DE19516376C2 - Method and device for control and regulation of the focal spot position in laser material processing - Google Patents

Method and device for control and regulation of the focal spot position in laser material processing

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DE19516376C2
DE19516376C2 DE1995116376 DE19516376A DE19516376C2 DE 19516376 C2 DE19516376 C2 DE 19516376C2 DE 1995116376 DE1995116376 DE 1995116376 DE 19516376 A DE19516376 A DE 19516376A DE 19516376 C2 DE19516376 C2 DE 19516376C2
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. The invention relates to a method for controlling and regulation of the focal spot position in laser material processing, and an apparatus for performing this method.

Der CO 2 -Hochleistungslaser ist aufgrund seiner Verfahrens-, Mengen- und Produktflexibilität aus der modernen Fertigung nicht mehr wegzudenken. The CO 2 high-power laser is indispensable due to its process, quantity and product flexibility of modern production. Mit dem Laser können jedoch nur dann hohe Bearbeitungsqualitäten erzielt werden, wenn die Vorbereitung des zu bearbeitenden Werkstücks mit ho her Präzision erfolgt und die Prozeßparameter, insbesondere Fokuslage, -radius, Laserstrahlleistung und Schweißgeschwindigkeit, exakt auf die Bearbeitungsaufgabe abgestimmt sind und während der Bearbeitung über wacht werden. With the laser, however, high machining quality can be achieved only if the preparation of the workpiece to be machined with ho forth precision made and the process parameters, in particular focal position -radius, laser power and welding speed are exactly matched to the machining task and during machining monitored become. Die Qualifizierung der Lasertechnik für weitere Anwendun gen geht deshalb mit der Entwicklung von qualitätssichernder Systemtech nik einher. Therefore, the qualification of laser technology for more applicatio gen goes hand in hand with the development of quality assurance Systemtech technology.

Beim Laserstrahlschneiden ist die Abstandsregelung zum Einhalten einer konstanten Fokuslage bereits Stand der Technik. In laser beam cutting the distance control for maintaining a constant focus position is already state of the art. Berührungslos arbeitende Meßsysteme erlauben das Messen direkt am Bearbeitungsort ohne Rückwir kungen auf das Werkstück. Non-contact measurement systems allow measuring directly at the processing location without retroactive effects on the workpiece. Die kapazitive Meßtechnik hat sich am Markt durchgesetzt. The capacitive measuring technology has established itself in the market.

Beim Laserstrahlschweißen können diese Abstandskontrollsysteme aufgrund des störenden laserinduzierten Plasmas und der damit verbundenen freien elektrischen Ladungen und hohen Temperaturen des Plasmas nicht einge setzt werden. In laser beam welding these distance control systems may be due to the interfering laser-induced plasma and the associated free electric charges and high temperature of the plasma is not. Auch die Abstandsmessung mittels Lasertriangulation wird durch die in ihrer Intensität stark schwankende und gleichzeitig in einem weiten Spektralbereich auftretende elektromagnetische Strahlung behindert. Also, the distance measurement by laser triangulation is hindered by the in intensity strongly fluctuating and simultaneously occurring in a wide spectral range of electromagnetic radiation. Durch eine optische Trennung von laserinduziertem Plasma und dem Emp fänger eines Lasersensors ist die Abstandsmessung in unmittelbarer Nähe der Schweißstelle und damit die Möglichkeit der Abstandsregelung reali sierbar, wie dies der DE 40 05 453 A1 entnehmbar ist. By optical resolution of laser-induced plasma and the Emp catcher of a laser sensor, the distance measurement in the immediate vicinity of the weld and thus the possibility of distance control is reali sierbar as DE 40 05 453 A1 can be removed.

Beim Laserstrahlschweißen kann die Sicherung eines hohen Qualitätsstan dards nur durch on-line-Kontrolle und Regelung des Bearbeitungsvorgan ges sichergestellt werden. In laser beam welding to ensure a high quality Stan can be standards ges ensured only by on-line monitoring and control of Bearbeitungsvorgan. Hier werden bereits einige Systeme angeboten. Some systems are already available.

