DE202010005013U1

DE202010005013U1 - Device for quality assurance and process control in the laser machining of workpieces

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Publication number: DE202010005013U1
Application number: DE201020005013
Authority: DE
Original assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Current assignee: MEL MIKROELEKTRONIK GmbH
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-08-09
Anticipated expiration: 2020-04-15

Abstract

Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken, mit – einem Bearbeitungskopf (1), aus dem ein Laserstrahl (2) austritt und auf die Oberfläche (11) des zu bearbeitenden Werkstücks (10) auftrifft und dort das Werkstück (10) zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone (W) erwärmt, – einer Temperaturmesseinrichtung (3) mit einem strahlungssensitiven Detektor (14.6b), welche die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Temperatur des Werkstücks proportionalen Parameter an mehreren innerhalb der Wirkzone (W) im Abstand zueinander liegenden Messstellen (4a, 4b, 4c, 4d) erfasst und ein ortsaufgelöstes Temperaturprofil der Wirkzone (W) ermittelt, – einer Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8), welche berührungslos an jeder Messstelle (4) einen Messabstand (d) zur Oberfläche (11) des Werkstücks (10) sowie die Emissivität der Oberfläche (11) ermittelt, – einer Auswerteeinrichtung, welche die von der Messeinrichtung (5, 20.6, 20.7, 20.8) ermittelten Messwerte verwendet, um die von der Temperaturmesseinrichtung (3) erfasste Temperatur von jeder Messstelle (4) zu korrigieren.Device for laser machining workpieces, with - a machining head (1) from which a laser beam (2) emerges and strikes the surface (11) of the workpiece (10) to be machined and there the workpiece (10) at least locally in a thermal effective zone (W) heated, - a temperature measuring device (3) with a radiation-sensitive detector (14.6b), which detects the temperature of the workpiece or a parameter proportional to the temperature of the workpiece at several measuring points (4a, 4b) that are spaced apart from one another within the effective zone (W) , 4c, 4d) and a spatially resolved temperature profile of the active zone (W) is determined, - a measuring device (5, 20.6, 20.7, 20.8), which has a measuring distance (d) to the surface (11) of the workpiece at each measuring point (4) (10) and the emissivity of the surface (11) are determined, - an evaluation device which uses the measured values determined by the measuring device (5, 20.6, 20.7, 20.8) in order to correct the temperature recorded by the temperature measuring device (3) from each measuring point (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken. Mittels der Vorrichtung nach der Erfindung kann eine Qualitätssicherung und Prozesskontrolle während des Bearbeitungsvorgangs bei der Laserbearbeitung von Werkstücken erfolgen.The invention relates to a device for the thermal laser processing of workpieces. By means of the device according to the invention, a quality assurance and process control can be carried out during the machining process in the laser machining of workpieces.

Aus dem Stand der Technik sind bereits Vorrichtungen und Verfahren zur Prozesskontrolle bei der Laserbearbeitung von Werkstücken, wie zum Beispiel beim Laserschweißen, Laserschneiden oder Laserbeschichten bekannt, wobei die Temperatur oder ein Temperaturprofil im Bereich der thermischen Wirkzone des zu bearbeitenden Werkstücks während des Bearbeitungsvorgangs zur Prozesskontrolle erfasst und ausgewertet wird. Eine Steuerung des Bearbeitungsvorgangs unter Verwendung der erfassten Temeperaturdaten erfolgt dabei allerdings in den seltensten Fällen und dann nur in Bezug auf einzelne Prozeßparameter. Da der Wirkmechanismus bei der Laserbearbeitung von Werkstücken in der Regel thermischer Natur ist, kann jedoch grundsätzlich über eine genaue und vollständige sowie ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur im Bereich der Wirkzone des zu bearbeitenden Werkstücks die Qualität des Bearbeitungsvorgangs on-line erfasst und überwacht werden. Mit der ermittelten Temperatur oder dem Temperaturprofil der Wirkzone kann damit der Bearbeitungsprozess gesteuert und optimiert werden, falls Einsatzbedingungen und störende Einflüsse berücksichtigt bzw. kompensiert werden.Devices and methods for process control in the laser machining of workpieces, such as in laser welding, laser cutting or laser coating are already known from the prior art, wherein the temperature or a temperature profile detected in the region of the thermal zone of action of the workpiece to be machined during the processing operation for process control and evaluated. A control of the machining process using the recorded Temeperaturdaten takes place, however, in the rarest cases and then only in relation to individual process parameters. Since the mechanism of action in the laser machining of workpieces is generally of a thermal nature, however, the quality of the machining process can be recorded and monitored on-line via an accurate and complete and spatially resolved detection of the temperature in the region of the effective zone of the workpiece to be machined. With the determined temperature or the temperature profile of the effective zone, the machining process can thus be controlled and optimized if operating conditions and disturbing influences are taken into account or compensated for.

So ist beispielsweise aus der DE 10 2007 024 789 B3 ein Verfahren zum Erkennen von Fehlern an einer Schweißnaht während eines Laser-Schweißprozesses bekannt, bei dem die Strahlung, die von einer sich an ein flüssiges Schmelzbad anschließenden und bereits erstarrten Schmelze emittiert wird, zweidimensional und ortsaufgelöst detektiert wird, um mindestens einen Kennwert für die Wärmeabfuhr in der erstarrten Schmelze entlang eines Profilschnitts der Wirkzone zu ermitteln und durch Vergleichen des ermittelten Kennwerts mit einem Referenzwert Fehler an der Schweißnaht zu erkennen. In einem Ausführungsbeispiel dieses Verfahrens wird ein Temperaturprofil der Schweißnaht in Querrichtung mittels eines geeigneten Detektors (beispielsweise eine CCD-Kamera oder eine strahlungssensitive Thermo-Kamera) ermittelt. Die Messung erfolgt dabei seriell in der thermischen Wirkzone des Schweißlasers, beispielsweise im Bereich des noch flüssigen Schmelzbads oder auch im Bereich der bereits erstarrten Schmelze der Schweißnaht, wobei die Messpunkte allerdings seriell aufgenommen, d. h. nicht gleichzeitig erfasst werden Aus der EP 0 655 294 B1 ist ein Verfahren zur Prozess- und/oder Qualitätskontrolle bei der Stumpfnaht-Laserschweißung von Blechen bekannt, bei dem an mindestens zwei Stellen hinter der Schweißzone gleichzeitig und beiderseits der Fügelinie die Temperatur gemessen wird. Die Temperaturmessung erfolgt dabei beispielsweise mit zwei Pyrometern, welche hinter der Schweißzone beiderseits der Fügelinie der verschweißten Bleche angeordnet sind. Die ermittelten Temperaturmesswerte können durch Zuordnung zu Prozesskenngrößen zur Ermittlung von Schweißfehlern und Bindefehlern und zur Steuerung des Schweißverfahrens verwendet werden. Bei diesem Verfahren ist es möglich, eine geometrische Zuordnung der an den Messstellen, welche typischerweise eine Fläche von cirka 1 mm² aufweisen, erfassten Temperaturen zur Position der Schweißnaht herzustellen.For example, from the DE 10 2007 024 789 B3 a method for detecting defects in a weld during a laser welding process, in which the radiation emitted by a subsequent to a liquid molten bath and already solidified melt is detected two-dimensionally and spatially resolved to at least one characteristic for the heat dissipation in the solidified melt along a profile section of the active zone to determine and to recognize errors by comparing the determined characteristic value with a reference value at the weld. In one embodiment of this method, a temperature profile of the weld in the transverse direction is determined by means of a suitable detector (for example a CCD camera or a radiation-sensitive thermal camera). The measurement is carried out serially in the thermal zone of action of the welding laser, for example in the region of the still molten bath or in the area of the already solidified melt of the weld, the measurement points, however, recorded in series, ie not detected simultaneously from the EP 0 655 294 B1 a method for process and / or quality control in the butt weld laser welding of sheets is known in which the temperature is measured at least two points behind the welding zone at the same time and on both sides of the joint line. The temperature measurement is carried out, for example, with two pyrometers, which are arranged behind the welding zone on both sides of the joint line of the welded sheets. The determined temperature measured values can be used by assignment to process parameters for the determination of welding errors and binding errors and to control the welding process. In this method, it is possible to produce a geometric assignment of the temperatures measured at the measuring points, which typically have an area of approximately 1 mm ² , to the position of the weld seam.

Aus der DE 10 2004 053 659 B3 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Erfassung von thermischen Eigenschaften einer Objektoberfläche bekannt, welche insbesondere zur Erfassung der temperaturbedingten Emission einer mittels Laserschweißen hergestellten Schweißnaht eingesetzt werden können. Um dabei auch unregelmäßige Strukturen, wie zum Beispiel Schweißraupen, vermessen zu können, ist in einer Ausführungsform ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, bei denen zusätzlich eine konfokale Entfernungsmessung nach dem Rückreflex-Prinzip erfolgt, um ergänzend zu den gewonnenen Temperaturmessdaten auch die geometrische Objektoberflächenform entlang der Messlinie zu ermitteln.From the DE 10 2004 053 659 B3 a method and a device for non-contact detection of thermal properties of an object surface is known, which can be used in particular for detecting the temperature-induced emission of a weld produced by laser welding. In order to be able to measure even irregular structures, such as weld beads, in one embodiment, a method and a device is described in which a confocal distance measurement according to the back-reflection principle is carried out in addition to the obtained temperature measurement data along the geometric object surface shape to determine the measuring line.

