DE102014017780A1

DE102014017780A1 - Verfahren zur frequenzspezifischen Überwachung der Laserbearbeitung eines Werkstückes mit gepulster Strahlung und Vorrichtung zu seiner Durchführung

Info

Publication number: DE102014017780A1
Application number: DE102014017780.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Wild; Gerhard Holl; Peter Kaul
Original assignee: Explotech GmbH
Current assignee: Explotech GmbH
Priority date: 2014-06-07
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2015-12-17

Abstract

Eine Vorrichtung zum Laserbearbeiten, wie Bohren, eines Werkstückes weist einen Impulslaser auf, um ein Werkstück zu bearbeiten. Ein optischer Sensor am Auskoppelspiegel überwacht die Pulswiederholrate des Lasers während des Bearbeitungsvorgangs und eine Feststellungseinrichtung, wie ein Computer, stellt fest, wann und/oder wie sich die Pulswiederholrate während der Laserbearbeitung ändert, um so z. B. den Durchbruch einer Laserbohrung zu erkennen. Ein akustischer Sensor wird zur Messung der Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls verwendet. Die Feststellungseinrichtung stellt fest, wann und/oder wie sich die Frequenz des Schalls ändert, was ebenfalls von der Änderung der Pulswiederholrate herrührt. Ein Verfahren zur Laserbearbeitung eines Werkstücks bestrahlt das Werkstück mit Impulslaserlicht, überwacht die Pulswiederholrate des Lasers sowie die Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls und stellt fest, wann und/oder wie sich die Pulswiederholrate oder die Frequenz des Schalls ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft die Überwachung der Laserbearbeitung eines Werkstückes und insbesondere die Bestimmung des Durchbruchs während des Bohrens unter Anwendung gepulster Laserstrahlung.
In vielen Anwendungen des Laserbohrens ist eine exakte Charakterisierung der Bohrlocheigenschaften (Durchmesser, Geometrie usw.) wichtig, um im Sinne einer Qualitätskontrolle die Durchführung einer präzisen und korrekten Bohrung zu gewährleisten. Man betrachte hier beispielsweise die Durchführung von feinen Bohrungen bei der Herstellung von Flugzeugturbinen. Hierbei ist es notwendig, eine Vielzahl von etwa 500 μm dicken Löchern in hochtemperaturbeständige Stahllegierungen mit Wandstärken zwischen 0.5 mm und 2 mm zu bohren. Etablierte Techniken zur Überprüfung der Locheigenschaften sind zum einen der Luftströmungstest sowie das Stiftchecken. Bei ersterem Verfahren wird an das fertig bearbeitete Werkstück ein definierter Druckunterschied angelegt. Anschließend wird die entstehende Luftströmung gemessen, um den Strömungswiderstand des Werkstücks zu ermittelten und somit indirekt auf die Lochgeometrie zu schließen, da die Anzahl der gebohrten Löcher bekannt ist. Nachteile dieses Verfahrens ist zum Einen, dass dieser Test nicht während der Laserbearbeitung stattfinden kann und zudem zuverlässige Aussagen nur über die mittleren Locheigenschaften bei einer Vielzahl von Bohrlöchern gestattet. Beim Stiftchecken werden nach dem Bohrprozess nacheinander Stifte mit zunehmendem Durchmessers in das Bohrloch eingeführt. Diese Technik hat den Nachteil, dass bei ungleichmäßig bearbeiteten Bohrkanälen bereits Stifte mit kleinerem Durchmesser blockieren können und somit das Ergebnis verfälscht wird. Auch dieses Verfahren lässt sich nicht in Echtzeit zum laufenden Bohrprozess durchführen.
Ein indirekter Indikator der Eigenschaften, wie des Durchmessers eines gebohrten Loches, ist die Durchbruchzeit im Vergleich zur gesamten Bearbeitungsdauer. Je früher der Durchbruch erfolgt, desto geringer fällt der Durchmesser aus, da die Laserstrahlung nach erfolgtem Durchbruch zu einer Aufweitung des bestehenden Bohrkanals führt.
Aus Patent EP1893380B1 ist ein Verfahren zur Echtzeitüberwachung von Fertigungsverfahren für die Herstellung von Durchgangsbohrungen mittels Laserbohren und Funkenerosion bekannt, bei dem der vom Werkstück an die Werkstückhalterung abgegebene Körperschall ausgewertet wird. Dabei wird die Intensität des Körperschalls als Funktion der Zeit gemessen. Hierbei ist jedoch die korrekte Positionierung des Sensors zu beachten sowie eine reproduzierbare Kopplung des Werkstücks an die Halterung zu gewährleisten, um eine gute Übertragung des Schallsignals zu erhalten. Bei veränderter Oberfläche des Werkstückes – z. B. durch anhaftenden Schmutz – ist davon auszugehen, dass die Signalauswertung erschwert oder gar unmöglich wird.
Aus Patent US3700850 ist bekannt, den Abtragungsprozess bei einem Laserbearbeitungsvorgang durch Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schockwellen im Werkstück zu überwachen. Ein Nachteil des Verfahrens ist, dass auch hier zwingend eine Kopplung des Sensors zum Werkstück vorhanden sein muss. Dies kann je nach Produktionsprozess eine zu aufwendige Vorbereitung darstellen. Zudem ist auch bei diesem Verfahren bei nicht ausreichender Kopplung die Aussagekraft der Messung fragwürdig.
