EP3860796A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines bearbeitungsprozesses eines werkstücks mittels eines laserstrahls - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur überwachung eines bearbeitungsprozesses eines werkstücks mittels eines laserstrahls

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Publication number
EP3860796A1
EP3860796A1 EP19773010.4A EP19773010A EP3860796A1 EP 3860796 A1 EP3860796 A1 EP 3860796A1 EP 19773010 A EP19773010 A EP 19773010A EP 3860796 A1 EP3860796 A1 EP 3860796A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
machining
tcp
dynamic
laser
workpiece
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP19773010.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Sauer
Matthias STREBEL
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.)
Precitec GmbH and Co KG
Original Assignee
Precitec GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Precitec GmbH and Co KG filed Critical Precitec GmbH and Co KG
Publication of EP3860796A1 publication Critical patent/EP3860796A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • 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
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/22—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring depth

Definitions

  • the present invention relates to a method for monitoring a machining process of a workpiece by means of a high-energy machining beam, in particular a laser beam, and a corresponding device and a machining system with the device.
  • a known example of such a machining process is a laser welding or laser deep welding process, in which a laser beam is moved over a workpiece surface.
  • a measuring light beam for example an optical coherence tomograph, can be directed onto the surface of the workpiece.
  • the light reflected from the workpiece surface can be detected by a sensor so that the quality of the welding result can be continuously monitored.
  • a surface profile of the workpiece or a depth of a steam capillary which is also referred to as a “keyhole” and is surrounded by liquid melt, can be represented in this way.
  • Their depth is related to the weld seam or weld depth and can therefore be used to control the machining process.
  • An optical method that can be used for this measurement is, for example, optical coherence tomography (OCT). It enables height differences along the measuring beam axis to be recorded in the micrometer range.
  • OCT optical coherence tomography
  • measuring light is generated and divided into a measuring beam and a reference beam. The superimposition of the light of the measuring beam reflected on the surface of the workpiece with the reference beam is detected in order to obtain the desired height information.
  • OCT optical coherence tomography
  • this processing position is the position of the steam capillary. If the machining beam is static relative to the workpiece, ie there is no movement of the machining beam relative to the workpiece, the machining position is concentrated to the point of impact of the machining beam on the workpiece surface or to the position at which the highest power density of the machining beam is achieved. This position can also be referred to as a "tool center point", TCP.
  • the optimum working point for process monitoring may not be identical to this static machining position or to the static TCP.
  • the optimum working point for the process observation can be referred to as the dynamic processing position or dynamic TCP and can be arranged after the impact point, ie an offset occurs along the path of the processing beam.
  • the steam capillary forms with a slight delay and therefore in a position that is shifted into the wake of the point of impact.
  • the dynamic processing position e.g. the position of a steam capillary relative to the static machining position can depend on the laser power, the material of the workpiece, the direction and the amount of a speed vector of a feed movement between the workpiece and the machining beam.
  • the speed vector, laser power or other parameters can change during the machining process.
  • it is essential to determine a current dynamic machining position in order to be able to determine an optimal observation point for the process observation. This is the only way to align an optical measuring light beam to this optimal observation position, for example in order to be able to determine the correct depth of the steam capillary using OCT.
  • One way of determining this offset is to determine the dynamic machining position during the machining process with the affected machining system, on which the desired process parameters, such as feed direction, feed speed and power of the machining beam, are set.
  • the workpiece machined in this process often has to be discarded as scrap.
  • it is generally assumed in the previously known approaches for determining the dynamic machining position that this does not change during a machining process or only changes periodically and in a known manner. Changes
  • the measuring process must be carried out again.
  • a device for monitoring a laser machining process on a workpiece comprises a computing unit and an observation unit, which is set up to determine at least one monitoring parameter of the laser machining process at a measurement position.
  • a monitoring parameter can include parameters that are suitable for monitoring the respective machining process, for example a depth of a steam capillary in a laser welding process.
  • the computing unit is set up to determine a current processing position, in particular a current dynamic processing position, relative to a point of incidence of the laser beam.
  • the current machining position can correspond to a position of a steam capillary.
  • a dynamic machining position can denote a machining position whose position can be changed relative to the point of impact or whose offset with respect to the point of impact, e.g. depending on the current process parameters.
  • the computing unit uses a process parameter set of the laser machining process and a model that is based on at least one predefined comparison parameter set and an associated comparison machining position.
  • the computing unit and the observation unit can be formed as separate units or can be integrated in one unit.
  • the computing unit can be integrated in the observation unit.
  • the observation unit can be a Include measuring device with optical coherence tomograph, which also includes the computing unit.
  • the process parameter set can comprise at least one process parameter which influences the processing position and whose value is different from that of a corresponding comparison parameter of the comparison parameter set. In other words, there are no previously determined measurement results for the process parameter set.
  • the process parameter set and / or the comparison parameter set can comprise at least one parameter of: a speed vector of a feed movement of the laser beam relative to the workpiece, an amount of a feed speed, a direction of a feed movement, an output of the laser beam, and one or more material parameters of the workpiece.
  • Several sets of comparison parameters can be specified, which differ at least in one parameter.
  • the monitoring parameter can include a depth of a steam capillary, a distance to the workpiece or a topography at the dynamic processing position, a temperature and / or a wavelength of light reflected at the dynamic processing position.
  • the observation unit can comprise an optical coherence tomograph and can be set up to direct an optical measurement light beam onto the dynamic processing position.
  • the observation unit can also be a deflection unit, e.g. a scanner unit or the like, which is set up to direct the optical measuring light beam to a desired position, i.e. to the current machining position.
  • the at least one predetermined comparison processing position can include at least one static processing position with a feed rate of the laser beam relative to the workpiece equal to zero and at least one dynamic processing position with a feed rate greater than zero.