Die modernen thermischen Füge- und Trennverfahren mittels Laserbearbeitung erfahren einen zunehmend hohen Automatisierungsgrad bei gleichzeitiger Erhöhung der Komplexität der Werkstücke und der Prozessgeschwindigkeit. Darüber hinaus erhöht sich die Vielfalt der Materialien der zu bearbeitenden Werkstücke und deren Geometrien. Dies erfordert eine erhöhte Flexibilität der Prozesskontrolle und -steuerung, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen nicht bieten können. So sind die bekannten Vorrichtungen in der Regel starr mit dem Bearbeitungskopf der Laservorrichtung verbunden und können daher die Temperatur oder ein Temperaturprofil nur in einer eindimensionalen Geometrie erfassen. Änderungen in der Geometrie der zu erfassenden thermischen Wirkzone können nicht berücksichtigt werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur berührungslosen Erfassung der Temperatur in der thermischen Wirkzone sind darüber hinaus in der Regel so aufgebaut, dass sie die Irradianz der Wirkzone nicht senkrecht sondern unter einem relativ flachen Winkel zur Oberfläche des Werkstücks detektieren. Dies führt insbesondere bei der Temperaturerfassung an stark reflektierenden Oberflächen (wie zum Beispiel Aluminium-Oberflächen) zu Schwierigkeiten, da die Abstrahlung der thermischen Strahlung überwiegend senkrecht zur Oberfläche erfolgt. Ferner wird bei den bekannten Vorrichtungen die Irradianz einer relativ großen Werkstückoberfläche erfasst, was im Falle einer Defokussierung der Abbildungsoptik oder bei einer verfahrensbedingten Geschwindigkeitsänderung der Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück zu Fehlern in der Auswertung führen kann, weil die Messfläche nicht an die thermische Wirkzone der Strahlung angepasst ist.The modern thermal joining and cutting processes by means of laser processing are experiencing an increasingly high level of automation while at the same time increasing the complexity of the workpieces and the process speed. In addition, the variety of materials of the workpieces to be machined and their geometries increases. This requires increased process control and control flexibility which the prior art methods and devices can not provide. Thus, the known devices are usually rigidly connected to the machining head of the laser device and therefore can detect the temperature or a temperature profile only in a one-dimensional geometry. Changes in the geometry of the thermal zone to be detected can not be taken into account. The known from the prior art devices for non-contact detection of the temperature in the thermal zone of action are also usually constructed so that they do not detect the Irradianz the effective zone perpendicular but at a relatively shallow angle to the surface of the workpiece. This results in particular in the temperature detection on highly reflective surfaces (such as aluminum surfaces) to difficulties, since the radiation of the thermal radiation predominantly perpendicular to Surface takes place. Furthermore, the Irradianz a relatively large workpiece surface is detected in the known devices, which can lead to errors in the evaluation in the case of defocusing the imaging optics or a process-related speed change of the relative movement between the laser beam and the workpiece because the measuring surface is not in the thermal zone of action the radiation is adapted.

Wie in dem Verfahren der DE 10 2007 024 789 B3 erfolgt die Auswertung der erfassten Temperaturmesswerte häufig durch Vergleich mit Standard-Prozessparametern und Kalibration. So wird beispielsweise in der DE 10 2007 024 789 B3 die Abkühlrate der erstarrten Schmelze bei konstanten Prozessbedingungen ermittelt. Sobald sich jedoch ein Prozessparameter verändert, weicht das Messsignal vom Soll ab und wird als – tatsächlich nicht vorhandener – Schweißfehler erkannt. In derselben Weise werden beispielsweise auch Spritzer, die beim Laserschweißen oder -schneiden in der Wirkzone entstehen, als Prozessfehler erkannt, weil solche Materialspritzer sehr hohe Temperaturen aufweisen und deshalb das Temperaturmesssignal verfälschen können.As in the process of DE 10 2007 024 789 B3 the evaluation of the recorded temperature measured values is often carried out by comparison with standard process parameters and calibration. For example, in the DE 10 2007 024 789 B3 determines the cooling rate of the solidified melt under constant process conditions. However, as soon as a process parameter changes, the measuring signal deviates from the desired value and is recognized as a welding error, which actually does not exist. In the same way, for example, spatters that occur during laser welding or cutting in the effective zone, recognized as a process error, because such material splashes have very high temperatures and therefore can distort the temperature measurement signal.

Bei den bekannten Verfahren zur berührungslosen Erfassung der Temperatur der thermischen Wirkzone werden abbildende Systeme mit einer festen Brennweite verwendet. Der Messfleckdurchmesser und die erfasste Irradianz der Werkstückoberfläche sind daher stark von der Messentfernung abhängig und eine Defokusierung führt leicht zu Messfehlern. Ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen liegt in der Verwendung von strahlungsempfindlichen Empfängern, wie zum Beispiel Fotodioden, die einen relativ großen Empfindlichkeitsbereich aufweisen, weshalb die Streustrahlung des Laserstrahls und/oder der wärmeabstrahlenden Metalldampfwolke zu einer das Messergebnis verfälschenden Hintergrundstrahlung führen.In the known methods for the non-contact detection of the temperature of the thermal zone of action imaging systems are used with a fixed focal length. The measuring spot diameter and the detected Irradianz the workpiece surface are therefore highly dependent on the measuring distance and a defocusing leads easily to measurement errors. Another disadvantage of the known devices is the use of radiation-sensitive receivers, such as photodiodes, which have a relatively large sensitivity range, which is why the scattered radiation of the laser beam and / or the heat-radiating metal vapor cloud lead to a background radiation distorting the measurement result.

Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Prozesskontrolle bei der thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken aufzuzeigen, mit welcher auch bei einer momentanen Änderung eines Prozessparameters und auch bei unterschiedlichsten Geometrien der thermischen Wirkzone eine zuverlässige Erfassung der Temperatur oder eines Temperaturprofils des Werkstücks im Bereich der thermischen Wirkzone erfolgen kann.Proceeding from this, the object of the invention is to disclose a device for process control in the thermal laser processing of workpieces, with which a reliable detection of the temperature or of a temperature profile of the workpiece in the area even with a current change of a process parameter and also with different geometries of the thermal zone the thermal zone of action can take place.

Diese Aufgaben werden mit einer Vorrichtung zur thermischen Laserbearbeitung von Werkstücken mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 8 aufgezeigt.These objects are achieved with a device for the thermal laser machining of workpieces with the features of claim 1. Preferred embodiments of the device according to the invention are shown in claims 2 to 8.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ein Werkstück von einem aus einem Bearbeitungskopf austretenden Laserstrahl zumindest lokal in einer thermischen Wirkzone erwärmt und es wird mittels einer Temperaturmesseinrichtung zur Prozesskontrolle ein ortsaufgelöstes Temperaturfeld der Wirkzone berührungslos ermittelt. Die Temperaturmesseinrichtung erfasst die Temperatur des Werkstücks oder einen zur Werkstücktemperatur proportionalen Parameter gleichzeitig an mehreren, innerhalb der Wirkzone im Abstand zueinander liegenden Messstellen. Gleichzeitig wird an jeder Messstelle mittels einer berührungslosen Messeinrichtung ein Messabstand zur Oberfläche sowie die Emissivität der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt und die ermittelten Werte des Messabstands und der Emissivität werden in einer Auswerteeinrichtung zur Berechnung bzw. zur Korrektur des an jeder Messstelle ermittelten Temperaturwerts verwendet. Über die Erfassung des Messabstands an verschiedenen Messstellen innerhalb der Wirkzone wird zusätzlich ein Höhenprofil der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt. Die Messstellen sind dabei zweckmäßig im Abstand zueinander so angeordnet, dass sowohl in Längs- als auch in Querrichtung einer Bewegungslinie des Laserstrahls auf der Oberfläche des Werkstücks gleichzeitig die Temperatur, der Messabastand zur Oberfläche und die Emissivität jeder Messstelle erfasst werden können und daraus ein ortsaufgelöstes Temperaturfeld bzw. Profil innerhalb der Wirkzone ermittelt werden kann.With the device according to the invention, a workpiece is heated by a laser beam emerging from a machining head at least locally in a thermal zone of action and a spatially resolved temperature field of the zone of action is determined without contact by means of a temperature measuring device for process control. The temperature measuring device simultaneously detects the temperature of the workpiece or a parameter proportional to the workpiece temperature at a plurality of measuring points spaced apart from each other within the effective zone. At the same time, a measuring distance to the surface as well as the emissivity of the surface of the workpiece in the region of the effective zone is determined at each measuring point by means of a contactless measuring device and the determined values of the measuring distance and the emissivity are in an evaluation device for calculating or correcting the temperature value determined at each measuring point used. In addition, a height profile of the surface of the workpiece in the region of the effective zone is determined by detecting the measuring distance at different measuring points within the active zone. The measuring points are expediently arranged at a distance from each other so that both in the longitudinal and in the transverse direction of a line of movement of the laser beam on the surface of the workpiece simultaneously the temperature, the Messabastand to the surface and the emissivity of each measuring point can be detected and from a spatially resolved temperature field or profile within the effective zone can be determined.

Um eine ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur und des Messabstands an jeder Messstelle zu gewährleisten, ist bevorzugt jeder Messstelle ein Faserbündel mit wenigstens zwei Lichtleitfasern zugeordnet, wobei die freien Faserenden jedes Faserbündels jeweils an der ihr zugeordneten Messstelle in einem Messabstand zur Oberfläche des Werkstücks angeordnet sind und die von jeder Messstelle emittierte thermische Strahlung in wenigstens eine der Lichtleitfasern des jeweils zugeordneten Faserbündels eingekoppelt und zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet und von dieser erfasst wird.In order to ensure a spatially resolved detection of the temperature and the measuring distance at each measuring point, each measuring point is preferably associated with a fiber bundle with at least two optical fibers, wherein the free fiber ends of each fiber bundle are each arranged at its associated measuring point at a measuring distance to the surface of the workpiece and the thermal radiation emitted by each measuring point is coupled into at least one of the optical fibers of the respectively assigned fiber bundle and conducted to the temperature measuring device and detected by the latter.

