DE102018105592A1

DE102018105592A1 - Method of piercing a metallic workpiece using a laser beam and apparatus therefor

Info

Publication number: DE102018105592A1
Application number: DE102018105592.7A
Authority: DE
Inventors: Murat Cetin Bayram
Original assignee: Messer Cutting Sys GmbH; Messer Cutting Systems GmbH
Current assignee: Messer Cutting Sys GmbH; Messer Cutting Systems GmbH
Priority date: 2018-03-12
Filing date: 2018-03-12
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Bei Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mit vorgegebener Einstechdauer unter Einsatz eines Laserstrahls stellt sich grundsätzlich die Aufgabe, den Einstich in einer reproduzierbaren und guten Qualität zu erzeugen. Es wird eine Verfahrensweise vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch die Verfahrensschritte:
(a) Bearbeiten einer Werkstück-Einstichstelle mittels des Laserstrahls,
(b) Erfassen mindestens eines zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität der vom Werkstück in einem Zeitintervall emittierten Strahlung mit einem optischen Sensor,
(c) Ermitteln eines Ist-Werts der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung, der den erfassten zeitlichen Verlauf gemäß Verfahrensschritt (b) repräsentiert,
(d) Vergleichen des Ist-Werts mit einem Soll-Wert einer für das Zeitintervall vorgegebenen zeitabhängigen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve der Strahlungsintensität, und
(e) Verändern des Energieeintrags in die Einstichstelle, wenn der gemäß Verfahrensschritt (c) ermittelte Ist-Wert außerhalb eines Toleranzbereichs des Soll-Werts liegt.

In the case of processes for piercing a metallic workpiece with a predetermined puncturing time using a laser beam, the basic task is to produce the puncture in a reproducible and good quality. A procedure is proposed which is characterized by the method steps:
(a) machining a workpiece puncture site by means of the laser beam,
(b) detecting at least one time profile of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in a time interval with an optical sensor,
(c) determining an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval, which represents the detected time profile according to method step (b),
(d) comparing the actual value with a desired value of a time-dependent radiation intensity setpoint curve of the radiation intensity predetermined for the time interval, and
(E) changing the energy input into the puncture site when the determined according to step (c) actual value is outside a tolerance range of the desired value.

Description

Technischer HintergrundTechnical background

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück unter Einsatz eines Laserstrahls.The present invention relates to a method of piercing a metallic workpiece using a laser beam.

Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mittels eines Laserstrahls.Furthermore, the present invention relates to a device for piercing a metallic workpiece by means of a laser beam.

Verfahren und Vorrichtung der Erfindung sind im Rahmen einer Vielzahl von Bearbeitungsverfahren einsetzbar, insbesondere beim Trennen, Abtragen, Markieren oder Beschriften metallischer Werkstücke.Method and apparatus of the invention can be used in the context of a variety of processing methods, in particular when separating, ablating, marking or inscribing metallic workpieces.

Ein metallisches Werkstück im Sinne der Erfindung ist ein Körper, der mittels Laserstrahlung bearbeitbar ist und unterschiedliche Bereiche aufweisen kann, insbesondere einen Werkstückrand und einen von dem Werkstückrand umgebenen Mittenbereich. Das metallische Werkstück hat eine chemische Zusammensetzung, die ein oder mehrere Metalle umfasst, und die optional einen Anteil an Nichtmetallen umfassen kann, sofern der Metall-Anteil des Werkstücks insgesamt mindestens 50 Gew.-% bezogen auf die Gesamtmasse des Werkstücks beträgt.A metallic workpiece in the sense of the invention is a body which can be processed by means of laser radiation and can have different regions, in particular a workpiece edge and a central region surrounded by the workpiece edge. The metallic workpiece has a chemical composition comprising one or more metals, and may optionally include a proportion of non-metals, as long as the metal content of the workpiece as a whole is at least 50% by weight based on the total mass of the workpiece.

Unter dem Begriff „Einstechen“ wird hier ein Bearbeitungsvorgang verstanden, bei dem der Beginn der Bearbeitung im Mittenbereich des Werkstücks liegt; er ist von einem „Einschneiden“ zu unterscheiden, bei dem der Bearbeitungsvorgang vom Werkstückrand ausgeht. Der Begriff „Einstechen“ umfasst Bearbeitungsvorgänge, bei denen ein Loch in dem zu bearbeitenden Werkstück erzeugt wird, und zwar unabhängig davon, ob bei dem Bearbeitungsvorgang das Loch lediglich als Vertiefung im Werkstück oder als Durchbruch durch das Werkstück ausgeführt wird.The term "grooving" is understood here as a machining process in which the beginning of the machining is in the middle region of the workpiece; it is to be distinguished from a "cutting" in which the machining process starts from the edge of the workpiece. The term "grooving" includes machining operations in which a hole is made in the workpiece to be machined, regardless of whether in the machining process, the hole is executed only as a depression in the workpiece or as a breakthrough by the workpiece.

Unter dem Begriff Einstechdauer wird die Zeitspanne verstanden, über die sich der Einstechvorgang erstreckt, also die Zeitspanne vom Beginn des Einstechvorgangs bis zu dessen Abschluss. Der Einstechvorgang beginnt, sobald das Werkstück im Bereich einer Einstichstelle mit dem Laserstahl bearbeitet wird; er endet, wenn die gewünschte Bearbeitungstiefe erreicht ist bzw. im Fall eines geplanten Werkstück-Durchstichs, wenn der Werkstück-Durchstich erfolgt ist.The term plunge duration is understood to mean the time span over which the piercing process extends, that is to say the time from the beginning of the piercing process to its completion. The piercing process begins as soon as the workpiece is processed in the area of a puncture site with the laser steel; it ends when the desired machining depth has been reached or, in the case of a planned workpiece puncture, when the workpiece puncture has taken place.

Stand der TechnikState of the art

Werkstücke aus Metall können mit hoher Qualität und Präzision bearbeitet werden, wenn zur Werkstück-Bearbeitung Laserstrahlung eingesetzt wird. Die Werkstück-Bearbeitung mittels Laserstrahlung kann in räumlicher und zeitlicher Hinsicht in mehrere Bearbeitungsphasen unterteilt werden, wobei insbesondere zwischen dem Beginn und dem Ende der Bearbeitung und der dazwischen erfolgenden, „eigentlichen“ Werkstück-Bearbeitung unterschieden werden kann.Workpieces made of metal can be machined with high quality and precision if laser radiation is used for workpiece machining. The workpiece processing by means of laser radiation can be subdivided into several processing phases in terms of space and time, it being possible in particular to be able to distinguish between the beginning and the end of the processing and the "actual" workpiece processing taking place therebetween.

Während die „eigentliche“ Werkstück-Bearbeitung im Bereich der Bearbeitungsfront durch ein Energiegleichgewicht gekennzeichnet ist, welches sich zwischen eingekoppelter Laser-Energie einerseits und den bearbeitungsbedingt auftretenden Energieverlusten andererseits einstellt - beispielsweise beim Laserstrahlschneiden mit konstanter Vorschubgeschwindigkeit -, ist die Bearbeitungsphase zu Beginn der Bearbeitung dadurch gekennzeichnet, dass sich dieses Energiegleichgewicht noch nicht ausgebildet hat, sodass zunächst der Energieeintrag in das Werkstück die Energieverluste überwiegt. Ein wichtiger, zum Beginn der Werksstückbearbeitung gehörender Verfahrensschritt ist das Einstechen in das Werkstück.While the "actual" workpiece machining in the machining front is characterized by an energy balance, which sets up between coupled laser energy on the one hand and the energy losses due to processing - for example, in laser beam cutting at a constant feed rate -, the processing phase at the beginning of processing is characterized characterized in that this energy balance has not yet formed, so that initially the energy input into the workpiece outweighs the energy losses. An important step in the process of starting workpiece machining is piercing the workpiece.

Bei der Bearbeitung metallischer Werkstücke werden häufig hohe Anforderungen an die Bearbeitungsqualität gestellt. Es hat sich gezeigt, dass die Qualität des Einstichs Einfluss auf die Qualität der Gesamtbearbeitung hat. Daher ist es grundsätzlich wünschenswert, in das Werkstück bereits mit einer hohen und reproduzierbaren Qualität einstechen zu können. Die Qualität des Einstichs wird von einer Vielzahl von Parametern, den sogenannten Einstech-Parametern, beeinflusst, beispielsweise von der Einstechdauer, der verwendeten Laserstrahlquelle und deren Betriebsparametern wie Leistung, Pulsfrequenz oder Tastverhältnis, dem verwendeten Prozessgas und dessen Gasdruck, der Laserleistung, aber auch der Fokuslage des Laserstrahls.When machining metal workpieces, high demands are frequently placed on the quality of the machining. It has been shown that the quality of the puncture has an influence on the quality of the overall treatment. Therefore, it is basically desirable to be able to pierce the workpiece already with a high and reproducible quality. The quality of the puncture is influenced by a large number of parameters, the so-called piercing parameters, for example the plunge duration, the laser beam source used and their operating parameters such as power, pulse frequency or duty cycle, the process gas used and its gas pressure, the laser power, but also the Focus position of the laser beam.

Das Einstechen in das Werkstück erfolgt in der Regel durch den kombinierten Einsatz eines auf die geplante Einstichstelle fokussierten Laserstrahls zusammen mit einem Prozessgas-Strahl. Der Laserstrahl wird vom Werkstück im Bereich der Einstichstelle absorbiert; er bewirkt den für den Einstechvorgang notwendigen Energieeintrag in die Einstichstelle. Um möglichst schonend und gleichzeitig so schnell wie möglich in das Werkstück einstechen zu können, wird in der Regel ein gepulster Laser verwendet, der Licht in zeitlich begrenzten Pulsen emittiert. Der Prozessgas-Strahl dient hingegen in erster Linie dazu, den abgetragenen Werkstoff aus der Einstichstelle kontrolliert auszutreiben, und zwar so, dass die Optik des Bearbeitungslasers möglichst vor Spritzern oder Dämpfen geschützt ist. Darüber hinaus kann eine geeignete Wahl des Prozessgases auch die Einstichqualität beeinflussen, beispielsweise, wenn das Prozessgas so gewählt ist, dass eine Oxidation des Werkstücks im Bereich der Einstichstelle möglichst verhindert wird.The piercing into the workpiece is usually carried out by the combined use of a focused on the planned injection site laser beam together with a process gas jet. The laser beam is absorbed by the workpiece in the area of the puncture site; he causes the necessary for the piercing energy input into the puncture site. In order to be able to pierce the workpiece as gently as possible and at the same time as quickly as possible, a pulsed laser is generally used which emits light in pulses of limited duration. In contrast, the process gas jet primarily serves to expel the abraded material from the injection site in a controlled manner, in such a way that the optics of the processing laser are as far as possible protected from splashes or fumes. In addition, a suitable choice of the process gas can also influence the puncture quality, for example, if the process gas is chosen so that oxidation of the workpiece in the region of the puncture site is prevented as far as possible.

Der Einstechvorgang kann manuell oder automatisiert erfolgen. Bei vielen Einstechverfahren wird auf eine Datenbank zurückgegriffen, in der für ein zu bearbeitendes Werkstück in Abhängigkeit von der Werkstückart und -dicke auf Erfahrungswerten basierende, optimierte Einstech-Parameter hinterlegt sind. Allerdings verläuft nicht jeder Einstichvorgang ideal; Abweichungen vom idealen Verlauf können beispielsweise durch nicht vorhersehbare Materialabweichungen des Werkstücks oder durch Veränderungen im Einstechverfahren selbst bedingt sein, beispielsweise durch nutzungsabhängige Veränderungen in den laserstrahlführenden Komponenten. Eine zu kurz gewählte Einstechdauer hat im Produktionsbetrieb regelmäßig zur Folge, dass Ausschuss produziert wird, beispielsweise, wenn mit einem Schneiden des Werkstücks begonnen wird, bevor der Einstich ordnungsgemäß und vollständig erfolgt ist. Um einen unvollständigen Einstich zu vermeiden, muss die Einstechdauer daher bei bekannten Einstechverfahren regelmäßig mit einem zeitlichen Sicherheitspuffer versehen werden. Durch eine geeignete Wahl des Sicherheitspuffers kann sichergestellt werden, dass die Zeit für den Einstechvorgang jedenfalls nicht zu kurz gewählt ist. The plunge process can be done manually or automatically. In many piercing methods, use is made of a database in which, based on empirical values, optimized piercing parameters are stored for a workpiece to be machined, depending on the workpiece type and thickness. However, not every puncture process is ideal; Deviations from the ideal course can be caused for example by unpredictable material deviations of the workpiece or by changes in the piercing process itself, for example by use-dependent changes in the laser-beam guiding components. Too short a puncturing time in the production operation regularly results in rejects being produced, for example, when starting to cut the workpiece before the puncture has been made properly and completely. In order to avoid an incomplete puncture, the piercing period must therefore be regularly provided with a temporal safety buffer in known puncture procedures. By a suitable choice of the safety buffer can be ensured that the time for the piercing process is certainly not too short.

