DE102016010508A1

DE102016010508A1 - Vorrichtung, Bearbeitungsvorrichtung und Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls unter Anpassung des Bearbeitstrahls nach Maßgabe einer aktuellen Bearbeitungssituation

Info

Publication number: DE102016010508A1
Application number: DE102016010508.9A
Authority: DE
Inventors: Eckhard Lessmüller; Christian Truckenbrodt
Original assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Current assignee: Lessmueller Lasertechnik GmbH
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18). Die Vorrichtung (10) umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung (12), mit einer Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist und einer Bearbeitungsstrahloptik (22), um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) zu projizieren und/oder zu fokussieren. Die Bearbeitungsstrahloptik (22) weist eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) auf, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) einzustellen. Die Bearbeitungsvorrichtung (22) ist verbunden oder verbindbar mit einer Messvorrichtung (14) zum Ermitteln einer aktuellen Bearbeitungssituation durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück mittels eines Messstrahls (44). Die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) ist durch Verlagern der verlagerbaren optischen Komponente (28, 76) der Bearbeitungsstrahloptik (22) nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, eine Bearbeitungsvorrichtung sowie ein Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses in einer Bearbeitungsrichtung entlang eines Hauptbearbeitungspfads auf einem Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls. Die Vorrichtung umfasst eine Bearbeitungsvorrichtung mit einer Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, der eine optische Achse aufweist, und mit einer Bearbeitungsstrahloptik, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück zu projizieren und/oder zu fokussieren. Die Bearbeitungsstrahloptik weist wenigstens eine verlagerbare optische Komponente auf, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück die Geometrie der Energieverteilung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad einzustellen.
Derartige Vorrichtungen sind aus dem Stand der Technik bekannt und finden beispielsweise bei Lasermaterialbearbeitungsprozessen Anwendung. Hierbei wird ein hochenergetischer Bearbeitungsstrahl in Form eines Laserbearbeitungsstrahls verwendet, um auf ein oder mehrere Werkstücke oder Werkstückteile einzuwirken, etwa um diese im Bereich eines Überlappstoßes, einer Nahtfuge und/oder Fügekante miteinander zu verschweißen.
Die Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses, insbesondere die Bearbeitungsvorrichtung, kann an einem Roboter angebracht sein, sodass diese gemeinsam mittels des Roboters in einer Bearbeitungsrichtung entlang eines Hauptbearbeitungspfads bewegbar ist. Alternativ oder zusätzlich dazu kann eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungsstrahl auch durch ein Verlagern des Bearbeitungsstrahls und/oder ein Bewegen des Werkstücks realisiert werden.
Eine Herausforderung beim Bearbeiten von Werkstücken mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls stellt in der Praxis das Erreichen einer zufriedenstellenden Schweißnahtgüte, das Überbrücken von großen Spaltweiten und/oder das Erzeugen von Kehlnähten zwischen mehreren Werkstücken/Werkstückteilen, d. h. im Bereich des Hauptbearbeitungspfads, dar. Um eine verbesserte Schweißnahtgüte zu erreichen und eine ausreichende Überbrückung von entsprechenden Spalten und/oder Fügestößen sicherzustellen, werden im Stand der Technik verschiedene Lösungen vorgeschlagen.
Beispielsweise wird bei dem sogenannten Remote-Laserstrahlschweißen der Bearbeitungsstrahl durch bewegbare Optiken, wie Galvanometerscanner, zusätzlich zu der Roboterbewegung auf der Werkstückoberfläche verlagert. Hierbei können zum Vergrößern einer wirksamen Breite des Bearbeitungsstrahls quer zum Hauptbearbeitungspfad auf dem Werkstück Oszillationsbewegungen des Laserstrahls entlang des Hauptbearbeitungspfads erzeugt werden. Eine derartige Prozessführung wird im Fachbereich des Laserschweißens als „Wobbeln” bezeichnet.
Ein System zum Ausführen einer solchen Laserstrahloszillation mittels hochdynamischer Galvanometerscanner ist in dem Artikel „Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation", Müller et al., Firma Scansonic Holding SE beschrieben. Durch das darin offenbarte System soll ein Bearbeiten miteinander zu verschweißender Werkstücke im Bereich von Kehlnähten an einem Überlappstoß sowie an I-Nähten realisierbar sein. Das System umfasst neben den hochdynamischen Galvanometerscannern eine Lichtschnittsensorik, die den Hauptbearbeitungspfad während des Bearbeitungsprozesses erfasst.
Obgleich mit derartigen Wobbelbearbeitungsprozessen gemäß dem Stand der Technik der Vorteil einer verbesserten Schweißnahtgüte und eines Überbrückens großer Spaltweiten erzielt wird, weisen bekannte Systeme Nachteile auf. So sind die zum Erzeugen der Strahloszillation eingesetzten Galvanometerscanner teuer und erhöhen die Systemkomplexität. Insbesondere verlangen die Galvanometerscanner eine vergleichsweise komplexe Ansteuerung, um den Bearbeitungsstrahl in Abhängigkeit der Bearbeitungsrichtung oszillierend abzulenken. Des Weiteren muss die Leistung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls während der Bearbeitung schnell moduliert werden, um auch an den Umkehrpunkten der Oszillationsbewegung auf dem Werkstück dieselbe Bearbeitungsintensität wie an den übrigen Bearbeitungspunkten zu gewährleisten, d. h. um trotz der Oszillation eine im Wesentlichen konstante Bearbeitung zu erreichen. Dies erfordert eine aufwendige Synchronisation der Galvanometerscannern und der Bearbeitungsstrahlquelle.
Das Dokument DE 102 61 422 A1 offenbart eine Laserschweißvorrichtung, die eine Qualitätsverbesserung von Schweißnähten ermöglichen soll, indem ein Laserstrahl in einem aktuellen Bearbeitungsbereich auf zwei verschiedene Arbeitspunkte fokussiert wird, die in Richtung des Hauptbearbeitungspfad voneinander beabstandet sind. Die in dem Dokument DE 102 61 422 A1 vorgeschlagene Laserschweißvorrichtung umfasst eine optische Anordnung mit einem Linsensystem, das dazu ausgebildet ist, einen Laserstrahl in zwei getrennte Teillaserstrahlen aufzuteilen. Insbesondere sind die erzeugten Teillaserstrahlen dabei mittels einer Strahlaufteilungseinrichtung in Form eines Prismas und weiterer optischer Komponenten hinsichtlich ihrer Energieverteilung, hinsichtlich ihrer Fokuslagenverdrehung und/oder hinsichtlich ihres Arbeitspunktabstandes einstellbar.
