DE102014007074B3

DE102014007074B3 - Method for determining a machining depth of a laser-assisted material processing

Info

Publication number: DE102014007074B3
Application number: DE102014007074.3A
Authority: DE
Inventors: Jan-Philipp Weberpals; Peter Stritt; Rudolf Weber; Christiane Thiel; Felix Abt; Andreas Michalowski
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-10-01
Anticipated expiration: 2034-05-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zeitaufgelösten Bestimmen einer Kapillartiefe und damit einer Bearbeitungstiefe T(t) einer lasergestützten Materialbearbeitung aufweisend die Schritte: a) Zeitaufgelöste Erfassung eines Intensitätsverlaufes I(t) eines aus der Kapillare reflektierten und/oder gestreuten Laserlichts während der lasergestützten Materialbearbeitung, b) Bildung jeweils einer Folge von Maximalwerten Imax (t) und Minimalwerten Imin(t) aus der maximalen und der minimalen Intensität Imax und Imin während eines ersten Zeitfensters Δt1 über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt1 deren Anfangszeitpunkt geeignet zeitlich verschoben wird. c) Mittelung einer Mehrzahl von Imax(t)- und Imin(t)-Werten während eines zweiten Zeitfensters Δt2 über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt2 zum Erhalt eines Durchschnittswertverlaufs Imax_AV(t) und Imin_AV(t) d) Bildung eines Quotientenverlaufs aus jeweils korrespondierenden Imin_AV- und Imax_AV-Werten über der Zeit t, oder anstelle der Schritte c) und d) durchführen der Schritte e) Bildung eines Quotientenverlaufes aus jeweils korrespondierenden Imin(t)-Werten und Imax(t)-Werten über der Zeit t und anschließende f) Mittelung einer Mehrzahl von Q(t)-Werten während eines zweiten Zeitfensters Δt2 über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt2 zum Erhalt eines Durchschnittswertverlaufes des Quotientenverlaufes Q(t) und bei beiden Verfahrensvarianten g) Ermittlung der Bearbeitungstiefe T(t) aus einer vorbestimmten Funktion T(Q(t)).The invention relates to a method for time-resolved determination of a capillary depth and thus a machining depth T (t) of a laser-assisted material processing comprising the steps of: a) time-resolved detection of an intensity profile I (t) of a laser light reflected and / or scattered from the capillary during laser-assisted material processing, b) Formation of a sequence of maximum values Imax (t) and minimum values Imin (t) from the maximum and minimum intensity Imax and Imin during a first time window Δt1 over a plurality of time windows Δt1 whose starting time is appropriately shifted in time. c) averaging a plurality of Imax (t) and Imin (t) values during a second time window Δt2 over a plurality of time windows Δt2 to obtain an average value curve Imax_AV (t) and Imin_AV (t) d) forming a quotient curve from respectively corresponding ones Imin_AV and Imax_AV values over time t, or instead of steps c) and d), steps e) form a quotient curve of respectively corresponding imin (t) values and Imax (t) values over time t and subsequent f) averaging a plurality of Q (t) values during a second time window Δt2 over a plurality of time windows Δt2 to obtain an average value course of the quotient curve Q (t) and in both process variants g) determining the processing depth T (t) from a predetermined function T (Q (t)).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Bearbeitungstiefe einer lasergestützten Materialbearbeitung unter Nutzung eines aus der Kapillare reflektierten Laserlichts.The invention relates to a method for determining a processing depth of a laser-assisted material processing using a laser light reflected from the capillary.

Aus der DE 4333501 A1 ist es bekannt, die Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahles in ein Werkstück dadurch kontinuierlich zu überwachen, dass ein Messlaserstrahl auf eine Dampfkapillare gerichtet wird, die vom Bearbeitungslaserstrahl im Werkstück erzeugt wird. Der reflektierte Anteil des Messlaserstrahles wir durch einen Sensor überwacht, dessen Ausgangssignal dann zur Herbeiführung oder zum Einregeln einer gewünschten, durch ein vorgewähltes Referenzsignal definierten Eindringtiefe benutzt wird. Eine Beeinflussung der eingekoppelten Laserenergie erfolgt bei dem offenbarten Verfahren in direkter Abhängigkeit vom gemessenen reflektierten Laserlicht bzw. dem prozentualen Anteil der reflektierten Laserenergie. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, dass lediglich die Auswertung des reflektierten Laserlichtanteils nicht immer ein Maß für die genaue Eindringtiefe des Bearbeitungslaserstrahls ist. Eine Dampfkapillare unterliegt hochdynamischen Schwankungen hinsichtlich ihrer Tiefe und ihres Durchmessers, welche bei diesem Verfahren unberücksichtigt bleiben.From the DE 4333501 A1 It is known to continuously monitor the penetration depth of a machining laser beam into a workpiece by directing a measuring laser beam onto a vapor capillary produced by the machining laser beam in the workpiece. The reflected portion of the measuring laser beam is monitored by a sensor whose output is then used to induce or adjust a desired penetration depth defined by a preselected reference signal. In the disclosed method, an influence on the coupled-in laser energy takes place in direct dependence on the measured reflected laser light or the percentage of the reflected laser energy. A disadvantage of this method is that only the evaluation of the reflected laser light component is not always a measure of the exact penetration depth of the processing laser beam. A vapor capillary is subject to highly dynamic fluctuations in its depth and diameter, which are disregarded in this process.

Aus der DE19522493A1 ist ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung der gewünschten Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahls in ein Werkstück bekannt. Die grundsätzliche Bestimmung der momentanen Eindringtiefe gemäß dieser Druckschrift erfolgt wie die Bestimmung der Eindringtiefe, die im Rahmen der DE 4333501 A1 oben angegeben wurde.From the DE19522493A1 For example, a method is known for determining the instantaneous and inducing the desired penetration depth of a machining laser beam into a workpiece. The fundamental determination of the current penetration depth according to this document is as the determination of the penetration depth, in the context of DE 4333501 A1 above.

Zusätzlich sieht diese Schrift vor, schräg aus der Kapillare austretendes reflektiertes Laserlicht mit einem um einen Winkel zur Achse des Bearbeitungslaserstrahls abgewinkelt angeordneten Sensor zu erfassen. Die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich der mangelnden Berücksichtigung von dynamischen Kapillargeometrien während der Laserbearbeitung sind bei diesem Verfahren ebenso vorhanden.In addition, this document provides to detect obliquely emerging from the capillary reflected laser light with an angled arranged at an angle to the axis of the processing laser beam sensor. The disadvantages described above regarding the lack of consideration of dynamic capillary geometries during laser processing are also present in this method.

Aus der US2012/0285936A1 ist ein Laserschweißapparat bekannt, welcher auf der Basis eines Laserstrahls und eines Objektstrahls mit unterschiedlichen Wellenlängen und unter Einsatz eines optischen Interferometers die Eindringtiefe des Lasers in das geschweißte Teil ermittelt. Eine derartige Schweißvorrichtung ist hinsichtlich des apparativen Aufbaus aufwendig.From the US2012 / 0285936A1 For example, a laser welding apparatus is known which determines the penetration depth of the laser into the welded part based on a laser beam and an object beam having different wavelengths and using an optical interferometer. Such a welding device is expensive in terms of the apparatus construction.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen der Bearbeitungstiefe bei einer Lasermaterialbearbeitung anzugeben, welches einen apparativ einfachen Aufbau ermöglicht und zudem hinsichtlich der Genauigkeit gesteigerten Anforderungen genüge tut. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, eine zuverlässige Bestimmung der Bearbeitungstiefe während der Laser-Materialbearbeitung in hochdynamischer Art und Weise zur Verfügung zu stellen, um aus dieser mit hoher Genauigkeit und in zuverlässiger Art und Weise bestimmten Bearbeitungstiefe hochdynamisch, onlinefähig und/oder in Echtzeit Einfluss auf die Laser-Materialbearbeitung nehmen zu können. Eine hochdynamische und hochgenaue Bestimmung einer momentanen Bearbeitungstiefe bei einer Laser-Materialbearbeitung ist Voraussetzung für eine aktive und hochdynamische Regelung der Bearbeitungstiefe bei der Materialbearbeitung, insbesondere beim Tiefschweißen. Hier besteht in der Fachwelt ein Wunsch nach Verbesserung. Insbesondere soll das erfindungsgemäße Verfahren die zeitlich und örtlich sehr stark auftretende Fluktuation des reflektierten und/oder rückgestreuten Lichts aufgrund dynamischer Vorgänge in der Kapillare als Ungenauigkeitsfaktor ausblenden.The object of the invention is to provide a method for determining the processing depth in a laser material processing, which allows a simple apparatus design and also in terms of accuracy increased requirements is sufficient. Furthermore, it is an object of the invention to provide a reliable determination of the machining depth during the laser material processing in a highly dynamic manner in order to make highly dynamic, online-capable and / or real-time processing of this machining depth with high accuracy and in a reliable manner To be able to influence the laser material processing. A highly dynamic and highly accurate determination of a current processing depth in a laser material processing is a prerequisite for an active and highly dynamic control of the processing depth in material processing, especially in deep welding. Here in the professional world there is a desire for improvement. In particular, the method according to the invention should hide the temporally and locally very strong fluctuation of the reflected and / or backscattered light due to dynamic processes in the capillary as an inaccuracy factor.