Um Probleme bei einer Defokussierung der Einkopplung zu vermeiden, wird die von jeder Messstelle emittierte thermische Strahlung ohne eine Abbildungsoptik in die jeweilige Lichtleitfaser des jeweils zugeordneten Faserbündels eingekoppelt.In order to avoid problems with a defocusing of the coupling, the thermal radiation emitted by each measuring point is coupled into the respective optical fiber of the respectively assigned fiber bundle without any imaging optics.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst jedes Faserbündel insgesamt drei Lichtleitfasern, wobei in eine Lichtleitfaser die von der zugeordneten Messstelle emittierte thermische Strahlung eingekoppelt wird, um zu der Temperaturmesseinrichtung geleitet zu werden. In die beiden anderen Lichtleitfasern wird jeweils an einem mit einer Lichtquelle gekoppelten Ende Licht unterschiedlicher Wellenlängen eingekoppelt, welches jeweils am freien Faserende dieser Lichtleitfasern austritt und im Bereich der Wirkzone auf die Oberfläche des Werkstücks auftrifft und von dort zurück reflektiert wird. Die von der Oberfläche des Werkstücks zurückreflektierte Lichtstrahlung wird in eine der anderen beiden Fasern des Faserbündels eingekoppelt und zu einer Entfernungsmesseinrichtung geleitet. Die Entfernungsmesseinrichtung ermittelt aus den Intensitäten der zurückreflektierten Lichtstrahlung den Messabstand zwischen der jeweiligen Messstelle und dem freien Faserende des zugeordneten Faserbündels. Auf diese Weise kann zum einen durch die Erfassung der Temperatur an den verschiedenen Messstellen ein Temperaturprofil der Wirkzone sowie ein Höhenprofil der Oberfläche des Werkstücks im Bereich der Wirkzone ermittelt werden. Durch die gleichzeitige (berührungslose) Erfassung der Werkstücktemperatur und der Messabstandhöhe an mehreren verschiedenen Messstellen im Bereich der thermischen Wirkzone kann eine Zuordnung der erfassten Messparameter (Temperatur und Messabstand) zu den einzelnen Messstellen erfolgen, welche zueinander eine feste, vorgegebene geometrische Zuordnung aufweisen. Um auch thermische Wirkzonen mit mehrdimensionaler Geometrie und während des Bearbeitungsprozesses wechselndem Verlauf erfassen zu können, ist in einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgesehen, dass die Faserbündel jeweils in vorgegebener Geometrie zueinander an einer am Bearbeitungskopf angeordneten Halteeinrichtung fixiert sind, wobei der Bearbeitungskopf und/oder die daran angeordnete Halteeinrichtung um einen Azimutwinkel um eine koaxial zur optischen Achse des Bearbeitungskopfes angeordnete Schwenkachse und/oder um einen Elevationswinkel um eine senkrecht zur optischen Achse des Bearbeitungskopfes und senkrecht zur Bewegungsrichtung des Bearbeitungskopfes angeordnete Schwenkachse verschwenkbar sind. In a preferred embodiment of the invention, each fiber bundle comprises a total of three optical fibers, wherein in an optical fiber, the thermal radiation emitted by the associated measuring point is coupled in order to be conducted to the temperature measuring device. In the two other optical fibers light of different wavelengths is coupled in each case at one end coupled to a light source, which emerges at the free fiber end of these optical fibers and in the region of the effective zone impinges on the surface of the workpiece and is reflected back from there. The reflected back from the surface of the workpiece light radiation is coupled into one of the other two fibers of the fiber bundle and passed to a distance measuring device. From the intensities of the reflected back light radiation, the distance measuring device determines the measuring distance between the respective measuring point and the free fiber end of the associated fiber bundle. In this way, on the one hand by the detection of the temperature at the different measuring points, a temperature profile of the active zone and a height profile of the surface of the workpiece in the region of the active zone can be determined. Due to the simultaneous (non-contact) detection of the workpiece temperature and the measuring distance at several different measuring points in the area of the thermal zone of action, the acquired measuring parameters (temperature and measuring distance) can be assigned to the individual measuring points, which have a fixed, predetermined geometric assignment to each other. In order to be able to detect thermal zones of action with multi-dimensional geometry and changing course during the machining process, in a preferred embodiment of the device according to the invention it is provided that the fiber bundles are each fixed in a predetermined geometry to one another at a holding device arranged on the machining head, the machining head and / or the holding means arranged thereon are pivotable about an azimuth angle about a pivot axis arranged coaxially to the optical axis of the machining head and / or about an elevation angle about a pivot axis arranged perpendicular to the optical axis of the machining head and perpendicular to the direction of movement of the machining head.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bspw. beim Laserschweißen zur Herstellung einer dauerhaften Verbindung zwischen zwei oder mehreren Werkstücken mittels einer Schmelzverbindung verwendet werden, wobei eine Wärmequelle mit ausreichender Leistungsdichte eingesetzt wird, um die Verbindungspartner anzuschmelzen. Um die mechanischen und thermischen Eigenschaften der genannten Verbindung in einer gewollten Art und Weise zu beeinflussen, wird bei einem solchen Schweißverfahren häufig Zusatzmaterial in Pulver-, Draht- oder Pastenform und-/oder ein Schutzgas mit einer passenden Zusammensetzung verwendet. Da der Wirkmechanismus zur Herstellung einer solchen dauerhaften Verbindung über ein solches Laserschweißverfahren thermischer Natur ist, kann über eine genaue, gleichzeitige und ortsaufgelöste Erfassung der Temperatur der verbundenen Werkstücken mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Qualität der hergestellten Verbindung on-line und in Echtzeit überwacht werden.The device according to the invention can be used, for example, in laser welding for producing a permanent connection between two or more workpieces by means of a fusion connection, wherein a heat source with sufficient power density is used to fuse the connection partners. In order to influence the mechanical and thermal properties of said compound in a desired manner, filler material in powder, wire or paste form and / or a protective gas with a suitable composition is frequently used in such a welding process. Since the mechanism of action for producing such a permanent connection via such a laser welding process is thermal in nature, the quality of the compound produced can be monitored on-line and in real time via accurate, simultaneous and spatially resolved detection of the temperature of the joined workpieces by means of the device according to the invention.

Weitere Vorteile und Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen, welche unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:Further advantages and examples of use of the device according to the invention will become apparent from the following embodiments, which are explained with reference to the accompanying drawings. The drawings show:

1: Schematische und perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken; 1 : Schematic and perspective view of the device according to the invention for the laser machining of workpieces;

1a: Ausschnitt aus dem Bereich der Wirkzone des Werkstücks von 1; 1a : Section from the area of the effective zone of the workpiece of 1 ;

2: Schematische Darstellung eines Faserbündels der Vorrichtung von 1 mit einer daran gekoppelten Auswerteeinrichtung zur Erfassung und Auswertung der Intensitäten der in den Lichtleitfasern des Faserbündels geführten elektromagnetischen Strahlung. 2 : Schematic representation of a fiber bundle of the device of 1 with an evaluation device coupled thereto for detecting and evaluating the intensities of the electromagnetic radiation guided in the optical fibers of the fiber bundle.

3: Schematische Darstellung eines im Abstand zur Werkstückoberfläche angeordneten Faserbündels der Vorrichtung von 1 in zwei unterschiedlichen Geometrien (Neigungswinkel der Fasern) zur Veranschaulichung der Einkopplung des an der Oberfläche reflektierten Rückreflexes aus der Zone einer Messstelle, welche dem Faserbündel zugeordnet ist; 3 : Schematic representation of a spaced apart from the workpiece surface fiber bundle of the device of 1 in two different geometries (inclination angle of the fibers) to illustrate the coupling of the surface reflection reflected back reflection from the zone of a measuring point, which is associated with the fiber bundle;

4: Graphische Darstellung der von den Detektoren der Vorrichtung der 2 erfassten Intensitäten der in die Fasern eines Faserbündels eingekoppelten Rückreflexe für Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen in Abhängigkeit des Messabstands z zwischen dem freien Ende des Faserbündels und der Werkstückoberfläche; 4 : Graphical representation of the device 's detectors 2 detected intensities of the coupled back into the fibers of a fiber bundle reflections for radiation of different wavelengths as a function of the measuring distance z between the free end of the fiber bundle and the workpiece surface;

5: Schematische Darstellung einer zweckmäßigen Anordnung der Messstellen innerhalb der thermischen Wirkzone auf der Oberfläche des Werkstücks; 5 : Schematic representation of a convenient arrangement of the measuring points within the thermal zone of action on the surface of the workpiece;

6: Schematische Darstellung des auf die Oberfläche des Werkstücks gerichteten Laserstrahls des Bearbeitungslasers und der innerhalb der thermischen Wirkzone des Laserstrahls angeordneten Messstellen von 5 sowie den jeder Messstelle zugeordneten Faserbündeln und skizziertem Verlauf des Temperaturprofils im Bereich der thermischen Wirkzone. 6 : Schematic representation of the directed onto the surface of the workpiece laser beam of the processing laser and arranged within the thermal zone of action of the laser beam measuring points of 5 and the fiber bundles assigned to each measuring point and a sketched profile of the temperature profile in the region of the thermal zone of action.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Laserbearbeitung von Werkstücken gezeigt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Bearbeitungskopf 1, aus dem ein Laserstrahl 2 austritt und auf die Oberfläche 11 eines zu bearbeitenden Werkstücks 10 auftrifft. Der Laserstrahl 2 erwärmt das Werkstück 10 lokal in einer thermischen Wirkzone W. Die Erwärmung ist dabei so stark, dass das Material des Werkstücks 10 aufgeschmolzen wird. Der Bearbeitungskopf 1 umfasst eine Halteeinrichtung 17. In der Halteeinrichtung 17 sind mehrere Faserbündel 5 in einer vorgegebenen Geometrie angeordnet. Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt 8 Faserbündel 5 vorgesehen, welche in zwei Reihen unterteilt sind, wobei in jeder Reihe vier Faserbündel nebeneinander liegend angeordnet, in der Halteeinrichtung 17 befestigt sind. Die Faserbündel 5 umfassen jeweils zwei oder mehr Lichtleitfasern. Bei dem in der vergrößerten Darstellung der 1a zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel enthält jedes Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. jeweils zwei Lichtleitfasern 6a und 7a, 6b und 7b, 6c und 7c, 6d und 7d, etc. Jedes Faserbündel 5 weist ein freies Faserende 9 auf, welches in einem vorgegebenen Messabstand d über der Oberfläche 11 des zu bearbeitenden Werkstücks 10 angeordnet ist. Jedem Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. ist auf diese Weise ein korrespondierender Messpunkt 4a, 4b, 4c, 4d, etc. auf der Oberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W zugeordnet.In 1 an apparatus according to the invention for the laser processing of workpieces is shown. The device according to the invention comprises a machining head 1 from which a laser beam 2 exit and onto the surface 11 a workpiece to be machined 10 incident. The laser beam 2 heats the workpiece 10 locally in a thermal zone of action W. The heating is so strong that the material of the workpiece 10 is melted. The machining head 1 includes a holding device 17 , In the holding device 17 are several fiber bundles 5 arranged in a given geometry. At the in 1 shown embodiment are a total of 8 fiber bundles 5 provided, which are divided into two rows, wherein in each row four fiber bundles arranged side by side, in the holding device 17 are attached. The fiber bundles 5 each comprise two or more optical fibers. In the enlarged view of the 1a illustrated embodiment contains each fiber bundle 5a . 5b . 5c . 5d , etc. each two optical fibers 6a and 7a . 6b and 7b . 6c and 7c . 6d and 7d , etc. Each fiber bundle 5 has a free fiber end 9 on, which at a predetermined measuring distance d above the surface 11 of the workpiece to be machined 10 is arranged. Each fiber bundle 5a . 5b . 5c . 5d , etc. is in this way a corresponding measuring point 4a . 4b . 4c . 4d , etc. on the surface 11 in the area of the thermal zone of action W assigned.

