DE4140182A1 - Vorrichtung zum ueberwachen der laserbearbeitung eines werkstuecks - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Überwa­ chen von bei der Laserbearbeitung, insbesondere beim Laserschweißen, an der Bearbeitungsstelle eines Werk­ stücks entstehenden lichtemittierenden Vorgängen, insbesondere Plasmalicht, wobei das von einem Bear­ beitungslaser abgegebene Bearbeitungslaserlicht über eine insbesondere eine Lichtleitfaser enthaltende Licht­ energieübertragungsstrecke auf die Bearbeitungsstelle ge­ lenkt wird.

Der Begriff "Laserbearbeitung" soll hier jegliche Be­ arbeitung benennen, bei der mit Hilfe eines Laser­ strahls auf ein Werkstück derart eingewirkt wird, daß sich die Struktur des Werkstücks an der Oberflä­ che bei gleichzeitiger Lichtemission an der Bearbei­ tungsstelle ändert. Im folgenden soll vereinfacht und als Beispiel lediglich von "Laserschweißen" die Rede sein.

Beim Laserschweißen, speziell beim Mikroschweißen von dünnen Drähten oder Blechen entsteht Plasmalicht, welches eine Wellenlänge von ca. 400 bis ca. 600 nm besitzt. Die Intensität oder Helligkeit des an der Bearbeitungsstelle entstehenden Plasmalichts ist re­ präsentativ für die Qualität der Schweißung.

Man kann nun daran denken, in der Nähe der Bearbei­ tungsstelle einen Lichtdetektor anzuordnen, der die in dem die Bearbeitungsstelle umgebenden Raum statt­ findenden Plasmalichterscheinungen erfaßt, um anhand der ermittelten Intensität des Plasmalichts ein Signal zu erzeugen, mit welchem auf den Schweißvor­ gang eingewirkt wird. So beispielsweise kann man bei zu schwachem oder zu starkem Plasmalicht, d. h. bei zu geringer oder zu hoher Energie, den Laser beein­ flussen, zum Beispiel ausschalten.

Die Anbringung einer speziellen Detektoreinheit in der Nähe der Bearbeitungsstelle, d. h. auch, in der Nähe des den Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle fokussierenden Bearbeitungsobjektivs, ist jedoch aus konstruktiven, räumlichen Gründen und auch deshalb, weil erhebliche Justierarbeiten erforder­ lich sind, unerwünscht.

Die Anbringung eines speziellen Detektors in der Nähe des Bearbeitungsobjektivs ist dann besonders problematisch, wenn das Bearbeitungslaserlicht von einem entfernt von der Bearbeitungsstelle be­ findlichen Bearbeitungslaser über eine Lichtleit­ faser und das Bearbeitungsobjektiv auf die Bearbei­ tungsstelle geführt wird. Das Bearbeitungsobjektiv allein läßt sich nämlich relativ leicht und bequem handhaben. Eine zusätzliche Detektoreinheit an die­ ser Stelle würde diese Vorteile erheblich beein­ trächtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vor­ richtung der eingangs genannten Art anzugeben, die bei sehr geringem konstruktiven Aufwand eine empfind­ liche Überwachung der lichtemittierenden Vorgänge an der Bearbeitungsstelle des Werkstücks gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch einen Detektor, dem aus der Lichtenergieübertragungsstrecke von der Bearbeitungsstelle stammendes, zu überwa­ chendes Licht zugeführt wird.

Die Lichtenergieübertragungsstrecke enthält eine insbe­ sondere, aber nicht unbedingt, Lichtleitfaser, und diese Lichtleitfaser dient außer zur Übertragung des für die Laserschweißung vorgesehenen Bearbeitungslaserlichts auch zur Rückübertragung des Plasmalichtsignals auf den Detek­ tor. Dabei wird in vorteilhafter Weise das relativ groß bemessene Bearbeitungsobjektiv dazu genutzt, das Plasma­ licht zu kollimieren. Das Plasmalichtsignal läuft dann entgegengesetzt zum Licht des Bearbeitungslasers.

