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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung.
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Die Anwendung von Laserstrahlung beim Bearbeiten von Werkstücken unterschiedlicher Materialien findet vermehrt Anwendung in verschiedenen Bereichen der Technik, sowohl bei der Herstellung als auch bei Reparaturverfahren.
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Bei der Bearbeitung von Materialoberflächen mittels Laserstrahlung ist die Lage des Fokus des Laserstrahls in Bezug auf die zu bearbeitende Oberfläche des Materials von maßgeblicher Bedeutung. Daher wurden verschiedene Vorrichtungen und Verfahren entwickelt, die zum Beispiel über die Strahlprofilidentifikation die Lage des Fokus eines Laserstrahls in Bezug auf eine Materialoberfläche zu bestimmen erlauben.
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Nachteilig bei herkömmlichen Vorgehensweisen sind jedoch unter anderem der vergleichsweise hohe apparative Aufwand zur Bestimmung des Fokus und der vergleichsweise hohe Zeitbedarf, der bei der Einrichtung bekannter Messanordnungen benötigt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Laserstrahlung anzugeben, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln, aber dennoch in zuverlässiger Art und Weise die Lage des Fokus einer verwendeten Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine Referenzfläche bestimmt werden kann.
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Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie alternativ mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 4 und bei einem Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine Referenzfläche geschaffen mit den Schritten: (A) Einstrahlen eines Laserstrahls auf die Referenzfläche mittels der Laserstrahlanordnung und (B) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls von der Referenzfläche erzeugten direkten und/oder diffusen Reflexionslichts. Dabei werden (C) die Schritte (A) und (B) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung wiederholt. Es wird (D) derjenige effektive Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer effektiver Brennpunktsabstand oder Fokusabstand bestimmt, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des Reflexionslichts extremal ist, also ein Minimum oder ein Maximum annimmt. Erfindungsgemäß werden (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung und die Referenzfläche derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl einen Oberflächenbereich oder -abschnitt der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.
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Kernidee der vorliegenden Erfindung gemäß dem ersten Aspekt ist somit das Erfassen von Reflexionslicht von der Referenzfläche, sei dies entstanden aus direkter Reflexion oder aus diffuser Reflexion oder Streuung, beim Überstreichen des Laserstrahls in Bezug auf einen höher reflektiven Oberflächenbereich, in welchem eine geringer direkt reflektive Struktur mit höherer diffuser Reflexion ausgebildet ist.
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Beim vollständigen Überstreichen des Laserstrahls in Bezug auf den Oberflächenbereich und somit beim vollständigen Überstreichen der Struktur mit geringerer direkter Reflexion, aber höherer diffuser Reflexion oder Streuung ergeben sich unterschiedliche Anteile an direktem und an diffusem Reflexionslicht. Diese Anteile variieren in Abhängigkeit vom Abstand des Fokus der Laserstrahlanordnung vom Auftreffpunkt auf der Referenzfläche. Die Extremalwerte der Intensitäten für die verschiedenen Abstände beim Überstreichen des Laserstrahls über den Oberflächenbereich und die darin ausgebildete Struktur oder entsprechend interpolierte Werte geben Hinweise auf den tatsächlichen Fokusabstand der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche.
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Somit kann erfindungsgemäß allein auf der Grundlage gemessenen direkten und/oder diffusen Reflexionslichts in einfacher Art und Weise und ohne hohen apparativen Aufwand auf die Fokuslage der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche geschlossen werden.
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Unterschieden werden kann Reflexionslicht aus einer direkten Reflexion und Reflexionslicht aus einer diffusen Reflexion, welches in diesem Fall auch als Streulicht bezeichnet werden kann.
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Entsprechend ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Intensität direkten Reflexionslichts gemessen wird und dass ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des direkten Reflexionslichts minimal ist. In diesem Fall kann die Laserstrahlanordnung ggf. mit verminderter Leistung betrieben werden, um eine beim Bestimmen des Fokusabstandes unbeabsichtigte Materialbearbeitung an der Referenzfläche zu vermeiden und/oder um eine verwendete Detektoreinrichtung nicht zu beschädigen.
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Alternativ dazu oder in Kombination damit kann es gemäß einer weiteren Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Intensität diffusen Reflexionslichts gemessen wird und dass ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts maximal ist.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Überstreichen eines höher reflektiven Bereichs mit einer weniger reflektiven Struktur in dessen Inneren klar im Fokus steht, kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine Referenzfläche vorgeschlagen werden, bei welchem es auf eine derartige Struktur nicht ankommt. Diese Alternative umfasst die Schritte: (A) Einstrahlen eines Laserstrahls auf die Referenzfläche mittels der Laserstrahlanordnung und (B-2) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls von der Referenzfläche erzeugten diffusen Reflexionslichts. Dabei werden (C) die Schritte (A) und (B-2) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung wiederholt. Es wird (D-2) ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts maximal ist.
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Kernidee des alternativen oder zusätzlichen Aspekts der vorliegenden Erfindung ohne diffus reflektierende Struktur auf der Referenzfläche ist also allein das Ausnutzen diffusen Reflexionslichts, welches insbesondere durch Ausbilden einer Dampfkapillare in Abhängigkeit vom Abstand des Fokus von der Referenzfläche und somit auch in Abhängigkeit von der Strahlaufweitung unterschiedliche Intensitäten als Messgröße liefert.