Der Bearbeitungskopf 1 ist gegenüber dem zu bearbeitenden Werkstück 10 beweglich und insbesondere in einer Bewegungsrichtung B gegenüber dem Werkstück 10 verfahrbar, so dass der Laserstrahl 2 auf der Oberfläche 11 des Werkstücks 10 eine Bewegungslinie M abfahren kann. Die Bewegungslinie M kann dabei in dem 3D-Kooradinatensystem x-y-z eine gekrümmte Linie darstellen, d. h. die Bewegungslinie M kann bei einer ebenen Werkstückoberfläche 11 in der x-y-Ebene gekrümmt sein und bei der Werkstückoberfläche 11 kann es sich auch um eine unebene 3D-Fläche mit einem Höhenprofil (in z-Richtung) handeln.The machining head 1 is opposite the workpiece to be machined 10 movable and in particular in a direction of movement B relative to the workpiece 10 movable, so that the laser beam 2 on the surface 11 of the workpiece 10 a movement line M can depart. The movement line M can represent a curved line in the 3D co-ordinate system xyz, ie the movement line M can be at a flat workpiece surface 11 to be curved in the xy plane and at the workpiece surface 11 it can also be an uneven 3D surface with a height profile (in the z-direction).

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Bearbeitungskopf 1 um einen Azimutwinkel α um eine koaxial zur optischen Achse 19 des Bearbeitungskopfes 1 angeordnete Schwenkachse verschwenkbar. Zusätzlich ist der Bearbeitungskopf 1 auch um einen Elevationswinkel γ um eine senkrecht zur optischen Achse 19 und senkrecht zur Bewegungsrichtung B angeordnete Schwenkachse verschwenkbar. In einem hier zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann auch vorgesehen sein, dass die Halteeinrichtung 17 gegenüber dem feststehenden Bearbeitungskopf 1 um einen Azimutwinkel α und um einen Elevationswinkel γ verschwenkbar am Bearbeitungskopf 1 angelenkt ist. Durch die Verschwenkbarkeit des Bearbeitungskopfes 1 bzw. der Halteeinrichtung 17 gegenüber dem Bearbeitungskopf 1 können die den Faserbündeln 5 zugeordneten Messstellen 4 innerhalb der thermischen Wirkzone W in ihrer Position variiert werden. Die relative Lage der Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d, etc. untereinander bleibt dabei jedoch konstant, da die den jeweiligen Messstellen zugeordneten Faserbündel 5a, 5b, 5c, 5d, etc. fest in der Halteeinrichtung 17 positioniert sind.In a preferred embodiment, the machining head is 1 by an azimuth angle α about a coaxial to the optical axis 19 of the machining head 1 arranged pivot axis pivoted. In addition, the machining head 1 also by an elevation angle γ about a perpendicular to the optical axis 19 and arranged perpendicular to the direction of movement B pivot axis. In an exemplary embodiment, not shown here, it can also be provided that the holding device 17 opposite the fixed machining head 1 pivotable about an azimuth angle α and about an elevation angle γ on the machining head 1 is articulated. By the pivoting of the machining head 1 or the holding device 17 opposite the machining head 1 Can the fiber bundles 5 assigned measuring points 4 be varied in their position within the thermal zone of action W. The relative position of the measuring points 4a . 4b . 4c . 4d , etc., however, remains constant among themselves, since the fiber bundles assigned to the respective measuring points 5a . 5b . 5c . 5d , etc. firmly in the holding device 17 are positioned.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Temperaturmesseinrichtung 3, mit der die Temperatur des Werkstücks 10 im Bereich der thermischen Wirkzone W gemessen werden kann. Die Anordnung zur Messung der Temperatur an jeder einzelnen Messstelle 4a, 4b, 4c, 4d, etc. ist in 2 schematisch dargestellt. 2 zeigt eines der Faserbündel 5 aus der Vorrichtung von 1 mit einer an dieses Faserbündel 5 gekoppelten Auswerteeinrichtung zur Erfassung und Auswertung der Intensitäten der in den einzelnen Lichtleitfasern des Faserbündels geführten elektromagnetischen Strahlung. Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Faserbündel 5 drei verschiedene Lichtleitfasern 6, 7, 8. Im Einschub der 2 ist das Faserbündel 5 im Querschnitt dargestellt und es sind die drei Lichtleitfasern 6, 7 und 8 zu erkennen. Das freie Ende 9 der Lichtleitfaser 5 ist in einem Messabstand d zur Oberfläche 11 des Werkstücks 10 angeordnet. Die anderen Enden 13.6, 13.7 und 13.8 der einzelnen Lichtleitfasern 6, 7, 8 sind jeweils mit einem Verarbeitungsmodul 20.6, 20.7 bzw. 20.8 verbunden. Das Verarbeitungsmodul 20.6 der ersten Lichtleitfaser 6 umfasst einen ersten Detektor 14.6a und einen zweiten Detektor 14.6b sowie eine Auskoppeloptik 16.6 mit optischen Komponenten wie Linsen und Strahlteiler und optische Filter 15.6a und 15.6b, über welche die in der ersten Lichtleitfaser 6 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf die Detektoren 14.6a und 14.6b gelenkt wird.The device according to the invention further comprises a temperature measuring device 3 , with which the temperature of the workpiece 10 can be measured in the region of the thermal zone of action W. The arrangement for measuring the temperature at each individual measuring point 4a . 4b . 4c . 4d , etc. is in 2 shown schematically. 2 shows one of the fiber bundles 5 from the device of 1 with one on this fiber bundle 5 coupled evaluation device for detecting and evaluating the intensities of the guided in the individual optical fibers of the fiber bundle electromagnetic radiation. At the in 2 embodiment shown includes the fiber bundle 5 three different optical fibers 6 . 7 . 8th , In the slot of 2 is the fiber bundle 5 shown in cross-section and it is the three optical fibers 6 . 7 and 8th to recognize. The free end 9 the optical fiber 5 is at a measuring distance d to the surface 11 of the workpiece 10 arranged. The other ends 13.6 . 13.7 and 13.8 the individual optical fibers 6 . 7 . 8th are each with a processing module 20.6 . 20.7 respectively. 20.8 connected. The processing module 20.6 the first optical fiber 6 includes a first detector 14.6A and a second detector 14.6b as well as a coupling-out optics 16.6 with optical components such as lenses and beam splitters and optical filters 15.6a and 15.6b over which the in the first optical fiber 6 guided electromagnetic radiation and coupled to the detectors 14.6A and 14.6b is steered.

Das der zweiten Lichtleitfaser 7 zugeordnete Verarbeitungsmodul 20.7 umfasst eine erste Lichtquelle 12.7 sowie einen lichtempfindlichen Detektor 14.7. Darüber hinaus sind auch in dem Verarbeitungsmodul 20.7 optische Komponenten 16.7 wie Linsen, Strahlteiler und ein Filter 15.7 vorgesehen, über welche die in der zweiten Lichtleitfaser 7 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf den Detektor 14.7 geleitet bzw. das von der Lichtquelle 12.7 emittierte Licht in die zweite Lichtleitfaser 7 eingekoppelt wird.That of the second optical fiber 7 associated processing module 20.7 includes a first light source 12.7 and a photosensitive detector 14.7 , In addition, also in the processing module 20.7 optical components 16.7 like lenses, beam splitters and a filter 15.7 provided, over which in the second optical fiber 7 guided electromagnetic radiation and coupled to the detector 14.7 passed or that of the light source 12.7 emitted light in the second optical fiber 7 is coupled.

Das der dritten Lichtleitfaser 8 zugeordnete Verarbeitungsmodul 20.8 umfasst eine zweite Lichtquelle 12.8 sowie einen weiteren lichtempfindlichen Detektor 14.8. Daneben sind auch in dem Verarbeitungsmodul 20.8 optische Komponenten 16.8 wie Linsen, Strahlteiler und ein optisches Filter 15.8 vorgesehen, über welche die in der dritten Lichtleitfaser 8 geführte elektromagnetische Strahlung ausgekoppelt und auf den lichtempfindlichen Detektor 14.8 gerichtet bzw. die von der zweiten Lichtquelle 12.8 emittierte Strahlung in die dritte Lichtleitfaser 8 eingekoppelt wird.That of the third optical fiber 8th associated processing module 20.8 includes a second light source 12.8 and another light-sensitive detector 14.8 , Besides that are also in the processing module 20.8 optical components 16.8 like lenses, beam splitters and an optical filter 15.8 provided, over which in the third optical fiber 8th guided electromagnetic radiation and coupled to the photosensitive detector 14.8 directed or from the second light source 12.8 emitted radiation in the third optical fiber 8th is coupled.

