EP1194260A2 - Vorrichtung zur bestimmung der position von emissionsbereichen eines thermischen prozesses mit lokal begrenzter energieeinbringung - Google Patents

Vorrichtung zur bestimmung der position von emissionsbereichen eines thermischen prozesses mit lokal begrenzter energieeinbringung

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Publication number
EP1194260A2
EP1194260A2 EP00949134A EP00949134A EP1194260A2 EP 1194260 A2 EP1194260 A2 EP 1194260A2 EP 00949134 A EP00949134 A EP 00949134A EP 00949134 A EP00949134 A EP 00949134A EP 1194260 A2 EP1194260 A2 EP 1194260A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser beam
emission
optical
filter
workpiece
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP00949134A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Negendanck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Original Assignee
Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH filed Critical Erlas Erlanger Lasertechnik GmbH
Priority to DE20023561U priority Critical patent/DE20023561U1/de
Publication of EP1194260A2 publication Critical patent/EP1194260A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light

Definitions

  • the invention relates to a device for the selective determination of the position of areas with different emission behavior within and in the vicinity of the interaction zone of a thermal process caused by a laser beam with locally limited energy input into a workpiece.
  • the thermal process brought about by a laser beam can be a welding process, a cutting process or hardening of a workpiece by means of a laser beam.
  • Laser beam welding is a process that is used to advantage in manufacturing processes.
  • laser beam welding is used in the automotive industry for welding roof seams or the like, in shipbuilding for welding sandwich panels or the like, in container construction, etc. It is necessary to correctly maintain the distance between the workpiece surface and the focus of the laser beam during the machining, ie welding process. Deviations of this distance of a few 0.1 mm can result in a reduced welding depth and in addition by a corresponding change in the overall process lead to a deterioration in production quality.
  • the distance between the workpiece surface and the focus of the laser beam are various sensor systems such as systems with leading sensors for measuring the geometric size of the machining distance between the workpiece and the processing head (nozzle), systems with sensors for detecting the intensity of the process emission and systems with sensors for recording the intensity distribution of the process emission at the processing site is known.
  • the first-mentioned systems with leading sensors measure, for example, the machining distance in advance with the aid of tactile sensors using a touch finger or with the help of optical sensors based on triangulation with a measuring laser beam or light section with, for example, one or more light lines or with an oscillating laser beam.
  • Process-relevant parameters for the machining result are the focus position and the machining distance.
  • the focus position describes the distance of the focus of the laser beam from the workpiece surface in the beam direction. A direct measurement during the machining process is not possible. Since the focus position is generally constant relative to the machining head, a measurement of the distance between the machining head (or nozzle) and the workpiece surface, i. H.
  • the focus position is determined indirectly by measuring the machining distance.
  • a common feature of these known systems is that they can only be operated in advance, since the temperature at the respective processing location is too high for the finger and the optical process emissions are too high for a measurement Dominate laser beam. It follows that systems with tactile sensors and such optical sensors can be used only to a very limited extent, since, for. B. in the case of three-dimensional laser beam welding, a leading sensor delivers a wrong measured value on curves in the machining path.
  • Systems with sensors for detecting the process emission include systems that record the temporal course of the intensity of the process emission with sensors, which are, for example, photodiodes, microphones or the like. acts. A connection with the focus position is then established from the time course recorded with the said sensors.
  • the systems which determine the focus position in this way have the disadvantage that changes in the intensity or changes in the time course can be attributed to various process parameters, which means that the changes mentioned cannot be clearly assigned to the respective focus position.
  • the latter systems are therefore generally only used for process monitoring, they are only conditionally or not suitable for control loops.
  • other focus positions ie z * 0 mm, are usually required.
  • CCD, CMOS or high-speed cameras are used in the on-axis or off-axis observation direction.
  • these known systems offer the possibility of recording a large number of process parameters and relating them to the respective focus position.
  • a system of the latter type is disclosed, for example, in DE 197 16 293 A1.
  • a device for controlling welding parameters during laser beam welding which comprises a CCD camera for detecting the geometry of a weld pool formed during the welding process. The camera is connected to an image data processing unit. The welding depth is controlled depending on the detected weld pool length or weld pool area.
  • the focus position of the laser beam is regulated there as a function of a geometric similarity factor, which is calculated as the quotient of the melt pool area and the distance between the geometric center of gravity of the laser beam keyhole and the geometric center of gravity of the melt pool area.
  • a geometric similarity factor which is calculated as the quotient of the melt pool area and the distance between the geometric center of gravity of the laser beam keyhole and the geometric center of gravity of the melt pool area.
  • a deficiency of this last-mentioned system consists in the relatively high expenditure on system technology with a simultaneously low measuring frequency.
  • the measuring frequency is limited by the clock of the CCD camera and by the performance of the DSP board.
  • the clock frequency of the CCD camera is, for example, 50 Hz.
  • the high system complexity is due to the use of a fast DSP board.
  • active triangulation is a variant.
  • a generator for a light source on a measurement object not a signal laser is used as in laser triangulation, but the thermal emission of the processing location. This method has not yet been used for laser beam welding because it is considered too imprecise:
  • the surface of the molten bath in plan view essentially has the shape of an elongated drop, as is illustrated, for example, in DE 197 16 293 A1 mentioned above.
  • the focus of the thermal emission is therefore not in the center of the laser-workpiece interaction zone.
  • the distance between the focus of the thermal emission of the melt pool and the focus of the laser beam keyhole changes with the direction of observation of the sensor.
  • the optical emission of the metal vapor flare shifts the center of gravity of the entire optical emission of the machining location away from the workpiece surface in the direction of the surface normal.
  • the measured distance of the metal vapor flare from the workpiece surface changes depending on the optical emission of the metal vapor flare.
  • the invention has for its object to provide an inexpensive device for controlling the machining distance with high resolution in thermal processes caused by a laser beam with locally limited energy input into a workpiece, the device being based on a reliable, i.e. reliable and robust measuring methods.
  • a position-sensitive optical sensor device for determining the position of the center of gravity of the respective emission region, which is preceded by an optical filter device, a reliable exact control of the respective intensity center of the optical emission of the locally limited energy input caused by the laser beam Workpiece which is, for example, a welding capillary, if the thermal process in question is a welding process, can be done with simple means.
  • the position of the center of gravity can be shown by imaging the welding or steam capillary at least one diode device can be detected.