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Durch eine Änderung der Fokuslage in Bezug auf das Werkstück und also in Bezug auf die Referenzfläche, ändern sich die Abmessungen der Dampfkapillare, z.B. Durchmesser und Tiefe. Dadurch erfolgt eine Änderung des Verhältnisses der Leistung, welche in der Dampfkapillare absorbiert wird, zu der Leistung welche in der Fläche neben der Dampfkapillare reflektiert wird. Hierdurch ändert sich der Anteil von direkter und diffuser Reflexion.
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Befindet sich der Laserstrahl mit seinem Fokus auf der Oberfläche, also auf der Referenzfläche, so wird dort die Intensität diffus reflektierten Lichts, also von Streulicht, maximal.
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Besonders vorteilhaft ist die Auswertung diffusen Streulichts, weil keine bestimmte Winkelbeziehung wie bei der direkten Reflexion eingehalten werden muss. Es ist vollkommen ausreichend, wenn eine feste Winkelrelation zwischen einfallendem Laserstrahl, Referenzfläche und verwendeter Messanordnung aufrecht erhalten wird.
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Dabei kann noch beachtet werden, dass die charakteristische Streustrahlung vom Prozessregime abhängen kann und von der Oberflächenbeschaffenheit. Bei geringfügiger Rauheit des Metalls kann zum Beispiel für die diffuse Reflexion, bei Reflexion an fester Phase, von einer Normalverteilung ausgegangen werden
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Im Gegensatz zum ersten Konzept der Erfindung kommt das zweite Konzept ohne das Vorsehen und Überstreichen einer verstärkt diffus reflektierenden oder streuenden Struktur auf der Referenzfläche aus. Das Messen von diffusem Reflexionslicht bei verschiedenen effektiven Abständen ist ausreichend.
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Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aspekte oder Konzepte können miteinander kombiniert werden.
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So kann es gemäß einer Fortbildung der erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt vorgesehen sein, dass (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung und die Referenzfläche derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl einen Oberflächenbereich der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.
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Vorangehend und nachfolgend kann der Begriff direktes Reflexionslicht auch durch die Begriffe direkt reflektiertes Licht, direkter Reflexionsstrahl, direkt reflektierter Strahl umschrieben werden. Entsprechend können die Begriffe diffuses Reflexionslicht und Streulicht umschrieben werden mit den Begriffen diffus reflektiertes Licht, diffuser Reflexionsstrahl, diffus reflektierter Strahl, Streustrahl.
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Ein besonders hohes Maß an Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit bei den Schritten des Einstrahlens des Laserstrahls und des Messens der Intensität ergeben sich, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die Schritte (A) und (B) bei einer jeweils festen Geometrie zwischen der Referenzfläche, der Laserstrahlanordnung und einer Messeinheit ausgeführt werden.
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Im Hinblick auf die Auswertung diffusen Reflexionslichts bieten sich vielfältige Möglichkeiten der gegenseitigen Orientierung von Laserstrahl, Referenzfläche und verwendeter Messeinheit an. So ist es grundsätzlich möglich, dass ein beobachteter Strahl diffusen Reflexionslichts nicht in einer gemeinsamen Ebene liegt (i) mit dem einfallenden Laserstrahl und (ii) mit einem den Einfallstrahl schneidenden Lot auf der Referenzfläche.
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Besonders vorteilhaft gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn durch den verwendeten Laserstrahl bei der Bestimmung der Fokuslage die materielle Oberfläche, die mit der Referenzfläche im Zusammenhang steht, nicht verändert wird.
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So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein einfallender Laserstrahl im Fokus eine Leistungsdichte aufweist, die abgestimmt ist auf ein der Referenzfläche zu Grunde liegendes Substrat und nicht zu dessen Aufschmelzen führt.
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Im Zusammenhang mit einem Vorgang des Einrichtens kann das erfindungsgemäße Verfahren auch Aspekte des Ausbildens des Oberflächenbereichs der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und/oder der Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion beinhalten.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb vorgesehen, dass der Oberflächenbereich der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion als hochreflektive Materialschicht ausgebildet ist oder bereitgestellt wird, insbesondere als Oberflächenschicht eines zu bearbeitenden Werkstücks, in Form einer Metallfolie, vorzugsweise mit oder aus Kupfer, und/oder nach Art eines dichroitischen Spiegels.
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Alternativ oder zusätzlich dazu ist es bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion durch Strukturierung des Inneren des Oberflächenbereichs der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion mittels Laserstrahlung und/oder Ionenstrahlbehandlung ausgebildet ist oder wird.
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Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der mit dem Laserstrahl zu überstreichenden Struktur dann, wenn die Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion des Inneren des Oberflächenbereichs eine vom Laserstrahl überstrichene lineare Ausdehnung aufweist, die den Durchmesser des Laserstrahls im Fokus nicht übersteigt.
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In diesem Fall ist beim Überstreichen der Struktur mit geringerer direkter Reflexion beim Auswerten direkter oder diffuser Reflexion und deren Intensität besonders prägnant und mit besonders geringen Messfehlern verbunden.