Aus Patent US4608480 ist bekannt, einen Laserbohrvorgang durch Messung des bei der Bearbeitung entstehenden Luftschalls zu überwachen. Nachteil des beschriebenen Verfahrens ist die hohe Störanfälligkeit gegenüber Hintergrundgeräuschen, da ausschließlich eine Auswertung der Intensität des Schalls vorgenommen wird.
Aus Patent DE 19736075A1 ist bekannt, den Laserbearbeitungsvorgang eines Werkstückes, insbesondere das Laserbeschriften, mittels Schall- oder Ultraschallmessung zu überwachen. Hier wird jedoch lediglich der Schalldruck als Sensorsignal ausgewertet. Dies führt zu einer möglichen Beeinflussung durch Störgeräusche beim Produktionsprozess.
Aus Patent US5045669 ist bekannt, den Bohrvorgang eines Werkstücks durch einen Einzelpuls über optische und akustische Sensorik in Echtzeit zu überwachen. Dabei werden die Sensorsignale nach Auswahl relevanter Frequenzen einer Schwellwertuntersuchung unterzogen, um den Durchbruch dieses einen Pulses zu detektieren. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass nach erfolgter Frequenzanalyse lediglich die Intensität bzw. Amplitude der Signale ausgewertet wird, um eine Aussage über den Bohrfortschritt zu erlauben.
In der hier beschriebenen Erfindung wird jedoch eine Frequenzverschiebung der Signale erzwungen, die durch die Anfangsbedingungen der Laserparameter vorgegeben werden. Dadurch ist das Verfahren wesentlich unempfindlicher gegenüber Störeinflüssen wie beispielsweise Hintergrundgeräuschen oder Fluktuationen in der rückgestreuten Laserstrahlung. Zudem lässt es sich einfach, kostengünstig und schnell zur Echtzeitüberwachung des Laserbearbeitungsvorgangs einsetzen.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Laserbearbeitungsvorgang zu überwachen und insbesondere die Durchbruchszeit beim Bohren zu bestimmen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung zur Überwachung der Laserbearbeitung eines Werkstückes mit gepulster Strahlung umfasst eine Einrichtung zum Anwenden von Impulslaserlicht auf das Werkstück, eine Einrichtung zur Überwachung der Pulswiederholrate des Lasers, eine Einrichtung zur Messung der Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls sowie eine Einrichtung, um zu bestimmen, wann und/oder wie sich die Pulswiederholrate oder die Frequenz des Schalls ändern.
Ein Verfahren gemäß der Erfindung zur Überwachung der Laserbearbeitung eines Werkstückes mit gepulster Strahlung umfasst das Bestrahlen des Werkstückes mit Impulslaserlicht, das optische Überwachen der Pulswiederholrate des Lasers, das akustische Überwachen der Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls sowie das Feststellen, wann und/oder wie sich die Pulswiederholrate oder die Frequenz des Schalls ändern.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform der Erfindung.
2 zeigt die Signale, die beim Bohren in zwei verschiedenen Materialien und nach Durchbruch erzeugt werden.
3 zeigt die Signale, die beim Bohren in einem Material und nach Durchbruch erzeugt werden.
1 zeigt einen Laser 10, wie einen diodengepumpten Nd:YAG Lasers mit passiver Güteschaltung zur Erzeugung von Impulslaserlicht. Während andere Lasertypen benutzt werden können, lässt sich mit der vom Nd:YAG Laser erzeugten Strahlung der Wellenlänge 1.06 μm eine Vielzahl von Materialien bearbeiten. Der Laser wird durch eine Anregungseinrichtung 11, wie ein Diodenlaser, mit Energie versorgt und gesteuert. Der Laser 10 hat auch einen optischen Sensor 12, wie eine Fotodiode, der an der Außenseite des Auskopplungsspiegels angebracht ist, um eine Lichtstreuung zu überwachen. Das Signal des optischen Sensors 12 wird an einen Computer 20 übermittelt. Die Ausgangsstrahlung 13 des Lasers 10 wird durch eine Linse 14 fokussiert und auf das Werkstück 15 gerichtet. Alternativ kann eine Lichtleiterfaser (nicht dargestellt) verwendet werden, um die Ausgangsstrahlung 13 auf das Werkstück 15 zu leiten. Wenn erwünscht, kann die Laserstrahlung 13 auch direkt ohne Verwendung von Linsen oder Lichtleiterfasern auf das Werkstück 15 gerichtet werden. Wenn erwünscht, kann das Werkstück 15 auf einer steuerbaren Positioniereinrichtung montiert oder die Lichtleiterfaser (nicht dargestellt) relativ zum Werkstück 15 bewegt werden. In jeder der beiden Ausführungsformen ist die relative Position des Werkstücks 15 bezüglich der Laserstrahlung 13 steuerbar. Das Werkstück 15 kann aus einem Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, einem Kunststoff oder allgemein irgendeinem festen Material bestehen, dass sich durch die Laserstrahlung 13 bearbeiten lässt. Auch kann das Werkstück 15 aus einer Kombination mehrerer Materialien bestehen, die in Schichten übereinander liegen. In einer besonderen Ausführung der Erfindung ist in direkter Nähe zum Werkstück ein akustischer Sensor 16, wie ein Mikrofon oder ein Beschleunigungssensor, angebracht. Alternativ kann ein Kontaktmikrofon direkt am Werkstück 15 befestigt werden, doch führt dies zu einer aufwändigeren Vorbereitung, da ausreichender Kontakt zwischen Werkstück 15 und Kontaktmikrofon gewährleistet sein muss. Auch können die Schwingungen im Werkstück berührungslos über ein Laser-Doppler-Vibrometer erfasst werden. Das Signal des akustischen Sensors 16 wird dem Computer 20 zugeführt.
