DE10244548B4

DE10244548B4 - Method for determining the focus position during laser material processing

Info

Publication number: DE10244548B4
Application number: DE2002144548
Authority: DE
Inventors: Gerhard Reber; Andreas Wolf; Michael Windstosser
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-25
Filing date: 2002-09-25
Publication date: 2010-12-02
Anticipated expiration: 2022-09-26
Also published as: DE10244548A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fokus eines zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzten, gepulsten Laserstrahls (3) eines Lasers relativ zur Werkstückoberfläche, wobei während des Bearbeitungsprozesses ein Prozessmerkmal gemessen und mittels Vergleich der gemessenen Werte mit Funktionswerten dieses in Abhängigkeit von der Fokuslage vorab gemessenen Prozessmerkmals die Fokuslage bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Prozessmerkmal eine Leistung einer akustischen Emission gemessen wird, wobei die Messung der Leistung der akustischen Emission bei einer Frequenz erfolgt, die dem Ein- oder Mehrfachen der Repetitionsrate des Lasers entspricht.Method for determining the position of the focus of a pulsed laser beam (3) of a laser used for laser material processing relative to the workpiece surface, wherein a process characteristic is measured during the machining process and the focus position is determined by comparing the measured values with functional values of this process feature previously measured depending on the focus position is characterized in that a performance of an acoustic emission is measured as a process feature, wherein the measurement of the power of the acoustic emission is carried out at a frequency which corresponds to one or more times the repetition rate of the laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fokus eines zur Lasermaterialbearbeitung eingesetzten, gepulsten Laserstrahls eines Lasers relativ zur Werkstückoberfläche. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Computerprogramm zur Umsetzung des Verfahrens.The The invention relates to a method for determining the position of the focus a pulsed laser beam used for laser material processing of a Laser relative to the workpiece surface. Farther The invention relates to a computer program for implementing the method.

Stand der TechnikState of the art

Viele Prozesse der Lasermaterialbearbeitung, z. B. Schneiden, Bohren oder Schweißen, beruhen auf der Einwirkung fokussierter Laserstrahlung auf das zu bearbeitende Werkstück. So werden beispielsweise bestimmte Filter mit einem Laser in Einzelschusstechnik realisiert (bis zu 500 Bohrungen pro Sekunde), wobei entweder die gesamte zum Durchbohren notwendige Energie in einem Laserpuls enthalten ist oder eine Bohrung mit mehreren einzelnen Laserpulsen erzeugt wird (Perkussion). Weiterhin werden verschiedene Laser zum Schneiden oder Schweißen unterschiedlicher Werkstücke eingesetzt. Für einen effizienten Verfahrensablauf ist es erforderlich, den Fokus des Laserstrahls kontrolliert auf die Werkstücksoberfläche zu positionieren. Hierbei müssen Genauigkeiten von typischerweise 50 μm und weniger eingehalten werden.Lots Processes of laser material processing, z. As cutting, drilling or Welding, are based on the action of focused laser radiation on it machining workpiece. For example, certain filters with a single-shot laser become one realized (up to 500 holes per second), either the entire energy necessary for piercing in a laser pulse or a bore is produced with several individual laser pulses becomes (percussion). Furthermore, different lasers are used for cutting or welding different workpieces used. For An efficient procedure requires the focus controlled by the laser beam to position the workpiece surface. in this connection have to Accuracies of typically 50 microns and less are met.

Dass die genannte Genauigkeit der Fokuslage auch über längere Zeiträume unter den Umweltbedingungen der industriellen Fertigung eingehalten werden kann, ist erfahrungsgemäß nicht allein durch die passive Stabilität der Bearbeitungsmaschinen zu gewährleisten. Vielmehr ist eine gelegentliche Korrektur der relativen Lage von Werkstück und Fokus des Laserstrahls notwendig.That the specified accuracy of focus position even over long periods of time under the environmental conditions the industrial production can be maintained, experience has shown not solely due to the passive stability of the processing machines to ensure. Rather, it is an occasional correction of the relative position of workpiece and focus of the laser beam necessary.

Eine Messung der Fokuslage mit bekannten Verfahren der Laserstrahlanalyse erreicht die gewünschte Genauigkeit im allgemeinen nicht. Nachteilig ist hierbei, dass die Vermessung der Fokuslage relativ zum entsprechenden Strahlanalysegerät erfolgt und nicht, wie gewünscht, relativ zur Lage der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes.A Measurement of the focus position with known methods of laser beam analysis achieves the desired Accuracy generally not. The disadvantage here is that the Measurement of the focus position relative to the corresponding beam analyzer takes place and not as desired relative to the position of the surface of the workpiece to be machined.

