. 8 ab. Weil die numerische Apertur einer optischen Faser wellenlängenabhängig ist, hängt auch die Effizienz der Einkopplung und damit die Intensität des vom jeweiligen Detektor 14.7 bzw. 14.8 erfassten Signals von der Wellenlänge des Lichts ab.
In 4 sind die von einem der Detektoren 14.7 oder 14.8 erfassten Intensitätskurven des in die jeweils zugeordnete Faser 7 bzw. 8 zurück reflektierten Lichts in Abhängigkeit des Messabstands z für zwei verschiedene Wellenlängen (nämlich 658 nm und 1550 nm) dargestellt. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der numerischen Apertur der Faser sind die Empfangskurven (h(z) und f(z) in 4) bei den zwei verwendeten Wellenlängen entfernungsmäßig (d. h. in z-Richtung) leicht versetzt, so dass durch eine Verhältnisbildung der von den Detektoren 14.7 und 14.8 erfassten Intensitäten eine reflektivitätsunabhängige Charakteristik erzeugt wird (Kurve j(z) in 4). Der Verlauf dieser Charakteristik j(z) = f(z)/h(z + 1) ist mit der Messentfernung z intrinsisch nichtlinear, aber im relevanten z-Bereich annähernd linear, zumindest jedenfalls monoton, so dass nach einer geeigneten Kalibrierung die Entfernungen im relevanten Bereich zuverlässig erfasst werden können. Durch die Verhältnisbildung der von den Detektoren 14.7 oder 14.8 erfassten Intensitätskurven kann die Abhängigkeit von der Reflektivität weitgehend eliminiert werden. Bei Bedarf kann die Spitze am freien Ende 9 der Faserbündel 5 schräg geschliffen werden, um störende Rückreflexe an den Faserenden zu vermeiden.
Mit Hilfe der erfassten Entfernung z = d zur Werkstückoberfläche 11 lässt sich aus der nahinfraroten Entfernungsmesskurve f(z) der 4 die Reflektivität r ermitteln. Aus der bei den typischen Einsatzbedingungen geltenden Relation ε = 1 – r, wobei ε die Emissivität und r die Reflektivität ist
lässt sich die Emissivität ε on-line und in Echtzeit ermitteln und zur Korrektur der Temperaturmessung verwenden. Hierbei wird bevorzugt folgende Kalibrierroutine verwendet:

a.) Den Bearbeitungskopf 1 mit den Faserbündeln 5 unter einem vorgegebenen Messabstand (von bspw. 5 mm) auf eine heiße Herdplatte (beispielsweise bei T = 600°C, Emissivität ε ≈ 1) richten und den Verstärkungsfaktor des Messsignals so einstellen, dass der Ausgangspegel einen vorgegebenen Wert, bspw. 10 V aufweist;
b.) Danach wird der der Bearbeitungskopf 1 mit den Faserbündeln 5 im Abstand zu einem hochreflektierenden Oberflächenspiegel positioniert (mit demselben Messabstand von bspw. 5 mm) und so lange winkelmässig Justiert, bis der gemessene Rückreflex ein Maximum erreicht. Da die Intensität des zurück reflektierten Lichts mit demselben Detektor wie unter Schritt a) erfasst wird, und dieser bereits unter Schritt a) kalibriert wurde, wird der Verstärkungsfaktor nicht verändert. Zur Kalibrierung des Rückreflexes wird die Sendeleistung der verwendeten Rückreflex-Lichtquelle so eingestellt, dass der Ausgangspegel dem vorgegebenem Wert (im Beispiel also 10 V) entspricht. Dieser Wert entspricht daher einer Reflektivität r von 100%: ε(λ, T) = 1 – r(λ, T) wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts und T die Temperatur der Oberfläche ist.
c.) Somit ist die Emissivität ε(λ, T) gleich dem vorgegebenen Wert des Ausgangspegels (im Beispiel also 10 V) abzüglich der gemessenen Amplitude des Rückreflexes. Der Wert der Emissivität ε hängt auch noch von anderen Faktoren ab als nur von der Temperatur T und der Wellenlänge λ, aber in gewissen Grenzen und bei den verwendeten Materialien ist die Messung ausreichend genau und dient der Echtzeitkompensation der Emissivität.

