DE4320408C2

DE4320408C2 - Verfahren zur Prozeßkontrolle und -regelung bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit gepulster Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4320408C2
Application number: DE4320408A
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Phys Barkhausen; Martin Dr Ing Wehner; Konrad Dr Rer Nat Wissenbach
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1993-06-21
Filing date: 1993-06-21
Publication date: 1998-02-19
Anticipated expiration: 2013-06-22
Also published as: DE4320408A1

Description

Die Erfindung betrifft ein ein Verfahren zur Pro zeßkontrolle und -regelung bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit einem ge pulst betriebenen Laser, dessen Laserstrahlparameter dadurch ermittelt werden, daß ein geringer Teil der Laserstrahlung von einem Detektorsystem erfaßt wird, das ferner die vom Werkstück reflektierten und emittierten Strahlungsanteile detektiert, und einer Steuereinheit, die den Betriebszustand des Lasers steuert, zuführt.

Die Oberflächenbehandlung mit gepulster Laserstrahlung umfaßt verschiedene Verfahren zur Modifizierung von Schichten im Bereich der Oberfläche von Werkstücken, insbesondere von dünnen Schichten mit Dicken d 100 µm, wie z. B. Abtragen, Reinigen, Aufschmelzen, Glätten, Polieren, Versiegeln, Legieren, Verändern der Gefügestruktur.

Bei einer derartigen Oberflächenbearbeitung von Werk stücken mit gepulster Laserstrahlung erfolgt die Bear beitung mit einer Folge von Laserpulsen, im allgemeinen mehr als einem Laserpuls. Der Einkopplungsgrad für die Laserenergie, der Absorptionsgrad, und damit die Wir kung der Laserstrahlung auf das Werkstück hängt wesent lich vom Ausgangszustand der Oberfläche ab und weist für technische Oberflächen je nach Anwendungsfall star ke Schwankungen auf. Um eine hohe Bearbeitungsqualität sicherzustellen, müssen die bearbeitungsrelevanten Parameter wie z. B. Laserstrahlparameter, Parameter der Werkstückhandhabung und Prozeßgas an die jeweiligen Oberflächengegebenheiten angepaßt werden.

Anwendungsbeispiele für die Oberflächenbearbeitung von Werkstücken sind das Abtragen und Umschmelzen von Ober flächen zur Verschleißminderung, wie z. B. von Gußober flächen von Zylinderlaufflächen und von Nockenwellen oder das Abtragen von Zunderschichten und Aufschmelzen der Metalloberfläche bei Edelstahlbauteilen zur Erhö hung der Korrosionsbeständigkeit.

Im Stand der Technik sind verschiedene Verfahren und Vorrichtungen geoffenbart, die sich auf die Oberflä chenbehandlung von Werkstücken mit gepulster Laser strahlung beziehen.

In der Druckschrift DE-OS 39 11 329 A1 ist ein Verfah ren zur berührungslosen Entlackung von Lackschichten offenbart, bei dem optische Energie von einem gepulsten Laser zum Abtragen von Lackschichten verwendet wird. Bei diesem Bearbeitungsvorgang entsteht ein Plasma, dessen Lichtemission zur Regelung der Entlackungstiefe insbesondere bei Mehrschichtsystemen ausgenutzt wird. Dabei wird die Lichtemission einer spektroskopischen Analyse unterworfen und der Laser wird abgeschaltet, wenn die gewünschte Entlackungstiefe erreicht ist. Eine Überwachung und Regelung der Laserstrahlparameter wäh rend der Bearbeitung erfolgt nicht.

In der Druckschrift DE-OS 36 00 591 A1 sind ein Verfah ren und eine Vorrichtung geoffenbart, bei dem mit einem gepulsten Laser Verunreinigungen von der Oberfläche von Metallen entfernt werden sollen. Dabei werden die Ver unreinigungen unter der Einwirkung der Laserpulse weg gedampft und wenigstens ein Emissionsspektrum der ver dampften Verunreinigung aufgenommen. Sobald die für die Verunreinigungen spezifischen Spektrallinien nicht mehr im Spektrum vorhanden sind, wird der Laser abgeschal tet. Eine Regelung des Lasersystems während der Bear beitung erfolgt in diesem Fall ebenfalls nicht.