  • the diode device is a position sensitive diode (PSD).
  • at least one optical wavelength-selective filter is arranged in the optical filter device in front of the / each PSD, which can be one- or two-dimensional.
  • the center of gravity of the optical emission of the steam capillary is possible with the at least one PSD. It was found that there is a clear connection between the position of the center of gravity of the optical emission of the steam capillary and the processing distance. This relation is used according to the invention to control the machining distance and thus also the focus position of the laser beam. This results in the advantage that the device according to the invention, in contrast to the first-mentioned systems with tactile sensors, is 3D-capable, in contrast to systems with sensors for detecting the time course of the intensity of the process emission, for example with photodiodes, microphones or the like.
  • the device according to the invention has an increased measuring accuracy in comparison with the known active triangulation.
  • the device according to the invention does not exactly detect the center of gravity z. B. the metal steam torch, rather it shows the common focus of keyhole, metal bath and metal steam torch.
  • FIG. 1 is a perspective view of a workpiece in sections and schematically shows a laser beam directed onto the workpiece
  • FIG. 2 shows a diagram of the spectral intensity of the keyhole and metal bath emissions as a function of the wavelength
  • Figure 3 shows a longitudinal section through a section indicated
  • FIG. 4 is a schematic representation of essential parts of the
  • Figure 5 is a schematic block diagram of an embodiment of the
  • FIG. 1 shows a workpiece 10 cut off in perspective, which is provided for processing with a laser beam 12. This processing involves, for example, the welding of two parts of the workpiece 10 which lie closely against one another.
  • the laser beam 12 generates a
  • Melting pool 14 which is essentially in the form of an elongated drop.
  • the center of gravity of the drop-shaped molten bath 14 is designated by the reference number 16.
  • the feed movement of the workpiece 10 is illustrated by the arrow 18.
  • At the wide head end 20 of the drop-shaped surface of the molten bath 14 is the radiation point 22 of the laser beam 12 and the keyhole 24 surrounding the radiation point 22, i.e. the opening of the steam capillary 26 (see, for example, FIG. 3).
  • the keyhole 24 is essentially circular and has a diameter d.
  • the center of gravity of the keyhole 24 is designated by the reference number 28.
  • the melt pool 14 is made of a liquid material.
  • the material is e.g. iron with a melting point of 1535 ° C.
  • the steam capillary 26 consists of the corresponding material in the vapor state, for example of vaporized iron, which has a boiling point of 2880 ° C.
  • the center of gravity 16 of the drop-shaped molten bath 14 is at a distance xi ⁇ from a reference point and the center of gravity 28 of the vapor capillary 26 is at a distance x 2 s.
  • the distance between the overall center of gravity XGES and the center of gravity x 28 of the opening of the steam capillary 26 is designated by x in FIG. This distance x becomes smaller the lower the received radiation intensity Ii 6 of the melting bath 14.
  • FIG. 2 exemplifies the spectral intensity distribution of a molten bath 14 and a corresponding steam capillary 26, the wavelength in nanometers (nm) being plotted on the abscissa and the spectral intensity in watts (W) being plotted on the ordinate.
  • Curve 30 illustrates the spectral intensity as a function of the wavelength of a molten bath 14 and curve 32 illustrates the dependence of the spectral intensity on the wavelength of the corresponding vapor capillary 26.
  • the following parameters are used as an example in FIG. 2:
  • FIG. 3 schematically illustrates in sections a workpiece 10 and the laser beam 12 directed at the workpiece 10, by means of which the steam capillary 26 is formed in the workpiece 10. The workpiece 10 is moved during the laser processing in the feed direction indicated by the arrow 18.
  • FIG. 3 schematically illustrates in sections a workpiece 10 and the laser beam 12 directed at the workpiece 10, by means of which the steam capillary 26 is formed in the workpiece 10. The workpiece 10 is moved during the laser processing in the feed direction indicated by the arrow 18.
  • the metal vapor torch 34 emits radiation above all when a plasma 36, ie a metal vapor plasma, is induced by the laser radiation 12.
  • the radiation from the metal steam torch 34 like the radiation from the molten bath 14 (see FIG. 1), causes a shift in the overall center of gravity of the radiation intensity in the direction of the surface normal of the workpiece 10.
  • the focus of the optical emission of the steam capillary 26 is also designated in FIG. 3 by the reference number 28 .
  • the metal vapor torch 34 has an emission center 38; the overall center of gravity 40 between the center of gravity 28 of the steam capillary 26 and the center of emission 38 of the metal steam torch 34 is designated by the reference number 40.
  • the center of gravity 28 of the steam capillary 26 is at a distance z 28 from a reference point
  • the center of emission 38 of the metal steam torch 34 is at a distance z 38
  • the total center of gravity 40 is at a distance ZGES-
  • the distance between ZGES and z 28 is denoted by z.
  • the distance z should be as small as possible.
  • a wavelength-selective optical filter is used which, for example, absorbs or reflects radiation below 550 nm in order to reduce the proportion of the received radiation intensity from the metal vapor flare 34.
  • the detection of the overall center of gravity is advantageously carried out with the aid of at least one PSD sensor which, for example, is such is connected that it outputs a voltage signal via an amplifier unit and a digital or analog data processing unit which is proportional to the position of the center of gravity of a light spot on the PSD.
  • This spot of light is the image of the interaction zone after the filter.
  • the measurement frequency of the device according to the invention is essentially determined by the amplifier and data processing unit; it can easily be in the kHz range or in an even higher frequency range.
  • the PSD only has a rise time of a few 10 nsec.
  • the aforementioned image of the interaction zone after the filter is thus generated by an optical system which determines the position of the object plane, the image plane and the lens main plane as well as the refractive power of the optical elements and the number and position of the diaphragms.
  • an optical system which determines the position of the object plane, the image plane and the lens main plane as well as the refractive power of the optical elements and the number and position of the diaphragms.
  • two variants of the optical system can be used, as are illustrated schematically below in connection with FIGS. 4 and 5.
  • Figure 4 shows schematically a telecentric structure of the optical system.
  • the plane of the detector 42 is parallel to the main plane of the lens system 44, which is oriented perpendicular to the direction of observation 46.
  • the workpiece is identified by reference number 10.
  • an aperture 48 is provided in the rear focal point, so that telecentric imaging is ensured.
  • This variant has the advantage that the transmitted intensity is independent of the position of the object point and the characteristic of the detector 42 is linearized.