Im allgemeinen erfolgt die Kontrolle der Fokuslage in Abhängigkeit vom Bearbeitungsergebnis. Bei nicht zufriedenstellendem Ergebnis (z. B. Schnittfugenbreite, Bohrlochgeometrie, Festigkeit der Schweißnaht etc.) erfolgt die Korrektur der Fokuslage manuell durch systematische Variation der Fokuslage und anschließende Bewertung des Bearbeitungsergebnisses. Diese Praxis ist unbefriedigend, da sie erheblichen Personaleinsatz und eine erhebliche Produktionsstillstandszeit erfordert. Da eine bereits erfolgte, für den Prozess als kritisch zu bewertende Abweichung der relativen Fokuslage von ihrer Soll-Lage nicht automatisch erkannt und nachgeregelt wird besteht zudem die Gefahr der Produktion von Ausschussteilen. Weiterhin ist es mit dem genannten Verfahren zur Kontrolle der Fokuslage nicht möglich, Fokuslagenschwankungen sicher von Schwankungen anderer, für den Prozess relevanter Parameter zu unterscheiden.in the In general, the control of the focus position is dependent from the machining result. With unsatisfactory result (eg kerf width, borehole geometry, weld seam strength, etc.) the correction of the focus position is done manually by systematic Variation of the focus position and subsequent evaluation of the processing result. This practice is unsatisfactory, as it requires considerable manpower and requires a significant production downtime. There one already done, for the process as a critical deviation of the relative Focus position of its target position not automatically detected and readjusted There is also a risk of producing rejects. Furthermore, it is with the said method for controlling the focus position not possible, Focus position fluctuations safe from fluctuations of others, for the process relevant parameter.

Es ist daher erstrebenswert, die Fokuslage eines der Bearbeitung dienenden Laserstrahls relativ zu einem Werkstück reproduzierbar mit hoher Genauigkeit zu messen und bei Bedarf nachzuregeln. Die laufende Fertigung soll für diesen Eingriff nicht oder nur für maximal einige Sekunden unterbrochen werden, so dass Bestimmung und Nachregelung der Fokuslage ohne nennenswerte Minderung der Fertigungsausbringung in regelmäßigen Zeitabständen oder kontinuierlich ausgeführt werden können.It is therefore desirable, the focus of one of the processing serving Laser beam relative to a workpiece reproducible with high Accuracy to measure and readjust as needed. The current Manufacturing should be for this intervention not or only for a maximum of a few seconds are interrupted so that provision and readjustment of the focal position without significant reduction in production output at regular intervals or continuously executed can be.

Aus der US 6,355,908 B1 ist ein Verfahren zur Fokussierung eines Lasers relativ zu einem Werkstück mittels der Lage eines durch den Laser gebildeten Plasmas bekannt.From the US 6,355,908 B1 For example, a method of focusing a laser relative to a workpiece by means of the location of a plasma formed by the laser is known.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Erfindungsgemäß werden während des Bearbeitungsprozesses ein oder mehrere Prozessmerkmale gemessen und mittels Vergleich der gemessenen Werte mit Funktionswerten dieser in Abhängigkeit von der Fokuslage vorab gemessenen Prozessmerkmale die aktuelle Fokuslage bestimmt. Hierzu wird vor Beginn des Bearbeitungsprozesses unter typischen Prozessbedingungen eine Vorabmessung ausgeführt, bei der die gewählten Prozessmerkmale in Abhängigkeit von der Fokuslage gemessen und bestimmt werden. Die auf diese Weise erhaltene Messkurve dient beim nachfolgenden Bearbeitungsprozess als Referenz, so dass während des Bearbeitungsprozesses gemessene Prozessmerkmale entsprechenden Funktionswerten dieser Messkurve zugeordnet werden können, aus denen sich dann die Fokuslage ergibt.According to the invention while of the machining process measured one or more process characteristics and by comparing the measured values with functional values of these dependent on Process characteristics measured in advance from the focal position Focus position determined. This is done before starting the editing process typical process conditions performed a pre-measurement, at the chosen one Process characteristics in dependence be measured and determined by the focus position. The way this way obtained trace is used in the subsequent machining process as a reference, so while corresponding to the processing process measured process characteristics Function values of this trace can be assigned which then gives the focus position.

