DE3710816A1 - Vorrichtung zur bearbeitung eines werkstuecks mittels eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, mit einem Laser, einem Umlenkspiegel, mit dem der vom Laser erzeugte Laser­ strahl über eine Fokussierungsoptik auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet wird, und mit einer Beobachtungsein­ richtung zur Beobachtung des Bearbeitungsvorganges am Werk­ stück.

Die Bearbeitung von Werkstücken mit Laserstrahlen, beispiels­ weise Laserschweißen und Laserschneiden, ist seit langer Zeit bekannt. Hierzu wird ein Laserstrahl, beispielsweise der Strahl eines CO₂-Lasers mit Hilfe eines Umlenkspiegels auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet. Zur Durchführung des Bearbeitungsvorganges kann dabei das Werkstück selbst ver­ schoben werden oder aber die den Umlenkspiegel enthaltende Vorrichtung entsprechend verschoben oder ggfs. gekippt werden.

Das Laserschneiden ist bei verschiedensten Werkstückmaterialien, wie Holz, Leder, Kunststoffe, Keramik und metallische Werk­ stoffe, möglich.

Ein Merkmal des Laserschneidens besteht darin, daß die Schnittqualität geprüft werden muß, da sie durch Veränderun­ gen der Strahlqualität, die Justierung in der Strahlführung, Verschleiß der Schneiddüse, Veränderungen in einem zuge­ führten Schneidgas und durch Inhomogenitäten des Werkstücks entlang der Schnittkontur herabgesetzt werden kann.

Es ist bekannt, den Auftrefffleck des Lasers auf der Werk­ stückoberfläche während des Schneid- oder Schweißprozesses kontinuierlich zu beobachten. Diese Beobachtung erfolgt unter einem spitzen Winkel zur Werkstückoberfläche mit ei­ ner gesonderten Beobachtungsapparatur. Diese Beobachtung ist allerdings stark richtungsabhängig. Daher muß die Beobachtungsapparatur bei einem über die Oberfläche des Werkstücks wandernden Laserstrahl ständig nachgeführt wer­ den. Eine praktische wirtschaftliche Bedeutung hat dieses Beobachtungsverfahren nicht errungen.

Es ist ferner bekannt, bei einem YAG-Laser, der im Puls­ betrieb arbeitet, den Umlenkspiegel für sichtbares Licht teildurchlässig zu machen und eine Beobachtungsoptik auf der Rückseite des Umlenkspiegels so anzubringen, daß der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche durch den teildurchlässigen Umlenkspiegel hindurch beobachtet werden kann. Der Strahlengang zu der Beobachtungsoptik wird dabei automatisch unterbrochen, wenn ein Laserpuls ausge­ sandt wird, um das beobachtende Auge vor dem reflektierten Licht des energiereichen Laserpulses zu schützen. Die Beobachtung ist daher nur während einer Pulspause möglich. In der Praxis wird mit Hilfe der Beobachtungsoptik die Lage und Größe von Schweißpunkten auf der Werkstückoberfläche ge­ prüft, die aufgrund von manuell ausgelösten Einzelimpulsen entstanden sind. Deutet die Größe und Form der Schweißpunk­ te auf eine korrekte Einstellung hin, wird der YAG-Laser gestartet und arbeitet in einem höherfrequenten Pulsbetrieb den Bearbeitungsprozeß ab. Eine Beobachtung wird während die­ ses Vorganges nicht mehr vorgenommen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs erwähnten Art zu erstellen, bei der eine Be­ obachtung des Bearbeitungsvorganges kontinuierlich möglich ist, so daß eine mangelnde Qualität des Bearbeitungsvor­ ganges sofort erkannt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs er­ wähnten Art dadurch gelöst, daß der Umlenkspiegel teildurch­ lässig ist und daß auf seiner Rückseite in Verlängerung der Strahlrichtung des Laserstrahls zwischen Umlenkspiegel und Werkstück ein optoelektronischer Sensor angeordnet ist, der mit einer Auswertungseinrichtung verbunden ist.