  • the at least one predetermined comparison processing position can comprise two dynamic processing positions with equal and opposite speed vectors of a feed movement and / or two dynamic processing positions with mutually perpendicular speed vectors of a feed movement.
  • the device can further comprise at least one sensor that is set up to determine at least one current process parameter of the process parameter set of the machining process.
  • the device can include an interface through which the sensor is connected to the computing unit for transferring the determined current process parameter of the machining process to the computing unit.
  • a laser processing system comprises a laser processing head, which is configured to direct a laser beam onto a workpiece, and a device according to one of the preceding examples.
  • the laser processing system can include an interface through which the laser processing system is connected to the computing unit for transferring at least one current process parameter of the processing process to the computing unit.
  • the laser processing system can include a control device that is set up to specify at least one current process parameter for the Processing process and to control the laser processing system based on this current process parameter.
  • the laser processing system can also include an interface through which the control device is connected to the computing unit for transferring the current process parameter to the computing unit.
  • the laser processing system can comprise a human-machine interface, a device for inputting and / or selecting at least one process parameter of the processing process and for transferring the same to the computing unit.
  • a method for monitoring a laser machining process on a workpiece comprises the steps: determining a current machining position, in particular a current dynamic machining position, relative to a point of incidence of the laser beam for a process parameter set of the laser machining process by means of a model based on at least one predefined comparison parameter set and an associated comparison processing position, and determining at least one monitoring parameter of the laser processing process at the dynamic processing position.
  • the associated comparison processing position can be determined for each predetermined comparison parameter set in a setup process.
  • the setup process several comparison processing positions can be determined, the at least one static processing position relative to a feed rate of the laser beam to the workpiece is zero and include at least one dynamic machining position with a feed rate greater than zero.
  • a corresponding feed rate can be constant during the determination of the dynamic machining position.
  • the static machining position can be determined from two dynamic machining positions with equal and opposite speed vectors of the feed movements.
  • the machining process can be preceded by an setup process in which at least one comparison machining position is determined relative to a point of impact of the machining beam.
  • the at least one comparison processing position can, however, also be predetermined or, for example, stored.
  • This comparison processing position can be assigned a comparison parameter set that contains a number of process parameters, such as laser power of the processing beam, direction and speed of the relative movement between the processing beam and the workpiece.
  • the respective comparison processing positions can thus be determined as a function of the comparison parameter sets.
  • further processing positions can be calculated for specific process parameter sets of a subsequent processing process, and also for those process parameter sets for which no measurements are available.
  • the measuring position of the measuring light beam can then be aligned with a calculated machining position during the machining process.
  • the invention is based on the assumption that a specific machining position can basically be represented as a function of the process parameters.
  • the size of the dynamic offset of a keyhole relative to the instantaneous point of impact of the machining beam depends on the relative speed between the workpiece and the machining beam, the power of the machining beam and, if appropriate, other parameters.
  • This function i.e. the relationship between the process parameters and the resulting machining positions, can be represented in a mathematical model that can be used to calculate the machining positions. With the help of such a model, a large number of machining positions can thus be generated from a comparatively small number of measurement or comparison data. If the process parameters change, the dynamic processing positions do not necessarily have to be measured again, as is conventionally the case. Rather, these machining positions can be calculated for a machining process with changed parameters.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a workpiece (top) for illustrating a steam capillary and a measuring light beam during laser welding according to embodiments of the present disclosure
  • FIGS. 2A to 2C are schematic representations for explaining a set-up process according to a preferred embodiment of the method according to the invention.
  • FIG. 3 is a schematic representation for explaining a determination of a current processing position according to a preferred embodiment of the method according to the invention;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a device according to a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 5 is a schematic illustration of a laser processing system in accordance with a preferred embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic sectional view of a workpiece for illustrating a steam capillary and a measurement light beam during laser welding in accordance with embodiments of the present disclosure.
  • a steam capillary KH which is also called a keyhole, is formed during the welding process during a welding process along the beam axis of the laser beam 1 and is surrounded by liquid melt 2.
  • the depth Td of the Steam capillary is related to the weld seam or weld depth Te and can therefore represent a monitoring parameter for monitoring the machining process.
  • the solidified melt 4 is located behind the liquid melt 2.
  • a measuring light beam 3 of an optical coherence tomograph can be directed into the steam capillary KH parallel to or coaxially with the laser beam 1.
  • the incident light hits the bottom or the end of the steam capillary KH, is partially reflected there and returns to the optical coherence tomograph, with the help of which the depth Td of the steam capillary KH can be measured with high precision.
  • the machining process is a laser welding process by means of a laser beam 1 on the workpiece.
  • the beam axis is perpendicular to the drawing plane, while the drawing plane itself coincides with the plane of the workpiece surface WB.
  • the spatial directions X and Y shown thus extend perpendicular to one another on the surface of the workpiece, while the beam axis of the laser beam runs perpendicularly thereto.
  • a steam capillary KH is generated in the workpiece surface WB by the laser beam and is surrounded by a melt.
  • the steam capillary is also referred to as a “keyhole” and extends into the workpiece from the surface of the workpiece to a certain depth Td.
  • the depth of the steam capillary generated is of crucial importance for the result of the laser welding process. For this reason, the depth of the steam capillary during the machining process can be determined as a monitoring parameter by an observation unit 17 for monitoring the machining process.
  • the observation unit 17 can, for example, comprise an optical coherence tomograph and be set up to direct a measurement light beam 3 to a measurement position on the surface of the workpiece.
  • the light of the measurement light beam which is reflected by the surface of the workpiece, can be observed by the observation unit 17 to capture. A distance from the surface of the workpiece at the measuring position can in turn be determined from this.