Es hat sich herausgestellt, dass eine Vielzahl von, insbesondere unmittelbar zugänglichen Prozessmerkmalen existiert, deren Messwerte mit der Fokuslage des für den Bearbeitungsprozess eingesetzten Laserstrahls in Zusammenhang gebracht werden können. Insbesondere hat sich gezeigt, dass die aufgenommenen Messkurven in der Umgebung der Lage des Fokus auf der Werkstücksoberfläche charakteristische Kurvenverläufe (Extremwerte, Wendepunkte etc.) aufweisen.It It has been found that a variety of, especially directly accessible Process features exist whose measured values with the focus of the for the Machining process used laser beam related can. In particular, it has been shown that the recorded waveforms in the environment of the location of the focus on the workpiece surface characteristic curves (Extreme values, turning points etc.).

Für das erfindungsgemäße Verfahren hat sich die Verwendung von Größen als Prozessmerkmale als günstig erwiesen, die der Messung unmittelbar zugänglich sind und dem Bearbeitungsprozess direkt betreffen. Erfindungsgemäß sind dies die Gesamtleistung der akustischen Emission, die spektral aufgelöste Leistung der akustischen Emission oder das Verhältnis der spektral aufgelösten Leistung bei zwei verschiedenen Frequenzen der akustischen Emission während des Bearbeitungsprozesses. Die genannten Größen können durch bekannte Schallsensoren gemessen werden. Es hat sich gezeigt, dass die Schallintensität in der Gegend der Fokuslage auf der Werkstücksoberfläche ein lokales Minimum besitzt. Es eignen sich hierbei insbesondere Schallintensitätsmessungen bei dem ein oder mehrfachen der Repetitionsrate des Lasers.For the method according to the invention, the use of variables as process features has proven to be favorable, which are directly accessible to the measurement and directly affect the machining process. According to the invention, these are the total power of the acoustic emission, the spectrally resolved power of the acoustic emission or the ratio of spectrally resolved power at two different acoustic emission frequencies during the machining process. The sizes mentioned can be measured by known sound sensors. It has been shown that the sound intensity in the area of the focal position on the workpiece surface has a local minimum. In particular, sound intensity measurements at one or more times the repetition rate of the laser are suitable here.

Neben den genannten Größen kommen ebenfalls deren erste Ableitungen nach der Fokuslage als bevorzugte Prozessmerkmale in Betracht. Letztere lassen sich durch Modulation der Fokuslage und phasenrichtige Demodulation der gemessenen Größe ohne wesentlichen technischen Aufwand bereitstellen. Ein vorhandenes (lokales) Extremum in der Messkurve eines bestimmten Prozessmerkmales würde sich in der entsprechenden ersten Ableitung nach der Fokuslage in Form eines Nulldurchganges äußern. Abweichungen von der Nullstelle würden folglich auf eine Defokussierung des Laserstrahls während der Materialbearbeitung hinweisen.Next the sizes mentioned also come their first derivatives according to the focal position as preferred process characteristics into consideration. The latter can be achieved by modulation of the focus position and In-phase demodulation of the measured quantity without significant technical Expose effort. An existing (local) extremum in the Trace of a particular process feature would be in the corresponding express first derivative after the focus position in the form of a zero crossing. deviations from the zero point would therefore Defocusing the laser beam during material processing clues.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Kontrolle und zur Regelung der Fokuslage bei der Lasermaterialbearbeitung. Nach Bestimmung der Ist-Fokuslage kann diese mit einer vorgegebenen Soll-Fokuslage verglichen und eine etwaige Abweichung kompensiert werden. Für diese Kompensation ist es vorteilhaft, dass zu bearbeitende Werkstück und/oder das Fokussierobjektiv entlang der Laserstrahlrichtung zu verschieben, bis die Abweichung von Ist- und Soll-Fokuslage beispielsweise unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes reduziert worden ist.The inventive method is suitable for controlling and controlling the focus position in the Laser material processing. After determining the actual focus position can these compared with a predetermined target focus position and a any deviation be compensated. For this compensation it is advantageous that the workpiece to be machined and / or the focusing lens to move along the laser beam direction until the deviation from Actual and target focus position, for example, below a predetermined Threshold has been reduced.

