DE19522493C2 - Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung einer gewünschten Eindringtiefe eines Bearbeitungslaserstrahles in ein Werkstück sowie Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbeiführung einer gewünschten Eindring­ tiefe eines Bearbeitungslaserstrahles in ein relativ zum Bearbeitungslaserstrahl mit vorgegebener Vorschubgeschwin­ digkeit bewegtes Werkstück, bei welchem

• a) ein Meßlaserstrahl auf die vom Bearbeitungslaserstrahl im Werkstück erzeugte Dampfkapillare gerichtet wird;
• b) der prozentuale Anteil des am Werkstück reflektierten Meßlaserstrahles ermittelt wird,
• c) die pro Zeiteinheit in das Werkstück durch den Bearbei­ tungslaserstrahl eingekoppelte Energie in Abhängigkeit von dem im Schritt b) ermittelten prozentualen Anteil des am Werkstück reflektierten Meßlaserstrahles beein­ flußt wird,
  sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit
• d) mindestens einem Laser, der einen Bearbeitungslaser­ strahl erzeugt, welcher in dem bearbeiteten Werkstück eine Dampfkapillare erzeugt;
• e) einer Steuereinheit, mit welcher die pro Zeiteinheit durch den Bearbeitungslaserstrahl in das Werkstück eingekoppelte Energie veränderbar ist;
• f) einem Sensor, welcher den am Werkstück im Bereich der Dampfkapillare reflektierten Anteil eines Meßlaserstrah­ les erfaßt und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt;
• g) einer Referenzsignalquelle, welche ein Referenzsignal erzeugt, das dem bei einer gewünschten Eindringtiefe (s) des Bearbeitungslaserstrahles reflektierten Anteil des Meßlaserstrahles entspricht;
• h) einem Komparator, welcher das Ausgangssignal des Sensors mit dem Referenzsignal vergleicht und ein die Steuer­ einheit beaufschlagendes Ausgangssignal abgibt.

Laserstrahlen werden in unterschiedlichster Weise zur Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt, so z. B. zum ober­ flächlichen Umschmelzen, zur Herstellung von Verbindungs­ schweißungen oder zum Einbringen von Bohrungen. In all diesen Fällen ist es von großer Bedeutung, die Eindring­ tiefe des Laserstrahles in das Werkstück zu erfassen und sicherzustellen, daß diese den gewünschten Wert erreicht und ggf. konstant beibehält. Bei Verbindungsschweißungen ist dies beispielsweise deshalb wichtig, weil einerseits die Schweißschmelze tief genug in die miteinander zu ver­ bindenden Teile hineinreichen muß, damit eine zuverlässige Vereinigung der Teile erzielt wird, weil aber andererseits die Schweißung auch nicht aus dem unten liegenden Teil austreten soll, was zur Beschädigung von Sichtoberflächen führen könnte. Dies gilt beispielsweise bei der Schweiß­ verbindung von Blechen, die als Karosserieteile beim Auto­ mobilbau Verwendung finden.

Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der eingangs genannten Art ist aus der DE-A-43 33 501 bekannt. Bei diesen wird ausgenutzt, daß die Intensität des an der Werkstückober­ fläche reflektierten Meßlaserstrahles eine eindeutige Funktion der Tiefe der Dampfkapillare ist, die von dem Bearbeitungslaserstrahl erzeugt wird, also letztendlich im wesentlichen eine Funktion der Schweißtiefe. Durch Messung dieses reflektierten Meßlaserstrahl-Anteiles läßt sich die Energiezufuhr zum Bearbeitungslaserstrahl so regeln, daß beim Verfahren des Werkstückes eine konstante Schweißtiefe erzeugt wird.

Beim Gegenstand der DE-A-43 33 501 befindet sich der Sensor, welcher den reflektierten Meßlaserstrahl-Anteil erfaßt, bezogen auf die Austrittsöffnung der Dampfkapillare, in einem Winkel von 90° zur Werkstückoberfläche, so daß die Achse des Bearbeitungslaserstrahles (jedenfalls in dem werkstücknahen Bereich) mit der Achse des reflektierten Meßlaserstrahles übereinstimmt. In diesem Sinne befindet sich dieser Sensor "auf der Achse" des Bearbeitungslaser­ strahles.

Es hat sich zwischenzeitlich herausgestellt, daß die maxi­ male Intensität des reflektierten Meßlaserstrahles aus der Dampfkapillare unter einem Winkel zur Werkstückober­ fläche austritt, die eine Funktion der Geschwindigkeit des Werkstückvorschubes ist. Bei der bekannten Vorrichtung werden daher die Meßwerte, die für hohe Vorschubgeschwindig­ keiten erhalten werden, verfälscht oder eine Messung wird ganz unmöglich, da der reflektierte Anteil des Meßlaser­ strahles ganz oder teilweise den Sensor bzw. die Abbildungs­ optik, welche das Licht auf den Sensor zuführt, verfehlt.