Diese Aufgaben werden mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 insbesondere unter Ausnützung der hochdynamischen Fluktuationen des reflektierten und rückgestreuten Lichts gelöst. Vorteilhafte Ausführungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.These objects are achieved by a method having the features of claim 1, in particular by utilizing the highly dynamic fluctuations of the reflected and backscattered light. Advantageous embodiments of the method are given in the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum zeitaufgelösten Bestimmen einer Bearbeitungstiefe T(t) einer Kapillare einer lasergestützten Materialbearbeitung weißt folgende Schritte auf:

a) Zeitaufgelöste Erfassung eines Intensitätsverlaufes I(t) eines aus der Kapillare reflektierten und/oder gestreuten Laserlichts während der lasergestützten Materialbearbeitung,
b) Bildung jeweils einer Folge von Maximalwerten I_max(t) und Minimalwerten I_min(t) aus der maximalen und der minimalen Intensität I_max und I_min während eines ersten Zeitfensters Δt₁ über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt₁ deren Anfangszeitpunkt zeitlich verschoben wird.
c) Mittelung einer Mehrzahl von I_max(t)- und I_min(t)-Werten während eines zweiten Zeitfensters Δt₂ über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt₂ zum Erhalt eines Durchschnittswertverlaufs I_{max_AV}(t) und I_{min_AV}(t)
d) Bildung eines Quotientenverlaufes Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) aus jeweils korrespondierenden I_{min_AV}- und I_{max_AV}-Werten über der Zeit t und anschließendes Durchführen des Schrittes g), oder anstelle der Schritte c) und d)
e) Bildung eines Quotientenverlaufes Q(t) = Imin(t) / Imax(t) aus jeweils korrespondierenden I_min(t)-Werten und I_max(t)-Werten über der Zeit t und anschließende
f) Mittelung einer Mehrzahl von Q(t)-Werten während eines zweiten Zeitfensters Δt₂ über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt₂ zum Erhalt eines Durchschnittswertverlaufes des Quotientenverlaufes Q(t) und
g) Ermittlung der Bearbeitungstiefe T(t) aus einer vorbestimmten Funktion T(Q(t)).

A method according to the invention for the time-resolved determination of a machining depth T (t) of a capillary of a laser-assisted material processing comprises the following steps:

a) time-resolved detection of an intensity profile I (t) of a laser light reflected and / or scattered from the capillary during laser-assisted material processing,
b) Formation of a sequence of maximum values I _max (t) and minimum values I _min (t) from the maximum and minimum intensity I _max and I _min during a first time window Δt ₁ over a plurality of time windows Δt ₁ whose start time is shifted in time ,
c) averaging a plurality of I _max (t) and I _min (t) values during a second time window Δt ₂ over one _Plurality of time windows Δt ₂ for obtaining an average value _profile I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t)
d) formation of a quotient course Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) from respectively corresponding I _{min_AV} and I _{max_AV} values over time t and then performing step g), or instead of steps c) and d)
e) Formation of a quotient course Q (t) = Imin (t) / Imax (t) from respectively corresponding I _min (t) values and I _max (t) values over time t and subsequent
f) averaging a plurality of Q (t) values during a second time window Δt ₂ over a plurality of time windows Δt ₂ to obtain an average value course of the quotient curve Q (t) and
g) Determining the processing depth T (t) from a predetermined function T (Q (t)).

In Schritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird – wie auch im Stand der Technik – der Intensitätsverlauf I(t) eines aus der Kapillare reflektierten und/oder gestreuten Laserlichts während der lasergestützten Materialbearbeitung kontinuierlich oder diskontinuierlich zeitaufgelöst erfasst. Zeitaufgelöst bedeutet, dass die Erfassung der Messwerte derart erfolgt, dass jedem Messwert ein bestimmter Zeitpunkt während der Bearbeitung definiert zugeordnet werden kann.In step a) of the method according to the invention, as in the prior art, the intensity profile I (t) of a laser light reflected and / or scattered from the capillary is recorded continuously or discontinuously in a time-resolved manner during laser-assisted material processing. Time-resolved means that the acquisition of the measured values takes place in such a way that each measured value can be assigned a defined point in time during processing.

Bei einer kontinuierlichen Erfassung wird ein Intensitätsverlauf I(t) erhalten, der einem Analogsignal entsprechend ausgebildet ist. Bei einer diskontinuierlichen Erfassung des Identitätsverlaufs I(t) werden Einzelwerte erhalten. Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten, empfiehlt es sich insbesondere bei Laserbearbeitungen den diskontinuierlichen Intensitätsverlauf derart zu ermitteln, dass während eines Zeitfensters Δt₁, welches beispielsweise 0,01 bis 3 Millisekunden, mindestens 10, bevorzugt mindestens 50 einzelne Messwerte des Intensitätsverlaufs I(t) vorliegen. Bevorzugt wird eine kontinuierliche Messwertaufnahme des Intensitätsverlaufs I(t) gewählt, da – wie nachfolgend erläutert wird – bei einer kontinuierlichen Erfassung auch sicher sämtliche Signalmaxima und Signalminima erfasst werden.In a continuous detection, an intensity profile I (t) is obtained, which is designed according to an analog signal. In a discontinuous detection of the identity curve I (t) individual values are obtained. In order to obtain the highest possible accuracy, it is recommended to determine the discontinuous intensity profile in particular during laser processing such that during a time window Δt ₁ , which for example 0.01 to 3 milliseconds, at least 10, preferably at least 50 individual measured values of the intensity profile I (t ) are present. Preferably, a continuous measured value recording of the intensity profile I (t) is selected, since - as will be explained below - in a continuous detection, all signal maxima and signal minima are also reliably detected.

In einem Schritt b) wird zunächst das Zeitfenster Δt₁ hinsichtlich seiner Länge, bevorzugt innerhalb der oben erwähnten Grenzen gewählt. Dieses Zeitfenster wird über den erfassten Intensitätsverlauf I(t) gelegt und ein minimaler Intensitätswert I_min und ein maximaler Intensitätswert I_max innerhalb des Zeitfensters Δt₁ bestimmt und bevorzugt in einem Speicher abgelegt. Nach Erhalt der I_max- und I_min-Werte wird das Zeitfenster Δt₁ um einen vorbestimmten Zeitbetrag, beispielsweise um t = 1/10·Δt₁ bis t = 1/50·Δt₁ relativ zum Intensitätsverlauf I(t) verschoben. In der dann erhaltenen Lage des Zeitfensters Δt₁ wir erneut der I_max- und der I_min-Wert innerhalb des Zeitfensters Δt₁ ermittelt und abgespeichert. In dieser Art und Weise wird das Zeitfenster Δt₁ gegenüber dem Intensitätsverlauf I(t) verschoben und nach jeder Verschiebung ein Maximalwert I_max und ein Minimalwert I_min abgespeichert. Somit entsteht eine Folge von Maximalwerten I_max(t) und eine Folge von Minimalwerten I_min(t) aus dem Intensitätsverlauf I(t).In a step b), first the time window Δt _{1 is selected} with regard to its length, preferably within the limits mentioned above. This time window is superimposed on the detected intensity profile I (t) and a minimum intensity value I _min and a maximum intensity value I _{max are determined} within the time window Δt ₁ and preferably stored in a memory. After receiving the I _max and I _min values, the time window Δt ₁ is shifted by a predetermined amount of time, for example by t = 1/10 · Δt ₁ to t = 1/50 · Δt ₁ relative to the intensity profile I (t). In the then-resulting position of the time window .DELTA.t ₁ we again the _Imax - and the determined _one I _min value within the time window At and stored. In this way the window of time .DELTA.t ₁ relative to the intensity profile I (t) is displaced and after each displacement, a maximum value I _max and a minimum value I _min stored. This results in a sequence of maximum values I _max (t) and a sequence of minimum values I _min (t) from the intensity profile I (t).