In den Fachveröffentlichungen von B. Seidel et al. In the specialized publications B. Seidel et al. "Prozeßregelung beim Laserstrahlschweißen" in: "Materialbearbeitung mit CO 2 -Laserstrahlen höchster Leistung" (Broschüre zur Ergebnispräsentation am 08.02.1994 in Düsseldorf; Herausgeber: VDI-TZ) sowie K. Zimmermann et al. "Process control during laser beam welding" in: "material processing CO 2 laser beams of highest power" (brochure outcome presentation on 08.02.1994 in Dusseldorf; Publisher: VDI-TZ), and K. Zimmermann et al. "Aspects for Quality Assurance with a Plasma-Monitoring-System During Laser Beam Welding" in: "Laser'93" (Vorträge des internationalen Kongresses. Berlin: Springer 1994, Seite 503 ff, Herausgeber: W. Waidelich) wird der soge nannte Plasma Shielding Controller (PSC) beschrieben, der die Intensität einer aus dem Wechselwirkungsbereich emittierten spezifischen Spektral linie zur Regelung nutzt. "Aspects for Quality Assurance with a plasma monitoring system During Laser Beam Welding" in "Laser'93" (presentations of the International Congress of Berlin. Springer 1994, page 503 ff, edited by W. Waidelich), the so-called plasma Shielding controller (PSC) described, which uses the intensity of a light emitted from the interaction region specific spectral line for control. Der Regler schaltet über die Pumpleistung der Laserquelle die Laserausgangsleistung kurzzeitig ab, wenn die Spektralin tensität durch Überschreiten eines Schwellwertes einen instabilen Prozeß zustand signalisiert. The controller switches on the pump power of the laser source, the laser output for a short period when the intensity Spektralin by exceeding a threshold value an unstable process status signals. Der PSC unterdrückt Plasmaabschirmungen, vor allem beim Aluminiumschweißen, im frühesten Entstehungsstadium, so daß ein Zusammenbruch des Schweißprozesses vermieden wird und die Schweißnaht qualität konstant gehalten werden kann. The PSC suppressed plasma screens, especially when welding aluminum, the earliest possible stage, so that a collapse of the welding process is avoided, and the weld quality can be maintained constant.

Der Laser Welding Monitor (LWM), wie er dem Fachaufsatz von M. Jurca: "On-line Monitor for the CO 2 -Laser Welding Process" in: "Laser'93" aa O. bzw. der WO 9010520 A1 beschrieben ist, dient zur Prozeßüberwachung beim Laserstrahlschweißen. The Laser Welding Monitor (LWM) as the technical article by M. Jurca: described "Laser'93" supra or WO 9010520 A1, "On-line monitor for the CO 2 laser welding process" in is used for process monitoring in laser welding. Für eine zuverlässige Signalbewertung werden zwei Meßmethoden herangezogen. For reliable signal evaluation of two measuring methods are used. 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. The welding process is added with a sensitive in the UV range photodiode which detects the plasma, and is sensitive in the IR-range detector that registers the welding spatter. Die Signalanalyse bezieht sich dabei auf den Amplituden- und den Frequenzbereich. The signal analysis refers to the amplitude and the frequency range. Während der Bearbeitung werden die Detektor signale mit einem Referenzsignal verglichen, bei Abweichungen wird ein Signal ausgegeben, daß ein Schweißfehler vorliegen kann. During machining, the detector signals are compared with a reference signal, a signal is output in case of deviations that a welding failure may be present.

Das sogenannte Plasma-Monitoring-System, das aus dem Fachaufsatz von K. Zimmermann et al: "Aspects for Quality Assurance ..." (aa O.) be kannt ist, detektiert die Plasmaemission während des Schweißprozesses und gibt on-line ein Signal über die Güte der Schweißnaht aus. The so-called plasma-monitoring system from the technical article by K. Zimmermann et al: "Aspects for Quality Assurance ..." (cited above) be is revoked, the plasma emission detected during the welding process and gives on-line a signal about the quality of the weld made. Die Plas maemission wird nach drei Kriterien bewertet: Plasmaaussetzer, Plasma abschirmung und durchschnittliche Plasmaintensität. The Plas maemission is evaluated according to three criteria: Plasma dropouts, plasma shielding and average plasma intensity. Die auftretenden Er eignisse werden dabei nach ihrer Zeitdauer analysiert und entsprechend gewichtet. The occurring He eignisse are analyzed according to their duration and weighted accordingly.

