DE4308971C2

DE4308971C2 - Process for processing workpieces with laser radiation, in particular for laser beam welding

Info

Publication number: DE4308971C2
Application number: DE19934308971
Authority: DE
Inventors: Waldemar Dipl Phys Sokolowski; Wilhelm Meiners; Bernd Dipl Phys Seidel; Joerg Dipl Phys Beersiek
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-03-22
Publication date: 1997-10-16
Anticipated expiration: 2013-03-23
Also published as: DE4308971A1

Description

Technical field

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstüc ken mit Laserstrahlung; bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das Schweißen mit Laserstrahlung.The present invention relates to a method for machining workpieces ken with laser radiation; preferred application of the invention is Welding with laser radiation.

State of the art

Es ist allgemein bekannt, daß es bei der Lasermaterialbearbeitung mit zuneh mender Intensität der Laserstrahlung zur Ausbildung von laserinduzierten Plas men kommt, wobei bei schwach absorbierenden Materialen zunächst der Über gang von der normalen in die anormale Absorption überschritten werden muß. Die Aufrechterhaltung eines solchen laserinduzierten Plasmas und insbesondere die Bedingungen der Aufrechterhaltung richten sich nach dem jeweiligen Bear beitungsverfahren. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß je nach Bear beitungsbedingungen das laserinduzierte Plasma des Werkstücks ein Plasma in der die Bearbeitungsstelle umgebenden Atmosphäre zündet. Dieses Plasma bewirkt eine so starke Abschirmung der eingestrahlten Laserintensität, daß die Bearbeitung in erheblichem Maße beeinträchtigt wird. Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren offenbart, die das Bearbeitungsverfahren dahingehend regeln, daß die Laserstrahlung möglichst wenig abgeschirmt wird.It is generally known that laser material processing increases intensity of the laser radiation to form laser-induced plas men comes, whereby in the case of weakly absorbent materials first the over transition from normal to abnormal absorption must be exceeded. The maintenance of such a laser-induced plasma and in particular the conditions of maintenance depend on the respective bear processing method. Recent studies have shown that depending on Bear processing conditions, the laser-induced plasma of the workpiece turns into a plasma ignites the atmosphere surrounding the processing point. This plasma causes such a strong shielding of the irradiated laser intensity that the Processing is significantly affected. Are in the prior art discloses various methods that the machining method in this regard regulate that the laser radiation is shielded as little as possible.

In der DE-PS 34 24 825 ist eine Einrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung geoffenbart, bei der das Werkstück durch eine genügend hohe Laserintensität zunächst in den Zustand der anormalen Absorption über führt und ein laserinduziertes Werkstückplasma erzeugt wird. Im weiteren Ver lauf der Bearbeitung erfolgt eine Regelung des laserinduzierten Plasmas dahin gehend, daß zur Vermeidung einer unerwünschten Abschirmung der Laser strahlung die Laserintensität zeitlich zwischen einem unteren Grenzwert, der durch die anormale Absorption festgelegt ist und einem oberen Grenzwert, bei dem die Ausbildung einer Detonationswelle durch Expansion des Plasmas er folgt, moduliert wird. Dabei werden die Grenzwerte rechnerisch ermittelt und für jeden Werkstoff und jedes Bearbeitungsverfahren ist ein gesondertes Pro zeßdiagramm zu erstellen, aus dem die zeitliche Steuerung der Laserintensität zwischen den Grenzwerten entnommen werden kann.In DE-PS 34 24 825 is a device for machining workpieces revealed with laser radiation, in which the workpiece through a sufficient high laser intensity initially into the state of abnormal absorption leads and a laser-induced workpiece plasma is generated. In the further ver During processing, the laser-induced plasma is regulated going to avoid unwanted shielding of the laser radiation the laser intensity temporally between a lower limit, the is determined by the abnormal absorption and an upper limit at which he the formation of a detonation wave by expansion of the plasma follows, is modulated. The limit values are calculated and for every material and every machining process is a separate pro create a timing diagram from which the timing of the laser intensity can be taken between the limit values.