Aus der Vielzahl der Minimalwerte I_min(t) und der Maximalwerte I_max(t) wird während eines zweiten Zeitfensters Δt₂ jeweils eine Mehrzahl der maximalen Werte I_max(t) und eine Mehrzahl der minimalen Werte I_min(t), die innerhalb des Zeitfensters Δt₂ liegen über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt₂ gemittelt. Hierbei kann eine arithmetische oder gewichtete Mittelung zum Einsatz kommen. Die zeitliche Länge des Zeitfensters Δt₂ ist bevorzugt, gleichlang oder größer als die Länge des Zeitfensters Δt₁.From the plurality of minimum values I _min (t) and the maximum values I _max (t), a plurality of maximum values I _max (t) and a plurality of minimum values I _min (t) within a second time window Δt _{2 are} respectively generated of the time window Δt ₂ are averaged over a plurality of time windows Δt ₂ . Here an arithmetic or weighted averaging can be used. The time length of the time window Δt ₂ is preferably equal to or greater than the length of the time window Δt ₁ .

Aus dieser vorbeschriebenen Ermittlung erhält man einen Durchschnittswertverlauf I_{max_AV}(t) für die maximalen Intensitätswerte I_max und einen Durchschnittswertverlauf I_{min_AV}(t) für die minimalen Intensitätswerte I_min.From this above-described determination, one obtains an average value _profile I _{max_AV} (t) for the maximum intensity _values I _max and an average value _profile I _{min_AV} (t) for the minimum intensity _values I _min .

Demgegenüber gleichbedeutend ist selbstverständlich, dass zunächst Quotienten aus den ermittelten Werten I_min(t) und I_max(t) gebildet werden und anschließend die so gebildeten Quotienten einer arithmetischen oder gewichteten Mittelung unterzogen werden. Ein so gebildeter zeitlicher Verlauf des Quotienten Q(t) ist identisch zu dem zeitlichen Verlauf des Quotienten Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) . Insoweit ist der im Rahmen der Erfindung erwähnte zeitliche Verlauf des Quotienten Q(t) auch wenn er als Quotient aus gemittelten Intensitätsminima I_{min_AV}(t) und gemittelten Intensitätsmaxima I_{max_AV}(t) angegeben ist immer auch so zu verstehen, dass der zeitliche Verlauf des Quotienten Q(t) ein gemittelter Quotientenverlauf aus den Verläufen der Werte I_min(t) und I_max(t) gebildet sein kann. Nachfolgend wird der Einfachheit halber der zeitliche Verlauf des Quotienten Q(t) als Quotient aus den Werten I_{min_AV}(t) und I_{max_AV}(t) angegeben, ohne dass die oben abgewandelte Bestimmung des Quotienten Q(t) ausgeschlossen sein soll.On the other hand, it goes without saying that quotients are first formed from the determined values I _min (t) and I _max (t), and then the quotients thus formed are subjected to arithmetic or weighted averaging. A temporal course of the quotient Q (t) thus formed is identical to the time course of the quotient Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) , In that regard, the time course of the quotient Q (t) mentioned in the context of the invention is always also understood to mean that the time profile of the time course of the quotient Q (t) is given as a quotient of averaged intensity minima I _{min_AV} (t) and averaged intensity maxima I _{max_AV} (t) Quotienten Q (t) an average quotient curve from the curves of the values I _min (t) and I _max (t) may be formed. For the sake of simplicity, the temporal course of the quotient Q (t) will be given below as a quotient of the values I _{min_AV} (t) and I _{max_AV} (t), without the above-modified determination of the quotient Q (t) being excluded.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass ein Quotient aus den Werten I_{min_AV}(t) und I_{max_AV}(t) in einem funktionalen Zusammenhang zum Aspektverhältnis der Kapillare steht. Das Aspektverhältnis der Kapillare ist ein Quotient aus der Tiefe T und dem Durchmesser D der Kapillare. Das Aspektverhältnis A ist somit definiert durch: A = T/D. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis ist also der zeitliche Verlauf der Tiefe der Kapillare und damit der Bearbeitungstiefe T(t) eine Funktion des zeitlichen Verlaufs des Quotienten Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) . Dieser funktionale Zusammenhang T(Q(t)) wird in einem Versuch bestimmt. Es hat sich gezeigt, dass der Verlauf T(Q(t)) materialabhängig ist, abhängig von der Auslegung der Strahlführung vom Werkstück zum Detektor für das reflektierte und rückgestreute Licht (Beobachtungsoptik) sowie abhängig von den Parametern der zu beurteilenden lasergestützten Materialbearbeitung ist. Beispiele dafür sind die Laserleistung P, die Intensität, das Strahlprofil, die Fokuslage und die Polarisation. Ein solcher funktionaler Zusammenhang T(Q(t)) kann eine quadratische Funktion (Parabel) oder eine e-Funktion sein. Es können auch andere funktionale Zusammenhänge auftreten die vorab für eine bestimmte Materialpaarung/Materialdicke ermittelt werden müssen. Wenn eine derartig vorbestimmte Funktion T(Q(t)) bekannt ist, kann im Schritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens die Bearbeitungstiefe T(t) in Abhängigkeit des Wertes von Q(t) direkt aus der Funktion entnommen werden. _{According to the} invention, it has been recognized that a quotient of the values I _{min_AV} (t) and I _{max_AV} (t) is in a functional relationship to the aspect ratio of the capillary. The aspect ratio of the capillary is a quotient of the depth T and the diameter D of the capillary. The aspect ratio A is thus defined by: A = T / D. On the basis of this knowledge, therefore, the time profile of the depth of the capillary and thus of the processing depth T (t) is a function of the time course of the quotient Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) , This functional relationship T (Q (t)) is determined in one experiment. It has been shown that the course T (Q (t)) is material-dependent, depending on the design of the beam guidance from the workpiece to the detector for the reflected and backscattered light (observation optics) as well as dependent on the parameters of the laser-assisted material processing to be assessed. Examples are the laser power P, the intensity, the beam profile, the focus position and the polarization. Such a functional relationship T (Q (t)) can be a quadratic function (parabola) or an e-function. There may also be other functional relationships that must be determined in advance for a specific material pairing / material thickness. If such a predetermined function T (Q (t)) is known, in step e) of the invention Method the processing depth T (t) depending on the value of Q (t) are taken directly from the function.

Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt also zum einen – wie aus dem Stand der Technik bekannt – reflektiertes und/oder rückgestreutes Laserlicht, welches die Kapillare während der lasergestützten Materialbearbeitung verlässt als Grundlage der Bestimmung der Bearbeitungstiefe.The method according to the invention therefore uses laser light reflected and / or backscattered, as known from the prior art, which leaves the capillary during laser-assisted material processing as the basis for determining the processing depth.