Die oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren nach dem Stand der Technik weisen verschiedene Nachteile auf: The above-described devices and methods according to the prior art have various drawbacks:

Bei den oben beschriebenen Systemen handelt es sich, bis auf den Plasma Shielding Controller, um Überwachungssysteme. In the above systems are, except for the plasma shielding controller to surveillance systems. Diese Systeme nutzen ent weder ein abgespeichertes Referenzsignal oder ein über längere Zeit de tektiertes Signal zur Beurteilung des Bearbeitungsergebnisses. These systems use ent neither a stored reference signal or a tektiertes over time de signal for the evaluation of the processing result. Die Ausgabe eines Wertes dieser Überwachungssysteme erfolgt nach dem Bearbeitungs prozeß und beschränkt sich auf ein Anzeigen, ob das Bearbeitungsergeb nis brauchbar oder unbrauchbar ist. The output of the value of such monitoring systems is performed after the machining process and is limited to displaying whether the processing resulting nis is usable or unusable. Der Plasma Shielding Controller un terdrückt die Plasmaabschirmung und verhindert die Abschirmung durch das laserinduzierte Plasma. The plasma shielding un controller suppresses the plasma shielding and preventing the shielding by the laser-induced plasma. Eine direkte Beeinflussung des Bearbeitungs ergebnisses ist damit nicht möglich. A direct influence on the processing earnings is not possible.

Aus der EP 0 554 523 A1 ist eine Laser-Bearbeitungsvorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe eines fokussierten Lasers ein Werkstück bearbeitet wird. From EP 0554523 A1 a laser machining apparatus is known in which by means of a focused laser, a workpiece is machined. Ein optischer Sensor mit einem Blaufilter erfaßt dabei die Farbänderungen der Lichtemission des laser-bestrahlten Bearbeitungspunktes auf dem Werkstück. An optical sensor with a blue filter thereby detects the color changes of the light emission of the laser-irradiated machining point on the workpiece. Die Position der Fokussierlinse und damit die Fokuslage werden mit Hilfe des Ausgangssignals des optischen Sensors so geregelt, daß das vom Bearbeitungspunkt emittierte Licht eine blaue Farbe aufweist. The position of the focusing lens and the focal position can be controlled by means of the output signal of the optical sensor so that the light emitted from the processing point light has a blue color. Problematisch hierbei ist die Tatsache, daß bei einer Defokussierung des optischen Systems der Regelung kein Meßkriterium zugeführt wird, ob die Fokuslage unterhalb oder oberhalb der Werkstückoberflä che positioniert ist. The problem here is the fact that no measuring criterion is supplied at a defocus of the optical system of the control, whether the focal position is positioned above or below the Werkstückoberflä surface.

Ausgehend von der vorstehend geschilderten Problematik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Kon trolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung an zugeben, mit dem eine definierte Bearbeitungsqualität eingehalten und kleine Störgrößen ausgeregelt werden können. Starting from the above-described problems of the invention has the object to provide a method and a corresponding device for scrutiny to admit to the adhered a defined machining quality and small disturbances can be compensated and regulation of the focal spot position at the laser material machining on.

Die Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen charakterisiert ist, be schreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit der die Brennfleckposition be züglich der Werkstückoberfläche während der Laserstrahlbearbeitung definiert eingestellt und konstant gehalten werden kann. The invention, as characterized in the appended claims, be writes a method and a device with which the focal spot position be defined züglich the workpiece surface during the laser beam machining can be adjusted and kept constant. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nach Anspruch 1 folgende Verfahrensschritte vor: The inventive method provides according to claim 1, the following method steps:

