DE19615615C2 - Anordnung und Verfahren zum Überwachen der Druckdifferenz zwischen zwei Teilräumen, deren gasdichte Trennung ein optisches Bauteil bildet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Überwachen der Druckdifferenz zwischen zwei Teilräumen, deren gasdichte Trennung ein optisches Bauteil, wie eine Linse, bildet, wobei in dem einen Teilraum ein gegenüber dem anderen Teilraum unter­ schiedlicher Druck herrscht, durch mindestens einen Druckmesser. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Überwachen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.

Eine solche Anordnung und ein solches Verfahren sind aus der DE 41 29 278 A1 bekannt.

In vielen technischen Bereichen werden optische Bauteile eingesetzt. Ein Hauptanwen­ dungsgebiet solcher optischer Bauteile ist der Bereich der Laserstrahlmaterialbearbei­ tung. In Laserstrahlmaterialbearbeitungsanlagen wird der Laserstrahl durch geeignete Fokussierungseinheiten, wie beispielsweise Linsen und Spiegel, auf das Werkstück fo­ kussiert. Ein koaxial zum Laserstrahl geführter Gasstrahl, wie dies beim Laserstrahl­ schneiden erfolgt, treibt das aufgeschmolzene Material aus der Schneidfuge heraus.

Häufig sind Defekte optischer Bauteile in solchen Laserstrahlmaterialbearbeitungs­ anlagen zu beobachten, beispielsweise in Form von Rissen oder Sprüngen in der Fokus­ sierungslinse oder aber in einem Schutzglas, das die optischen Komponenten in Bezug auf von der Materialoberfläche wegspritzendes Material schützt. Risse und Sprünge füh­ ren üblicherweise zu erheblichen Veränderungen der Laserstrahleigenschaften, zum Beispiel zu Änderungen des Fokusdurchmessers oder aber einer Verschiebung des Fo­ kussierungspunktes. Weiterhin können Veränderungen des Schneidgasdrucks auftreten, der in der Regel beim Laserstrahlschneiden im Kesselraum unterhalb der abgedichteten Fokussierungslinse oder unterhalb des vorstehend erwähnten Schutzglases aufgebaut wird. Weiterhin kann es auftreten, daß die Schneidgasdüse durch Splitter des zerstörten, optischen Bauteils verstopft.

Ausgehend von der Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und dem Ver­ fahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, diese Anordnung und dieses Verfahren derart weiterzubilden, daß sie zum Überwachen des optischen Bauteils dienen können. Diese Aufgabe wird bei ei­ ner Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, daß die Anordnung zum Überwachen des optischen Bauteils, nämlich zum Erfassen von wäh­ rend ihrer Benutzung auftretenden Defekten, wie Rissen und Löchern, die sich von einer Oberfläche zu der anderen Oberfläche des optischen Bauteils erstrecken, dient, und daß der Druckmesser den Druck in einem der beiden Teilräume erfaßt, an den er ange­ schlossen ist, wobei der Druckmesser mit einer Auswerteeinheit verbunden ist, die bei einer Druckänderung in dem mit dem Druckmesser überwachten Teilraum ein Warnsi­ gnal erzeugt.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 dadurch gelöst, daß, damit das optische Bauteil überwacht wird, nämlich in Bezug auf während seiner Benutzung auftretende Defekte, wie Risse und Löcher, die sich von der Oberfläche zu der anderen Oberfläche des optischen Bauteils erstrecken, der Druck zu­ mindest auf der einen Seite des Bauteils erfaßt und ausgewertet wird und beim Erfassen einer Druckänderung ein Warnsignal erzeugt wird.

Aufgrund der erfindungsgemäßen Maßnahmen können Defekte optischer Bauteile in Form von Rissen, Löchern oder dergleichen, die sich von einer Oberfläche zu einer anderen Oberfläche des optischen Bauteils erstrecken, zuverlässig detektiert werden. Dies ist insbesondere im Bereich des Laserstrahlschneidens oder Laserstrahlschwei­ ßens während des Schneidprozesses oder Schweißprozesses möglich. Aufgrund eines Defektes des optischen Bauteils wird eine Druckänderung ermittelt und durch eine ge­ eignete Auswerteeinheit der Defekt angezeigt und/oder ein direkter Abbruch des Schneidvorgangs/Schweißvorgangs bewirkt. Folgefehler, zum Beispiel in Form von nicht oder unvollständig bearbeitetem Material, zerstörten Schneiddüsen, beschädigten opti­ schen Komponenten, wie zum Beispiel weitere Fokussierungslinsen, Lichtwellenleiter und dergleichen, werden vermieden. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird die Prozeßsicherheit, insbesondere beim Laserstrahlschneiden/Laserstrahlschweißen/ Laserstrahloberflächenbearbeiten, erhöht und der Automatisierungsgrad in den Laser­ strahlschneidanlagen/Laserstrahlschweißanlagen/Laserstrahloberfläche-nbearbeitungs­ anlagen kann gesteigert werden.