  • the position at which the steam capillary KH is formed according to the present embodiment is that position of the workpiece surface at which the desired modification of the workpiece is currently taking place due to the absorption of the power of the laser beam. This position is referred to below as the processing position TCP.
  • An optimal measuring position for determining the depth of the steam capillary is therefore the current processing position.
  • FIG. 2A illustrates a situation in which the laser beam 1 is not moved relative to the surface of the workpiece WB, that is to say the laser beam stands statically on the workpiece surface and falls on the workpiece surface at an impact point AP.
  • This point of impact AP can be regarded as the origin of a coordinate system at which the axes of the spatial directions X and Y intersect. Due to the static position of the laser beam relative to the surface of the workpiece, the point of impact AP coincides with the machining position TCP, that is, the static machining position TCPs. The vapor capillary is thus also formed at this point.
  • Fig. 2B a situation is shown in which the fiber beam and the surface of the workpiece move relative to each other at a feed speed with speed vector vi. Because of this movement, the processing position TCP no longer coincides with the instantaneous point of impact AP of the fiber beam, but rather lies in the wake of the point of impact AP. In this case, the processing position is referred to as the dynamic processing position TCPi. This creates an offset between the point of impact AP and the processing position TCPi. This is because the vapor capillary formed during fiber welding can form in the workpiece surface with a slight delay, while the point of impact AP of the fiber beam has already moved further over the workpiece surface.
  • the measuring position of the observation unit matches the current machining position TCP as exactly as possible.
  • the offset between the point of impact AP of the fiber beam and the processing position TCP, or the current dynamic processing position TCPi relative to the point of impact AP must therefore be determined as precisely as possible.
  • the measuring position of the observation unit is aligned with a current machining position that has been calculated beforehand and from the process parameters of the machining process, such as, for example, the amount and direction of a speed vector of the feed movement of the laser beam relative to the workpiece, the laser power and, if appropriate, further process parameters, is dependent.
  • the current processing position TCP can be predicted based on the current process parameters and the measuring position of the observation unit can be adjusted accordingly.
  • a set-up process can be carried out before the machining process, which is in particular a test machining of a workpiece.
  • at least one comparison processing position is determined relative to an impact point AP of the laser beam as a function of the comparison parameters used.
  • an associated comparison processing position TCP n is determined.
  • a comparison parameter set can in particular comprise a speed vector, which indicates the amount and direction of a feed movement of the laser beam relative to the workpiece, and a power P of the laser beam.
  • the comparison parameter set can also contain further process parameters, such as a material or material parameters of the workpiece.
  • a static processing position TCP S is first measured for a laser power Po without a relative movement between the workpiece and the laser beam, as shown in FIG. 2A. Then at least one dynamic processing position TCP di for a laser power Po and a feed rate vi greater than zero is measured (FIG. 2B).
  • the feed speed vi is described in the direction and amount by a speed vector v 1 .
  • This vector v x is preferably kept constant during the determination of the machining position TCP di .
  • the static processing position TCP S and the dynamic processing position TCP di can each be represented as a function of their process parameter sets PPSs and PPS di .
  • a model (or regularities) can be derived that allows calculation and thus forecast of dynamic processing positions TCPi for process parameters for which no measurements are available, i.e. which do not correspond directly to a set of comparison parameters.
  • the model and the process parameters of the machining process the corresponding current machining position TCPi can be determined.
  • two dynamic machining positions TCP di and TCP_ di can also be used, whose parameter sets PPS di and PPS- di have feed speed vectors with identical amounts, but which are directed in opposite directions, ie their directions rotated by 180 ° in relation to one another are.
  • a static machining position TCP S can be determined more precisely from two dynamic machining positions TCP di , -TCP di with two opposite speed vectors v x and v 2 , for example as a spatial mean value from the dynamic machining positions TCP di , -TCP di .
  • the comparison processing positions TCP n determined in the set-up process can comprise two dynamic processing positions TCP di , TCP d2 , the feed speed vectors v x and v 2 of which are perpendicular to one another, where both speed vectors can have a component perpendicular to the axis of the laser beam.
  • a second dynamic processing position TCP d2 for a second process parameter set PPS d2 can be measured with the laser power Po and a second feed speed V2 with the speed vector v 2 .
  • the speed vectors v 1 and v 2 are preferably perpendicular to one another and perpendicular to the axis of the machining beam.
  • this procedure can be repeated for other PPS n with different laser powers P n and / or different speed vectors v n .
  • Fig. 2B shows a situation in which a speed vector » j of the advance movement of the laser beam relative to the workpiece is directed to the right along the horizontal X-axis and the corresponding dynamic machining position TCP di along the X-axis compared to the current impact position AP
  • 2C shows another situation in which the speed vector v 2 is directed downwards along the Y-axis, ie perpendicular to the vector v x from FIG. 2B, and the corresponding dynamic processing position TCP d 2 is shifted upwards along the Y axis with respect to the current impact position AP.
  • the relationships between the comparison processing positions TCP n and the respective comparison parameter sets PPS n can be used to create a model that predicts the prediction or the calculation of a current dynamic TCPi for any process parameters, such as different speed vectors or laser powers.
  • this model can calculate the current dynamic machining position TCPi as a function of a current process parameter set PPSi of the machining process without a dynamic TCP for this process parameter set PPS having to be measured beforehand, for example by interpolation or using models of machine learning, whereby the TCPi are calculated in a neural network.
  • a current dynamic machining position on the TCPi calculated by the computing unit for a speed vector v 3 of the feed movement of the laser beam relative to the workpiece is shown, which has been calculated based on the determined machining positions TCP n and the process parameter sets PPS n associated with them, for example basie rend on the comparison processing positions TCP di , TCP d 2, and / or TCP S.
  • this calculated machining position TCPi can be used to align the measuring position of the observation unit 17 with it.