Zwar ist es bereits bekannt, das Bearbeitungsobjektiv dazu zu verwenden, beispielsweise eine photografische Aufnahme von der Bearbeitungsstelle zu einer Kamera in der Nähe des Bearbeitungslasers zu übertragen, jedoch geschah dies bislang nur in solchen Systemen, in denen das Licht des Bearbeitungslasers nicht über eine Lichtleitfaser übertragen wurde, sondern ledig­ lich über freie Strahlengänge mit Umlenkspiegeln und dergleichen. Es hat sich hier jedoch gezeigt, daß auch die Rückübertragung von Plasmalichtsignalen ent­ gegengesetzt der Richtung des Bearbeitungslichts durch die Lichtleitfaser hindurch zu brauchbaren Ergebnissen führt.

Damit der Detektor praktisch ausschließlich das Plasmalicht erfaßt, sieht die Erfindung vor, daß dem Detektor eine auf die Wellenlänge des zu über­ wachenden Lichts abgestimmte Filteranordnung und eine Fokussieroptik vorgeschaltet sind.

In einer speziellen Ausführungsform macht die Erfin­ dung Gebrauch von der gesamten Lichtübertragungs­ strecke für das Licht des Bearbeitungslasers. Diese Lichtenergieübertragungsstrecke umfaßt:

• a) eine Einkoppeloptik, die den von dem Bearbeitungs­ laser kommenden Laserstrahl fokussiert auf
• b) die laserseitige Stirnfläche der Lichtleitfaser, von deren werkstückseitiger Stirnfläche das Bear­ beitungslaserlicht auf
• c) ein Bearbeitungsobjektiv gegeben wird, welches das Bearbeitungslaserlicht auf die Bearbeitungs­ stelle des Werkstücks fokussiert.

Erfindungsgemäß befindet sich nun zwischen der Ein­ koppeloptik und dem Bearbeitungslaser ein dikroiti­ scher Spiegel, der das zu überwachende, entgegen der Richtung des Bearbeitungslaserlichts aus der Ein­ koppeloptik austretende Licht aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserlichts abtrennt.

Die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung enthält also zu dem Detektor und der erwähnten Filteranordnung mit Fokussieroptik lediglich den dikroitischen Spiegel, der in den Strahlengang des Bearbeitungslasers einge­ fügt wird. Zusätzlich kann noch ein weiterer Umlenk­ spiegel vorgesehen sein, der zwischen dem dikroiti­ schen Spiegel und der Filteranordnung liegt. Dies hängt von der räumlichen Anordnung des Detektors ab.

Eine besonders bevorzugte Anwendung der Erfindung fin­ det bei solchen Lasersystemen statt, die mit einer Lichtleiterfaser-Justiereinrichtung betrieben werden. Eine solche Justierlaserhilfe ist bei praktisch sämt­ lichen Laseranlagen vorhanden, bei denen mit Licht­ leitfasern zur Übertragung des Bearbeitungslaser­ lichts gearbeitet wird.

Demgemäß schafft die Erfindung eine Vorrichtung in Verbindung mit einer Laserbearbeitungsanlage, die eine Justiereinrichtung mit folgenden Merkmalen aufweist:

• - einen Justierlaser, der einen (Laser-)Justierstrahl erzeugt, und
• - eine Spiegelanordnung, die den Justierstrahl kolli­ near zu dem Bearbeitungslaserstrahl in die Licht­ übertragungsstrecke einkoppelt, wobei die Spiegel­ anordnung einen Umlenkspiegel im Ausgangsstrahlen­ gang des Justierlasers und einen im Ausgangsstrahlen­ gang des Bearbeitungslasers dem Umlenkspiegel nach­ geordneten dikroitischen Spiegel umfaßt. Für den Betrieb werden der Bearbeitungslaserstrahl und der Justierstrahl kollinear ausgerichtet, beide Strah­ len werden auf die laserseitige Einkoppelfläche der Lichtleitfaser eingestellt, und am Werkstück wird die Bearbeitungsstelle mit Hilfe des - sichtbaren - Justierstrahls eingestellt (die üblichen Bearbei­ tungslaser arbeiten im Bereich des nicht-sichtbaren Spektrums).

Bei einer solchen Anlage läßt sich die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung aus den im folgenden näher erläuterten Gründen besonders vorteilhaft einsetzen, nämlich dergestalt, daß zwischen dem Justierlaser und dem Umlenkspiegel ein Ablenkspiegel für das rück­ übertragene, von dem dikroitischen Spiegel abgetrenn­ te, zu überwachende Licht angeordnet ist, und der Ablenkspiegel und der Detektor Bestandteil einer mechanischen Einheit sind.

