DE19722415A1

DE19722415A1 - Verfahren zur Lage- und Formkorrektur der Bearbeitungsgeometrie bei der Laserbearbeitung

Info

Publication number: DE19722415A1
Application number: DE19722415A
Authority: DE
Inventors: Lothar Dr Ing Morgenthal; Thomas Dr Rer Nat Schwarz; Dirk Dipl Ing Grueneberg
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-05-28
Filing date: 1997-05-28
Publication date: 1998-12-03

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lage- und Formkorrektur der Bearbeitungs geometrie bei der Laserbearbeitung, insbesondere bei der Laseroberflächenbearbeitung.

Besondere Anwendungsgebiete der Erfindung sind das Laserstrahlschweißen, Laserstrahlhärten oder Umschmelzen der Oberfläche. Die Erfindung ist besonders gut bei Einschweißungen von Bauteilen in Durchbrüche einsetzbar.

Laserbearbeitungsverfahren werden in vielen Bereichen der Technik eingesetzt. Dabei kann nicht immer eine optimal an die Laserbearbeitung angepaßte Geometrie und/oder Position des Werkstückes (Bauteiles bzw. deren Oberfläche) vorausgesetzt werden. In der Realität sind oft Abweichungen von der Sollgeometrie oder -lage, die teilweise erheblich sind, festzustellen. So ist beispielsweise bei Einschweißungen von Bauteilen in Durchbrüche (z. B. von Rohren in ebene Platinen) ein geschlossener Konturzug (z. B. Kreis oder Ellipse) als Fügegeometrie abzufahren. Durch die mechanische Fertigung der Einzelteile können diese Durchbrüche bzw. die einzuschweißenden Werkstücke in ihrer Form und Position toleranzbehaftet sein, was sehr nachteilig ist, da z. B. beim Laserschweißen die Qualität der Fügeverbindung (Schweißnaht) entscheidend von der exakten Positionierung des Laserstrahlspots zur Fügestelle abhängt.

Es ist nunmehr Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Lage- und Formkorrektur der Bearbeitungsgeometrie bei der Laserbearbeitung vorzuschlagen, daß eine fehlerfreie Laserbearbeitung gestattet und bei dem die Laserbearbeitung in optimaler Weise der zu bearbeitenden Bauteilgeometrie angepaßt wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 9 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, die Abweichungen in Lage und Geometrie der realen zu bearbeitenden Kontur zu korrigieren und die Laserbearbeitung daran anzupassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, daß über die Bearbeitungsoptik und ein Strahlablenkelement für den Bearbeitungslaser mit höherer Leistung ein Pilotlichtstrahl eine der späteren Bearbeitungsgeometrie angepaßte Lichtspur im Bereich der Bearbeitungskontur des Werkstückes erzeugt, die Reflexion des Pilotlichtstrahls gemessen, aus dem Vergleich des Positionssignal des Ablenksystems und der Information "Reflexion" des Lichtstrahls auf dem Werkstück oder "keine Reflexion", d. h. Werkstück verlassen, die Information für die Lage und Geometriekorrektur gewonnen wird, um Fehlpositionierung und Geometrieabweichung der realen Kontur zu erkennen und für die anschließende Bearbeitung mit dem Leistungslaser das Ablenksystem entsprechend der realen Kontur zu korrigieren.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhaft dadurch ausgestaltet, daß