Beim Betrieb wird vom Laser 10 gepulste Strahlung 13 auf das Werkstück 15 gerichtet, um es zu bearbeiten (z. B. um ein Loch zu bohren). Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Laser mit passiver Güteschaltung (engl. Q-switching) mit einem sättigbarem Absorber (engl. saturable absorber) verwendet. Dieser wird mit gepulster Pumpstrahlung betrieben und emittiert während Anlegen des Pumppulses mehrere Einzelpulse (sog. Burst-Mode). Während des Bohrvorgangs gelangt ein Teil der Laserstrahlung 13 vom Werkstück 15 zurück in den optischen Resonator des Lasers 10. Die zurückgekoppelte Strahlung injiziert einerseits Photonen für den nächsten Lichtpuls und sorgt für eine teilweise Sättigung des Absorbers. So wird die Energieschwelle im Resonator verschoben. Dies führt zu einer Änderung der Anzahl der Einzelpulse im Burst sowie deren zeitlichen Abstands, also letztendlich zu einer diskreten Änderung der Pulswiederholrate im Burst. Während der Laserbearbeitung ändert sich der Anteil der vom Werkstück 15 zurückgekoppelten Strahlung, so dass sich die oben beschrieben Auswirkungen auf den optischen Resonator ebenso ändern, was zu einer Änderung der Pulsanzahl und deren zeitlichen Abstands, also der Pulswiederholrate führt. Der Computer 20 bestimmt über das Signal des optischen Sensors 12 die Zeitabstände zwischen den Einzelpulsen und errechnet hieraus die Pulswiederholrate. So lässt sich beispielsweise beim Durchbruch der Bohrung eine Verschiebung der Pulswiederholrate feststellen. Zudem lässt sich sowohl eine Klassifizierung der durch den Laser bearbeiteten Materialien als auch eine Erkennung von Materialübergängen beim Bohren vornehmen. Im Allgemeinen lassen sich alle Vorgänge detektieren, die eine Änderung des Anteils der vom Werkstück zum Laser zurückgekoppelten Strahlung bewirken. Bei Verwendung eines bekannten Referenzmaterials lässt sich mit dem beschriebenen Verfahren zudem die Korrektheit der Laserparameter verifizieren.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein akustischer Sensor in der Nähe zum Werkstück platziert, um den Luftschall während des Bearbeitungsprozesses auszuwerten. Der Vorteil der Verwendung des akustischen Sensors besteht darin, dass sich dieser frei im Raum platzieren lässt, während in den optischen Sensor zwingend ein Anteil der Strahlung eingekoppelt werden muss. Das Signal des akustischen Sensors wird vom Computer einer Frequenzanalyse (z. B. Fast Fourier Transformation FFT) unterzogen, um die Frequenz des Luftschallsignals zu bestimmen. Es können auch andere Verfahren verwendet werden, die eine Aussage über die im Schallsignal enthaltenen Frequenzen erlauben. In 2 ist das akustische Signal 21 als Funktion der Zeit gezeigt. Das Signal 21 entspricht dabei der Hauptfrequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls. Die Messung stellt den Laserbohrvorgang eines Werkstücks aus zwei unterschiedlichen Materialien dar. Für jeden Pulsburst des Lasers, der hier in zeitlichen Abständen von 40 ms auf das Werkstück gerichtet wird, ist die Frequenz des resultierenden Schalls dargestellt. Zum Zeitpunkt 22 ist eine deutliche Frequenzverschiebung zu beobachten, die mit dem Übergang zum zweiten Material korreliert. Beim finalen Durchbruch der Bohrung zum Zeitpunkt 23 zeigt sich eine erneute Frequenzverschiebung. In 3 ist das akustische Signal 24 gezeigt, das beim Bohren durch ein einzelnes Material erzeugt wird. Beim Durchbruch der Bohrung ist eine signifikante Frequenzverschiebung zu beobachten, die vom Computer 20 ausgewertet wird. Diese Information wird benutzt, ein Steuersignal auf die Anregungseinrichtung 11 anzuwenden, um die Laserenergie zu steuern. So kann beispielsweise der Laserbearbeitungsvorgang nach erreichtem Durchbruch beendet werden. Ferner lässt sich die Kenntnis des exakten Durchbruchzeitpunkts nutzen, um den Bohrvorgang nach Durchbruch eine definierte Zeitdauer fortzuführen. Aus der Dauer der Bohrung nach Durchbruch lassen sich bei bekanntem Laserparametern und Materialeigenschaften Eigenschaften des Bohrloches wie Durchmesser und Geometrie ableiten, da nach Durchbruch eine Aufweitung des Bohrkanals stattfindet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1893380 B1 [0004]
US 3700850 [0005]
US 4608480 [0006]
DE 19736075 A1 [0007]
US 5045669 [0008]