Ausgehend von einem derart erfassten reflektierten Laserlicht beschreitet die Erfindung hinsichtlich der Auswertung der Messwerte betreffend das reflektierte und/oder rückgestreute Laserlicht neue Wege. Dabei ist insbesondere von Vorteil, dass der apparative Aufbau minimal ist und lediglich die mathematische Auswertung der Signale des reflektierten Laserlichts angepasst wird, was durch derzeit übliche hohe Rechenleistungen üblicher Computer-Hardware ohne weiteres möglich ist und somit eine Onlinebestimmung der Bearbeitungstiefe in Echtzeit bei geeignet kleiner Wahl der Zeitfenster Δt₁ und Δt₂ mit hoher Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit ermöglicht ist, wobei insbesondere dynamische Einflüsse einer pulsierenden Kapillare ausgenützt werden und damit als Grund für Fehlberechnungen ausgeblendet sind.Starting from a reflected laser light detected in this way, the invention proceeds in new ways with regard to the evaluation of the measured values concerning the reflected and / or backscattered laser light. It is particularly advantageous that the apparatus construction is minimal and only the mathematical evaluation of the signals of the reflected laser light is adjusted, which is readily possible by currently conventional high computing performance of conventional computer hardware and thus an online determination of the processing depth in real time at suitably smaller Choice of the time window .DELTA.t ₁ and .DELTA.t _{2 is made possible} with high accuracy and high reliability, in particular dynamic influences of a pulsating capillary are exploited and are therefore hidden as a reason for miscalculations.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Intensitätsverlauf I(t) mit der eingesetzten Laserleistung P(t) normiert. Vorteilhaft bei dieser Maßnahme ist, dass die Auswertung der Signale unabhängig von der aktuellen Laserleistung P ist.In a preferred embodiment, the intensity profile I (t) is normalized with the laser power P (t) used. An advantage of this measure is that the evaluation of the signals is independent of the current laser power P.

Es hat sich als geeignet erwiesen, jeweils das Signalmaximum I_max und das Signalminimum I_min innerhalb des Zeitfensters bei der Bildung der Folge von Maximal- und Minimalwerten I_{max_AV}(t) und I_{min_AV}(t) zu berücksichtigen. Bei dem gemessenen Signalmaximum I_max und dem gemessenen Signalminimum I_min handelt es sich dabei um den absoluten Maximalwert I_max und den absoluten Minimalwert I_min innerhalb des Zeitfensters Δt₁.It has proven to be suitable to take into account in each case the signal _maximum I _max and the signal _minimum I _min within the time window in the formation of the sequence of maximum and minimum values I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t). The measured signal _maximum I _max and the measured signal _minimum I _min are the absolute maximum value I _max and the absolute minimum value I _min within the time window Δt ₁ .

Es hat sich gezeigt, dass sich der Verlauf der vorbestimmten Funktion T(Q(t)) mittels einer quadratischen Funktion in der Form T(Q(t)) = a·Q(t)² – b·Q(t) + c oder in Form einer exponentiellen Funktion in der Form T(Q(t)) = a·e^b·Q(t) gut annähern lässt.It has been found that the course of the predetermined function T (Q (t)) is represented by a quadratic function in the form T (Q (t)) = a * Q (t) ² -b * Q (t) + c or in the form of an exponential function in the form T (Q (t)) = a * e ^{b * Q (t)} .

Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass der Quotient Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) proportional ist zur Bearbeitungstiefe T(Q(t)) / D(t) wobei T(Q(t)) die Bearbeitungstiefe und D(t) der zeitlich abhängige Durchmesser der Kapillare ist. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, den Durchmesser D(t) der Kapillare in Abhängigkeit der Zeit zu ermitteln, was beispielsweise mit einem zeitlich hochauflösenden, bildgebenden Sensor, zum Beispiel einer CNN-Kamera gelingt.According to the invention, it has been recognized that the quotient Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) proportional to the processing depth T (Q (t)) / D (t) where T (Q (t)) is the processing depth and D (t) is the time-dependent diameter of the capillary. In this case, it is particularly advantageous to determine the diameter D (t) of the capillary as a function of time, which is achieved, for example, with a high-resolution imaging sensor, for example a CNN camera.

Alternativ hat sich gezeigt, dass der Durchmesser D(t) der Kapillare vereinfachend auch als Durchmesser des Laserstrahls, der bei der lasergestützten Materialverarbeitung zum Einsatz kommt, angenommen werden kann. Der Durchmesser des Laserstrahls ist in einfacherer Art und Weise bestimmbar, beispielsweise aus den Einstelldaten des Bearbeitungslasers herleitbar.Alternatively, it has been shown that the diameter D (t) of the capillary can be simplified as the diameter of the laser beam, which is used in laser-assisted material processing, can be assumed. The diameter of the laser beam can be determined in a simpler manner, derivable, for example, from the setting data of the processing laser.

In einem weiteren Schritt kann anschließend an die erfindungsgemäße Bestimmung der Bearbeitungstiefe einer lasergestützten Materialbearbeitung die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) dazu verwendet werden, die Laserleistung P(t) für die lasergestützte Materialbearbeitung anzupassen. Beispielsweise kann die Laserleistung P(t) erhöht werden, wenn die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) einen Minimalwert unterschreitet. Analog kann die Laserleistung P(t) vermindert werden, wenn die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) einen zulässigen Maximalwert überschreitet.In a further step, following the inventive determination of the processing depth of a laser-assisted material processing, the processing depth T (Q (t)) can be used to adapt the laser power P (t) for laser-assisted material processing. For example, the laser power P (t) can be increased if the processing depth T (Q (t)) falls below a minimum value. Analogously, the laser power P (t) can be reduced if the processing depth T (Q (t)) exceeds a permissible maximum value.

Die vorbestimmte Funktion T(Q(t)) wird zweckmäßigerweise im Rahmen eines Versuches anhand eines Gutteilprozesses der lasergestützten Materialbearbeitung experimentell ermittelt, wobei die in diesem Gutteilprozess tatsächlich erreichte Bearbeitungstiefe T mittels Schliffbildern anhand von Schliffen der im Gutteilprozess durchgeführten Materialbearbeitung ermittelt wird.The predetermined function T (Q (t)) is expediently determined experimentally as part of an attempt using a Gutteilprozesses laser-assisted material processing, wherein the actually achieved in this Gutteilprozess processing depth T is determined by micrographs on the basis of grinding the material processing performed in the Gutteilprozess.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention will be explained in more detail by way of example with reference to the figures. Show it:

1: schematisch einen Intensitätsverlauf I(t) in normierter Darstellung zur Bildung einer Folge von Maximalwerten I_max(t) und Minimalwerten I_min(t) während einer Vielzahl von Zeitfenstern Δt₁; 1 schematically a intensity curve I (t) in a normalized representation for forming a sequence of maximum values I _max (t) and minimum values I _min (t) during a plurality of time windows Δt ₁ ;

2: den Intensitätsverlauf I(t) gemäß 1 zusammen mit einem zeitlichen Verlauf von Durchschnittswerten I_{max_AV}(t) und I_{min_AV}(t); 2 : the intensity profile I (t) according to 1 along with a time course of average _values I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t);

3: eine Grafik mit schematischer Darstellung eines zeitlich sägezahnförmigen Verlaufs einer Laserleistung P, des zugehörigen Intensitätsverlaufs I(t) sowie die hieraus resultierende Bearbeitungstiefe T(t) am Beispiel einer Aluminiumblechpaarung mit einer Dicke von 1,5 mm des oberen Bleches und 1,75 mm des unteren Bleches; 3 : A graph showing a schematic representation of a time-sawtooth curve of a laser power P, the associated intensity curve I (t) and the resulting machining depth T (t) using the example of an aluminum sheet pairing with a thickness of 1.5 mm of the upper plate and 1.75 mm the lower sheet;

4: schematisch ein weiteres Beispiel eines möglichen Verlaufes der Kurven gemäß 3, wobei im Unterschied zu 3 die Laserleistung einen sinusförmigen Verlauf hat; 4 schematically another example of a possible course of the curves according to 3 , unlike 3 the laser power has a sinusoidal course;

5: eine grafische Darstellung zweier möglicher Kurvenverläufe von vorbestimmten Funktionen T(Q(t)) für einen Stahlwerkstoff und für einen Aluminiumwerkstoff erhalten aus Messwerten der Bearbeitungstiefe. 5 FIG. 4: A graphical representation of two possible curves of predetermined functions T (Q (t)) for a steel material and for an aluminum material obtained from measured values of the machining depth.