Ferner ist aus dem Dokument EP 1 695 786 A1 eine Anordnung zur Laserbearbeitung bekannt, die ein erstes optisches Element zur Aufteilung eines Laserstrahls in zwei Teilstrahlen und ein zweites optisches Element zur Fokussierung der Teilstrahlen umfasst. Das erste optische Element und das zweite optische Element sind ortsfest in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet.
Trotz dieser vorgeschlagenen Bearbeitungsstrahlaufteilung kann es bei den beschriebenen Laserbearbeitungsvorrichtungen dennoch zu einer unzureichenden Schweißnahtgüte und/oder Spaltüberbrückung bei der Werkstückbearbeitung kommen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, eine Bearbeitungsvorrichtung und ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die die Qualität der Werkstückbearbeitung verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Bearbeitungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Bevorzugte Ausführungsformen werden aus den Unteransprüchen 2 bis 9 und 12 bis 15 sowie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich.
Erfindungsgemäß ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art vorgesehen, die eine mit der Bearbeitungsvorrichtung verbundene oder verbindbare Messvorrichtung zum Ermitteln einer aktuellen Bearbeitungssituation durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück mittels eines Messstrahls umfasst. Der weitere Bereich des Hauptbearbeitungspfads liegt in Bearbeitungsrichtung betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich. Ferner sind bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Geometrie der Energieverteilung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad durch Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente der Bearbeitungsstrahloptik nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar. Damit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung das Erreichen einer optimalen Schweißnahtgüte und/oder einer optimalen Spaltüberbrückung beim Durchführen des Bearbeitungsprozesses und verbessert die Qualität der Werkstückbearbeitung.
Mit anderen Worten sind die Geometrie und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Wesentlichen richtungsunabhängig einstellbar, da das Verlagern der wenigstens einen optischen Komponente der Bearbeitungsstrahloptik während des Bearbeitungsprozesses stets individuell nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungssituation vorgenommen wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass ein Einstellen eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf einen bestimmten auszuführenden Bearbeitungsprozess, im Vorfeld des Bearbeitungsprozesses, nicht ausreichend ist, um eine zufriedenstellende Schweißnahtgüte und/oder Spaltüberbrückung sicherzustellen. Selbst innerhalb eines bestimmten Bearbeitungsprozesses können Richtungswechsel in dem Verlauf des Hauptbearbeitungspfads bzw. Richtungswechsel der Bearbeitungsrichtung sowie sich entlang des Hauptbearbeitungspfads ändernde Spaltbreiten und sich entlang des Hauptbearbeitungspfads ändernde Materialeigenschaften des Werkstücks ein ständiges Anpassen der Geometrie und/oder der Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls erfordern.
Im Gegensatz zum Stand der Technik sieht die erfindungsgemäße Vorrichtung daher zusätzlich zu der Bearbeitungsvorrichtung die Messvorrichtung zum Ermitteln der aktuellen Bearbeitungssituation vor. Diese ermöglicht ein bearbeitungssituationsabhängiges und flexibles Einstellen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls durch das im Wesentlichen gleichzeitige Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück mittels des Messstrahls. Allgemeiner formuliert ermöglicht die Messvorrichtung somit ein Regeln des Bearbeitungsprozesses, indem Prozessparameter nach Maßgabe der erfassten Messinformationen während des Bearbeitens anpassbar sind.
Zusätzlich zu einem Regeln des Bearbeitungsprozesses durch Einstellen von Bearbeitungsstrahlparametern während des Bearbeitens, nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation, kann die erfindungsgemäßen Messvorrichtung auch ein Überwachen des Bearbeitungsprozesses ermöglichen. Dadurch kann eine umfassende Qualitätssicherung des Bearbeitungsprozesses erreicht werden.
Das Erfassen des weiteren Bereichs mittels des Messstrahls zum Ermitteln der aktuellen Bearbeitungssituation kann im Sinne der Erfindung als ein Erfassen von Messinformationen an wenigstens einem aktuellen Messpunkt in dem weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück verstanden werden. Diese Messinformationen können beispielsweise Höheninformationen, d. h. topographischen Informationen über die Werkstückoberfläche und/oder Informationen bezüglich einer Eindringtiefe des Bearbeitungsstrahls, sowie weitere Informationen über die Lage des aktuellen Messpunkts auf dem Werkstück umfassen, die mit den Höheninformationen verknüpft werden können.
Trotz eines kontinuierlichen und flexiblen Einstellens der Geometrie, der Ausrichtung und/oder einer Leistungsmodulation des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad können die Komplexität einer dafür erforderlichen Ansteuerung sowie die Komplexität des strukturellen Aufbaus bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung reduziert werden, verglichen mit Systemen, die ein Oszillieren eines Bearbeitungsstrahls vorsehen.
In einer Weiterbildung der Erfindung können die Bearbeitungsvorrichtung und die Messvorrichtung so miteinander verbunden oder verbindbar sein, dass der Messstrahl den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl im Wesentlichen koaxial überlagert. Der Messstrahl und der hochenergetische Bearbeitungsstrahl können dabei innerhalb der Bearbeitungsvorrichtung oder innerhalb der Messvorrichtung zumindest abschnittsweise dieselbe optische Achse aufweisen. Es versteht sich, dass der mittels des Messstrahls erfasste weitere Bereich des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück, der in Bearbeitungsrichtung betrachtet in einem geringen Abstand vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt, so nah zu dem aktuellen Bearbeitungsbereich ist, dass sich der Bearbeitungsstrahl und der Messstrahl dennoch im Wesentlichen koaxial überlagern können. Durch die koaxiale Überlagerung des Messstrahls und des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls befinden sich diese stets an der im Wesentlichen selben Stelle auf dem Werkstück, wodurch sichergestellt werden kann, dass die Geometrie und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls richtungsunabhängig und nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar sind.