In der CH-PS 605010 ist ein Verfahren zum Abtragen, insbesondere Bohren, von Werkstücken mit Laserstrahlung geoffenbart, bei dem zum Starten des Bohrens ein laserinduziertes Plasma erzeugt wird, das jedoch möglichst rasch wieder er löschen soll, da sonst die Laserstrahlung zu stark abgeschirmt wird. Hierzu wird der zeitliche Intensitätsverlauf des Laserimpulses und der Öffnungswinkel, mit dem die Laserstrahlung auf das Werkstück fokussiert wird, durch vorangehende Versuch geeignet optimiert; zusätzlich wird vorgeschlagen, die Bearbeitungs stelle mit einer Helium und/oder Wasserstoff enthaltenden Atmosphäre zu um geben.CH-PS 605010 describes a method for removing, in particular drilling, from Workpieces are revealed with laser radiation at which to start drilling a laser-induced plasma is generated, but it is restored as quickly as possible should be deleted, otherwise the laser radiation will be shielded too much. To do this the temporal intensity curve of the laser pulse and the opening angle, with which the laser radiation is focused on the workpiece, by preceding Appropriately optimized experiment; in addition, the editing is suggested switch to with an atmosphere containing helium and / or hydrogen give.

In den beiden zuvor genannten Druckschriften wird der Abschirmeffekt auf das sich ausbreitende laserinduzierte Werkstückplasma zurückgeführt und das Bearbeitungsverfahren wird unter vorgegebenen Bearbeitungsbedingungen wie Werkstoffzusammensetzung und Laserstrahlparameter soweit optimiert, daß die Abschirmung der Laserstrahlung minimiert wird. Vor jeder Bearbeitung sind da her umfangreiche Vorversuche erforderlich, um die am besten geeigneten Bear beitungsbedingungen zu ermitteln.The shielding effect on the propagating laser-induced workpiece plasma and that Machining process is under given machining conditions such as Material composition and laser beam parameters optimized so that the Shielding of the laser radiation is minimized. There are before each processing Extensive preliminary tests are required to find the most suitable Bear to determine processing conditions.