Bei vielen Formen der Materialbearbeitung mit Lasern ist es wichtig, eine möglichst genau definierte Bearbeitungstiefe zu erreichen. Typische Beispiele sind das Bohren von Sacklöchern, das Abtragen von Material und das Schweißen mittels Laser. Bei der Laser-Material-Bearbeitung dringt der absorbierte Teil der Strahlung bis in eine bestimmte, materialabhängige Tiefe in das Material ein. Das Material wird durch die Laserstrahlung aufgeheizt, wobei ein Teil des Laserlichts in Wärme umgewandelt wird und je nach erreichter Temperatur nachfolgend aufgezählte verschiedene Prozesse ablaufen:

a) Liegt die Temperatur im Material unter dem Schmelzpunkt des Materials, so wird dieses nur erwärmt. Es wird kein Material entfernt. Ein solcher Prozess kann beispielsweise zum Laserhärten verwendet werden. Die diesbezügliche Bearbeitungstiefe ist 0 mm.
b) Wird das Material über die Schmelztemperatur erhitzt, so wird das Material partiell flüssig. Die Wärme breitet sich im Material durch Wärmeleitung aus. Es wird kein Material entfernt, es sei denn es wird ein Zusatzgas wie z. B. beim Laserschneiden verwendet.
c) Wird die Temperatur des Materials so hoch, dass ein kleiner Teil dessen an der Oberfläche verdampfen kann, drückt der entstehende Dampfdruck das verflüssigte Material weg und es entsteht eine sogenannte Kapillare. Die Tiefe dieser Kapillare bestimmt z. B. während des Schweißens die Einschweißtiefe. Die Tiefe dieser Kapillare hängt von vielen Faktoren ab und soll erfindungsgemäß während des Prozesses ohne Zuhilfenahme eines Hilfslasers bestimmt werden.
d) Bei weiter erhöhten Temperaturen verdampft fast das gesamte mit Laserenergie beaufschlagte Material, z. B. beim Strukturieren oder Bohren. Mit der Erfindung sollen die Tiefen der Strukturen und der Bohrfortschritt während des Prozesses zuverlässig bestimmbar werden.

In many forms of material processing with lasers, it is important to achieve the greatest possible degree of processing depth. Typical examples are the drilling of blind holes, the removal of material and laser welding. During laser material processing, the absorbed part of the radiation penetrates into the material to a specific, material-dependent depth. The material is heated by the laser radiation, wherein a portion of the laser light is converted into heat and depending on the temperature reached enumerated below listed various processes:

a) If the temperature in the material below the melting point of the material, it is only heated. There is no material removed. Such a process can be used, for example, for laser hardening. The processing depth is 0 mm.
b) If the material is heated above the melting temperature, the material becomes partially liquid. The heat spreads in the material by heat conduction. There is no material removed, unless there is an additional gas such. B. used in laser cutting.
c) If the temperature of the material is so high that a small part of it can evaporate on the surface, the resulting vapor pressure pushes the liquefied material away and creates a so-called capillary. The depth of this capillary determines z. B. during welding, the welding depth. The depth of this capillary depends on many factors and according to the invention should be determined during the process without the aid of an auxiliary laser.
d) At further elevated temperatures evaporates almost all acted upon with laser energy material, eg. As structuring or drilling. With the invention, the depths of the structures and the Bohrfortschritt be reliably determined during the process.

Die Eindringtiefe während der Bearbeitungsprozesse kann mit theoretischen Modellen berechnet werden. Der direkten Beobachtung, also einer prozessbegleiteten Echtzeitbeobachtung ist sie aber in den allermeisten Fällen unzugänglich. Eine zuverlässige Methode, diese Tiefe während der Prozesse zu bestimmen und mit dieser gemessenen Tiefe im weiteren Verlauf den Prozess zu regeln ist heute einer der großen Wünsche der Anwender, vor allem beim Laserschweißen. Dies betrifft vor allem die aktive Regelung der Bearbeitungstiefe in Echtzeit während der Materialbearbeitung, insbesondere beim Tiefschweißen, wofür es bisher nur unbefriedigende Lösungen gibt.The penetration depth during machining processes can be calculated with theoretical models. However, in most cases it is inaccessible to direct observation, ie process-monitored real-time observation. A reliable method to determine this depth during the processes and to regulate the process with this measured depth in the further course is today one of the great wishes of the users, especially in laser welding. This applies above all to the active control of the processing depth in real time during material processing, in particular during deep welding, for which there are hitherto only unsatisfactory solutions.

Erfindungsgemäß wird ein Teil des Laserlichts des Bearbeitungslasers, der bei der Bearbeitung von Material mit Laserlicht zurückgestreut wird zur Beobachtung des Prozesses verwendet. Ziel der Erfindung ist es, aus diesem zurückreflektierten Licht die momentane absolute Bearbeitungstiefe des Prozesses zu bestimmen.According to the invention, a part of the laser light of the processing laser, which is backscattered in the processing of material with laser light, is used to observe the process. The aim of the invention is to determine from this back-reflected light the instantaneous absolute processing depth of the process.

In der vorliegenden Erfindung wird das Problem gelöst, indem dieses zurückgestreute Laserlicht auf neuartige Weise ausgewertet wird. Aufnahmen von Einschweißungen mit einer Hochgeschwindigkeitskamera haben gezeigt, dass das rückgestreute Licht sehr stark zeitlich und örtlich fluktuiert. Dieses Fluktuieren wird zur Bestimmung der Lochtiefe ausgenutzt. Dazu braucht es einerseits eine neuartige Interpretation der Messungen wie sie nachfolgend beschrieben wird. Das Signal wird nicht wie allgemein üblich als solches ausgewertet, sondern die im Signal enthaltenen Schwankungen dienen als Basis für die Bestimmung der Bearbeitungstiefe. Erfindungsgemäß wurde erkannt, nicht wie üblich, einen Mittelwert und dessen Standardabweichung des rückgestreuten Laserlichts zu bestimmen und auszuwerten, sondern die jeweiligen Signalmaxima und Signalminima über eine bestimmte Zeitdauer zu beobachten und hieraus – wie nachfolgend beschrieben – wird die Bearbeitungstiefe zu bestimmen. Eine solche Zeitdauer ist prozess- und materialabhängig und liegt typischerweise im Bereich einer Millisekunde.In the present invention, the problem is solved by evaluating this backscattered laser light in a novel way. Images of welding with a high-speed camera have shown that the backscattered light fluctuates very much in terms of time and location. This fluctuation is utilized to determine the depth of the hole. On the one hand, this requires a novel interpretation of the measurements as described below. The signal is not evaluated as usual as such, but the fluctuations contained in the signal serve as the basis for determining the processing depth. According to the invention it has been recognized, not as usual, to determine and evaluate a mean value and its standard deviation of the backscattered laser light, but to observe the respective signal maxima and signal minima over a certain period of time and from this - as described below - to determine the processing depth. Such a period of time is dependent on the process and the material and is typically in the region of one millisecond.

Dabei erhält man das Signalmaximum zu einem Zeitpunkt, bei dem (zufälligerweise) das gesamte rückgestreute Licht auf den Detektor fällt. Ein Signalminimum entspricht der größtmöglichen Ablenkung oder Aufweitung des rückgestreuten Laserlichts. Das bedeutet, dass die Information über die Lochtiefe entgegen allgemeiner Annahmen im Stand der Technik im Signalminimum, insbesondere im Signalverhältnis von Signalminimum zu Signalmaximum enthalten ist. Dieses Signalverhältnis von Signalminimum zu Signalmaximum ist proportional zum Aspektverhältnis der Kapillare. Die Schwankungen des Signals sind experimentell überprüft und bestätigt worden. Die Auswertung der Daten muss über Zeitdauern in der Größe einer Millisekunde geschehen um Informationen über die Lochtiefe zu erhalten. Damit ist die Dauer kurz genug, um eine Echtzeit-Online-Regelung z. B. der Laserleistung zu ermöglichen.This gives the signal maximum at a time at which (coincidentally) the entire backscattered light falls on the detector. A signal minimum corresponds to the greatest possible deflection or widening of the backscattered laser light. This means that the information about the hole depth is contained in the signal minimum, in particular in the signal ratio of signal minimum to signal maximum, contrary to general assumptions in the prior art. This signal ratio of signal minimum to signal maximum is proportional to the aspect ratio of the capillary. The fluctuations of the signal have been experimentally verified and confirmed. The evaluation of the data must be done over times of the order of one millisecond in order to obtain information about the depth of the hole. Thus, the duration is short enough to a real-time online control z. B. to allow the laser power.