Mit der Erfindung ergeben sich besonders im Bereich der Lasermaterialbearbeitung Vor­ teile dahingehend, daß in oder außerhalb eines durch das zu überwachende, optische Bauteil begrenzten, gasdichten oder nahezu gasdichten Volumens der Gasdruck konti­ nuierlich überwacht werden kann. Beim Laserstrahlschweißen wird der Laserstrahl durch geeignete Fokussierungseinheiten auf das Werkstück fokussiert. Durch eine Relativbe­ wegung des Werkstücks zur Laserstrahlachse entsteht eine Schweißnaht. Wird nun in das Volumen gegenüber dem Außendruck ein erhöhter Gasdruck eingebracht, so führt ein Defekt an dem überwachten optischen Bauteil, beispielsweise in Form eines Risses oder Bruches, der von der einen Oberfläche zu der anderen Oberfläche reicht, zu einer Druckänderung innerhalb des Volumens. Diese Druckänderung kann, auch wenn sie nur kurzzeitig auftritt, durch einen oder mehrere geeignete Druckmesser(n) erfaßt werden. Im Fall des Laserstrahlschneidens kann der sogenannte Kesselraum unterhalb der Fo­ kussierungsoptik oder eines Schutzglases als zu überwachendes Volumen mit einem gegenüber dem Außendruck erhöhten Druck betrachtet werden. Überwacht werden kann dann der Druck in dem sogenannten Kesselraum oder der Druck innerhalb und au­ ßerhalb des Kesselraums, d. h. beidseitig des optischen Bauteils, durch einen Differenz­ druckmesser. Während im Falle eines Laserstrahlschneidens der ohnehin erforderliche gegenüber dem Außendruck höhere Innendruck in dem Kesselraum zur Überwachung des optischen Bauteils herangezogen werden kann, ist im Falle des Laserstrahlschweißens zur Aufrechterhaltung des eigentlichen Schweißprozesses in der Regel kein erhöhter Gasdruck im Bereich der optischen Bauteile notwendig. In einem solchen Fall wird zur Überwachung des optischen Bauteils auf der einen Seite des Bau­ teils ein entsprechender Raum gebildet und dort ein erhöhter oder erniedrigter Druck aufrechterhalten, der dann im Rahmen der Überwachung des optischen Bauteils über­ wacht wird.

Die erfindungsgemäße Anordnung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren sind nicht nur bevorzugt im Bereich der Lasermaterialbearbeitung einsetzbar. Vielmehr kann die Erfin­ dung überall dort eingesetzt werden, wo eine kontinuierliche Überwachung optischer Bauteile notwendig ist und diese Bauteile in geeigneter Weise als Begrenzung eines gasdichten oder nahezu gasdichten Volumens eingesetzt werden können.

Insbesondere in vollautomatischen Laserschneid- oder -schweißanlagen und Laser­ strahloberflächenbearbeitungsanlagen kann das Nichterkennen von Linsendefekten oder Schutzglasdefekten zu Folgefehlern führen und erhebliche Folgekosten verursachen.

Gemäß dem Anspruch 1 wird der Druck in einem der Teilräume erfaßt. Dabei ist eine Anordnung möglich, bei der der Druckmesser, der zur Bestimmung einer Druckänderung vorgesehen ist, den Druck in demjenigen Teilraum erfaßt, in dem der höhere Druck herrscht. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß dieser erhöhte Druck durch einfache Gaszufuhr in dem einen Teilraum erzeugt werden kann; in vielen Fällen, wie beispiels­ weise im Bereich der Lasermaterialbearbeitungsanlagen, ist eine solche Gaszufuhr oh­ nehin erforderlich, wie vorstehend beschrieben ist. Dort, wo es möglich ist, ist allerdings zu bevorzugen, den Druckmesser in demjenigen Teilraum anzuordnen, in dem der nied­ rigere Druck herrscht, da dadurch der Sensor weniger belastet wird, was zu einer langen Lebensdauer des Sensors beiträgt.