Allerdings kann auch eine zu lang gewählte Einstechzeit mit Nachteilen hinsichtlich der Bearbeitungsqualität einhergehen. Folgt der Einstechvorgang beispielsweise seinem Idealverlauf, wird während der Dauer des zeitlichen Sicherheitspuffers - obwohl der Einstechvorgang eigentlich schon beendet ist - weiterhin Energie im Bereich der Einstichstelle in das Werkstück eingetragen. Dies kann dazu führen, dass sich die Materialeigenschaften des Werkstücks insbesondere im Bereich der Einstichstelle, aber auch darüber hinaus verändern, so dass eine gleichbleibende, reproduzierbare Schnittqualität nicht erreicht werden kann. Darüber hinaus verlängert sich durch eine zu lang gewählte Einstechzeit die Gesamtzeit zur Bearbeitung des Werkstücks unnötig.However, too long a piercing time can be associated with disadvantages in terms of processing quality. If, for example, the plunge process follows its ideal course, energy is still introduced into the workpiece in the area of the puncture site during the duration of the temporal safety buffer, although the piercing process has actually already ended. This can lead to a change in the material properties of the workpiece, in particular in the area of the puncture site, but also beyond, so that a consistent, reproducible cut quality can not be achieved. In addition, the length of time required to machine the workpiece is lengthened unnecessarily by a too long puncture time.

Um die vorgenannten Nachteile zu vermeiden, ist es bekannt, beim Einstechen Verfahren einzusetzen, mit denen ein erfolgter Werkstück-Durchstich erkannt werden kann. Dies hat den Vorteil, dass das Einstechverfahren nach einem erkannten Werkstück-Durchstich unmittelbar beendet werden kann, sodass sowohl ein übermäßiger Energieeintrag in das Werkstück vermieden als auch die Einstechdauer möglichst geringgehalten werden kann.In order to avoid the above-mentioned disadvantages, it is known to use during piercing methods by which a successful workpiece puncture can be detected. This has the advantage that the piercing process can be stopped immediately after a recognized workpiece puncture, so that both an excessive energy input into the workpiece avoided as well as the piercing time can be minimized.

Die Detektion eines erfolgten Durchstichs kann auf unterschiedliche Weise erfolgen, beispielsweise mit einem oberhalb der Werkstückoberfläche angeordneten kapazitiven Sensor. Diesem Durchstich-Detektionsverfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich beim Einstechen an der Werkstückoberfläche regelmäßig eine Plasmakapsel bildet, die erst verschwindet, wenn der Werkstück-Durchstich erfolgt ist. Mit einem oberhalb der Einstichstelle angeordneten kapazitiven Sensor ist der Abstand zwischen dem Sensor und der Werkstückoberfläche erfassbar, insbesondere aber auch eine zwischen dem Sensor und Werkstückoberfläche vorhandene Plasmakapsel. Ist ein Durchstich durch das Werkstück erfolgt, verringert sich die Plasmakapsel, was zur Folge hat, dass sich auch das Signal des kapazitiven Sensors ändert, sodass anhand der Änderung des Sensor-Signals ein erfolgter Durchstich erkannt werden kann.The detection of a successful puncture can take place in different ways, for example with a capacitive sensor arranged above the workpiece surface. This puncture detection method is based on the finding that a plasma capsule regularly forms during piercing on the workpiece surface, which first disappears when the workpiece puncture has taken place. With a capacitive sensor arranged above the puncture site, the distance between the sensor and the workpiece surface can be detected, but in particular also a plasma capsule present between the sensor and the workpiece surface. If a puncture is made through the workpiece, the plasma capsule is reduced, which also causes the signal of the capacitive sensor to change, so that a successful puncture can be detected based on the change in the sensor signal.

Alternativ zu einem kapazitiven Sensor kann auch ein Streulichtsensor eingesetzt werden. Ein solcher Streulichtsensor erfasst die während des Einstechvorgangs von der Einstichstelle kommende Strahlung, also auch die Strahlungsanteile, die von einer Plasmakapsel an der Werkstückoberfläche stammen. Da bei einem Werkstück-Durchstich sich die Plasmakapsel auf der Werkstückoberfläche nahezu verschwindet, ändert sich zum Zeitpunkt des Werkstück-Durchstichs auch die Intensität des erfassten Streulichts in der Regel schlagartig. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DE 196 44 101 C1 bekannt. Darin wird vorgeschlagen, die vom Werkstück beim Einstechen emittierte Strahlung mit einem im Inneren des Laserbearbeitungskopfes angeordneten Sensor zu detektieren. Die Intensität der vom Werkstück beim Einstechen emittierten Strahlung hängt wesentlich vom Vorhandensein einer Plasmakapsel während des Einstechvorgangs ab. Ist der Durchstich erfolgt, verschwindet die Plasmakapsel, mit der Folge, dass sich auch das vom Sensor erfasste Intensitätssignal ändert. Die Änderung dieses Signals kann als Indikator für einen erfolgten Durchstich herangezogen werden.As an alternative to a capacitive sensor, a scattered light sensor can also be used. Such a scattered light sensor detects the radiation coming from the puncture site during the piercing process, and thus also the radiation components which originate from a plasma capsule on the workpiece surface. Since the plasma capsule almost disappears on the workpiece surface in the event of a workpiece puncture, the intensity of the detected scattered light generally also changes abruptly at the time of the workpiece puncture. Such a method is for example from the DE 196 44 101 C1 known. Therein it is proposed to detect the radiation emitted by the workpiece during piercing with a sensor arranged in the interior of the laser processing head. The intensity of the radiation emitted by the workpiece during piercing depends essentially on the presence of a plasma capsule during the piercing process. Once the puncture has taken place, the plasma capsule disappears, with the result that the intensity signal detected by the sensor also changes. The change of this signal can be used as an indicator of a successful puncture.

Der Einsatz eines Durchstich-Erkennungsverfahrens hat allerdings mehrere Nachteile, vor allem hinsichtlich der Qualität des Einstichs. Zunächst geht der Einsatz eines Durchstich-Erkennungsverfahrens mit einer variablen Einstechdauer einher, wobei grundsätzlich zwei Varianten denkbar sind, nämlich sowohl eine verkürzte als auch eine verlängerte Einstechdauer. Variable Einstechdauern haben den Nachteil, dass der zeitliche Umfang eines Bearbeitungsverfahren im Vorfeld nur schwer einschätzbar ist. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn in einem Bearbeitungszyklus mehrere Einstechvorgänge durchzuführen sind. Darüber hinaus können sich sowohl längere als auch kürzere Einstechdauern nachteilig auf die Qualität des Einstichs auswirken. Häufig ist nämlich nicht nur ein Einstich in das Werkstück gewünscht, sondern der Einstich soll auch eine gewisse Qualität aufweisen, beispielsweise einen vorgegebenen Einstich-Durchmesser. Eine längere Einstechdauer dürfte in den meisten Fällen mit einem zu geringen Energieeintrag pro Zeiteinheit in die Einstichstelle einhergehen. Ein zu geringer Energieeintrag in die Einstichstelle kann dazu führen, dass für eine ausreichende Bearbeitung der Einstichstelle insbesondere im Randbereich nicht genügend Energie bereitgestellt wird. Dies kann Einstiche mit geringfügig verringerten Einstichdurchmessern oder unsauber bearbeitete Einstichränder zur Folge haben. Der umgekehrte Fall einer verkürzten Einstechdauer geht meist mit einem erhöhten Energieeintrag pro Zeiteinheit einher. Ein erhöhter Energieeintrag in die Einstichstelle hat ebenfalls Einfluss auf den Einstichdurchmesser; er kann darüber hinaus zu einer Änderung der Materialeigenschaften des Werkstücks, insbesondere im Randbereich der Einstichstelle, beitragen. Schließlich ist ein Durchstich-Erkennungsverfahren nur dann einsetzbar, wenn beim Einstechen tatsächlich ein Durchstich erfolgt. Soll hingegen lediglich eine Vertiefung im Werkstück erzeugt werden, erscheinen die oben genannten Durchstich-Erkennungsverfahren zur Prozessüberwachung nur bedingt geeignet.However, the use of a puncture detection method has several disadvantages, especially with regard to the quality of the puncture. First, the use of a puncture detection method is associated with a variable puncture duration, wherein basically two variants are conceivable, namely both a shortened and a prolonged puncture duration. Variable penetration times have the disadvantage that the temporal scope of a processing method is difficult to predict in advance. This is particularly disadvantageous if several piercing operations are to be carried out in one processing cycle. In addition, both longer and shorter piercing times can adversely affect the quality of the puncture. Often not only a puncture in the workpiece is desired, but the puncture should also have a certain quality, such as a predetermined groove diameter. A longer puncturing time should in most cases be accompanied by too little energy input per unit of time into the puncture site. Too little energy input into the puncture site can lead to not enough energy is provided for sufficient processing of the puncture site, especially in the edge region. This can result in punctures with slightly reduced puncturing diameters or untreated puncture edges. The reverse case of a shortened piercing time is usually accompanied by an increased energy input per unit time. An increased energy input into the puncture site also has an influence on the puncture diameter; It can also contribute to a change in the material properties of the workpiece, in particular in the edge region of the puncture site. Finally, a puncture detection method can only be used if a puncture actually occurs during piercing. If, on the other hand, only one indentation is to be generated in the workpiece, the abovementioned puncture detection methods for process monitoring appear to be of limited suitability.

Technische AufgabeTechnical task

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück anzugeben, mit dem ein Einstich in einer reproduzierbaren, gleichmäßigen Qualität erzeugbar ist und das darüber hinaus einfach und schnell durchführbar ist.The invention is therefore based on the object of specifying a method for piercing into a metallic workpiece, with which a puncture in a reproducible, uniform quality can be generated and beyond that is easy and quick to carry out.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.Furthermore, the invention has for its object to provide an apparatus for performing the method.

Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention

Hinsichtlich des Verfahrens wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mit vorgegebener Einstechdauer unter Einsatz eines Laserstrahls gelöst, das die Verfahrensschritte umfasst:

(a) Bearbeiten einer Werkstück-Einstichstelle mittels des Laserstrahls,
(b) Erfassen mindestens eines zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität der vom Werkstück in einem Zeitintervall emittierten Strahlung mit einem optischen Sensor,
(c) Ermitteln eines Ist-Werts der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung, der den erfassten zeitlichen Verlauf gemäß Verfahrensschritt (b) repräsentiert,
(d) Vergleichen des Ist-Werts mit einem Soll-Wert einer für das Zeitintervall vorgegebenen zeitabhängigen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve der Strahlungsintensität, und
(e) Verändern des Energieeintrags in die Einstichstelle, wenn der gemäß Verfahrensschritt (c) ermittelte Ist-Wert außerhalb eines Toleranzbereichs des Soll-Werts liegt.

With regard to the method, the above-mentioned object is achieved according to the invention by a method for piercing into a metallic workpiece with a predetermined puncturing time using a laser beam, which comprises the method steps:

(a) machining a workpiece puncture site by means of the laser beam,
(b) detecting at least one time profile of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in a time interval with an optical sensor,
(c) determining an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval, which represents the detected time profile according to method step (b),
(d) comparing the actual value with a desired value of a time-dependent radiation intensity setpoint curve of the radiation intensity predetermined for the time interval, and
(E) changing the energy input into the puncture site when the determined according to step (c) actual value is outside a tolerance range of the desired value.

Die Qualität eines Einstichs in ein metallisches Werkstück hängt von verschiedenen Faktoren ab. Es hat sich allerdings gezeigt, dass gerade die Einstechdauer ein sehr wichtiger Verfahrensparameter ist, wenn es darauf ankommt, Einstiche mit reproduzierbarer, gleichbleibender Qualität zu erzeugen. Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt daher die Erkenntnis zugrunde, dass die Qualität eines Einstichs in ein metallisches Werkstück verbessert werden kann, wenn das Einstechen unter Einhaltung einer zuvor ermittelten, optimierten Einstechdauer erfolgt. Zwar erscheint es grundsätzlich wünschenswert, die Einstechdauer möglichst gering zu wählen. Eine kurze Einstechdauer geht allerdings mit einem hohen Energieeintrag in das Werkstück, aber auch in den Randbereich der Einstichstelle einher; ein hoher Energieeintrag kann im Randbereich allerdings zu veränderten Materialeigenschaften führen und daher mit mäßigen Einstichergebnissen einhergehen. Andererseits kann auch eine zu lang gewählte Einstechdauer mit Nachteilen einhergehen, beispielsweise, wenn die Bearbeitung im Randbereich der Einstichstelle aufgrund eines zu geringen Energieeintrags nicht vollständig erfolgt ist. Es hat sich daher gezeigt, dass der Einstech-Vorgang in das metallische Werkstück einen wesentlichen Einfluss auf die spätere Gesamtbearbeitungsqualität des Werkstücks hat. Es ist daher erstrebenswert, den Einstechvorgang so zu optimieren, dass ein Einstich mit vorhersehbarer, gleichbleibender und hoher Qualitätsgüte erzielt werden kann.The quality of a puncture into a metallic workpiece depends on various factors. However, it has been shown that it is precisely the piercing time is a very important process parameter when it comes to creating punctures with reproducible, consistent quality. The method according to the invention is therefore based on the finding that the quality of a puncture in a metallic workpiece can be improved if the piercing takes place while maintaining a previously determined, optimized puncturing time. Although it seems basically desirable to choose the piercing time as low as possible. However, a short piercing time is associated with a high energy input into the workpiece, but also in the edge region of the puncture site; However, a high energy input in the edge area can lead to altered material properties and therefore be accompanied by moderate insertion results. On the other hand, too long a puncturing time can be associated with disadvantages, for example, if the processing in the edge region of the puncture site has not been completed due to a low energy input. It has therefore been found that the piercing process in the metallic workpiece has a significant influence on the subsequent overall processing quality of the workpiece. It is therefore desirable to optimize the piercing process so that a puncture with predictable, consistent and high quality can be achieved.

Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich somit grundlegend von den oben beschriebenen, bekannten Einstech-Verfahren, die beispielsweise mit einem zeitlichen Sicherheitspuffer arbeiten oder eine Durchstich-Erkennung nutzen, um den Endpunkt des Einstech-Verfahrens zu ermitteln. Diese Verfahren haben nämlich gemeinsam, dass es bei ihnen gerade nicht auf die Einhaltung einer vorgegebenen Einstechdauer ankommt, sondern eine beliebige Einstechdauer ausreicht, sofern die tatsächliche Einstechdauer innerhalb des Zeitfensters des zeitlichen Sicherheitspuffers liegt, beziehungsweise ein Durchstich erkannt wird.The method according to the invention thus differs fundamentally from the above-described known piercing methods which, for example, work with a temporal safety buffer or use a puncture detection in order to determine the end point of the piercing method. Namely, these methods have in common that they do not depend on the observance of a predetermined piercing time, but any piercing time is sufficient, provided that the actual piercing time is within the time window of the temporal security buffer, or a puncture is detected.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt daher zunächst die Kenntnis einer hinsichtlich der Einstich-Qualität optimierten Einstechdauer voraus. Die optimierte Einstechdauer muss vor dem Einstechvorgang bekannt sein oder sie muss zunächst ermittelt werden. Die Ermittlung der optimierten Einstechdauer kann sowohl theoretisch als auch empirisch erfolgen, beispielsweise durch die Verwendung eines Algorithmus, durch Vorversuche, oder durch Auswertung einer systematischen Datensammlung. Insbesondere ist hier der Rückgriff auf eine Datenbank denkbar, in der beispielsweise für ein zu bearbeitendes Werkstück in Abhängigkeit von der Werkstückart und -dicke, dessen chemischer Zusammensetzung und den Werkstück-Dimensionen auf Erfahrungswerten basierende, optimierte Einstechdauern hinterlegt sind. Der zeitliche und räumliche Verlauf eines Einstechvorgangs, der unter Einhaltung der optimierten Einstechdauer erfolgt, wird nachfolgend auch als Idealverlauf bezeichnet.The method according to the invention therefore first requires the knowledge of a piercing duration optimized with regard to the puncture quality. The optimized piercing time must be known before the piercing process or it must first be determined. The determination of the optimized piercing time can be done both theoretically and empirically, for example by the use of an algorithm, by preliminary tests, or by Evaluation of a systematic data collection. In particular, the use of a database is conceivable in which, for example, for a workpiece to be machined depending on the workpiece type and thickness, the chemical composition and the workpiece dimensions based on empirical values, optimized piercing durations are stored. The temporal and spatial course of a piercing process, which takes place in compliance with the optimized puncture duration, is also referred to below as the ideal course.

In der Praxis werden allerdings beim Einstechen in ein Werkstück regelmäßig Abweichungen vom Idealverlauf beobachtet. Die alleinige Vorgabe einer Einstechdauer ist daher nicht bei allen Einstechvorgängen zur Erzielung einer guten Einstichqualität ausreichend. Erfindungsgemäß ist daher zusätzlich vorgesehen, den Einstech-Vorgang auf Abweichungen vom Idealverlauf hin zu überwachen. Das Ziel dieser Prozessüberwachung ist es, etwaige Abweichungen vom Idealverlauf möglichst frühzeitig zu erkennen, da es dann umso einfacher möglich ist, diesen Abweichungen entgegenzuwirken und so dennoch die optimierte Einstechdauer einzuhalten.In practice, however, deviations from the ideal course are regularly observed when inserting into a workpiece. The sole specification of a puncture is therefore not sufficient for all puncture procedures to achieve a good puncture quality. Therefore, according to the invention, it is additionally provided to monitor the piercing process for deviations from the ideal course. The aim of this process monitoring is to recognize any deviations from the ideal course as early as possible, since it is then easier to counteract these deviations and still meet the optimized piercing time.

Zu diesem Zweck wird die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung mit einem optischen Sensor erfasst. Die Erfassung der Strahlungsintensität kann bei ausgewählten, einzelnen Wellenlängen, aber auch über einen Wellenlängenbereich erfolgen; sie kann darüber hinaus kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Der optische Sensor erfasst zwar grundsätzlich nur Einzelwerte, erfindungsgemäß ist allerdings vorgesehen, dass nicht nur ein einziger, beispielweise der aktuelle Wert der Strahlungsintensität, sondern deren zeitlicher Verlauf in einem Zeitintervall erfasst wird. Unter dem Begriff zeitlicher Verlauf der Strahlungsintensität wird ein quantitativer Verlauf einer vom optischen Sensor erfassten Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Zeit verstanden. Die Erfassung des zeitlichen Verlaufs kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass eine Datenverarbeitungseinheit vorgesehen ist, die eine Speicherung und Auswertung der vom optischen Sensor erfassten Einzelwerte in Abhängigkeit von der Zeit ermöglicht. Die Erfassung des zeitlichen Verlaufs hat den Vorteil, dass nicht nur ein Einzelwert, sondern mehrere Einzelwerte in zeitlicher Folge erfasst werden, was Rückschlüsse auf Entwicklungsrichtungen und Tendenzen des Strahlungsintensitätsverlaufs erlaubt. Die Genauigkeit der Erkennung von Abweichungen vom Idealverlauf nimmt dabei grundsätzlich zu, je größer die Anzahl der Strahlungsintensität-Einzelwerte ist, die im Zeitintervall erfasst werden.For this purpose, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece is detected with an optical sensor. The detection of the radiation intensity can take place at selected, individual wavelengths, but also over a wavelength range; it can also be continuous or discontinuous. Although the optical sensor basically detects only individual values, it is provided according to the invention that not only a single, for example, the current value of the radiation intensity, but its time course is detected in a time interval. The term temporal course of the radiation intensity is understood to mean a quantitative course of a radiation intensity detected by the optical sensor as a function of time. The detection of the time profile can be effected, for example, by providing a data processing unit which enables a storage and evaluation of the individual values detected by the optical sensor as a function of time. The acquisition of the time course has the advantage that not only a single value, but several individual values are recorded in chronological order, which allows conclusions about development directions and tendencies of the radiation intensity course. The accuracy of the detection of deviations from the ideal course generally increases, the greater the number of radiation intensity individual values that are acquired in the time interval.

Der Prozessüberwachung selbst wird der in einem vorgegebenen Zeitintervall erfasste zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität zugrundegelegt. Unter dem Begriff Zeitintervall wird ein zeitlich begrenztes Zeitfenster verstanden, dessen Dauer grundsätzlich im zeitlichen Umfang der von dem optischen Sensor erfassten Strahlungsintensitäten beliebig wählbar ist. Bei der Wahl der Zeitintervall-Dauer ist allerdings zu beachten, dass die gewählte Dauer des Zeitintervalls einen Einfluss auf die Erkennung von Abweichungen vom Idealverlauf haben kann. Je größer das Zeitintervall gewählt wird, umso mehr Daten stehen für eine Abschätzung des aktuellen Bearbeitungsstands des Einstechvorgangs, für die Erkennung von Abweichungen vom Idealverlauf und für eine Prognose des weiteren Verlaufs zur Verfügung. Ein vergleichsweise groß gewähltes Zeitintervall ermöglicht daher insbesondere eine Auswertung unter Berücksichtigung des gesamten Einstechvorgangs. Im einfachsten Fall umfasst das Zeitintervall den gesamten zeitlichen Verlauf, der seit dem Beginn der Bearbeitung der Werkstück-Einstichstelle erfasst worden ist. Dieses Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Abweichung vom Idealverlauf durch eine systematische Irregularität hervorgerufen ist, die sich im gesamten zeitlichen Verlauf widerspiegelt. Für die Erkennung kurzfristiger Effekte, beispielsweise bei räumlich begrenzten, nur lokal auftretenden Materialabweichungen im Werkstück, ist es hingegen häufig günstiger, ein kürzeres Zeitintervall zu wählen, da in einem kleinen Zeitintervall vorübergehend auftretende Abweichungen vom Idealverlauf einfacher zu erfassen sind. Das Zeitintervall kann individuell an das jeweilige Einstechverfahren angepasst werden, je nachdem welche Art von Irregularitäten im Einzelfall voraussichtlich zu erwarten sind.The process monitoring itself is based on the time course of the radiation intensity recorded in a predetermined time interval. The term time interval is understood to mean a time-limited time window whose duration is basically arbitrarily selectable in the time span of the radiation intensities detected by the optical sensor. When choosing the time interval duration, however, it should be noted that the selected duration of the time interval can have an influence on the detection of deviations from the ideal course. The greater the time interval chosen, the more data is available for estimating the current processing status of the piercing process, for detecting deviations from the ideal course and for forecasting the further course. A comparatively large selected time interval therefore makes it possible, in particular, to evaluate the entire piercing process. In the simplest case, the time interval comprises the entire time course that has been recorded since the start of processing of the workpiece puncture site. This method is particularly advantageous when the deviation from the ideal course is caused by a systematic irregularity, which is reflected in the entire time course. For the detection of short-term effects, for example, in spatially limited, only locally occurring material deviations in the workpiece, however, it is often cheaper to choose a shorter time interval, since in a small time interval transient deviations from the ideal course are easier to capture. The time interval can be individually adapted to the respective piercing method, depending on which type of irregularities are likely to be expected in each individual case.

Durch das Bearbeiten der Werkstück-Einstichstelle mit dem Laserstrahl wird hinreichend Energie in das Werkstück eingebracht, sodass das Werkstück selbst Strahlung mit Wellenlängen im Infrarotbereich und im Bereich des sichtbaren Lichts emittiert. Häufig entsteht an der Werkstückoberfläche außerdem eine Plasmakapsel, die ebenfalls Strahlung im obengenannten Wellenlängenbereich aussendet. Der optische Sensor ist daher zur Erfassung der Strahlungsintensität der vom Werkstück und gegebenenfalls von einer Plasmakapsel emittierten Strahlung ausgelegt. Optische Sensoren im Sinne der Erfindung sind beispielsweise Photodioden, CMOS- oder CCD-Kameras.By processing the workpiece puncture site with the laser beam, sufficient energy is introduced into the workpiece so that the workpiece itself emits radiation having wavelengths in the infrared range and in the range of visible light. In addition, a plasma capsule, which also emits radiation in the abovementioned wavelength range, frequently also forms on the workpiece surface. The optical sensor is therefore designed to detect the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece and optionally by a plasma capsule. Optical sensors according to the invention are, for example, photodiodes, CMOS or CCD cameras.