In der Druckschrift DE-PS 39 43 523 C2 sind ein Verfah ren und eine Vorrichtung zum Abtragen insbesondere metallischer Werkstücke mit Laserstrahlung geoffenbart, bei dem die Bearbeitungsstelle des Werkstücks mit einem Strahlungsdetektor überwacht wird, mit dem die im Be reich der Bearbeitungsstelle herrschende Werkstücktem peratur durch Erfassen der Wärmestrahlung gemessen wird. Während der Bearbeitung erfolgt eine Regelung der Laserintensität dahingehend, daß die Temperatur auf der Werkstückoberfläche innerhalb vorgegebener Grenzen bleibt. Dabei wird die Regelung der Laserintensität durch An- und Abschalten des Lasers bei Erreichen der Temperaturgrenzwerte geregelt, so daß quasi gepulste Laserstrahlung mit fester Laserintensität vorliegt und die Pulsdauer durch Erreichen der Temperaturgrenzen gesteuert wird. Eine darüber hinausgehende Regelung der Laserstrahlparameter ist bei dieser Anwendung nicht notwendig.

Bei den beiden erstgenannten Verfahren wird die Laser strahlbehandlung mit vorher festgelegten Laserstrahlpa rametern (Energiedichte, Strahlgeometrie, Pulsdauer, Pulswiederholungsrate) durchgeführt. Eine Regelung des Bearbeitungsprozesses ist auf das Abschalten des Lasers bei Erreichen eines bestimmten Endzustandes beschränkt. Dies ist für die dort geoffenbarten Anwendungsfälle in der Regel auch ausreichend. Jedoch können Bauteile, die einen inhomogenen Ausgangszustand der Bearbeitungsflä chen oder komplizierte Geometrien wie Kanten, Nuten oder ähnliches aufweisen, auf diese Weise nicht zuver lässig bearbeitet werden. Im zweitgenannten Verfahren wird bei fester Laserintensität die Pulsdauer geregelt, um die Werkstücktemperaturen innerhalb gewisser Gren zen konstant zu halten. Bei Laserstrahlquellen mit fest vorgegebener Pulsdauer ist dieses Verfahren nicht einsetzbar.

Oberflächenbehandlungsverfahren mit gepulster Laser strahlung können außer zum Abtragen gemäß dem zitierten Stand der Technik auch zum Aufschmelzen, Mikroglätten, Legieren und zur Veränderung der Gefügestruktur einge setzt werden. Insbesondere komplizierte Werkstückgeome trien und inhomogene chemische und geometrische Ober flächenbeschaffenheit schränken hierbei die mit dem Stand der Technik erreichbaren Oberflächenqualitäten ein.

So wird ferner in der DE 37 10 816 A1 eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Werkstückes mittels eines Laserstrahls beschrieben die zur Über wachung der Bearbeitungsgüte mit Hilfe des an der Oberfläche des Werkstückes zurückreflektierte Laserlicht mittels optoelektronischer Sensoren erfaßt, wodurch Schwankungen in der an der Oberfläche reflektierten Licht intensität gemessen werden. In Abhängigkeit dieser Meßwerte wird entweder der Laserstrahl unterbrochen, der Fokuspunkt positioniert oder die Schneidgaszuführung geregelt. Wei tergehende Anpassungen an die aktuellen Be arbeitungsbedingungen sind hier nicht vorgesehen.

Aus der DE 38 20 848 C2, geht ein Verfahren zum Fügen von Werkstücken hervor, das neben einer Strahldiagnoseeinheit 13, eine akustische und optische Meßeinrichtung vorsieht, die eine Temperaturüberwachung der Fügestelle als auch eine spektroskopische Plasmaüberwachung ermöglicht. In Abhängigkeit der damit erfaßten Betriebsparameter wird die Intensität der Laserstrahlung geregelt, um eine stabile Plasmabildung, die für den Fügeprozeß der Werkstücke erforderlich ist, zu gewährleisten. Für die Bewertung einer stabilen Plasmabildung sind nach der Lehre dieser Druckschrift eine spektral-analytische Überwachung des auf der Werkstoffoberfläche vorhandenen Plasmagebietes ausre ichend. Das in dieser Druckschrift genannte Rege lungsverfahren stellt jedoch eine prozeßspezifische Lösung für einen bestimmten Bearbeitungsvorgang, nämlich dem Fügen mit Laserstrahlung, dar und läßt sich nicht ohne weiteres auf die Oberflächenbehandlung mit Laserstrahlung übertragen, da der Erfolg einer Oberflächenbehandlung nicht von der absehbaren Aus bildung eines Plasmazustandes abhängt, sondern von vielen sich ändernden Parametern, wie beispielsweise der Absorptionsgrad, die chemische Zusammensetzung der Oberfläche, die geometrische Oberflächenstruktur für jeden einzelnen Laserpuls, um nur einige zu nennen.