Für die vom Detektor 14.6a gemessene Irradianz E (ε, d, T) gilt vereinfacht:
wobei d der Messabstand, ε die Emissivität, T die Temperatur und K eine Gerätekonstante ist. Mit den wie oben angegeben gemessenen Werten für den Messabstand d und die Emissivität ε kann die (vierte Potenz der) Temperatur wie folgt berechnet werden:
Da die Messung ohne Fokussieroptik auskommt, ist sie wesentlich vom Messabstand z = d abhängig, der aber ebenfalls, wie oben beschrieben, in Echtzeit gemessen wird. Mit Hilfe der ermittelten Abstandskennlinie wird die gemessene Emissivität kalibriert und als Korrekturwert sensorbezogen abgespeichert. Die Messung des Rückreflexes und der Irradianz E werden dabei elektronisch und optisch so voneinander getrennt, dass kein Übersprechen erfolgt, obwohl beide über denselben Detektor erfasst werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit bspw. eine eindeutige Erfassung von tatsächlichen Schweißfehlern ermöglicht. Die Eindeutigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht darauf, dass die Schweißfehler hauptsächlich lokale und temporale Verzerrungen der Wärmeverteilung in der gerade erstarrten Schweißnaht und ihrer Umgebung erzeugen, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung als Momentaufnahme in ihrer Gesamtheit und unabhängig von wichtigen Prozessparametern wie die Schweißgeschwindigkeit, die Fokuslage und die Leistung erfasst werden kann. Die genaue Erfassung dieser Momentaufnahme ist außerdem nur in Verbindung mit der Kopplung der Irradianz-Messung an die erforderliche Erfassung der Messentfernung d und der augenblicklichen Emissivität der Werkstückoberfläche 11 möglich. Um diesem Anspruch zu genügen, müssen die Anzahl und die genaue Lage der Einzelmessstellen 4 fest gelegt werden. Hierfür werden zweckmäßig unter Anwendung von „Sparsity”-Prinzipien die Anzahl der erforderlichen Messstellen 4 minimiert und deren Lage relativ zum Bearbeitungspunkt des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 11 („Tool Center Point”, TCP, siehe 4) und zur thermischen Wirkzone W optimiert. Beim Laserschweißen von zwei Werkstücken mit abgewinkelten Geometrien (bspw. ein T-Stoß) kann der Halter 17 auch geteilt werden, so dass die eine Hälfte der Meßstellen auf die Werkstückfläche des einen zu fügenden Werkstücks und die andere Hälfte der Meßstellen auf die Werkstückfläche des anderen zu fügenden Werkstücks orientiert sind.
Ausführungsbeispiele für mögliche Anordnungen der Messstellen 4 sind in den 5 und 6 dargestellt. Die darin gezeigten Messstellenanordnungen enthalten jeweils 8 Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g und 4h, die zweckmäßig (aber nicht notwendig) symmetrisch zur Bewegungslinie M des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 11 (also bspw. beim Laserschweißen zur Schweißnaht) und nicht notwendig co-linear und quer dazu liegen. Die einzelnen Messstellen werden nachfolgend mit R (rechts der Bewegungslinie M) und L (links der Bewegungslinie M) wie folgt bezeichnet (5):

Messstelle 4a: L 1.1 Messstelle 4e: L 2.1

Messstelle 4b: L 1.2 Messstelle 4f: L 2.2

Messstelle 4c: R 1.1 Messstelle 4g: R 2.1

Messstelle 4d: R 1.2 Messstelle 4h: R 2.2
Eine symmetrische Anordnung der Messstellen 4 um die Bewegungslinie M ist bspw. beim Laserschweißen nur im Falle einer geradlinigen Schweißnaht zweier identischen Werkstücke erforderlich, die miteinander verschweißt werden. Die Platzierung der Messstellen kann jedoch zweckmäßig unter Berücksichtigung der Wärmekapazität der Materialien der zu bearbeitenden Werkstücke jeder asymmetrischen Bearbeitungsgeometrie (wie z. B. der Schweißlinie beim Laserschweißen) angepasst werden.
In 6 ist das sich bei der Anordnung der 1 und den in 5 dargestellten Messstellen ergebende Temperaturprofil T(x, y) innerhalb der thermischen Wirkzone W eingezeichnet. Zusätzlich zu der Messanordnung der 1 ist in 6 noch ein Schweißdraht 21 gezeigt, dessen Spitze während des Laserschweißprozesses in den Tool Center Point (TCP) gebracht wird.