Jedes weitere Faserbündel 5 ist bevorzugt identisch zu dem in 2 gezeigten Faserbündel 5 aufgebaut, d. h. jedes weitere Faserbündel 5 umfasst jeweils drei Lichtleitfasern 6, 7, 8 und die diesen zugeordneten Verarbeitungsmodule 20.6, 20.7 bzw. 20.8.Each additional fiber bundle 5 is preferably identical to that in 2 shown fiber bundles 5 constructed, ie every other fiber bundle 5 each comprises three optical fibers 6 . 7 . 8th and the processing modules associated therewith 20.6 . 20.7 respectively. 20.8 ,

Beispielhaft haben die optischen Komponenten der Anordnung von 2 folgende Eigenschaften: Die Lichtquelle 12.7 ist eine sichtbare LED oder Laserdiode, die Lichtquelle 12.8 ist eine 1550 nm emittierende LED oder Laserdiode. Die Detektoren 14.7 und 14.6a sind InGaAs-Photodioden. Die Detektoren 14.8 und 14.6b sind Si-Photodioden. Der Filter 15.7 ist ein schmales Bandpaßfilter für 1550 nm, die Filter 15.8 und 15.6b sind schmale Bandpaßfilter für die sichtbare Wellenlänge der Lichtquelle 12.7 und der Filter 15.6a ist ein breites Bandpaßfilter für den Wellenlängenbereich von 1200 bis 1800 nm zur Filterung der von der Werkstückoberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W emittierten thermischen Strahlung aus dem infraroten Spektralbereich.By way of example, the optical components of the arrangement of 2 following properties: The light source 12.7 is a visible LED or laser diode, the light source 12.8 is a 1550 nm emitting LED or laser diode. The detectors 14.7 and 14.6A are InGaAs photodiodes. The detectors 14.8 and 14.6b are Si photodiodes. The filter 15.7 is a narrow bandpass filter for 1550 nm, the filters 15.8 and 15.6b are narrow bandpass filters for the visible wavelength of the light source 12.7 and the filter 15.6a is a wide band pass filter for the wavelength range of 1200 to 1800 nm for filtering from the workpiece surface 11 in the region of the thermal zone of action W emitted thermal radiation from the infrared spectral range.

Über die zweite Faser 7 wird bspw. rotes Licht der Lichtquelle 12.7 auf die Oberfläche 11 abgestrahlt und das von der Lichtquelle 12.8 emittierte und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte nahinfrarote Licht empfangen. Über die dritte Faser 8 wird nahinfrarotes Licht der Lichtquelle 12.8 auf die Oberfläche 11 abgestrahlt und das rote Licht der Lichtquelle 12.7 empfangen. Über die erste Faser 6 wird das rote Licht der Lichtquelle 12.7 sowie die von der Oberfläche 11 emittierte nahinfrarote thermische Strahlung empfangen. Die Irradianz E der von der Oberfläche 11 emittierten thermischen Strahlung wird über die erste Faser 6 vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 1200 nm bis 1800 nm erfasst, wobei dieser Spektralbereich durch den Infrarot-Bandpassfilter 15.6a gefiltert wird. Die Anordnung bestehend aus dem Infrarot-Bandpassfilter 15.6a und dem Detektor 14.6a stellt eine Temperaturmesseinrichtung 3 dar, mit der die Irradianz E der von der Oberfläche 11 emittierten thermischen Strahlung und daraus die Temperatur T an der Messstelle 4, die dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordnet ist, gemessen werden kann. Das rote Licht der Lichtquelle 12.7 dient einerseits als Positionierhilfe aber auch zur Ermittlung des Messabstands d über ein Rückreflex-Verfahren.About the second fiber 7 becomes, for example, red light of the light source 12.7 on the surface 11 emitted and that from the light source 12.8 emitted and from the surface 11 Back reflected near-infrared light received. About the third fiber 8th becomes near-infrared light of the light source 12.8 on the surface 11 emitted and the red light of the light source 12.7 receive. About the first fiber 6 becomes the red light of the light source 12.7 as well as from the surface 11 emitted near-infrared thermal radiation received. The Irradianz E of the surface 11 emitted thermal radiation is transmitted through the first fiber 6 preferably detected in the wavelength range of 1200 nm to 1800 nm, said spectral range through the infrared bandpass filter 15.6a is filtered. The arrangement consisting of the infrared bandpass filter 15.6a and the detector 14.6A represents a temperature measuring device 3 with which the Irradianz E of the surface 11 emitted thermal radiation and from this the temperature T at the measuring point 4 that the respective fiber bundle 5 is assigned, can be measured. The red light of the light source 12.7 serves on the one hand as a positioning aid but also for determining the measuring distance d via a back-reflex method.

Die Strahlteiler 25 der 2 können auch als „Y”-Faserbündel oder 2:1 Faserkoppler ausgelegt werden. Die optischen Fasern 6, 7, 8 können als singlemode (SM) oder multimode (MM) Faser verwendet werden. Die optischen Fasern 6, 7, 8 können ferner gleicher Art und mit gleichem Durchmesser oder gemischt zu einer Messstelle 4 eingesetzt werden.The beam splitters 25 of the 2 can also be designed as "Y" fiber bundles or 2: 1 fiber couplers. The optical fibers 6 . 7 . 8th can be used as singlemode (SM) or multimode (MM) fiber. The optical fibers 6 . 7 . 8th may also be of the same type and diameter or mixed to a measuring point 4 be used.

Zur Erfassung der Emissivität der Oberfläche 11 im Bereich der thermischen Wirkzone W wird das aus der DE 10 2004 053 660 bekannte Messverfahren in einer abgewandelten Weise verwendet: In dem Messverfahren der DE 10 2004 053 660 wird gepulstes nahinfrarotes Licht über dieselben Faser abgestrahlt, über die die Messung der Irradianz erfolgt, wobei das Ende der Faser auf die Werkstückoberfläche mit mindestens einem Fokussierelement (Linse) fokussiert wird. Dies hat den Nachteil, dass die Messung sehr empfindlich auf Messabstands- und Messwinkeländerungen reagiert. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird keine Fokussieroptik verwendet und die Sende- und Empfangsfaser sind unterschiedlich (dritte Faser 8 bzw. erste Faser 6 der Vorrichtung von 2). Das hat zwei wesentliche Vorteile:

a) der Messfleckdurchmesser ist nicht scharf abgegrenzt und hängt von der numerischen Apertur der Faser und von der Meßentfernung ab, und
b) bedingt durch die numerische Apertur der Faser ist eine exakte senkrechte Aufstellung der Faser auf die zu messende Werkstückoberfläche (wie in 3b gezeigt) nicht erforderlich, da für kleine Winkelabweichungen des Messwinkels β von der Normalen (innerhalb des Fasereintrittswinkels) immer ein Rückreflex innerhalb des Messfleckdurchmessers entsteht (wie im Vergleich der 3a und 3b zu sehen, wobei in 3a ein geringfügig kleinerer Messwinkel β von ca. 85° dargestellt ist). Allerdings liegt die Reflektivität der Oberfläche 11 nicht direkt als Signal vor. Sie geht vielmehr als unbekannter Faktor in die Messung der Abstandscharakteristik ein. Somit ist es erforderlich, gleichzeitig die Entfernung zu messen.

To detect the emissivity of the surface 11 in the area of the thermal zone of action W is the from the DE 10 2004 053 660 known measuring method used in a modified manner: In the measuring method of DE 10 2004 053 660 For example, pulsed near-infrared light is emitted over the same fiber over which the Irradianz measurement is taken, focusing the end of the fiber onto the workpiece surface with at least one focusing element (lens). This has the disadvantage that the measurement reacts very sensitively to measuring distance and measuring angle changes. In the apparatus according to the invention no focusing optics is used and the transmitting and receiving fibers are different (third fiber 8th or first fiber 6 the device of 2 ). This has two main advantages:

a) the spot diameter is not sharply demarcated and depends on the numerical aperture of the fiber and on the measuring distance, and
b) due to the numerical aperture of the fiber is an exact vertical alignment of the fiber on the workpiece surface to be measured (as in 3b shown) is not necessary because for small angular deviations of the measuring angle β from the normal (within the fiber entry angle) always a back reflection within the measuring spot diameter arises (as in the comparison 3a and 3b to see, in 3a a slightly smaller measuring angle β of about 85 ° is shown). However, the reflectivity of the surface is 11 not directly as a signal. Rather, it enters the measurement of the distance characteristic as an unknown factor. Thus, it is necessary to measure the distance at the same time.

Bedingt durch die Verwendung der Fasern 6, 7, 8 ohne eine Abbildungsoptik ist der realisierbare Meßabstand d zur Werkstückoberfläche 11 auf typische Werte zwischen 3 und 15 mm begrenzt. Zur Umsetzung der berührungslosen Entfernungsmessung wird das Licht der beiden Lichtquellen 12.7 und 12.8 jeweils über eine der drei Fasern (Faser 7 bzw. Faser 8) auf die dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordnete Meßstelle 4 abgestrahlt und das von der Oberfläche 11 des Werkstück 10 reflektierte Licht einer jeden Lichtquelle 12.7 bzw. 12.8 wird jeweils über eine andere Faser des dieser Meßstelle 4 zugeordneten Faserbündels 5 empfangen. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 wird das von der Lichtquelle 12.7 kommende und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte (rote) Licht in die Faser 8 eingekoppelt und von dieser zum Detektor 12.8 geführt und das von der Lichtquelle 12.8 kommende und von der Oberfläche 11 zurück reflektierte (infrarote) Licht in die Faser 7 eingekoppelt und von dieser zum Detektor 12.7 geführt. Due to the use of the fibers 6 . 7 . 8th without an imaging optics is the feasible measuring distance d to the workpiece surface 11 limited to typical values between 3 and 15 mm. To implement the non-contact distance measurement, the light of the two light sources 12.7 and 12.8 each one of the three fibers (fiber 7 or fiber 8th ) on the respective fiber bundle 5 assigned measuring point 4 radiated and that from the surface 11 of the workpiece 10 reflected light from each light source 12.7 respectively. 12.8 is in each case via a different fiber of this measuring point 4 associated fiber bundle 5 receive. In the embodiment of the 2 that gets from the light source 12.7 coming and from the surface 11 reflected back (red) light into the fiber 8th coupled and from this to the detector 12.8 led and that of the light source 12.8 coming and from the surface 11 reflected back (infrared) light into the fiber 7 coupled and from this to the detector 12.7 guided.