Aufgrund der Tatsache, daß das Bearbeitungsergebnis vom Zusammenwirken einer Vielzahl unabhängiger Pro zeßparameter, wie beispielsweise Pulsenergie, Energiedichte, Strahlgeometrie, Pulslänge und Pulszahl abhängt, müssen bei dem erfindungsgemäßen Laserstrahlverfahren die optimalen Prozeßparameter vor jedem Puls neu bestimmt werden. Zur Bestimmung des die Bearbeitungsqualität wesentlich bestimmenden Absor ptionsgrades wird erfindungsgemäß auch die Reflexion der Laserstrahlung mit jedem Laserpuls gemessen. Hierdurch kann bereits vor dem Auslösen eines Laserpuls der einge koppelte Strahlungsanteil ermittelt werden und eine Zer störung des Werkstückes durch falsche Be arbeitungsparameter sicher vermieden werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren dahingehend weiter zu entwic keln, daß durch Anpassung der bearbeitungsrelevanten Parameter an die sich lokal ändernde Oberflächen gegebenheit die Bearbeitungsqualität gesteigert und eine reproduzierbare Bearbeitung mit gleichbleibender Bearbeitungsqualität gewährleistet werden kann.

Ferner sollen mit der Erfindung insbesondere Bauteile mit komplizierten Bauteilgeometrien oder mit in homogener Oberflächenbeschaffenheit mit einem Laser definiert und reproduzierbar oberflächenbehandelt wer den können. Weiterhin soll mit der vorliegenden Erfin dung die Dauer der Bearbeitung eines Bauteils verkürzt werden, ohne daß hierdurch die Bearbeitungsqualität vermindert wird. Schließlich sollen mit der vorliegen den Erfindung die Einsatzmöglichkeiten der Oberflächen behandlung mit gepulster Laserstrahlung erweitert wer den.

Die Lösung dieser Aufgaben erfolgt durch die im Kenn zeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 6 gekennzeichnet.

Von besonderer Bedeutung ist eine kontinuierliche Beur teilung des Bearbeitungszustandes während der Bearbei tung und die Anpassung der Prozeßparameter an die Bear beitungsaufgabe in Abhängigkeit des aktuellen Bearbei tungszustandes. Das erfindungsgemäße Verfahren erfor dert somit eine umfassende Kontrolle des Bearbeitungs prozesses und die Regelung der Bearbeitungsparameter. Dabei sind als Prozeßkenngrößen insbesondere die spek trale Intensität der Plasmaemission, der winkelabhängi ge Reflexionsgrad, der ortsaufgelöste Reflexionsgrad und der spektrale Reflexionsgrad von Bedeutung. Dar überhinaus hängt es von der jeweiligen Bearbeitungsauf gabe ab, ob diese Prozeßkenngrößen nur teilweise oder in beliebiger Kombination benötigt werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sieht zunächst die Erfassung der Spitzenintensität an beliebigen Stellen des Strahlquerschnitts der ausgekoppelten Strahlung vor. Zur Erfassung des Bearbeitungszustandes des Werkstückes wird die vom Materialdampfplasma der Bearbeitungsstelle ausgehende Strahlung mittel Plasmaemissionspektroskopie untersucht sowie die an der Bearbeitungsstelle des Werkstückes reflektierte Laserstrahlung orts-, winkel und/oder spektralaufgelöst erfaßt wird und, die vorstehenden, der Steuereinheit zugeführten Meßwerte werden derart ausgewertet, daß die Auswertung der Meßwerte sowie die Regelung der Laserstrahlparameter innerhalb eines Laserpulses oder zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen erfolgen.