In dem Buch "Werkstoffbearbeitung mit Laserstrahlung" von G. Herziger u. a., Carl Hanser Verlag München Wien, Seiten 255 bis 258 ist ein Verfahren zur Qualitätssicherung beim Laserschweißen beschrieben. Hier wird der zeitliche Verlauf eines an einer Oberfläche reflektierten Laser­ strahles qualitativ, nicht quantitativ, ermittelt. Die hierbei eingesetzten Fotodioden sind in einem starren Winkel innerhalb der Streukeule, die durch die Reflexion an der rauhen Werkstückoberfläche entsteht, angeordnet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei welchem eine zuverlässige Nachregelung der Bearbeitungstiefe unabhängig von der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) die Ermittlung des prozentualen Anteils des am Werkstück reflektierten Meßlaserstrahles unter Winkeln gegen­ über der Werkstückoberfläche erfolgt, welche den mit der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit sich verändernden Winkeln entsprechen, unter denen der von der Dampfka­ pillare reflektierte Anteil des Meßlaserstrahles aus der Dampfkapillare austritt.

Erfindungsgemäß erfolgt also die Ermittlung desjenigen Anteiles des Meßlaserstrahles, der aus der Dampfkapillare zurückreflektiert wird (lasch gesprochen: der an der Werk­ stückoberfläche reflektiert wird), nicht mehr unter einem Winkel von 90° sondern unter unterschiedlichen, von 90° abweichenden Winkeln, die jeweils der Vorschubgeschwindig­ keit angepaßt sind. Die Anpassung kann aufgrund theoreti­ scher Überlegungen geschehen, da die Richtung, unter welcher die maximale Intensität des Meßlaserstrahles reflektiert wird, als Funktion der Vorschubgeschwindigkeit berechnet werden kann. Selbstverständlich ist es aber auch möglich, diesen Winkel durch Vorversuche experimen­ tell zu ermitteln.

In der bereits erwähnten DE-A-43 33 501 wird eine Verfah­ rensvariante beschrieben, bei welcher zwei unterschiedliche Laser verwendet werden, von denen der eine den Meßlaser­ strahl und der zweite den Bearbeitungslaserstrahl erzeugt. In diesem Falle empfiehlt sich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welcher zur Erzeugung des Meßlaserstrahles eine Laserdiode verwendet wird. Der­ artige Laserdioden bauen sehr klein und sind handelsübliche, preiswerte Bauelemente.

Bei Verwendung von Laserdioden ist außerdem eine Verfahrens­ variante möglich, bei welcher die Laserdiode gepulst betrieben wird. Dieses Pulsen der Laserdioden spiegelt sich dann in einer entsprechenden Modulation des von dem Sensor erzeugten Ausgangssignales wider, die sich zu einer schmal­ bandigen elektronischen Weiterverarbeitung eignet. Auf diese Weise läßt sich Störlicht, das aus der Umgebung oder vom Bearbeitungslaserstrahl herrühren kann, leicht elektronisch eliminieren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ferner, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich für alle Vorschubgeschwindigkeiten des Werkstückes eignet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

• a) der Sensor außerhalb der Achse des Bearbeitungslaser­ strahles unter einem Winkel gegenüber der Werkstück­ oberfläche angeordnet ist, der von 90° abweicht, und so eingerichtet ist, daß er unter unterschiedlichen Winkeln aus der Dampfkapillare austretende Anteile des reflektierten Meßlaserstrahles erfaßt.

Auf den Sinn der "off-axis-Anordnung" des Sensors wurde oben bereits bei der Erörterung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingegangen, worauf verwiesen werden kann.

Bei einer besonders kostengünstigen Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor entlang einer bogenförmigen Schiene, deren Krümmungsmittelpunkt etwa in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare liegt, bewegbar und auf dieser in unterschiedlichen Winkelpositionen festlegbar. Der Sensor wird auf dieser Schiene in einem Vorversuch oder aufgrund theoretischer Überlegungen in diejenige Position gebracht, in welcher bei der gegebenen Vorschubgeschwindig­ keit die maximale Intensität des reflektierten Meßlaser­ strahles auftritt.