Mit zunehmender Einstechtiefe ändert sich die Position der Werkstück-Oberfläche relativ zum optischen Sensor, und damit einhergehend auch die Lage einer etwaigen Plasmakapsel. Hiervon wird auch die von dem Sensor erfasste Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung beeinflusst, was sich insbesondere im zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität widerspiegelt. Der von dem optischen Sensor im Zeitintervall erfasste zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität bildet den Primärdatensatz, aus dem ein Ist-Wert der Strahlungsintensität ermittelt wird, der den erfassten zeitlichen Verlauf repräsentiert. Der Ist-Wert der Strahlungsintensität kann aus einem einzigen Zahlenwert oder aus einem Datensatz bestehen. Im einfachsten Fall entspricht der Ist-Wert der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung dem Primärdatensatz. Vorteilhafterweise wird der gemäß Verfahrensschritt (b) erfasste zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität vor dem Vergleichen gemäß Verfahrensschritt (d) aufbereitet. Beispielsweise wird der Ist-Wert der Strahlungsintensität ermittelt, indem der Primärdatensatz im Zeitintervall zu einem Sekundärdatensatz aufbereitet wird, etwa durch Mittelwertbildung, Flächenberechnung durch Integration, Ermittlung der Steigung des zeitabhängigen Strahlungsintensitätsverlaufs und/oder den Einsatz von Rauschunterdrückungsverfahren. Der Vorteil eines aufbereiteten Sekundärdatensatzes liegt darin, dass ein Ist-Wert der Strahlungsintensität erhalten wird, der für einen Vergleich mit einem - entsprechend aufgearbeiteten - Soll-Wert besser geeignet ist, mit der Folge, dass ein zuverlässigeres Vergleichsergebnis von Ist- und Soll-Wert erhalten wird.As the puncturing depth increases, the position of the workpiece surface relative to the optical sensor changes, and consequently also the position of any plasma capsule. This also influences the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece, which is reflected by the sensor, which is reflected in particular in the temporal course of the radiation intensity. The time profile of the radiation intensity detected by the optical sensor in the time interval forms the primary data record from which an actual value of the Radiation intensity is determined, which represents the detected time course. The actual value of the radiation intensity can consist of a single numerical value or of a data record. In the simplest case, the actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval corresponds to the primary data set. Advantageously, the time profile of the radiation intensity detected according to method step (b) is processed before the comparison according to method step (d). For example, the actual value of the radiation intensity is determined by the primary data set is processed in the time interval to a secondary data set, such as averaging, area calculation by integration, determination of the slope of the time-dependent radiation intensity profile and / or the use of noise suppression method. The advantage of a processed secondary data set is that an actual value of the radiation intensity is obtained, which is better suited for comparison with a - correspondingly processed - target value, with the result that a more reliable comparison result of actual and desired value is obtained.

Der Vergleich des ermittelten Ist-Werts mit dem Soll-Wert ermöglicht eine Prognose hinsichtlich der zu erwartenden Einstechdauer und lässt mögliche Tendenzen zur Abweichung vom Idealverlauf erkennen, sodass es möglich wird, diesen Tendenzen entgegenzuwirken.The comparison of the determined actual value with the target value enables a prognosis with regard to the expected puncture duration and reveals possible tendencies to deviate from the ideal course, so that it becomes possible to counteract these tendencies.

Wird eine Abweichung vom Idealverlauf erkannt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Energieeintrag in die Einstichstelle zu verändern, wenn der ermittelte Ist-Wert außerhalb eines Toleranzbereichs des Soll-Werts liegt. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Einstechvorgang sich in energetischer Hinsicht grundsätzlich in zwei Teilprozesse untergliedern lässt, nämlich in den Energieeintrag in den Bereich der Einstichstelle einerseits und in die gleichzeitig auftretenden Energieverluste andererseits. Eine Verschiebung des Verhältnisses von Energieeintrag und Energieverlusten gegenüber dem Verhältnis des Idealverlaufs - beispielsweise durch Materialabweichungen im Werkstück - geht regelmäßig mit einer verringerten Einstechqualität einher, ganz gleich in welche Richtung sich das Verhältnis von Energieeintrag und Energieverlusten verschiebt. Wird - beispielsweise aufgrund einer Materialabweichung im Werkstück - ein höherer Energieeintrag in das Werkstück notwendig, wird der nach dem Erkennen der Abweichung vom Idealverlauf zusätzlich bereitgestellte Energieanteil in erster Linie für den beabsichtigten Einstechvorgang in das Werkstück benötigt, sodass sich der Energieeintrag in den Randbereich der Einstichstelle und die Energieverteilung gegenüber dem Idealverlauf in der Regel nur unwesentlich ändert.If a deviation from the ideal course is detected, it is provided according to the invention to change the energy input into the puncture site if the determined actual value is outside a tolerance range of the desired value. This is based on the finding that the piercing process can be fundamentally subdivided in terms of energy into two sub-processes, namely the energy input into the area of the puncture site on the one hand and the simultaneously occurring energy losses on the other hand. A shift in the ratio of energy input and energy losses compared to the ratio of the ideal course - for example due to material variations in the workpiece - is regularly associated with a reduced piercing quality, no matter in which direction the ratio of energy input and energy losses shifts. If, for example due to a material deviation in the workpiece, a higher energy input into the workpiece is necessary, the energy component additionally provided after the recognition of the deviation from the ideal course is required primarily for the intended plunge process into the workpiece, so that the energy input into the edge region of the puncture site and the energy distribution compared to the ideal course usually changes only slightly.

Der ermittelte Ist-Wert schwankt naturgemäß in gewissen Grenzen, ohne dass dies einer guten Einstichqualität abträglich wäre. Ein möglicher Grund für Schwankungen sind beispielsweise Messfehler, wie sie grundsätzlich bei jeder Messung auftreten können. Die Vorgabe eines Toleranzbereichs für den Soll-Wert hat daher den Vorteil, dass Korrekturmaßnahmen nicht ständig und möglicherweise aufgrund von Erfassungs- und Messungenauigkeiten zu früh eingeleitet werden, ohne dass derartige Maßnahmen notwendig wären. Indem der Energieeintrag pro Zeiteinheit in die Einstichstelle in Abhängigkeit vom tatsächlichen Einstichfortschritt erhöht oder erniedrigt wird, ist es möglich eine gute Synchronizität zwischen dem tatsächlichen Einstechverlauf und dem Idealverlauf zu erreichen, eine vorgegebene Einstechdauer einzuhalten und gleichzeitig eine reproduzierbare Einstichqualität zu erzielen. In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn dem Einstech-Verfahren ein zeitabhängiger Toleranzbereich zugrunde gelegt wird. Es hat sich gezeigt, dass der Ist-Wert der Strahlungsintensität insbesondere zu Beginn der Bearbeitung vergleichsweise starke Schwankungen aufweist. Durch Vorgabe eines zeitabhängigen Schwankungsbereichs wird der Zeitabhängigkeit der Strahlungsintensitäts-Schwankungen Rechnung getragen, sodass eine besonders exakte Erkennung der Abweichungen vom Idealverlauf ermöglicht wird.Naturally, the determined actual value varies within certain limits, without this being detrimental to a good quality of puncture. A possible reason for fluctuations are, for example, measurement errors, as they can basically occur with each measurement. The prescription of a tolerance range for the target value therefore has the advantage that corrective measures are not initiated too early and possibly too early due to detection and measurement inaccuracies, without such measures being necessary. By increasing or decreasing the energy input per unit of time into the puncture site as a function of the actual puncturing progress, it is possible to achieve a good synchronicity between the actual puncture course and the ideal course, to maintain a predetermined piercing time and at the same time to achieve a reproducible piercing quality. In this context, it has proved to be favorable if the puncturing method is based on a time-dependent tolerance range. It has been shown that the actual value of the radiation intensity has comparatively strong fluctuations, in particular at the beginning of the processing. By specifying a time-dependent fluctuation range, the time dependency of the radiation intensity fluctuations is taken into account so that a particularly exact recognition of the deviations from the ideal course is made possible.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Verändern des Energieeintrags gemäß Verfahrensschritt (e) durch Verändern der Fokuslage, der Laser-Leistung und/oder, wenn der Laserstrahl mit einem gepulst betriebenen Laser erzeugt ist, durch Variation der Pulsfrequenz oder des Tastverhältnisses erfolgt.In a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that changing the energy input according to method step (e) by varying the focus position, the laser power and / or, if the laser beam is generated with a pulsed laser, by varying the pulse frequency or Duty cycle occurs.

Der Energieeintrag in die Einstichstelle kann durch Variation der oben genannten Parameter erfolgen. Durch eine stärkere Fokussierung des Laserstrahls kann der Laserstrahl auf eine kleinere Fläche konzentriert werden. Hierdurch steigt die Energiedichte des Laserstrahls. Ebenso kann die Fokuslage verändert werden. Wird beispielswiese die Fokuslage dem Einstechvorgang nachgeführt, kann der gesamte Einstechvorgang mit einem gleichbleibend hohen Energieeintrag durchgeführt werden. Der Energieeintrag in die Einstichstelle kann erhöht werden, wenn die Laser-Leistung erhöht wird. Um möglichst schonend und gleichzeitig so schnell wie möglich in das Werkstück einstechen zu können, wird in der Regel ein gepulster Laser verwendet, der Laserstrahlung in zeitlich begrenzten Pulsen emittiert. Im Falle eines gepulst betriebenen Lasers kann der Energieeintrag in die Einstichstelle erhöht werden, wenn die Pulsdauer verlängert oder die Pulsfrequenz erhöht wird. Das Tastverhältnis ist das zeitliche Verhältnis von Pulsdauer zu Pulsperiode. Durch eine Erhöhung des Tastverhältnisses erhöht sich die zeitlich gemittelte Energiedichte des Lasers. Es hat sich dabei als günstig erwiesen, die vorgenannten Maßnahmen zu kombinieren. Hierdurch wird eine besonders einfache und exakte Einstellung des Energieeintrags in die Einstichstelle ermöglicht.The energy input into the puncture site can be made by varying the above-mentioned parameters. By focusing the laser beam more strongly, the laser beam can be concentrated on a smaller area. This increases the energy density of the laser beam. Likewise, the focal position can be changed. For example, if the focus position tracked the piercing process, the entire piercing process can be performed with a consistently high energy input. The energy input into the puncture site can be increased as the laser power is increased. In order to be able to pierce the workpiece as gently as possible and at the same time as quickly as possible, a pulsed laser is generally used which emits laser radiation in pulses of limited duration. In the case of a pulsed laser, the energy input into the puncture site can be increased if the pulse duration is prolonged or the pulse rate is increased. The duty cycle is the time relationship of pulse duration to pulse period. By a Increasing the duty cycle increases the time averaged energy density of the laser. It has proven to be beneficial to combine the above measures. This allows a particularly simple and accurate adjustment of the energy input into the puncture site.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität gemäß Verfahrensschritt (b) mit einem optischen Sensor erfolgt, der im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm sensitiv ist.It has proved to be advantageous if the acquisition of the time profile of the radiation intensity in accordance with method step (b) takes place with an optical sensor which is sensitive in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm.

Während die zur Bearbeitung des Werkstücks eingesetzte Laserstrahlung schmalbandig ist, umfasst die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung Strahlungsanteile mit Wellenlängen in einem relativ breiten Wellenlängenbereich, insbesondere Strahlungsanteile im sichtbaren und nahinfraroten Bereich. Es ist daher relativ einfach möglich, die vom Werkstück selbst emittierte Strahlung von der des Laserstrahls zu unterscheiden. Die vom Werkstück emittierte Strahlung wird grundsätzlich ungerichtet emittiert, das heißt in alle Raumrichtungen gleicherma-ßen. Zur Erfassung der vom Werkstück emittierten Strahlung kann zwar grundsätzlich ein optischer Sensor eingesetzt werden, der über einen mehr oder minder großen Wellenlängenbereich sensitiv ist. Die Genauigkeit der Abweichungserkennung lässt sich allerdings erhöhen, wenn zur Auswertung nur bestimmte Strahlungsintensitätswerte herangezogen werden, die für einen bestimmten Wellenlängenbereich oder die bei einer bestimmten Wellenlänge ermittelt wurden. Welcher Wellenlängenbereich beziehungsweise welche Wellenlänge am geeignetsten erscheint, ist grundsätzlich unabhängig von der Laser-Wellenlänge und hängt im Wesentlichen davon ab, aus welchem Material das Werkstück gefertigt ist. Bei der Bearbeitung von metallischen Werkstücken, insbesondere aus Stahl, Edelstahl, Aluminium, Messing oder Kupfer, werden gute Ergebnisse erzielt, wenn die Strahlungsintensität der Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 800 nm bis 1.400 nm herangezogen werden. Als besonders geeignet hat sich der Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1.250 nm erwiesen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn entweder ein spezieller optischer Sensor verwendet wird, der nur in einem bestimmten Wellenlängenbereich, vorzugsweise dem oben genannten Wellenlängenbereich, sensitiv ist, oder wenn im Strahlengang vor einem über einen größeren Wellenlängenbereich sensitiven optischen Sensor ein Filter angeordnet ist, das nur für Strahlung bestimmter Wellenlängen, vorzugsweise nur für Wellenlängen in den obengenannten Wellenlängenbereichen, durchlässig ist. Ein optischer Sensor mit einer Sensitivität im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm ist kostengünstig erhältlich. Ein Sensor mit einer Sensitivität in einem kleineren Wellenlängenbereich hat allerdings regelmäßig den Vorteil, dass die Auswertbarkeit des Sensor-Signals erhöht werden kann, je kleiner der Wellenlängenbereich ist, in dem der optische Sensor sensitiv ist. Da ein kleinerer Wellenlängenbereich erfasst wird, verringert sich gleichzeitig die Störanfälligkeit des optischen Sensors durch Störstrahlung mit Wellenlängen außerhalb des vom optischen Sensor erfassten Wellenlängenbereichs. Es hat sich daher als besonders günstig erwiesen, wenn zur Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität ein Sensor eingesetzt wird, der im Wellenlängenbereich von 900 nm bis 1.250 nm sensitiv ist.While the laser radiation used for machining the workpiece is narrow-band, the radiation emitted by the workpiece itself comprises radiation components with wavelengths in a relatively broad wavelength range, in particular radiation components in the visible and near-infrared range. It is therefore relatively easy to distinguish the radiation emitted by the workpiece itself from that of the laser beam. The radiation emitted by the workpiece is always emitted in an undirected manner, that is to say in all spatial directions. In principle, an optical sensor which is sensitive over a more or less large wavelength range can be used to detect the radiation emitted by the workpiece. However, the accuracy of the deviation detection can be increased if only certain radiation intensity values are used for the evaluation, which were determined for a certain wavelength range or those at a certain wavelength. Which wavelength range or which wavelength appears to be the most suitable is fundamentally independent of the laser wavelength and essentially depends on which material the workpiece is manufactured from. In the machining of metallic workpieces, in particular of steel, stainless steel, aluminum, brass or copper, good results are obtained when the radiation intensity of the radiation with wavelengths in the range of 800 nm to 1,400 nm are used. The wavelength range from 900 nm to 1,250 nm has proved particularly suitable. It has proved to be advantageous if either a special optical sensor is used which is sensitive only in a certain wavelength range, preferably the above-mentioned wavelength range, or if a filter is arranged in the beam path in front of an optical sensor sensitive over a relatively large wavelength range, the radiation of certain wavelengths, preferably only for wavelengths in the above-mentioned wavelength ranges, is permeable. An optical sensor with a sensitivity in the wavelength range of 800 nm to 1,400 nm is available at low cost. However, a sensor with a sensitivity in a smaller wavelength range regularly has the advantage that the readability of the sensor signal can be increased, the smaller the wavelength range in which the optical sensor is sensitive. At the same time, since a smaller wavelength range is detected, the susceptibility of the optical sensor to interference is reduced by interfering radiation with wavelengths outside the wavelength range detected by the optical sensor. It has therefore proved to be particularly favorable when a sensor is used to detect the time course of the radiation intensity, which is sensitive in the wavelength range of 900 nm to 1250 nm.

