DE3913786C2

DE3913786C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Schallemissionsmessung

Info

Publication number: DE3913786C2
Application number: DE19893913786
Authority: DE
Inventors: Christoph Dipl Ing Hamann; Bernd Laesiger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1989-04-26
Filing date: 1989-04-26
Publication date: 1994-12-22
Anticipated expiration: 2009-04-27
Also published as: DE3913786A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hochenergiestrahlen emittier ten Schallwellen über einen an einer schalleitenden Platte, die das Werkstück nicht berührt und im Abstand von diesem angeord net ist, angebrachten akustischen Sensor.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Hochenergiestrahlen, beispielsweise beim Bohren, Schneiden oder Schweißen mit La serstrahlen, bildet sich oberhalb einer bestimmten Intensitäts schwelle über der Bearbeitungsstelle ein Plasma. Dieses Plasma erzeugt Schockwellen, die sich vom Werkstück in Richtung Strahlquelle ausbreiten. Werden nun die bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Hochenergiestrahlen emittierten Schallwellen mit einem akustischen Sensor erfaßt und mittels Schallemissionsanalyse ausgewertet, so kann das Ergebnis dieser Auswertung beispielsweise zur Steuerung der Bearbeitung oder zur Qualitätsüberwachung herangezogen werden.

Aus der EP-B-64 352 ist es bekannt, bei der Bearbeitung eines Werkstückes mit Energiestrahlen direkt am Werkstück einen akustischen Sensor anzubringen und in Abhängigkeit von der erfaßten Schallemission die Energie und/oder die Energiedichte des Strahls und/oder die Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen dem Strahl und dem Werkstück zu steuern. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Ankopplung des Sensors an das Werkstück die Schallübertragung wesentlich beeinflußt. Damit wird dann aber auch die Analyse und Beurteilung des jeweils gemessenen Schallemissionssignals beträchtlich erschwert.

Gemäß der US-A4 419 562 werden die Probleme einer reproduzier baren Ankopplung der akustischen Sensoren an die zu bearbeitenden Werkstücke durch eine berührungslose Messung der Schallemission umgangen. Als Empfänger der beim Laserschweißen emittierten Schallwellen dient dabei ein an einer Platte be festigter akustischer Sensor, wobei die zwischen der Fokussier optik des Lasers und dem Werkstück angeordnete Platte aus Metall besteht und eine Öffnung für den Durchtritt des Laser strahls aufweist. Derartige aus Metallplatte und akustischem Sensor bestehende Empfänger sind jedoch nicht nur für die vom Werkstück emittierten Schallwellen, sondern auch für reflektier te Laserstrahlung und die vom Werkstück abgestrahlte Wärmestrahlung empfindlich. Eine Trennung und separate Analyse bzw. Auswertung der durch die Bearbeitung mit Laserstrahlen verursachten Schallemission ist damit nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Hochener giestrahlen emittierten Schallwellen zu schaffen, welche eine weitgehend separate Erfassung und Auswertung der Schallemission des Werkstücks gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch selbst, daß die Platte aus einem Material besteht, welches für die zur Bearbeitung des Werk stücks verwendeten Hochenergiestrahlen und für die vom Werk stück abgestrahlten Wärmestrahlen zumindest weitgehend trans parent ist. Eine aus einem derartigen Material bestehende Platte wird durch akustische Wellen in Schwingungen versetzt, ohne daß sich die Platte aufheizt, d. h., die Schallemission vom Werkstück kann nun von elektromagnetischer Strahlung getrennt werden. Die Schallemission kann somit eindeutig analysiert und zur Prozeßsteuerung bzw. Qualitätssicherung eingesetzt werden.

Bei der berührungslosen Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlen im Ultraviolett, im Bereich des sichtbaren Lichts und im nahen Infrarot emittierten Schall wellen besteht die Platte vorzugsweise aus Quarz oder Quarz glas. Im Hinblick auf die Durchlässigkeit für die genannten Laserstrahlen und die vom Werkstück abgestrahlten Wärmestrah len haben Quarz und Quarzglas sehr günstige Eigenschaften, während andererseits im Vergleich zu Materialien, wie Saphir, der Kostenaufwand besonders gering ist.

Bei der berührungslosen Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlen im fernen Infrarot emittierten Schallwellen besteht die Platte vorzugsweise aus Zinkselenid. Derartige Platten aus Zinkselenid erfüllen beispielsweise bei der Verwendung von CO₂-Lasern die an die Durchlässigkeit ge stellten Forderungen sehr gut.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zur be rührungslosen Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks mit Laserstrahlen, Elektronenstrahlen oder Plasmastrahlen emit tierten Schallwellen, die Platte im Abstand des zum Werkstück gerichteten Strahlengangs dieser Hochenergiestrahlen angeord net. Eine Beeinträchtigung der Platte, wie sie beispielsweise beim Durchgang von Elektronenstrahlen oder Plasmastrahlen auf treten würde, kann hierdurch ausgeschlossen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dar gestellt und werden im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der bei der Bearbeitung von Werkstücken mit Hochener giestrahlen emittierten Schallwellen über eine in den Strahlengang eingefügte Platte und einen an der Platte angebrachten Sensor und

Fig. 2 eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Vorrich tung, bei welcher die Platte mit dem Sensor seit lich außerhalb des Strahlengangs angeordnet ist.