Ferner kann das erfindungsgemäße Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads ein Erfassen der Breite eines in dem weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads ausgebildeten Spalts zwischen wenigstens zwei Teilen des Werkstücks umfassen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann das erfindungsgemäße Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads ein Erfassen der Lage des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück umfassen. Das Erfassen der Lage bzw. einer aktuellen Position des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads kann beispielsweise durch ein Erfassen wenigstens einer Werkstückkante und/oder eines Fügestoßes erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente, die von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl durchtreten wird, in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verlagerbar sein. Durch ein solches Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente kann die Breite bzw. der Querschnitt oder die wirksame Breite bzw. der wirksame Querschnitt des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück eingestellt werden. Beispielsweise kann die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente so ausgebildet sein, dass ein Verlagern dieser in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls von der Bearbeitungsstrahlquelle weg, eine Vergrößerung oder eine Verringerung der Breite bzw. des Querschnitts oder der wirksamen Breite bzw. des wirksamen Querschnitts bewirken.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente um die optische Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls drehbar sein. Durch ein Drehen der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente kann die Ausrichtung, d. h. die Orientierung, des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück relativ zu der aktuellen Bearbeitungsrichtung eingestellt werden.
Ferner kann die Bearbeitungsvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mehrere verlagerbare optische Komponenten umfassen, beispielsweise eine Sammellinse und eine Streulinse, wobei die mehreren verlagerbaren optischen Komponenten gemeinsam und/oder relativ zueinander um die optische Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls drehbar ausgebildet sein können. Durch eine relative Drehung der mehreren optischen Komponenten zueinander kann die geometrische Form des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück einstellbar sein, während durch eine gemeinsame Drehung die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück einstellbar sein kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Bearbeitungsvorrichtung eine verlagerbare Fokuslinse umfassen, die ebenfalls von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl durchtreten wird und die quer zur Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls und/oder in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verlagerbar ist. Durch ein laterales Verlagern der verlagerbaren Fokuslinse quer zur Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls kann die Position des aktuellen Bearbeitungsbereichs relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad eingestellt werden. Mit anderen Worten kann durch ein laterales Verlagern der verlagerbaren Fokuslinse quer zur Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls die Lage eines Strahlmittelpunkts in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad eingestellt werden. Ferner kann durch ein Verlagern der verlagerbaren Fokuslinse in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls die Brennebene des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls eingestellt werden.
Durch ein Einstellen der vorstehend beschriebenen Parameter des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück kann dieser und damit der Bearbeitungsprozess an eine aktuelle Bearbeitungssituation angepasst werden. So kann etwa eine Einstellung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls vorgenommen werden, die entweder ein Überbrücken eines vergleichsweise großen Spalts oder ein Überbrücken eines geringen Spalts zwischen miteinander zu verbinden Werkstückteilen sicherstellt. Dabei kann der Bearbeitungsstrahl zum Überbrücken eines geringen Spalts so eingestellt werden, dass von dem Hauptbearbeitungspfad seitlich beabstandete Werkstückbereiche nur in einem erforderlichen Maße bearbeitet werden. Ferner kann beispielsweise eine Einstellung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls vorgenommen werden, um eine eigentliche Werkstückbearbeitung vorzubereiten. Hierzu können mittels des entsprechend eingestellten hochenergetischen Bearbeitungsstrahls vor der eigentlichen Werkstückbearbeitung Materialschichten des Werkstücks im Bereich des Hauptbearbeitungspfads entfernt (weggebrannt) werden, die für die anschließende Bearbeitung hinderlich sind.
Es versteht sich, dass in einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform die Leistung der Bearbeitungsstrahlquelle und die dadurch erzeugte Intensität des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls unter Berücksichtigung einer oder mehrerer der vorstehend beschriebenen Einstellungen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls angepasst werden kann. Mit anderen Worten kann auch die Intensität des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls durch Anpassen der Leistung der Bearbeitungsstrahlquelle nach Maßgabe der mittels der Messvorrichtung ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente ein Doppelprisma (Dachprisma), eine Zylinderlinse oder Ähnliches aufweisen. Mittels des Doppelprismas kann der hochenergetische Bearbeitungsstrahl in zwei Bearbeitungsteilstrahlen aufgetrennt werden. Diese Bearbeitungsteilstrahlen können auf unterschiedliche Positionen auf das Werkstück projiziert und fokussiert werden, wobei die beiden Bearbeitungsteilstrahlen zusammen den aktuellen Bearbeitungsbereich und beispielsweise die wirksame Breite auf dem Werkstück definieren. Es versteht sich, dass die beiden Bearbeitungsteilstrahlen dabei auf dem Werkstück beispielsweise ein gemeinsames Schmelzbad erzeugen können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Messvorrichtung einen optischen Kohärenztomographen mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen des Messstrahls umfassen. Das Verfahren der optischen Kohärenztomographie (engl.: Optical Coherence Tomography, OCT) basiert auf dem Grundprinzip der Interferenz von Lichtwellen und daraus resultierenden Effekten. Die optische Kohärenztomographie ermöglicht es, auch Höhenunterschiede entlang einer optischen Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Dazu wird mittels der Messstrahlquelle des optischen Kohärenztomographen Messlicht erzeugt und mittels eines Strahlteilers in den optischen Messstrahl und den optischen Referenzstrahl aufgetrennt. Der optische Messstrahl durchläuft den Messarm und trifft an einem Ende des Messarms auf das zu überwachende bzw. zu bearbeitende Werkstück. An diesem wird der optische Messstrahl zumindest teilweise reflektiert und an den Strahlteiler zurückgeführt. Der optische Referenzstrahl durchläuft den Referenzarm und wird an einem Ende des Referenzarms zumindest teilweise reflektiert, woraufhin der reflektierte optische Referenzstrahl ebenfalls an den Strahlteiler zurückgeführt wird. Die Überlagerung des reflektierten optischen Messstrahls und des reflektierten optischen Referenzstrahls wird schließlich detektiert, um unter Berücksichtigung der Länge des Referenzarms Höheninformationen an dem jeweiligen Messpunkt zu erhalten.
Alternativ zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die Messvorrichtung erfindungsgemäß eine Kamera mit einer Beleuchtungsquelle zum Erzeugen des Messstrahls umfassen.