Gemäß dem Anspruch 8 wird das Warnsignal, das den Defekt des überwachten Bauteils anzeigt, dann abgegeben, wenn die Druckänderungen einen vorab eingestellten Schwellwert übersteigen, um auszuschließen, daß Warnsignale aufgrund von Druck­ schwankungen des Gassystems abgegeben werden.

Weiter bevorzugte Maßnahmen sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1A bis 1C schematisch das Prinzip anhand einer Laserstrahlmaterialbearbei­ tungsanlage im Bereich eines Schutzglases, das eine Fokussierungslinse schützt, wobei ein Druckmesser, in Strahlrichtung gesehen, hinter dem Schutzglas in einem Kessel­ raum angeordnet ist,

Fig. 2A bis 2C den schematischen Aufbau, wie er in den Fig. 1A bis 1C darge­ stellt ist, wobei allerdings gegenüberliegend den Fig. 1 der Druckmesser oberhalb des Schutzglases in dem Raum zwischen Schutzglas und Fokussierungslinse angeord­ net ist,

Fig. 3A bis 3C schematisch eine Anordnung zum Überwachen des Defektes einer Fokussierungslinse,

Fig. 4A bis 4C einen gegenüber der in den Fig. 3 geänderten Aufbau, und

Fig. 5A und 5B eine Anordnung zur Überwachung eines Schutzglases, das eine Fo­ kussierungslinse schützt, beim Laserstrahlschweißen.

Soweit in den Figuren gleiche oder ähnliche Bauteile dargestellt sind, wurden dieselben Bezugszeichen für diese Bauteile in den einzelnen Figuren verwendet, so daß die Be­ schreibungen zu den einzelnen Figuren diese Bauteile betreffend analog übertragen werden können.

In Fig. 1A ist mit dem Bezugszeichen 1 ein Führungsrohr zur Aufnahme der Fokussie­ rungseinrichtung einer Lasermaterialbearbeitungsanordnung bezeichnet. In diesem Füh­ rungsrohr 1 ist eine Fokussierungslinse 2 eingesetzt, die einen parallelen Laserstrahl 3 auf einen Fokussierungspunkt 4 in Strahlrichtung gesehen unterhalb einer Düsenöffnung 5 fokussiert. Zwischen der Düsenöffnung 5 und der Fokussierungslinse 2 ist ein sche­ matisch dargestelltes Schutzglas eingefügt, um die Fokussierungslinse 2 gegenüber von dem zu bearbeitenden Werkstück abgetragenen Materials zu schützen. Zwischen dem Schutzglas 6 und der Düsenöffnung 5 ist im Bereich der konischen Verjüngung 7 des Führungsrohrs 1 ein Kesselraumvolumen 8 gebildet.

In das Kesselraumvolumen 8 wird kontinuierlich über eine Gaszufuhreinrichtung 9 Schneidgas, beispielsweise N₂, O₂, Ar, He oder entsprechende Gasgemische (z. B. Luft), das dazu dient, das im Bereich des Fokuspunktes 4 aufgeschmolzene Material auszu­ treiben, zugeführt, wie durch den Pfeil angedeutet ist. Der Druck in dem Kesselraumvo­ lumen 8 wird über einen Druckmesser 10 erfaßt und ein Drucksignal einer Auswerteein­ heit 11 zugeführt. Die Auswerteeinheit 11 registriert das von dem Druckmesser 10 gelie­ ferte Signal als Funktion der Zeit. Ein über die Zeit konstanter Druck in dem Kesselraum­ volumen zeigt an, daß das Schutzglas 6 keinen Defekt aufweist. Der Auswerteeinheit 11 ist eine Anzeige 12 zugeordnet, die optisch zwei Zustände signalisiert, zum einen "Ok" und zum anderen "Defekt". Aufgrund der Gaszufuhr über die Gaszuführeinrichtung 9 stellt sich in dem Kesselraumvolumen 8 ein gegenüber dem Volumen 13, das zwischen dem Schutzglas 6 und der Fokussierungslinse 2 in dem Führungsrohr 1 begrenzt ist, er­ höhter Druck ein.