  • - Aufprägen einer geringen, die Prozeßstabilität und Bearbeitungsqualität nicht beeinträchtigenden Brennfleckoszillation auf den Laserstrahl zur oszillatori schen Verschiebung der Fokuslage, - imparting a small, the process stability and processing quality non-interfering Brennfleckoszillation on the laser beam to oszillatori's displacement of the focus position,
  • - Detektion des laserinduzierten Plasmas mittels eines Sensors, der ein entspre chendes Sensorsignal generiert, - detection of the laser-induced plasma by means of a sensor which generates a sensor signal entspre and fair,
  • - Ermittlung der für die Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimal lage repräsentativen Amplitude der aufgrund der Brennfleckoszillation resul tierenden Sensorsignaloszillation und Phasenbeziehung zwischen der Frequenz der Brennfleckoszillation und der daraus resultierenden Frequenz der Sensor signaloszillation, und - determining the location of the deviation of the focus position of the focus-Optimal representative of the amplitude due to the Brennfleckoszillation resul animal forming Sensorsignaloszillation and phase relationship between the frequency of Brennfleckoszillation and the resulting frequency of the sensor signal oscillation, and
  • - Nachführen der Fokuslage entsprechend der ermittelten Abweichung. - tracking of the focus position corresponding to the determined deviation.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 7 angegeben. An apparatus for carrying out the method according to the invention is defined in claim. 7

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sind den Unter ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung entnehmbar. Further features, details and advantages of the invention are the dependent claims and the following description removed.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. An embodiment of the subject invention will be explained with reference to the accompanying drawings. Es zeigen: Show it:

Fig. 1 eine teilweise schematisierte, blockbildartige Darstellung einer Vorrichtung zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Lasermaterialbearbeitung, Fig. 1 is a partially schematic, block pictorial representation of an apparatus for the control and regulation of the focal spot position in laser material processing,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Bearbeitungskopf-Fokus mit zu geordnetem Zeit-Diagramm der Fokuslage, und Fig. 2 is a schematic representation of the processing head with focus to orderly time diagram of the focus position, and

Fig. 3 zwei Darstellungen von Kennlinientypen der Sensorsignal-Fokusla gen-Beziehung. Fig. 3 shows two representations of characteristic types of the sensor signal Fokusla gene relationship.

Die in Fig. 1 dargestellte Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung weist eine Laserquelle 1 auf, deren Laserstrahl 2 über einen Bearbeitungskopf 3 mit adaptiver Optik 4 fokussiert und auf das Werkstück 5 gerichtet wird. The illustrated in Fig. 1 laser material processing apparatus comprises a laser source 1, the laser beam is focused 2 via a processing head 3 with adaptive optics 4 and directed to the workpiece 5. Die adaptive Optik 4 weist dabei einen deformierbaren Spiegel 4 ' auf. The adaptive optics 4 has a deformable mirror 4 '. Das beim Schweißvorgang entstehende Plasma 6 wird von einem Detektor 7 er faßt, der mit einer mit entsprechender Sensorik 8 ausgerüsteten Meßein richtung 9 verbunden ist. The resulting during the welding process plasma 6 is detected by a detector 7, he conceived, which is connected with a equipped with a corresponding sensor 8 MESSEIN direction. 9 Die Meßeinrichtung gibt das Sensorsignal an eine Auswerte- und Regeleinrichtung 10 , 11 ab, die mittels eines Auswer te- und Regelalgorithmus das Sensorsignal auswertet und ein Stellsignal für die Stelleinrichtung 12 erzeugt. The measuring device outputs the sensor signal to an evaluation and control device 10, 11 from, the TE by means of a control algorithm Auswer and evaluates the sensor signal and generates a control signal for the actuating device 12th Die Stelleinrichtung 12 ist mit einer Steuerung 13 für die adaptive Optik 4 kombiniert, wodurch die Lage des Fokus 14 des Laserstrahls 2 auf der Basis des Stellsignals nachgeführt werden kann. The actuator 12 is combined with a controller 13 for adaptive optics 4, whereby the position of the focus 14 of the laser beam 2 can be tracked on the basis of the actuating signal.