Zur Durchführung einer kontinuierlichen Beobachtung des Pro­ zesses wird erfindungsgemäß ein teildurchlässiger Umlenk­ spiegel vorgesehen, so daß der Aufbau eine gewisse Ähnlich­ keit mit dem YAG-Laseraufbau aufweist. Im Unterschied zu dem YAG-Laseraufbau befindet sich auf der Rückseite des Umlenk­ spiegels jedoch keine Beobachtungsoptik, sondern ein opto­ elektronischer Sensor, der das von dem Werkstück reflektier­ te bzw. durch den Bearbeitungsvorgang emittierte und durch die Fokussierlinse als Objektivlinse geleitete Strahlen­ spektrum auf der Rückseite des teildurchlässigen Umlenkspie­ gels detektiert und das detektierte Signal an eine Auswer­ tungsschaltung weiterleitet.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die re­ flektierte bzw. emittierte Strahlung eine unmittelbare Aus­ sage über den durchgeführten Bearbeitungsprozeß, beispiels­ weise Schneidprozeß ermöglicht. Mit Hilfe des optoelektro­ nischen Sensors wird die reflektierte bzw. emittierte Strah­ lung erfaßt und in einer Auswertungseinrichtung dahingehend ausgewertet, ob der Schneidprozeß planmäßig verläuft oder zu Unregelmäßigkeiten führt.

In einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich auf der Rück­ seite des Umlenkspiegels in Verlängerung der Strahlrichtung, mit der der von dem Laser ausgehende Laserstrahl auf den Umlenk­ spiegel trifft, ein weiterer Sensor. Dieser Sensor ermöglicht eine Strahlanalyse des ausgesandten Laserstrahls. Damit sind er­ gänzende Untersuchungen möglich. Diese ergänzenden Untersuchun­ gen beruhen auf der Erkenntnis, daß das über den Umlenkspiegel wieder in den Laser eingekoppelte, vom Werkstück reflektierte Laserlicht die Strahlungsbedingungen des Lasers modifiziert und daß diese Modifikationen detektierbar und aussagekräftig im Hin­ blick auf den Bearbeitungsvorgang sind.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel weist der Umlenkspiegel eine Reflektivität von etwa 99% auf, so daß nur 1% der Laser­ leistung durch die hier geschaffene Beobachtungsmöglichkeit ver­ lorengeht.

Es ist zweckmäßig, mit der Auswertungseinrichtung eine Steuerein­ richtung für Arbeitsparameter der Bearbeitungsvorrichtung (Laser­ strahl, Fokusposition, Schneidgaszuführung) zu verbinden. Wenn die Auswertungseinrichtung beispielsweise einen nicht optimalen Schneidvorgang detektiert, können die Schneidbedingungen auto­ matisch wieder verbessert werden, beispielsweise durch Nach­ justierung des Laserstrahls oder Änderung der Schneidgaszufuhr. Sollen andere Maßnahmen durchgeführt werden, kann der Laserstrahl einfach abgeschaltet werden, um beispielsweise eine Bearbeitung der Oberfläche des Werkstücks durchzuführen. Insbesondere beim Laserschneiden von Aluminium ist es zweckmäßig, wenn in der Auswertungseinrichtung das Signal des Sensors auf einen Hochpaß gelangt, dem ein Effektivwertbildner nachgeschaltet ist. Es hat sich nämlich gezeigt, daß das reflektierte Licht bei nicht ordnungsgemäßem Schneidvorgang anfängt zu pulsieren. Das pulsie­ rende Signal wird von dem Grund-Signalpegel durch den Hochpaß ge­ trennt und der Effektivwertbildner stellt die Intensität der Pulsation fest. Überschreitet diese Pulsationsintensität einen vorgewählten Wert, sind unbrauchbare Schnitte detektiert, so daß der Laser zu seiner Schonung sowie zur Schonung der Umlenkoptik abgestellt wird.