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Auch wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung häufig von Licht im Sinne von Laserlicht, Reflexionslicht, Streulicht usw. gesprochen wird, sind sämtliche spektralen Bereiche, die einer Laserbehandlung zu Grunde gelegt werden können, denkbar.
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So ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere vorgesehen, dass Laserstrahlung im sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Bereich eingesetzt wird.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung geschaffen.
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Das Verfahren zum Bearbeiten des Werkstücks mit Laserstrahlung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während eines Bearbeitungsvorgangs eine dem Verfahren zu Grunde gelegte Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks als Referenzfläche mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche zum Einsatz kommt, um die verwendete Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks als Referenzfläche auszurichten.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
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1 ist eine schematische Seitenansicht einer Anordnung, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung zum Einsatz kommen kann.
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2 und 3 sind schematische Seitenansichten, die Aspekte einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung illustrieren.
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4 bis 6 zeigen in Form von Graphen verschiedene Aspekte beim Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben.
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Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
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Wie oben bereits dargelegt wurde, können im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zwei Grundkonzepte unterschieden werden:
- (1) Gemäß einem ersten Konzept wird auf der Referenzfläche mit dem Laserstrahl bei verschiedenen aber fest gewählten Abständen ein Oberflächenbereich der Referenzfläche vollständig überstrichen und dabei eine Struktur mit erfasst, die im Vergleich zum Rest des Oberflächenbereichs eine geringere direkte Reflexion aber eine höhere diffuse Reflexion oder Streuung aufweist. Bei diesem Konzept können sowohl das Licht aus der direkten Reflexion als auch das Licht aus der diffusen Reflexion oder Streuung zur Auswertung herangezogen werden.
- (2) Bei dem zweiten der Erfindung zu Grunde liegenden Konzept kommt es auf derartige Oberflächenstruktur auf der Referenzfläche primär nicht an. Vielmehr beruht das zweite Konzept der vorliegenden Erfindung allein auf der Auswertung diffusen Reflexions- oder Streulichts bei verschiedenen aber fest gewählten Abständen.
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Die 1 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Anordnung, welche unter anderem dem zweiten Konzept zu Grunde gelegt werden kann.
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Die in Rede stehende Referenzfläche 55 wird gebildet von der Oberseite 51 eines zu bearbeitenden Werkstücks 50, welches im Übrigen auch eine Unterseite 52 besitzt. Die Referenzfläche 55 ist in dem in 1 gezeigten Beispiel eine planare Fläche parallel zur xy-Ebene. Das Werkstück 50 erstreckt sich mit seiner Dicke in der z-Richtung.
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Oberhalb der Referenzfläche 55 ist eine Laserstrahlanordnung 10 positioniert. Diese besteht aus einer Lasereinrichtung 11, die auch kurz als Laser bezeichnet wird und einen Primärstrahl 12 erzeugt, sowie einer Laseraustrittsoptik 13, welche den Primärstrahl 12 in einen Sekundärstrahl 14 in optisch aufbereiteter Form umwandelt und auf die Referenzfläche 55 einstrahlt. Der Sekundärstrahl 14 kann nachfolgend auch als einfallender Laserstrahl oder als Einfallsstrahl bezeichnet werden.
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Die Laseraustrittsoptik 13 befindet sich in einem effektiven Abstand 15-1 von der Referenzfläche 55 und dem dortigen Auftreffpunkt 53 des Laserstrahls 14. Der effektive Abstand 15-1, der auch nachfolgend auch mit d bezeichnet wird, beschreibt die Länge des Lichtwegs des Sekundärstrahls oder Laserstrahls 14 von der Laseraustrittsoptik 13 bis zum Auftreffpunkt 53 des Laserstrahls 14 auf der Referenzfläche 55. Dieser effektive Abstand 15-1 ist idealerweise identisch mit dem Fokusabstand oder effektivem Brennpunktsabstand 18 der Laseraustrittsoptik 13, der nachfolgend auch mit dfokus bezeichnet wird, weil nur in diesem Fall die maximale Leistungsdichte am Auftreffpunkt 53 auf der Referenzfläche 55 zur Bearbeitung des Werkstücks 50 einfällt. Bei effektiven Abständen 15-1, die sich vom effektiven Brennpunktsabstand 18 unterscheiden, ist der Strahl 14 in Bezug auf den Durchmesser 43 des Strahls 14 im Fokus 19 aufgeweitet und besitzt daher eine geringere Leistungsdichte als im fokussierten Fall.
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Der Laserstrahl 14 trifft in Bezug auf die Referenzfläche 55 relativ zum Lot 30 auf der Referenzfläche 55 im Auftreffpunkt 53 in einem Einfallswinkel 31 auf. Durch Wechselwirkung mit der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55 wird im Allgemeinen ein bestimmter Anteil des Laserstrahls 14 in einem Reflexionswinkel 32 als Detektionswinkel bei direkter Reflexion, der identisch ist mit dem Einfallswinkel 31 direkt reflektiert. Andere Anteile des einfallenden Laserstrahls 14 werden diffus reflektiert und verlassen die Referenzfläche 55 in einem Streuwinkel 33 als diffuses Reflexionslicht oder Streulicht 17.