  • the transmitted intensity can be set as desired by changing the opening of the aperture 48.
  • FIG. 5 schematically illustrates an embodiment of the device 50 according to the invention, which has an imaging optics 52, a filter device 54 arranged after the imaging optics 52 and a PSD sensor 56 which is arranged downstream of the filter device 54.
  • the PSD sensor 56 is used to detect the overall center of gravity, as described above.
  • the PSD sensor is aimed at the keyhole 24, which was generated by means of the laser beam 12 in the workpiece 10 which is illustrated in sections.
  • the reference numeral 26 also designates the steam capillary in FIG. 5 and the reference numeral 34 the metal steam flare.
  • the PSD sensor 56 is connected to an amplifier and data processing unit 58.
  • the amplifier and data processing unit 58 is connected to a laser system controller 60, which itself is connected to the
  • the PSD sensor 56 can be attached to a housing, not shown, on which a camera for a control monitor and / or a video recorder can additionally be arranged. This enables detection and control of the machining distance.
  • the device 50 is advantageously suitable for the selective determination of the position of areas with different emission behavior within and in the vicinity of the interaction zone of thermal processes with locally limited energy input, the position being determined as a function of the position the center of gravity of the corresponding optical emission, which is selectively detected by optical filtering.
  • the device 50 can use one or more sensors with different optical filters for process monitoring. It is also possible to use a number of sensors with different directions of observation simultaneously. Process control is possible in this way.
  • two position-sensitive diodes are used, one of which observes the wavelength range around 400 nm to approx. 900 nm and thus detects the position of the keyhole on the surface of the workpiece 10.
  • the other position sensitive diode can, for example, be combined with a filter for the wavelength range from approx. 200 nm to 400 nm to determine the position of the metal vapor flare 34, i.e. the plasma torch to watch.
  • the position signals of the said diodes can be linked in such a way that the at least one resulting signal is independent of the machining distance. This at least one signal is therefore a relative signal.
  • a third diode can be combined with an optical filter in the wavelength range from 1000 to 1800 nm, for example, in order to observe the position of the melting bath.
  • the two position-sensitive diodes described above each output a position signal.
  • the link mentioned last allows the relative distance between the two points in the interaction zone to be calculated and the absolute position to be eliminated. This has the advantage that a statement about the stability of the process can be obtained without knowing the contour of the workpiece 10.
  • the directions of observation of the sensors differ from one another in order to achieve a so-called cross-location and to detect the lateral and the axial position of the center of gravity separately.
  • the interaction location is symmetrical about the point of incidence of the laser beam 12.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur selektiven Bestimmung der Position von Bereichen mit unterschiedlichem Emissionsverhalten innerhalb und in der Umgebung der Wechselwirkungszone eines durch einen Laserstrahl (12) bewirkten thermischen Prozesses mit lokal begrenzter Energieeinbringung in ein Werkstück (10) beschrieben, wobei zur Bestimmung der Position des Schwerpunktes des jeweiligen Emissionsbereiches eine positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) vorgesehen ist, der eine optische Filtereinrichtung (54) vorgeordnet ist. Die Sensoreinrichtung (56) weist mindestens eine Diodeneinrichtung auf, die mit einer Datenverarbeitungseinheit (58) verbunden ist. Mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung ist eine Abstandskontrolle zwischen dem Ort der lokal begrenzten Energieeinbringung auf dem Werkstück (10) und dem Bearbeitungskopf und/oder eine Prozesskontrolle möglich.

Description

Vorrichtung zur Bestimmung der Position von Emissionsbereichen eines thermischen Prozesses mit lokal begrenzter Energieeinbringung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur selektiven Bestimmung der Position von Bereichen mit unterschiedlichem Emissionsverhalten innerhalb und in der Umgebung derWechseiwirkungszone eines durch einen Laserstrahl bewirkten thermischen Prozesses mit lokal begrenzter Energieeinbringung in ein Werkstück.
Bei dem durch einen Laserstrahl bewirkten thermischen Prozeß kann es sich um einen Schweißprozeß, einen Schneidprozeß oder um ein Härten eines Werkstückes mittels eines Laserstrahles handeln. Derartige durch einen Laserstrahl bewirkte thermische Prozesse und insbesondere das
Laserstrahlschweißen ist ein Verfahren, das in Fertigungsprozessen vorteilhaft zur Anwendung gelangt. Beispielsweise wird das Laserstrahlschweißen in der Automobilindustrie zum Schweißen von Dachnähten o.dgl., im Schiffbau zum Schweißen von Sandwichpaneelen o.dgl., im Behälterbau usw. angewandt. Dabei ist es erforderlich, während des Bearbeitungs- d.h. Schweißprozesses den Abstand zwischen der Werkstückoberfläche und dem Fokus des Laserstrahles korrekt einzuhalten. Abweichungen dieses Abstandes von einigen 0,1 mm können in einer verringerten Einschweißtiefe resultieren und zusätzlich durch eine entsprechende Änderung des Gesamtprozesses zu einer Verschlechterung der Produktionsqualität führen.
Zur Kontrolle der Fokuslage, d.h. des Abstandes zwischen der Werkstückoberfläche und dem Fokus des Laserstrahles sind verschiedene Sensorsysteme wie Systeme mit vorauseilenden Sensoren zur Messung der geometrischen Größe des Bearbeitungsabstandes zwischen dem Werkstück und dem Bearbeitungskopf (Düse), Systeme mit Sensoren zur Detektion der Intensität der Prozeßemission sowie Systeme mit Sensoren zur Aufnahme der Intensitätsverteilung der Prozeßemission am Bearbeitungsört bekannt.
Die zuerst erwähnten Systeme mit vorauseilenden Sensoren messen beispielsweise mit Hilfe von taktilen Sensoren durch Einsatz eines Tastfingers oder mit Hilfe optischer Sensoren auf Basis von Triangulation mit Meß- Laserstrahl oder Lichtschnitt mit beispielsweise einer oder mehreren Lichtlinien oder mit pendelndem Laserstrahl den Bearbeitungsabstand im Vorlauf. Prozeßrelevanter Parameter für das Bearbeitungsergebnis sind die Fokuslage und der Bearbeitungsabstand. Die Fokuslage beschreibt den Abstand des Fokus des Laserstrahls von der Werkstückoberfläche in Strahlrichtung. Eine direkte Messung während des Bearbeitungsprozesses ist nicht möglich. Da die Fokusposition relativ zum Bearbeitungskopf in der Regel konstant ist, wird über eine Messung des Abstandes zwischen dem Bearbeitungskopf (bzw. Düse) und der Werkstückoberfläche, d. h. über eine Messung des Bearbeitungsabstandes die Fokuslage indirekt ermittelt.