Die zusätzliche Verwendung eines Sondenlasers zur Durchführung der Reflexionsmessung führt zu einer bes seren Charakterisierung der Oberflächenmorphologie und des Oberflächenzustandes des Werkstücks.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 schematische Darstellung der Prozeßregelung für die Oberflächenbearbeitung mit gepulster Laser strahlung,

Fig. 2 Meßsystem für die On-Line-Messung von Pulsener gie und Spitzenintensität im Laserstrahl,

Fig. 3a Emissionsspektrum des Bearbeitungsplasmas beim Entzundern eines Edelstahlbauteils zu Beginn des Bearbeitungsprozesses,

Fig. 3b Emissionsspektrum des Bearbeitungsplasmas beim Entzundern eines Edelstahlbauteils zum Ende des Bearbeitungsprozesses,

Fig. 4 Änderung des spektralen Reflexionsgrades für unterschiedliche Pulszahlen beim Entzundern eines Edelstahlbauteils.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung das erfin dungsgemäße Prinzip zur Prozeßkontrolle und -regelung für die Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit gepulster Laserstrahlung. Von einer Laserstrahlquelle 1 wird gepulste Laserstrahlung 2 auf das zu bearbeitende Werkstück 3 gerichtet, das auf einem Handhabungssystem 4 montiert ist, mit dem es während der Bearbeitung bezüglich der Laserstrahlung in geeigneter Weise ver schoben werden kann. Mit einem Detektorsystem 5, beste hend aus geeigneten und an sich bekannten Detektoren, werden die Prozeßkenngrößen der Laserstrahlung und des Bearbeitungszustandes des Bauteils erfaßt und einer zentralen EDV-gestützten Steuereinheit 6 zugeführt. Grundvoraussetzung für eine definierte Oberflächenbe handlung mit Laserstrahlung ist die Kontrolle der La serstrahlparameter während der Bearbeitung. Die charak teristischen Parameter der Laserstrahlung wie Wellen länge, Pulsenergie, Strahlgeometrie, Energiedichte, Strahlverteilung, Pulsdauer, Pulsform und Pulswieder holungsrate haben entscheidenden Einfluß auf das Bear beitungsergebnis.

Kritisch sind beispielsweise Schwankungen der Pulsener gie oder der Energiedichte während des Bearbeitungspro zesses, da bereits geringfügige Erhöhungen bzw. Verrin gerungen dieser Strahlparameter drastische Änderungen im Bearbeitungsergebnis nach sich ziehen können. Die Energiedichte kann auch örtlich über dem Strahlquer schnitt starke Schwankungen aufweisen.

Die Laserstrahlparameter werden On-Line gemessen. Hier zu wird ein geringer Teil des Laserstrahls ausgekop pelt, z. B. durch Anordnung eines Strahlteilers zwischen Laserstrahlquelle und Bearbeitungsoptik (siehe auch Fig. 2).

In den folgenden Figuren sind jeweils gleiche oder ent sprechende Teile mit den selben Bezugszeichen bezeich net, so daß auf eine erneute Vorstellung verzichtet wird, und lediglich die Abweichungen der in diesen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel erläutert werden:
Kontrolliert werden unter anderem die Pulsenergie, der zeitliche Verlauf des Laserpulses (Pulsform) und die Verteilung der Energiedichte über den Strahlquer schnitt. Zur Messung der Pulsenergie und der Pulsform wird ein Teil der Laserstrahlung aus gekoppelt und mit geeigneten Detektoren, wie beispielsweise Photodioden oder pyroelektrischen Detektoren gemessen. Die Strahl verteilung wird mit geeigneten optischen Elementen auf einen zweidimensionalen Detektor, z. B. eine CCD-Kamera, abgebildet. Die Verteilung der Energiedichte berechnet sich durch Skalierung mit der Pulsenergie.

Der Strahlengang für die Kontrolle der Laser strahlparameter und die Analyse des Bearbeitungszustan des (Plasmaemissionssprektroskopie, Reflexion) sind vorteilhafter Weise so ausgelegt, daß die Bauteilhand habung und die Fokussierung nicht eingeschränkt sind.