Falls ein Defekt des Schutzglases 6 auftritt, wie beispielsweise ein von der einen Ober­ fläche zu der anderen Oberfläche des Schutzglases 6 hindurchführender Riß 14, tritt ein plötzliche Vergrößerung des Kesselraumvolumens 8 auf, so daß der von dem Druck­ messer 10 überwachte Druck kurzzeitig abfällt, wie anhand des Diagramms der Auswer­ teeinheit 11 in Fig. 1B gezeigt ist. Aufgrund dieses Druckabfalls, der durch die Auswer­ teeinheit 11 erfaßt wird, wird von der Auswerteeinheit 11 ein Fehlersignal erzeugt, das an die Anzeige 12 weitergegeben wird, so daß ein "Defekt" angezeigt wird. Aufgrund der kontinuierlichen Gaszufuhr über die Gaszufuhreinrichtung 9 kann sich danach wie­ der der ursprüngliche Ausgangsdruck einstellen, wie in Fig. 1C dargestellt ist, allerdings verbleibt dann die Anzeige 12 auf ihrer Einstellung, die den "Defekt" anzeigt. Aufgrund des durch die Auswerteeinheit 11 erzeugten Fehlersignals kann, falls dies erwünscht ist, die Materialbearbeitungsanlage bzw. der Laser abgestellt werden, so daß Folgeschäden verhindert werden.

Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen den Fig. 1A, 1B und 1C entsprechende Anord­ nungen, wobei allerdings, gegenüber der Fig. 1 der Druckmesser 10 zur Überwachung des Schutzglases 6 in dem Volumen 13 zwischen dem Schutzglas 6 und der Fokussierungslinse 2 angeordnet ist. Da in dem Volumen 13 ein gegenüber dem Kessel­ raumvolumen 8 geringerer Druck besteht, tritt, ausgehend von einem ordnungsgemäßen Betrieb, wie er in Fig. 2A dargestellt ist, im Falle eines Bruchs des Schutzglases 6, wie dies die Fig. 2B zeigt, ein Druckanstieg auf, der in der Auswerteeinheit 11 erfaßt wird, und die Anzeige 12 wird auf "Defekt" geschaltet. Danach stellt sich wiederum, entspre­ chend der Fig. 1C, ein konstanter Druck aufgrund der Gaszufuhr über die Gaszufuh­ reinrichtung 9 in dem Volumen 13 ein, wie die Fig. 2C zeigt.

Die Fig. 3A, 3B und 3C zeigen schematisch die Anordnung entsprechend den Fig. 1 und 2, allerdings ohne das Schutzglas 6, das in den Fig. 1 und 2 vorgesehen ist. Diese Fig. 3A bis 3C erläutern die Erfassung von Defekten, wie beispielsweise eines Risses 14, der im Bereich der Fokussierungslinse 2 auftritt.

Der Bereich unterhalb der Fokussierungslinse 2 bildet bei dieser Ausführungsform das Volumen 8′, in dem ein gegenüber dem oberen Bereich, der durch das Führungsrohr 1 und die Fokussierungslinse 2 abgeschlossen wird, ein erhöhter Druck aufrechterhalten wird, indem kontinuierlich über die Gaszufuhreinrichtung 9 Gas zugeführt wird. Wieder­ um wird über den Druckmesser 10 der Druck erfaßt und in der Auswerteeinheit 11 über­ wacht. Solange wie der Druck zeitabhängig einen konstanten Wert beibehält, zeigt die Anzeige 12 keinen Defekt an.

Bei dem Auftreten eines Risses 14′ in der Fokussierungslinse 2 sinkt der Druck in dem Volumen 8′ kurzzeitig ab, woraufhin der Defekt registriert und in der Anzeige 12 ange­ zeigt wird. Danach kann, wie die Fig. 3C zeigt, der Druck wieder durch die kontinuierli­ che Gaszufuhr ansteigen, wie die Fig. 3C zeigt.