  • the observation unit 17 can comprise an optical coherence tomograph in order to determine a current depth of the steam capillary or the keyhole KH by means of optical coherence tomography (OCT, Optical Coherence Tomography).
  • OCT optical coherence tomography
  • the measuring light beam 3 To the To be able to determine the keyhole depth correctly, the measuring light beam 3 must strike the current processing position TCPi and thus in the steam capillary KH. For this, the current processing position TCPi must be known in order to be able to align the measuring position, ie the position of the measuring light beam, accordingly.
  • the current feed velocity vector can be used by the model to predict the new dynamic machining position TCPi.
  • a current dynamic processing position TCPi for a current process parameter set PPSi of the processing process carried out is calculated can.
  • a corresponding dynamic processing position TCPi can be predicted based on the current feed movement between the laser beam and workpiece and the laser power present.
  • the device can correct the measurement position or the position of the measurement light beam in real time in order to measure the correct keyhole depth.
  • the device comprises a computing unit 16 which calculates and applies a current machining position TCPi relative to an impact point AP of the laser beam 1 for a process parameter set PPSi of the laser machining process on the basis of the model the observation unit 17 transmits as the measurement position, and an observation unit 17 for determining at least one monitoring parameter, for example a distance, at the measurement position.
  • the computing unit 16 and the observation unit 17 can be coupled wirelessly or wired for mutual data exchange.
  • the computing unit 16 can be set up to be connected directly to the respective machine or the respective processing system.
  • the computing unit 16 and the observation unit 17 can be embodied together as one unit, or the computing unit 16 can be embodied integrated in the observation unit 17.
  • the computing unit 16 is set up to calculate current processing positions TCPi on the basis of the process parameter sets PPSi, which in turn are output to the observation device 17.
  • the calculated processing positions TCPi are used to align a measuring position, for example a measuring light beam, of the observation unit 17 with a calculated processing position TCPi. In the case of a laser welding system, this can correspond to the position of a generated steam capillary that is formed in the workpiece surface during the machining process.
  • the arithmetic unit 16 calculates these current machining positions TCPi using the model on the basis of the respective process parameter sets PPSi of the machining process as well as predetermined comparison machining positions TCP n and these associated comparison parameter sets PPS n .
  • the model can represent a dependency or a connection between the respective machining positions TCPi and the machining parameter sets PPSi. This model can be stored in the computing unit 16 and can be used to calculate the current machining positions TCPi.
  • FIG. 5 shows a laser processing system 10, which comprises a laser processing head 12 and the device 15.
  • the laser processing system 10 can comprise a PLC control device 14, which is set up to output current process parameter sets PPSi to the laser processing head 12 and in this way to control the processing process, in particular the amount and the direction of a relative advance movement between the laser beam and the workpiece, the power of the laser beam and the like.
  • These process parameter sets PPSi can also be output by the PLC control device 14 to the computing unit 16 via a corresponding interface.
  • the computing unit 16 can receive the process parameter sets PPSi directly from the laser processing head 12.
  • the predicted current processing position TCPi can thus be controlled directly in the process in order to increase the process quality.
  • the computing unit 16 can be connected to a human-machine interface 20, which is provided for the input and / or selection of process parameter sets PPSi of the machining process.
  • this human-machine interface 20 can comprise a graphical user interface. It goes without saying that other types of input interfaces can also be provided.
  • the computing unit 16 preferably calculates a current processing position TCPi taking into account the current process setting, ie based on a current process parameter set PPSi.
  • the computing unit 16 can be set up to calculate a current processing position TCPi based on a predetermined process parameter set for a previously defined subprocess. This enables the current processing position TCPi to be calculated if no current process parameter sets are available. For example, different process parameter sets can be selected for different sub-processes of the machining process.
  • the laser processing head 12 and / or the device 15 can be equipped with sensors 18 which, for example, make it possible to measure a current feed rate between the laser beam and the workpiece and their direction and / or further parameters, such as the current laser power, for example Temperature, etc.
  • sensors 18 may include encoders that are attached to axes of the laser machining head 12. The measured values can be transmitted to the arithmetic unit 16 as current parameters for the process parameter sets of the machining process. The forecast of the current machining positions TCPi can therefore also be carried out on the basis of the process parameter sets PPSi transferred by the sensors 18.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, umfassend: eine Recheneinheit (16), die eingerichtet ist, eine dynamisehe Bearbeitungsposition (TCPi) relativ zu einem Auftreffpunkt (AP) des Laserstrahls (1) für einen Prozessparametersatz (PPS) des Laserbearbeitungsprozesses mittels eines Modells zu bestimmen, das auf mindestens einem vorgegebenen Vergleichsparametersatz und einer dazugehörigen Vergleichsbearbeitungsposition beruht, und eine Beobachtungseinheit (17), die eingerichtet ist, an der dynamischen Bearbeitungsposition (TCPi) mindestens einen Überwachungsparameter des Laserbearbeitungsprozesses zu bestimmen.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Bearbeitungsprozesses eines
Werkstücks mittels eines Laserstrahls
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Bearbeitungspro- zesses eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, sowie eine entsprechende Vorrichtung und ein Bearbeitungssystem mit der Vorrichtung.
Ein bekanntes Beispiel für einen derartigen Bearbeitungsprozess ist ein Laserschweiß- oder Lasertiefschweißprozess, bei welchem ein Laserstrahl über eine Werkstückoberfläche be- wegt wird. Zur Kontrolle des Bearbeitungsprozesses kann ein Messlichtstrahl, beispielswei- se eines optischen Kohärenztomographen, auf die Oberfläche des Werkstücks gerichtet werden. Das von der Werkstückoberfläche reflektierte Licht kann durch einen Sensor erfasst werden, so dass die Qualität des Schweißergebnisses kontinuierlich kontrolliert werden kann.
