DE19516376A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der LasermaterialbearbeitungInfo
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Description
Der CO₂-Hochleistungslaser ist aufgrund seiner Verfahrens-, Mengen- und Produktflexibilität
aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. Mit dem Laser können jedoch nur
dann hohe Bearbeitungsqualitäten erzielt werden, wenn die Vorbereitung des zu bearbeiteten
Werkstücks mit hoher Präzision erfolgt und die Prozeßparameter, insbesondere Fokuslage,
-radius, Laserstrahlleistung und Schweißgeschwindigkeit, exakt auf die Bearbeitungsaufgabe
abgestimmt sind und während der Bearbeitung überwacht werden. Die Qualifizierung der
Lasertechnik für weitere Anwendungen geht deshalb mit der Entwicklung von qualitäts
sichernder Systemtechnik einher.
Beim Laserstrahlschneiden ist die Abstandsregelung zum Einhalten einer konstanten Fokusla
ge bereits Stand der Technik. Berührungslos arbeitende Meßsysteme erlauben das Messen
direkt am Bearbeitungsort ohne Rückwirkungen auf das Werkstück. Die kapazitive Meßtech
nik hat sich am Markt durchgesetzt.
Beim Laserstrahlschweißen können diese Abstandskontrollsysteme aufgrund des störenden
laserinduzierten Plasmas und den damit verbundenen freien elektrischen Ladungen und die
hohen Temperaturen des Plasmas nicht eingesetzt werden. Auch die Abstandsmessung mittels
Lasertriangulation wird durch die in ihrer Intensität stark schwankende und gleichzeitig in
einem weiten Spektralbereich auftretende elektromagnetische Strahlung behindert. Durch eine
optische Trennung von laserinduzierten Plasma und dem Empfänger eines Lasersensors ist die
Abstandsmessung in unmittelbarer Nähe der Schweißstelle und damit die Möglichkeit der
Abstandsregelung realisierbar [1].
Beim Laserstrahlschweißen kann die Sicherung eines hohen Qualitätsstandards nur durch on
line Kontrolle und Regelung des Bearbeitungsvorganges sichergestellt werden. Hier werden
bereits einige Systeme angeboten.
In [2, 5] wird der Plasma Shielding Controller (PSC) beschrieben, der die Intensität einer aus
dem Wechselwirkungsbereich emittierten spezifischen Spektrallinie zur Regelung nutzt. Der
Regler schaltet über die Pumpleistung der Laserquelle die Laserausgangsleistung kurzzeitig
ab, wenn die Spektralintensität durch Überschreiten eines Schwellwertes einen instabilen
Prozeßzustand signalisiert. Der PSC unterdrückt Plasmaabschirmungen, vor allem beim
Aluminiumschweißen, im frühesten Entstehungsstadium, so daß ein Zusammenbruch des
Schweißprozesses vermieden wird und die Schweißnahtqualität konstant gehalten werden
kann.
Der Laser Welding Monitor (LWM) [3, 4] dient zur Prozeßüberwachung beim Laserstrahl
schweißen. Für eine zuverlässigere Signalbewertung werden zwei Meßmethoden herangezo
gen. Der Schweißprozeß wird mit einer im UV-Bereich empfindlichen Photodiode, die das
Plasma detektiert und einem im IR-Bereich empfindlichen Detektor, der die Schweißspritzer
registriert, aufgenommen. Die Signalanalyse bezieht sich dabei auf den Amplituden- und den
Frequenzbereich. Während der Bearbeitung werden die Detektorsignale mit einem Referenzsi
gnal verglichen, bei Abweichungen wird ein Signal ausgegeben, daß ein Schweißfehler
vorliegen kann.
Das Plasma-Monitoring System [5] detektiert die Plasmaemission während des Schweiß
prozesses und gibt on-line ein Signal über die Güte der Schweißnaht aus. Die Plasmaemission
wird nach drei Kriterien bewertet: Plasmaaussetzer, Plasmaabschirmung und durchschnittliche
Plasmaintensität. Die auftretenden Ereignisse werden dabei nach ihrer Zeitdauer analysiert
und entsprechend gewichtet.