Fig. 2 zeigt beispielhaft ein Meßsystem zur On-Line-Erfassung der Strahlparameter Pulsenergie und Spitzen intensität. Ein erster Strahlteiler 7 blendet einen Teil der Laserstrahlung 2 aus; dieser abgetrennte Teil wird von einem zweiten Strahlteiler 8 wiederum in zwei geeignete Anteile aufgespaltet. Der reflektierte Anteil wird über eine Linse 9 kollimiert und einer ersten Photodiode 10 zugeführt, deren Signal ein Maß für die Leistung der Laserstrahlung darstellt. Daraus ergibt sich nach zeitlicher Integration die gesamte Pulsenergie. Demgegenüber wird von dem durchgelassenen Anteil der Laserstrahlung mittels einer Lochblende 11 ein kleinerer Strahlbereich ausgeblendet und einer zweiten Photodiode 12 zugeführt, mit der das Intensitätsmaximum des jeweiligen Laserpulses gemessen wird. Die Lochblen de 11 und die zweite Photodiode 12 sind gekoppelt und können über den Strahlquerschnitt verfahren werden, so daß je nach Modenverteilung die Spitzenintensität an beliebigen Stellen des gesamten Strahlquerschnitts erfaßt werden kann. Gleichzeitig kann auf diese Weise auch die Position der Spitzenintensität im Strahlquer schnitt ermittelt und bei der Auswertung der Meßwerte berücksichtigt werden. Die Meßwerte der beiden Photo dioden liefern über eine Zwischenschaltung 13 Span nungswerte U (E) und U (I_max), die an die zentrale Steuereinheit 6 weitergeleitet werden.

Auch der Bearbeitungszustand wird On-Line während des Bearbeitungsprozesses analysiert. Hierzu werden die Plasmaemissionsspektroskopie (PES) sowie die winkelauf gelöste, ortsaufgelöste und spektrale Reflexionsmessung als Meßmethoden eingesetzt, und zwar einzeln oder kom biniert. Die optischen Signale der PES und der Re flexionsmessungen können mittels der Bearbeitungsoptik und/oder separater optischer Elemente zum zugehörigen Strahlungsempfänger des Detektorsystems 4 weiter geleitet werden. Die mit diesen Meßmethoden erfaßten Prozeßkenngrößen werden vom Detektorsystem 4 der zen tralen Steuereinheit 6 zugeführt und dort mit den Strahlparametern korreliert, so daß zuverlässig eine Beurteilung des Bearbeitungsprozesses erfolgen kann. Alle Prozeßkenngrößen können zeitlich über einen Laser puls gemittelt oder zeitaufgelöst innerhalb eines La serpulses gemessen werden, je nach Pulslänge und Puls wiederholungsrate.

Die Plasmaemissionsspektroskopie wird eingesetzt, um die für den Bearbeitungsprozeß charakteristische Emis sion des Materialdampfplasmas bei der Bearbeitung mit Laserstrahlung auszuwerten und den Bearbeitungszustand hinsichtlich Elementzusammensetzung im verdampften Material, Anregungszustände der einzelnen Bestandteile und zeitliches Verhalten des Verdampfungsprozesses beurteilen zu können.

Fig. 3a und 3b zeigen beispielhaft Emissionsspektren des Bearbeitungsplasmas beim Entzundern eines Edel stahlbauteils, die mit einem Vielkanalspektrographen gemessen wurden. Im Einzelfall kann eine Auswertung ausgewählter Spektralbereiche für die Charakterisierung ausreichen, die durch Verwendung geeigneter Strahlungs detektoren im allgemeinen mit vorgeschalteten Filtern meßtechnisch realisiert wird.

Während in Fig. 3a das charakteristische Spektrum der Deckschicht dargestellt ist, zeigt Fig. 3b das sich hiervon unterscheidende Spektrum des Grundwerkstoffes. Durch Auswertung der Spektren kann der Bearbeitungs prozeß zu jedem Zeitpunkt analysiert werden, z. B. die Vollständigkeit des Abtrags oder eine Änderung des Einkoppelungsgrades für die Laserstrahlung. In Abhän gigkeit des Meßergebnisses kann die zentrale Steuerein heit 6 z. B. das Handhabungssystem 4 ansteuern und/oder die Laserstrahlparameter nachregeln.