In einer erfindungsgemäßen Weiterbildung kann die Messvorrichtung eine bewegbare Ablenkeinrichtung umfassen, um den Messstrahl auf dem Werkstück zu verlagern. Mittels dieser bewegbaren Ablenkeinrichtung kann die Position des Messstrahls auf dem Werkstück verändert werden. Hierdurch kann beispielsweise ein Abstand des zu erfassenden weiteren Bereichs zu dem aktuellen Bearbeitungsbereich variiert werden. Auch kann der Messstrahl während des Bearbeitungsprozesses auf weitere Bereiche auf dem Werkstück verlagert werden, zum Beispiel um eine Prozessüberwachung zu verbessern. Etwa kann der Messstrahl mittels der bewegbaren Ablenkeinrichtung auf den weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich sowie auf einen zusätzlichen Bereich des Hauptbearbeitungspfads hinter dem aktuellen Bearbeitungsbereich und/oder auf den aktuellen Bearbeitungsbereich ausgerichtet werden. Ferner kann der Messstrahl mittels der bewegbaren Ablenkeinrichtung in dem jeweiligen Bereich auf eine Mehrzahl von Messpunkten verlagert werden, vorzugsweise quer zu der Richtung des Hauptbearbeitungspfads. Somit kann die Messvorrichtung eine Vielzahl von Messinformationen ermitteln, die ein Regeln und Überwachen des Bearbeitungsprozesses ermöglichen.
Die bewegbare Ablenkeinrichtung kann beispielsweise einen oder mehrere bewegbare Galvanometerscanner oder eine sonstige bewegbare optische Komponente aufweisen.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Bearbeitungsvorrichtung für eine Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art. Die erfindungsgemäße Bearbeitungsvorrichtung umfasst eine Bearbeitungsstrahlquelle zum Erzeugen eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, der eine optische Achse aufweist, und eine Bearbeitungsstrahloptik, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf einem Werkstück zu projizieren und/oder zu fokussieren. Zudem weist die Bearbeitungsstrahloptik wenigstens eine verlagerbare optische Komponente auf, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu einem Hauptbearbeitungspfad auf dem Werkstück einzustellen. Die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad sind erfindungsgemäß durch Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente nach Maßgabe einer aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar. Die aktuelle Bearbeitungssituation ist durch ein Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück mittels eines Messstrahls einer mit der Bearbeitungsvorrichtung verbundenen oder verbindbaren Messvorrichtung ermittelbar, wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt.
Obgleich einige Aspekte und Merkmale lediglich in Bezug auf die erfindungsgemäße Vorrichtung beschrieben worden sind, können diese entsprechend für Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Bearbeitungsvorrichtung gelten.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses in einer Bearbeitungsrichtung entlang eines Hauptbearbeitungspfads auf einem Werkstück mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, das insbesondere mittels einer Vorrichtung der vorstehend beschriebenen Art ausgeführt wird. Das Verfahren umfasst die Schritte:

– Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, der eine optische Achse aufweist; und
– Projizieren und/oder Fokussieren des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück mittels einer Bearbeitungsstrahloptik, wobei die Bearbeitungsstrahloptik wenigstens eine verlagerbare optische Komponente aufweist, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad einzustellen.

Zudem umfasst das erfindungsgemäße Verfahren den weiteren Schritt:

– Ermitteln einer aktuellen Bearbeitungssituation mittels einer mit der Bearbeitungsvorrichtung verbundenen oder verbindbaren Messvorrichtung durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück mittels eines Messstrahls, wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt.

Die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad werden erfindungsgemäß durch ein Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente der Bearbeitungsstrahloptik nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation eingestellt.
In einer Weiterbildung kann das erfindungsgemäße Verfahrens den weiteren Schritt umfassen: im Wesentlichen koaxiales Überlagern des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls mit dem Messstrahl.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens können in dem Schritt des Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads die Breite eines in dem weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads ausgebildeten Spalts zwischen wenigstens zwei Teilen des Werkstücks und/oder die Lage des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück erfasst werden.
Ferner kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verlagert werden und/oder um die optische Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gedreht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann in dem Schritt des Projizierens und/oder des Fokussierens des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück eine verlagerbare Fokuslinse quer zur Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls und/oder in Richtung der optischen Achse des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verlagert werden.
Es versteht sich, dass der Gegenstand der Erfindung nicht auf die zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Die beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale können vom Fachmann beliebig kombiniert werden, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es stellen dar:
1 eine Übersichtsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück;
2 zwei Bearbeitungssituationen entlang eines Hauptbearbeitungspfads auf einem Werkstück zum Erläutern des Funktionsprinzips der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
3a, 3b Detailansichten einer verlagerbaren optischen Komponente der in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung;
4 eine Übersichtsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses auf einem Werkstück; und
5a, 5b Detailansichten einer verlagerbaren optischen Komponente der in 4 gezeigten erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt eine Gesamtanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Vorrichtung 10 umfasst in dem gezeigten Beispiel eine Bearbeitungsvorrichtung 12 und eine mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 verbundene Messvorrichtung 14.
Die Bearbeitungsvorrichtung 12 umfasst eine Bearbeitungsstrahlquelle 16 zum Erzeugen eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18. Eine Transportfaser bzw. ein Lichtleiter 20 verbindet die Bearbeitungsstrahlquelle 16 mit einer Bearbeitungsstrahloptik 22 der Bearbeitungsvorrichtung 12, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 über eine Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 in die Bearbeitungsstrahloptik 22 einzukoppeln.
Der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 breitet sich ausgehend von der Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 aus und durchtritt in der Bearbeitungsstrahloptik 22 eine optische Anordnung 26, die in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine verlagerbare optische Komponente 28 in Form eines Doppelprismas und eine Kollimationslinse 30 umfasst, wobei die Kollimationslinse 30 der verlagerbaren optischen Komponente 28 im Strahlengang des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 nachgelagert angeordnet ist. Das Doppelprisma 28 ist relativ zu der Kollimationslinse 30 in Richtung des Doppelpfeils 32 verlagerbar, d. h. in Richtung einer optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18. Ferner ist die optische Anordnung 26 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 drehbar ausgebildet, was durch den weiteren Doppelpfeil 36 angedeutet ist. Das Doppelprisma 28 bewirkt eine Auftrennung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in zwei Bearbeitungsteilstrahlen, was aus Übersichtsgründen in 1 nicht dargestellt ist, sondern nachstehend in Bezug auf die 3a und 3b näher erläutert wird.