Diese verhältnismäßig einfache Anordnung hat, wie erwähnt, den Nachteil, daß zunächst eine Voreinstellung des Sensors auf der Schiene erfolgen muß. Will man dies vermeiden, so empfiehlt sich eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei welcher der Sensor von einem Diodenarray gebildet ist, der einen bestimmten Raumwinkel abdeckt. Bei diesem Raumwinkel handelt es sich um denjenigen, inner­ halb welchem bei den für die Vorrichtung vorgesehenen Vorschubgeschwindigkeiten normalerweise reflektierte Meß­ laserstrahlen zu erwarten sind. Innerhalb des Diodenarrays wandert dann diejenige Stelle, an welcher die maximale Intensität des reflektierten Meßlaserstrahles empfangen wird, mit der Vorschubgeschwindigkeit.

Für diese Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bieten sich zwei unterschiedliche Auswertschaltungen an. Im ersten Fall kann die Auswertschaltung für das Ausgangs­ signal des Sensors einen Summenbildner enthalten, welcher die Ausgangssignale aller einzelner Dioden im Diodenarray aufaddiert. Diese aufaddierte Signal entspricht dann - und zwar im wesentlichen unabhängig von der Vorschubge­ schwindigkeit - der Gesamtintensität des reflektierten Meßlaserstrahles.

Alternativ ist auch eine Ausgestaltung möglich, bei wel­ cher die Auswertschaltung für das Ausgangssignal des Sen­ sors einen Diskriminator enthält, welcher das größte Aus­ gangssignal aller Dioden im Diodenarray bestimmt und zur Weiterverarbeitung weiterleitet. Hier wird also nur die maximal auftretende Intensität innerhalb des reflektierten Meßlaserstrahles ausgewertet.

Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Sensor eine elliptische Spiegelfläche umfaßt, die so angeordnet ist, daß sich ihr erster Brennpunkt in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare befindet, während in ihrem zweiten Brennpunkt ein lichtempfindli­ ches Element, z. B. eine Diode, angeordnet ist. Diese Aus­ gestaltung erfordert ebenfalls keinen verstellbaren Sensor, da alle aus der Austrittsöffnung der Dampfkapillare austretenden, reflektierten Meßlaserstrahlen zwangsläufig und unabhängig von dem Austrittswinkel in dem zweiten Brennpunkt auf dem lichtempfindlichen Element verei­ nigt werden. Eine gesonderte Aufaddition einzelner Signale wie bei dem oben beschriebenen Diodenarray ist hier nicht möglich und auch nicht erforderlich.

Für diejenige Ausgestaltung der Vorrichtung, bei welcher zwei unterschiedliche Laser vorgesehen sind, von denen der erste den Bearbeitungslaserstrahl erzeugt, empfiehlt sich nach dem zu dem erfindungsgemäßen Verfahren Gesagten eine Ausführungsform, bei welcher der zweite, den Meßla­ serstrahl erzeugende Laser von einer Laserdiode gebildet ist. Auf die hiermit verbundenen Vorteile wurde oben schon eingegangen.

Aufgrund der kleinen Bauweise von Laserdioden ist es in diesem Falle möglich, daß die Laserdiode gemeinsam mit dem Sensor in einem Meßkopf integriert ist. Sofern der Sensor auf einem Kreisbogen verstellbar ist, bedeutet dies, daß auch der Meßlaserstrahl unter einem Winkel, der von 90° abweicht, auf die Oberfläche des Werkstückes gestrahlt wird. Mit anderen Worten: eingestrahlter und reflektierter Meßlaserstrahl haben dann dieselbe Richtung und verlaufen koaxial.

Zum elektronischen Ausfiltern von Störlicht und Bearbei­ tungslaserlicht empfiehlt sich, wie schon erwähnt, eine Ausgestaltung der Vorrichtung, bei welcher die Laserdiode gepulst betrieben wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1: schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schweißen zweier Bleche;

Fig. 2 und 3: alternative Ausführungsbeispiele einer Vorrichtung zum Schweißen zweier Bleche;

Fig. 4: ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrich­ tung zum Schweißen zweier Bleche, bei welcher neben dem Bearbeitungslaserstrahl ein geson­ derter Meßlaserstrahl eingesetzt wird.

In Fig. 1a ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung dargestellt, mit welcher eine geregelte Schweiß­ tiefe erzielt werden kann. Die Vorrichtung umfaßt einen Laser 8, dessen Laserstrahl 9 über einen Strahlteiler 10 (teildurchlässiger Spiegel) und eine Fokussieroptik 11 auf ein zwei Bleche 1 und 2 umfassendes Werkstück ge­ richtet wird. Der fokussierte Laserstrahl 9 erzeugt in den Blechen 1, 2 eine von Schmelze 5 umgebene Dampfkapil­ lare 4, wie dies im einzelnen in der oben erwähnten DE-A- 43 33 501 beschrieben ist. Beim Verfahren des aus den Blechen 1, 2 gebildeten Werkstückes in Richtung des Pfei­ les 6 entsteht so eine durch das erstarrte Material 7 gebildete Verschweißung, deren Tiefe s ist.