Die winkelaufgelöste Reflexionsmessung ermöglicht die Charakterisierung der Oberflächenmorphologie, die sich durch die Laserstrahlbehandlung während des Bearbei tungsprozesses ändern kann, z. B. Glättung oder Struktu rierung. Diese geometrischen Veränderungen der Oberflä che sind abhängig von den Prozeßparametern und variie ren im allgemeinen mit zunehmender Anzahl eingestrahl ter Laserpulse, z. B. durch Schmelzen oder Verdampfen des Materials. Hierdurch ändert sich die Richtcharak teristik des vom Werkstück reflektierten Lichts. Zur Messung der winkelaufgelösten Reflexion wird entweder die an der Oberfläche reflektierte Laserstrahlung oder das reflektierte Licht eines Sondenlasers mit einem geeigneten optischen System auf eine Diodenzeile, CCD-Zeile oder einen oder mehrere positionsempfindliche Strahlungsdetektoren gelenkt. Die Meßwerte werden win kelabhängig ausgewertet.

Die spektrale Reflexionsmessung ermöglicht die Charak terisierung des Oberflächenzustandes, insbesondere die Belegung mit Deckschichten. So lassen sich je nach Bearbeitungsverfahren chemische Reaktionen bei der Bearbeitung (z. B. Oxidation), die Anreicherung der Oberfläche mit Legierungselementen, oder die Rekonden sation von Materialdampf detektieren.

Fig. 4 zeigt beispielsweise die Änderung des spektralen Reflexionsgrades für unterschiedliche Pulszahlen beim Entzundern eines Edelstahlbauteils.

In einer besonderen Ausgestaltung er folgt die spektrale Reflexionsmessung als Zwei-Wellenlängen-Re flexionsmessung, bei der die Reflexionsgrade bei der Wellenlänge des verwendeten Bearbeitungslasers und bei der Wellenlänge eines Sondenlasers, z. B. eines HeNe- Lasers gemessen und ins Verhältnis gesetzt werden. Es können hierfür auch zwei verschiedene Sondenlaser ein gesetzt werden.

Die ortsaufgelöste Reflexionsmessung ermöglicht Rück schlüsse auf den Bearbeitungsgrad an unterschiedlichen Stellen der Werkstückoberfläche. Insbesondere ist hier mit bei Bearbeitung mit kontinuierlichem Vorschub ein direkter Vergleich von Oberflächenbereichen möglich, bei denen die Bearbeitung unterschiedlich weit fortge schritten ist. Bei den verschiedenen Oberflächenbe handlungsverfahren können z. B. der Abtrag von Deck schichten oder -partikeln, oder das Anschmelzen der Oberfläche ausgewertet werden.

Die Kombination der einzelnen Meßmethoden wie bei spielsweise winkelaufgelöste und spektrale Re flexionsmessung ist ebenfalls möglich. Bei allen Meß methoden kann insbesondere der Bearbeitungszustand in Abhängigkeit der Strahlparameter z. B. der Pulsenergie der Energiedichte oder der Anzahl eingestrahlter Laser pulse ausgewertet werden, um die Prozeßführung bewerten und regeln zu können.

Zur Bestimmung der Stellgrößen werden die On-Line er faßten Meßwerte der Laserstrahlparameter und des Bear beitungszustandes der zentralen Steuereinheit 6 zuge führt. In dieser zentralen Steuereinheit 6 werden die Meßwerte von einem Prozeßrechner mit vorgebbaren Soll werten verglichen, die experimentell ermittelt und/oder durch Berechnung bestimmt werden. Bei diesem Istwert-Sollwert-Vergleich wird insbesondere die Abhängigkeit der Prozeßkenngrößen von den Laserstrahlparametern berücksichtigt. Unter Beachtung dieser Abhängigkeit werden die Stellgrößen für den Bearbeitungsprozeß von der zentralen Steuereinheit 6 berechnet.

Als Stellgrößen stehen zur Verfügung:

- Pulsenergie
- Form und Größe des Strahlquerschnitts auf dem Bauteil
- Strahlverteilung
- Energiedichte
- Fokuslage
- Pulswiederholungsrate
- Zusammensetzung und Durchflußmenge von Prozeßgas
- Bauteilvorschub bzw. Optikvorschub.