Im Anschluss an die optische Anordnung 26 trifft der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 auf einen halbdurchlässigen Spiegel 38 und wird von diesem umgelenkt bzw. in Richtung einer Fokuslinse 40 reflektiert. Die Fokuslinse 40 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Richtung der gezeigten Pfeile 42, 43 quer zu der Richtung der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar. Es versteht sich, dass die Pfeile 42, 43 lediglich beispielhafte Verlagerungsrichtungen der Fokuslinse 40 darstellen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Fokuslinse 40 jedoch in beliebige Richtungen quer zu der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar ausgebildet sein. Ferner kann die Fokuslinse 40 in weiteren Ausführungsformen der Erfindung in Richtung der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 verlagerbar sein, um eine Brennebene des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls einzustellen.
Die Fokuslinse 40 fokussiert den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 auf ein zu bearbeitendes Werkstück W, das zwei entlang eines Hauptbearbeitungspfads (hier nicht gezeigt) miteinander zu verbindende Werkstückteile W', W'' umfasst. Aus 1 ist zu erkennen, dass zwischen den zu verbindenden Werkstückteilen W', W'' ein Spalt S ausgebildet ist, der von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 bzw. der damit erzeugten Schweißnaht zum Verbinden der Werkstückteile W', W'' überbrückt werden muss.
Die mit der Bearbeitungsvorrichtung 12 verbundene Messvorrichtung 14 umfasst in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel einen optischen Kohärenztomographen 42. Der optische Kohärenztomograph 42 weist den bekannten Aufbau auf und ist in 1 nicht im Detail dargestellt. Er umfasst insbesondere ein OCT-Messgerät mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen eines Messstrahls 44 sowie ein Spektrometer zum Detektieren einer einem Referenzstrahl überlagerten Messstrahlung. Des Weiteren kann das OCT-Messgerät einen Zirkulator umfassen, der einen Strahlteiler des optischen Kohärenztomographen 42 über eine Transportfaser bzw. einen Lichtleiter wahlweise mit der Messstrahlquelle oder dem Spektrometer verbindet. Das OCT-Messgerät ist ferner über den Strahlteiler mit einem Messarm und einem Referenzarm des optischen Kohärenztomographen 42 verbunden. Näheres kann dem Stand der Technik entnommen werden. Es versteht sich, dass die Messvorrichtung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung anstelle eines optischen Kohärenztomographen beispielsweise eine Kamera oder sonstige Mittel zum Durchführen von Messungen auf dem Werkstück W aufweisen kann.
Eine weitere Transportfaser bzw. ein weiterer Lichtleiter 46 verbindet den optischen Kohärenztomographen 42 mit einer Messstrahloptik 48 der Messvorrichtung 14, um den Messstrahl 44 über eine Messstrahloptik-Schnittstelle 50 in die Messstrahloptik 48 einzukoppeln.
Der Messstrahl 44 breitet sich ausgehend von der Messstrahloptik-Schnittstelle 50 aus und durchtritt in der Messstrahloptik 48 eine Kollimationslinse 52. Anschließend trifft der Messstrahl 44 in der Messstrahloptik 48 auf eine bewegbare Messstrahlablenkeinrichtung 54, die in Form eines Galvanometerscanners ausgebildet ist, der sich in Richtung der Pfeile 56, 58 bewegen lässt, um den Messstrahl 44 in gewünschter Weise abzulenken und auf unterschiedliche Messpunkte auf dem Werkstück zu verlagern. Alternativ dazu kann die Messstrahlablenkeinrichtung 54 auch als eine nicht bewegbare oder in Form einer sonstigen verlagerbaren optischen Komponente ausgebildet sein, wie beispielsweise in Form eines Taumelspiegels, einer rotierenden Keilplatte oder ähnlichem.
Die Bearbeitungsstrahloptik 22 und die Messstrahloptik 48 sind über eine gemeinsame Schnittstelle 60 verbunden. Über diese gemeinsame Schnittstelle 60 wird der Messstrahl 44 nach dem Ablenken durch die Messstrahlablenkeinrichtung 54 in die Bearbeitungsstrahloptik 22 eingekoppelt. Genauer gesagt trifft der Messstrahl 44 in der Bearbeitungsstrahloptik 22 auf den halbdurchlässigen Spiegel 38 und durchtritt diesen, wodurch der Messstrahl 44 im Wesentlichen koaxial in den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 eingekoppelt wird. Da der halbdurchlässige Spiegel 38 in Bezug auf die Wellenlängenbereiche des Messstrahls 44 durchlässig ist, beeinflusst dieser den Messstrahl 44 nicht.
Nach dem Durchtreten des halbdurchlässigen Spiegels 38 durchläuft der Messstrahl 44 gemeinsam mit dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 die verlagerbare Fokuslinse 40 und trifft anschließend auf das zu bearbeitende Werkstück W.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist dazu eingerichtet, mittels des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 eine Kehlnaht an dem in 1 gezeigten Überlappstoß zwischen den Werkstückteilen W', W'' auszubilden, d. h. entlang des Hauptbearbeitungspfads, um diese miteinander zu verbinden. Dabei muss gleichzeitig der Spalt S zwischen den Werkstückteilen W', W'' von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 überbrückt werden, um eine optimale Schweißverbindung sicherzustellen. Da sich eine aktuelle Bearbeitungssituation im Laufe des Bearbeitungsprozesses verändern kann, beispielsweise aufgrund des Verlaufs des Hauptbearbeitungspfads, des Materials oder der Materialstärke des Werkstücks W, der Spaltbreite zwischen den Werkstückteilen W', W'', etc., kann eine Anpassung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 während des Bearbeitungsprozesses erforderlich sein.