Diesen bekannten Systemen ist gemeinsam, daß sie nur im Vorlauf betrieben werden können, da am jeweiligen Bearbeitungsort zu hohe Temperaturen für den Tastfinger sowie zu hohe optische Prozeßemissionen für einen Meß- Laserstrahl vorherrschen. Daraus folgt, daß Systeme mit taktilen Sensoren und derartigen optischen Sensoren nur sehr eingeschränkt einsetzbar sind, da z. B. beim dreidimensionalen Laserstrahlschweißen ein vorlaufender Sensor bei Kurven in der Bearbeitungsbahn einen falschen Meßwert liefert.
Zu den Systemen mit Sensoren zur Detektion der Prozeßemission zählen Systeme, die den zeitlichen Verlauf der Intensität der Prozeßemission mit Sensoren aufnehmen, bei denen es sich beispielsweise um Fotodioden, Mikrofone o.dgl. handelt. Aus dem mit den besagten Sensoren erfaßten zeitlichen Verlauf wird dann ein Zusammenhang mit der Fokuslage hergestellt. Die Systeme, die die Fokuslage auf diese Weise ermitteln, weisen den Nachteil auf, daß Änderungen der Intensität bzw. Änderungen des zeitlichen Verlaufes auf diverse Prozeßparameter zurückzuführen sind, was bedeutet, daß die besagten Änderungen nicht eindeutig der jeweiligen Fokuslage zugeordnet werden können. Die zuletzt genannten Systeme werden folglich im allgemeinen nur zur Prozeßbeobachtung eingesetzt, für Regel- bzw. Stellkreise sind sie nur bedingt bzw. nicht geeignet. Eine Ausnahme hiervon macht das aus der DE 195 16 376 C2 bekannte Verfahren zur Kontrolle und Regelung der Brennfleckposition, d.h. des Fokus des Laserstrahles bei der Lasermaterialbearbeitung, wobei auf den Laserstrahl eine geringe, die Prozeßstabilität und Bearbeitungsqualität nicht beeinträchtigende Fokuslagenoszillation in axialer Richtung aufgeprägt, das laserinduzierte Plasma mittels eines Sensors, der ein entsprechendes Sensorsignal generiert, detektiert, die für die Abweichung der Fokuslage von der Fokus-Optimallage repräsentative Amplitude der aufgrund der Brennfleckoszillation resultierenden Sensorsignaloszillation und Phasenbeziehung zwischen der Frequenz der Brennfleckoszillation und der daraus resultierenden Frequenz der Sensorsignaloszillation ermittelt und die Fokuslage entsprechend der ermittelten Abweichung nachgeführt wird. Dieses bekannte System weist jedoch den Mangel auf, daß es aufgrund der störsicheren Meßmethode in Form einer Relativmessung nur auf die Fokuslage z = 0 mm regeln kann. In der Praxis werden jedoch üblicherweise andere Fokuslagen, d.h. z * 0 mm verlangt.
Bei den weiter oben erwähnten Systemen mit Sensoren zur Aufnahme der Intensitätsverteilung der Prozeßemission am Bearbeitungsort kommen CCD-, CMOS- oder Hochgeschwindigkeits-Kameras in on-axis oder off-axis Beobachtungsrichtung zur Anwendung. Diese bekannten Systeme bieten über eine digitale Bildverarbeitung die Möglichkeit, eine Vielzahl von Prozeßkenngrößen aufzunehmen und diese in einen Zusammenhang mit der jeweiligen Fokuslage zu bringen. Ein System der zuletzt genannten Art ist beispielsweise in der DE 197 16 293 A1 offenbart. Dort wird eine Vorrichtung zur Regelung von Schweißparametern beim Laserstrahlschweißen beschrieben, die eine CCD-Kamera zur Detektion der Geometrie eines beim Schweißprozeß gebildeten Schmelzbades umfaßt. Die Kamera ist an eine bilddatenverarbeitende Einheit angeschlossen. Die Regelung der Einschweißtiefe erfolgt in Abhängigkeit von der detektierten Schmelzbadlänge oder Schmelzbadfläche. Eine Regelung der Fokuslage des Laserstrahls erfolgt dort in Abhängigkeit eines geometrischen Ähnlichkeitsfaktors, der sich als Quotient der Schmelzbadfläche und dem Abstand zwischen dem geometrischen Schwerpunkt des Laserstrahl-Keyholes und dem geometrischen Schwerpunkt der Schmelzbadfläche berechnet. Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung ist auch eine Detektion und Regelung von Spalten zwischen den jeweils zu verschweißenden Werkstücken, von einem Höhenversatz zwischen den Werkstücken und/oder einem lateralen Versatz des Laserstrahles möglich. Die CCD-Kamera ist an einem Bearbeitungskopf off-axis angebracht, sie weist eine geeignete Optik auf, die den Bearbeitungsort abbildet und die ein Digital- Signal-Processing-Board (DSP-Board) aufweist. Durch leistungsfähige Bildverarbeitungs-Algorithmen können eine Vielzahl von Prozeßkenngrößen in Echtzeit abgeleitet werden. Der Zusammenhang der besagten Prozeßkenngrößen mit der jeweiligen Fokuslage ist nachgewiesen. Ein Mangel dieses zuletzt genannten Systemes besteht im relativ hohen systemtechnischen Aufwand bei gleichzeitig geringer Meßfrequenz. Die Meßfrequenz ist durch den Takt der CCD-Kamera und durch die Leistungsfähigkeit des DSP-Boards beschränkt. Die Taktfrequenz der CCD-Kamera beträgt beispielsweise 50 Hz. Der hohe systemtechnische Aufwand ist durch den Einsatz eines schnellen DSP-Boards bedingt.