Einige oder sämtliche der genannten Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens (Messung der Prozessmerkmale vorab oder während des Bearbeitungsprozesses, Vergleich der gemessenen Werte mit aufgenommenen Funktionswerten, Zuordnung der jeweiligen Fokuslagen aus diesem Vergleich, Nachregelung der Fokuslage auf eine einzuhaltende Soll-Fokuslage) lassen sich zweckmäßigerweise mittels eines Computerprogramms bewerkstelligen, das auf einer geeigneten Rechnereinheit ausgeführt wird. Diese Rechnereinheit ist zweckmäßigerweise in eine Vorrichtung zur Lasermaterialbearbeitung integriert oder an diese angeschlossen, so dass fortlaufend oder zu bestimmten Zeitpunkten Messung und Regelung der Fokuslage durchgeführt werden können. Das Computerprogramm kann auf geeigneten Datenträgern, wie EEPROMs, Flash-Memories, aber auch CD-ROMs, Disketten oder Festplattenlaufwerken gespeichert sein.Some or all the said steps of the method according to the invention (measurement of process characteristics in advance or during of the machining process, comparison of the measured values with recorded Function values, assignment of the respective focal positions from this Comparison, readjusting the focus position to a target focus position to be maintained) expediently by means of a computer program operating on a suitable computer Computer unit executed becomes. This computer unit is expediently in a device integrated or connected to the laser material processing, so that continuously or at certain times measurement and regulation the focal position can be. The Computer program can be stored on suitable data carriers, such as EEPROMs, flash memories, but also CD-ROMs, Floppy disks or hard disk drives.

Zeichnungendrawings

Die Erfindung wird in einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.The Invention is in one embodiment with the attached Figures closer explained.

1 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Lasermaterialbearbeitung und 1 schematically shows a device for laser material processing and

2 zeigt Funktionswerte eines in Abhängigkeit der Fokuslage gemessenen Prozessmerkmals. 2 shows functional values of a process characteristic measured as a function of the focus position.

Bevorzugte AusführungsformPreferred embodiment

1 zeigt schematisch einen Aufbau zur Lasermaterialbearbeitung, hier zum Laserbohren. 1 schematically shows a structure for laser material processing, here for laser drilling.

Dargestellt ist der Laserbearbeitungskopf 1 mit einem Fokussierobjektiv 8 und einem Umlenkspiegel 2. Wie aus dem dargestellten Strahlengang des Lasers ersichtlich, wird der Laserstrahl 3 auf das zu bearbeitende Werkstück 4 fokussiert. Die auf die Werkstücksoberfläche aufgebrachte Energie dient in diesem Beispiel zum Erzeugen eines Bohrlochs durch das Werkstück 4. Das Werkstück 4 wird von der Aufnahme 5 gehalten und positioniert. Mit der Aufnahme 5 fest verbunden ist das Achssystem 7, das eine räumliche Verschiebung in allen drei Raumrichtungen innerhalb vorgegebener Bereiche ermöglicht.Shown is the laser processing head 1 with a focusing lens 8th and a deflecting mirror 2 , As can be seen from the illustrated beam path of the laser, the laser beam 3 on the workpiece to be machined 4 focused. The energy applied to the workpiece surface in this example serves to create a bore hole through the workpiece 4 , The workpiece 4 will from the recording 5 held and positioned. With the recording 5 firmly connected is the axis system 7 , which allows a spatial displacement in all three spatial directions within given ranges.

Um den Bohrvorgang möglichst effizient zu gestalten, ist es notwendig, die Fokuslage des Laserstrahls 3 genau zu kontrollieren. Hierdurch kann ein durch die Fokussierung verursachtes Aufwärmen und Aufschmelzen des Werkstücks 4 vermieden werden.In order to make the drilling process as efficient as possible, it is necessary, the focus of the laser beam 3 to control exactly. As a result, caused by the focusing warming and melting of the workpiece 4 be avoided.

Erfindungsgemäß wird mittels einer Sensorik, hier einem Schallsensor 6, während des Bearbeitungsprozesses ein bestimmter räumlicher Bereich erfasst, so dass die spektral aufgelöste Schallleistung gemessen werden kann.According to the invention by means of a sensor, here a sound sensor 6 , During the machining process detects a specific spatial area, so that the spectrally resolved sound power can be measured.