Eine weitere Besonderheit der Erfindung ist, dass für die Bestimmung der Bearbeitungstiefe reflektiertes Licht des Bearbeitungslaserstrahles ohne Zuhilfenahme eines Hilfslasers bzw. eines Messlasers möglich ist.Another special feature of the invention is that light which is reflected for determining the processing depth of the processing laser beam is possible without the aid of an auxiliary laser or a measuring laser.

1 zeigt den zeitlichen Verlauf der Intensität des rückgestreuten Lichts I(t) in normierter Darstellung. Dieser Verlauf wird über ein erstes Zeitfenster 1 beobachtet, welches beispielsweise eine Zeitdauer von Δt₁ 0,01–3 Millisekunden hat. 1 shows the time course of the intensity of the backscattered light I (t) in a normalized representation. This course is over a first time window 1 which has, for example, a period of Δt _{1 of} 0.01-3 milliseconds.

Innerhalb dieses ersten Zeitfensters 1 wird der maximale Signalwert I_max und der minimale Signalwert I_min ermittelt. Die Werte für I_max und I_min werden in einem Speicher abgelegt. Anschließend wird das erste Zeitfenster 1 um einen Zeitbetrag 2 entlang einer Zeitachse in Richtung ansteigender Zeit verschoben. In 1 ist ein solches verschobenes erstes Zeitfenster 1 mit dem Bezugszeichen 1' gekennzeichnet. Der Zeitbetrag 2 wird beispielsweise um t = 1/10·Δt₁ bis zu t = 1/50·Δt₁ verschoben. Innerhalb des dann erhaltenen ersten Zeitfensters 1' wird wiederum der Maximalwert I_max und der Minimalwert I_min innerhalb des Zeitfensters 1' ermittelt. Ein solches Bereitstellen eines mitlaufenden Zeitfensters 1' und Ermitteln der jeweiligen I_max- und I_min-Werte ergibt jeweils eine Folge von I_max-Werten und I_min-Werten. Diese Folge von I_max-Werten und I_min-Werten ist in einem Speicher abgelegt.Within this first time window 1 is the maximum signal value I _max and the minimum Signal value I _min determined. The values for I _max and I _min are stored in a memory. Subsequently, the first time window 1 for a time amount 2 moved along a time axis in the direction of increasing time. In 1 is such a shifted first time window 1 with the reference number 1' characterized. The amount of time 2 is shifted, for example, by t = 1/10 · Δt ₁ up to t = 1/50 · Δt ₁ . Within the then obtained first time window 1' in turn, the maximum value I _max and the minimum value I _min within the time window 1' determined. Such provision of a tracking time window 1' and determining the respective I _max and I _min values respectively gives a sequence of I _max values and I _min values. This sequence of I _max values and I _min values is stored in a memory.

In 2 ist der Intensitätsverlauf I(t) aus 1 dargestellt. Zusätzlich sind die nach vorbeschriebener Ermittlung erhaltenen Durchschnittswertverläufe I_{max_AV}(t) und I_{min_AV}(t) eingetragen. Der Durchschnittswertverlauf I_{max_AV}(t) wird erhalten durch Mittelung einer Mehrzahl der maximalen Werte I_max(t), die innerhalb eines Zeitfensters Δt₂ liegen, wobei die Mittelung über eine Vielzahl von Zeitfenstern Δt₂ stattfindet. In gleicher Art und Weise wird der Verlauf I_{min_AV}(t) gemäß 2 aus einer Mehrzahl der minimalen Werte I_min(t) ermittelt. Auf der Basis der beiden Durchschnittswertverläufe I_{max_AV}(t) und I_{min_AV}(t) kann nunmehr ohne weiteres ein Quotientenverlauf Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) ermittelt werden. Auf der Basis der Erkenntnis, dass ein Quotient aus den Werten I_{min_AV}(t) und I_{max_AV}(t) in einem funktionalen Zusammenhang zum Aspektverhältnis der A = T / D steht, kann nunmehr die Tiefe T der Kapillare berechnet werden, wenn der Durchmesser D der Kapillare bekannt ist und ein funktionaler Zusammenhang der Bearbeitungstiefe T(t) in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs des Quotienten Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) bekannt ist.In 2 is the intensity curve I (t) off 1 shown. In addition, the average value _profiles I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t) obtained according to the above-described determination are entered. The average value _profile I _{max_AV} (t) is obtained by averaging a plurality of the maximum values I _max (t) that lie within a time window Δt ₂ , wherein the averaging takes place over a multiplicity of time windows Δt ₂ . In the same way, the course I _{min_AV} (t) is according to 2 determined from a plurality of the minimum values I _min (t). On the basis of the two average value _profiles I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t), a quotient _curve can now readily be used Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) be determined. On the basis of the knowledge that a quotient of the values I _{min_AV} (t) and I _{max_AV} (t) is in a functional relation to the aspect ratio of the A = T / D is now, the depth T of the capillary can now be calculated if the diameter D of the capillary is known and a functional relationship of the processing depth T (t) as a function of the time course of the quotient Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) is known.

Der Durchmesser D der Kapillare kann mit ausreichender Genauigkeit vereinfachend als Durchmesser des verwendeten Bearbeitungslaserstrahls angesetzt werden. Gleichwohl ist es auch möglich, den Durchmesser D optisch zu bestimmen, beispielsweise mittels eines ortsauflösenden und/oder zeitlich hochauflösenden und/oder bildgebenden unter und/oder echtzeitfähigen Sensors, z. B. einer CNN-Kamera.The diameter D of the capillary can be used with sufficient accuracy simplifying as the diameter of the processing laser beam used. However, it is also possible to determine the diameter D optically, for example by means of a spatially resolving and / or temporally high-resolution and / or imaging under and / or real-time capable sensor, for. B. a CNN camera.

Der funktionale Zusammenhang T(Q(t)) wird z. B. materialabhängig in einem Versuch bestimmt. Des Weiteren zeigt sich der funktionale Zusammenhang T(Q(t)) als abhängig von der Auslegung der Strahlführung vom Werkstück zum Detektor des reflektierten oder rückgestreuten Lichts. Des Weiteren ist dieser funktionale Zusammenhang abhängig von den Parametern der zu beurteilenden lasergestützten Materialbearbeitung, beispielsweise der Laserleistung P, die Intensität, das Strahlprofil, die Fokuslage und die Polarisation des Lasers. Es hat sich herausgestellt, dass ein solcher funktionaler Zusammenhang T(Q(t)) eine quadratische Funktion oder eine e-Funktion sein kann. Zur Bestimmung des funktionalen Zusammenhangs T(Q(t)) (5) einer bestimmten Laserbearbeitung wird ein Vorversuch unter identischen äußeren Bedingungen, das heißt mit gleichen Materialien, gleichen Blechdicken, gleichen Einstellparametern des Lasers und anderen gleichen Einflussfaktoren durchgeführt. In diesem Vorversuch wird der Durchschnittswertverlauf Q(t) = Imin_AV(t) / Imax_AV(t) wie oben beschrieben bestimmt. Anschließend werden im Bereich der erfolgten Lasermaterialbearbeitung Querschliffe der Versuchsmaterialpaarung bzw. des Versuchsmaterials angefertigt und die jeweils zu einem bestimmten Q(t)-Wert tatsächliche Bearbeitungstiefe T(t) anhand eines Schliffbildes ermittelt und zum zugehörigen Q(t)-Wert aufgetragen. Sind in dieser Art und Weise ermittelte Messpunkte in ausreichender Zahl vorhanden, so kann ein funktionaler Zusammenhang T(Q(t)) interpolierend durch die ermittelten Bearbeitungstiefenwerte über dem entsprechenden Durchschnittswertverlaufswerten rechnerisch ermittelt werden. Hierbei kann sich beispielsweise ergeben, dass der funktionale Zusammenhang T(Q(t)) für eine bestimmte Materialpaarung aus Stahlteilen einer e-Funktion gehorcht (vergleiche 5) wohingegen ein entsprechender funktionaler Zusammenhang T(Q(t)) für eine Aluminiummaterialpaarung einer e-Funktion mit einem geänderten Verlauf entspricht. In 6 sind beispielsweise zwei solcher funktionaler Zusammenhänge dargestellt worden. Um nunmehr die tatsächlich auftretenden Bearbeitungstiefen T(t) ermitteln zu können, wird aus dem wie oben angegeben ermittelten zeitlichen Verlauf Q(t) rechnerisch aus einem in einem Speicher hinterlegten korrespondierenden Bearbeitungstiefenverlauf T(Q(t)) die entsprechende Bearbeitungstiefe T_gemessen ermittelt. Es hat sich gezeigt, dass eine derart ermittelte Bearbeitungstiefe T_gemessen sehr gut mit der realen Bearbeitungstiefe, die während der Lasermaterialbearbeitung vorliegt, übereinstimmt.The functional relationship T (Q (t)) is z. B. material-dependent determined in an experiment. Furthermore, the functional relationship T (Q (t)) is found to be dependent on the design of the beam guidance from the workpiece to the detector of the reflected or backscattered light. Furthermore, this functional relationship depends on the parameters of the laser-assisted material processing to be assessed, for example the laser power P, the intensity, the beam profile, the focus position and the polarization of the laser. It has been found that such a functional relationship T (Q (t)) can be a quadratic function or an e-function. For determining the functional relationship T (Q (t)) ( 5 ) of a specific laser processing, a preliminary test is carried out under identical external conditions, ie with the same materials, the same sheet thicknesses, the same setting parameters of the laser and other factors influencing the same. In this preliminary experiment, the average value trend Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t) determined as described above. Subsequently, in the area of the laser material processing, cross sections of the test material pairing or of the test material are produced and the actual processing depth T (t) for each given Q (t) value is determined on the basis of a microsection and plotted to the associated Q (t) value. If measuring points determined in this manner are present in sufficient numbers, then a functional relationship T (Q (t)) can be calculated by interpolation through the determined processing depth values above the corresponding average value characteristic values. For example, it may be found here that the functional relationship T (Q (t)) for a specific material pairing obeys steel parts of an e-function (cf. 5 ), whereas a corresponding functional relationship T (Q (t)) for an aluminum material pairing corresponds to an e-function with a changed course. In 6 For example, two such functional relationships have been presented. In order to be able to determine the actually occurring machining depths T (t), the corresponding machining depth T _{measured is} determined mathematically from the time course Q (t) determined as indicated above from a corresponding machining depth profile T (Q (t)) stored in a memory. It has been found that such a determined processing depth T _measured in very good agreement with the real machining depth present during laser material processing.