Zum Einstellen und Konstanthalten dieser Schweißtiefe s wird, wie in der DE-A-43 33 501 ebenfalls ausführlich beschrieben, ausgenutzt, daß die prozentuale Energieein­ kopplung des Laserstrahles 9 in die Bleche 1 und 2 eine Funktion der Schweißtiefe s ist. Diese Funktion wird zuerst experimentell oder theoretisch ermittelt und als Kurve in einem Speicher 18 abgelegt.

Die der jeweiligen prozentualen Energieeinkopplung entspre­ chende reflektierte Intensität des Laserstrahles 9 wird durch Sensoren 12, 19 ermittelt. Welcher der Sensoren 12, 19 zum Einsatz kommt, hängt von der Vorschubgeschwindig­ keit des Werkstück 1, 2 in folgender Weise ab:

In Fig. 1a ist eine Situation dargestellt, in welcher die Vorschubgeschwindigkeit verhältnismäßig gering ist. In diesem Falle entspricht die Richtung der Längserstre­ ckung der Dampfkapillare 4 im wesentlichen der Richtung des einfallenden Laserstrahles 9, verläuft also im wesentli­ chen senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes 1, 2. Dies hat zur Folge, daß der reflektierte Anteil des Laserstrah­ les 9, der in Fig. 1a gestrichelt dargestellt und mit 9' bezeichnet ist, seinerseits ungefähr senkrecht zur Oberfläche des Werkstückes 1, 2 und damit koaxial zum einfallenden Laserstrahl 9 zurückverläuft. Seine Inten­ sität wird durch den Sensor 12 ermittelt, der hinter dem teildurchlässigen Spiegel 10 in der rückwärtigen Verlänge­ rung des auf das Werkstück auffallenden Laserstrahles 9 angeordnet ist. Diese Anordnung entspricht also der­ jenigen, die sich in der erwähnten DE-A-43 33 501 findet.

Das Ausgangssignal des Sensors 12, welches proportional der reflektierten Laserintensität ist, wird einem Kompa­ rator 17 zugeführt und dort mit demjenigen Wert der im Speicher 18 abgelegten Kurve verglichen, welcher der ge­ wünschten Schweißtiefe s entspricht.

Das Ausgangssignal des Komparators 17 wird der Steuerein­ heit des Lasers 8 zugeführt, mit welcher sich die Laser­ ausgangsleistung so verändern läßt, daß eine konstante Schweißtiefe s erreicht wird. Erneut wird bezüglich der detaillierten Vorgänge auf die DE-A-43 33 501 verwiesen.

Bei höheren Vorschubgeschwindigkeiten des Werkstückes 1, 2, wie dies in Fig. 1b dargestellt ist, verläuft die Dampfkapillare 4 des Werkstückes 1, 2 nicht mehr senkrecht zur Werkstückoberfläche sondern nimmt eine gekrümmte, in der Haupterstreckung schräg zur Werkstückoberfläche gerichtete Form an. Dies hat zur Folge, daß der aus der Dampfkapillare 4 zurückreflektierte Anteil des Laserstrah­ les 9, wie gestrichelt durch den Strahl 9' angedeutet, nicht mehr koaxial zum einfallenden Laserstrahl 9 sondern in schräger Richtung verläuft. Dies gilt jedenfalls für die Richtung maximaler Intensität des reflektierten Strahl­ anteiles. Der Winkel, unter dem der reflektierte Laser­ strahl 9' gegenüber der Vertikalen zur Werkstückoberfläche angestellt ist, ist eine eindeutige Funktion der Vorschub­ geschwindigkeit des Werkstückes 1, 2.

In denjenigen Fällen, in denen der reflektierte Laserstrahl 9' von der Fokussieroptik 11 nicht mehr auf den ersten Sensor 12 abgebildet und von diesem erfaßt werden kann, tritt der zweite Sensor 19 in Funktion. Dieser Sensor 19 ist auf einer Schiene 20 beweglich montiert, welche die Form eines Kreisbogens besitzt, dessen Mittelpunkt etwa in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare 4 liegt. Der Sensor 19 kann auf der Schiene 20 verfahren und in jeder Winkelstellung festgestellt werden.