Ganz allgemein ist der Laserstrahl ein thermisches Werkzeug, der das zu bearbeitende Material lokal erhitzt oder aufschmilzt. In general, the laser beam is a thermal mold which heats the material to be processed locally or melts. Durch die hohe In tensität an der Bearbeitungsstelle kommt es zur Bildung eines Plasmas 6 (Leuchterscheinung). Due to the high intensity In at the machining location, there is formation of a plasma 6 (luminosity). Das Bearbeitungsergebnis ist insbesondere abhängig von der Lage des Fokus 14 bezüglich der Werkstückoberfläche 15 . The processing result is particularly dependent on the position of the focus 14 with respect to the workpiece surface 15 °. Als op timale Fokuslage ( Fig. 3: z = 0) wird die Fokuslage bezeichnet, bei der die Energiekopplung in das Werkstück 5 maximal ist. As op timale focus position (Fig. 3: z = 0) is referred to the focus position, wherein the power coupling is at a maximum in the workpiece 5. Bei Abweichung von der optimalen Fokuslage sowohl in negativer (z < O) als auch in positi ver (z < O) vertikaler Richtung nimmt die Energieeinkopplung in das Werkstück 5 ab. In case of deviation from the optimum focus position both in the negative (z <O) and in positi ver (z <O) vertical direction, the energy input is decreased in the workpiece. 5 Die Messung des Plasmas 6 mit den verschiedenen Senso ren (kapazitiv, induktiv und optisch) - z. The measurement of the plasma 6 with the various Senso ren (capacitive, inductive and optical) - z. B. dem Detektor 7 - ergibt ebenfalls eine bezüglich der Ordinate durch z = O achsensymmetrische Fo kuslage-Sensorsignal-Kennlinie (s. Fig. 3). As the detector 7 - also results in respect to the ordinate by z = O axisymmetric Fo kuslage sensor signal characteristic (see Fig. 3.). Bei der optimalen Fokuslage (z = O) besitzt die Kennlinie ein relatives Extremum. At the optimal focus position (z = O), the characteristic curve has a relative extremum. Ob nun ein relati ves Minimum oder Maximum vorliegt, bestimmt die Sensorkonfiguration. Whether a relati ves minimum or maximum is now present, the sensor configuration is determined. Aus dem Betrag des Sensorsignals, der aufgrund der starken Plasmafluktuatio nen auch sehr verrauscht ist, läßt sich allein nicht ablesen, ob die Fo kuslage unterhalb der Werkstückoberseite (z < O) oder oberhalb der Werk stückoberseite (z < O) liegt. From the amount of NEN due to strong Plasmafluktuatio the sensor signal is also very noisy, but can not be read if the Fo kuslage below the workpiece top surface (z <O) or piece-top above the work (z <O) is located.

Wird dem Prozeß eine geringe vertikale Brennfleckoszillation aufgeprägt, wie sie zum Beispiel mit einem deformierbaren Spiegel gemäß DE 42 17 705 C2 möglich ist, so entsteht dadurch eine Oszillation der Laserintensität auf der Werkstückoberfläche 15 und damit auch eine Oszillation des Plas mas 6 ( Fig. 1 und 2). Is the process imparted a slight vertical Brennfleckoszillation as DE 42 17 705 C2, for example with a deformable mirror according possible, as this creates an oscillation of the laser intensity on the workpiece surface 15 and thus oscillation of the Plas mas 6 (Fig. 1 and 2).

Die Phasenbeziehung zwischen der Frequenz der Brennfleckoszillation und der daraus resultierenden Frequenz des Sensorsignals gibt Aufschluß dar über, ob die mittlere Fokuslage oberhalb (z < O) oder unterhalb (z < O) der Werkstückoberfläche liegt. The phase relationship between the frequency of Brennfleckoszillation and the resulting frequency of the sensor signal gives information about is whether the average focus position above (z <O) or below (z <O) is the workpiece surface. Weicht die mittlere Fokuslage vom optimalen Fokus (z = O) ab, so besitzt die Fokuslage-Sensorsignal-Kennlinie eine gewisse Steigung. Deviates from the average focus position of optimum focus (z = O), so the focal position-sensor signal curve has a certain slope. Ist diese Steigung positiv, so ist die Frequenz der Brennfleckoszillation gleichphasig zur resultierenden Frequenz des Sensor signals. If this slope is positive, the frequency of the Brennfleckoszillation is in phase to the resultant frequency of the sensor signal. Bei negativer Steigung ist die Phasenbeziehung gegenphasig ( Fig. 3). With a negative slope, the phase relationship is out of phase (Fig. 3). Am Punkt des optimalen Fokus (z = O) ändert sich aufgrund der Achsensymmetrie der Kennlinie das Vorzeichen der Steigung, so daß ein Phasensprung auftritt. At the point of optimum focus (z = O) changes due to the axial symmetry of the curve, the sign of the slope, so that a phase jump occurs.