Bei den weiter oben in Verbindung mit vorauseilenden Sensoren erwähnten optischen Triangulationsverfahren stellt die aktive Triangulation eine Variante dar. Dabei wird als Erzeugende für eine Lichtquelle auf einem Meßobjekt nicht ein Signallaser wie bei der Lasertriangulation verwendet, sondern die thermische Emission des Bearbeitungsortes. Dieses Verfahren wird für das Laserstrahlschweißen bislang nicht eingesetzt, da es als zu ungenau gilt:
Zum einen weist die Fläche des Schmelzbades in der Draufsicht im wesentlichen die Form eines langgestreckten Tropfens auf, wie beispielsweise in der oben erwähnten DE 197 16 293 A1 zeichnerisch verdeutlicht ist. Der Schwerpunkt der thermischen Emission liegt folglich nicht im Mittelpunkt der Laser-Werkstück-Wechselwirkungszone. Der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der thermischen Emission des Schmelzbades und dem Schwerpunkt des Laserstrahl-Keyholes ändert sich mit der Beobachtungsrichtung des Sensors. Zum zweiten befindet sich über der Dampfkapillare eine Metalldampffackel. Die optische Emission der Metalldampffackel verschiebt den Schwerpunkt der gesamten optischen Emission des Bearbeitungsortes in Richtung der Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche von dieser weg. Der gemessene Abstand der Metalldampffackel von der Werkstückoberfläche ändert sich in Abhängigkeit von der optischen Emission der Metalldampffackel.
In Kenntnis dieser Gegebenheiten liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zur Kontrolle des Bearbeitungsabstandes mit hoher Auflösung bei durch einen Laserstrahl bewirkten thermischen Prozessen mit lokal begrenzter Energieeinbringung in ein Werkstück zu schaffen, wobei die Vorrichtung auf einem zuverlässigen, d.h. betriebssicheren und robusten Meßverfahren basiert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Aus- bzw. Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Dadurch, daß erfindungsgemäß zur Bestimmung der Position des Schwerpunkts des jeweiligen Emissions-Bereiches eine positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung vorgesehen ist, der eine optische Filtereinrichtung vorgeordnet ist, ist eine zuverlässige exakte Kontrolle des jeweiligen Intensitätsschwerpunktes der optischen Emission der durch den Laserstrahl bewirkten lokal begrenzten Energieeinbringung in ein Werkstück, bei der es sich beispielsweise um eine Schweißkapillare handelt, wenn es sich bei dem besagten thermischen Prozeß um einen Schweißprozeß handelt, mit einfachen Mitteln möglich. Die Position des Intensitätsschwerpunktes kann erfindungsgemäß durch die Abbildung der Schweiß- bzw. Dampfkapillare auf mindestens eine Diodeneinrichtung detektiert werden. Erfindungsgemäß handelt es sich bei der Diodeneinrichtung um eine position sensitive diode (PSD). Vor der/jeder PSD, die ein- oder zweidimensional ausgebildet sein kann, ist erfindungsgemäß mindestens ein optisches wellenlängenselektives Filter in der optischen Filtereinrichtung angeordnet. Die Ermittlung des
Intensitätsschwerpunktes der optischen Emission der Dampfkapillare ist durch die mindestens eine PSD möglich. Es wurde gefunden, daß zwischen der Lage des Intensitätsschwerpunktes der optischen Emission der Dampfkapillare und des Bearbeitungsabstandes ein eindeutiger Zusammenhang besteht. Diese Relation wird erfindungsgemäß zur Kontrolle des Bearbeitungsabstandes und somit auch der Fokuslage des Laserstrahles genutzt. Daraus resultiert der Vorteil, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung im Gegensatz zu den zuerst erwähnten Systemen mit taktilen Sensoren 3D-fähig ist, im Gegensatz zu Systemen mit Sensoren zum Erfassen des zeitlichen Verlaufes der Intensität der Prozeßemission beispielsweise mit Fotodioden, Mikrofonen o.dgl. auf einem sehr robusten Meßverfahren beruht, und im Gegensatz zu Systemen der oben ebenfalls erwähnten Art mit Sensoren zur Aufnahme der Intensitätsverteilung der Prozeßemission am Bearbeitungsort mit Hilfe von CCD-, CMOS- oder Hochgeschwindigkeitskameras keine aufwendige Bildverarbeitungsalgorithmen benötigt und hohe Meßfrequenzen ermöglicht. Durch geeignete Wahl der wellenlängenselektiven optischen Filter ist es möglich, die optischen Emissionen des Schmelzbades und der Metalldampffackel so abzuschwächen, daß der ermittelte Intensitätsschwerpunkt hinreichend genau in der Mitte der Austrittsöffnung der Dampfkapillare liegt. Hierdurch weist die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich mit der bekannten aktiven Triangulation eine erhöhte Meßgenauigkeit auf. Die erfindungsgemäße Vorrichtung detektiert nicht exakt den Schwerpunkt z. B. der Metalldampffackel, vielmehr zeigt sie den gemeinsamen Schwerpunkt von Keyhole, Metallbad und Metalldampffackel. Durch den Einsatz optischer Filter kann jedoch ein Bereich bevorzugt und können andere Bereiche benachteiligt werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips bzw. einer schematischen Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es zeigen:
Figur 1 abschnittweise perspektivisch ein Werkstück sowie schematisch einen auf das Werkstück gerichteten Laserstrahl,
Figur 2 eine Diagrammdarstellung der spektralen Intensität der Keyhole- und Metallbademission in Abhängigkeit von der Wellenlänge,
Figur 3 einen Längsschnitt durch ein abschnittweise angedeutetes
Werkstück zur Verdeutlichung der Dampfkapillare im Werkstück und der Metalldampffackel auf dem Werkstück,
Figur 4 eine schematische Darstellung wesentlicher Teile der
Vorrichtung, die auf ein Werkstück gerichtet ist, und
Figur 5 eine schematische Blockdarstellung einer Ausbildung der
Vorrichtung sowie abschnittweise ein Werkstück und eine Laserstrahlquelle. Figur 1 zeigt perspektivisch abgeschnitten ein Werkstück 10, das zur Bearbeitung mit einem Laserstrahl 12 vorgesehen ist. Bei dieser Bearbeitung handelt es sich beispielsweise um das Verschweißen zweier eng aneinander anliegender Teile des Werkstückes 10. Der Laserstrahl 12 erzeugt ein
Schmelzbad 14, das im wesentlichen die Form eines langgestreckten Tropfens besitzt. Der Intensitätsschwerpunkt des tropfenförmigen Schmelzbades 14 ist mit der Bezugsziffer 16 bezeichnet. Die Vorschubbewegung des Werkstückes 10 ist durch den Pfeil 18 verdeutlicht. Am breiten Kopfende 20 der tropfenförmigen Oberfläche des Schmelzbades 14 befindet sich der Einstrahlpunkt 22 des Laserstrahles 12 und das den Einstrahlpunkt 22 umgebende Keyhole 24, d.h. die Öffnung der Dampfkapillare 26 (sh. beispielsweise Figur 3). Das Keyhole 24 ist im wesentlichen kreisförmig und besitzt einen Durchmesser d. Der Intensitätsschwerpunkt des Keyholes 24 ist mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet.