Beim Laserstrahlschweißen ist es bekannt, ein geeignetes Schutzgas zu ver wenden, mit dem die Bearbeitungsstelle umströmt wird. Dieses Schutzgas erfüllt in der Regel mehrere Funktionen. Zum einen beeinflußt es die Schmelzbadbe wegung und verhindert die Oxidation des geschmolzenen Metalls; zum anderen dient das Schutzgas der Kontrolle des laserinduzierten Schweißplasmas. Durch gezielte Anpassung der Schutzgasart, des Schutzgasflusses und der Gaszufüh rung an den jeweiligen Schweißprozeß kann eine Stabilisierung des Schweißpro zesses ( zum Beispiel Homogenisierung der Schmelzbadbewegung, Vermei dung von Spritzerbildung) erzielt werden. Darüber hinaus hat das Schutzgas noch die wichtige Funktion, die Ausbildung eines abschirmenden Plasmas ober halb des Werkstücks zu verhindern, da sonst der Schweißprozeß in erheblichem Maße beeinträchtigt wird und es insbesondere zur Verringerung der Schweiß tiefe und unter Umständen zur vermehrten Porenbildung in der Schweißnaht kommen kann. Die Ausbildung eines abschirmenden Plasmas kann mit relativ großer Sicherheit vermieden werden, wenn als Schutzgas Helium verwendet wird. Aus wirtschaftlichen Gründen ist man jedoch bestrebt, das teure Helium durch andere, billigere Schutzgase, wie zum Beispiel Argon zu ersetzen oder dem Helium andere Gase beizumischen, um so dessen Verbrauch zu reduzie ren. Dies hat jedoch den Nachteil, daß die Gefahr der Ausbildung eines ab schirmenden Plasmas steigt. Auch Instabilitäten der Laserleistung oder des Schweißprozesses selbst wirken sich dann eher auf die Ausbildung eines ab schirmenden Plasmas aus. Bei großen Laserleistungen (größer circa 10 kW) und großen Laserintensitäten ist die Beimischung von anderen Gasen zu Helium nur bedingt oder überhaupt nicht möglich. In der Druckschrift "Schweißen mit dem CO₂-Laser" in wt Wissenschaft und Technik, Mai 1992, wird daher vorge schlagen, bei Verwendung eines Heliumersatzgases, hier Argon, die Ausbildung eines abschirmenden Schutzgasplasmas zu erkennen, indem mit einem Gitter spektrographen eine Argonlinie detektiert wird, um dann regelnd in den Schweißprozeß eingreifen zu können. Dies setzt jedoch voraus daß ein Schutz gas überhaupt geeignet zur Bearbeitungsstelle geführt und dort mit einer effizi enten Strömung eingesetzt werden kann, was z. B. bei komplizierten Werkstück geometrien mit nicht unerheblichen Schwierigkeiten verbunden ist, insbeson dere bei der Bearbeitung mit 3D- und 5D-Bearbeitungsmaschinen. Darüber hinaus setzt diese Art der Prozeßüberwachung voraus, daß der hauptsächliche Abschirmungseffekt durch das Schutzgasplasma (in diesem Fall Argonplasma) und nicht durch das Umgebungsplasma verursacht wird.In laser beam welding, it is known to use a suitable protective gas with which the processing point flows. This protective gas is fulfilled usually multiple functions. First, it affects the weld pool movement and prevents oxidation of the molten metal; on the other hand the protective gas is used to control the laser-induced welding plasma. By targeted adaptation of the type of shielding gas, the shielding gas flow and the gas supply stabilization of the welding process zesses (for example homogenization of the melt pool movement, avoidance formation of splashes) can be achieved. In addition, the protective gas still the important function, the formation of a shielding plasma half of the workpiece to prevent, otherwise the welding process in considerable Measurements are compromised and it especially reduces sweat deep and possibly to increase pore formation in the weld seam can come. The formation of a shielding plasma can be relative Great security can be avoided if helium is used as protective gas becomes. For economic reasons, however, one tries to use the expensive helium with other, cheaper shielding gases, such as argon or to add other gases to the helium in order to reduce its consumption ren. However, this has the disadvantage that the risk of training from shielding plasma rises. Also instabilities of the laser power or the The welding process itself then affects the formation of one shielding plasma. With large laser powers (greater than approx. 10 kW) and high laser intensities is the addition of other gases to helium only possible to a limited extent or not at all. In the publication "welding with the CO₂ laser "in wt science and technology, May 1992, is therefore featured propose training when using a helium substitute gas, here argon of a shielding protective gas plasma can be recognized by using a grid an argon line is detected in the spectrograph and then regulatingly in the To be able to intervene in the welding process. However, this requires protection gas in a suitable manner to the processing point and there with an effizi enten flow can be used, which z. B. with complicated workpiece geometries is associated with not inconsiderable difficulties, in particular especially when processing with 3D and 5D processing machines. About that In addition, this type of process monitoring presupposes that the main Shielding effect through the protective gas plasma (in this case argon plasma) and is not caused by the surrounding plasma.

Presentation of the invention

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, ein Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken mit Laserstrahlung anzugeben, bei dem die Abschirmung der eingestrahlten Laserintensität durch das Umgebungsplasma vermieden wird und somit der Wirkungsgrad der Bearbeitung gesteigert werden kann, und zwar unabhängig von irgendwelchen Schutz- und/oder Prozeßgasen und Prozeß gasgemischen und ohne zeitraubende Vorversuche oder Berechnungen.In contrast, the present invention addresses the problem Specify procedures for processing workpieces with laser radiation at shielding the irradiated laser intensity from the surrounding plasma is avoided and thus the machining efficiency can be increased, namely independent of any protective and / or process gases and process gas mixtures and without time-consuming preliminary tests or calculations.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungungen des Erfindungsge genstandes sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10 gekennzeich net.This object is achieved by the characterizing part of claim 1 specified characteristics. Advantageous further developments of the invention are marked with the features of subclaims 2 to 10 net.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen insbesondere darin, daß die Bearbeitung des Werkstücks in Echtzeit überwacht und geregelt wird, wobei die Überwachung von den einzelnen Parametern der Werkstückbearbeitung losge löst ist, da ein (oder mehrere) Parameter der Umgebungsatmosphäre detektiert wird und anhand dieses Meßergebnisses eine Regelung des Bearbeitungspro zesses erfolgt. Die vorliegende Erfindung ist somit universell einsetzbar, wenn es zu verhindern gilt, daß in der Umgebung der Bearbeitungsstelle ein atmosphäri sches Plasma entsteht, das eine Abschirmung der eingestrahlten Laserintensität zur Folge hätte. The advantages of the present invention are in particular that the Machining of the workpiece is monitored and controlled in real time, with the Monitoring of the individual parameters of workpiece machining solves because one (or more) parameter detects the ambient atmosphere and based on this measurement result a regulation of the machining pro process takes place. The present invention is thus universally applicable when it is It is important to prevent an atmosphere in the vicinity of the processing point plasma arises, which shields the irradiated laser intensity would result.

Weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung betreffen das bevorzugte Anwendungsgebiet, das Laserstrahlschweißen.Further advantages of the present invention relate to the preferred one Field of application, laser beam welding.

Zum einen wird mit der vorliegenden Erfindung der Einsatz von kostensparen den Schutzgasen möglich, da die Funktion des Schutzgases, die Ausbildung ei nes abschirmenden Plasmas teilweise oder ganz zu unterbinden, wegfällt, so daß ein Ersatz des teueren Heliums ermöglicht wird, z. B. durch He/Ar- oder He/N₂-Gemische oder reines Ar oder N₂, und darüber hinaus kann die Menge des verwendeten Schutzgases reduziert werden.On the one hand, the use of cost savings is achieved with the present invention the protective gases possible, since the function of the protective gas, the training to partially or completely prevent the shielding plasma is eliminated, see above that a replacement of the expensive helium is made possible, e.g. B. by He / Ar or He / N₂ mixtures or pure Ar or N₂, and moreover the amount of the protective gas used can be reduced.

Zum anderen können auch schwierige Bearbeitungsaufgaben gelöst werden, bei denen die Verwendung und insbesondere die optimale Zuführung eines Schutzgases nur bedingt möglich sind. Beispielsweise erzwingen Werkstücke mit komplizierten Bauteilgeometrien an Kurven, Krümmungen und Kanten Ge schwindigkeits- und Fokuslageänderungen des Bearbeitungskopfes, so daß es bei nicht ausreichender Nachführung des Schutzgasflusses vermehrt zu Plas maabschirmungen kommt, die erhebliche Fehler in der Schweißnaht zur Folge haben können. Die Nachführung des Schutzgasflusses erfordert darüber hinaus zusätzliche Einrichtungen, auf die mit der vorliegenden Erfindung verzichtet wer den kann, indem ein Bearbeitungskopf mit einer konzentrischen Schutzgasdüse verwendet werden kann.On the other hand, difficult machining tasks can be solved, where the use and in particular the optimal feeding of a Shielding gas are only possible to a limited extent. For example, force workpieces with complicated component geometries on curves, curvatures and edges Ge Changes in speed and focus position of the machining head, so that it If the shielding gas flow is not adequately adjusted, it increases to Plas shielding comes, which results in considerable errors in the weld seam can have. The tracking of the inert gas flow also requires additional devices that are dispensed with with the present invention that can be done by using a machining head with a concentric inert gas nozzle can be used.

Ein weiterer Vorteil des Erfindungsgegenstands liegt in der Geschwindigkeit, mit der das Auftreten des abschirmenden Plasmas der atmosphärischen Umge bung detektiert wird und dieses Plasma wieder zum Erlöschen gebracht wird. Diese Zeiten sind so kurz, daß das Schweißplasma selbst nicht erlischt, so daß der Schweißprozeß kontinuierlich durchgeführt werden kann. Insbesondere die Ausgestaltung nach Anspruch 6 ermöglicht das Detektieren des Umgebungs plasmas schon während der Entstehung desselben.Another advantage of the subject of the invention lies in the speed with which the occurrence of the shielding plasma of the atmospheric reverse exercise is detected and this plasma is extinguished again. These times are so short that the welding plasma itself does not go out, so that the welding process can be carried out continuously. especially the Embodiment according to claim 6 enables the detection of the environment plasmas already during its creation.