Im Betrieb bei hoher Vorschubgeschwindigkeit wird zunächst diejenige Position ermittelt, in welcher der zweite Sensor 19 anzuordnen ist, damit er den reflektierten Laserstrahl 9' mit maximaler Intensität empfangen kann. Dies kann entweder dadurch geschehen, daß aus der vorermittelten funktionellen Abhängigkeit zwischen dem Winkel des reflektier­ ten Laserstrahles und der Vorschubgeschwindigkeit die der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit entsprechende Winkel­ position ausgelesen wird; alternativ ist es auch möglich, in einem Vorversuch durch Verschwenken des zweiten Sensors 19 auf der Schiene 20 die entsprechende Position aufzufin­ den und den zweiten Sensor 19 dann auf der Schiene 20 an entsprechender Stelle festzulegen.

Die weitere Funktionsweise der in Fig. 1b dargestellten Vorrichtung entspricht vollständig derjenigen, die oben für die niedrige Vorschubgeschwindigkeit anhand der Fig. 1a beschrieben wurde; die einzige Ausnahme besteht darin, daß das Sensorsignal, welches dem Komparator 17 zugeführt wird, nicht vom ersten Sensor 12 sondern vom zweiten, beweglichen Sensor 19 herrührt.

In Fig. 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung zum Schweißen von Werkstücken dargestellt, welches weitgehend demjenigen von Fig. 1a und 1b entspricht. Entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszei­ chen, zuzüglich 100, gekennzeichnet. In Fig. 2 ist eine Situation bei verhältnismäßig hoher Vorschubgeschwindig­ keit dargestellt, ähnlich wie sie in Fig. 1b gegeben ist.

In Fig. 2 finden sich der Laser 108, der Strahlteiler 110, die Abbildungsoptik 111, der erste Sensor 112, der Komparator 117 und der Speicher 118 in identischer Weise wieder. Die Funktionsweise bei niedriger Vorschubgeschwin­ digkeit würde exakt derjenigen von Fig. 1a entsprechen.

Auch das Werkstück, welches aus den Blechen 101, 102 be­ steht und in dem sich unter Einwirkung des Laserstrahles 109 eine von Schmelze 105 umgebene Dampfkapillare 104 bildet, ist mit den Verhältnissen in Fig. 1b identisch.

Unterschiedlich ist die Ausbildung des zweiten Sensors 119, der außerhalb der Achse der Abbildungsoptik 111 und damit des einfallenden Laserstrahles 109 angeordnet ist. Es handelt sich hier um ein "Diodenarray", welches den ge­ samten in Frage kommenden Raumwinkel abdeckt und eine Vielzahl einzelner Dioden enthält. Der Sensor 119 kann daher, anders als der zweite Sensor 19 von den Fig. 1a und 1b, unbeweglich angeordnet sein. Die Auswertung und Verarbeitung der von den einzelnen Dioden abgegebenen Signale, welche den von den einzelnen Dioden empfange­ nen Anteilen des reflektierten Laserstrahles 109' ent­ sprechen, kann auf unterschiedliche Weise erfolgen:

Entweder ist es möglich, alle Signale aufzuaddieren, wodurch zur Weiterverarbeitung ein Gesamtsignal erhalten wird, welches im wesentlichen der gesamten Intensität des reflektierten Laserstrahles 109' entspricht. Alter­ nativ kann durch eine geeignete Diskriminatorschaltung zur Weiterverarbeitung nur dasjenige Signal der in dem zweiten Sensor 119 enthaltenen Diode ausgewählt werden, welches maximal ist. Diese Diode sitzt also innerhalb der von dem zweiten Sensor 119 abgedeckten Fläche an der Stelle maximaler Intensität.

Die Weiterverarbeitung des so erhaltenen Signales über den Komparator 117 erfolgt in derselben Weise wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1a und 1b.

In Fig. 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vor­ richtung zum Schweißen von Werkstücken dargestellt, wel­ ches demjenigen der Fig. 1a und 1b sehr ähnlich ist. Entsprechende Teile sind daher mit demselben Bezugszeichen, zuzüglich 200, gekennzeichnet.

Identisch wie in den Fig. 1a und 1b ist wiederum die Anordnung aus Laser 208, Strahlteiler 210, Abbildungsoptik 211, erstem Sensor 212 in rückwärtiger Verlängerung des einfallenden Laserstrahles 209, Komparator 217 und Speicher 218. Auch das Werkstück aus den Blechen 201 und 202 mit der von Schmelze 205 umgebenen Dampfkapillare 204 entspricht vollständig demjenigen der Fig. 1a und 1b.

Der Sensor 219 der Vorrichtung von Fig. 3 umfaßt einen Spiegel 230, dessen Fläche als Teil eines Ellipsenbogens ausgeformt ist. Im allgemeinen genügt es dabei, wenn die Spiegelfläche 230 nur einfach gekrümmt ist, also in allen Ebenen parallel zur Zeichenebene von Fig. 3 dieselbe Form aufweist, da die relevante Winkelabweichung des re­ flektierten Laserstrahles 209' ebenfalls in dieser Ebene liegt. Sehr aufwendig, aber grundsätzlich möglich, wäre es auch, die Spiegelfläche 230 als Ellipsoid-Teilfläche zu gestalten.