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Einerseits ist grundsätzlich das direkt reflektierte Licht 16 mit einem zum Einfallswinkel 31 identischen Reflexionswinkel 32 an einer hier zweiten Messposition 42 mittels eines zweiten Detektors 22 der Messeinheit 20 messbar. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass ein erhöhter apparativer Aufwand notwendig ist, um die Gleichheit des Reflexionswinkels 32 mit dem Einfallswinkel 31 zu gewährleisten. Darüber hinaus müssen der einfallende Laserstrahl 14, das Lot 30 im Auftreffpunkt 53 und der direkt reflektierte Lichtstrahl 16 in einer Ebene liegen.
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Erfindungsgemäß ist nach dem zweiten der Erfindung zu Grunde liegenden Konzept nur die Detektion des diffusen Reflexionslichts oder Streulichts 17 maßgeblich, welches in Bezug auf den einfallenden Laserstrahl 14 in einem beliebigen, aber festen Streuwinkel 33 als Detektionswinkel bei diffuser Reflexion oder Streuung mittels eines ersten Detektors 21 an einer ersten Messposition 41 der Messeinheit 20 erfasst werden kann. Das Streulicht 17 kann auch mit den Begriffen diffuser Reflexionsstrahl oder Streustrahl umschrieben werden.
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Das bedeutet, dass erfindungsgemäß der apparative Aufwand zur Detektion des Streulichts 17 vergleichsweise gering ist. Es muss nur dafür Sorge getragen werden, dass die Winkel 31 und 33 konstant sind, sie müssen nicht identisch sein.
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Zu bemerken ist noch, dass es bei der Beschreibung der in 1 dargestellten Anordnung oder Geometrie nicht in erster Linie auf den direkten, senkrechten oder kürzesten Abstand 15-2 der Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 ankommt, sondern auf den effektiven Abstand 15-1, der die Länge des Lichtwegs von der Laseraustrittsoptik 13 bis zum Auftreffpunkt 53 beschreibt.
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Im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen zweiten Konzept der vorliegenden Erfindung wird zur Einstellung des effektiven Brennpunktsabstands 18 als effektiven Abstand 15-1 der Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 einfach der effektive Abstand 15-1 zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55 schrittweise geändert, vorzugsweise in einem Abstandsbereich der den effektiven Brennpunktsabstand 18 mit umfasst.
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Werden bei der Änderung des effektiven Abstands 15-1 nun der Einfallswinkel 31 und der Streuwinkel 33 konstant gehalten, so ergibt sich in Abhängigkeit von der Größe des effektiven Abstands 15-1 eine Variation der Intensität des diffus reflektierten Lichts oder Streulichts 17. Liegt der Brennpunkt oder Fokus 19 direkt auf der Referenzfläche 55, in diesem Fall entspricht der Wert des effektiven Abstandes 15-1 dem Wert des effektiven Brennpunktsabstands 18, dann ist die Intensität des diffus reflektierten oder gestreuten Lichts 17 im ersten Detektor 21 an der ersten Messposition 41 im Vergleich zu allen anderen gemessenen Intensitäten an Streulicht 17 maximal.
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Dieses Ergebnis wird im Zusammenhang mit dem Graphen 70 aus 4 und dort mit dem Kurvenverlauf oder der Spur 73 beschrieben und später nochmals im Detail erläutert.
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In 4 zeigt die Spur 74 schematisch den Verlauf der gemessenen relativen Intensität I/Imax in Abhängigkeit vom effektiven Abstand 15-1, d der Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 bei Auswertung des direkt reflektierten Lichts 16 an der zweiten Messposition 42 durch den zweiten Detektor 22. Dabei müssen ggf. insbesondere Aspekte des Ausbildens einer Dampfkapillare berücksichtigt werden, um eine entsprechende Auswertung des direkten Reflexionslichts zu ermöglichen. Die Ausbildung der Dampfkapillare kann durch die Messung der direkten bzw. der diffusen Reflexion detektiert werden und ist demzufolge nicht unbedingt mit einem zusätzlichen apparativen Aufwand verbunden.
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Wie oben erläutert wurde, ist eine derartige Auswertung zwar grundsätzlich möglich, aber auch deshalb mit einem weiteren erhöhten apparativen Aufwand verbunden ist, weil Einfallswinkel 31 und Reflexionswinkel 32 nicht nur zeitlich konstant, sondern auch noch zueinander gleich gehalten werden müssen und darüber hinaus der einfallende Laserstrahl 14, das Lot 30 am Auftreffpunkt 53 auf der Referenzfläche 55 und der direkt reflektierte Strahl 16 durch Wahl der Orientierung von Werkstück 50, Laserstrahlanordnung 10 und Messeinheit 20 fixiert werden müssen.
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Die 2 und 3 zeigen in schematischer Art und Weise die Verwendung einer Anordnung bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus 19 einer Laserstrahlanordnung 10 in Bezug auf eine Referenzfläche 55, welcher das erste erfindungsgemäße Konzept zu Grunde liegt.
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Der Messprozess fußt also auf dem vollständigen Überstreichen des Laserstrahls 14 in Bezug auf einen Oberflächenbereich 56, wobei im Oberflächenbereich 56 in dessen Innerem eine Struktur 57 mit gegenüber dem Oberflächenbereich 56 verringerter direkter Reflexion und erhöhter diffuser Reflexion angeordnet ist.
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In den 2 und 3 sind zwei Zwischenzustände gezeigt, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem ersten Konzept eingenommen werden.