Hierzu kann in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die verlagerbare optische Komponente 28 (das Doppelprisma) verlagert werden, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungssituation einzustellen. So kann durch ein Verlagern des Doppelprismas 28 in Richtung des Pfeils 32 die wirksame Breite bzw. der wirksame Querschnitt des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 (der Bearbeitungsteilstrahlen) in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W verändert werden. Darüber hinaus kann durch ein Drehen der optischen Anordnung 26 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 die Ausrichtung bzw. Orientierung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W relativ zu der aktuellen Bearbeitungsrichtung angepasst werden. Des Weiteren kann durch ein Verlagern der Fokuslinse 40 quer zu der optischen Achse 34 des Bearbeitungsstrahls 18 in Richtung der Pfeile 42, 43 die Position, in der der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 auf das Werkstück W trifft, also die Position des aktuellen Bearbeitungsbereichs, relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad verändert werden.
Um die Verlagerung der optischen Anordnung 26, des Doppelprismas 28 und/oder der Fokuslinse 40 exakt nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungssituation einzustellen, ermittelt die Messvorrichtung 14 diese aktuelle Bearbeitungssituation während des Bearbeitungsprozesses. Aus den daraus erhaltenen Informationen können beispielsweise mittels einer Steuereinheit (nicht gezeigt) Ansteuerungsbefehle für die Bearbeitungsvorrichtung 12 bestimmt und an die Bearbeitungsvorrichtung 12 übermittelt werden.
Die Messvorrichtung 14 ermittelt die aktuelle Bearbeitungssituation durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads auf dem Werkstück W mittels des Messstrahls 44, wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt. Durch diese Wahl des weiteren Bereichs vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich kann sichergestellt werden, dass das Einstellen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls rechtzeitig erfolgen kann. Ein gewünschter Abstand zwischen dem aktuellen Bearbeitungsbereich und dem weiteren Bereich wird mittels der bewegbaren Messstrahlablenkeinrichtung 54 erzielt, die den Messstrahl 44 relativ zu dem Bearbeitungsstrahl 18 auf dem Werkstück W verlagern kann. Es versteht sich, dass der mittels der Messstrahlablenkeinrichtung 54 eingestellte Abstand zwischen dem aktuellen Bearbeitungsbereich und dem weiteren Bereich, genauer gesagt zwischen dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 und dem Messstrahl 44, erfindungsgemäß derart gering gewählt ist, das sich der hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 und der Messstrahl 44 in dem Strahlengang nach dem halbdurchlässigen Spiegel 38 dennoch im Wesentlichen koaxial überlagern.
Zum Erfassen des weiteren Bereichs kann die Messstrahlablenkeinrichtung 54 den Messstrahl 44 in einem bestimmten Abstand zu dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf verschiedene Messpunkte quer zum Hauptbearbeitungspfad verlagern. Somit kann der Messstrahl 44 mehrere Messpunkte abtasten, wodurch die Messvorrichtung 14 beispielsweise die Spaltbreite und die Position des Überlappstoßes zwischen den Werkstückteilen W', W'' ermitteln kann. Es versteht sich, dass die Messstrahlablenkeinrichtung 54 den Messstrahl 44 zusätzlich auf weitere Bereiche hinter und/oder in dem aktuellen Bearbeitungsbereich verlagern kann, um dort verschiedene Messpunkte abzutasten und so den Bearbeitungsprozess zu überwachen.
2 zeigt zwei Bearbeitungssituationen I, II in einer Draufsicht auf einen durch eine strichlierte Linie dargestellten Hauptbearbeitungspfad H. Dieser Hauptbearbeitungspfad H kann sich zwischen zwei Werkstückteilen (aus Übersichtsgründen nicht gezeigt) befinden und ist beispielsweise durch einen Überlappstoß, eine Nahtfuge oder Ähnliches definiert. In den beiden Bearbeitungssituationen I, II sind jeweils ein Abschnitt einer bereits erkalteten Schweißnaht 62 sowie ein durch den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl erzeugtes Schmelzbad 64 im aktuellen Bearbeitungsbereich zu erkennen. Wie aus 2 zu erkennen ist, wird das Schmelzbad 64 gemeinsam durch die beiden aufgetrennten Bearbeitungsteilstrahlen erzeugt, die in den Positionen 66, 68 auf das Werkstück treffen und dort jeweils eine Dampfkapillare erzeugen, das sogenannte „Keyhole”. Die zuvor beschriebene wirksame Breite B des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück beschreibt hier die maximale Breite des erzeugten Schmelzbads quer zum Hauptbearbeitungspfad H.
Ferner sind in 2 in den beiden Bearbeitungssituationen I, II jeweils die von dem Messstrahl in dem weiteren Bereich abgetasteten Messpunkte durch eine gepunktete Linie M dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung BR betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt.
Die beiden Bearbeitungssituationen I, II unterscheiden sich hinsichtlich der Ausrichtung bzw. Orientierung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zueinander. Die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad H, dessen Richtung sich zwischen den Bearbeitungssituationen I, II geändert hat, ist dabei gleich geblieben. Hierzu wurde die in 1 gezeigte optische Anordnung 26 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gedreht. Es versteht sich, dass die Veränderung der Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls zwischen den beiden Bearbeitungssituationen I, II beispielsweise auch kombiniert durch ein Verdrehen der optischen Anordnung 26 und ein Verlagern eines die Vorrichtung 10 führenden Roboters (nicht gezeigt) erreicht werden kann.
In dem gezeigten Beispiel hat sich die wirksame Breite B des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, d. h. der Abstand zwischen den beiden Bearbeitungsteilstrahlen, zwischen den Bearbeitungssituationen I, II nicht verändert, wonach das in 1 gezeigte Doppelprisma 28 zwischen den Bearbeitungssituationen I, II nicht verlagert worden ist. Gleiches gilt für die Position des aktuellen Bearbeitungsbereichs in den beiden Bearbeitungssituationen I, II relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad H. Auch diese Position hat sich in dem gezeigten Beispiel zwischen den Bearbeitungssituationen I, II nicht verändert, wonach auch die in 1 gezeigte Fokuslinse 40 zwischen den Bearbeitungssituationen I, II nicht verlagert worden ist.
In den folgenden Figuren sind vergleichbare bzw. gleiche und gleichwirkende Komponenten und Merkmale mit denselben Bezugszeichen wie in den 1 und 2 versehen. Die Komponenten und Merkmale, die in Bezug auf die weiteren Figuren nicht erneut beschrieben sind, ähneln in ihrer Ausbildung und Funktion den entsprechenden Komponenten und Merkmalen gemäß den 1 und 2.