Insbesondere kann auf diese Weise ein Oberflächenprofil des Werkstücks oder eine Tiefe einer Dampfkapillare darstellt, die auch als„Keyhole“ bezeichnet wird und von flüssiger Schmelze umgeben ist. Ihre Tiefe steht im Zusammenhang mit der Schweißnaht- oder Ein schweißtiefe und kann somit zur Kontrolle des Bearbeitungsprozesses herangezogen wer den. Ein für diese Messung verwendbares optisches Verfahren stellt beispielsweise die opti sche Kohärenztomografie (OCT) dar. Sie ermöglicht es, Höhenunterschiede entlang der Messstrahlachse im Mikrometerbereich zu erfassen. Hierzu wird Messlicht erzeugt und in einen Messstrahl und einen Referenzstrahl aufgeteilt. Die Überlagerung des an der Oberflä che des Werkstücks reflektierten Lichts des Messstrahls mit dem Referenzstrahl wird detek- tiert, um die gewünschte Höheninformation zu erhalten. Beispielhaft wird ein derartiges Verfahren in DE 10 2015 012 565 B3 beschrieben.
Zur korrekten Messung des Bearbeitungsergebnisses ist es wesentlich, die Messposition, an welcher der Messlichtstrahl auf die Werkstückoberfläche trifft, geeignet zu wählen und bei spielsweise auf eine Stelle der Werkstückoberfläche auszurichten, an welcher momentan die gewünschte Modifikation des Werkstücks aufgrund der Absorption der Leistung des Bear beitungsstrahls, d.h. die momentane Bearbeitung stattfindet. Beim Laserschweißen ist diese Bearbeitungsposition die Position der Dampfkapillare. Ist der Bearbeitungsstrahl relativ zum Werkstück statisch, d.h. es findet keine Bewegung des Bearbeitungsstrahls relativ zum Werkstück statt, liegt die Bearbeitungsposition konzent risch zum Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls auf der Werkstückoberfläche bzw. zu der Position, an der die höchste Leistungsdichte des Bearbeitungsstrahls erreicht wird. Diese Position kann auch als„tool center point“, TCP bezeichnet werden. Werden Bearbeitungs- Strahl und Werkstück jedoch relativ zueinander bewegt, ist der für die Prozessbeobachtung optimale Arbeitspunkt möglicherweise nicht identisch zu dieser statischen Bearbeitungspo- sition bzw. zum statischen TCP. Der für die Prozessbeobachtung optimale Arbeitspunkt kann als dynamische Bearbeitungsposition bzw. dynamischer TCP bezeichnet werden und kann im Nachlauf des Auftreffpunkts angeordnet sein, d.h. es tritt ein Versatz entlang der Bahn des Bearbeitungsstrahls auf. Beispielsweise bildet sich beim Laserschweißverfahren die Dampfkapillare mit einer geringen Verzögerung und daher in einer Position, die in den Nachlauf des Auftreffpunkts verschoben ist.
Die dynamische Bearbeitungsposition, z.B. die Position einer Dampfkapillare, relativ zur statischen Bearbeitungsposition kann von der Laserleistung, dem Material des Werkstücks, der Richtung und dem Betrag eines Geschwindigkeitsvektors einer Vorschubbewegung zwischen Werkstück und Bearbeitungsstrahl abhängen. Der Geschwindigkeitsvektor, die Laserleistung oder sonstige Parameter können sich allerdings während des Bearbeitungs- prozesses ändern. Für die korrekte Überwachung des Bearbeitungsprozesses ist es wesent lich, eine aktuelle dynamische Bearbeitungsposition zu bestimmen, um einen optimalen Beobachtungspunkt für die Prozessbeobachtung bestimmen zu können. Nur so kann ein optischer Messlichtstrahl auf diese optimale Beobachtungsposition ausgerichtet werden, um beispielsweise mittels OCT eine korrekte Tiefe der Dampfkapillare bestimmen zu können.
Eine Möglichkeit zur Bestimmung dieses Versatzes liegt in einer Bestimmung der dynami schen Bearbeitungsposition während des Bearbeitungsprozesses mit dem betroffenen Bear beitungssystem, auf dem die gewünschten Prozessparameter, wie etwa Vorschubrichtung, Vorschubgeschwindigkeit und Leistung des Bearbeitungsstrahls, eingestellt sind. Das in diesem Vorgang bearbeitete Werkstück muss allerdings häufig als Ausschuss verworfen werden. Insbesondere wird allgemein bei den bisher bekannten Ansätzen zur Bestimmung der dynamischen Bearbeitungsposition davon ausgegangen, dass diese sich während eines Bearbeitungsprozesses nicht oder nur periodisch und in bekannter Weise ändert. Ändert sich zudem ein Prozessparameter, der Einfluss auf die dynamische Bearbeitungsposition hat, muss der Messvorgang neu durchgeführt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Bearbeitungsprozesses anzugeben, die eine korrekte Ermittlung einer aktuellen Bearbeitungsposition und infolgedessen eine korrekte Ausrichtung Messpo- sition auf einfache und schnelle Weise ermöglichen. Insbesondere soll eine Bestimmung dynamischer Bearbeitungspositionen auch für Prozessparameter möglich sein, für welche keine konkreten vorhergehenden Messdaten vorliegen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung umfasst eine Vorrichtung zur Überwa chung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück eine Recheneinheit und eine Beobachtungseinheit, die eingerichtet ist, an einer Messposition mindestens einen Überwa chungsparameter des Laserbearbeitungsprozesses zu bestimmen. Ein Überwachungspara meter kann hierbei Parameter umfassen, die geeignet sind den jeweiligen Bearbeitungspro zess zu überwachen, beispielsweise eine Tiefe einer Dampfkapillare bei einem Laser schweißprozess. Die Recheneinheit ist eingerichtet, eine aktuelle Bearbeitungsposition, ins besondere eine aktuelle dynamische Bearbeitungsposition, relativ zu einem Auftreffpunkt des Laserstrahls zu bestimmen. Bei einem Laserschweißprozess kann die aktuelle Bearbei tungsposition einer Position einer Dampfkapillare entsprechen. Eine dynamische Bearbei tungsposition kann eine Bearbeitungsposition bezeichnen, deren Position relativ zum Auf- treffpunkt bzw. deren Versatz bezüglich des Auftreffpunkts veränderlich ist, z.B. in Abhän gigkeit der aktuellen Prozessparameter. Zur Bestimmung der aktuellen Bearbeitungsposition verwendet die Recheneinheit einen Prozessparametersatz des Laserbearbeitungsprozesses sowie ein Modell, das auf mindestens einem vorgegebenen Vergleichsparametersatz und einer dazugehörigen Vergleichsbearbeitungsposition beruht.