Die besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach An spruch 5 ermöglicht eine einfache und damit kostengünstige Regelung des Bearbeitungsverfahrens.The special embodiment of the method according to the invention saying 5 enables a simple and therefore inexpensive regulation of the Machining process.

Embodiment

Nachfolgend wird die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 näher beschrieben. Es zeigen:The invention is described in more detail below in an embodiment of FIGS. 1 to 4. Show it:

Fig. 1 zeitlicher Verlauf der Intensitäten der Argonlinie 695.5 nm, und der Stickstofflinie 746.8 nm beim Laserstrahlschweißen mit einem Gas gemisch Argon-Helium. Fig. 1 temporal course of the intensities of the argon line 695.5 nm, and the nitrogen line 746.8 nm during laser beam welding with a gas mixture argon-helium.

Fig. 2 Zeitlicher Verlauf der Plasmatemperatur des laserinduzierten Eisenplasmas sowie der Intensität der Stickstofflinie 746.8 nm beim Laserstrahlschweißen mit einem Argon-Helium Gasgemisch. Fig. 2 Time course of the plasma temperature of the laser-induced iron plasma and the intensity of the nitrogen line 746.8 nm during laser beam welding with an argon-helium gas mixture.

Fig. 3 Schematische Darstellung der zeitlichen Abfolge der Plasmaab schirmung mit: Fig. 3 Schematic representation of the temporal sequence of the plasma shielding with:

a) Time course of the argon signal
b) Time course of the nitrogen signal
c) time course of the iron plasma temperature

Fig. 4 Schematische Darstellung eines Regelkreises zur Unterdrückung eines abschirmenden Umgebungsplasmas. Fig. 4 Schematic representation of a control circuit for suppressing a shielding surrounding plasma.

Ohne Einschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens soll die vorlie gende Erfindung anhand des bevorzugten Anwendungsgebietes, des Laser strahlschweißens, näher erläutert werden. In einem optimierten Laserstrahl schweißverfahren wird die Laserenergie fast vollständig in das Werkstück einge koppelt. Das oberhalb des Werkstücks entstehende Metalldampfplasma ab sorbiert nur einen sehr kleinen Teil der Laserstrahlung. Wird die Menge des He liums, das dem Schweißprozeß als Schutzgas zugeführt wird, reduziert, oder wird die Laserleistung bei einer nicht optimierten Heliummenge erhöht, kommt es zur Erhöhung seiner Temperatur. Über das erhitzte Metalldampfplasma wird in der Umgebungsatmosphäre ein Plasma gezündet, das einen großen Teil der Laserstrahlung absorbiert, und das Werkstück gegen die einfallende Laser strahlung abschirmt. Wegen des hohen Stickstoffanteils in der Atmosphäre soll dieses Plasma im folgenden als Stickstoffplasma bezeichnet werden. Ähnliche Absorptionseffekte entstehen, wenn Gasgemische wie zum Beispiel Helium-Ar gon als Prozeßgase verwendet werden.Without restricting the general inventive concept, the present Invention based on the preferred field of application, the laser beam welding, are explained in more detail. In an optimized laser beam welding process, the laser energy is almost completely absorbed into the workpiece couples. The metal vapor plasma generated above the workpiece sorbs only a very small part of the laser radiation. Will the amount of He liums, which is supplied to the welding process as a protective gas, or If the laser power is increased with a non-optimized amount of helium, comes it to raise its temperature. About the heated metal vapor plasma a plasma is ignited in the surrounding atmosphere, which a large part of the Laser radiation is absorbed, and the workpiece against the incident laser shields radiation. Because of the high nitrogen content in the atmosphere this plasma is referred to below as nitrogen plasma. Similar Absorption effects occur when gas mixtures such as Helium-Ar gon can be used as process gases.