Die 3a und 3b zeigen jeweils eine vergrößerte Darstellung der in 1 gezeigten optischen Anordnung 26 in zwei verschiedenen Betriebsstellungen. Auch sind in diesen vergrößerten Darstellungen die durch das Doppelprisma 28 aufgetrennten Bearbeitungsteilstrahlen 18a, 18b gezeigt.
Die in den 3a und 3b gezeigten Betriebsstellungen unterscheiden sich dahingehend, dass das Doppelprisma 28 in 3a einen geringen Abstand zu der Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 aufweist, während es in 3b weiter von der Bearbeitungsstrahloptik-Schnittstelle 24 beabstandet ist. Entsprechend Umgekehrtes gilt für den Abstand zwischen den Doppelprisma 28 und der stationären Kollimationslinse 30 in den beiden Betriebsstellungen. Demnach hat zwischen den in den 3a und 3b gezeigten Betriebsstellungen eine Verlagerung des Doppelprismas 28 in Richtung des Pfeils 32 stattgefunden. Ein solches Verlagern des Doppelprismas 28 bewirkt eine Veränderung der wirksamen Breite B des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 bzw. der Bearbeitungsteilstrahlen 18a, 18b, wie in den 3a und 3b zu erkennen ist.
Eine Verdrehung der optischen Anordnung 26 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 gemäß dem Pfeil 36 hat zwischen den Betriebsstellungen der 3a und 3b nicht stattgefunden, ist jedoch möglich.
Die in 4 gezeigte Gesamtanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung ähnelt im Wesentlichen der zuvor erläuterten, in 1 gezeigten Gesamtanordnung gemäß des ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Aus diesem Grund wird im Folgenden im Wesentlichen auf die Unterschiede des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 4 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 des zweiten Ausführungsbeispiels umfasst ebenfalls eine Bearbeitungsvorrichtung 12 und eine Messvorrichtung 14. Im Gegensatz zu der Bearbeitungsvorrichtung 12 des ersten Ausführungsbeispiels aus 1 trifft der hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 in der Bearbeitungsvorrichtung 12 des in 4 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiels zunächst auf eine stationäre Kollimationslinse 70 und durchtritt nachfolgend eine weitere optische Anordnung 72, die zwei Zylinderlinsen umfasst und sich damit von der optischen Anordnung 26 gemäß des ersten Ausführungsbeispiels unterscheidet.
Genauer gesagt durchtritt der hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 in der weiteren optischen Anordnung 72 des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung zunächst eine stationäre Sammellinse 74 und anschließend eine verlagerbare optische Komponente 76 in Form einer Streulinse, wobei wenigstens eine der beiden Linsen 74 und 76 zylindrisch ausgebildet ist oder einen zylindrischen Abschnitt aufweist. Die verlagerbare Streulinse 76 lässt sich in Richtung des Doppelpfeils 78 verlagern, also in Richtung der optischen Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18. Ferner ist die weitere optische Anordnung 72 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 drehbar ausgebildet, was durch den weiteren Doppelpfeil 80 angedeutet ist. Eine Auftrennung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in Bearbeitungsteilstrahlen wird durch die Komponenten der weiteren optischen Anordnung 72 nicht bewirkt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 des zweiten Ausführungsbeispiels ist ebenfalls dazu eingerichtet, mittels des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 eine Kehlnaht an dem in 4 gezeigten Überlappstoß zwischen den Werkstückteilen W', W'' auszubilden, d. h. entlang des Hauptbearbeitungspfads, um diese miteinander zu verbinden. Dabei muss auch hier gleichzeitig der Spalt S zwischen den Werkstückteilen W', W'' von dem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 überbrückt werden, um eine optimale Schweißverbindung sicherzustellen. Da sich eine aktuelle Bearbeitungssituation im Laufe des Bearbeitungsprozesses verändern kann, beispielsweise aufgrund des Verlaufs des Hauptbearbeitungspfads, des Materials oder der Materialstärke des Werkstücks W, der Spaltbreite zwischen den Werkstückteilen W', W'', etc., kann eine Anpassung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 während des Bearbeitungsprozesses erforderlich sein.
Hierzu kann in dem gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel die verlagerbare optische Komponente 76 (die Streulinse) verlagert werden, um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl 18 nach Maßgabe der aktuellen Bearbeitungssituation einzustellen. So kann durch ein Verlagern der Streulinse 76 in Richtung des Pfeils 78 die Breite bzw. der Querschnitt des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W verändert werden. Darüber hinaus kann durch ein Drehen der weiteren optischen Anordnung 72 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 die Ausrichtung bzw. Orientierung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück W relativ zu der aktuellen Bearbeitungsrichtung angepasst werden. Des Weiteren kann durch ein Verlagern der Fokuslinse 40 quer zu der optischen Achse 34 des Bearbeitungsstrahls 18 in Richtung der Pfeile 42, 43 die Position, in der der hochenergetische Bearbeitungsstrahl 18 auf das Werkstück W trifft, also die Position des aktuellen Bearbeitungsbereichs, relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad verändert werden. Ferner ist es möglich, in einer weiteren Ausführungsform (nicht gezeigt) die Sammellinse 74 und die Streulinse 76 zueinander um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 drehbar auszubilden, wodurch die geometrische Form des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück einstellbar ist.
Die 5a und 5b zeigen jeweils eine vergrößerte Darstellung der in 4 gezeigten weiteren optischen Anordnung 72 in zwei verschiedenen Betriebsstellungen.
Die in den 5a und 5b gezeigten Betriebsstellungen unterscheiden sich dahingehend, dass die Streulinse 76 in 5a einen vergleichsweise großen Abstand zu der stationären Sammellinse 74 aufweist, während sie in 5b einen vergleichsweise geringen Abstand zu der stationären Sammellinse 74 aufweist. Entsprechend Umgekehrtes gilt für den Abstand zwischen der Streulinse 76 und der im Strahlengang nächsten, nachgelagerten optischen Komponente (nicht gezeigt) der Bearbeitungsvorrichtung in den beiden Betriebsstellungen. Demnach hat zwischen den in den 5a und 5b gezeigten Betriebsstellungen eine Verlagerung der Streulinse 76 in Richtung des Pfeils 78 stattgefunden. Ein solches Verlagern der Streulinse 76 bewirkt eine Veränderung der Breite B des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18, wie in den 5a und 5b zu erkennen ist.