Bei den oben beschriebenen Systemen handelt es sich, bis auf den Plasma Shielding Control
ler, und Überwachungssysteme. Diese Systeme nutzen entweder ein abgespeichertes Referenz
signal oder ein über längere Zeit detektiertes Signal zur Beurteilung des Bearbeitungsergeb
nisses. Die Ausgabe eines Wertes dieser Überwachungssysteme erfolgt nach dem Bearbei
tungsprozeß und beschränkt sich auf ein Anzeigen, ob das Bearbeitungsergebnis brauchbar
oder unbrauchbar ist. Der Plasma Shielding Controller unterdrückt die Plasmaabschirmung
und verhindert die Abschirmung durch das laserinduzierte Plasma. Eine direkte Beeinflussung
des Bearbeitungsergebnisses ist damit nicht möglich. Ein System, das eine definierte Be
arbeitungsqualität einhalten und kleine Störgrößen ausregeln kann, ist wünschenswert.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der die Brennfleckposition
bezüglich der Werkstückoberfläche während der Laserstrahlbearbeitung definiert eingestellt
und konstant gehalten werden kann.
Der Laserstrahl ist ein thermisches Werkzeug, der das zu bearbeitende Material lokal erhitzt
oder aufschmilzt. Durch die hohe Intensität an der Bearbeitungsstelle kommt es zur Plasmabil
dung (Leuchterscheinung). Das Bearbeitungsergebnis ist insbesondere abhängig von der
Fokuslage bezüglich der Werkstückoberfläche. Als optimale Fokuslage (z = 0) wird die
Fokuslage bezeichnet, bei der die Energieeinkopplung in das Werkstück maximal ist. Bei
Abweichung von der optimalen Fokuslage sowohl in negativer (z < 0) als auch in positiver
(z < 0) vertikaler Richtung nimmt die Energieeinkopplung in das Werkstück ab. Die Messung
des Plasmas mit den verschiedenen Sensoren (kapazitiv, induktiv und optisch) ergibt ebenfalls
eine bezüglich der Ordinate durch z = 0 achsensymmetrische Fokuslage - Sensorsignal -
Kennlinie. Bei der optimalen Fokuslage (z = 0) besitzt die Kennlinie ein relatives Extremum.
Ob nun ein relatives Minimum oder Maximum vorliegt bestimmt die Sensorkonfiguration.
Aus dem Betrag des Sensorsignals, der aufgrund der starken Plasmafluktuationen auch sehr
verrauscht ist, läßt sich allein nicht ablesen, ob die Fokuslage unterhalb der Werkstück
oberseite (z < 0) oder oberhalb der Werkstückoberseite (z < 0) liegt.
Wird dem Prozeß eine geringe vertikale Brennfleckoszillation, wie sie zum Beispiel mit
einem deformierbaren Spiegel (Patent DE 42 17 705 A1) möglich ist aufgeprägt, so entsteht
dadurch eine Oszillation der Laserintensität auf der Werkstückoberfläche und damit auch eine
Oszillation der Leuchterscheinung (Plasma), Bild 1 und Bild 2.
Die Phasenbeziehung zwischen der Frequenz der Brennfleckoszillation und der daraus
resultierenden Frequenz des Sensorsignals gibt Aufschluß darüber, ob die mittlere Fokuslage
oberhalb (z < 0) oder unterhalb (z < 0) der Werkstückoberfläche liegt. Weicht die mittlere
Fokuslage vom optimalen Fokus (z = 0) ab, so besitzt die Fokuslage - Sensorsignal - Kenn
linie eine gewisse Steigung. Ist diese Steigung positiv, so ist die Frequenz der Brennflec
koszillation gleichphasig zur resultierenden Frequenz des Sensorsignals. Bei negativer
Steigung ist die Phasenbeziehung gegenphasig, Bild 3. Am Punkt des optimalen Fokus (z =
0) ändert sich aufgrund der Achsensymmetrie der Kennlinie das Vorzeichen der Steigung, so
daß ein Phasensprung auftritt.
Bei der Wahl von geeigneten Sensoren kann die Brennfleckoszillation so gering gehalten
werden, daß eine sichere Phasenauswertung gewährleistet ist, ohne die Prozeßstabilität und
die Bearbeitungsqualität zu beeinträchtigen.