Die elliptische Spiegelfläche 230 ist gegenüber dem Werkstück 1, 2 so angeordnet, daß ihr einer Brennpunkt F1 in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare an der Werkstück­ oberfläche liegt. Im zweiten Brennpunkt F2 befindet sich ein lichtempfindliches Element 231, beispielsweise eine Diode, welche über einen Ausleger 232 mit dem Spiegel 230 verbunden ist.

Die Anordnung ist offensichtlich so, daß aufgrund der geometrischen Eigenschaften einer Ellipse alle von dem Brennpunkt F1, also der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare 204, ausgehenden reflektierten Laserstrahlen 209' in dem zweiten Brennpunkt F2, also in der Diode 231, gesammelt werden, unabhängig von dem Winkel, den die ein­ zelnen Strahlen gegenüber der Vertikalen zum Werkstück 201, 202 aufweisen.

Bei der Anordnung von Fig. 3 erfolgt also immer automa­ tisch eine Integration über die Gesamtintensität des reflektierten Laserstrahles 209', welcher auf die Spiegel­ fläche 230 auftrifft. Anders als bei den Ausführungsbei­ spielen der Fig. 1a, 1b und 2 ist es aber beim Ausfüh­ rungsbeispiel von Fig. 3 grundsätzlich nicht möglich, aus dem Signal des zweiten Sensors 212 die Winkelrichtung zu ermitteln, unter welcher der reflektierte Laser­ strahl 209' mit maximaler Intensität austritt.

In den Fig. 4a und 4b ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Schweißen von Werkstücken dargestellt, bei welcher die Bearbeitung des Werkstückes und die Messung der Schweißtiefe, also die Messung der Tiefe der Dampf­ kapillare, mit zwei unterschiedlichen Laserstrahlen erfolgt. Auch die diesbezüglichen Grundsätze sind bereits in der DE-A-43 33 501 beschrieben.

In Fig. 4a ist wiederum die Situation bei niedriger Vor­ schubgeschwindigkeit dargestellt, welche in der DE-A- 43 33 501 bereits abgedeckt ist. Wegen der grundsätzlichen Ähnlichkeit der Vorrichtung nach den Fig. 4a und 4b mit der Vorrichtung der Fig. 1a und 1b sind entspre­ chende Teile wiederum mit denselben Bezugszeichen, zuzüg­ lich 300, gekennzeichnet.

Auch bei dem in Fig. 4a dargestellten zu bearbeiten Werk­ stück handelt es sich um zwei übereinander liegende Bleche 301, 302, die im Sinne des Pfeiles 306 vorwärts bewegt werden. Ein erster Laser 308, nachfolgend "Bearbeitungs­ laser" genannt, sendet einen ersten Laserstrahl 309, nach­ folgend "Bearbeitungslaserstrahl" genannt, aus. Der Bear­ beitungslaserstrahl 309 wird durch einen ersten Strahl­ teiler (teildurchlässiger Spiegel) 310 um 90° umgelenkt, so daß er etwa senkrecht auf das obere Blech 301 auftrifft. Zwischen dem ersten Strahlteiler 310 und der Werkstückober­ fläche befindet sich wiederum eine Fokussieroptik 311.

Der Bearbeitungslaserstrahl 309 erzeugt in den Blechen 301 und 302 eine Dampfkapillare 304, die von einer Schmelze 305 umgeben ist, und hinterläßt beim Verfahren des Werk­ stückes eine aus erstarrtem Material 307 gebildete Schweiß­ naht, genauso wie dies beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1a und 1b der Fall war.

Senkrecht oberhalb des aus den Blechen 301 und 302 gebil­ deten Werkstückes ist ein zweiter Laser 313 angeordnet, der nachfolgend "Meßlaser" genannt wird. Der Meßlaser 313 sendet einen zweiten Laserstrahl 314 aus, der nach­ folgend "Meßlaserstrahl" genannt wird. Zur Wellenlänge dieses Meßlaserstrahles wird weiter unten noch Stellung genommen.

Der Meßlaserstrahl 314 durchsetzt einen zweiten unter einem Winkel von etwa 45° angestellten Strahlteiler 315, den ersten Strahlteiler 310 und wird von der Fokussieroptik 311 in derselben Weise auf die Dampfkapillare 304 abgebil­ det wie der Bearbeitungslaserstrahl 309 auch. Das heißt, der Meßlaserstrahl 314 "sieht" am Werkstück dieselben geometrischen Verhältnisse wie der Bearbeitungslaserstrahl 309.