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 beeinträch tigen. When choosing suitable sensors Brennfleckoszillation can be kept so low that reliable phase evaluation is ensured without term to beeinträch the process stability and processing quality.

Der Betrag der Amplitude der resultierenden Sensorsignaloszillation ist abhängig von der Steigung der Kennlinie und damit ein Maß für die ab solute Fokuslage z. The amount of the amplitude of the resulting Sensorsignaloszillation depends on the slope of the characteristic curve and thus a measure of the solute from the focal position z. Damit kann die Amplitude der Sensorsignaloszillation zur Berechnung der Fokuslagennachführung herangezogen werden. Thus, the amplitude of the Sensorsignaloszillation can be used to calculate the Fokuslagennachführung.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung der Sensorsignaloszillation zur Pro zeßcharakterisierung und Prozeßregelung besteht darin, daß die Rausch anteile des Sensorsignals abseits der Frequenz der betrachteten Oszillation keine Auswirkung auf den Signal-Rausch-Abstand besitzen. Another advantage of using the Sensorsignaloszillation for Pro zeßcharakterisierung and process control is that the noise shares of the sensor signal away from the frequency of the observed oscillations have no effect on the signal-to-noise ratio. Das Verfahren eignet sich also auch für stark verrauschte Meßsignale, wie sie zum Bei spiel bei der Plasmamessung während des Laserstrahlschweißens entstehen. Thus, the method is also suitable for very noisy measuring signals as they arise on Bei play in the plasma measurement during laser beam welding.

Verschiedene Aspekte der Erfindung sind stichwortartig wie folgt zusam menzufassen: Various aspects of the invention are key words menzufassen summarized as follows:

  • - Integration eines (spärischen) deformierbaren Spiegels in die Strahl führung derart, daß eine Brennweitenveränderung eine maximale Brenn fleckverlagerung für den fokussierten Laserstrahl bei gleichzeitig kon stantem Fokusdurchmesser nach sich zieht. - Integration of a (spherical) deformable mirror in the beam guide so that a zooming draws a maximum focal spot displacement of the focused laser beam at the same time kon stantem focus diameter to be.
  • - Einsatz piezoelektrischer Aktuatoren oder Aktoren mit ähnlichen Eigen schaften für eine hinreichend schnelle Deformation der Spiegelfläche. - use of piezoelectric actuators or actuators with similar intrinsic properties for a sufficiently rapid deformation of the mirror surface.
  • - Auslegung des optischen Systems (adaptives Teleskop), daß bei minima len Brennweitenänderungen des deformierbaren Spiegels maximale Ände rungen in der Position des Brennflecks resultieren. - Interpretation of the optical system (adaptive telescopic) such that upon minima len focal length changes of the deformable mirror stanchions maximum Ände result in the position of the focal spot.
  • - Einsatz des deformierbaren Spiegels bei verschiedenen Wellenlängen. - use of the deformable mirror at various wavelengths.
  • - Horizontale Brennfleckverschiebung (Brennfleckoszillation) mit hinrei chend hoher Frequenz und geringer Amplitude, die den Prozeß nicht ne gativ beeinflußt. - horizontal focal spot shift (Brennfleckoszillation) with reasonable accordingly high frequency and low amplitude, which does not affect the process gativ ne.
  • - Einsatz eines Sensors, der die optischen Emissionen des laserinduzierten Plasmas detektiert. - use of a sensor which detects the optical emission of the laser-induced plasma.
  • - Einsatz von Interferenzfilter zur wellenlängenselektiven Auswahl. - use of interference filters for wavelength selective choices.
  • - Einsatz eines kapazitiven Sensors zu indirekten Messung der Plasmain tensität. - intensity using a capacitive sensor to indirect measurement of plasma in.
  • - Einsatz eines induktiven Sensors zur indirekten Messung der Plasmain tensität. - intensity use of an inductive sensor for indirect measurement of plasma in.
  • - Auswertealgorithmus, der die Phasenbeziehung zwischen ansteuernder Frequenz (Frequenz der Brennfleckoszillation) und der daraus resultie renden Frequenz des Sensorsignals ermittelt. - evaluation algorithm of the phase relationship between frequency-addressing determined (frequency of Brennfleckoszillation) and the resultie therefrom in power frequency of the sensor signal.
  • - Zuordnung der Fokuslage (oberhalb, unterhalb Werkstück) über die Phasenbeziehung. - Assignment of the focal position (above, below the workpiece) on the phase relationship.
  • - Bestimmung der absoluten Brennfleckposition über die Steigung der Kennlinie für das Plasmaleuchten in Abhängigkeit von der Fokuslage. - determining the absolute position of focal spot on the slope of the characteristic curve for the plasma luminescence as a function of focal position.
  • - Bestimmung des Betrags der Amplitude der resultierenden Sensorsignal oszillation als Wert für die absolute Fokuslage. - determining the magnitude of the amplitude of the resulting oscillation sensor signal as the value for the absolute focus position.
  • - Regelkreis, der die Fokuslage bezüglich der Werkstückoberfläche kon stant hält. - control circuit which keeps the focus position with respect to the workpiece surface con stant. Die Nachstellung der Fokuslage kann entweder durch eine adaptive Optik oder durch mechanisches Nachführen (Zusatzachse) des Bearbeitungskopfes erfolgen. The adjustment of the focal position can be carried out either by an adaptive optics or by mechanical tracking (additional axis) of the machining head.
  • - Direktes Messen der Prozeßemissionen in der Wechselwirkungsstelle Laserstrahl/Materie. - Direct measurement of the process emissions in the interaction site laser beam / matter.

Claims (13)