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Dabei ist in 2 gezeigt, dass der einfallende Laserstrahl 14 an einer Stelle 53 der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55 auftritt, die im Wesentlichen im Oberflächenbereich 56 liegt aber keine gesonderte Struktur aufweist. Der Oberflächenbereich 56 besitzt eine hohe direkte Reflexion und eine vergleichsweise geringe diffuse Reflexion. Maßgebliche Anteile des Laserstrahls 14 mit dem Durchmesser 43 im Bereich des Fokus 19 werden direkt reflektiert, wie dies im Zusammenhang mit 1 im Detail erläutert wurde. Der direkt reflektierte Strahl 16 kann an der zweiten Messposition 42 mit dem zweiten Detektor 22 detektiert werden.
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Grundsätzlich tritt an jeder Oberfläche sowohl direkte Reflexion als auch diffuse Reflexion oder Streuung auf. Aufgrund des vergleichsweise geringen Anteils ist die diffuse Reflexion oder Streuung 17 in 2 im Zusammenhang mit dem ersten Detektor 21 an der ersten Messposition 41 nicht dargestellt.
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Die Oberseite 51 als Referenzfläche 55 ist im Oberflächenbereich 56 noch mit einer Oberflächenstruktur 57 ausgebildet. Diese besitzt eine lineare Ausdehnung 44, die in etwa von der Größenordnung des Strahldurchmessers 43 im Fokus 19 liegt. Die Oberflächenstruktur 57 besitzt eine im Vergleich zum Rest des Oberflächenbereichs 56 verringerte direkte Reflexion, aber erhöhte diffuse Reflexion oder ein erhöhtes Streuvermögen.
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Durch eine relative Bewegung der Anordnung aus Laserstrahlanordnung 10 und Messeinheit 20 in Relation zum Werkstück 50, z.B. durch eine Verschiebung des Werkstücks 50 in x-Richtung entsteht die in 3 dargestellte Situation.
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In 3 bedeckt der einfallende Laserstrahl 14 die Oberflächenstruktur 57 des Oberflächenbereichs 56 vollständig. Aufgrund der verringerten direkten Reflexion und gesteigerten diffusen Reflexion des Oberflächenbereichs 57 im Vergleich zum Rest des Oberflächenbereichs 56 findet vermehrt diffuse Reflexion oder Streuung durch Erzeugung von Streulicht 17 statt. Das verringerte direkte Reflexionslicht 16 ist nicht explizit dargestellt.
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Betrachtet man ausschließlich die in 3 gezeigte Situation, bei welcher der einfallende Laserstrahl 14 im Wesentlichen auf die Oberflächenstruktur 57 des Oberflächenbereichs 56 ausgerichtet ist, so ergibt sich messtechnisch das in 5 graphisch dargestellte Ergebnis.
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Die Spur 83 des Graphen 80 aus 5 zeigt den Verlauf der Intensität des diffus gestreuten Lichts 17 in Abhängigkeit vom effektiven Abstand 15-1 zwischen der Laserstrahlanordnung 10 und ihrer Laseraustrittsoptik 13 in Bezug auf den Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55.
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Zu erkennen ist ein Intensitätsmaximum für den Fall, dass der effektive Abstand 15-1, d mit dem effektiven Fokusabstand 18, dfokus übereinstimmt, also die Bedingung d = dfokus erfüllt ist. Bei Aufspreizung des Strahls 14 durch Defokussierung, d.h. im Falle eines weiteren Heranführens oder Entfernens der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 sinkt die Intensität des Streulichts 17 ab.
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Entsprechend umgekehrte Ergebnisse stellen sich bei der Messung des direkten Reflexionslichts 16 mittels des zweiten Detektors 22 an der zweiten Messposition 42 ein.
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Im fokussierten Zustand mit d = dfokus, bei welchem der effektive Abstand 15-1 mit dem effektiven Fokusabstand 18 übereinstimmt, deckt der Laserstrahl 14 beim Einfall im Wesentlichen mit seiner Strahlbreite 43 die Oberflächenstruktur 57 unter den gegebenen Winkelverhältnissen in deren Breite 44 ab. Unter diesen Umständen wird vom Laserstrahl 14 der umgebende hochreflektive Abschnitt des weiteren Oberflächenbereichs 56 nicht getroffen, so dass die Intensität des direkten Reflexionslichts 16 minimal ist.
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Beim Defokussieren, d.h. beim Entfernen oder Heranführen der Laserstrahlanordnung 10 von bzw. an den Auftreffpunkt 43 auf der Oberseite 51 des Werkstücks 50 wird der Strahl 14 quasi lokal aufgeweitet und somit nicht nur die Oberflächenstruktur 57 mit minimaler direkter Reflexion und maximaler diffuser Reflexion getroffen, sondern auch danebenliegende hochreflektive Bereiche, so dass die Intensität des direkten Reflexionslichts 16 – vom Minimum ausgehend – ansteigt.
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Im Folgenden sollen noch allgemeine Erläuterungen zu den 4 und 5 gegeben werden:
Die Graphen 70 und 80 der 4 bzw. 5 stellen in den Spuren 73, 74, 83, 84 Verläufe der normierten Intensität als Funktion des normierten Abstandes der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 als Referenzfläche 55 dar.
