DE4126351A1 - Verfahren zum bearbeiten von werkstueckoberflaechen mit laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbei­ ten von Werkstückoberflächen mit Laserstrahlung beim Umwand­ lungshärten, Legieren, Umschmelzen, Beschichten od. dgl., bei dem im Strahlquerschnitt geformte Laserstrahlung fokussiert und mit bahngesteuerten Spiegeln über den Bearbeitungsbereich des Werkstücks bewegt wird, und bei dem der Bearbeitungsbereich mittels vom Werkstück emittierter Strahlung optoelektronisch überwacht wird und ergebnisentsprechend Verfahrensparameter ge­ regelt werden.

Aus einem Manuskript zur Tagung ECLAT′90 in Erlangen, Sei­ ten 251 bis 263, veröffentlicht im September 1990 ist ein Ver­ fahren mit den eingangs genannten Verfahrensschritten bekannt. Es handelt sich um ein Härtungsverfahren. Als Verfahrensparame­ ter wird die Laserleistung in Abhängigkeit vom Überwachungser­ gebnis einer zweidimensionalen pyroelektrischen Kamera gere­ gelt.

Die Verarbeitung der zweidimensionalen Bilder der pyro­ elektrischen Kamera erfordert einen erheblichen Rechenaufwand für die digitale Bildverarbeitung. Außerdem sind die Einsatz­ möglichkeiten der für die Durchführung des Verfahrens erforder­ lichen Einrichtungen bei dreidimensionaler Werkstückbearbeitung infolge des Vorhandenseins der Kamera erheblich eingeschränkt, weil die Kamera möglichst nahe am Werkstück angeordnet sein muß und dort wegen ihres Platzbedarfs stört.

Aus der DE 37 10 816 A1 ist es beim Laserschweißen und La­ serschneiden bekannt, von der Bearbeitungsstelle des Werkstücks emittierte Strahlung aus dem Bereich des Strahlengangs der La­ serstrahlung mit einer im Strahlengang angeordneten optischen Auskoppeleinrichtung auf einen optoelektronischen Sensor zu ge­ ben, um über eine Auswertungseinrichtung eine Steuereinrichtung für Verfahrensparameter zu beaufschlagen. Die Kamera beobachtet ständig den gesamten Bearbeitungsbereich. Dadurch soll mangeln­ de Qualität des Bearbeitungsvorgangs erkennbar werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren mit den eingangs genannten Verfahrensmerkmalen so zu verbes­ sern, daß eine ortsaufgelöste Messung in einem größeren Bear­ beitungsbereich ohne Beeinträchtigung der Flexibilität des Ein­ satzes der Lasereinrichtung durch eine Kamera bzw. durch einen optoelektronischen Sensor durchgeführt werden kann, wie auch ohne größeren Aufwand bei der Regelung des Verfahrens.

Das wird erreicht durch die Verwendung des eingangs ge­ nannten Verfahrens bei der Messung der mittleren Temperatur des Strahlflecks mit einer im Strahlengang der Laserstrahlung ange­ ordneten optischen Auskoppeleinrichtung für die emittierte Strahlung zur zeitaufgelösten Ausmessung des Bearbeitungsbe­ reichs.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß bahngesteuerte Spiegel bzw. das in Verbindung mit diesen Spiegeln bekannte Verfahren beim Umwandlungshärten in Verbindung mit einer zeit­ aufgelösten Ausmessung des Bearbeitungsbereichs erfolgt, wofür die vorhandene Laseroptik in Verbindung mit einer optischen Auskoppeleinrichtung benutzt wird. Es entfällt eine zeitliche Auswertung eines sich ständig ändernden zweidimensionalen Bil­ des einer Kamera durch Berechnung. Das Überwachungs- bzw. Meß­ ergebnis ist stets ohne weiteres auf die jeweils bestrahlte Be­ arbeitungsstelle des Werkstücks zu beziehen. Dabei ist die ört­ liche Zuordnung zum gesamten Bearbeitungsbereich infolge der bekannten Bahnsteuerung der Spiegel völlig unproblematisch. Dementsprechend kann auch die Regelung bzw. Steuerung eines oder mehrerer Verfahrensparameter entsprechend zeit- bzw. orts­ aufgelöst erfolgen, ohne daß hierfür apparativer Aufwand oder Rechenaufwand notwendig wäre.