In 3 ist erneut ein Intensitätsverlauf I(t) in normierter Darstellung gezeigt. Zusätzlich ist ein zeitlicher Verlauf der Laserleistung P(t) angegeben, der zum Intensitätsverlauf I(t) korrespondiert. Der Laserleistungsverlauf P(t) zeigt im Beispiel gemäß 3 einen sägezahnartigen Verlauf, wobei die Laserleistung von einem Leistungsminimum schlagartig auf ein Leistungsmaximum ansteigt und vom Leistungsmaximum zum nächsten Leistungsminimum kontinuierlich abfällt. Wie bereits vorbeschrieben wird der zeitliche Verlauf der Intensität, also der Intensitätsverlauf I(t) messtechnisch durch das rückreflektierte bzw. rückgestreute Laserlicht des Bearbeitungslasers erfasst. Der Verlauf I(t) ist somit eine Messgröße einer real durchgeführten Lasermaterialbearbeitung. Im dargestellten Fall gemäß 3 handelt es sich hierbei um eine Laserschweißung zweier Blechteile aus Aluminium. Ein erstes oberes Blech 3 besitzt beispielsweise eine Blechdicke von 1,5 mm. Ein zweites unteres Blech 4 besitzt eine Blechdicke von 1,75 mm. Mit dem Pfeil 5 ist angedeutet, von welcher Seite der Laserstrahl für die Laserschweißung dieser beiden Bleche 4, 5 diese trifft. Der funktionale Zusammenhang T(Q(t)) entspricht demjenigen für eine Aluminiumpaarung, wie er bereits in 5 dargestellt und beschrieben wurde. Aus dem Verlauf der Tiefe T(Q(t)), welche überlagernd zu den schematisch angedeuteten Blechen 3, 4 aufgetragen ist wird die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) deutlich. Verlässt der Graph für die Tiefe T(Q(t)) die beiden übereinanderliegenden Bleche 3, 4 nach unten, liegt eine aus dem gemessenen reflektierten Laserlicht berechnete Bearbeitungstiefe T(Q(t)) vor, die die Summe der Dicken der beiden Bleche 3, 4 überschreitet. In diesen Bereichen liegt eine sogenannte Durchschweißung vor. Das bedeutet, dass die Leistung des Lasers derart hoch war, dass beide Bleche 3, 4 in diesem Bereich vollständig aufgeschmolzen wurden und es zu einer Materialaufschmelzung durch die gesamte Dicke der beiden Bleche 3, 4 gekommen ist. Eine derartige Durchschweißung ist unerwünscht. In denjenigen Bereichen, in denen der Graph der Tiefe T(Q(t)) lediglich im Bereich des oberen Bleches 3 verläuft, liegt entweder keine oder eine nur unzureichend tiefe Kapillare vor, was bedeutet, dass in diesem Bereich die Laserleistung zu gering war, um das erste Blech 3 vollständig aufzuschmelzen und eine zuverlässige Verschweißung zumindest mit Teilbereichen des unteren Blechs 4 zu erreichen. Dieser Zustand ist ebenfalls unerwünscht und kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wie auch die Bereiche der Durchschweißung zuverlässig ermittelt werden. Versuche haben gezeigt, dass die gemessenen und hieraus berechneten Tiefenverläufe T(Q(t)) an realen Schweißungen gut mit den am realen Werkstück auftretenden Bereichen der Durchschweißungen und der in Bereichen ungenügender Verbindung zwischen den Blechen übereinstimmt. Somit kann in Abhängigkeit des gemessenen und hieraus ermittelten Tiefenverlaufs T(Q(t)) die Laserleistung P(t) derart geregelt geführt werden, dass der Tiefenverlauf der Kapillare immer in einen gewünschten Bereich innerhalb des unteren Blechs 4 verläuft. Somit ist eine sichere Schweißverbindung gewährleistet, ohne dass eine unerwünschte Durchschweißung auftritt.In 3 is again shown an intensity profile I (t) in a normalized representation. In addition, a time profile of the laser power P (t) is given, which corresponds to the intensity profile I (t). The laser power curve P (t) shows in the example according to 3 a sawtooth waveform, the laser power from a power minimum abruptly increases to a maximum power and continuously falls from the maximum power to the next power minimum. As already described above, the time profile of the intensity, that is to say the intensity profile I (t), is detected metrologically by the back-reflected or backscattered laser light of the processing laser. The course I (t) is thus a measured variable of a laser material processing actually carried out. In the case shown in accordance with 3 this is a laser welding of two aluminum sheet metal parts. A first upper sheet 3 has, for example, a sheet thickness of 1.5 mm. A second lower sheet 4 has a sheet thickness of 1.75 mm. With the arrow 5 is indicated from which side of the laser beam for the laser welding of these two sheets 4 . 5 this hits. The functional relationship T (Q (t)) corresponds to that for an aluminum pairing, as already described in 5 has been shown and described. From the course of the depth T (Q (t)), which superimposed to the schematically indicated sheets 3 . 4 plotted, the processing depth T (Q (t)) becomes clear. The graph for the depth T (Q (t)) leaves the two superimposed sheets 3 . 4 At the bottom, there is a machining depth T (Q (t)) calculated from the measured reflected laser light, which is the sum of the thicknesses of the two sheets 3 . 4 exceeds. In these areas there is a so-called Durchschweißung. This means that the power of the laser was so high that both sheets 3 . 4 In this area were completely melted and it to a material melting through the entire thickness of the two sheets 3 . 4 has come. Such penetration is undesirable. In those areas where the graph of depth T (Q (t)) only in the area of the upper sheet 3 There is either no or insufficiently deep capillary, which means that in this area the laser power was too low to reach the first plate 3 completely melted and a reliable welding at least with partial areas of the lower sheet 4 to reach. This state is also undesirable and can be reliably determined by the method according to the invention as well as the areas of penetration. Experiments have shown that the measured and thus calculated depth courses T (Q (t)) on real welds are in good agreement with the areas of the through-welds occurring on the real workpiece and the area between the sheets which is insufficient in areas. Thus, depending on the measured and thus determined depth profile T (Q (t)), the laser power P (t) can be guided controlled such that the depth profile of the capillary always in a desired area within the lower sheet 4 runs. Thus, a secure weld is guaranteed without an unwanted penetration occurs.