Experimente haben gezeigt, daß selbst bei Verwendung des He-Ar-Gasgemi sches ein Stickstoffplasma in der Umgebungsatmosphäre gezündet wird, und daß dieses Plasma und nicht das Argonplasma den wesentlichen Abschir mungseffekt verursacht. Die Zündung des Stickstoffplasmas verläuft über eine Kette Metalldampfplasma-Argonplasma-Stickstoffplasma, wobei das Argon plasma unmittelbar die Stickstoffplasmazündung initiiert. Aufgrund der Abschir mung der Laserstrahlung durch das Stickstoffplasma erlischt das Argonplasma, sobald sich das Stickstoffplasma entwickelt hat. Diese Tatsache wird in der vor liegenden Erfindung für ein geregeltes Laserstrahlschweißverfahren ausgenutzt.Experiments have shown that even when using the He-Ar Gasgemi a nitrogen plasma is ignited in the surrounding atmosphere, and that this plasma and not the argon plasma is the essential shield effect. The nitrogen plasma ignites via a Chain metal vapor plasma-argon plasma-nitrogen plasma, the argon plasma immediately initiates the nitrogen plasma ignition. Because of the shield The laser radiation through the nitrogen plasma extinguishes the argon plasma, as soon as the nitrogen plasma has developed. This fact is discussed in the front lying invention exploited for a controlled laser beam welding process.

Als Indikator für die Formation der verschiedenen Plasmen werden in der Erfin dung ihre spektralen Emissionslinien verwendet. Fig. 1 zeigt exemplarisch den Verlauf einer Argon- und Stickstofflinie, und Fig. 2 den Verlauf der Plasmatempe ratur des laserinduzierten Eisenplasmas und einer Stickstofflinie beim Schweißen mit einem Helium-Argon-Gasgemisch. Während die spektralen Linien die Formation der beiden Gasplasmen zeigen, ist hier die Eisenplasmatemperatur ein Indikator für die Existenz des Eisenschweißplasmas. In Fig. 3 ist schematisch der zeitliche Verlauf der Plasmazündung und der Abschirmung dargestellt. Unmittelbar nach Auftreten des Argonplasmas (T1), (T2), wird das Stickstoffplasma gezündet. Das Argonplasma erlischt kurz nach Ent stehung des Stickstoffplasmas, das, ähnlich einer laserinduzierten Verbrennungswelle, entgegen der einfallenden Laserstrahlung propagiert und das Werkstück abschirmt. Dadurch erlischt auch das Eisenschweißplasma (T3). Die Abnahme der Eisenplasmatemperatur, die die Unterbrechung des Schweißprozesses bedeutet, erfolgt mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung zu der Stickstoffplasmabildung in der Größenordnung von einigen ms. Daher kann die Unterbrechung des Schweißprozesses verhindert werden, wenn das Auftreten des Stickstoffplasmas schnell genug detektiert wird. Als Regelungssignal wird hierfür eine Stickstofflinie verwendet (hier eine 746.8 nm atomare N-linie), unabhängig davon mit welchem Prozeßgas geschweißt wird. Dabei ist die Laserleistung die Stellgröße. Selbstverständlich sind auch andere Stellgrößen möglich, mit denen sich die Laserleistungsdichte an der Bearbeitungsstelle regeln läßt wie beispielsweise Veränderung der Fokuslage oder optische Abschwächer. Die Stickstofflinie wird entweder mit Hilfe zum Beispiel eines Spektrographen oder eines Interferenzfilters aus dem Plasmaspektrum selektiert, und mit einem photoempfindlichen Detektor wie zum Beispiel Photodiode, Photomultipier und so weiter registriert. Wird das Stickstoffplasma gezündet, beginnt das Detektorsignal zu wachsen, und der La ser wird durch einen Regler solange ausgeschaltet, beziehungsweise die Laser leistung wird entsprechend reduziert, bis das Detektorsignal seinen ur sprünglichen Wert erreicht hat (T4), das heißt das Stickstoffplasma erloschen ist. Dann wird der Laser wieder angeschaltet oder die Laserleistung auf ihren ur sprünglichen Wert erhöht. Beim nächsten Stickstoffplasmazünden wiederholt sich der Regelungsvorgang.Their spectral emission lines are used in the invention as an indicator of the formation of the various plasmas. Fig. 1 shows an example of the course of an argon and nitrogen line, and Fig. 2 shows the course of the plasma temperature of the laser-induced iron plasma and a nitrogen line when welding with a helium-argon gas mixture. While the spectral lines show the formation of the two gas plasmas, the iron plasma temperature is an indicator of the existence of the iron welding plasma. The time course of the plasma ignition and the shielding is shown schematically in FIG. 3. Immediately after the occurrence of the argon plasma (T1), (T2), the nitrogen plasma is ignited. The argon plasma is extinguished shortly after the nitrogen plasma has formed, which, like a laser-induced combustion wave, propagates against the incident laser radiation and shields the workpiece. As a result, the iron welding plasma (T3) goes out. The decrease in the iron plasma temperature, which means the interruption of the welding process, takes place with a certain time delay to the nitrogen plasma formation in the order of a few ms. Therefore, the interruption of the welding process can be prevented if the occurrence of the nitrogen plasma is detected quickly enough. A nitrogen line is used as the control signal (here a 746.8 nm atomic N line), regardless of which process gas is used for welding. The laser power is the control variable. Of course, other manipulated variables are also possible with which the laser power density can be regulated at the processing point, such as changing the focus position or optical attenuators. The nitrogen line is selected from either the plasma spectrum using, for example, a spectrograph or an interference filter, and registered with a photosensitive detector such as a photodiode, photomultiplier and so on. If the nitrogen plasma is ignited, the detector signal begins to grow, and the laser is switched off by a controller or the laser power is reduced accordingly until the detector signal has reached its original value (T4), i.e. the nitrogen plasma has gone out. Then the laser is switched on again or the laser power is increased to its original value. The control process is repeated the next time nitrogen plasma is ignited.