Eine Vorrichtung, mit der das vorbeschriebene Verfahren vorteilhaft durchgeführt werden kann, ist dadurch gekennzeich­ net, daß die optische Auskoppeleinrichtung in Richtung der vom Werkstück emittierten Strahlung hinter den bahngesteuerten Spiegeln angeordnet ist. Die Auskoppeleinrichtung kann infolge­ dessen vom Bearbeitungsbereich entfernt an geschützter und an geeigneter Stelle der Lasereinrichtung angeordnet werden, wie auch die Überwachungs- bzw. Meßeinrichtung für die emittierte Strahlung.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zum Bewegen eines Laserstrahls über den Bearbeitungsbe­ reich eines Werkstücks, und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Regelanordnung zur Beeinflussung der Laserleistung.

Gemäß Fig. 1 soll ein Bereich 14 der Werkstückoberfläche 10 eines Werkstücks 15 mit Laserstrahlung 11 bearbeitet werden. Der Bereich 14 kann also einem Umwandlungshärten, einem Legie­ ren, einem Umschmelzen, einem Beschichten oder einem sonstigen Verfahren ausgesetzt werden, bei dem die Werkstückoberfläche 10 erhitzt oder gar in flüssigem Zustand überführt wird. In jedem der Fälle sollte die Werkstücktemperatur an der bestrahlten bzw. bearbeiteten Stelle dem Bearbeitungsziel möglichst optimal angepaßt sein. Beispielsweise muß beim Härten die Temperatur der Bearbeitungsstelle mindestens die Umwandlungstemperatur er­ reichen, darf aber den Werkstoff nicht aufschmelzen. Außerdem muß auf die Bauteilgeometrie Rücksicht genommen werden, die durchaus abweichend von der Darstellung in Fig. 1 sein kann. Die Bauteile können beispielsweise unterschiedlich dick sein, so daß infolgedessen dünne Bereiche bei ungeänderter Laserleistung stärker oder länger erwärmt werden, als dicke Bereiche des Werkstücks. Das ergibt sich daraus, daß sich die Temperaturver­ teilung auf der Werkstückoberfläche 10 in Abhängigkeit von der Intensitätsverteilung und der Wärmeleitung des Werkstücks ein­ stellt. Beispielsweise bei dünnen Werkstückbereichen staut sich die ins Bauteil eingekoppelte Wärmeenergie und es kann zu uner­ wünschten Überhitzungen und Aufschmelzungen kommen. Unter­ schiedliche Bereiche des Bearbeitungsbereichs 14 müssen daher entsprechend individuell ausgemessen werden und auch ihre Er­ wärmung muß individuell geregelt werden.

Nach Fig. 1 ist für die Erwärmung des Bearbeitungsbereichs 14 mit Laserstrahlung eine Strahlformung vorgesehen, die mit mehreren Spiegeln 12, 13 und 18, 19 vorgenommen wird. Zur Auf­ nahme von Spiegeln 18, 19 ist ein Spiegelgehäuse 20 vorhanden, in dessen Öffnung 21 der Laserstrahl 22 eintritt. Dessen Laser­ strahlung 11 trifft auf einen Umlenkspiegel einer Auskoppelein­ richtung 18, die als dichroitischer Spiegel ausgebildet ist. Dieser Umlenkspiegel ist für die einfallende Laserstrahlung 11 ein etwa 100%iger Reflektor, so daß die Laserstrahlung 11 mit ihm auf einen Fokussierspiegel 19 gelenkt wird, von dem aus die Laserstrahlung 11 zu den beiden beweglichen Spiegeln 12, 13 ge­ langt, die in Fig. 1 als Scannerspiegel bezeichnet sind. Der Spiegel 12 ist um eine zur Darstellungsebene senkrechte Achse schwenkbeweglich, während der Spiegel 13 um eine in der Dar­ stellungsebene liegende Achse schwenkbeweglich ist. Infolgedes­ sen kann der Laserstrahl mit einem Strahlfleck 17 den gesamten Bearbeitungsbereich 14 der Werkstückoberfläche 10 bestreichen. Hierzu sind die Spiegel 12, 13 bahngesteuert, sie überstreichen also die Werkstückoberfläche 10 bzw. deren Bearbeitungsbereich 14 wie durch eine Steuerung vorgegeben. Dabei kann auch der Strahlfleckdurchmesser verändert werden, beispielsweise durch Veränderung des Arbeitsabstands zwischen dem Spiegelsystem und dem Werkstuck 15, durch in den Strahlengang eingeschaltete Blenden oder durch Änderung der Fokussierung. Während derartige Änderungen darauf hinauslaufen, die Strahlungsintensität im Be­ reich des Strahlflecks zu ändern, kann die Größe und die Ge­ stalt des bestrahlten Bearbeitungsbereichs 14 am besten durch die Bahnsteuerung der Scannerspiegel 12, 13 beeinflußt werden.