Die Regelung dieser Stellgrößen erfolgt mit Hilfe der zentralen Steuereinheit 6. So kann beispielsweise die Pulsenergie extern durch variable optische Abschwächer oder laserintern gesteuert werden.

Im allgemeinen erfolgt die Bearbeitung durch Bewegung des Werkstücks bei feststehender Optik. Eine Bearbei tung eines stationären oder nur in einer Richtung zu verfahrenden Werkstücks mit bewegter Optik ist eben falls möglich. Ferner kann die Verwendung eines Licht leiters zur Übertragung der Strahlung des Bearbeitungs lasers und der für den Prozeß charakteristischen Re flexions- und Materialdampfplasmasignale von Vorteil sein.

Die Regelung der Prozeßparameter wie Laserstrahlparame ter, Parameter der Gasführung und Bauteilbewegung (Posi tionierung, Vorschubgeschwindigkeit) ermöglicht die Sicherstellung der Bearbeitungsqualität auch bei aus gedehnten Bearbeitungsflächen und/oder bei variierender Oberflächenbeschaffenheit des Ausgangsmaterials im Bearbeitungsbereich.

Bezugszeichenliste

1 Laserstrahlquelle
2 Laserpulse
3 Werkstück
4 Handhabungssystem
5 Detektorsystem
6 Steuereinheit
7 1. Strahlteiler
8 2. Strahlteiler
9 Linse
10 1. Photodiode
11 Lochblende
12 2. Photodiode
13 Zwischenschaltung

Claims

1. Verfahren zur Prozeßkontrolle und -regelung bei der Oberflächenbearbeitung von Werkstücken mit einem gepulst betriebenen Laser, dessen Laserstrahlparameter dadurch ermittelt werden, daß ein geringer Teil der Laserstrahlung von einem Detektorsystem erfaßt wird, das ferner die vom Werkstück reflektierten und emittierten Strahlungsanteile detektiert, und einer Steuereinheit, die den Betriebszustand des Lasers steuert, zuführt, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

- die Spitzenintensität wird an beliebigen Stellen des Strahlquerschnitts der ausgekoppelten Strahlung erfaßt,
- zur Erfassung des Bearbeitungszustandes des Werkstückes wird die vom Materialdampfplasma der Be arbeitungsstelle ausgehende Strahlung mittels Plasmaemissionsspektroskopie untersucht sowie die an der Bearbeitungsstelle des Werkstückes reflektierte Laserstrahlung orts-, winkel- und/oder spektralaufgelöst erfaßt und,
- die vorstehenden, der Steuereinheit zugeführten Meßwerte werden derart ausgewertet, daß die Auswertung der Meßwerte sowie die Regelung der Laserstrahlparameter innerhalb eines Laserpulses oder zwischen aufeinanderfolgenden Laserpulsen erfolgen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Analyse des Be arbeitungszustandes der Werkstückoberfläche durch Aus wertung der erfaßten Meßwerte der Laserstrahlung und des Bearbeitungszustandes des Werkstückes in der Steuereinheit durch Vergleich der erhaltenen Istwerte mit vorgebbaren Sollwerten erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung zusätzlich durch Änderung der Position des Werkstücks mittels eines Handhabungssystems und/oder der Zufuhr von Prozeßgas er folgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Laserparameter die Pulsdauer, Pulsform, Pulsenergie, Energiedichte, Repititionsrate, Wellenlänge und/oder Strahlgeometrie betreffen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur winkelaufgelösten Re flexionsmessung wenigstens ein Sondenlaser mit einer von der Wellenlänge des Bearbeitungslasers verschiedenen Wellenlänge vorgesehen ist, dessen Laserstrahlung auf den Bearbeitungsbereich geführt wird und daß zusätzlich zur oder anstelle der reflektierten Laserstrahlung des Be arbeitungslasers die von der Oberfläche des Werkstücks reflektierte Strahlung des Sondenlasers erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsgrade bei der Wellenlänge des Bearbeitungslasers und bei der Wellenlänge des Sondenlasers zueinander ins Verhältnis gesetzt werden.