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Dabei sind an den Abszissen 71 und 81 der effektive Abstand 15-1 oder d im Verhältnis zum Fokusabstand 18 oder dfokus dargestellt. Auf den Ordinaten 72 bzw. 82 ist die Intensität I jeweils ins Verhältnis gesetzt zur maximalen Intensität Imax direkt reflektierten Lichts 16 unter optimalen Bedingungen.
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Wie oben bereits erläutert wurde, zeigen die Verläufe 73 und 83 die Abhängigkeit diffus gestreuten Lichts 17 in Bezug auf hochreflektierende Abschnitte des Oberflächenbereichs 56 bzw. beim Überstreichen der Oberflächenstruktur 57 mit hohem Anteil an diffuser Reflexion.
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Die Kurvenverläufe 74 und 84 zeigen dagegen die Abhängigkeit der Intensität direkt reflektierten Lichts 16, und zwar wiederum beim Überstreichen hochreflektiver Abschnitte des Oberflächenbereichs 56 bzw. beim Überstreichen der Oberflächenstruktur 57 mit reduzierter direkter Reflexion und gesteigerter diffuser Reflexion.
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Die Hilfslinien 75 und 85 erleichtern die Detektion der Extrema der Kurvenverläufe 73, 74, 83, 84 und kennzeichnen den jeweils fokussierten Zustand.
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6 zeigt einen Graphen 60, bei welchem auf der Abszisse 61 in Millimetern der effektive Abstand 15-1 oder d der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 62 ist – ähnlich zum Kurvenverlauf 84 aus 5 – die Intensität I des direkten Reflexionslichts 16 an der zweiten Messposition 42 aufgetragen.
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6 verdeutlicht, dass aus einzelnen Messpunkten 63 oft nicht direkt auf den Fokusabstand 18 geschlossen werden kann, sondern dass es vielmehr der Darstellung mittels einer Interpolationskurve 64 bedarf, um dann mit Abszissenhilfslinie 66 und Ordinatenhilfslinie 67 und Tangentenkonstruktion einen interpolierten Wert 65 als effektiven Fokusabstand 18 mit einem Wert zwischen 310 mm und 311 mm zu bestimmen.
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Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: Fügeprozesse mittels Laserstrahlung zeichnen sich besonders durch eine Iokale Energieeinbringung in das Werkstück aus. Dies ist möglich, da der Laserstrahl auf sehr geringe Strahldurchmesser mit sehr großen lntensitäten fokussiert werden kann.
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Bedingt durch die Strahlkaustik eines Laserstrahles muss zur Fokussierung eine genaue Positionierung der Schweißoptik zum Werkstück und dessen Oberfläche erfolgen. Bereits kleine Änderungen des Arbeitsabstandes, also der Entfernung zwischen Optik und Werkstück, können die Intensität der Laserstrahlung auf dem Werkstück erheblich beeinflussen.
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Wird ein Schweißprozess auf der Grundlage von Laserstrahlung eingerichtet, muss der ideale Arbeitsabstand bisher durch Schweißversuche ermittelt werden. Darüber hinaus kann sich während des Schweißprozesses die Fokuslage durch Erhitzung der Optik verschieben.
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Daher wird ein möglichst einfaches und schnelles Verfahren zur Fokusbestimmung angestrebt.
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Besonders aufwendig gestaltet sich die Kalibrierung der Fokuslage bei herkömmlichen Scanneroptiken, mit deren Hilfe der Strahl durch Spiegel abgelenkt und über eine Fläche bewegt werden kann. Hier müssen Schweißversuche über die ganze Fläche durchgeführt werden, damit iterativ die Fokuslage für jeden Ort ermittelt werden kann.
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Zur Charakterisierung des Strahlprofiles werden zudem Messgeräte verwendet, die z.B. ein mechanisch abtastendes Diagnosesystem zur Analyse von kontinuierlicher Laserstrahlung aufweisen. Mithilfe eines solchen Messgeräts kann zwar der genaue Abstand der Fokusposition von der Optik ermittelt werden. Jedoch erfordert dieses Vorgehen einen erheblichen apparativen und messtechnischen Aufwand.
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Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit welchem die Fokuslage bei der Laserbearbeitung eines Werkstückes 50 anhand der Reflexionen und ggf. auch während des Prozesses bestimmt werden kann.
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Trifft der Laserstrahl defokussiert auf das Werkstück, ändert sich die Leistung der direkt oder diffus rückreflektierenden Strahlung, wie dies in den 1 bis 3 schematisch dargestellt ist.
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Durch eine Messung der direkten und/oder diffusen Reflexion – ggf. unter Abtastung oder Überstreichen einer gegenüber der Umgebung stärker diffus reflektierenden oder streuenden Struktur – kann die Fokusposition bestimmt werden. Diese wird erfindungsgemäß aus einem lntensitätsminimum der direkt rückreflektierten Strahlung oder einem lntensitätsmaximum der diffus rückreflektierten Strahlung bestimmbar.