Der von der Oberfläche des Werkstückes 301, 302 reflektier­ te Anteil 314' des Meßlaserstrahles 314 wird über den zweiten Strahlteiler 315 um etwa 90° umgelenkt und auf einen ersten Sensor 312 gegeben. Dem Sensor 312 ist ein Filter 316 vorgeschaltet, welcher für die Wellenlänge des Bearbeitungslasers 308 undurchlässig ist, so daß der Sensor 312 auf reflektierte Strahlungsanteile des Bearbeitungs­ laserstrahles 309 nicht anspricht.

Der Sensor 312 erzeugt ein Ausgangssignal, welches dem prozentualen Anteil des an dem oberen Blech 301 bzw. in der Dampfkapillare 304 reflektierten Meßlaserstrahles 314 entspricht. Dieses Ausgangssignal wird dem Komparator 317 zugeführt. In dem Speicher 318 ist die zuvor experi­ mentell ermittelte charakteristische Kurve für den Meß­ laser 313 abgespeichert. Er ist mit dem zweiten Eingang des Komparators 317 verbunden, dessen Ausgangssignal der Steuereinheit des Bearbeitungslasers 308 zugeführt wird.

Die Funktionsweise der in Fig. 4a dargestellten Vorrich­ tung entspricht derjenigen, die oben anhand der Fig. 1a beschrieben wurde. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das zur Nachregelung der Schweißtiefe s benutzte Signal das Ausgangssignal eines gesonderten Meßlasers 313 und nicht das Ausgangssignal des Bearbeitungslasers 308 ist. Im übrigen spielen sich die Regelvorgänge ebenso ab, wie dies oben beschrieben wurde.

In Fig. 4b ist entsprechend Fig. 1b diejenige Situation dargestellt, welche sich bei hoher Vorschubgeschwindigkeit einstellt: Der reflektierte Anteil 314' des Meßlaserstrah­ les 314 verläuft nunmehr nicht mehr koaxial zu diesem sondern unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Vertikalen zur Werkstückoberfläche. Er wird von einem zweiten Sensor 319 erfaßt, der auf einer bogenförmi­ gen Schiene 320 bewegbar und in unterschiedlichen Winkel­ stellungen festlegbar ist. Auch dem zweiten Sensor 319 ist ein Filter 340 vorgeschaltet, welches für die Wellen­ länge des Bearbeitungslasers 308 undurchlässig ist. Das Auffinden der Position des zweiten Sensors 319 ge­ schieht in derselben Weise, wie dies oben anhand der Fig. 1b beschrieben wurde; sein Ausgangssignal wird analog dem Ausgangssignal des ersten Sensors 312 verarbeitet und zur Regelung der Ausgangsleistung des Bearbeitungslasers 308 und damit zur Regelung der Schweißtiefe s benutzt.

Aus meßtechnichen Gründen ist es vorteilhaft, wenn die Wellenlänge des Meßlasers 313 größer als diejenige des Bearbeitungslasers 308 ist. Dann ist nämlich die charak­ teristische, im Speicher 318 abgelegte Kurve bei hoher Energieeinkopplung in das Werkstück weniger steil und daher "empfindlicher", wie dies in der oben mehrfach erwähnten Druckschrift näher erläutert ist.

Gleichwohl kann es günstiger sein, einen Meßlaser 313 einzusetzen, dessen Wellenlänge kleiner als diejenige des Bearbeitungslasers 308 ist.

Zur Erzeugung des Meßlaserstrahles 314 läßt sich nämlich vorteilhafterweise auch eine Laserdiode einsetzen, die verhältnismäßig preiswert, leicht und kompakt ist. Laser­ dioden erzeugen aber Meßlaserstrahlen mit einer Wellenlänge, die kürzer als diejenige des Bearbeitungslasers 308 ist. Dieser meßtechnische Nachteil wird aber unter Umständen durch den Preisvorteil der Laserdioden und die Tatsache überkompensiert, daß dann die Laserdiode zusammen mit dem zweiten Sensor 319 in einen einzigen Meßkopf integriert werden kann. Dies würde bedeuten, daß der Meßlaserstrahl 314 nicht mehr senkrecht auf das Werkstück auffällt sondern unter demselben Winkel, unter dem auch die Messung des reflektierten Laserstrahles geschieht.