Da Bearbeitungslaser und Justierlaser bereits notwen­ digerweise justiert sind, braucht die als mechanische Einheit ausgebildete Anordnung aus Detektor, Filter­ anordnung und Ablenkspiegel nur in den Strahlengang des Justierlaserstrahls eingefügt zu werden, so daß das von dem dikroitischen Spiegel separierte, zurück­ geleitete Plasmalichtsignal auf die Filteranordnung und mithin den Detektor gelenkt wird.

Der Ablenkspiegel kann entweder als Klappspiegel oder als feststehender Strahlteiler (dikroitischer Spie­ gel) ausgebildet sein. Im erstgenannten Fall wird der Klappspiegel bei Bedarf in den Strahlengang des Justierstrahls geschwenkt, so daß ein Detektor­ signal erfaßt werden kann, welches repräsentativ für das Plasmalicht an der Bearbeitungsstelle ist. Im zweitgenannten Fall, also im Fall eines Strahl­ teilers, lenkt dieser Strahlteiler lediglich Licht der interessierenden Wellenlängen (Plasmalicht im Wellenlängenbereich zwischen 400 und 600 nm) auf den Detektor.

Die Einzelheiten des Detektors sollen hier nicht näher erläutert werden, weil sie dem Fachmann be­ kannt sind. Der Detektor enthält zum Beispiel ein lichtempfindliches Bauelement, zum Beispiel eine flächige Photodiode, und eine elektronische Schal­ tung, die aus dem Ausgangssignal der Photodiode ein bewertetes Signal erzeugt, welches zum Beispiel ein Abschaltsignal für den Bearbeitungslaser gene­ riert.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung läßt sich die Lichtemission an der Bearbeitungsstelle während der Laserbearbeitung überwachen. Durch Verwendung des großlinsigen Bearbeitungsobjektivs ist eine hohe Empfindlichkeit des Detektors gewährleistet.

Man kann den Detektor im Multiplexbetrieb betreiben, so daß der Detektor von mehreren Bearbeitungsobjek­ tiven zeitlich gestaffelt Plasmalichtsignale empfängt und auswertet. Direkt an der Bearbeitungsstelle ent­ steht kein zusätzlicher Platzbedarf für eine spezielle Detektoreinheit. Das Bearbeitungsobjektiv wird nicht mit zusätzlichem Gewicht belastet. Es sind keine wei­ teren Leitungen erforderlich. Speziell bei Anlagen mit Justiereinrichtung ist eine aufwendige Justie­ rung der Detektorvorrichtung überflüssig. Zusätzlich zu der ohnehin erforderlichen Detektoreinheit ist le­ diglich ein dikroitischer Spiegel bzw. ein (klappba­ rer) Umlenkspiegel erforderlich.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfin­ dung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Laserschweißanlage mit Justierein­ richtung und Detektorvorrichtung zum Überwachen des an der Bearbei­ tungsstelle entstehenden Plasma­ lichts, und

Fig. 2 eine Abwandlung der in Fig. 1 dar­ gestellten Ausführungsform, verwend­ bar bei einer Laserbearbeitungsanla­ ge ohne Justiereinrichtung.

Anhand von Fig. 1 sollen zunächst die an sich bekann­ ten Elemente einer Laserschweißanlage beschrieben wer­ den.

Ein rechts in Fig. 1 dargestellter Bearbeitungslaser 2 gibt einen Bearbeitungslaserstrahl, hier dargestellt durch einen durchgezogenen Pfeil B, durch einen dikroi­ tischen Spiegel 4 hindurch auf eine Einkoppeloptik 6, die den Bearbeitungslaserstrahl B auf die laserseiti­ ge Stirnfläche 10 einer Lichtleitfaser 8 fokussiert.

Das Bearbeitungslaserlicht tritt an der werkstücksei­ tigen Stirnseite 12 der Lichtleitfaser 8 aus und wird von einem Bearbeitungsobjektiv 14 auf eine Bearbei­ tungsstelle 16 eines Werkstücks W fokussiert. Auch hier ist in der Zeichnung das Bearbeitungslaserlicht mit dem durchgehenden Pfeil B angedeutet. Durch die Konzentration des Laserlichts auf die Bearbeitungs­ stelle 16 entsteht dort Plasmalicht mit einer Wellen­ länge zwischen 400 und ca. 600 nm, welches in der Figur durch das Bezugszeichen 18 angedeutet ist.