Der Betrag der Amplitude der resultierenden Sensorsignaloszillation ist abhängig von der
Steilheit der Kennlinie und damit ein Maß für die absolute Fokuslage z. Damit kann die
Amplitude der Sensorsignaloszillation zur Berechnung der Fokuslagennachführung herangezo
gen werden.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Sensorsignaloszillation zur Prozeßcharakterisierung
und Prozeßregelung besteht darin, daß die Rauschanteile des Sensorsignals abseits der
Frequenz der betrachteten Oszillation keine Auswirkung auf den Signal-Rausch-Abstand
besitzen. Das Verfahren eignet sich also auch für stark verrauschte Meßsignale, wie sie zum
Beispiel bei der Plasmamessung während des Laserstrahlschweißens entstehen.
- Integration eines (spärischen) deformierbaren Spiegels in die Strahlführung derart, daß eine
Brennweitenveränderung eine maximale Brennfleckverlagerung für den fokussierten
Laserstrahl bei gleichzeitig konstantem Fokusdurchmesser nach sich zieht.
- - Einsatz piezoelektrischer Aktuatoren oder Aktoren mit ähnlichen Eigenschaften für eine hinreichend schnelle Deformation der Spiegelfläche.
- - Auslegung des optischen Systems (adaptives Teleskop), daß bei minimalen Brennweiten änderungen des deformierbaren Spiegels maximale Änderungen in der Position des Brennflecks resultieren.
- - Einsatz des deformierbaren Spiegels bei verschiedenen Wellenlängen.
- - Horizontale Brennfleckverschiebung (Brennfleckoszillation) mit hinreichend hoher Fre quenz und geringer Amplitude, die den Prozeß nicht negativ beeinflußt.
- - Einsatz eines Sensors, der die optischen Emissionen des laserinduzierten Plasmas detektiert.
- - Einsatz von Interferenzfilter zur wellenlängenselektiven Auswahl.
- - Einsatz eines kapazitiven Sensors zur indirekten Messung der Plasmaintensität.
- - Einsatz eines induktiven Sensors zur indirekten Messung der Plasmaintensität.
- - Auswertealgorithmus, der die Phasenbeziehung zwischen ansteuernder Frequenz (Frequenz der Brennfleckoszillation) und der daraus resultierenden Frequenz des Sensorsignals ermittelt.
- - Zuordnung der Fokuslage (oberhalb, unterhalb Werkstück) über die Phasenbeziehung.
- - Bestimmung der absoluten Brennfleckposition über die Steigung der Kennlinie für das Plasmaleuchten in Abhängigkeit von der Fokuslage.
- - Bestimmung des Betrags der Amplitude der resultierenden Sensorsignaloszillation als Wert für die absolute Fokuslage.
- - Regelkreis, der die Fokuslage bzgl. der Werkstückoberfläche konstant hält. Die Nach stellung der Fokuslage kann entweder durch eine adaptive Optik oder durch ein mechani sches Nachführen (Zusatzachse) des Bearbeitungskopfes erfolgen.
- - Direktes Messen der Prozeßemissionen in der Wechselwirkungsstelle Laserstrahl-Materie.
[1] P 4005453.5; Einrichtung zur Abstandsmessung bei der Lasermaterialbearbeitung.