  1. 1. Verfahren zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition bei der Laser materialbearbeitung mit folgenden kennzeichnenden Verfahrensschritten: 1. A method for control and regulation of the focal spot position in laser material processing with the following characterizing method steps:
    • 1. Aufprägen einer geringen, die Prozeßstabilität und Bearbeitungsqualität nicht beeinträchtigenden Brennfleckoszillation auf den Laserstrahl zur oszillatori schen Verschiebung der Fokuslage, 1. imparting a small, the process stability and processing quality non-interfering Brennfleckoszillation on the laser beam to oszillatori's displacement of the focus position,
    • 2. Detektion des laserinduzierten Plasmas mittels eines Sensors, der ein entspre chendes Sensorsignal generiert, 2. detection of the laser-induced plasma by means of a sensor which generates a sensor signal entspre and fair,
    • 3. Ermittlung der für die Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage repräsentativen Amplitude der aufgrund der Brennfleckoszillation resultieren den Sensorsignaloszillation und Phasenbeziehung zwischen der Frequenz der Brennfleckoszillation und der daraus resultierenden Frequenz der Sensorsi gnaloszillation und 3. Determination of the representative of the deviation of the focus position of the focus-Optimal location amplitude of the result due to the Brennfleckoszillation gnaloszillation the Sensorsignaloszillation and phase relationship between the frequency of Brennfleckoszillation and the resulting frequency of the Sensorsi and
    • 4. Nachführen der Fokuslage entsprechend der ermittelten Abweichung. 4. tracking of the focus position corresponding to the determined deviation.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung zwischen der Brennfleckoszillations- und der Sensorsignaloszillations-Frequenz ermittelt und daraus bestimmt wird, ob die aktuelle Fokuslage sich oberhalb oder unterhalb der optimalen Fokuslage befindet. 2. The method according to claim 1, characterized in that the phase relationship between the Brennfleckoszillations- and Sensorsignaloszillations frequency determined and therefrom determining whether the current focus position is above or below the optimal focus position.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude der Sensorsignaloszillations-Frequenz für die Ermittlung der Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage herangezogen wird. 3. The method of claim 1 or 2, characterized in that the amplitude of the Sensorsignaloszillations frequency for the determination of the deviation of the focus position is used by the focus optimal position.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennfleckoszillation mit Hilfe einer adaptiven Optik hervorgerufen wird. 4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Brennfleckoszillation is caused by means of an adaptive optics.
  5. 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. 5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the tracking of the focal position by an adaptive optics in the beam path of the laser machining apparatus is effected.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Nachführung der Fokuslage der Bearbeitungskopf der Laser-Bearbeitungsvorrich tung mechanisch nachgeführt wird. 6. A method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that processing for tracking the focus position of the processing head of the laser Bearbeitungsvorrich is mechanically tracked.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einer Laser-Materialbearbeitungsvorrichtung mit 7. Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 6 in a laser material processing apparatus having
    • 1. einer Brennfleckoszillationseinrichtung in der Laser-Strahlführung der Bear beitungsvorrichtung zum Aufprägen der Brennfleckoszillation auf den Laser fokus vertikal zur Werkstückoberfläche, 1. a Brennfleckoszillationseinrichtung in the laser-beam guidance of Bear beitungsvorrichtung for impressing the Brennfleckoszillation to the laser focus vertical to the workpiece surface,
    • 2. einem Sensor mit einer Meßeinrichtung zur Detektion des laserinduzierten Plasmas, 2. a sensor with a measuring device for detecting the laser-induced plasma,
    • 3. einer Auswerteeinrichtung zur Auswertung der Sensorsignale und Ermittlung der Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage, 3. an evaluation device for evaluating the sensor signals and determining the deviation of the focal position of the focus-optimal location,
    • 4. einer Regeleinrichtung zur Erzeugung eines Stellsignals für die Nachführung der Fokuslage des Laserstrahls, und 4. a control means for generating an actuating signal for the tracking of the focal position of the laser beam, and
    • 5. einer Stelleinrichtung zum Nachführen der Fokuslage des Laserstrahls auf der Basis des Stellsignals, 5. an adjustment device for tracking the focus position of the laser beam on the basis of the actuating signal,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung die Amplitude der durch die Brennfleckoszillation hervorgerufenen Sensorsignaloszillation und die Phasenbe ziehung zwischen der Brennfleckoszillations- und der Sensorsignaloszillations- Frequenz bewertet. characterized in that the evaluation device evaluates the amplitude of the evoked by the Brennfleckoszillation Sensorsignaloszillation and the phase relationship between the Brennfleckoszillations- and Sensorsignaloszillations- frequency.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennfleckos zillationseinrichtung durch eine adaptive Optik mit einem deformierbaren Spiegel gebildet ist. 8. Apparatus according to claim 7, characterized in that the Brennfleckos zillationseinrichtung is formed by an adaptive optics with a deformable mirror.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel durch einen piezoelektrischen Aktuator deformierbar ist. 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the mirror is deformed by a piezoelectric actuator.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fokus lage mit Hilfe der von der Stelleinrichtung steuerbaren adaptiven Optik nachführ bar ist. 10. The device bar according to claim 8 or 9, characterized in that the focal position tracking with the help of controllable by the adjusting device adaptive optics.
  11. 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. 11. Device according to one of claims 7 to 9, characterized in that the focal position can be tracked by a mechanical tracking of the machining head of the laser machining apparatus.
  12. 12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch einen die optischen Emissionen des laserinduzierten Plasmas detektierenden Sensor. 12. The device according to one of claims 7 to 11, characterized by an optical emission of the laser-induced plasma detecting sensor.
  13. 13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet durch einen die Intensität des laserinduzierten Plasmas indirekt detektierenden kapazitiven oder induktiven Sensor. 13. The device according to one of claims 7 to 11, characterized by a the intensity of the laser-induced plasma indirectly detected capacitive or inductive sensor.
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