Die Wellenlänge des Bearbeitungslaserlichts B liegt im nicht-sichtbaren Bereich des Spektrums. Zur Ein­ stellung des Lasers auf die Bearbeitungsstelle 16 wird von einem Justierstrahl J Gebrauch gemacht, der von einem rechts in Fig. 1 dargestellten Ju­ stierlaser 20 erzeugt wird.

Der sichtbare Justierstrahl J, in der Zeichnung durch einen strichpunktierten Pfeil angedeutet, gelangt von dem Justierlaser 20 über einen Umlenkspiegel 22 auf den dikroitischen Spiegel 4 und von dort über die Einkoppeloptik 6 in die Lichtleiterfaser 8.

Der Bearbeitungslaserstrahl B und der Justierstrahl J sind kollinear, beide Laserstrahlen werden so eingestellt, daß sie exakt auf die laserseitige Stirnfläche 10 der Lichtleiterfaser 8 auftreffen.

Damit gelangt der Justierstrahl J ebenfalls über das Bearbeitungsobjektiv 14 auf die Bearbeitungs­ stelle 16. Der dort entstehende Lichtfleck kenn­ zeichnet die Stelle, auf die auch der Bearbeitungs­ laserstrahl auftrifft.

In Fig. 1 ist in einem durch eine gestrichelte Linie gekennzeichneten Bereich eine Überwachungsvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen. Die Überwachungsvor­ richtung enthält einen Klappspiegel 32, eine Filter­ anordnung, die nur Licht im Wellenbereich zwischen etwa 400 und 600 nm durchläßt, eine Fokussierlinse 36 und einen Detektor 38.

Der Detektor 38 enthält in an sich bekannter Weise ein lichtempfindliches Element und eine Elektronik, die ein für die Intensität des einfallenden Lichts repräsentatives Signal erzeugt und dieses Signal gegebenenfalls bewertet, um Signale zu erzeugen, mit denen der Betrieb des Bearbeitungslasers 2 be­ einflußbar ist.

Die zu der Überwachungsvorrichtung 30 gehörigen Ele­ mente 32, 34, 36 und 38 bilden eine mechanische Ein­ heit, in der die einzelnen Elemente vorjustiert sind. Diese Einheit braucht zum Zwecke der Überwachung des an der Bearbeitungsstelle 16 entstehenden Plas­ malichts 18 lediglich mit dem Spiegel 32 in den Strahlengang des Justierstrahls J eingefügt zu wer­ den.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung arbeitet, was die Bearbeitung und die Justierung des Justierlaser­ strahls J angeht, in an sich bekannter Weise.

Die Überwachung des an der Bearbeitungsstelle 16 ent­ stehenden Plasmalichts 18 geschieht folgendermaßen:

Das Plasmalicht 18 wird über das Bearbeitungsobjektiv 14 auf die werkstückseitige Stirnfläche 12 der Licht­ leiterfaser 8 fokussiert. Unterhalb des Bearbeitungs­ objektivs 14 ist das Plasmalicht durch einen punktier­ ten Pfeil P angedeutet.

Das Plasmalicht gelangt dann durch die Lichtleitfa­ ser entgegen der Richtung des Bearbeitungslaser­ lichts von der "Rückseite" auf die Einkoppeloptik 6 und trifft auf den dikroitischen Spiegel 4.

Der dikroitische Spiegel 4 lenkt das Plasmalicht P auf den Umlenkspiegel 22 ab. Das auf den Klappspie­ gel 32 gelangende Plasmalicht P wird über die Filter­ anordnung 36 und die Fokussierlinse 36 auf den Detek­ tor 38 geleitet.

Wenn keine Überwachung erforderlich ist, hingegen eine Justierung stattfinden soll, wird der Klappspiegel 32 aus dem Strahlengang des Justierstrahls J wegge­ klappt.

Anstelle des Klappspiegels 32 kann auch ein Strahl­ teiler vorgesehen werden, ähnlich dem dikroitischen Spiegel 4. Ein solcher dikroitischer Spiegel lenkt lediglich das interessierende Licht im Wellenlängen­ bereich zwischen 400 und 600 nm auf den Detektor 38.

Die oben beschriebene, bevorzugte Ausführungsform der Erfindung findet Anwendung bei einer Laser­ schweißanlage, die mit einer Justiereinrichtung aus­ gestattet ist.