Das Schmelzbad 14 besteht aus flüssigem Werkstoff. Bei dem Werkstoff handelt es sich z.B. um Eisen mit einem Schmelzpunkt von 1535°C. Die Dampfkapillare 26 besteht aus dem entsprechenden Werkstoff im dampfförmigen Zustand, beispielsweise aus verdampftem Eisen, das einen Siedepunkt von 2880°C besitzt.
Auf einer x-Achse weist der Intensitätsschwerpunkt 16 des tropfenförmigen Schmelzbades 14 von einem Bezugspunkt einen Abstand xiβ und der Intensitätsschwerpunkt 28 der Dampfkapillare 26 einen Abstand x2s auf. Der Gesamt-Intensitätsschwerpunkt XQES auf der Verbindungslinie zwischen dem Intensitätsschwerpunkt 16 des Schmelzbades 14 und dem Intensitätsschwerpunkt 28 der Dampfkapillare 26 berechnet sich zu: GES = (Xl6 .ll6+ 28-l2δ) / (llθ+ δ)
mit
6 = gesamte empfangene Strahlungsintensität des Schmelzbades 14, und
l28 = gesamte empfangene Strahlungsintensität des Keyholes 24 der Dampfkapillare 26.
Der Abstand zwischen dem Gesamt-Schwerpunkt XGES und dem Intensitätsschwerpunkt x28 der Öffnung der Dampfkapillare 26 ist in Figur 1 mit x bezeichnet. Dieser Abstand x wird umso kleiner, je geringer die empfangene Strahlungsintensität Ii6 des Schmelzbades 14 ist.
Diese Betrachtung, d.h. die obigen Ausführungen berücksichtigen lediglich die räumliche Verteilung der beiden, zum Phänomen beitragenden, Lichtquellen, d.h. des Schmelzbades 14 und der Dampfkapillare 16; zur Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es jedoch erforderlich, zusätzlich die verschiedenen spektralen Intensitätsverteilungen zu berücksichtigen.
Wie bereits weiter oben ausgeführt worden ist, herrschen in den beiden Bereichen, d.h. im Schmelzbad 14 und in der Dampfkapillare 16, voneinander verschiedene Temperaturen vor. Dementsprechend ist die spektrale Intensitätsverteilung unterschiedlich. Die Gesamtintensität der Strahlung hängt von der Temperatur, der Emissivität des jeweiligen Werkstoffes und von der jeweiligen Strahlung emittierenden Fläche ab. Figur 2 verdeutlicht beispielhaft die spektrale Intensitätsverteilung eines Schmelzbades 14 und einer entsprechenden Dampfkapillare 26, wobei auf der Abszisse die Wellenlänge in Nanometer (nm) und auf der Ordinate die spektrale Intensität in Watt (W) aufgetragen ist. Die Kurve 30 verdeutlicht die spektrale Intensität in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines Schmelzbades 14 und die Kurve 32 verdeutlicht die Abhängigkeit der spektralen Intensität von der Wellenlänge der entsprechenden Dampfkapillare 26. Dabei sind der Figur 2 die folgenden Parameter beispielhaft zugrundegelegt:
Temperatur des Metalldampfes der Dampfkapillare 26 = 6000°C
Temperatur des Schmelzbades 14 = 1600°C
Fläche des Keyholes 24 = 0,28.10"6 mm2
Fläche des Schmelzbades 14 = 5.10"6 mm2
Emissionsgrad ε des Keyholes 24 = 1
Emissionsgrad e des Schmelzbades 14 = 0,67.
Figur 2 zeigt, daß das Schmelzbad 14 entsprechend der Kurve 30 unterhalb von 750 nm nahezu keine Strahlung emittiert. Die Strahlung der Dampfkapillare 26 besitzt im Bereich um 800 nm gemäß Kurve 32 ihr Strahlungsmaximum. Erfindungsgemäß wird ein wellenlängenselektives optisches Filter verwendet, das Strahlung oberhalb von 750 nm absorbiert oder reflektiert, um den Anteil der empfangenen Intensität l des Schmelzbades 14 zu verkleinern und den Abstand x (sh. Figur 1 ) entsprechend zu verringern. Figur 3 verdeutlicht schematisch abschnittweise ein Werkstück 10 sowie den auf das Werkstück 10 gerichteten Laserstrahl 12, durch den im Werkstück 10 die Dampfkapillare 26 gebildet wird. Das Werkstück 10 wird während der Laserbearbeitung in der durch den Pfeil 18 verdeutlichten Vorschubrichtung bewegt. Die Figur 3 verdeutlicht außerdem über der Dampfkapillare 26 eine Metalldampffackel 34. Die Metalldampffackel 34 emittiert vor allem Strahlung, wenn durch die Laserstrahlung 12 ein Plasma 36, d.h. ein Metalldampfplasma, induziert wird. Die Strahlung der Metalldampffackel 34 bewirkt analog zur Strahlung des Schmelzbades 14 (sh. Figur 1 ) eine Verschiebung des Gesamtschwerpunktes der Strahlungsintensität in Richtung der Oberflächennormalen des Werkstückes 10. Der Schwerpunkt der optischen Emission der Dampfkapillare 26 ist auch in Figur 3 mit der Bezugsziffer 28 bezeichnet. Die Metalldampffackel 34 weist einen Emissionsschwerpunkt 38 auf; der Gesamtschwerpunkt 40 zwischen dem Intensitätsschwerpunkt 28 der Dampfkapillare 26 und dem Emissionsschwerpunkt 38 der Metalldampffackel 34 ist mit der Bezugsziffer 40 bezeichnet. Auf einer Ordinate z besitzt der Intensitätsschwerpunkt 28 der Dampfkapillare 26 von einem Bezugspunkt den Abstand z28, der Emissionsschwerpunkt 38 der Metalldampffackel 34 den Abstand z38 und der Gesamtschwerpunkt 40 den Abstand ZGES- Der Abstand zwischen ZGES und z28 ist mit z bezeichnet. Der Abstand z sollte möglichst klein sein. Zu diesem Zwecke wird ein wellenlängenselektives optisches Filter benutzt, das z.B. Strahlung unterhalb von 550 nm absorbiert oder reflektiert, um den Anteil der empfangenen Strahlungsintensität aus der Metalldampffackel 34 zu reduzieren.