Bei einer bevorzugten Modifikation des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt der Laserstrahl durch eine Austrittsöffnung hindurch, bevor er auf die Werkstück-Einstichstelle trifft, und das Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität gemäß Verfahrensschritt (b) erfolgt mit einem optischen Sensor, der die Strahlungsintensität des Strahlungsanteils der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst, der durch die Austrittsöffnung hindurchtritt.In a preferred modification of the method according to the invention, the laser beam passes through an outlet opening before it encounters the workpiece puncture site, and the detection of the time course of the radiation intensity according to method step (b) is carried out with an optical sensor, the radiation intensity of the radiation component of Detected workpiece emitted radiation, which passes through the outlet opening.

Unter dem Begriff Austrittsöffnung wird im Sinne der Erfindung ein räumlich begrenzter Durchlass für einen Laserstrahl verstanden, der von einem für den Laserstrahl undurchlässigen Material begrenzt ist. Laserbearbeitungsmaschinen weisen regelmäßig eine Austrittsöffnung für den Laserstrahl auf. Unter dem Begriff Laserbearbeitungsmaschine wird eine Maschine verstanden, mit der ein metallisches Werkstück mit einem Laserstrahl bearbeitet werden kann. Laserbearbeitungsmaschinen werden für eine Vielzahl von Bearbeitungsverfahren eingesetzt, insbesondere zum Trennen, Fügen, Schneiden, Schweißen, Abtragen, Umformen und/oder zum Markieren und Beschriften. Eine Austrittsöffnung einer Laserbearbeitungsmaschine ist ein Teil der Laserbearbeitungsmaschine, aus dem Laserstrahl aus der Laserbearbeitungsmaschine austritt, bevor er auf das Werkstück trifft. Wird der Laserstrahl beispielsweise in einer Umhausung geführt, kann die Austrittsöffnung eine Öffnung in der Umhausung sein. Wird - wie beim Laserstrahlschneiden von metallischen Werkstücken üblich - zur Werkstückbearbeitung der Laserstrahl zusammen mit einem Prozessgas über eine Düse auf das Werkstück geleitet, fällt die Austrittsöffnung regelmäßig mit der Düsenöffnung für das Prozessgas zusammen.For the purposes of the invention, the term outlet opening is understood to mean a spatially limited passage for a laser beam which is delimited by a material which is impermeable to the laser beam. Laser processing machines regularly have an outlet opening for the laser beam. The term laser processing machine is understood to mean a machine with which a metallic workpiece can be processed with a laser beam. Laser processing machines are used for a variety of processing methods, in particular for cutting, joining, cutting, welding, ablation, forming and / or marking and labeling. An exit opening of a laser processing machine is a part of the laser processing machine from which the laser beam exits the laser processing machine before it hits the workpiece. If the laser beam is guided in a housing, for example, the outlet opening can be an opening in the enclosure. If, as is customary in the case of laser beam cutting of metallic workpieces, the laser beam is guided onto the workpiece together with a process gas via a nozzle for workpiece machining, the outlet opening regularly coincides with the nozzle opening for the process gas.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der optische Sensor nur die Strahlungsintensität des Strahlungsanteils der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst, der durch die Austrittsöffnung hindurchtritt. Ist der optische Sensor vom Werkstück aus gesehen nach der Austrittsöffnung angeordnet, wird von dem optischen Sensor nur ein Teil der vom Werkstück emittierten Strahlung erfasst, nämlich der Teil, der in Richtung der Austrittsöffnung emittiert wird und diese passiert. Dies führt dazu, dass in erster Linie Strahlungsanteile erfasst werden, die von dem Werkstück in einem gewissen Nahbereich um den Bearbeitungspunkt des Laserstrahls emittiert werden. Insbesondere im Nahbereich werden besonders hohe Strahlungsintensitäten beobachtet. Die zuvor beschriebene Anordnung trägt einerseits dazu bei, dass Strahlungsanteile mit hoher Strahlungsintensität aus dem Nahbereich erfasst werden, sodass sichergestellt ist, dass auf den optischen Sensor regelmäßig eine gewisse Mindest-Strahlungsintensität auftrifft. Andererseits wirkt die Austrittsöffnung wie eine Blendenöffnung, so dass der Lichtdurchlass auf den optischen Sensor verringert wird und nur ein begrenzter Strahlungsanteil der vom Werkstück emittierten Strahlung vom optischen Sensor erfasst werden muss. Hierdurch wird der Einsatz eines kostengünstigen optischen Sensors ermöglicht, da dieser nur über einen begrenzten Messbereich eine gute Messgenauigkeit aufweisen muss.It has proved to be advantageous if the optical sensor detects only the radiation intensity of the radiation component of the radiation emitted by the workpiece, which passes through the outlet opening. If the optical sensor is arranged after the exit opening, as seen from the workpiece, only a part of the radiation emitted by the workpiece is detected by the optical sensor, namely the part which is emitted in the direction of the exit opening and passes through it. This leads to the fact that radiation components are detected in the first place, which of the Workpiece be emitted in a certain vicinity of the processing point of the laser beam. Particularly at close range, particularly high radiation intensities are observed. On the one hand, the arrangement described above contributes to the fact that radiation components with high radiation intensity are detected from the near zone, so that it is ensured that a certain minimum radiation intensity regularly impinges on the optical sensor. On the other hand, the outlet opening acts like a diaphragm opening, so that the light transmission to the optical sensor is reduced and only a limited radiation component of the radiation emitted by the workpiece has to be detected by the optical sensor. This makes it possible to use a cost-effective optical sensor, since it only has to have a good measuring accuracy over a limited measuring range.

Es hat sich bewährt, wenn vor dem Erfassen des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität gemäß Verfahrensschritt (b) die vom Werkstück im Bereich der Einstichstelle emittierte Strahlung mit einem optischen Filter gefiltert wird, das Strahlung mit der Wellenlänge des Laserstrahls herausfiltert.It has proven useful if, prior to detecting the time profile of the radiation intensity according to method step (b), the radiation emitted by the workpiece in the region of the puncture site is filtered with an optical filter which filters out radiation with the wavelength of the laser beam.

Ein optisches Filter, das darauf einfallende optische Strahlung nach der Wellenlänge selektiert, in dem es die Wellenlänge des Bearbeitungs-Laserstrahls herausfiltert, trägt dazu bei, dass Strahlungsanteile, die bei der Erfassung des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität und der damit bezweckten Prozessüberwachung nicht benötigt werden und sogar stören können, möglichst effektiv eliminiert werden. Hierdurch wird eine hohe Genauigkeit der Prozessüberwachung ermöglicht; insbesondere ist es hierdurch möglich, dass Abweichungen vom Idealverlauf möglichst frühzeitig erkannt werden können.An optical filter which selects optical radiation incident thereon by the wavelength in which it filters out the wavelength of the processing laser beam contributes to the fact that radiation components which are not required in the detection of the time course of the radiation intensity and the process monitoring intended thereby even disturb, can be eliminated as effectively as possible. This allows a high accuracy of process monitoring; In particular, this makes it possible that deviations from the ideal course can be detected as early as possible.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfasst das Verfahren zusätzlich die folgenden Verfahrensschritte:

(f) Beaufschlagen des Werkstücks mit einem ersten Wechselsignal,
(g) Erfassen eines vom ersten Wechselsignal in einer vom Werkstück beabstandeten Messelektrode hervorgerufenen, zweiten Wechselsignals,
(h) Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen erstem und zweitem Wechselsignal unter Ausgabe eines Phasenverschiebungssignals,
(i) Erfassen eines zeitlichen Verlaufs des Phasenverschiebungssignals oder einer daraus abgeleiteten Messgröße,
(j) Vergleichen des zeitlichen Verlaufs des Phasenverschiebungssignals oder der daraus abgeleiteten Messgröße mit einer vorgegebenen Sollwertkurve für das Phasenverschiebungssignal mit einem Schwankungsbereich,

wobei das Verändern des Energieeintrags in die Einstichstelle gemäß Verfahrensschritt (e) nur dann erfolgt, wenn gleichzeitig der erfasste zeitliche Verlauf des Phasenverschiebungssignals oder die daraus abgeleitete Messgröße außerhalb des Schwankungsbereichs der Sollwertkurve für das Phasenverschiebungssignal liegt.In a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the method additionally comprises the following method steps:

(f) subjecting the workpiece to a first alternating signal,
(g) detecting a second alternating signal caused by the first alternating signal in a measuring electrode spaced from the workpiece,
(h) determining the phase shift between the first and second alternating signals while outputting a phase shift signal,
(i) detecting a time profile of the phase shift signal or a measured variable derived therefrom,
(j) comparing the time profile of the phase shift signal or the measured quantity derived therefrom with a predetermined desired value curve for the phase shift signal with a fluctuation range,

wherein the changing of the energy input into the puncture site according to method step (e) takes place only if simultaneously the detected time profile of the phase shift signal or the measured variable derived therefrom lies outside the fluctuation range of the setpoint curve for the phase shift signal.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die grundsätzliche Idee zugrunde, den Einstech-Vorgang hinsichtlich des Auftretens von Abweichungen vom Idealverlauf zu überwachen und, wenn eine Abweichung erkannt wird, dieser so entgegenzuwirken, dass dennoch die optimierte Einstechdauer eingehalten werden kann. Besondere Bedeutung kommt bei diesem Verfahren der möglichst frühzeitigen und zuverlässigen Erkennung von Abweichungen zu. Die oben genannten Verfahrensschritte dienen dazu, die Zuverlässigkeit der Erkennung von Abweichungen zu verbessern. Maßnahmen gemäß Verfahrensschritt (e), die einer erkannten Abweichung vom Idealverlauf entgegenwirken sollen, werden vorteilhafterweise nur dann getroffen, wenn von beiden Abweichungs-Erkennungsverfahren gleichzeitig eine Abweichung vom Idealverlauf erkannt wird.The method according to the invention is based on the basic idea of monitoring the piercing process with regard to the occurrence of deviations from the ideal course and, if a deviation is detected, counteracting this in such a way that nevertheless the optimized puncturing duration can be maintained. Of particular importance in this method is the earliest possible and reliable detection of deviations. The above-mentioned process steps serve to improve the reliability of detection of deviations. Measures according to method step (e), which are intended to counteract a detected deviation from the ideal course, are advantageously only made if a deviation from the ideal course is simultaneously recognized by both deviation detection methods.

Dies kann durch den Einsatz einer Differenz-Messmethode geschehen, bei der zwei Signale verwendet und deren Phasenverschiebung zueinander bestimmt wird. Durch den Vergleich der Phasenlage der beiden Signale wird ein Phasenverschiebungssignal erzeugt. Dies ist ein bereinigtes Auswertungssignal, in dem Messfehler eliminiert sind, und das ein besonders gutes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist.This can be done by using a differential measurement method, which uses two signals and determines their phase shift with each other. By comparing the phase position of the two signals, a phase shift signal is generated. This is an adjusted evaluation signal in which measurement errors are eliminated and which has a particularly good signal-to-noise ratio.