Bei der Bearbeitung des Werkstücks 15 emittiert diese Wär­ mestrahlung 16, die vom Bearbeitungsbereich 14 in die Laserop­ tik zurückgelangt. Sie trifft dabei auf die Auskoppeleinrich­ tung 18, die sie jedoch infolge ihrer dichroitischen Ausbildung nicht weiter reflektiert. Insbesondere kann die Auskoppelein­ richtung 18 als eine dichroitische ZnSe-Platte ausgebildet wer­ den, welche Laserstrahlung mit der Wellenlänge von 10,6 µm zu 99% reflektiert, emittierte Strahlung mit der Wellenlänge von z. B. 1 µm jedoch durchtreten läßt, so daß diese durch den opti­ schen Filter zur Ausgrenzung unerwünschter Wellenlängen auf einen optoelektronischen Sensor trifft, der als Fotodetektor 23 ausgebildet ist. Das elektrische Signal des Fotodetektors wird über den Vorverstärker 24 auf den Ausgang 25 der Meßeinrichtung 26 gegeben. Die Auskoppeleinrichtung 18 kann auch ein Scraper­ spiegel oder ein Spiegel mit einem Beugungsgitter od. dgl. sein.

Die Auskoppeleinrichtung 18 ist in Richtung der vom Werk­ stück 15 emittierten Strahlung hinter den bahngesteuerten Spie­ geln 12, 13 angeordnet. Infolgedessen wird die Auskoppeleinrich­ tung 18 jegliche aus dem Bereich des Strahlflecks 17 emittierte Strahlung 16 des Werkstücks 10 erfassen, unabhängig davon, wie die Spiegel 12, 13 bewegt werden. Es erfolgt immer eine präzise ausschließlich auf den Strahlfleck 17 beschränkte Messung. Zugleich mit dieser ortsaufgelösten Messung wird der Bearbei­ tungsbereich 14 auch zeitaufgelöst ausgemessen, das heißt in Abstimmung auf die zeitliche Bewegung des Strahlflecks 17 über den Bearbeitungsbereich 14. Es ist nicht erforderlich, beim Messen oder beim Digitalisieren des Meßergebnisses für jeden Zeitpunkt auf das Verweilverhalten des Strahlflecks 17 auf der Werkstückoberfläche 10 abzustimmen. Es wird immer nur die Tem­ peratur des augenblicklich bestrahlten Bereichs der Werkstück­ oberfläche 10 erfaßt, gemittelt über den Strahlfleckdurchmesser der Laserstrahlung 11. Es ist nur noch erforderlich, den Aus­ gang 25 der Meßeinrichtung 26 an den Regler 27 anzukoppeln. Die Meßeinrichtung stellt eine Regelgröße zur Verfügung, die im Regler 27 mit einer als Sollwert vorgegebenen Führungsgröße verglichen wird, so daß der Differenz entsprechend der Laser 28 gesteuert werden kann. Das ist in Fig. 2 blockschaltbildmäßig dargestellt. Diese Figur läßt im übrigen erkennen, daß vom Werkstück 10 emittierte Strahlung 16 mittels der nicht darge­ stellten Auskoppeleinrichtung 18 in die Meßeinrichtung 26 ge­ langt, also ohne daß dafür eine besondere Kamera erforderlich wäre.

Wenn eine derartige orts- und zeitaufgelöste Ausmessung des Bearbeitungsbereichs 14 erfolgt, kann ohne Beeinträchtigung der Flexibilität des Laserhandhabungssystems ortsaufgelöst ge­ regelt werden. Beim Härten kompliziert geformter Bauteile ist es beispielsweise möglich, lokale Überhitzungen rechtzeitig zu erkennen und durch Temperaturregelung lokale Aufschmelzungen zu verhindern.

Claims (2)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstückoberfläche (10) mit Laserstrahlung (11) beim Umwandlungshärten, Legieren, Um­ schmelzen, Beschichten od. dgl., bei dem im Strahlquer­ schnitt geformte Laserstrahlung (11) fokussiert und mit bahngesteuerten Spiegeln (12, 13) über den Bearbeitungsbe­ reich (14) des Werkstücks (15) bewegt wird, und bei dem der Bearbeitungsbereich (14) mittels vom Werkstück (15) emittierter Strahlung (16) optoelektronisch überwacht wird und ergebnisentsprechend Verfahrensparameter geregelt wer­ den, gekennzeichnet durch die Verwendung bei der Mes­ sung der mittleren Temperatur des Strahlflecks (17) mit einer im Strahlengang der Laserstrahlung (11) angeordneten optischen Auskoppeleinrichtung (18) für die emittierte Strahlung (16) zur zeitaufgelösten Ausmessung des Bearbei­ tungsbereichs (14).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Auskoppeleinrichtung (18) in Richtung der vom Werkstück (15) emittierten Strahlung (16) hinter den bahngesteuerten Spiegeln (12, 13) angeordnet ist.