Die Detektion des Gesamtschwerpunktes wird in vorteilhafter Weise mit Hilfe wenigstens eines PSD-Sensors durchgeführt, der beispielsweise derartig beschaltet ist, daß er über eine Verstärkereinheit und eine digitale oder analoge Datenverarbeitungseinheit ein Spannungssignal ausgibt, das zur Position des Intensitätsschwerpunktes eines Lichtfleckes auf dem PSD proportional ist. Dieser Lichtfleck ist das Bild derWechseiwirkungszone nach dem Filter. Die Meßfrequenz der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im wesentlichen durch die Verstärker- und Datenverarbeitungseinheit bestimmt, sie kann problemlos im kHz-Bereich oder in einem noch höheren Frequenzbereich liegen. Die PSD besitzt nämlich nur eine Anstiegszeit von einigen 10 nsec.
Das erwähnte Bild der Wechselwirkungszone nach dem Filter wird erfindungsgemäß also durch ein optisches System erzeugt, das die Lage der Objektebene, der Bildebene und der Linsenhauptebene sowie die Brechkraft der optischen Elemente und die Anzahl und Position der Blenden festlegt. Erfindungsgemäß können zwei Varianten des optischen Systems zur Anwendung gelangen, wie sie nachfolgend in Verbindung mit den Figuren 4 und 5 schematisch verdeutlicht sind.
Figur 4 zeigt schematisch einen telezentrischen Aufbau des optischen Systemes. Hierbei ist die Ebene des Detektors 42 parallel zur Hauptebene des Linsensystemes 44, die zur Beobachtungsrichtung 46 senkrecht orientiert ist. Das Werkstück ist mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Auf der vom Werkstück 10 abgewandten Rückseite des Linsensystemes 44 ist im rückwärtigen Brennpunkt eine Blende 48 vorgesehen, so daß eine telezentrische Abbildung gewährleistet ist. Diese Variante weist den Vorteil auf, daß die transmittierte Intensität von der Lage des Objektpunktes unabhängig und die Kennlinie des Detektors 42 linearisiert ist. Außerdem kann durch Veränderung der Öffnung der Blende 48 die transmittierte Intensität wunschgemäß eingestellt werden. Anstelle des in Figur 4 schematisch angedeuteten Aufbaus ist beispielsweise auch ein Aufbau nach dem Hinge- und Scheimpflug-Prinzip möglich, wie es aus der GB 1 196 A aus dem Jahr 1904 bekannt ist. Dieses Prinzip verknüpft die Lage der optischen Ebenen wie der Gegenstandsebene und der Bildebene derart, daß über den gesamten Abbildungsbereich - im Gegensatz zum oben beschriebenen telezentrischen Aufbau - eine scharfe Abbildung ermöglicht wird. Der Vorteil dieser zuletzt genannten Variante besteht darin, daß während des thermischen Prozesses, beispielsweise während des Schweißprozesses über eine zusätzliche CCD-Kamera der Prozeß vom Anwender beobachtet und die Entfernungseinstellung des Sensors noch einfacher durchgeführt werden kann.
Figur 5 verdeutlicht schematisch eine Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 50, die eine Abbildungsoptik 52, eine der Abbildungsoptik 52 nachgeordnete Filtereinrichtung 54 und einen PSD-Sensor 56 aufweist, der der Filtereinrichtung 54 nachgeordnet ist. Der PSD-Sensor 56 dient zur Detektion des Gesamt-Intensitätsschwerpunktes, wie weiter oben beschrieben worden ist. Der PSD-Sensor ist auf das Keyhole 24 gerichtet, das mittels des Laserstrahles 12 im abschnittweise verdeutlichten Werkstück 10 erzeugt worden ist. Mit der Bezugsziffer 26 ist auch in Figur 5 die Dampfkapillare und mit der Bezugsziffer 34 die Metalldampffackel bezeichnet.
Der PSD-Sensor 56 ist an eine Verstärker- und Datenverarbeitungseinheit 58 angeschlossen. Die Verstärker- und Datenverarbeitungseinheit 58 ist mit einer Laseranlagensteuerung 60 verbunden, die selbst mit der
Strahlführungsmaschine 62 der Laserstrahlquelle für den Laserstrahl 12 verbunden ist. Der PSD-Sensor 56 kann an einem nicht gezeichneten Gehäuse angebracht sein, an dem zusätzlich eine Kamera für einen Kontrollmonitor und/oder ein Videorecorder angeordnet sein kann. Hierdurch ist eine Detektion und eine Kontrolle des Bearbeitungsabstandes möglich.
Wie sich aus dem Obigen ergibt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 50 also vorteilhaft zur selektiven Bestimmung der Position von Bereichen mit unterschiedlichem Emissionsverhalten innerhalb und in der Umgebung der Wechselwirkungszone von thermischen Prozessen mit lokal begrenzter Energieeinbringung, wobei die Bestimmung der Position in Abhängigkeit von der Position des Schwerpunktes der entsprechenden optischen Emission erfolgt, die durch eine optische Filterung selektiv erfaßt wird. Die Vorrichtung 50 kann zur Prozeßüberwachung einen Sensor oder mehrere Sensoren mit verschiedenen optischen Filtern verwenden. Desgleichen ist es möglich, eine Anzahl Sensoren mit verschiedenen Beobachtungsrichtungen gleichzeitig einzusetzen. Auf diese Weise ist eine Prozeßkontrolle möglich. Dabei werden beispielsweise zwei positionsempfindliche Dioden benutzt, von welchen die eine den Wellenlängenbereich um 400 nm bis ca. 900 nm beobachtet und somit die Position der Keyhole an der Oberfläche des Werkstückes 10 detektiert. Die andere positionsempfindliche Diode kann beispielsweise mit einem Filter für den Wellenlängenbereich von ca. 200 nm bis 400 nm kombiniert sein, um die Position der Metalldampffackel 34, d.h. der Plasmafackel, zu beobachten.