Der Regelkreis kann zum Beispiel über einen 2-Punkt-Regler realisiert werden (Fig. 4). Der Detektor 3 nimmt das Signal einer Stickstofflinie auf. Die Ein- und Ausschaltschwellen des Reglers 4 werden knapp oberhalb des Signaluntergrundes eingestellt, so daß schon das Entstehen des Stickstoffplasmas erkannt werden kann. Wird ein Stickstoffplasma gezündet, steigt der Signalwert über die Ein schaltschwelle und der Regler 4 schaltet den Laser 5 aus. Infolgedessen erlischt das Stickstoffplasma und der Signalwert fällt unter die Ausschaltschwelle des Reglers. Der Regler schaltet den Laser wieder ein. Dieser Regelprozeß erfolgt sehr schnell (circa 0.2-0.3 ms) gegenüber der Dauer der Abschirmung ohne Regelung (circa 10 ms). Wegen der oben erwähnten Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten des Stickstoffplasmas und dem Absinken der Eisenplasmatemperatur verhindert der kurzzeitige Regelprozeß, daß das Eisen- oder Aluminium schweißplasma erlischt, beziehungsweise der Schweißprozeß unterbrochen wird.The control loop can be implemented, for example, using a 2-point controller ( Fig. 4). The detector 3 picks up the signal of a nitrogen line. The switch-on and switch-off thresholds of the controller 4 are set just above the signal background, so that the formation of the nitrogen plasma can be recognized. If a nitrogen plasma is ignited, the signal value rises above the switch-on threshold and the controller 4 switches the laser 5 off. As a result, the nitrogen plasma goes out and the signal value falls below the switch-off threshold of the controller. The controller switches the laser on again. This control process takes place very quickly (approx. 0.2-0.3 ms) compared to the duration of the shielding without control (approx. 10 ms). Because of the above-mentioned time difference between the occurrence of the nitrogen plasma and the drop in the iron plasma temperature, the short-term control process prevents the iron or aluminum welding plasma from extinguishing or the welding process from being interrupted.

Insbesondere beim Aluminiumschweißen kann somit die Effizienz des Schweißprozesses erhöht werden, indem bei Verwendung von einem Argon-He lium-Gasgemisch an der Grenze zur Plasmaabschirmung geschweißt wird. Das bedeutet, daß der Argonanteil so groß gewählt wird, daß eine nur sehr kleine Ar gonzugabe das Zünden des abschirmenden Plasmas verursacht. Mit Hilfe des genannten Regelungsprozesses kann die Gefahr der Ausbildung dieses Plas mas eliminiert werden. Beim Aluminiumschweißen kann neben der Stickstofflinie auch eine - wenn auch schwächere - Sauerstofflinie zur Detektion benutzt wer den.In aluminum welding in particular, the efficiency of the Welding process can be increased by using an argon He lium gas mixture is welded at the border to plasma shielding. The means that the argon fraction is chosen so large that a very small Ar gon addition causes the ignition of the shielding plasma. With the help of mentioned regulatory process can increase the risk of training this plasma mas are eliminated. When welding aluminum, in addition to the nitrogen line also an - albeit weaker - oxygen line used for detection the.