Um die Abhängigkeit des Abstandsmeßsignals von der Reflektivität zu eliminieren werden zweckmäßig zwei vorzugsweise schmalbandige Lichtquellen 12.7 und 12.8 verwendet, welche unterschiedliche Lichtwellenlängen emittieren (bspw. eine im sichtbaren Spektralbereich emittierende LED oder Laserdiode und eine im infraroten Spektralbereich emittierende LED oder Laserdiode). Das Licht der Lichtquellen 12.7 und 12.8 wird zweckmäßig jeweils in das eine Ende 13.7 bzw. 13.8 einer Lichtleitfaser 7 bzw. 8 eingekoppelt. Die Fasern 7 und 8 sind dabei bevorzugt vom gleichen Typ (eventuell mit unterschiedlichen Durchmessern). Das eingekoppelte Licht tritt jeweils am freien Ende 9 der Fasern 7, 8 aus und wird von der Oberfläche 11 an der dem jeweiligen Faserbündel 5 zugeordneten Messstelle 4 auf das freie Ende 9 dieses Faserbündels 5 zurück reflektiert und dort wieder in die Fasern 7 und 8 eingekoppelt. Da die Einkopplung des zurück reflektierten Lichts ohne Abbildungsoptik erfolgt, hängt die Effizienz der Einkopplung neben dem Abstand d des freien Endes 9 des Faserbündels 5 zur Oberfläche 11 auch von der numerischen Apertur der jeweiligen Faser 7 bzw. 8 ab. Weil die numerische Apertur einer optischen Faser wellenlängenabhängig ist, hängt auch die Effizienz der Einkopplung und damit die Intensität des vom jeweiligen Detektor 14.7 bzw. 14.8 erfassten Signals von der Wellenlänge des Lichts ab.In order to eliminate the dependence of the distance measuring signal on the reflectivity, it is expedient to use two preferably narrowband light sources 12.7 and 12.8 used, which emit different wavelengths of light (for example, an emitting in the visible spectral range LED or laser diode and emitting in the infrared spectral range LED or laser diode). The light of the light sources 12.7 and 12.8 is expedient in each case in one end 13.7 respectively. 13.8 an optical fiber 7 respectively. 8th coupled. The fibers 7 and 8th are preferably of the same type (possibly with different diameters). The coupled light occurs at the free end 9 the fibers 7 . 8th off and gets off the surface 11 at the respective fiber bundle 5 assigned measuring point 4 to the free end 9 this fiber bundle 5 reflected back and there back into the fibers 7 and 8th coupled. Since the coupling of the reflected light back without imaging optics, the efficiency of the coupling depends on the distance d of the free end 9 of the fiber bundle 5 to the surface 11 also from the numerical aperture of the respective fiber 7 respectively. 8th from. Because the numerical aperture of an optical fiber is wavelength-dependent, the efficiency of the coupling and thus the intensity of the respective detector also depends 14.7 respectively. 14.8 detected signal from the wavelength of the light.

In 4 sind die von einem der Detektoren 14.7 oder 14.8 erfassten Intensitätskurven des in die jeweils zugeordnete Faser 7 bzw. 8 zurück reflektierten Lichts in Abhängigkeit des Messabstands z für zwei verschiedene Wellenlängen (nämlich 658 nm und 1550 nm) dargestellt. Aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit der numerischen Apertur der Faser sind die Empfangskurven (h(z) und f(z) in 4) bei den zwei verwendeten Wellenlängen entfernungsmäßig (d. h. in z-Richtung) leicht versetzt, so dass durch eine Verhältnisbildung der von den Detektoren 14.7 und 14.8 erfassten Intensitäten eine reflektivitätsunabhängige Charakteristik erzeugt wird (Kurve j(z) in 4). Der Verlauf dieser Charakteristik j(z) = f(z)/h(z + 1) ist mit der Messentfernung z intrinsisch nichtlinear, aber im relevanten z-Bereich annähernd linear, zumindest jedenfalls monoton, so dass nach einer geeigneten Kalibrierung die Entfernungen im relevanten Bereich zuverlässig erfasst werden können. Durch die Verhältnisbildung der von den Detektoren 14.7 oder 14.8 erfassten Intensitätskurven kann die Abhängigkeit von der Reflektivität weitgehend eliminiert werden. Bei Bedarf kann die Spitze am freien Ende 9 der Faserbündel 5 schräg geschliffen werden, um störende Rückreflexe an den Faserenden zu vermeiden.In 4 are those of one of the detectors 14.7 or 14.8 recorded intensity curves of the respectively associated fiber 7 respectively. 8th back reflected light as a function of the measuring distance z for two different wavelengths (namely 658 nm and 1550 nm) shown. Due to the wavelength dependence of the numerical aperture of the fiber, the receiving curves (h (z) and f (z) are in 4 ) at the two wavelengths used in the distance (ie in the z-direction) slightly offset, so that by a ratio of the formation of the detectors 14.7 and 14.8 detected intensities a reflectivity-independent characteristic is generated (curve j (z) in 4 ). The course of this characteristic j (z) = f (z) / h (z + 1) is intrinsically non-linear with the measuring distance z, but approximately linear in the relevant z-range, at least in any case monotone, so that after a suitable calibration the distances in the relevant area can be detected reliably. By the ratio formation of the detectors 14.7 or 14.8 detected intensity curves, the dependence on the reflectivity can be largely eliminated. If necessary, the tip can be at the free end 9 the fiber bundle 5 Beveled obliquely to avoid disturbing back-reflexes at the fiber ends.

Mit Hilfe der erfassten Entfernung z = d zur Werkstückoberfläche 11 lässt sich aus der nahinfraroten Entfernungsmesskurve f(z) der 4 die Reflektivität r ermitteln. Aus der bei den typischen Einsatzbedingungen geltenden Relation ε = 1 – r, wobei ε die Emissivität und r die Reflektivität ist
lässt sich die Emissivität ε on-line und in Echtzeit ermitteln und zur Korrektur der Temperaturmessung verwenden. Hierbei wird bevorzugt folgende Kalibrierroutine verwendet:

a.) Den Bearbeitungskopf 1 mit den Faserbündeln 5 unter einem vorgegebenen Messabstand (von bspw. 5 mm) auf eine heiße Herdplatte (beispielsweise bei T = 600°C, Emissivität ε ≈ 1) richten und den Verstärkungsfaktor des Messsignals so einstellen, dass der Ausgangspegel einen vorgegebenen Wert, bspw. 10 V aufweist;
b.) Danach wird der der Bearbeitungskopf 1 mit den Fasderbündeln 5 im Abstand zu einem hochreflektierenden Oberflächenspiegel positioniert (mit demselben Messabstand von bspw. 5 mm) und so lange winkelmässig justiert, bis der gemessene Rückreflex ein Maximum erreicht. Da die Intensität des zurück reflektierten Lichts mit demselben Detektor wie unter Schritt a) erfasst wird, und dieser bereits unter Schritt a) kalibriert wurde, wird der Verstärkungsfaktor nicht verändert. Zur Kalibrierung des Rückreflexes wird die Sendeleistung der verwendeten Rückreflex-Lichtquelle so eingestellt, dass der Ausgangspegel dem vorgegebenem Wert (im Beispiel also 10 V) entspricht. Dieser Wert entspricht daher einer Reflektivität r von 100%: ε(λ, T) = 1 – r(λ, T) wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts und T die Temperatur der Oberfläche ist.
c.) Somit ist die Emissivität ε(λ, T) gleich dem vorgegebenen Wert des Ausgangspegels (im Beispiel also 10 V) abzüglich der gemessenen Amplitude des Rückreflexes. Der Wert der Emissivität ε hängt auch noch von anderen Faktoren ab als nur von der Temperatur T und der Wellenlänge λ, aber in gewissen Grenzen und bei den verwendeten Materialien ist die Messung ausreichend genau und dient der Echtzeitkompensation der Emissivität.

With the help of the detected distance z = d to the workpiece surface 11 can be calculated from the near - infrared distance measurement f (z) 4 determine the reflectivity r. From the relation in the typical operating conditions

ε = 1 - r,

where ε is the emissivity and r the reflectivity
the emissivity can be determined on-line and in real time and used to correct the temperature measurement. In this case, the following calibration routine is preferably used:

a.) The machining head 1 with the fiber bundles 5 at a predetermined measuring distance (of, for example, 5 mm) on a hot stove plate (for example, at T = 600 ° C, emissivity ε ≈ 1) and set the gain of the measurement signal so that the output level has a predetermined value, for example. 10V ;
b.) Then it becomes the machining head 1 with the fiber bundles 5 positioned at a distance to a highly reflective surface mirror (with the same measuring distance of, for example, 5 mm) and adjusted angularly until the measured back-reflection reaches a maximum. Since the intensity of the reflected-back light is detected with the same detector as in step a), and this has already been calibrated under step a), the amplification factor is not changed. To calibrate the back reflection, the transmission power of the used back-reflex light source is adjusted so that the output level corresponds to the predetermined value (in the example, 10 V). This value therefore corresponds to a reflectivity r of 100%: ε (λ, T) = 1 - r (λ, T) where λ is the wavelength of the light used and T is the temperature of the surface.
c.) Thus, the emissivity ε (λ, T) is equal to the predetermined value of the output level (in the example, therefore 10 V) minus the measured amplitude of the back-reflection. The value of the emissivity ε also depends on factors other than the temperature T and the wavelength λ, but within certain limits and with the materials used, the measurement is sufficiently accurate and serves for real-time compensation of the emissivity.