Die erfindungsgemäße Detektorvorrichtung läßt sich aber auch unabhängig von der Justiereinrichtung ein­ setzen, wie schematisch in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 2 befindet sich an der Stelle des in Fig. 1 dargestellten dikroitischen Spiegels 4 ein dikroi­ tischer Spiegel 4′, der das Bearbeitungslaser­ licht auf die Einkoppeloptik 6 durchläßt und fer­ ner das zurückübertragene Plasmalichtsignal P über eine Filteranordnung 34 und eine Fokussierlinse 36 auf einen Detektor 38 lenkt. Die Elemente 34, 36 und 38 sind mit den in Fig. 1 dargestellten, mit glei­ chen Bezugszeichen versehenen Elementen identisch.

Zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Anordnung kann auch noch ein weiterer Umlenkspiegel, ähnlich dem Umlenkspiegel 22 in Fig. 1, vorgesehen sein, wobei dann der Detektor 38 sich etwa an einer Stel­ le befindet, die der Stelle des Justierlasers 20 in Fig. 1 entspricht.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Überwachen von bei der Laser­ bearbeitung, insbesondere beim Laserschweißen, an der Bearbeitungsstelle (16) eines Werkstücks (W) entstehenden lichtemittierenden Vorgängen, insbe­ sondere Plasmalicht (18), wobei das von einem Bearbeitungslaser (2) abgegebene Bearbeitungslaser­ licht (B) über eine, insbesondere eine Lichtleitfaser (8) enthaltende Lichtenergieübertragungsstrecke (6, 8, 14) auf die Bearbeitungsstelle (16) gelenkt wird, gekennzeichnet durch einen Detektor (38), dem aus der Lichtenergieüber­ tragungsstrecke (6, 8, 14) von der Bearbeitungs­ stelle stammendes, zu überwachendes Licht (P) zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtübertragungsstrecke umfaßt:

• a) eine Einkoppeloptik (6), die den von dem Bearbei­ tungslaser (2) kommenden Laserstrahl (B) fokussiert auf
• b) die laserseitige Stirnfläche (10) der Lichtleitfa­ ser (8), von deren werkstückseitiger Stirnfläche (12) das Bearbeitungslaserlicht (8) auf
• c) ein Bearbeitungsobjektiv (14) gegeben wird, wel­ ches das Bearbeitungslaserlicht (B) auf die Bear­ beitungsstelle (16) des Werkstücks (W) fokussiert,

und daß sich zwischen der Einkoppeloptik (6) und dem Bearbeitungslaser (2) ein dikroitischer Spiegel (4, 4′) befindet, der das zu überwachende, entgegen der Rich­ tung des Bearbeitungslichts (B) aus der Einkoppelop­ tik (6) austretende Licht (P) aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserlichts abtrennt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Detektor (38) eine auf die Wellenlänge des zu überwachenden Lichts (P) (z. B. 400 . . . 600 nm) abgestimmte Filteranordnung (34) und eine Fokussier­ optik (36) vorgeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 in Verbindung mit einer Laserbearbeitungsanlage, die eine Justiereinrichtung mit folgenden Merkmalen aufweist:

• - einen Justierlaser (20), der einen (Laser-)Justier­ strahl (J) erzeugt, und
• - eine Spiegelanordnung (4, 22), die den Justierstrahl (J) kollinear zu dem Bearbeitungslaserstrahl (B) in die Lichtübertragungsstrecke (6, 8, 14) einkoppelt, wobei die Spiegelanordnung einen Umlenkspiegel (22) im Ausgangsstrahlengang des Justierlasers (20) und einen im Ausgangsstrahlengang des Bearbeitungslasers, dem Umlenkspiegel nachgeordneten dikroitischen Spie­ gel umfaßt,

dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Justierlaser (20) und dem Umlenkspie­ gel (22) ein Ablenkspiegel (32) für das rückübertrage­ ne, von dem dikroitischen Spiegel (4) abgetrennte, zu überwachende Licht (P) angeordnet ist, und daß der Ablenkspiegel (32) und der Detektor (38) Bestand­ teile einer mechanischen Einheit (30) sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkspiegel als Klappspiegel (32) ausgebil­ det ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablenkspiegel als feststehender Strahlteiler ausgebildet ist.