- der Laserstrahl über eine fokussierende Einheit und mindestens ein oszillierendes Strahlablenksystem (z. B. Galvanoscanner) zum Bearbeitungsort geführt wird,
- der Pilotlichtstrahl wahlweise gleichzeitig oder alternierend zum Strahl des Bearbeitungslasers über die Optik des Bearbeitungslasers zum Bearbeitungspunkt geleitet werden kann,
- der Pilotlichtstrahl auf der Oberfläche reflektiert wird,
- der Pilotlichtstrahl abschnittsweise nicht reflektiert wird (z. B. im Bereich von Durchbrüchen),
- eine Vorrichtung vorhanden ist, die die Reflexion des Pilotlichtstrahls mißt,
- die Kontur dieses Durchbruches mit dem Pilotlichtstrahl über das zweidimensionale Ablenksystem nachgezeichnet wird,
- die nachgezeichnete Kontur kleiner als die reale Kontur ist, so daß im Idealfall keine Reflexion auftritt (Dunkelschaltung), oder die nachgezeichnete Kontur größer als die reale Kontur ist, so daß über die gesamte Kontur Reflexion auftritt (Hellschaltung),
- durch einen Vergleicher aus der Position des Scanners und des gemessenen Reflexionssignals der Ort der Fehlpositionierung (Reflexion bei der Dunkelschaltung, keine Reflexion bei der Hellschaltung) ermittelt wird,
- durch gezieltes Nachstellen der oszillierenden Ablenksysteme die Fehlpositionierung aufgehoben wird,
- durch gezieltes Nachstellen der oszillierenden Ablenksysteme die Formfehler korrigiert werden,
- die Positionierung anschließend überprüft wird,
- anschließend über das gleiche, korrigierende Ablenksystem der Bearbeitungslaser zur Kontur geführt wird.

Aus der Beschriftungs- und Markierungstechnik ist bekannt, daß mit Ablenksystemen z. B. Scannern beliebige Konturen auf der Oberfläche von Werkstücken abgefahren werden können. Bei Strahlquellen höherer Leistung genügt die Leistung z. B. zum Schweißen, Härten oder Umschmelzen der Oberfläche. Es ist auch bekannt (z. B. DE 38 30 892 ), daß der Lichtstrahl (z. B. HeNe Laser), der auf die Oberfläche projiziert wird, von dieser gerichtet reflektiert oder in Fügestellen und an Bauteilkanten nicht oder nur diffus reflektiert wird. Nach der Erfindung wird über die Bearbeitungsoptik die Reflektion auf einen lichtempfindlichen Empfänger geleitet und gemessen. Über das Ablenksystem wird mit Pilotlichtstrahl die zu bearbeitende Kontur beschrieben. Wenn das Werkstück richtig positioniert ist, muß auf der gesamten Oberfläche das Licht (Hellschaltung) reflektiert werden. Eine andere Möglichkeit ist, die Auslenkung entsprechend der Kanten gezielt zu verkleinern, so daß im Idealfall keine Reflexion (Dunkelschaltung) auftritt. Von der Ansteuerung ist die augenblickliche Position des Lichtstrahls auf dem Werkstück bekannt. Ein Vergleicher, der das Positionssignal des Strahlablenkelementes in Relation zur Reflexion des Pilotlichtstrahles auswertet, ermittelt so den Ort des Konturversatzes. Durch Korrektur des Strahlablenksystems wird die mit dem Lichtstrahl beschriebene Kontur mit der realen Kontur in Übereinstimmung gebracht. Es ist sowohl eine Lage- als auch eine Formkorrektur möglich.

Mit der Erfindung konnten die Nachteile des Standes der- Technik beseitigt werden und erstmals direkt von der realen Bauteilgeometrie, also auch mit allen Fehlern dieser, auf den Laserstrahl und damit die Laserbearbeitung Einfluß genommen werden.

Die Erfindung soll an nachfolgendem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen dienen dem besseren Verständnis.