In anderen Anwendungsfällen ist zur Auswertung eine spektrale Intensitätsanalyse vorteilhaft. Hierzu werden selektiv Frequenzbänder ausgefiltert und der jeweilige Effektivwert gebildet.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 den schematischen Aufbau einer erfindungsge­ mäßen Werkstückbearbeitungsvorrichtung mit einer Einrichtung zur Prozeßbeobachtung,

Fig. 2 beispielhaft einen Laserschnitt an einem Aluminiumstück mit dem von einem Sensor er­ zeugten Ausgangssignal in Abhängigkeit von dem auf den Sensor gelangenden Anteil des reflektierten Laserlichts,

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem das Ausgangssignal des Sen­ sors mit a und ein daraus gebildetes, ausge­ wertetes Signal mit b bezeichnet ist.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem Laser 1, der üblicherweise ein CO₂-Laser ist. Dieser sendet einen Laserstrahl 2 aus, der von einem Umlenkspiegel 3 in einen Bearbeitungskopf 4 gelangt. Der Bearbeitungskopf 4 enthält im wesentlichen eine Fokussierlinse 5, mit der der parallele Laserstrahl 2 auf die Oberfläche eines Werkstücks 6 fokussiert wird. Der Bearbeitungskopf 4 ist üblicherweise zu einer Düse 7 konisch zulaufend ausgebildet, durch die Arbeitsgas auf die vom fokussierten Laserstrahl 2 getroffene Oberfläche des Werkstücks 6 geleitet wird. In Fig. 1 deuten Pfeile 8 das beim Bearbeitungsprozeß emittierte Licht an.

In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Werkstück 6 auf einem Koordinatentisch 9 angeordnet, der in der Auflageebene des Werkstücks 6 verfahrbar ist und während des Bearbeitungsprozesses so verfahren wird, daß die gewünschten Teile des Werkstücks 6 von dem fokussierten Laserstrahl 2 überfahren werden.

Der Umlenkspiegel 3 ist teildurchlässig, wobei der Trans­ missionsgrad ca. 1% beträgt. Das vom Auftreffpunkt des fokussierten Laserstrahls 2 auf dem Werkstück 6 reflektier­ te Laserlicht wird von der Fokussierungslinse 5 etwa paral­ lel gerichtet und trifft als reflektierter Laserstrahl 2′ auf den teildurchlässigen Umlenkspiegel 3, so daß ein klei­ ner Anteil 2′′ des reflektierten Laserstrahls 2′ durch den Umlenkspiegel 3 hindurchtritt und auf einen optoelektro­ nischen Sensor 10 auftrifft. Das Gleiche gilt für das beim Bearbeitungsvorgang emittierte Licht.

Aufgrund der Teildurchlässigkeit des Umlenkspiegels 3 tritt ein Teil des vom Laser 1 ausgesandten Laserstrahls 2 direkt durch den Umlenkspiegel 3 hindurch und gelangt als trans­ mittierter Anteil 2′′′ auf einen weiteren optoelektronischen Sensor 11, der in bekannter Weise zur Strahldiagnose geeig­ net ist.

Mit den beiden Sensoren 10, 11 ist ein Prozeßrechner 12 verbunden, der darüber hinaus den Laser 1, die Bewegung des Koordinaten­ tisches 9 und die Gaszufuhr steuern kann.