Fig. 1 zeigt in stark vereinfachter schematischer Darstellung einen Hochenergiestrahl in Form eines Laserstrahls Ls, der über eine hier als Linse L dargestellte Fokussieroptik auf die Ober fläche eines Werkstückes W fokussiert wird. Derartige Anordnun gen werden beispielsweise beim Laserpunktschweißen eingesetzt.

Die während der Bearbeitung des Werkstückes W mit dem fokussierten Laserstrahl Ls entstehenden Schallwellen Sw werden über einen an einer Platte P befestigten akustischen Sensor S aufgenommen und zur Prozeßsteuerung oder zur Qualitätssiche rung in einem Schall-Analysator SA ausgewertet. Die zwischen der Linse L und dem Werkstück W in den Strahlengang eingefügte Platte P besteht aus einem Material, welches sowohl für die zur Bearbeitung verwendete Laserstrahlung Ls als auch für die vom Werkstück W abgestrahlten Wärmestrahlen Ws zumindest weitgehend transparent ist. Durch diese Materialeigenschaften wird eine Aufheizung der Platte P durch direkte oder reflektierte Laser strahlen Ls und durch die Wärmestrahlen Ws vermieden. Es ist also möglich, die Schallemission vom Werkstück W von der elek tromagnetischen Strahlung zu trennen und separat zu analysieren. Die bei der Bearbeitung mit Laserstrahlen berüh rungslos gemessene Schallemission kann dabei Frequenzen auf weisen, die sowohl größer als auch kleiner 100 kHz sind. Als akustischer Sensor S wird beispielsweise ein Piezosensor ver wendet, der insbesondere für Messungen oberhalb 100 kHz geeignet ist.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Variante ist die Platte P mit dem Sensor außerhalb des Strahlengangs der Laserstrahlen Ls an geordnet, d. h., die zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahlen Ls treten nicht direkt durch die Platte P hindurch. Obwohl die Va riante gemäß Fig. 2 am Beispiel von Laserstrahlen Ls aufgezeigt ist, ist eine derartige Anordnung insbesondere für solche Hoch energiestrahlen geeignet, deren Durchtritt durch die Platte P deren Veränderung oder Zerstörung bewirken würde. Dies ist bei spielsweise bei Elektronenstrahlen oder Plasmastrahlen der Fall.

Beispiel 1

Beim Schweißen mit Nd:-Lasern der Wellenlänge 1,06 µm wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 als Platte P eine 2 mm starke Quarzplatte verwendet. Die Schallemissionsanalyse dient hierbei der on-line-Qualitätsüberwachung.

Beispiel 2

Beim Beispiel 1 wird anstelle der Quarzplatte eine Platte P aus Saphir verwendet.

Beispiel 3

Bei der Bearbeitung von Werkstücken W mit CO₂-Lasern der Wellenlänge 10,6 µm wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 1 eine Platte P aus Zinkselenid (ZnSe) verwendet.

Beispiel 4

Beim thermischen Abtragen mit einem Rubinlaser der Wellenlänge 694,3 nm unter gleichzeitiger Zuführung eines inerten oder reaktionsträgen Gases wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 eine Platte P aus Quarzglas eingesetzt.

Beispiel 5

Beim Elektronenstrahlschweißen unter Verwendung eines schwachen Vakuums welches eine Schallübertragung noch zuläßt wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 eine Platte P aus Quarzglas ver wendet.

Beispiel 6

Beim Schneiden von hochlegierten Stählen mit einem Plasma schneidbrennerkopf wird bei einer Anordnung gemäß Fig. 2 eine Platte P aus Quarzglas verwendet.

Claims

1. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks (W) mit Hochenergiestrahlen emit tierten Schallwellen (Sw) über einen an einer schalleitenden Platte (P), die das Werkstück nicht berührt und im Abstand von diesem angeordnet ist, angebrachten akustischen Sensor (S), dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) aus einem Material besteht, welches für die zur Bearbeitung des Werkstücks (W) verwendeten Hochenergie strahlen und für die vom Werkstück (W) abgestrahlten Wärme strahlen (Ws) zumindest weitgehend transparent ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 zur berührungslosen Messung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks (W) mit Laserstrahlen (Ls), Elektronenstrahlen oder Plasmastrahlen emittierten Schallwellen (SW), dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) im Abstand des zum Werkstück (W) gerichteten Strahlengangs dieser Hochenergiestrahlen angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur berührungslosen Mes sung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks (W) mit Laser strahlen (Ls) im Ultraviolett, im Bereich des sichtbaren Lichts und im nahen Infrarot emittierten Schallwellen (Sw), dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) aus Quarz oder Quarzglas besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 zur berührungslosen Mes sung der bei der Bearbeitung eines Werkstücks (W) mit Laser strahlen (Ls) im fernen Infrarot ermittierten Schallwellen (Sw), dadurch gekennzeichnet, daß die Platte (P) aus Zinkselenid besteht.