Ausführungsbeispiel

Das sinusförmige Schwingen von zwei Galvanoscannern mit einer Phasenverschiebung von 90° erzeugt in der Abbildung einen virtuellen Kreis (A) auf der Werkstückoberfläche. Dieser virtuelle Kreis wird kleiner als der Durchmesser eines realen Kreises gewählt. Bei richtiger Positionierung der realen Kreiskontur (B) (z. B. eines Rohrinnendurchmessers) wird kein Licht (C) reflektiert. Liegen beide Konturen nicht koaxial übereinander, wird in einem Kreissegment der Lichtstrahl (D) reflektiert. Mit fotoempfindlichen Bauelementen wird die Reflektion (E) gemessen. Aus der Phasenlage des Erregers für die Scanner und dem Reflektionssignal kann der Offset der Abweichung (F) ermittelt werden. Über das gezielte Nachstellen der Amplitudenmitte bei beiden Scannern kann die Koaxialität hergestellt werden. Durch eine Vergrößerung der Auslenkung, der der Rohrwandstärke entspricht, kann über das gleiche Ablenksystem der Bearbeitungslaser geführt werden.

Entspricht die Form der zu bearbeitenden Kontur nicht der virtuellen Kontur, kann durch Vergrößern oder Verkleinern der Amplitude die Kontur ermittelt und für die Bearbeitung die Scannereinstellung entsprechend korrigiert werden.

Bezugszeichenliste

A virtuelle Kreiskontur
B reale Kreiskontur
C Lichtstrahl ohne Reflektion
D Lichtstrahl - reflektiert
E Reflektion
F offset der Abweichung

Claims

1. Verfahren zur Lage- und Formkorrektur der Bearbeitungsgeometrie bei der Laserbearbeitung, insbesondere zum Laserschweißen, dadurch gekenn zeichnet, daß über die Fokussieroptik und das Strahlablenksystem des Bearbeitungslasers ein Pilotlichtstrahl eine der geforderten Bearbeitungsgeometrie angepaßte Lichtspur auf der Werkstückoberfläche erzeugt, die Reflektion dieses Pilotlichtstrahls von der Werkzeugoberfläche durch einen Sensor gemessen, über eine Auswerteeinheit aus dem Vergleich des Positionssignals des Strahlablenksystems und der Information "Reflektion" des Pilotlichtstrahls auf der Werkstückoberfläche und der Information "keine Reflektion" des Pilotlichtstrahls "Werkstück verlassen" die Daten für die Lage- und Geometriekorrektur gewonnen werden, um Fehlpositionen und Geometrieabweichungen der realen Kontur des Werkstücks und/oder der Werkstückoberfläche zu erkennen, und mit den so gewonnenen Informationen für die anschließende Bearbeitung des Werkstücks und/oder der Werkstückoberfläche mit dem Leistungslaser das Ablenksystem entsprechend der realen Kontur des Werkstück und/oder der Werkstückoberfläche zu korrigieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl über eine fokussierende Einheit und mindestens ein oszillierendes Strahlablenkelement zum Bearbeitungsort auf dem Werkstück und/oder der Werkstückoberfläche geführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das oszillierende Strahlablenkelement durch einen Galvanoscanner angetriebener Umlenkspiegel ist.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilotlichtstrahl über die Optik des Bearbeitungslasers zum Bearbeitungspunkt geleitet wird und gegebenenfalls auftretende Veränderungen der Bearbeitungsoptik (z. B. Dejustage der Optik) korrigiert werden.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektion des Pilotlichtstrahls bzw. dessen Nichtreflektion auf dem Werkstück und/oder der Werkstückoberfläche mit einen fotoempfindlichen elektronischen Bauelement gemessen wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Reflektion bzw. Nichtreflektion auch parallel an relevanten Konturen zur späteren Bearbeitungsspur erfolgen kann.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Ort der Fehlposition durch einen Vergleicher aus der Position des Scanners und des gemessenen Reflektionssignals ermittelt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Vergleicher ein Computer mit geeigneter Software eingesetzt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß durch gezieltes Einwirken auf das/die Strahlablenkelemente die Fehlpositionierungen aufgehoben und/oder die Fehlform korrigiert werden, anschließend die Positionierung überprüft wird und danach über das gleiche korrigierte Strahlablenkelement der Bearbeitungslaser zur Kontur geführt wird.