Bevorzugt werden die Messstellen 4 innerhalb der thermischen Wirkzone W zueinander und bezüglich der Bewegungslinie M so angeordnet, dass sie auf Isothermen des theoretischen 3D-Temperaturverlaufs der applikationsabhängigen Bearbeitungsgeometrie liegen, wobei für eine maximale Empfindlichkeit des Überwachungsverfahrens die äußeren Messstellen 4b, 4d; 4f, 4h so positioniert werden sollen, dass sie möglichst die halbe Temperatur der inneren Messstellen 4a, 4c, 4e, 4g zu messen haben. Danach gilt dann (mit T ist die gemessene Temperatur an der jew. Messstelle gekennzeichnet):
T(R1.2) = T(R1.1)/2,
T(R2.2) = T(R2.1)/2
Die Position x₂ wird zweckmäßig so gewählt (5), dass T(R2.1) = T(R1.1)/2 ist. Die linke Seite kann symmetrisch sein, falls die Bearbeitungsgeometrie (Geometrie der Wirkzone W) symmetrisch ist, ansonsten sollten die Meßstellen so positioniert werden dass gilt:
T(R1.2) = T(L1.2),
T(Rl.1) = T(L1.1),
T(R2.2) = T(L2.2) und
T(R2.1) = T(L2.1).
Nach der Festlegung der Messstellenanordnung bleiben die Positionen der Messstellen 4 zueinander und bezüglich des Laserstrahls 2 fixiert. Dazu werden die freien Enden 9 der einzelnen Faserbundel 5 in der Halteeinrichtung 17 am Bearbeitungskopf fixiert, so dass das freie Ende 9 jedes Faserbündels 5 im Messabstand d über der jeweils zugeordneten Messstelle 4 liegt, wie in 1 gezeigt. Um die Flexibilität der Messvorrichtung zur Anpassung an andere und kompliziertere Bearbeitungsgeometrien zu erhöhen, können beispielsweise die äußeren Messstellen 4b, 4d, 4f, 4h innerhalb der Halteeinrichtung 17 verstellbar (verschiebbar) angeordnet werden.
Für die on-line Auswertung der von den thermischen Detektoren 14.6a jedes Faserbündels 5 erfassten Signale stehen viele Möglichkeiten zur Verfügung, von denen hier einige beispielhaft zusammen mit der jeweiligen Funktion genannt werden:
Auch die Entwicklung der beispielhaft genannten Werte in Verhältnis zueinander oder der einzelnen Messstellen für sich kann wichtige Informationen über den augenblicklichen Verlauf des überwachten Prozesses liefern. Eine Änderung der Fokuslage erhöht R1.1 gegenüber dem SOLL, während L1.1 innerhalb der Toleranz bleibt. Somit kann das Verhalten mit c) und d) ausgewertet werden. Im Falle einer Leistungsänderung sinken beide Werte. Im Falle einer Geschwindigkeitserhöhung der Bewegung des Laserstrahls 2 kann unter bestimmten Bedingungen R1.1 zunehmen, während R1.2 und R2.1 abnehmen, etc. Mit dieser Ausführung wird es schnell deutlich, dass die Summe der Meßwerte eine eindeutige Signatur des Prozesses darstellt, die mit einem komplizierten Zylinderschloss verglichen werden kann, wobei der einzig passende Schlüssel die optimale Prozessqualität darstellt.
Im Falle einer motorisch verstellbaren Halteeinrichtung 17 werden die Asymmetrien der Signale R/L bzw. die Unterschiede der Messabstände z₁ bei x₁ bzw. z₂ bei x₂ dazu benutzt, um den Azimutwinkel α und/oder den Elevationswinkel γ des Bearbeitungskopfs 1 bzw. der Halteeinrichtung 17 bezüglich der Bewegungslinie M bzw. der Werkstückoberfläche 11 (1) durch motorische Antriebe nachzuregeln, bis die Unterschiede Null werden. Die Korrekturwerte der Antriebe werden überwacht und mit der Bahnplanung der Maschinensteuerung (Lasersteuerung) in Echtzeit verglichen.
Die Erfindung ist nicht auf das im Einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es ausreichend, Faserbündel 5 mit jeweils zwei Lichtleitfasern 6, 7 vorzusehen. Die Anordnung und die Anzahl der einzelnen Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d etc. innerhalb der thermischen Wirkzone W ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Anordnung beschränkt. Es können insbesondere auch weniger als die acht in den Ausführungsbeispielen gewählten Messstellen verwendet werden.