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Bisherige Verfahren der Strahlvermessung sind nachteilig auf Grund teurer Messtechnik, dem notwendigen hohen Zeitaufwand und der aufwendigen Justage, z.B. beim Schweißprozess. Des Weiteren sind bestimmte Vorgehensweisen bei der Charakterisierung nicht universell einsetzbar und z.B. nur bei einem Schneideprozess möglich, jedoch nicht beim Schweißen. Ferner sind häufig geometrische Randbedingungen einzuhalten, z.B. das Erfordernis eines senkrechten Einstrahlwinkels. Auch ist bei bestehenden Messanlagen ein vom Berarbeitungsvorgang unabhängiger Einrichtprozess nicht ohne weiteres garantiert.
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All diese Nachteile vermeidet die vorliegende Erfindung:
Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine schnelle und kostengünstige Messmethode zu schaffen, mit deren Hilfe der ideale Arbeitsabstand zwischen einer Laserstrahlanordnung und einer zu bearbeitenden Oberfläche gemessen werden kann.
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Hierzu wird gemäß einem ersten Konzept der Erfindung auf der Oberfläche 51 eines höher oder hochreflektiven Werkstoffes 50 eine Strukturierung 57 aufgebracht, die insbesondere weniger stark direkt und vergleichsweise stärker diffus reflektiert oder streut.
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Durch Messung der Reflexionen, während der Laserstrahl 14 eines Materialbearbeitungslasers 11 der Laserstrahlanordnung 10 die Strukturierung 57 überfährt, kann auf den Strahldurchmesser 43 und somit auch auf den idealen Arbeitsabstand zurückgeschlossen werden, da die lntensitätsverteilung der Reflexionen durch die Strukturierung 57 beeinflusst wird. Als Strukturierung 57 eignen sich sowohl Makro- als auch Nanostrukturen.
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Die Intensität der Laserstrahlung wird dabei insbesondere so gewählt, dass es zu keiner Aufschmelzung der Werkstückoberfläche 51 kommt.
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In den 2 und 3 ist das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens nach diesem ersten Konzept schematisch dargestellt.
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Trifft der Laserstrahl 14 auf die Struktur 57, wird ein Anteil von diesem diffus reflektiert, wodurch die Intensität der direkten Reflexion abgeschwächt wird. Es kann somit an der ersten Messposition 41 und am ersten Detektor 21 der Messeinheit 20 ein Anstieg der diffusen Reflexion und an der zweiten Messposition 42 und dem zweiten Detektor 22 der Messeinheit 20 eine Reduzierung der direkten Reflexion während der Überfahrt des Laserstrahls 14 über den strukturierten Bereich 57 gemessen werden.
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Die Breite 44 der Strukturierung 57, die auch mit dStruktur bezeichnet wird, wird insbesondere so gewählt, dass diese kleiner ist oder gleich dem Durchmesser 43, des Strahl 14 im Fokus 19, der auch mit dStrahl bezeichnet wird. Es soll also vorteilhafterweise die Bedingung dStruktur ≤ dStrahI (1) erfüllt sein.
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Trifft der Laserstrahl 14 defokussiert auf die Struktur 57 auf, ist der Strahldurchmesser größer als die Struktur 57 breit ist. Dadurch trifft ein Teil des Strahles 14 auf den nichtstrukturierten und höher oder hochreflektiven Bereich 56 des Werkstückes 50 und wird daher auch direkt reflektiert. Die Intensität der direkten Reflexion 16 an der zweiten Messposition 42 ist also minimal, wenn der Laserstrahl 14 mit dem minimalen Strahldurchmesser 43 auf das Werkstück 50 auftrifft.
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Bei einer Messung an der ersten Messposition 41 ergibt sich ein Maximum der diffusen Reflexion bei einem minimalen Strahldurchmesser 43.
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Die Messung der Reflexionen während der Überfahrt der Laserstrahlung über den strukturierten Bereich 57 wird dann für verschiedene Arbeitsabstände wiederholt.
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Durch Auswertung der direkten und/oder der diffusen Reflexionen kann anhand eines Minimums oder Maximums der Intensitäten anschließend auf den idealen Arbeitsabstand geschlossen werden.
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Zur einfachen und kostengünstigen Herstellung der Messkörper, z.B. mit oder aus einem strukturierten, hochreflektiven Werkstoff, eignet sich unter anderem Kupfer, auf welchem mithilfe einer handelsüblichen gepulsten Laserstrahlquelle, z.B. mit einem Beschriftungslaser, eine Struktur aufgebracht werden kann.
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Die Dicke des Messkörpers kann dabei bedarfsgerecht angepasst werden. Dadurch kann eine Kupferfolie strukturiert werden, welche während des Einrichtprozesses direkt auf das zu schweißende Werkstück 50 aufgebracht werden kann.
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Es können ebenfalls hochreflektive dichroitische Spiegel verwendet werden. Hier kann zum Beispiel durch eine FIB-Anordnung (FIB: Focused Ion Beam) die Struktur 57 auf dem Werkstück 50 aufgebracht werden. Mit diesem Vorgehen, können sehr feinere Strukturen 57 erzeugt werden.
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Zur Messung der Reflexion eignet sich auch einfache Fotodioden als erste und zweite Detektoren 21, 22, welche in Sperrrichtung in Reihe mit einem Widerstand betrieben werden. Durch Beleuchtung der Dioden entsteht ein Sperrstrom, welcher ein Spannungsabfall am Widerstand erzeugt. Anhand einer Messung dieses Spannungsabfalles kann auf die Intensität zurückgeschlossen werden. Die benötigte Messtechnik ist daher sehr einfach aufgebaut und kostengünstig.