Die Auswertung des reflektierten Laserstrahls 2′′ mittels des optoelektronischen Sensors 10 wird anhand der Fig. 2 verdeutlicht. Diese zeigt einen Schnitt 13, der mittels eines Lasers 1 in einem Aluminiumstück 14 durchgeführt wor­ den ist. Um eine gute Einkopplung des Laserstrahls 2 in das Aluminiumstück 14 zu erhalten, wird die Oberfläche ge­ schwärzt. Im linken Teil des Aluminiumstücks 14 ist die Oberfläche nicht geschwärzt. Bei der Durchführung eines Schnittes in Richtung des Pfeiles A - also in Fig. 2 von rechts nach links - ist ein einwandfreier Schnitt 13 er­ zeugt worden. Das von dem optoelektronischen Sensor 10 de­ tektierte Signal ist konstant und erhöht sich in seiner In­ tensität etwa beim Übergang zu der nicht geschwärzten Ober­ fläche des Aluminiumstücks 14. Auch dort wird zunächst noch ein einwandfreier Schnitt erzeugt, bis nach einer gewissen Zeit t 1 der Schnitt unregelmäßig wird und das Aluminium­ stück 14 teilweise nicht vollständig durchgeschnitten wird. Dies führt zu einer pulsierenden Reflektion des reflektier­ ten Laserstrahls 2′ bzw. 2′′, so daß der optoelektronische Sensor am Ausgang ein Signal S erzeugt, das anfängt zu pulsieren, wobei die Amplitude des reflektierten Lichts zu­ nächst stark zunimmt und dann pulsierend insgesamt allmäh­ lich abnimmt.

Ein analoges Beispiel ist in Fig. 3 dargestellt, in der ein Aluminiumstück 14 mit einem Schnitt 13 mit Hilfe eines Lasers versehen wird. Die Zeile a zeigt das reflektierte Signal S′, das am Ausgang des optoelektronischen Sensors 10 ansteht. Am Übergang zu der nicht geschwärzten Ober­ fläche des Aluminiumstücks 14 beginnt eine Unregelmäßigkeit des reflektierten Signals S′. Diese geht in Pulsationen über.

Die Signalzeile b zeigt ein Auswertesignal AS, das aus dem Signal S′ dadurch gebildet ist, daß dieses Signal auf ei­ nen Hochpaß gegeben wird, an den sich eine Effektivwert­ bildungsstufe anschließt. Das Signal AS gibt daher ein Maß für die Pulsation des Ausgangssignals S′ des optoelektro­ nischen Sensors 10 und damit ein Maß für die Minderquali­ tät des Schnittes 13 an.

Das Auswertungssignal AS ermöglicht auch die Detektion von lokalen Fehlstellen für den Schnitt 13, da hier das Aus­ wertungssignal AS einen scharfen Anstieg produziert.

Als optoelektronischer Sensor 10 kommen prinzipiell alle bekannten Sensoren in Betracht. Für die Ausbildung von einfachen Systemen sollten die Sensoren nicht notwen­ dig gekühlt werden müssen, so daß einige Photowiderstände und Quanten-Detektoren auszuscheiden wären. Photodioden und pyroelektrische Detektoren können als einfach zu handhaben­ de Sensoren 10 eingesetzt werden.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstücks (6) mittels eines Laserstrahls (2), mit einem Laser (1), einem Umlenk­ spiegel (3), mit dem der vom Laser (2) erzeugte Laser­ strahl (2) über eine Fokussierungsoptik (5) auf die Oberfläche des Werkstücks (6) gerichtet wird, und mit einer Beobachtungseinrichtung zur Beobachtung des Bear­ beitungsvorganges am Werkstück (6), dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) teildurchlässig ist und daß auf seiner Rückseite in Verlängerung der Strahlrichtung des Laser­ strahls (2) zwischen Umlenkspiegel (3) und Werkstück (6) ein optoelektronischer Sensor (10) angeordnet ist, der mit einer Auswertungseinrichtung (12) verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Rückseite des Umlenkspiegels (3) in Verlängerung der Strahlrichtung, mit der der vom Laser (1) ausgehende Laserstrahl (2) auf den Umlenkspiegel (3) trifft, ein weiterer Sensor (11) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (3) eine Reflektivität von etwa 99% aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mit der Auswertungseinrichtung (12) eine Steuereinrichtung für Arbeitsparameter der Bear­ beitungsvorrichtung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Auswertungseinrichtung (12) das Signal des Sensors (10, 11) auf ein Frequenzfilter gelangt, dem ein Effektivwertbildner nachgeschaltet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzfilter ein Hochpaß ist.