Claims

Vorrichtung zur Laserbearbeitung eines Werkstückes, umfassend: eine Einrichtung zum Anwenden von Impulslaserlicht aus einem passiv gütegeschalteten Laser auf das Werkstück, eine Einrichtung zum optischen Überwachen der Pulswiederholrate, eine Einrichtung zum akustischen Überwachen der Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls, eine Einrichtung zur Feststellung von Änderungen der Pulswiederholrate und der Frequenz des Schalls.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum optischen Überwachen ein optischer Sensor ist, geeignet zur Anordnung in dem Laser und gekoppelt mit der Feststellungseinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum akustischen Überwachen ein akustischer Sensor ist, geeignet zur Anordnung in Nähe des Werkstücks und gekoppelt mit der Feststellungseinrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin die Einrichtung zum Feststellen eine Einrichtung zur Bestimmung der Pulswiederholrate, zur Bestimmung der Frequenz des Schalls sowie eine Einrichtung zur Erkennung einer Änderung der Pulswiederholrate oder der Frequenz umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Einrichtung zum Feststellen den Durchbruch einer Laserbohrung bestimmt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, worin die Einrichtung zum Feststellen Materialklassen und Materialübergänge bei der Laserbearbeitung bestimmt.
Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks, umfassend: Bestrahlen des Werkstückes mit Impulslaserlicht aus einem passiv gütegeschalteten Laser, optisches Überwachen der Pulswiederholrate, akustisches Überwachen der Frequenz des bei der Laserbearbeitung entstehenden Schalls Feststellen, wann und/oder wie sich die Pulswiederholrate oder die Frequenz des Schalls ändert.
Verfahren nach Anspruch 7, weiter umfassend das Ändern der Laserimpulsenergie während der Bestrahlung.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die Bestimmungsstufe das Berechnen der Durchbruchszeit umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, worin die Bestimmungsstufe die Bestimmung von Materialklassen sowie Materialübergänge beim Laserbearbeiten umfasst.