2 zeigt nun beispielhaft die Abhängigkeit der spektralen Leistungsdichte der akustischen Emission als gemessene Größe eines Prozessmerkmals bei einem Laserbohrprozess bei der Frequenz von 4420 Hz, dem 26-fachen der Repetitionsrate des Lasers. Aufgetragen ist die normierte Schallintensität in Abhängigkeit von der Fokuslage, wobei die Nullstelle der Fokuslage der Position des Fokus auf der Werkstücksoberfläche entspricht. Die Abweichungen hiervon sind in Millimeter-Einheiten angegeben. Deutlich ersichtlich liegt für diesen Prozess die gewünschte Fokuslage (Soll-Fokuslage) im Minimum des dargestellten Prozessmerkmals. Bereits bei Abweichungen von 0,1 mm von der Soll-Fokuslage zeigen sich deutliche Zunahmen der Schallintensität in Relation zum dargestellten Minimum. 2 now shows by way of example the dependence of the spectral power density of the acoustic emission as measured size of a process feature in a laser drilling process at the frequency of 4420 Hz, the 26 times the repetition rate of the laser. Plotted is the normalized sound intensity as a function of the focus position, wherein the zero point of the focus position corresponds to the position of the focus on the workpiece surface. The deviations are given in millimeter units. Clearly visible for this process is the desired focus position (target focus position) in the minimum of the process characteristic shown. Even with deviations of 0.1 mm from the target focus position, significant increases in the sound intensity in relation to the minimum shown.

Die in 2 dargestellte Messkurve wird in einem Speicher beispielsweise in Form einer Look-Up-Tabelle abgelegt. Während des Laserbohrprozesses wird entweder kontinuierlich oder in bestimmten Zeitabständen über den Schallsensor 6 die Schallintensität bei einer Frequenz von 4420 Hz gemessen. Der gemessene Wert wird einem Funktionswert der gespeicherten Messkurve zugeordnet und hieraus wird die entsprechende Fokuslage als Ist-Wert bestimmt. Bei Abweichungen der Ist-Fokuslage vom gewünschten Soll-Wert (0 mm) kann das zu bearbeitende Werkstück 4 oder das Fokussierobjektiv 8 längs der Laserstrahlrichtung verschoben werden, bis die Abweichung von Ist- und Soll-Fokuslage weitgehend kompensiert ist.In the 2 Tracing curve shown is stored in a memory, for example in the form of a look-up table. During the laser drilling process, either continuously or at certain intervals via the sound sensor 6 the sound intensity measured at a frequency of 4420 Hz. The measured value is assigned to a function value of the stored measurement curve and from this the corresponding focus position is determined as the actual value. If the actual focus position deviates from the desired setpoint value (0 mm), the workpiece to be machined may vary 4 or the focusing lens 8th be moved along the laser beam direction until the deviation of the actual and target focus position is largely compensated.

Hierzu lassen sich Schwellenwerte definieren, die unterschritten werden müssen, um die Nachregelung der Fokuslage abzubrechen.For this can define thresholds that are undercut have to, to cancel the readjustment of the focus position.

Die Erfindung führt zu einer Erhöhung der Prozesssicherheit und der Verfügbarkeit der Fertigungsanlage. Darüber hinaus können Schwankungen des Bearbeitungsergebnisses und die Ausschussproduktion reduziert werden.The Invention leads to an increase the process reliability and the availability of the production plant. About that can out Variations in the processing result and reject production be reduced.

Claims

Method for determining the position of the focus of a pulsed laser beam used for laser material processing ( 3 ) of a laser relative to the workpiece surface, wherein a process characteristic is measured during the machining process and the focal position is determined by comparison of the measured values with functional values of this process feature previously measured depending on the focus position, characterized in that a performance of an acoustic emission is measured as a process feature, wherein the measurement of the power of the acoustic emission takes place at a frequency which corresponds to one or more times the repetition rate of the laser.

Method according to claim 1, characterized in that that after determining the actual focus position, this with a predetermined Target focus position compared and a deviation is compensated.

A method according to claim 2, characterized in that to compensate for the deviation of the target and actual focus position, the workpiece to be machined ( 4 ) and / or the focusing lens ( 8th ) is shifted along the laser beam direction.

Computer program with program code means for performing a Method according to one of the claims 1 to 3 when the computer program on a computer or a computer corresponding computer unit, or in a device for Laser material processing is integrated, is executed.

Computer program product with program code means, which are stored on a computer-readable medium for performing a Method according to one of the claims 1 to 3, if the computer program product on a computer or a corresponding computer unit, the or in a device is integrated for laser material processing, is executed.