Hierzu wird das Werkstück zunächst mit einem ersten Wechselsignal beauftragt. Vorzugsweise ist das erste Wechselsignal ein Wechselspannungssignal U₁(t). Das erste Wechselsignal erzeugt in einer in einem festen Abstand zum Werkstück angeordneten Messelektrode ein zweites Wechselsignal, beispielsweise ein Wechselstromsignal I_1,φ(t), das als Messsignal verwendet wird, und das gegenüber dem ersten Wechselsignal (Referenzsignal) eine Phasenverschiebung aufweist. Die Phasenverschiebung wird durch einen Vergleich des ersten Wechselsignals mit dem zweiten Wechselsignal ermittelt.For this purpose, the workpiece is first commissioned with a first alternating signal. Preferably, the first alternating signal is an alternating voltage signal U ₁ (t) , The first alternating signal generates a second alternating signal, for example an alternating current signal, in a measuring electrode arranged at a fixed distance from the workpiece I _{1, φ} (t) , which is used as a measurement signal, and which has a phase shift relative to the first alternating signal (reference signal). The phase shift is determined by comparing the first alternating signal with the second alternating signal.

Während des Einstech-Vorgangs wird die Messelektrode in konstantem Abstand zum Werkstück gehalten, das heißt, der Abstand zwischen Messelektrode und der unbearbeiteten Werkstückoberfläche im Bereich um die Einstichstelle bleibt während des gesamten Einstech-Vorgangs konstant. Das Phasenverschiebungssignal hängt von der zwischen Messelektrode und dem Werkstück gebildeten Kapazität ab. Bei konstantem Abstand von Messelektrode und Werkstück wird die Kapazität vornehmlich von der Dielektrizitätskonstante des zwischen Messelektrode und Werkstück vorhandenen Dielektrikums bestimmt. Mit dem Fortschreiten des Einstechvorgangs vergrößert sich durch die zunehmende Einstechtiefe das Volumen des Dielektrikums. Gleichzeitig ändert sich auch die Zusammensetzung des Dielektrikums - beispielsweise entsteht an der Werkstückoberfläche eine Plasmakapsel -, was grundsätzlich mit einer Änderung der Dielektrizitätskonstanten einhergeht. Die beiden vorgenannten Phänomene haben Einfluss auf das Phasenverschiebungssignal, was sich insbesondere im zeitlichen Verlauf des Phasenverschiebungssignals widerspiegelt. Durch Erfassen des zeitlichen Verlaufs des Phasenverschiebungssignals und Vergleichen dieses Verlaufs oder einer daraus abgeleiteten Messgröße mit einer vorgegebenen Sollwertkurve für das Phasenverschiebungssignal des zeitlichen Verlaufs oder einer daraus abgeleiteten Messgröße ist eine Prognose hinsichtlich der zu erwartenden Einstechdauer möglich und es können Abweichungen vom Idealverlauf erkennt werden, sodass es möglich wird, diesen Abweichungen entgegenzuwirken.During the piercing process, the measuring electrode is kept at a constant distance from the workpiece, that is, the distance between the measuring electrode and the unprocessed workpiece surface in the area around the puncture site remains constant throughout the insertion process. The phase shift signal depends on the capacitance formed between the measuring electrode and the workpiece. At a constant distance from the measuring electrode and the workpiece, the capacitance is determined primarily by the dielectric constant of the dielectric present between the measuring electrode and the workpiece. As the piercing process progresses, the volume of the dielectric increases due to the increasing piercing depth. At the same time, the composition of the dielectric also changes - for example, a plasma capsule is formed on the workpiece surface - which is fundamentally accompanied by a change in the dielectric constant. The two aforementioned phenomena have an influence on the phase shift signal, which is reflected in particular in the temporal course of the phase shift signal. By detecting the time course of the phase shift signal and comparing this curve or a derived therefrom with a predetermined setpoint curve for the phase shift signal of the time course or a measured variable derived therefrom, a prognosis regarding the expected puncture duration is possible and deviations from the ideal course can be detected, so it becomes possible to counteract these deviations.

Wird eine Abweichung vom Idealverlauf erkannt, wird der Energieeintrag in die Einstichstelle aber nur dann verändert, wenn gleichzeitig der gemäß Verfahrensschritt (c) ermittelte Ist-Wert außerhalb eines Toleranzbereichs des Soll-Werts liegt.If a deviation from the ideal course is detected, the energy input into the puncture site is only changed if at the same time the actual value determined according to method step (c) is outside a tolerance range of the desired value.

Das erfasste Phasenverschiebungssignal schwankt naturgemäß in gewissen Grenzen, ohne dass dies einer guten Einstichqualität abträglich wäre. Ein möglicher Grund für Schwankungen sind beispielsweise Messfehler, wie sie grundsätzlich bei jeder Messung auftreten können. Die Vorgabe eines Schwankungsbereichs für den die Sollwertkurve des Phasenverschiebungssignals hat daher den Vorteil, dass Korrekturmaßnahmen nicht ständig und möglicherweise aufgrund von Erfassungs- und Messungenauigkeiten zu früh eingeleitet werden, ohne dass derartige Maßnahmen notwendig wären. Auf diese Weise ist es möglich, Abweichungen vom Idealverlauf möglichst frühzeitig und mit hoher Erkennungsgenauigkeit festzustellen, sodass diesen Abweichungen möglichst frühzeitig entgegengewirkt werden kann.The detected phase shift signal naturally varies within certain limits, without this would be detrimental to a good puncture quality. A possible reason for fluctuations are, for example, measurement errors, as they can basically occur with each measurement. The specification of a fluctuation range for the setpoint curve of the phase-shift signal therefore has the advantage that corrective measures are not initiated too early and possibly too early due to detection and measurement inaccuracies, without such measures being necessary. In this way, it is possible to detect deviations from the ideal course as early as possible and with high recognition accuracy, so that these deviations can be counteracted as early as possible.

In diesem Zusammenhang hat es sich als günstig erwiesen, wenn ein zeitabhängiger Schwankungsbereich vorgegeben wird. Es hat sich gezeigt, dass das Phasenverschiebungssignal in Abhängigkeit von der Einstechzeit unterschiedlich starke Schwankungen aufweist. Durch Vorgabe eines zeitabhängigen Schwankungsbereichs wird diesen Schwankungen Rechnung getragen und eine besonders exakte Erkennung der Abweichungen vom Idealverlauf ermöglicht.In this context, it has proved to be advantageous if a time-dependent fluctuation range is specified. It has been shown that the phase shift signal has varying degrees of variation as a function of the piercing time. By specifying a time-dependent fluctuation range, these fluctuations are taken into account and a particularly exact recognition of deviations from the ideal course is made possible.

Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Einstechen in ein metallisches Werkstück mittels eines Laserstrahls gelöst, die aufweist: eine Laser-Einheit zum Bearbeiten einer Werkstück-Einstichstelle mit dem Laserstrahl, einen optischen Sensor zur Erfassung mindestens eines zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität der vom Werkstück in einem Zeitintervall emittierten Strahlung, sowie eine elektronische Schaltung mit einer Eingabe-Einheit zum Vorgeben einer Einstechdauer T und einer zeitabhängigen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve, mit einer Auswerte-Einheit zum Ermitteln eines Ist-Werts der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung, der den erfassten zeitlichen Verlauf repräsentiert, und zum Vergleichen des Ist-Werts mit einem Soll-Wert einer für das Zeitintervall vorgegebenen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve der Strahlungsintensität, und mit einer Ausgabe-Einheit für ein Ausgangssignal für eine Stell-Einheit, mit der der Energieeintrag in die Einstichstelle veränderbar ist, wenn der von dem optischen Sensor erfasste Ist-Wert außerhalb eines Toleranzbereichs des Soll-Werts liegt.With regard to the device, the above-mentioned object is achieved by a device for piercing a metallic workpiece by means of a laser beam comprising: a laser unit for processing a workpiece puncture site with the laser beam, an optical sensor for detecting at least one temporal course of the radiation intensity the radiation emitted by the workpiece in a time interval, and an electronic circuit having an input unit for specifying a piercing time T and a time-dependent radiation intensity setpoint curve, with an evaluation unit for determining an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval representing the detected timing, and comparing the actual value with a target value of a radiation intensity target value curve of the radiation intensity given for the time interval, and with an output unit for output signal for a positioning unit, with which the energy input into the puncture site is variable when the detected by the optical sensor actual value is outside of a tolerance range of the desired value.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Einstechen in ein metallisches Werkstück geeignet. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den obigen Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück.The device according to the invention is suitable for carrying out the method according to the invention for piercing into a metallic workpiece. Advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the above statements on the method according to the invention for piercing into a metallic workpiece.

Wie bereits dargelegt hängt die Qualität eines Einstichs in ein metallisches Werkstück wesentlich von der Einstechdauer ab. Die Vorrichtung umfasst daher neben einer Laser-Einheit zum Bearbeiten des Werkstücks, einen optischen Sensor und eine elektronische Schaltung, mit denen der Einstech-Vorgang auf Abweichungen vom Idealverlauf hin überwacht werden kann. Dies hat den Vorteil, dass etwaige Abweichungen vom Idealverlauf möglichst frühzeitig erkannt und entgegengewirkt werden kann.As already stated, the quality of a puncture into a metallic workpiece depends essentially on the piercing time. The device therefore comprises, in addition to a laser unit for processing the workpiece, an optical sensor and an electronic circuit with which the puncturing process can be monitored for deviations from the ideal course. This has the advantage that any deviations from the ideal course can be detected as early as possible and counteracted.

Der optische Sensor erfasst den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität bei ausgewählten, einzelnen Wellenlängen oder über einen Wellenlängenbereich. Die Erfassung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich erfolgen. Der elektronischen Schaltung werden die gewünschte, optimierte Einstechdauer und die zeitabhängige Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve vorgegeben. Ferner liegt der vom optischen Sensor erfasste zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität als Eingangssignal an der elektronischen Schaltung an. Hieraus ermittelt die Auswerte-Einheit der elektronischen Schaltung einen Ist-Wert der Strahlungsintensität und sie vergleicht diesen mit einem Soll-Wert der vorgegebenen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve. Der Vergleich des ermittelten Ist-Werts mit dem Soll-Wert ermöglicht eine Prognose hinsichtlich der zu erwartenden Einstechdauer und lässt mögliche Tendenzen zur Abweichung vom Idealverlauf erkennen, sodass es möglich wird, diesen Tendenzen entgegenzuwirken.The optical sensor detects the time course of the radiation intensity at selected, individual wavelengths or over a wavelength range. The detection can be continuous or discontinuous. The electronic circuit is given the desired, optimized puncture duration and the time-dependent radiation intensity setpoint curve. Furthermore, the time profile of the radiation intensity detected by the optical sensor is applied to the electronic circuit as an input signal. From this, the evaluation unit of the electronic circuit determines an actual value the radiation intensity and it compares this with a desired value of the predetermined radiation intensity setpoint curve. The comparison of the determined actual value with the target value enables a prognosis with regard to the expected puncture duration and reveals possible tendencies to deviate from the ideal course, so that it becomes possible to counteract these tendencies.

Wird eine Abweichung vom Idealverlauf erkannt, ist erfindungsgemäß vorgesehen, gibt die Ausgabe-Einheit der elektronischen Schaltung ein Ausgangssignal für eine Stell-Einheit aus, mit der der Energieeintrag in die Einstichstelle veränderbar ist.If a deviation from the ideal course is detected, it is provided according to the invention, the output unit of the electronic circuit outputs an output signal for a control unit, with which the energy input into the puncture site is variable.

Figurenlistelist of figures

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigt in schematischer Darstellung:

1 eine Ausführungsform einer Vorrichtung zum Einstechen in ein metallisches Werkstück,
2 zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Anordnung aus einer Einstech-Vorrichtung und einem Werkstück, das mit der Einstech-Vorrichtung bearbeitet wird, in zeitlicher Abfolge vor (A), während (B, C) und nach (D) einem Einstechvorgang,
3 in Diagramm (A) einen zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung wie er als Primärdatensatz erhalten wird, in Diagramm (B) den aus dem Primärdatensatz gemäß Diagramm (A) ermittelten Ist-Wert der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Zeit, und in Diagramm (C) die korrespondierende Strah lungsi ntensitäts-Sollwertkurve,
4 ein Strahlungsintensitäts-Zeit-Diagramm, wie es erhalten wird, wenn bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Energieeintrag in die Einstichstelle geändert wird, und
5 eine Ausführungsform einer Sensor-Einheit mit zwölf optischen Sensoren, die mit einer elektronischen Schaltung verbunden sind.