Ein weiterer Vorteil, der mit der Verwendung einer Laser­ diode als Meßlaser verbunden ist, besteht darin, daß diese leicht im Impulsbetrieb gefahren werden kann. Dann kann durch eine schmalbandige Auswertung des von dem zweiten Sensor 319 gelieferten Signales auf elektrischem Wege eine zusätzliche Ausfilterung von Störlicht erfolgen, die bei Verwendung "normaler" Laser als Meßlaser in dieser Weise nicht möglich wäre.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung der momentanen und Herbei­ führung einer gewünschten Eindringtiefe eines Bearbei­ tungslaserstrahles in ein relativ zum Bearbeitungslaser­ strahl mit vorgegebener Vorschubgeschwindigkeit bewegtes Werkstück, bei welchem

• a) ein Meßlaserstrahl auf die vom Bearbeitungslaserstrahl im Werkstück erzeugte Dampfkapillare gerichtet wird;
• b) der prozentuale Anteil des am Werkstück reflektierten Meßlaserstrahles ermittelt wird;
• c) die pro Zeiteinheit in das Werkstück durch den Bearbei­ tungslaserstrahl eingekoppelte Energie in Abhängigkeit von dem in Schritt b) ermittelten prozentualen Anteil des am Werkstück reflektierten Meßlaserstrahles beeinflußt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Ermittlung des prozentualen Anteils des am Werk­ stück (1, 2; 101, 102; 201, 202; 301, 302) reflektier­ ten Meßlaserstrahles unter Winkeln gegenüber der Werk­ stückoberfläche erfolgt, welche den mit der jeweiligen Vorschubgeschwindigkeit sich verändernden Winkeln entsprechen, unter denen der von der Dampfkapillare (4; 104; 204; 304) reflektierte Anteil des Meßlaser­ strahles aus der Dampfkapillare (4; 104; 204; 304) austritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des Bearbeitungslaserstrahles (309) und des Meßlaserstrahles (314) zwei unterschiedliche Laser verwendet werden, wobei zur Erzeugung des Meßlaserstrahles (314) eine Laserdiode verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode gepulst betrieben wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit

• a) mindestens einem Laser, der einen Bearbeitungslaser­ strahl erzeugt, welcher in dem bearbeiteten Werkstück eine Dampfkapillare erzeugt;
• b) einer Steuereinheit, mit welcher die pro Zeiteinheit durch den Bearbeitungslaserstrahl in das Werkstück eingekoppelte Energie veränderbar ist;
• c) einem Sensor, welcher den am Werkstück im Bereich der Dampfkapillare reflektierten Anteil eines Meßlaserstrah­ les erfaßt und ein entsprechendes Ausgangssignal erzeugt;
• d) einer Referenzsignalquelle, welche ein Referenzsignal erzeugt, das dem bei einer gewünschten Einbringtiefe des Bearbeitungslaserstrahles reflektierten Anteil des Meßlaserstrahles entspricht;
• e) einem Komparator, welcher das Ausgangssignal des Sensors mit dem Referenzsignal vergleicht und ein die Steuer­ einheit beaufschlagendes Ausgangssignal abgibt,

dadurch gekennzeichnet, daß

• a) der Sensor (19; 119; 219; 319) außerhalb der Achse des Bearbeitungslaserstrahles (9; 109; 209; 309) unter einem Winkel gegenüber der Werkstückoberfläche angeord­ net ist, der von 90° abweicht und so eingerichtet ist, daß er unter unterschiedlichen Winkeln aus der Dampf­ kapillare (4; 104; 204; 304) austretende Anteile des reflektierten Meßlaserstrahles (9; 109, 209; 314) er­ faßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (19) entlang einer bogenförmigen Schiene (20), deren Krümmungsmittelpunkt etwa in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare (4; 304) liegt, bewegbar und auf dieser in unterschiedlichen Winkelposi­ tionen festlegbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (119) von einem Diodenarray gebildet ist, das einen bestimmten Raumwinkel abdeckt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung für das Ausgangssignal des Sensors (119) einen Summenbildner enthält, welcher die Ausgangssignale aller einzelner Dioden im Diodenarray aufaddiert.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung für das Ausgangssignal des Sensors (119) einen Diskriminator enthält, welcher das größte Ausgangssignal aller Dioden im Diodenarray bestimmt und zur Weiterverarbeitung weiterleitet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (219) eine elliptische Spiegelfläche (230) umfaßt, die so angeordnet ist, daß sich ihr erster Brennpunkt (F1) in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare (204) befindet, während in ihrem zweiten Brennpunkt (F2) ein lichtempfindliches Element, z. B. eine Diode (231), angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei unterschiedliche Laser vorgesehen sind, von denen der erste den Bearbeitungslaserstrahl (309) erzeugt und der zweite, den Meßlaserstrahl (314) erzeugende von einer Laserdiode gebildet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserdiode gemeinsam mit dem Sensor (319) in einen Meßkopf integriert ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Laserdiode gepulst betrieben wird.