[2] Seidel, B.; Beersiek, J.; Sokolowski, W.; Beyer, E.: Prozeßregelung beim Laserstrahl schweißen. In: Materialbearbeitung mit CO₂-Laserstrahlen höchster Leistung. Broschü re zur Ergebnispräsentation am 8.2.94 in Düsseldorf. Hrsg. VDI-TZ
[3] Jurca, M.: On-line Monitor for the CO₂-Laser Welding Process. In: Waidelich, W. [Hrsg.]: Laser ′93. Vorträge des Internationalen Kongresses. Berlin: Springer 1994, S. 499 ff
[4] WO 90/10520; Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und - schneiden
[5] Zimmermann, K.; Klein, R.; Poprawe, R.: Aspects for Quality Assurance with a Plasma-Monitoring System During Laser Beam Welding. In: Waidelich, W. [Hrsg.]: Laser ′93. Vorträge des Internationalen Kongresses. Berlin: Springer 1994, S. 503 ff
[6] EP 573474; Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laser strahlung
[2] Seidel, B.; Beersiek, J.; Sokolowski, W.; Beyer, E.: Prozeßregelung beim Laserstrahl schweißen. In: Materialbearbeitung mit CO₂-Laserstrahlen höchster Leistung. Broschü re zur Ergebnispräsentation am 8.2.94 in Düsseldorf. Hrsg. VDI-TZ
[3] Jurca, M.: On-line Monitor for the CO₂-Laser Welding Process. In: Waidelich, W. [Hrsg.]: Laser ′93. Vorträge des Internationalen Kongresses. Berlin: Springer 1994, S. 499 ff
[4] WO 90/10520; Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserstrahlschweißen und - schneiden
[5] Zimmermann, K.; Klein, R.; Poprawe, R.: Aspects for Quality Assurance with a Plasma-Monitoring System During Laser Beam Welding. In: Waidelich, W. [Hrsg.]: Laser ′93. Vorträge des Internationalen Kongresses. Berlin: Springer 1994, S. 503 ff
[6] EP 573474; Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laser strahlung
Claims (13)
1. Verfahren zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der La
sermaterialbearbeitung mit folgenden kennzeichnenden Verfahrensschritten:
- - Aufprägen einer geringen, die Prozeßstabilität und Bearbeitungsqualität nicht beeinträchtigenden Brennfleckoszillation auf den Laserstrahl zur oszillatori schen Verschiebung der Fokuslage,
- - Detektion des laserinduzierten Plasmas mittels eines Sensors, der ein ent sprechendes Sensorsignal generiert,
- - Ermittlung der für die Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage repräsentativen Amplitude und Phase der aufgrund der Brennfleckoszillation resultierenden Sensorsignaloszillation und
- - Nachführen der Fokuslage entsprechend der ermittelten Abweichung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbezie
hung zwischen der Brennfleckoszillation und der Sensorsignaloszillation ermittelt
und daraus bestimmt wird, ob die aktuelle Fokuslage sich oberhalb oder unter
halb der optimalen Fokuslage befindet.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ampli
tude der Sensorsignaloszillation für die Ermittlung der Abweichung der Fokus
lage von der Fokus-Optimallage herangezogen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Brennfleckoszillation mit Hilfe einer adaptiven Optik hervorgerufen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
die Nachführung der Fokuslage durch eine adaptive Optik im Strahlengang der
Laser-Bearbeitungsvorrichtung erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Nachführung der Fokuslage der Bearbeitungskopf der Laser-Bearbeitungsvor
richtung mechanisch nachgefährt wird.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 6 in einer Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung, gekennzeichnet durch
- - eine Brennfleckoszillationseinrichtung in der Laser-Strahlführung der Bear beitungsvorrichtung zum Aufprägen der Brennfleckoszillation auf den Laser fokus vertikal zur Werkstückoberfläche,
- - einen Sensor mit einer Meßeinrichtung zur Detektion des laserinduzierten Plasmas,
- - eine Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Sensorsignaloszillation und Ermittlung der Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage,
- - eine Regeleinrichtung zur Erzeugung eines Stellsignals für die Nachführung der Fokuslage des Laserstrahls, und
- - eine Stelleinrichtung zum Nachführen der Fokuslage des Laserstrahls auf der Basis des Stellsignals.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennfleckos
zillationseinrichtung durch eine adaptive Optik mit einem deformierbaren Spiegel
gebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel
durch einen piezoelektrischen Aktuator deformierbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fo
kuslage mit Hilfe der von der Stelleinrichtung steuerbaren adaptiven Optik
nachführbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Fokuslage durch eine mechanische Nachführung des Bearbeitungskopfes
der Laser-Bearbeitungsvorrichtung nachführbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch einen
die optischen Emissionen des laserinduzierten Plasmas detektierenden Sensor.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch eine
die Intensität des laserinduzierten Plasmas indirekt detektierenden kapazitiven
oder induktiven Sensor.
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| DE19516376A DE19516376C2 (de) | 1995-05-04 | 1995-05-04 | Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung |
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| DE19516376A DE19516376C2 (de) | 1995-05-04 | 1995-05-04 | Verfahren und Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung |
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| Publication Number | Publication Date |
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| GB (1) | GB2300534A (de) |
| IT (1) | IT1285083B1 (de) |
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