Für die vom Detektor 14.6a gemessene Irradianz E(ε, d, T) gilt vereinfacht:

wobei d der Messabstand, ε die Emissivität, T die Temperatur und K eine Gerätekonstante ist. Mit den wie oben angegeben gemessenen Werten für den Messabstand d und die Emissivität ε kann die (vierte Potenz der) Temperatur wie folgt berechnet werden:

For those of the detector 14.6A Measured Irradianz E (ε, d, T) is simplified:

where d is the measuring distance, ε the emissivity, T the temperature and K is a device constant. With the measured values for the measuring distance d and the emissivity ε measured as indicated above, the (fourth power of the) temperature can be calculated as follows:

Da die Messung ohne Fokussieroptik auskommt, ist sie wesentlich vom Messabstand z = d abhängig, der aber ebenfalls, wie oben beschrieben, in Echtzeit gemessen wird. Mit Hilfe der ermittelten Abstandskennlinie wird die gemessene Emissivität kalibriert und als Korrekturwert sensorbezogen abgespeichert. Die Messung des Rückreflexes und der Irradianz E werden dabei elektronisch und optisch so voneinander getrennt, dass kein Übersprechen erfolgt, obwohl beide über denselben Detektor erfasst werden.Since the measurement does not require a focusing optics, it is essentially dependent on the measuring distance z = d, but it is also measured in real time, as described above. With the aid of the determined distance characteristic curve, the measured emissivity is calibrated and stored as a sensor-related correction value. The measurement of the back reflection and the Irradianz E are electronically and optically separated from each other so that no crosstalk occurs, although both are detected by the same detector.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit bspw. eine eindeutige Erfassung von tatsächlichen Schweißfehlern ermöglicht. Die Eindeutigkeit der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermittelten Messwerte beruht darauf, dass die Schweißfehler hauptsächlich lokale und temporale Verzerrungen der Wärmeverteilung in der gerade erstarrten Schweißnaht und ihrer Umgebung erzeugen, die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung als Momentaufnahme in ihrer Gesamtheit und unabhängig von wichtigen Prozessparametern wie die Schweiß-geschwindigkeit, die Fokuslage und die Leistung erfasst werden kann. Die genaue Erfassung dieser Momentaufnahme ist außerdem nur in Verbindung mit der Kopplung der Irradianz-Messung an die erforderliche Erfassung der Messentfernung d und der augenblicklichen Emissivität der Werkstückoberfläche 11 möglich. Um diesem Anspruch zu genügen, müssen die Anzahl und die genaue Lage der Einzelmessstellen 4 fest gelegt werden. Hierfür werden zweckmäßig unter Anwendung von „Sparsity”-Prinzipien die Anzahl der erforderlichen Messstellen 4 minimiert und deren Lage relativ zum Bearbeitungspunkt des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 11 („Tool Center Point”, TCP, siehe 4) und zur thermischen Wirkzone W optimiert. Beim Laserschweißen von zwei Werkstücken mit abgewinkelten Geometrien (bspw. ein T-Stoß) kann der Halter 17 auch geteilt werden, so dass die eine Hälfte der Meßstellen auf die Werkstückfläche des einen zu fügenden Werkstücks und die andere Hälfte der Meßstellen auf die Werkstückfläche des anderen zu fügenden Werkstücks orientiert sind.Thus, for example, a clear detection of actual welding defects is made possible with the device according to the invention. The uniqueness of the measured values determined with the device according to the invention is based on the fact that the welding defects mainly generate local and temporal distortions of the heat distribution in the just-solidified weld seam and its environment, which are generated by the device according to the invention as a snapshot in its entirety and independent of important process parameters such as welding speed, focus position and power can be detected. The precise acquisition of this snapshot is also only in connection with the coupling of Irradianz measurement to the required detection of the measuring distance d and the instantaneous emissivity of the workpiece surface 11 possible. To meet this requirement, the number and the exact location of the individual measuring points must 4 be determined. For this purpose, the use of "Sparsity" principles expediently the number of required measuring points 4 minimized and their position relative to the processing point of the laser beam 2 on the workpiece surface 11 ("Tool Center Point", TCP, see 4 ) and optimized for the thermal zone of action W. When laser welding two workpieces with angled geometries (eg a T-joint), the holder 17 Also be shared, so that one half of the measuring points are oriented to the workpiece surface of a workpiece to be joined and the other half of the measuring points on the workpiece surface of the other workpiece to be joined.

Ausführungsbeispiele für mögliche Anordnungen der Messstellen 4 sind in den 5 und 6 dargestellt. Die darin gezeigten Messstellenanordnungen enthalten jeweils 8 Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, 4g und 4h, die zweckmäßig (aber nicht notwendig) symmetrisch zur Bewegungslinie M des Laserstrahls 2 auf der Werkstückoberfläche 11 (also bspw. beim Laserschweißen zur Schweißnaht) und nicht notwendig co-linear und quer dazu liegen. Die einzelnen Messstellen werden nachfolgend mit R (rechts der Bewegungslinie M) und L (links der Bewegungslinie M) wie folgt bezeichnet (5): Messstelle 4a: L 1.1 Messstelle 4e: L 2.1 Messstelle 4b: L 1.2 Messstelle 4f: L 2.2 Messstelle 4c: R 1.1 Messstelle 4g: R 2.1 Messstelle 4d: R 1.2 Messstelle 4h: R 2.2 Embodiments for possible arrangements of the measuring points 4 are in the 5 and 6 shown. The measuring point arrangements shown therein each contain 8 measuring points 4a . 4b . 4c . 4d . 4e . 4f . 4g and 4h that expediently (but not necessarily) symmetrical to the line of movement M of the laser beam 2 on the workpiece surface 11 (ie, for laser welding to the weld) and not necessarily co-linear and transverse to it. The individual measuring points are subsequently denoted by R (to the right of the movement line M) and L (to the left of the movement line M) as follows ( 5 ): measuring point 4a : L 1.1 measuring point 4e : L 2.1 measuring point 4b : L 1.2 measuring point 4f : L 2.2 measuring point 4c : R 1.1 measuring point 4g : R 2.1 measuring point 4d : R 1.2 measuring point 4h : R 2.2

Eine symmetrische Anordnung der Messstellen 4 um die Bewegungslinie M ist bspw. beim Laserschweißen nur im Falle einer geradlinigen Schweißnaht zweier identischen Werkstücke erforderlich, die miteinander verschweißt werden. Die Platzierung der Messstellen kann jedoch zweckmäßig unter Berücksichtigung der Wärmekapazität der Materialien der zu bearbeitenden Werkstücke jeder asymmetrischen Bearbeitungsgeometrie (wie z. B. der Schweißlinie beim Laserschweißen) angepasst werden. A symmetrical arrangement of the measuring points 4 For example, in the case of laser welding, the movement line M is required only in the case of a straight-line weld seam of two identical workpieces which are welded together. However, the placement of the measuring points may be suitably adjusted taking into account the heat capacity of the materials of the workpieces to be machined of each asymmetrical machining geometry (such as the welding line during laser welding).

In 6 ist das sich bei der Anordnung der 1 und den in 5 dargestellten Messstellen ergebende Temperaturprofil T(x, y) innerhalb der thermischen Wirkzone W eingezeichnet. Zusätzlich zu der Messanordnung der 1 ist in 6 noch ein Schweißdraht 21 gezeigt, dessen Spitze während des Laserschweißprozesses in den Tool Center Point (TCP) gebracht wird.In 6 is that in the arrangement of the 1 and the in 5 shown temperature profile T (x, y) within the thermal zone of action W shown. In addition to the measuring arrangement of 1 is in 6 another welding wire 21 whose tip is brought into the Tool Center Point (TCP) during the laser welding process.

Bevorzugt werden die Messstellen 4 innerhalb der thermischen Wirkzone W zueinander und bezüglich der Bewegungslinie M so angeordnet, dass sie auf Isothermen des theoretischen 3D-Temperaturverlaufs der applikationsabhängigen Bearbeitungsgeometrie liegen, wobei für eine maximale Empfindlichkeit des Überwachungsverfahrens die äußeren Messstellen 4b, 4d; 4f, 4h so positioniert werden sollen, dass sie möglichst die halbe Temperatur der inneren Messstellen 4a, 4c, 4e, 4g zu messen haben. Danach gilt dann (mit T ist die gemessene Temperatur an der jew. Messstelle gekennzeichnet): T(R1.2) = T(R1.1)/2, T(R2.2) = T(R2.1)/2 The measuring points are preferred 4 within the thermal zone of action W to each other and with respect to the line of movement M arranged so that they are based on isotherms of the theoretical 3D temperature profile of the application-dependent processing geometry, wherein for maximum sensitivity of the monitoring method, the outer measuring points 4b . 4d ; 4f . 4h should be positioned so that they are half the temperature of the inner measuring points 4a . 4c . 4e . 4g to measure. After that, the following applies (with T the measured temperature is marked at the respective measuring point): T (R1.2) = T (R1.1) / 2, T (R2.2) = T (R2.1) / 2

Die Position x₂ wird zweckmäßig so gewählt (5), dass T(R2.1) = T(R1.1)/2 ist. Die linke Seite kann symmetrisch sein, falls die Bearbeitungsgeometrie (Geometrie der Wirkzone W) symmetrisch ist, ansonsten sollten die Meßstellen so positioniert werden dass gilt: T(R1.2) = T(L1.2), T(R1.1) = T(L1.1), T(R2.2) = T(L2.2) und T(R2.1) = T(L2.1). The position x ₂ is appropriately chosen ( 5 ) that T (R2.1) = T (R1.1) / 2. The left side can be symmetrical if the machining geometry (geometry of the effective zone W) is symmetrical, otherwise the measuring points should be positioned so that: T (R1.2) = T (L1.2), T (R1.1) = T (L1.1), T (R2.2) = T (L2.2) and T (R2.1) = T (L2.1).