The invention will be described in more detail with reference to embodiments and drawings. It shows in a schematic representation:

1 an embodiment of a device for piercing into a metallic workpiece,
2 to explain the method according to the invention an arrangement of a piercing device and a workpiece, which is processed with the puncture device, in chronological order before ( A ), while ( B . C ) and after ( D ) a piercing process,
3 in diagram ( A ) a time course of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece as it is obtained as a primary data set, in diagram ( B ) from the primary dataset according to the diagram ( A ) determined actual value of the radiation intensity as a function of time, and in diagram ( C ) the corresponding radiation intensity setpoint curve,
4 a radiation intensity-time diagram, as it is obtained when in the implementation of the method according to the invention the energy input is changed to the puncture site, and
5 an embodiment of a sensor unit with twelve optical sensors, which are connected to an electronic circuit.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine Ausführungsform einer Laserschneidmaschine, der insgesamt die Bezugsziffer 100 zugeordnet ist. Die Laserschneidmaschine 100 ist zum Einstechen in ein und Schneiden eines metallischen Werkstücks 108 mit einer Dicke von 1 mm bis 30 mm geeignet. Sie umfasst eine Laser-Einheit mit einer Laserstrahlquelle 111 zur Erzeugung eines Laserstrahls 101, einen Laserbearbeitungskopf 110 mit einem Prozessgaseinlass 105 und einer Fokussier-Optik 104 zum Fokussieren des Laserstrahls 101 in Richtung der Schneiddüsen-Austrittsöffnung 106 beziehungsweise in Richtung des Werkstücks 108, einen ringförmigen optischen Sensor 103 zur Erfassung eines zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität der vom Werkstück in einem Zeitintervall emittierten Strahlung, sowie eine elektronische Schaltung 112, mit der ein Ist-Wert der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung ermittelbar ist und die einen Vergleich des Ist-Werts mit einem vorgegebenen Soll-Wert einer vorgegebenen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve im Zeitintervall ermöglicht. Die Laserschneidmaschine weist ferner eine vom Werkstück beabstandete Messelektrode 119 auf, mit der ein Wechselstrom erfassbar ist, der durch das Beaufschlagen des Werkstücks 108 mit einer Wechselspannung in der Messelektrode 119 hervorrufbar ist. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a laser cutting machine, the total reference numeral 100 assigned. The laser cutting machine 100 is for grooving in and cutting a metallic workpiece 108 suitable with a thickness of 1 mm to 30 mm. It comprises a laser unit with a laser beam source 111 for generating a laser beam 101 , a laser processing head 110 with a process gas inlet 105 and a focusing optics 104 for focusing the laser beam 101 in the direction of the cutting nozzle outlet opening 106 or in the direction of the workpiece 108 , an annular optical sensor 103 for detecting a time profile of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in a time interval, as well as an electronic circuit 112 , with which an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval can be determined and which enables a comparison of the actual value with a predetermined desired value of a predetermined radiation intensity setpoint curve in the time interval. The laser cutting machine further comprises a measuring electrode spaced from the workpiece 119 on, with an alternating current can be detected, by applying the workpiece 108 with an alternating voltage in the measuring electrode 119 is provable.

Die Laserstrahlquelle 111 ist ein CO₂-Laser; die Wellenlänge des von der Laserstrahlquelle 111 erzeugten Laserstrahls 101 beträgt 10,6 µm. Zur Umlenkung des Laserstrahls 101 in Richtung des Werkstücks 108 ist ein Spiegel 102 vorgesehen. Der Laserstrahl 101 wird schließlich von der Fokussier-Einheit 104 auf das Werkstück 108 fokussiert.The laser beam source 111 is a CO ₂ laser; the wavelength of the laser beam source 111 generated laser beam 101 is 10.6 μm. For deflecting the laser beam 101 in the direction of the workpiece 108 is a mirror 102 intended. The laser beam 101 will eventually be from the focusing unit 104 on the workpiece 108 focused.

Bei der Bearbeitung des Werkstücks 108 mit dem Laserstrahl 101 kommt es lokal zu einem Energieeintrag in das Werkstück 108, wodurch das Werkstück 108 selbst Strahlung 107 emittiert. Das Spektrum der vom Werkstück 108 emittierten Strahlung 107 hängt in erster Linie davon ab, aus welchem Material das Werkstück 108 gefertigt ist. Werkstücke aus Metall emittieren in der Regel Strahlung im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm. Der optische Sensor 103 ist innerhalb des Laserbearbeitungskopfes 110 derart angeordnet, dass er die bei einer Bearbeitung vom Werkstück 108 emittierte Strahlung 107 erfasst, sofern diese durch die Austrittsöffnung 106 der Schneiddüse hindurchtritt. Auf den optischen Sensor 103 ist eine als Filter wirkende Beschichtung aufgebracht (nicht dargestellt), die Strahlung im Wellenlängenbereich des von der Laserstrahlquelle 111 erzeugten Laserstrahls 101 absorbiert, für Strahlung im oben genannten Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm aber durchlässig ist. Der optische Sensor 103 ist zur Erfassung von Strahlungsintensitäten in diesem Wellenlängenbereich ausgelegt. Die von dem optischen Sensor erfassten Strahlungsintensitäten liegen als Eingangssignal 116 an der elektronischen Schaltung 112 an.When machining the workpiece 108 with the laser beam 101 it comes locally to an energy input into the workpiece 108 , whereby the workpiece 108 even radiation 107 emitted. The spectrum of the workpiece 108 emitted radiation 107 depends primarily on what material the workpiece 108 is made. Workpieces made of metal generally emit radiation in the wavelength range from 800 nm to 1,400 nm. The optical sensor 103 is inside the laser processing head 110 arranged such that it during machining of the workpiece 108 emitted radiation 107 detected, provided this through the outlet opening 106 the cutting nozzle passes. On the optical sensor 103 is applied as a filter coating applied (not shown), the radiation in the wavelength range of the laser beam source 111 generated laser beam 101 absorbed, but is transmissive to radiation in the above-mentioned wavelength range of 800 nm to 1,400 nm. The optical sensor 103 is designed to detect radiation intensities in this wavelength range. The radiation intensities detected by the optical sensor are present as an input signal 116 on the electronic circuit 112 on.

Darüber hinaus liegen auch das von der Messelektrode 119 erfasste Wechselstromsignal I_1,φ(t) und die Wechselspannung U₁(t), mit der das Werkstück 108 beaufschlagbar ist (nicht dargestellt), an der elektronischen Schaltung 112 als Eingangssignal an. Die elektronische Schaltung umfasst ferner eine Eingabe-Einheit 113 zum Vorgeben einer Einstechdauer und einer zeitabhängigen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve mit einem Toleranzbereich, einer Sollwertkurve für das Phasenverschiebungssignal mit einem Schwankungsbereich, sowie eine Auswerte-Einheit 114. Die Auswerte-Einheit ist zum Ermitteln eines den vom optischen Sensor 103 erfassten zeitlichen Verlauf repräsentierenden Ist-Werts der Strahlungsintensität der vom Werkstück im Zeitintervall emittierten Strahlung und zum Ermitteln der Phasenverschiebung zwischen dem von der ringförmigen Messelektrode 119 erfassten Wechselstromsignal I_1,φ(t) und der Wechselspannung U₁(t) ausgelegt.In addition, these are also of the measuring electrode 119 detected AC signal I _{1, φ} (t) and the AC voltage U ₁ (t) with which the workpiece 108 can be acted upon (not shown), on the electronic circuit 112 as input signal. The electronic circuit further comprises an input unit 113 for prescribing a puncture duration and a time-dependent radiation intensity setpoint curve having a tolerance range, a setpoint curve for the phase shift signal with a fluctuation range, and an evaluation unit 114 , The evaluation unit is for determining the one of the optical sensor 103 detected actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval and for determining the phase shift between that of the annular measuring electrode 119 detected AC signal I _{1, φ} (t) and the AC voltage U ₁ (t) designed.

Das Phasenverschiebungssignal entspricht dem zeitlichen Verlauf der Phasenverschiebung zwischen Wechselstromsignal I_1,φ(t) und Wechselspannung U₁(t). Zum Ermitteln des Ist-Werts der Strahlungsintensität wird von der Auswerte-Einheit die Fläche unter dem erfassten zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität im Zeitintervall integriert.The phase shift signal corresponds to the time profile of the phase shift between the AC signal I _{1, φ} (t) and AC voltage U ₁ (t) , For determining the actual value of the radiation intensity, the evaluation unit integrates the area under the detected time profile of the radiation intensity in the time interval.

Das Phasenverschiebungssignal wird von der Auswerte-Einheit mit der vorgegebenen Sollwertkurve für das Phasenverschiebungssignal verglichen; der Ist-Wert der Strahlungsintensität wird mit dem Soll-Wert in Form der integrierten Fläche der Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve im korrespondierenden Zeitintervall verglichen. Sofern der Toleranzbereich des Soll-Werts über- oder unterschritten und gleichzeitig der Schwankungsbereich über- oder unterschritten wird, wird von der Ausgabe-Einheit 115 der elektronischen Schaltung 112 ein Ausgangssignal 117 erzeugt, mit dem der Energieeintrag in die Einstichstelle veränderbar ist. Der Toleranzbereich ist zeitabhängig gewählt; er beträgt während der ersten Hälfte der Einstechdauer 3%, danach 2%. Auch der Schwankungsbereich ist zeitabhängig; er beträgt 2,5% im ersten Drittel der Einstechdauer und danach 2%. Das Ausgangssignal liegt an einer Steuer-Einheit der Laserstrahlquelle 111 an, mit der die Laserleistung einstellbar ist, vorzugsweise durch Variation mehrerer Parameter wie Pulsdauer, Pulsfrequenz oder Fokuslage.The phase shift signal is compared by the evaluation unit with the predetermined setpoint curve for the phase shift signal; the actual value of the radiation intensity is compared with the desired value in the form of the integrated surface of the radiation intensity desired value curve in the corresponding time interval. If the tolerance range of the setpoint value is exceeded or undershot and at the same time the fluctuation range is exceeded or undershot, the output unit issues 115 the electronic circuit 112 an output signal 117 generated, with the energy input into the puncture site is changeable. The tolerance range is selected as a function of time; it is 3% during the first half of the piercing period, then 2%. The fluctuation range is also time-dependent; it is 2.5% in the first third of the piercing time and then 2%. The output signal is applied to a control unit of the laser beam source 111 on, with the laser power is adjustable, preferably by varying several parameters such as pulse duration, pulse rate or focus position.

Anhand der 2 und 3 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zum Einstechen in ein metallisches Werkstück 108 näher erläutert:

Bevor mit der Bearbeitung des Werkstücks begonnen werden kann, ist es notwendig zunächst eine optimierte Einstechdauer zu ermitteln, beispielsweise durch Vorversuche an einem Werkstück mit einer Beschaffenheit, die der des später zu bearbeitenden Werkstücks entspricht. Alternativ kann die optimierte Einstechdauer auch durch Einsatz theoretischer Modelle oder - ausgehend von einem empirisch gewonnenen Datensatz - durch Interpolation gewonnen werden. Darüber hinaus wird in Vorversuchen die den Idealverlauf abbildende, zeitabhängige Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve ermittelt.

Based on 2 and 3 Below is the method according to the invention for piercing into a metallic workpiece 108 explained in more detail:

Before it is possible to start machining the workpiece, it is first necessary to determine an optimized piercing time, for example by preliminary tests on a workpiece having a quality which corresponds to that of the workpiece to be machined later. Alternatively, the optimized piercing time can also be obtained by using theoretical models or - based on an empirically obtained data set - by interpolation. In addition, the ideal course, time-dependent radiation intensity setpoint curve is determined in preliminary experiments.

2-A zeigt schematisch ein Werkstück 208, über dem ein Laserschneidkopf 210 mit einem ringförmigen optischen Sensor 203 angeordnet ist, unmittelbar vor dem Beginn des Einstech-Vorgangs. 2-A schematically shows a workpiece 208 above which a laser cutting head 210 with an annular optical sensor 203 is arranged immediately before the beginning of the plunge process.