Eine Verdrehung der weiteren optischen Anordnung 72 um die optische Achse 34 des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls 18 gemäß dem Pfeil 80 hat zwischen den Betriebsstellungen der 5a und 5b nicht stattgefunden, ist jedoch möglich.
Es versteht sich, dass die zuvor erläuterten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung nicht abschließend sind und den Gegenstand der Erfindung nicht beschränken. Insbesondere ist für den Fachmann ersichtlich, dass er weitere optische Komponenten in die Bearbeitungsvorrichtung und/oder die Messvorrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung integrieren, einzelne beschriebene Komponenten weglassen und/oder die Anordnung bestimmter optischer Komponenten verändern kann, ohne dabei vom Gegenstand der Erfindung abzuweichen.
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

DE 10261422 A1 [0008, 0008]
EP 1695786 A1 [0009]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Artikel „Nahtgeführtes Laserstrahl-Remoteschweißen mit Strahloszillation”, Müller et al., Firma Scansonic Holding SE [0006]

Claims

Vorrichtung (10) zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses in einer Bearbeitungsrichtung (BR) entlang eines Hauptbearbeitungspfads (H) auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), wobei die Vorrichtung (10) umfasst: eine Bearbeitungsvorrichtung (12), mit einer Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist, und einer Bearbeitungsstrahloptik (22), um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) zu projizieren und/oder zu fokussieren, wobei die Bearbeitungsstrahloptik (22) wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) aufweist, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) einzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) ferner umfasst: eine mit der Bearbeitungsvorrichtung (22) verbundene oder verbindbare Messvorrichtung (14) zum Ermitteln einer aktuellen Bearbeitungssituation durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück mittels eines Messstrahls (44), wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung (BR) betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt, und wobei die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) durch Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente (28, 76) der Bearbeitungsstrahloptik (22) nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (12) und die Messvorrichtung (14) so miteinander verbunden oder verbindbar sind, dass der Messstrahl (44) den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) im Wesentlichen koaxial überlagert.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) umfasst: ein Erfassen der Breite (B) eines in dem weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads (H) ausgebildeten Spalts (S) zwischen wenigstens zwei Teilen (W', W'') des Werkstücks (W), und/oder ein Erfassen der Lage des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück (W).
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) in Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) verlagerbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) um die optische Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) drehbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsvorrichtung (12) eine verlagerbare Fokuslinse (40) umfasst, die quer zur Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) und/oder in Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) verlagerbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) ein Doppelprisma, eine Zylinderlinse oder Ähnliches aufweist.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (14) umfasst: einen optischen Kohärenztomographen (42) mit einer Messstrahlquelle zum Erzeugen des Messstrahls (44); oder eine Kamera mit einer Beleuchtungsquelle zum Erzeugen des Messstrahls.
Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (14) eine bewegbare Ablenkeinrichtung (54) umfasst, um den Messstrahl (44) auf dem Werkstück (W) zu verlagern.
Bearbeitungsvorrichtung (12) für eine Vorrichtung (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Bearbeitungsvorrichtung (12) umfasst: eine Bearbeitungsstrahlquelle (16) zum Erzeugen eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse (34) aufweist, und eine Bearbeitungsstrahloptik (22), um den hochenergetischen Bearbeitungsstrahl (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf einem Werkstück (W) zu projizieren und/oder zu fokussieren, wobei die Bearbeitungsstrahloptik (22) wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) aufweist, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu einem Hauptbearbeitungspfad (H) auf dem Werkstück (W) einzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) durch Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente (28, 76) nach Maßgabe einer aktuellen Bearbeitungssituation einstellbar ist, die durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück (W) mittels eines Messstrahls (44) einer mit der Bearbeitungsvorrichtung (12) verbundenen oder verbindbaren Messvorrichtung (14) ermittelbar ist, wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung (BR) betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt.
Verfahren zum Durchführen eines Bearbeitungsprozesses in einer Bearbeitungsrichtung (BR) entlang eines Hauptbearbeitungspfads (H) auf einem Werkstück (W) mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), das insbesondere mittels einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ausgeführt wird, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Erzeugen des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18), der eine optische Achse aufweist; Projizieren und/oder Fokussieren des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) mittels einer Bearbeitungsstrahloptik (22), wobei die Bearbeitungsstrahloptik (22) wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) aufweist, um in dem aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) einzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die weiteren Schritte umfasst: Ermitteln einer aktuellen Bearbeitungssituation mittels einer mit der Bearbeitungsvorrichtung (12) verbundenen oder verbindbaren Messvorrichtung (14) durch Erfassen eines weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück (W) mittels eines Messstrahls (44), wobei der weitere Bereich in Bearbeitungsrichtung (BR) betrachtet vor dem aktuellen Bearbeitungsbereich liegt, und wobei die Geometrie der Energieverteilung und/oder die Ausrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) relativ zu dem Hauptbearbeitungspfad (H) durch Verlagern der wenigstens einen verlagerbaren optischen Komponente (28, 76) der Bearbeitungsstrahloptik (22) nach Maßgabe der ermittelten aktuellen Bearbeitungssituation eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, das den weiteren Schritt umfasst: im Wesentlichen koaxiales Überlagern des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) mit dem Messstrahl (44).
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei in dem Schritt des Erfassen des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) die Breite (B) eines in dem weiteren Bereich des Hauptbearbeitungspfads (H) ausgebildeten Spalts (S) zwischen wenigstens zwei Teilen (W', W'') des Werkstücks (W) und/oder die Lage des weiteren Bereichs des Hauptbearbeitungspfads (H) auf dem Werkstück (W) erfasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die wenigstens eine verlagerbare optische Komponente (28, 76) in Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) verlagert wird und/oder um die optische Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei in dem Schritt des Projizierens und/oder des Fokussierens des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) auf einen aktuellen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück (W) eine verlagerbare Fokuslinse (40) quer zur Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) und/oder in Richtung der optischen Achse (34) des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls (18) verlagert wird.