Die Fig. 4 zeigt einen mit der Fig. 3A vergleichbaren Aufbau, allerdings ist der Druck­ messer 10 oberhalb der Fokussierungslinse 2, d. h. auf der dem Kammervolumen 8′ ge­ genüberliegenden Seite, angeordnet. Durch die im unteren Bereich vorhandenen Gaszu­ fuhreinrichtung 9 wird über den Druckmesser 10 ein gegenüber dem unteren Kessel­ raumvolumen 8 geringerer Druck in dem Volumen 13′ erfaßt, so daß bei einem Bruch der Fokussierungslinse 2 in der Auswerteeinheit 11, vergleichbar mit der Ausführungs­ form der Fig. 2B, ein Druckanstieg zu verzeichnen ist, der dann einen Defekt signalisiert.

Eine Verfahrensvariante, die insbesondere beim Laserstrahlschweißen zum Einsatz kommen kann, ist schließlich in den Fig. 5A und 5B dargestellt. Bei diesen Ausfüh­ rungsformen wird zwischen dem Schutzglas 6 und der Fokussierungslinse 2 ein Gas­ druck oberhalb des Umgebungsdrucks eingebracht, wie die Fig. 5A zeigt. In dem obe­ ren Volumen 13′ ist dagegen ebenfalls Außendruck bzw. Umgebungsdruck vorhanden. Im Falle eines Defekts entweder des Schutzglases 6, wie dies die Fig. 5B zeigt, oder aber der Fokussierungslinse 2, wird ein Druckabfall in dem Volumen 8′ über den Druck­ messer 10 in der Auswerteeinheit 11 erfaßt und in der Anzeige 12 angezeigt.

Wie die Figuren zeigen, ist eine sehr einfache Möglichkeit gegeben, optische Bauteile, wie beispielsweise Schutzgläser und Fokussierungslinsen, hinsichtlich Defekte, wie Ris­ se oder Löcher, zu erfassen.

Claims (9)

1. Anordnung zum Überwachen der Druckdifferenz zwischen zwei Teilräumen, deren gasdichte Trennung ein optisches Bauteil, wie eine Linse, bildet, wobei in dem ei­ nen Teilraum ein gegenüber dem anderen Teilraum unterschiedlicher Druck herrscht, durch mindestens einen Druckmesser, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung zum Überwachen des optischen Bauteils, nämlich zum Erfassen von während ihrer Benutzung auftretenden Defekten, wie Rissen und Löchern, die sich von einer Oberfläche zu der anderen Oberfläche des optischen Bauteils erstrec­ ken, dient, und daß der Druckmesser (10) den Druck in einem der beiden Teilräu­ me erfaßt, an den er angeschlossen ist, wobei der Druckmesser (10) mit einer Aus­ werteeinheit (11) verbunden ist, die bei einer Druckänderung in dem mit dem Druckmesser (10) überwachten Teilraum ein Warnsignal erzeugt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (10) den Druck in demjenigen Teilraum erfaßt, in dem der niedrigere Druck herrscht.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bauteil die Fokussierlinse (2) des Geräts ist, die die gasdichte Trennung zwischen zwei Teilräumen (8′, 13′) bildet.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (10) zwischen Fokussierlinse (2) und Strahlaustrittsdüse (5) angeordnet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (10) den Druck des Teilraums (13) des Geräts erfaßt, dem ein verfahrensspezifisches Gas (9) zugeführt wird.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmesser (10) den Druck des Teilraums (13) erfaßt, der zwischen Laserstrahl-Fokussierlinse (2) und einem in Strahlrichtung gesehen danach angeordneten Schutzglas (6) liegt.

7. Verfahren zum Überwachen der Druckdifferenz zwischen zwei Teilräumen, deren gasdichte Trennung ein optisches Bauteil, wie eine Linse, bildet, wobei in dem ei­ nen Teilraum ein gegenüber dem anderen Teilraum unterschiedlicher Druck herrscht, durch Druckmessung, zum Betrieb der Anordnung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß, damit das optische Bauteil überwacht wird, nämlich in Bezug auf während seiner Benutzung auftretender Defekte, wie Risse und Löcher, die sich von der Oberfläche zu der anderen Oberfläche des optischen Bauteils er­ strecken, der Druck zumindest auf der einen Seite des Bauteils erfaßt und ausge­ wertet wird und beim Erfassen einer Druckänderung ein Warnsignal erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Warnsignal bei Druckänderungen, die einen vorgegebenen Schwellwert übersteigen, abgegeben wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf­ grund des Warnsignals der Betrieb eines Geräts, in das das optische Bauteil einge­ baut ist, angehalten wird.