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Die in 6 dargestellten Messergebnisse beruhen auf der nachfolgend beschriebenen Situation:
Mithilfe einer gepulsten Laserstrahlquelle 11 wurde eine 0,3 mm breite Struktur 57 auf eine Kupferprobe als Werkstück 57 aufgebracht. Bei einer verwendeten Laserleistung von 400 W erfolgt bei der verwendeten Wellenlänge von 1060 nm selbst im Fokus 19 mit Strahldurchmesser dStrahl = 300 μm keine Materialbearbeitung. Zur Messung der Reflexion wurde eine Fotodiode an zweiten Messposition 42, wie in den 2 und 3 dargestellt, gewählt, so dass die direkte Reflexion 16 gemessen wurde.
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6 zeigt den Verlauf der dabei gemessenen Intensitätsminima für verschiedene effektive Abstände 15-1 zwischen Optik 13 und Werkstück 50.
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Im Diagramm 60 der 6 ist die minimal gemessene Intensität I in relativen Einheiten über dem effektiven Abstand 15-1 oder d in mm aufgetragen. Aus dem Diagramm 60 kann auf einen optimalen Arbeitsabstand im Bereich zwischen 310 mm und 311 mm geschlossen werden, da hier der lntensitätsabfall am größten ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann die Fokusposition 19 im Sinne des Fokusabstandes 18 auf etwa 0,4 mm bestimmt werden.
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Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit lässt sich durch eine Optimierung der Oberflächenstruktur 57 und der Messposition erreichen.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich folgende Vorteile:
- – Verringerung von Kalibrierungszeiten (d.h. es ist kein Umspannen des Werkstücks, sofern es plan ist, notwendig und das Werkstück kann eingespannt bleiben, wobei ggf. lediglich eine Folie aufgelegt werden muss),
- – günstiger Messaufbau, welcher an jeder Optik integriert werden kann
- – schnelle Messung einer Fokusverschiebung (Veränderung des Arbeitsabstandes durch Erwärmung der Optik) möglich
- – Steigerung der Präzision
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Der notwendige Messaufbau kann als Nachrüstsatz zusätzlich an bestehende Optiken angebracht oder in die Bearbeitungsoptik der Laserstrahlanordnung integriert werden. Zu dem Messaufbau gehören der oder die Detektoren 21, 22 zur Messung der Reflexion, die Messtechnik und die Software zur Auswertung der Reflexionen. Des Weiteren können fortlaufend Probekörper bereitgestellt werden, die als Struktur 57 im Sinne der Erfindung zum Einsatz gebracht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Laserstrahlanordnung
- 11
- Lasereinrichtung, Laser
- 12
- Primärstrahl
- 13
- Laseraustrittsoptik
- 14
- Sekundärstrahl, einfallender Laserstrahl, Einfallsstrahl
- 15-1
- effektiver Abstand zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55
- 15-2
- senkrechter Abstand zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55
- 16
- direktes Reflexionslicht
- 17
- diffuser Reflexionsstrahl/Streustrahl, diffus reflektierter/gestreuter Strahl, Streulicht, diffuses Reflexionslicht
- 18
- effektiver Fokusabstand, effektiver Brennpunktsabstand
- 19
- Brennpunkt, Fokus
- 20
- Messeinheit
- 21
- erster Detektor (für diffus reflektiertes/gestreutes Licht)
- 22
- zweiter Detektor (für direkt reflektiertes Licht)
- 30
- Einfallslot auf der Referenzfläche 55
- 31
- Einfallswinkel des Sekundärstrahls 14
- 32
- Reflexionswinkel/Detektionswinkel bei direkter Reflexion
- 33
- Streuwinkel/Detektionswinkel bei diffuser Reflexion/Streuung
- 41
- erste Messposition
- 42
- zweite Messposition
- 43
- Durchmesser des Laserstrahls 14 im Fokus 19
- 44
- Durchmesser der Struktur 57
- 50
- Werkstück, Target, Bearbeitungsbereich
- 51
- Oberseite, Oberfläche
- 52
- Unterseite
- 53
- Auftreffpunkt der Strahlung
- 55
- Referenzfläche
- 56
- Oberflächenbereich
- 57
- Struktur
- 60
- Graph
- 61
- Abszisse
- 62
- Ordinate
- 63
- Messpunkt
- 64
- Ausgleichskurve
- 65
- Wert des ermittelten Fokusabstand 15
- 66
- Abszissenhilfslinie
- 67
- Ordinatenhilfslinie
- 70
- Graph
- 71
- Abszisse
- 72
- Ordinate
- 73
- Spur, Verlauf Intensität des diffusen Reflexionslichts 17
- 74
- Spur, Verlauf Intensität des direkten Reflexionslichts 16
- 75
- Abszissenhilfslinie
- 80
- Graph
- 81
- Abszisse
- 82
- Ordinate
- 83
- Spur, Verlauf Intensität des diffusen Reflexionslichts 17
- 84
- Spur, Verlauf Intensität des direkten Reflexionslichts 16
- 85
- Abszissenhilfslinie
- x
- Längserstreckungsrichtung der Referenzfläche 55
- y
- Quererstreckungsrichtung der Referenzfläche 55
- z
- Dickenerstreckungsrichtung