Am Beispiel der 4 wird anhand einer Stahlblechpaarung aus zwei etwa 2 mm dicken Stahlblechen 3, 4 die Möglichkeit einer Laserpunktschweißung gezeigt. Die Laserleistung P weist über die Zeit t einen sinusförmigen Verlauf mit Leistungsmaxima und Leistungsminima auf. Der Intensitätsverlauf I(t) ist die Laserleistung P(t) überlagernd oberhalb der horizontalen Nulllinie dargestellt. Im Bereich unterhalb der horizontalen Nulllinie ist die Tiefe T(Q(t)) in Millimetern angetragen. Es wird deutlich, dass in Bereichen I die Bearbeitungstiefe T(t) ausreichend hoch ist, sodass die Kapillartiefe bis in das Material des zweiten Bleches 4 reicht. Somit findet eine Verschweißung zwischen dem ersten Blech 3 und dem zweiten Blech 4 statt. In den Bereichen II ist die Kapillartiefe kleiner als die Blechdicke des ersten Blechs 3, sodass es hier wenn überhaupt nur zu einem Aufschmelzen innerhalb des Bleches 3 kommt. Das Blech 4 wird hierbei nicht tangiert, sodass es nicht zu einer Verschweißung der beiden Bleche in den Bereichen II kommt. Im Ergebnis ergibt sich somit eine Punktschweißung oder zumindest eine unterbrochene Schweißung mit aufeinanderfolgenden Bereichen I in denen die Bleche 3, 4 verschweißt sind. Zwischen jeweils zwei Bereichen I ist ein Bereiche II angeordnet, in den die Bleche 3, 4 nicht miteinander verschweißt sind.The example of 4 is based on a sheet steel pair of two about 2 mm thick steel sheets 3 . 4 demonstrated the possibility of laser spot welding. The laser power P exhibits a sinusoidal profile with power maxima and power minima over the time t. The intensity profile I (t) is shown overlapping the laser power P (t) above the horizontal zero line. In the area below the horizontal zero line, the depth T (Q (t)) in millimeters is plotted. It becomes clear that in areas I the processing depth T (t) is sufficiently high, so that the capillary depth up into the material of the second sheet 4 enough. Thus, there is a weld between the first sheet 3 and the second sheet 4 instead of. In the fields of II the capillary depth is smaller than the sheet thickness of the first sheet 3 so that it is here, if at all, only to melt inside the sheet 3 comes. The sheet 4 This is not affected, so it does not lead to a welding of the two sheets in the areas II comes. The result is thus a spot weld or at least a discontinuous weld with successive areas I in which the sheets 3 . 4 are welded. Between each two areas I is a areas II arranged in which the sheets 3 . 4 not welded together.

Vorteilhaft beim erfindungsgemäßen Verfahren ist, dass zum einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und zeitgemäßen Rechnereinrichtungen eine Online-Echtzeit-Messung der Kapillartiefe T eines Lasermaterialbearbeitungsvorgangs ermöglicht ist. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) in einer absoluten Größe z. B. in Millimetern bestimmbar ist. Des Weiteren ist es möglich, mit der Auswertung des Intensitätsverlaufs I(t) zusätzliche Informationen für die Lasermaterialbearbeitung zu gewinnen. Beispielsweise kann die absolute Änderung der Reflektivität sowie der Übergang vom Wärmeleitungsschweißen ins Tiefschweißen ermittelt werden. Das aus den Messwerten errechnete Signal für die Bearbeitungstiefe T(Q(t)) kann in einfacher Art und Weise zur Steuerung der Laserleistung bzw. zu dessen Regelung verwendet werden. Des Weiteren bietet die Erfindung als wesentlichen Vorteil, während des Prozesses die Bearbeitungstiefe des Lasers mit ausreichend hoher Zeitauflösung bestimmen zu können.An advantage of the method according to the invention is that, on the one hand, an online real-time measurement of the capillary depth T of a laser material processing operation is made possible with the method according to the invention and state-of-the-art computer equipment. Another advantage of the method according to the invention is that the processing depth T (Q (t)) in an absolute size z. B. in millimeters can be determined. Furthermore, it is possible to obtain additional information for laser material processing by evaluating the intensity profile I (t). For example, the absolute change in reflectivity and the transition from heat conduction welding to deep welding can be determined. The signal calculated from the measured values for the processing depth T (Q (t)) can be used in a simple manner for controlling the laser power or for its regulation. Furthermore, the invention offers the significant advantage of being able to determine the processing depth of the laser with a sufficiently high time resolution during the process.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Erstes ZeitfensterFirst time window
22: Zeitbetragamount of time
33: Erstes oberes BlechFirst upper sheet
44: Zweites unteres BlechSecond lower sheet
55: Pfeilarrow
II: BereichArea
IIII: BereichArea

Claims

Method for time-resolved determination of a capillary depth and thus a machining depth T (t) of a laser-assisted material processing comprising the steps: a) time-resolved detection of an intensity profile I (t) of a laser light reflected and / or scattered from the capillary during laser-assisted material processing, b) Formation of a sequence of maximum values I _max (t) and minimum values I _min (t) from the maximum and minimum intensity I _max and I _min during a first time window Δt ₁ over a plurality of time windows Δt ₁ whose starting time is suitably shifted in time becomes. c) averaging a plurality of I _max (t) and I _min (t) values during a second time window Δt ₂ over a plurality of time windows Δt ₂ to obtain an average value _profile I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t) d) Formation of a quotient course

Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t)

_from _respectively corresponding I _{min_AV} and I _{max_AV} values over time t, or instead of steps c) and d), steps e) form a quotient curve

Q (t) = Imin (t) / Imax (t)

from respectively corresponding I _min (t) values and I _max (t) values over time t and subsequent f) averaging a plurality of Q (t) values during a second time window Δt ₂ over a plurality of time slots Δt ₂ Obtaining an average value course of the quotient curve Q (t) and for both method variants g) Determining the machining depth T (t) from a predetermined function T (Q (t)).

A method according to claim 1, characterized in that the intensity profile I (t) normalized to the laser power P (t) used so that additional information, such. As the deep weld, to get.

Method according to Claim 1 and / or 2, characterized in that, in the formation of the sequence of maximum and minimum values I _max (t) and I _min (t), the measured signal _maximum I _max and the measured signal _minimum I _min within the time window Δt ₁ be used, wherein the time length of the time window, for example .DELTA.t ₁ 0.01 ms to 3 ms.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined function T (Q (t)) has a quadratic function in the form T (Q (t)) = a * Q (t) ² -b * Q (t) + c is an exponential function in the form T (Q (t)) = a * e ^{b * Q (t)} .

Method according to one of the preceding claims, characterized in that an instantaneous value of the processing depth T (t) = T (Q (t)) from the values I _{max_AV} (t) and I _{min_AV} (t) determined in the past time window Δt ₂ under the Assumption that

Q (t) = Imin_AV (t) / Imax_AV (t)

is proportional to

T (Q (t)) / D (t)

where T (Q (t)) is the processing depth and D (t) is the diameter of the capillary.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for determining the machining depth T (Q (t)), a diameter D (t) of the capillary is determined as a function of time.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter D (t) of the capillary as a diameter of a laser beam, which is used in the laser-assisted material processing, is adopted.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for determining the capillary diameter D (t) at least one spatially resolving, and / or temporally high-resolution and / or image-given and / or real-time capable and / or computationally capable sensors, for. As a CNN camera is used.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the processing depth T (Q (t)) is used to adjust the laser power P (t) for laser-assisted material processing.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined function T (Q (t)) is experimentally determined in the course of an experiment using a Gutteilprozesses the laser-assisted material processing.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the predetermined function T (Q (t)) is determined in the course of an experiment on the basis of cuts of material processing carried out in Gutteilprozess.