Nach der Festlegung der Messstellenanordnung bleiben die Positionen der Messstellen 4 zueinander und bezüglich des Laserstrahls 2 fixiert. Dazu werden die freien Enden 9 der einzelnen Faserbündel 5 in der Halteeinrichtung 17 am Bearbeitungskopf fixiert, so dass das freie Ende 9 jedes Faserbündels 5 im Messabstand d über der jeweils zugeordneten Messstelle 4 liegt, wie in 1 gezeigt. Um die Flexibilität der Messvorrichtung zur Anpassung an andere und kompliziertere Bearbeitungsgeometrien zu erhöhen, können beispielsweise die äußeren Messstellen 4b, 4d, 4f, 4h innerhalb der Halteeinrichtung 17 verstellbar (verschiebbar) angeordnet werden.After defining the measuring point arrangement, the positions of the measuring points remain 4 to each other and with respect to the laser beam 2 fixed. These are the free ends 9 the single fiber bundle 5 in the holding device 17 fixed on the machining head, leaving the free end 9 each fiber bundle 5 at the measuring distance d over the respectively assigned measuring point 4 lies, as in 1 shown. To increase the flexibility of the measuring device to adapt to other and more complicated machining geometries, for example, the outer measuring points 4b . 4d . 4f . 4h within the holding device 17 be arranged adjustable (movable).

Für die on-line Auswertung der von den thermischen Detektoren 14.6a jedes Faserbündels 5 erfassten Signale stehen viele Möglichkeiten zur Verfügung, von denen hier einige beispielhaft zusammen mit der jeweiligen Funktion genannt werden:

For on-line evaluation of thermal detectors 14.6A each fiber bundle 5 detected signals are many options available, of which some are given here by way of example together with the respective function:

Auch die Entwicklung der beispielhaft genannten Werte in Verhältnis zueinander oder der einzelnen Messstellen für sich kann wichtige Informationen über den augenblicklichen Verlauf des überwachten Prozesses liefern. Eine Änderung der Fokuslage erhöht R1.1 gegenüber dem SOLL, während L1.1 innerhalb der Toleranz bleibt. Somit kann das Verhalten mit c) und d) ausgewertet werden. Im Falle einer Leistungsänderung sinken beide Werte. Im Falle einer Geschwindigkeitserhöhung der Bewegung des Laserstrahls 2 kann unter bestimmten Bedingungen R1.1 zunehmen, während R1.2 und R2.1 abnehmen, etc. Mit dieser Ausführung wird es schnell deutlich, dass die Summe der Meßwerte eine eindeutige Signatur des Prozesses darstellt, die mit einem komplizierten Zylinderschloss verglichen werden kann, wobei der einzig passende Schlüssel die optimale Prozessqualität darstellt.The development of the exemplified values in relation to each other or the individual measuring points can also provide important information about the instantaneous course of the monitored process. A change in the focal position increases R1.1 with respect to the SOLL while L1.1 remains within the tolerance. Thus, the behavior can be evaluated with c) and d). In the case of a power change, both values decrease. In case of an increase in the speed of movement of the laser beam 2 can increase R1.1 under certain conditions, while R1.2 and R2.1 decrease, etc. With this embodiment, it quickly becomes clear that the sum of the measured values represents a unique signature of the process, which can be compared with a complicated cylinder lock, where the only fitting key is the optimal process quality.

Im Falle einer motorisch verstellbaren Halteeinrichtung 17 werden die Asymmetrien der Signale R/L bzw. die Unterschiede der Messabstände z₁ bei x₁ bzw. z₂ bei x₂ dazu benutzt, um den Azimutwinkel α und/oder den Elevationswinkel γ des Bearbeitungskopfs 1 bzw. der Halteeinrichtung 17 bezüglich der Bewegungslinie M bzw. der Werkstückoberfläche 11 (1) durch motorische Antriebe nachzuregeln, bis die Unterschiede Null werden. Die Korrekturwerte der Antriebe werden überwacht und mit der Bahnplanung der Maschinensteuerung (Lasersteuerung) in Echtzeit verglichen.In the case of a motorized holding device 17 For example, the asymmetries of the signals R / L and the differences of the measuring distances z ₁ at x ₁ and z ₂ at x ₂ are used to the azimuth angle α and / or the elevation angle γ of the machining head 1 or the holding device 17 with respect to the movement line M or the workpiece surface 11 ( 1 ) by means of motor drives, until the differences become zero. The correction values of the drives are monitored and compared with the path planning of the machine control (laser control) in real time.

Die Erfindung ist nicht auf das im Einzelnen beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ist es ausreichend, Faserbündel 5 mit jeweils zwei Lichtleitfasern 6, 7 vorzusehen. Die Anordnung und die Anzahl der einzelnen Messstellen 4a, 4b, 4c, 4d etc. innerhalb der thermischen Wirkzone W ist nicht auf die in den Ausführungsbeispielen gezeigte Anordnung beschränkt. Es können insbesondere auch weniger als die acht in den Ausführungsbeispielen gewählten Messstellen verwendet werden.The invention is not limited to the embodiment described in detail. To achieve the object of the invention, it is sufficient, fiber bundles 5 each with two optical fibers 6 . 7 provided. The arrangement and the number of individual measuring points 4a . 4b . 4c . 4d etc. within the thermal zone of action W is not limited to the arrangement shown in the embodiments. In particular, fewer than the eight measuring points selected in the exemplary embodiments can also be used.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007024789 B3 [0003, 0006, 0006]
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DE 102004053659 B3 [0004]
DE 102004053660 [0033, 0033]

Claims

Device for the laser machining of workpieces, comprising - a machining head ( 1 ), from which a laser beam ( 2 ) and on the surface ( 11 ) of the workpiece to be machined ( 10 ) and there the workpiece ( 10 ) at least locally heated in a thermal zone of action (W), - a temperature measuring device ( 3 ) with a radiation-sensitive detector ( 14.6b ), which determine the temperature of the workpiece or a parameter proportional to the temperature of the workpiece at a plurality of measuring points spaced apart from one another within the zone of action (W) ( 4a . 4b . 4c . 4d ) and a spatially resolved temperature profile of the active zone (W) is determined, 5 . 20.6 . 20.7 . 20.8 ), which are contactless at each measuring point ( 4 ) a measuring distance (d) to the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) as well as the emissivity of the surface ( 11 ), an evaluation device which is connected to the measuring device ( 5 . 20.6 . 20.7 . 20.8 ) used by the temperature measuring device ( 3 ) detected temperature of each measuring point ( 4 ) to correct.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the temperature measuring device ( 3 ) a plurality ( 6a . 6b . 6c . 6d ) of first optical fibers ( 6 ), each of which is a measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) and their free fiber ends ( 9 ) at the measuring point assigned to it ( 4a . 4b . 4c . 4d ) at a measuring distance (d) to the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) are arranged to match those of each measuring point ( 4 ) emitted thermal radiation in the respectively associated first optical fiber ( 6a . 6b . 6c . 6d ) and the coupled radiation to the radiation-sensitive detector ( 14.6b ) of the temperature measuring device ( 3 ).

Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the distance measuring device a plurality ( 7a . 7b . 7c . 7d ) of second optical fibers ( 7 ), each of which is a measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) and their free fiber ends ( 9 ) at the measuring point assigned to it ( 4a . 4b . 4c . 4d ) at a measuring distance (d) to the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) are arranged and in each of which an associated light source ( 12.7 ) emitted light is coupled so that the coupled light at the free fiber end ( 9 ) in order to 4a . 4b . 4c . 4d ) on the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) and to be reflected therefrom, whereby that of the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) reflected light into the respective measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) associated first optical fiber ( 6a . 6b . 6c . 6d ) and coupled to one with this optical fiber ( 6a . 6b . 6c . 6d ) coupled detector ( 14.6b ).

Device according to one of claims 2 or 3, characterized in that the distance measuring device next to the plurality ( 7a . 7b . 7c . 7d ) of second optical fibers ( 7 ) a plurality ( 8a . 8b . 8c . 8d ) of third optical fibers ( 8th ), each of which is a measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) and their free fiber ends ( 9 ) at the measuring point assigned to it ( 4a . 4b . 4c . 4d ) at a measuring distance (d) to the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) are arranged and in each of which an associated light source ( 12.8 ) emitted light is coupled so that the coupled light at the free fiber end ( 9 ) in order to 4a . 4b . 4c . 4d ) on the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) and to be reflected therefrom, whereby that of the surface ( 11 ) of the workpiece ( 10 ) reflected light into the respective measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) associated second optical fiber ( 7a . 7b . 6c . 6d ) and coupled to one with this optical fiber ( 7a . 7b . 6c . 6d ) coupled detector ( 14.7 ).

Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the each measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) associated optical fibers ( 6 . 7 . 8th ) to a fiber bundle ( 5 ), so that each measuring point ( 4a . 4b . 4c . 4d ) a fiber bundle ( 5a . 5b . 5c . 5d ) and each fiber bundle ( 5a . 5b . 5c . 5d ) at least one first optical fiber ( 6 ) and a second optical fiber ( 7 ) and possibly a third optical fiber ( 8th ).

Device according to one of claims 2 to 5, characterized in that the fiber bundles ( 5 ) grouped optical fibers ( 6 . 7 . 8th ) at one of the processing head ( 1 ) holding device ( 17 ) are fixed.

Apparatus according to claim 6, characterized in that the machining head ( 1 ) and / or the holding device arranged thereon ( 17 ) by an azimuth angle (α) about a coaxial to the optical axis ( 19 ) of the machining head ( 1 ) arranged pivot axis is pivotable.

Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that the machining head ( 1 ) and / or the holding device arranged thereon ( 17 ) by an elevation angle (γ) about a perpendicular to the optical axis ( 19 ) of the machining head ( 1 ) and perpendicular to the direction of movement (B) of the machining head ( 1 ) arranged pivot axis is pivotable.