Hierbei können die Recheneinheit und die Beobachtungseinheit als getrennte Einheiten aus gebildet sein oder in einer Einheit integriert sein. Insbesondere kann die Recheneinheit in der Beobachtungseinheit integriert sein. Beispielsweise kann die Beobachtungseinheit eine Messvorrichtung mit optischem Kohärenztomographen umfassen, die auch die Rechenein heit umfasst.
Der Prozessparametersatz kann zumindest einen Prozessparameter umfassen, der die Bear beitungsposition beeinflusst und dessen Wert von dem eines entsprechenden Vergleichspa- rameters des Vergleichsparametersatzes verschieden ist. Mit anderen Worten liegen für den Prozessparametersatz keine zuvor bestimmten Messergebnisse vor. Der Prozessparameter satz und/oder der Vergleichsparametersatz können mindestens einen Parameter umfassen von: einem Geschwindigkeitsvektor einer Vorschubbewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück, einem Betrag einer Vorschubgeschwindigkeit, einer Richtung einer Vorschub- bewegung, eine Leistung des Laserstrahls, und ein oder mehrere Materialparameter des Werkstücks. Es können mehrere Vergleichsparametersätze vorgegeben sein, die sich zu mindest in einem Parameter unterscheiden.
Der Überwachungsparameter kann eine Tiefe einer Dampfkapillare, einen Abstand zum Werkstück oder eine Topographie an der dynamischen Bearbeitungsposition, eine Tempera- tur und/oder eine Wellenlänge von an der dynamischen Bearbeitungsposition reflektiertem Licht umfassen.
Die Beobachtungseinheit kann einen optischen Kohärenztomographen umfassen und einge richtet sein, einen optischen Messlichtstrahl auf die dynamische Bearbeitungsposition zu richten. Die Beobachtungseinheit kann ferner eine Ablenkeinheit, z.B. eine Scannereinheit o.ä., umfassen, die eingerichtet ist, den optischen Messlichtstrahl auf eine gewünschte Posi tion, d.h. auf die aktuelle Bearbeitungsposition, auszurichten.
Die mindestens eine vorgegebene Vergleichsbearbeitungsposition kann mindestens eine statische Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück gleich Null und zumindest eine dynamische Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit größer Null umfassen. Die mindestens eine vorgegebene Ver gleichsbearbeitungsposition kann zwei dynamische Bearbeitungspositionen mit betragsglei chen und einander entgegengesetzten Geschwindigkeitsvektoren einer Vorschubbewegung und/oder zwei dynamische Bearbeitungspositionen mit senkrecht zueinanderstehenden Ge schwindigkeitsvektoren einer Vorschubbewegung umfassen. Die Vorrichtung kann ferner zumindest einen Sensor umfassen, der zur Ermittlung von mindestens einem aktuellen Prozessparameter des Prozessparametersatzes des Bearbei- tungsprozesses eingerichtet ist. Die Vorrichtung kann eine Schnittstelle umfassen, durch welche der Sensor mit der Recheneinheit zur Übergabe des ermittelten aktuellen Prozesspa rameters des Bearbeitungsprozesses an die Recheneinheit verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Laserbearbeitungssystem einen Laserbearbei tungskopf, der eingerichtet ist, um einen Laserstrahl auf ein Werkstück zu richten, und eine Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Beispiele. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Schnittstelle umfassen, durch welche das Laserbearbeitungssystem mit der Re- cheneinheit zur Übergabe mindestens eines aktuellen Prozessparameters des Bearbeitungs- prozesses an die Recheneinheit verbunden ist, Das Laserbearbeitungssystem kann eine Steuereinrichtung umfassen, die eingerichtet ist zur Vorgabe mindestens eines aktuellen Prozessparameters für den Bearbeitungsprozess und zur Steuerung des Laserbearbeitungs- systems auf Grundlage dieses aktuellen Prozessparameters. Das Laserbearbeitungssystem kann ferner eine Schnittstelle umfassen, durch welche die Steuereinrichtung mit der Re- cheneinheit zur Übergabe des aktuellen Prozessparameters an die Recheneinheit verbunden ist. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Mensch-Maschine-Schnittstelle umfassen, ein gerichtet zur Eingabe und/oder Auswahl mindestens eines Prozessparameters des Bearbei tungsprozesses und zur Übergabe desselben an die Recheneinheit.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbei tungsprozesses an einem Werkstück die Schritte: Bestimmen einer aktuellen Bearbeitungs position, insbesondere einer aktuellen dynamischen Bearbeitungsposition, relativ zu einem Auftreffpunkt des Laserstrahls für einen Prozessparametersatz des Laserbearbeitungspro zesses mittels eines Modells, das auf mindestens einem vorgegebenen Vergleichsparameter satz und einer dazugehörigen Vergleichsbearbeitungsposition beruht, und Bestimmen min destens eines Überwachungsparameters des Laserbearbeitungsprozesses an der dynami schen Bearbeitungsposition.