Mit der Bearbeitung der Werkstück-Einstichstelle wird begonnen, indem mittels einer Laserstrahlquelle ein Laserstrahl 201 erzeugt und dieser auf das Werkstück 208 fokussiert wird. In 2-B ist die Anordnung aus 2-A während der Bearbeitung des Werkstücks 208 mit dem Laserstrahl 201 dargestellt. Durch die Bearbeitung des Werkstücks 208 mit dem Laserstrahl 201 entsteht auf der Werkstückoberfläche eine Plasmakapsel 200 und das Werkstück 208 samt Plasmakapsel emittiert im Bereich der Einstichstelle ungerichtet Strahlung 207 (dargestellt durch gestrichelte Pfeile) mit Wellenlängen in einem weiten Wellenlängenbereich, insbesondere im Wellenlängenbereich von 800 nm bis 1.400 nm. Die von dem Werkstück 208 emittierte Strahlung 207 wird schließlich von dem ringförmigen optischen Sensor 203 erfasst, der für die Erfassung von Strahlungsintensitäten bei einer Meßwellenlänge von 1.200 nm ausgelegt ist. Dabei wird von dem optischen Sensor 203 der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung 207 erfasst. 2-C zeigt die Anordnung aus 2-B zu einem Zeitpunkt, an dem der Einstich weiter fortgeschritten ist. Ist der Einstich - wie in 2-D dargestellt - abgeschlossen, passiert der Laserstrahl 201 ungehindert die Einstichstelle. Das Einstechverfahren ist abgeschlossen.The processing of the workpiece puncture site is started by using a laser beam source, a laser beam 201 generated and this on the workpiece 208 is focused. In 2 B is the arrangement off 2-A during machining of the workpiece 208 with the laser beam 201 shown. By machining the workpiece 208 with the laser beam 201 creates a plasma capsule on the workpiece surface 200 and the workpiece 208 together with the plasma capsule emits undirected radiation in the region of the puncture site 207 (shown by dashed arrows) with wavelengths in a wide wavelength range, in particular in the wavelength range of 800 nm to 1400 nm. The of the workpiece 208 emitted radiation 207 finally, the annular optical sensor 203 detected for the detection of radiation intensities at a measuring wavelength of 1200 nm. It is from the optical sensor 203 the time course of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece 207 detected. 2-C shows the arrangement 2 B at a time when the puncture has progressed further. Is the puncture - as in 2-D shown - completed, the laser beam happens 201 unhindered the puncture site. The piercing process is complete.

3-A zeigt den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung wie er üblicherweise als Primärdatensatz erhalten wird. Der zeitliche Verlauf der Strahlungsintensität kann in drei Phasen I, II und III untergliedert werden. Phase I entspricht dem Zustand vor Bearbeitungsbeginn wie er beispielsweise in 2-A dargestellt ist. Die eigentliche Bearbeitungsphase des Werkstücks ist Phase II; sie dauert vom Zeitpunkt des Bearbeitungsbeginns (0) bis zum Ende der Einstechdauer T. Das Strahlungsintensitätssignal weist in Phase II gewisse Schwankungen (Rauschen) auf. Dem Bearbeitungszustand des Werkstücks in Phase II entsprechen die Darstellungen in den 2-B und 2-C. Die Phase III entspricht dem Zustand nach einem erfolgten Einstich, wie er beispielsweise in 2-D dargestellt ist. 3-A shows the time course of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece as it is usually obtained as a primary data set. The temporal course of the radiation intensity can be subdivided into three phases I, II and III. Phase I corresponds to the state before the start of processing, as in example 2-A is shown. The actual machining phase of the workpiece is Phase II; It lasts from the time the processing starts (0) until the end of the puncture period T , The radiation intensity signal has certain fluctuations (noise) in phase II. The processing state of the workpiece in phase II correspond to the representations in the 2 B and 2-C , The phase III corresponds to the state after a successful puncture, such as in 2-D is shown.

3-B zeigt einen Sekundärdatensatz des zeitlichen Verlaufs der Strahlungsintensität wie er durch Aufbereitung 301 des Primärdatensatzes aus 3-A erhalten werden kann. Der Sekundärdatensatz wurde durch Mittelwertbildung erhalten. Der Sekundärdatensatz bildet den zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität ab; er weist allerdings gegenüber dem Primärdatensatz eine wesentlich geringere Schwankungsbreite auf und ist daher für einen Vergleich 302 mit einer vorgegebenen, entsprechend aufbereiteten zeitabhängigen Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve - wie sie in 3-C dargestellt ist - besser geeignet als der Prim ärdatensatz. 3-B shows a secondary data set of the time course of the radiation intensity as it by treatment 301 of the primary data set 3-A can be obtained. The secondary data set was obtained by averaging. The secondary dataset maps the time course of the radiation intensity; However, it has a much lower range of variation than the primary data set and is therefore for comparison 302 with a given, accordingly prepared time-dependent radiation intensity setpoint curve - as in 3-C is shown - better suited than the Prim ardatensatz.

4 zeigt ein Diagramm, anhand dessen beispielhaft erläutert wird, wie gemäß der vorliegenden Erfindung eine Abweichung vom Idealverlauf erkannt und dieser erfindungsgemäß entgegengewirkt wird. In dem Diagramm ist die Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt. Kurve 401 zeigt den tatsächlichen zeitlichen Verlauf der Strahlungsintensität der vom Werkstück emittierten Strahlung unter Berücksichtigung des veränderten Energieeintrags. Kurve 402 zeigt den zeitlichen Verlauf, der ohne den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens wahrscheinlich erfasst worden wäre. In Kurve 403 ist die zugehörige Strahlungsintensitäts-Sollwertkurve einschließlich der Toleranzbereichsuntergrenze 403a und der Toleranzbereichsobergrenze 403b dargestellt. Eine Abweichung vom Idealverlauf wird erkannt, wenn die Kurve 401 die Toleranzbereichsobergrenze 403b oder die Toleranzbereichsuntergrenze 403 a schneidet. Dies ist zum Zeitpunkt A der Fall (siehe Pfeil A). Zu diesem Zeitpunkt wurde der Energieeintrag in die Einstichstelle kurzfristig bis zum Zeitpunkt B (siehe Pfeil B) erhöht, mit der Folge, dass die durch die Kurve 403 vorgegebene Einstechdauer T weiterhin erreicht und ein Einstich mit hoher Einstichqualität erhalten wird. Wäre der zusätzliche Energieeintrag nicht erfolgt, hätte dies zu einer Verlängerung der Einstechdauer geführt (siehe Kurve 402). Der Einstich wäre erst zum Zeitpunkt T+X beendet gewesen. 4 shows a diagram, based on which is explained by way of example, as recognized according to the present invention, a deviation from the ideal course and this counteracted according to the invention. In the diagram, the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece as a function of time is shown. Curve 401 shows the actual time course of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece taking into account the changed energy input. Curve 402 shows the time course, which would probably have been detected without the use of the method according to the invention. In curve 403 is the associated radiation intensity setpoint curve including the lower tolerance range 403a and the tolerance range upper limit 403b shown. A deviation from the ideal course is recognized when the curve 401 the tolerance range upper limit 403b or the lower tolerance range 403 a cuts. This is the time A the case (see arrow A ). At this time, the energy input into the puncture site was short-term by the time B (See arrow B ) increases, with the result that through the curve 403 predetermined piercing time T continues to be achieved and a puncture with high puncture quality is obtained. If the additional energy input had not occurred, this would have led to an extension of the piercing time (see curve 402 ). The puncture would be only at the time T + X been finished.

5 zeigt eine Ausführungsform einer Sensor-Einheit, der insgesamt die Bezugsziffer 500 zugeordnet ist. Die Sensor-Einheit 500 hat eine Öffnung 502, durch die der Laserstrahl führbar ist; sie umfasst zwölf optische Sensoren 503, 504, 505, die mit einer elektronischen Schaltung 501 verbunden sind. Die zwölf optischen Sensoren können in drei Sensorgruppen 503, 504, 505 mit jeweils vier baugleichen Sensoren unterteilt werden, die um 90° versetzt um die Öffnung 502 angeordnet sind. Die Ausgangssignale der einzelnen Sensoren der Sensorgruppen 503, 504, 505 liegen als Eingangssignal an der elektronischen Schaltung 501 an. Die Sensorgruppen 503, 504, 505 unterschieden sich wie folgt: Die Sensorgruppe 503 umfasst vier baugleiche Sensoren, die zur Erfassung von Wellenlängen im Bereich von 600 nm bis 900 nm ausgelegt sind. Die Sensorgruppe 504 umfasst vier baugleiche Sensoren, die zur Erfassung von Wellenlängen im Bereich von 1.000 nm bis 1.200 nm ausgelegt sind. Dadurch, dass sich die Sensoren der Sensorgruppen 503 und 504 in den mit ihnen erfassbaren Wellenlängenbereichen unterscheiden, kann beispielsweise in Abhängigkeit vom eingesetzten Laser oder zu bearbeitenden Werkstück ausgewählt werden, welche Strahlungsanteile in welchen Wellenlängenbereichen erfasst werden sollen. Dies trägt dazu bei, dass die Sensor-Einheit flexibel einsetzbar ist. Die Sensorgruppe 505 umfasst wie die Sensorgruppe 504 vier baugleiche Sensoren, die zur Erfassung von Wellenlängen im Bereich von 1.000 nm bis 1.200 nm ausgelegt sind. Die Sensoren der Sensorgruppe 505 weisen allerdings eine etwa 10-fach höhere Empfindlichkeit auf, als die Sensoren der Sensorgruppe 504. Der Vorteil des gleichzeitigen Einsatzes von Sensorgruppen, die sich in den Sensor-Empfindlichkeiten unterscheiden, liegt darin, dass dieselbe Sensor-Einheit zur Prozessüberwachung bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke eingesetzt werden kann. 5 shows an embodiment of a sensor unit, the total reference numeral 500 assigned. The sensor unit 500 has an opening 502 through which the laser beam is feasible; it includes twelve optical sensors 503 . 504 . 505 that with an electronic circuit 501 are connected. The twelve optical sensors can be divided into three sensor groups 503 . 504 . 505 each with four identical sensors, which are offset by 90 ° around the opening 502 are arranged. The output signals of the individual sensors of the sensor groups 503 . 504 . 505 are the input signal to the electronic circuit 501 on. The sensor groups 503 . 504 . 505 differed as follows: The sensor group 503 includes four identically designed sensors that are designed to detect wavelengths in the range of 600 nm to 900 nm. The sensor group 504 includes four identically designed sensors designed to detect wavelengths in the range of 1,000 nm to 1,200 nm. Because of the fact that the sensors of the sensor groups 503 and 504 differ in the detectable with them wavelength ranges can be selected, for example, depending on the laser or workpiece to be machined, which radiation components to be detected in which wavelength ranges. This contributes to the flexible use of the sensor unit. The sensor group 505 includes like the sensor group 504 four identically designed sensors designed to detect wavelengths in the range of 1,000 nm to 1,200 nm. The sensors of the sensor group 505 However, they are about 10 times more sensitive than the sensors in the sensor group 504 , The advantage of the simultaneous use of sensor groups, which differ in the sensor sensitivities, is that the same sensor unit can be used for process monitoring when machining different workpieces.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19644101 C1 [0015]

Claims

Method for piercing into a metallic workpiece with a predetermined puncturing time using a laser beam, characterized by the method steps: (a) processing a workpiece puncture site by means of the laser beam, (b) detecting at least one time profile of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in a time interval with an optical sensor, (c) determining an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval, which represents the detected time profile according to method step (b), (d) comparing the actual value with a desired value of a the time interval given time-dependent radiation intensity setpoint curve of the radiation intensity, and (e) changing the energy input into the puncture site when the determined according to step (c) actual value is outside a tolerance range of the desired value.

Method according to Claim 1 , characterized in that the changing of the energy input according to method step (e) by changing the focal position, the laser power and / or, if the laser beam is generated with a pulsed laser, by varying the pulse frequency or the duty cycle takes place.

Method according to Claim 1 or 2 , characterized in that the detection of the time course of the radiation intensity in accordance with method step (b) takes place with an optical sensor which is sensitive in the wavelength range from 800 nm to 1400 nm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the laser beam passes through an outlet opening before it hits the workpiece puncture site, and that the detection of the time course of the radiation intensity according to method step (b) is carried out with an optical sensor (only ) detects the radiation intensity of the radiation component of the radiation emitted by the workpiece, which passes through the outlet opening.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that prior to detecting the time course of the radiation intensity according to method step (b) the radiation emitted by the workpiece in the region of the puncture site is filtered with an optical filter which filters out radiation with the wavelength of the laser beam.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that it also comprises the following method steps: (f) applying a first alternating signal to the workpiece, (g) detecting a second alternating signal caused by the first alternating signal in a measuring electrode spaced from the workpiece, (h) Determining the phase shift between the first and second alternating signal with output of a phase shift signal, (i) detecting a time course of the phase shift signal or a measured variable derived therefrom, (j) comparing the time profile of the phase shift signal or the measured variable derived therefrom with a predetermined setpoint curve for the phase shift signal a fluctuation range, wherein the changing of the energy input into the puncture site according to method step (e) takes place only if at the same time the detected time profile of the phase shift signal or the abg the measured variable lies outside the fluctuation range of the setpoint curve for the phase shift signal.

Device for piercing into a metallic workpiece by means of a laser beam, comprising a laser unit for processing a workpiece puncture site with the laser beam, an optical sensor for detecting at least a temporal course of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in a time interval, and an electronic circuit with an input unit for specifying a puncturing time T and a time-dependent radiation intensity setpoint curve, with an evaluation unit for determining an actual value of the radiation intensity of the radiation emitted by the workpiece in the time interval, which represents the detected time profile, and for comparing the actual With a target value of a radiation intensity setpoint curve of the radiation intensity predetermined for the time interval, and with an output unit for an output signal for a control unit with which the energy input changes into the puncture site rbar is when the detected by the optical sensor actual value is outside a tolerance range of the desired value.