Die Positionssignale der besagten Dioden können derartig verknüpft werden, daß das mindestens eine resultierende Signal vom Bearbeitungsabstand unabhängig ist. Bei diesem mindestens einen Signal handelt es sich folglich um ein relatives Signal. Eine dritte Diode kann mit einem optischen Filter im Wellenlägenbereich von beispielsweise 1000 bis 1800 nm kombiniert sein, um die Position des Schmelzbades zu beobachten.
Die oben beschriebenen beiden positionsempfindlichen Dioden geben je ein Positionssignal aus. Durch die zuletzt erwähnte Verknüpfung kann der relative Abstand zwischen den beiden Punkten in der Wechseiwirkungszone berechnet und die absolute Position eliminiert werden. Daraus resultiert der Vorteil, daß eine Aussage über die Stabilität des Prozesses ohne Kenntnis der Kontur des Werkstückes 10 erzielt werden kann.
Zweckmäßig kann es sein, wenn die Beobachtungsrichtungen der Sensoren voneinander verschieden ist, um eine sogenannte Kreuzortung zu erzielen und die laterale und die axiale Lage des Intensitätsschwerpunktes getrennt zu erfassen. Nach allgemeiner Vorstellung liegt der Wechselwirkungsort symmetrisch um den Einstrahlpunkt des Laserstrahles 12. Tatsächlich gibt es jedoch beispielsweise beim Laserstrahlschweißen einer Stumpfnaht eine Verzerrung der Dampfkapillare 26 in die zur Schweißrichtung entgegengesetzte Richtung, beim Laserstrahischweißen einer Kehlnaht eine Verzerrung der Dampfkapillare 26 senkrecht zur Vorschubrichtung und beim
Laserstrahlschweißen eines sogenannten verdeckten T-Stoßes eine Verzerrung der Dampfkapillare 26 in den Randbereichen des Stegbleches und gegebenenfalls eine nach unten geöffnete Dampfkapillare 26. Beim Laserstrahlhärten ist ein Nachfolgen der Glühzone im rückwärtigen Drittel des eigentlichen Brennflecks möglich.
Durch geeignete Wahl der Beobachtungsrichtung und/oder durch den Einsatz einer geeigneten Blende ist eine Abschattung von Störsignalen möglich. Beim Einsatz von Zusatzwerkstoffen wie beispielsweise eines Drahtes kann die Position des Sensors relativ zum besagten Draht eine wichtige Rolle spielen.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung zur selektiven Bestimmung der Position von Bereichen mit unterschiedlichem Emissionsverhalten innerhalb und in der Umgebung der Wechselwirkungszone eines durch einen Laserstrahl (12) bewirkten thermischen Prozesses mit lokal begrenzter Energieeinbringung in ein
Werkstück (10), dadurch gekennzeichnet, daß zur Bestimmung der Position des Schwerpunktes des jeweiligen
Emissionsbereiches eine positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung vorgesehen ist, der eine optische Filtereinrichtung (54) vorgeordnet ist, wobei die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung mindestens eine Diodeneinrichtung (56) aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Diodeneinrichtung (56) eindimensional oder zweidimensional ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Diodeneinrichtung (56) zur Bestimmung der axialen und/oder zur Bestimmung der lateralen Position des jeweiligen Emissionsbereiches vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die/jede Diodeneinrichtung (56) mit einer Datenverarbeitungseinheit (58) verbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit (58) zur analogen und/oder zur digitalen Datenverarbeitung vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System zur Linearisierung der Kennlinie der Diodeneinrichtung (56) vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) und die der Sensoreinrichtung (56) vorgeordnete Filtereinrichtung (54) zur Bestimmung der Position des Schwerpunktes der optischen Emission der durch den Laserstrahl (12) im Werkstück (10) erzeugten Dampfkapillare (26) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (54) ein Filter für einen an den Emissions-
Frequenzbereich der Dampfkapillare (26) angepaßten Frequenzbereich aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) und die vorgeordnete Filtereinrichtung (54) zur Bestimmung der Position des Schwerpunktes der optischen Emission insbesondere der durch den Laserstrahl (12) auf dem Werkstück (10) erzeugten Dampffackel (34) vorgesehen ist.
10.Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (54) ein Filter für einen an den Emissions- Frequenzbereich der Metalldampffackel (34) angepaßten Frequenzbereich aufweist.
11.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sendoreinrichtung (56) und die der
Sensoreinrichtung (56) vorgeordnete Filtereinrichtung (54) zur Bestimmung der Position des Schwerpunktes der optischen Emission des durch den Laserstrahl (12) im Werkstück (10) erzeugten Schmelzbades vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtereinrichtung (54) ein Filter für einen an den Emissions- Frequenzbereich des Schmelzbades angepaßten Frequenzbereich aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenlängenselektive Filtereinrichtung (54) zur Absorption und/oder zur Reflexion des jeweiligen Wellenlängenbereiches des Bearbeitungslasers vorgesehen ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wellenlängeselektive Filtereinrichtung (54) derartig ausgebildet ist, daß die Intensitätsverteilung des resultierenden Bildes ihren Schwerpunkt an der Öffnung der Dampfkapillare (26) besitzt.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) in mindestens eine Beobachtungsrichtung ausgerichtet ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche Sensoreinrichtung (56) in voneinander verschiedene optische Beobachtungsrichtungen ausgerichtet ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Beobachtungsrichtung der optischen
Sensoreinrichtung (56) und der Poynting'sche Vektor des Laserstrahles (12) voneinander verschieden sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) und die dieser nachgeordnete optische Filtereinrichtung (54) telezentrisch vorgesehen sind.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die positionsempfindliche optische Sensoreinrichtung (56) und die dieser nachgeordnete optische Filtereinrichtung (54) dem Scheimpflug- und/oderdem Hinge-Prinzip entsprechend vorgesehen sind.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Sensoreinrichtung (56) mit einem Stell- oder Regelkreis verbunden ist, wobei ihr jeweiliges resultierendes Signal eine Führungsgröße für den Stell- oder Regelkreis bildet.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Stell- oder Regelkreis einen den Bearbeitungsabstand des Laserstrahles (12) vom Werkstück (10) einstellenden Aktor (62) aufweist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Stell- oder Regelkreis einen Aktor (62) aufweist , der zur Änderung der Bildweite eine adaptive Optikeinrichtung aufweist.
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