Weiterhin kann beim Schweißen von Werkstücken, die komplizierte Bauteilgeo metrie aufweisen, wie beispielsweise Karosseriebleche, mit der vorliegenden Er findung die Bearbeitung wie folgt vereinfacht werden. In der Regel erfordert der Schweißprozeß mit dem CO₂-Laser eine stechende oder schleppende Arbeits gaszuführung. Erst bei richtiger Zuführung des Arbeitsgases wird oberhalb der Bearbeitungszone eine stabile Strömung erzeugt, und ein kontinuierlicher Gasaustausch sichergestellt. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um die Ausbildung von abschirmenden Stickstoffplasmen zu verhindern. Bei den zuvor genannten komplizierten Bauteilgeometrien ist daher wenigstens eine zusätzli che Achse erforderlich um die Arbeitsgasdüse nachzuführen. Mit dem erfin dungsgemäßen Verfahren kann auf solchen zusätzlichen Aufwand verzichtet werden, indem eine einfache konzentrische Arbeitsgasdüse am Bearbeitungs kopf vorgesehen wird.Furthermore, when welding workpieces, the complicated component geo have metry, such as body panels, with the present Er processing can be simplified as follows. As a rule, the Welding process with the CO₂ laser stinging or dragging work gas supply. Only when the working gas is correctly supplied is the above Machining zone creates a stable flow, and a continuous one Gas exchange ensured. This is a necessary requirement in order to To prevent the formation of shielding nitrogen plasmas. With the previous ones complicated component geometries mentioned is therefore at least one additional Che axis required to track the working gas nozzle. With the invent The inventive method can dispense with such additional effort by machining a simple concentric working gas nozzle head is provided.

BezugszeichenlisteReference list

1 Werkstück
2 Plasma
3 Detektor für N-Linie
4 Zwei-Punkt-Regler
5 Laser 1 workpiece
2 plasma
3 detector for N line
4 two-point controller
5 lasers

Claims

1. Process for processing workpieces with laser radiation, in particular special for laser beam welding, characterized in that the processing point is monitored for the formation of a shielding plasma in the atmosphere surrounding the processing point (surrounding plasma), that when the ambient plasma occurs, the laser is switched off or the the intensity of the laser irradiated onto the processing point is reduced until the surrounding plasma goes out, and that after the surrounding plasma goes out, the laser is switched on again or the intensity of the laser is adjusted up to the intensity required for processing.

2. The method according to claim 1 characterized, that the occurrence of the surrounding plasma by detection at least a spectral line of the surrounding plasma is determined.

3. The method according to claim 2, characterized, that a nitrogen line is used as the spectral line.

4. The method according to claim 3, characterized, that the 746.8 nm line of atomic nitrogen is used.

5. The method according to any one of claims 2 to 4, characterized, that a two-point controller is provided which, when a Predeterminable intensity of at least one spectral line from the laser switches on and when this intensity falls below the laser again switches.

6. The method according to claim 5, characterized, that the predeterminable intensity is slightly above the signal background is set.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized, that the time period from the detection of the surrounding plasma to Extinction of the surrounding plasma is less than the time to emerge ner increased absorption in the shielding plasma.

8. The method according to claim 7, characterized, that the time period is less than 1 ms and preferably not 0.5 ms exceeds.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized, that the welding plasma does not go out during laser beam welding.

10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized, that the laser power ge or internally by optical attenuators is regulated.

11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized, that during processing a process gas or gas mixture and / or an inert gas or gas mixture is used.

12. The method according to any one of claims 1-11, characterized, that the detection of the spectral line or the spectral lines of the Ambient plasma from the process gas or gas mixture used and / or protective gas or gas mixture is independent.