Lür jeden vorgegebenen Vergleichsparametersatz kann die dazugehörige Vergleichsbearbei tungsposition in einem Einrichtungsprozess bestimmt werden. In dem Einrichtungsprozess können mehrere Vergleichsbearbeitungspositionen ermittelt werden, die mindestens eine statische Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück gleich Null und zumindest eine dynamische Bearbeitungsposition mit einer Vorschubgeschwindigkeit größer Null umfassen. Während der Ermittlung der dynamischen Bearbeitungsposition kann eine entsprechende Vorschubgeschwindigkeit konstant sein. Die statische Bearbeitungsposition kann aus zwei dynamischen Bearbeitungspositionen mit be- tragsgleichen und einander entgegengesetzten Geschwindigkeitsvektoren der Vorschubbe- wegungen ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann dem Bearbeitungsprozess ein Einrichtungsprozess voraus- gehen, in welchem zumindest eine Vergleichsbearbeitungsposition relativ zu einem Auf- treffpunkt des Bearbeitungsstrahls ermittelt wird. Die mindestens eine Vergleichsbearbei- tungsposition kann aber auch vorgegeben sein, oder beispielsweise gespeichert sein. Dieser Vergleichsbearbeitungsposition kann ein Vergleichsparametersatz zugeordnet sein, der eine Anzahl von Prozessparametem enthält, wie beispielsweise Laserleistung des Bearbeitungs- Strahls, Richtung und Geschwindigkeit der Relativbewegung zwischen Bearbeitungsstrahl und Werkstück. Die jeweiligen Vergleichsbearbeitungspositionen lassen sich somit als Funktion der Vergleichsparametersätze ermitteln. Auf Grundlage dieser ermittelten Ver gleichsbearbeitungspositionen und der Prozessparameter, die ihnen jeweils zugeordnet sind, lassen sich weitere Bearbeitungspositionen für spezifische Prozessparametersätze eines nachfolgenden Bearbeitungsprozesses errechnen, und zwar auch für solche Prozessparame- tersätze, für welche keine Messungen vorliegen. Während des Bearbeitungsprozesses kann dann die Messposition des Messlichtstrahls auf eine errechnete Bearbeitungsposition ausge- richtet werden.
Der Erfindung liegt die Annahme zugrunde, dass eine bestimmte Bearbeitungsposition grundsätzlich als Funktion der Prozessparameter dargestellt werden kann. Beispielsweise ist die Größe des dynamischen Versatzes eines Keyholes gegenüber dem augenblicklichen Auftreffpunkt des Bearbeitungsstrahls abhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Bearbeitungsstrahl, der Leistung des Bearbeitungsstrahls sowie gegebenen falls weiterer Parameter. Diese Funktion, also der Zusammenhang zwischen Prozessparame tem und den daraus resultierenden jeweiligen Bearbeitungspositionen, lässt sich in einem mathematischen Modell darstellen, das zur Errechnung der Bearbeitungspositionen verwen det werden kann. Mit Hilfe eines solchen Modells lässt sich somit aus einer vergleichsweise geringen Zahl von Mess- oder Vergleichsdaten eine große Zahl von Bearbeitungspositionen generieren. Ändern sich die Prozessparameter, muss nicht zwangsläufig eine erneute Messung der dy- namischen Bearbeitungspositionen durchgeführt werden, wie das herkömmlicherweise der Fall ist. Vielmehr können diese Bearbeitungspositionen für einen Bearbeitungsprozess mit geänderten Parametern errechnet werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks (oben) zur Darstel- lung einer Dampfkapillare und eines Messlichtstrahls beim Laserschwei- ßen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung;
Fig. 2A bis 2C sind schematische Darstellungen zur Erläuterung eines Einrichtungspro- zesses gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemä ßen Verfahrens; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Bestimmung einer aktuellen Bearbeitungsposition gemäß einer bevorzugten Ausfüh rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer bevor zugten Ausführungsform der Erfindung; und Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks zur Darstellung einer Dampfkapillare und eines Messlichtstrahls beim Laserschweißen gemäß Ausführungsfor men der vorliegenden Offenbarung.
Wie in Figur 1 dargestellt, entsteht beim Lasertiefschweißprozess während eines Schweiß vorgangs entlang der Strahlachse des Laserstrahls 1 eine Dampfkapillare KH, die auch Keyhole genannt wird, und die von flüssiger Schmelze 2 umgeben ist. Die Tiefe Td der Dampfkapillare steht in Zusammenhang mit der Schweißnaht- oder Einschweißtiefe Te und kann somit einen Überwachungsparameter zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses darstellen. In Vorschubrichtung gesehen hinter der flüssigen Schmelze 2 befindet sich die erstarrte Schmelze 4.
Um die Einschweißtiefe bzw. die Tiefe der Dampfkapillare KH während des Schweißpro- zesses zu bestimmen, kann ein Messlichtstrahl 3 eines optischen Kohärenztomographen parallel zu oder koaxial mit dem Laserstrahl 1 in die Dampfkapillare KH gerichtet werden. Das einfallende Licht trifft auf den Boden bzw. das Ende der Dampfkapillare KH, wird dort teilweise reflektiert und gelangt zurück in den optischen Kohärenztomographen, mit dessen Hilfe die Tiefe Td der Dampfkapillare KH mit hoher Präzision gemessen werden kann.