Claims

Verfahren zur Laserbearbeitung von Werkstücken, bei dem das Werkstück (10) zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone (W) durch einen aus einem Bearbeitungskopf (1) austretenden Laserstrahl (2) erwärmt wird und zur Prozesskontrolle ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Wirkzone (W) berührungslos ermittelt wird mittels einer Temperaturmesseinrichtung (3), welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Temperatur des Werkstücks proportionalen Parameter an mehreren innerhalb der Wirkzone (W) im Abstand zueinander liegenden Messstellen (4) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig an jeder Messstelle (4) mittels einer berührungslosen Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) ein Messabstand (d) zur Oberfläche (11) sowie die Emissivität (E) der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) im Bereich der Wirkzone (W) ermittelt und die ermittelten Werte des Messabstands (d) und der Emissivität (E) zur Berechnung und/oder Korrektur des an jeder Messstelle (4) ermittelten Temperaturwerts verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Messstelle (4) ein Faserbündel (5) mit wenigstens einer ersten Lichtleitfaser (6) und einer zweiten Lichtleitfaser (7) zugeordnet ist, wobei die freien Faserenden (9) der Faserbündel (5) jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle (4) in einem Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) angeordnet sind und die von jeder Messstelle (4) emittierte thermische Strahlung in wenigstens eine Lichtleitfaser (6, 7) des jeweils zugeordneten Faserbündels (5) eingekoppelt und von dieser Lichtleitfaser (6, 7) zur Temperaturmesseinrichtung (3) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die von jeder Messstelle (4) emittierte thermische Strahlung ohne eine Abbildungsoptik in wenigstens eine Lichtleitfaser (6, 7) des jeweils zugeordneten Faserbündels (5) eingekoppelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Faserbündel (5) neben der ersten und der zweiten Lichtleitfaser (6, 7) noch eine dritte Lichtleitfaser (8) umfasst, wobei in die zweite und die dritte Lichtleitfaser (7, 8) an einem mit einer Lichtquelle (12.7 bzw. 12.8) gekoppelten Ende (13) Licht eingekoppelt wird, welches jeweils am freien Faserende (9) austritt und im Bereich der Wirkzone (W) auf die Oberfläche (11) des Werkstücks (10) auftrifft.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in die zweite und die dritte Lichtleitfaser (7, 8) von der jeweils zugeordneten Lichtquelle (12.7; 12.8) eingekoppelte Licht unterschiedliche Wellenlänge aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von der dem jeweiligen Faserbündel (5) zugeordneten Messstelle (4) emittierte thermische Strahlung in das freie Ende (9) der ersten Lichtleitfaser (6) des Faserbündels (5) eingekoppelt und am anderen Ende (13.6) dieser Lichtleitfaser (6) von einer Auskoppeloptik (16.6) ausgekoppelt, von einem Bandpassfilter (15.6a) spektral gefiltert und auf einen strahlungsempfindlichen Detektor (14.6a) der Temperaturmesseinrichtung (3) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem freien Ende (9) der zweiten und der dritten Lichtleitfaser (7; 8) jedes Faserbündels (5) austretende Licht an der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) reflektiert wird und das reflektierte Licht in das freie Ende (9) einer anderen Lichtleitfaser (8 oder 6; 7) des selben Faserbündels (5) eingekoppelt und am anderen Ende (13.8 oder 13.6; 13.7) der jeweiligen anderen Lichtleitfaser (8 oder 6; 7) ausgekoppelt, von einem Filter (15.8 oder 15.6b; 15.7) spektral gefiltert und zur Ermittlung des Messabstands (d) der dem jeweiligen Faserbündel (5) zugeordneten Messstelle (4) einem Detektor (14.8 oder 14.6b; 14.7) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) den Messabstand (d) berührungslos über eine konfokale Entfernungsmessung mit einem Rückreflex-Verfahren ermittelt.
Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, mit – einem Bearbeitungskopf (1), aus dem ein Laserstrahl (2) austritt und auf die Oberfläche (11) des zu bearbeitenden Werkstücks (10) auftrifft und dort das Werkstück (10) zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone (W) erwärmt, – einer Temperaturmesseinrichtung (3) mit einem strahlungssensitiven Detektor (14.6b), welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Temperatur des Werkstücks proportionalen Parameter an mehreren innerhalb der Wirkzone (W) im Abstand zueinander liegenden Messstellen (4a, 4b, 4c, 4d) erfasst und ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Wirkzone (W) ermittelt, – einer berührungslosen Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8), welche berührungslos an jeder Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) einen Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) sowie die Emissivität der Oberfläche (11) ermittelt, – einer Auswerteeinrichtung, welche die von der berührungslosen Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) ermittelten Messwerte verwendet, um die von der Temperaturmesseinrichtung (3) erfasste Temperatur von jeder Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zu korrigieren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturmesseinrichtung (3) eine Mehrzahl (6a, 6b, 6c, 6d) von ersten Lichtleitfasern (6) umfasst, welche jeweils einer Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordnet sind und deren freie Faserenden (9) jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) in einem Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) angeordnet sind, um die von jeder Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) emittierte thermische Strahlung in die jeweils zugeordnete erste Lichtleitfaser (6a, 6b, 6c, 6d) einzukoppeln und die eingekoppelte Strahlung zu dem strahlungssensitiven Detektor (14.6a) der Temperaturmesseinrichtung (3) zu leiten.
Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) eine Mehrzahl (7a, 7b, 7c, 7d) von zweiten Lichtleitfasern (7) umfasst, welche jeweils einer Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordnet sind und deren freie Faserenden (9) jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) in einem Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) angeordnet sind und in welche jeweils von einer zugeordneten Lichtquelle (12.7) emittiertes Licht eingekoppelt wird, so dass das eingekoppelte Licht jeweils am freien Faserende (9) austritt, um an der jeweiligen Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) auf die Oberfläche (11) des Werkstücks (10) aufzutreffen und von dort reflektiert zu werden, wobei das von der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) reflektierte Licht in die der jeweiligen Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordnete erste Lichtleitfaser (6a, 6b, 6c, 6d) eingekoppelt und zu einem mit dieser Lichtleitfaser (6a, 6b, 6c, 6d) gekoppelten Detektor (14.6b) geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslose Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) neben der Mehrzahl (7a, 7b, 7c, 7d) von zweiten Lichtleitfasern (7) noch eine Mehrzahl (8a, 8b, 8c, 8d) von dritten Lichtleitfasern (8) umfasst, welche jeweils einer Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordnet sind und deren freie Faserenden (9) jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) in einem Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) angeordnet sind und in welche jeweils von einer zugeordneten Lichtquelle (12.8) emittiertes Licht eingekoppelt wird, so dass das eingekoppelte Licht jeweils am freien Faserende (9) austritt, um an der jeweiligen Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) auf die Oberfläche (11) des Werkstücks (10) aufzutreffen und von dort reflektiert zu werden, wobei das von der Oberfläche (11) des Werkstücks (10) reflektierte Licht in die der jeweiligen Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordnete zweite Lichtleitfaser (7a, 7b, 7c, 7d) eingekoppelt und zu einem mit dieser Lichtleitfaser (7a, 7b, 7c, 7d) gekoppelten Detektor (14.7) geleitet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die jeder Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) zugeordneten Lichtleitfasern (6, 7, 8) zu einem Faserbündel (5) zusammen gefasst sind, so dass jeder Messstelle (4a, 4b, 4c, 4d) ein Faserbündel (5a, 5b, 5c, 5d) zugeordnet ist und jedes Faserbündel (5a, 5b, 5c, 5d) wenigstens die erste Lichtleitfaser (6) und die zweite Lichtleitfaser (7) umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zu Faserbündeln (5) gruppierten Lichtleitfasern (6, 7, 8) jeweils an einer am Bearbeitungskopf (1) angeordneten Halteeinrichtung (17) fixiert sind.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (1) und/oder die daran angeordnete Halteeinrichtung (17) um einen Azimutwinkel (α) um eine koaxial zu einer optischen Achse (19) des Bearbeitungskopfs (1) angeordnete Schwenkachse verschwenkbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Bearbeitungskopf (1) und/oder die daran angeordnete Halteeinrichtung (17) um einen Elevationswinkel (7) um eine senkrecht zur optischen Achse (19) des Bearbeitungskopfs (1) und senkrecht zur Bewegungsrichtung (B) des Bearbeitungskopfs (1) angeordnete Schwenkachse verschwenkbar ist.