Fig. 2A ist eine schematische Darstellung der geometrischen Verhältnisse während eines Bearbeitungsprozesses eines Werkstücks mittels eines Bearbeitungsstrahls. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Bearbeitungsprozess ein Laserschweißprozess mittels eines La serstrahls 1 an dem Werkstück. Die Strahlachse steht hierbei senkrecht zur Zeichnungsebe ne, während die Zeichnungsebene selbst mit der Ebene der Werkstückoberfläche WB zu sammenfällt. Die dargestellten Raumrichtungen X und Y erstrecken sich somit auf der Oberfläche des Werkstücks senkrecht zueinander, während die Strahlachse des Laserstrahls senkrecht dazu verläuft.
Durch den Laserstrahl wird in der Werkstückoberfläche WB eine Dampfkapillare KH er zeugt, die von einer Schmelze umgeben ist. Die Dampfkapillare wird auch als„Keyhole“ bezeichnet und erstreckt sich von der Oberfläche des Werkstücks bis zu einer bestimmten Tiefe Td in das Werkstück hinein. Für das Ergebnis des Laserschweißprozesses ist die Tiefe der erzeugten Dampfkapillare von entscheidender Bedeutung. Aus diesem Grund kann die Tiefe der Dampfkapillare während des Bearbeitungsprozesses als Überwachungsparameter durch eine Beobachtungseinheit 17 zur Überwachung des Bearbeitungsprozesses bestimmt werden. Die Beobachtungseinheit 17 kann beispielsweise einen optischen Kohärenztomo graphen umfassen und eingerichtet sein, einen Messlichtstrahl 3 auf eine Messposition auf die Oberfläche des Werkstücks zu richten. Das Licht des Messlichtstrahls, das von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert wird, lässt sich durch die Beobachtungseinheit 17 erfassen. Hieraus lässt sich wiederum ein Abstand zur Oberfläche des Werkstücks an der Messposition ermitteln.
Die Position, an welcher gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Dampfkapillare KH gebildet wird, ist diejenige Position der Werkstückoberfläche, an welcher momentan die gewünschte Modifikation des Werkstücks aufgrund der Absorption der Leistung des Laser strahls stattfindet. Diese Position soll im Folgenden als Bearbeitungsposition TCP bezeich net werden. Eine optimale Messposition zur Bestimmung der Tiefe der Dampfkapillare ist daher die aktuelle Bearbeitungsposition.
In Fig. 2A ist eine Situation illustriert, in welcher der Laserstrahl 1 relativ zur Oberfläche des Werkstücks WB nicht bewegt wird, das heißt der Laserstrahl steht statisch auf der Werkstückoberfläche und fällt in einem Auftreffpunkt AP auf die Werkstückoberfläche. Dieser Auftreffpunkt AP kann als Ursprung eines Koordinatensystems betrachtet werden, an welchem sich die Achsen der Raumrichtungen X und Y schneiden. Aufgrund der stati schen Position des Laserstrahls relativ zur Oberfläche des Werkstücks fällt der Auftreff- punkt AP mit der Bearbeitungsposition TCP, also der statischen Bearbeitungsposition TCPs, zusammen. Die Dampfkapillare wird somit ebenfalls an diesem Punkt ausgebildet.
In Fig. 2B ist eine Situation dargestellt, in welcher der Faserstrahl und die Oberfläche des Werkstücks sich relativ zueinander mit einer Vorschubgeschwindigkeit mit Geschwindig keitsvektor vi bewegen. Aufgrund dieser Bewegung fällt die Bearbeitungsposition TCP nicht mehr mit dem augenblicklichen Auftreffpunkt AP des Faserstrahls zusammen, son dern liegt im Nachlauf des Auftreffpunktes AP. In diesem Fall wird die Bearbeitungspositi on als dynamische Bearbeitungsposition TCPi bezeichnet. Somit entsteht ein Versatz zwi schen Auftreffpunkt AP und der Bearbeitungsposition TCPi. Dies liegt daran, dass die beim Faserschweißen gebildete Dampfkapillare sich mit einer geringen Verzögerung in der Werkstückoberfläche bilden kann, während der Auftreffpunkt AP des Faserstrahls bereits weiter über die Werkstückoberfläche gewandert ist.
Für die korrekte Überwachung des Bearbeitungsprozesses ist es notwendig, dass die Mess position der Beobachtungseinheit, an welcher der Überwachungsparameter bestimmt wird, möglichst genau mit der aktuellen Bearbeitungsposition TCP übereinstimmt. Der Versatz zwischen dem Auftreffpunkt AP des Faserstrahls und der Bearbeitungsposition TCP, bzw. die aktuelle dynamische Bearbeitungsposition TCPi relativ zum Auftreffpunkt AP, muss daher so genau wie möglich bestimmt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Messposition der Beobachtungseinheit auf eine aktuelle Bearbeitungsposition ausgerichtet, die zuvor errechnet worden ist und von den Prozessparametem des Bearbeitungsprozesses, wie beispielsweise Betrag und Richtung eines Geschwindigkeitsvektors der Vorschubbewegung des Laserstrahls relativ zum Werk stück, der Laserleistung sowie gegebenenfalls weiterer Prozessparameter, abhängig ist. Dies bedeutet, dass die aktuelle Bearbeitungsposition TCP aufgrund der momentanen Prozesspa rameter prognostiziert und die Messposition der Beobachtungseinheit entsprechend ausge richtet werden kann.
Damit die Berechnung von aktuellen dynamischen Bearbeitungspositionen aufgrund der Prozessparameter des Bearbeitungsprozesses durchgeführt werden kann, kann vor dem Be arbeitungsprozess ein Einrichtungsprozess durchgeführt werden, bei welchem es sich insbe sondere um eine Testbearbeitung eines Werkstücks handelt. In diesem Einrichtungsprozess wird zumindest eine Vergleichsbearbeitungsposition relativ zu einem Auftreffpunkt AP des Laserstrahls in Abhängigkeit von den verwendeten Vergleichsparametem ermittelt. Für eine Vielzahl von Vergleichsparametersätzen PPSn, die jeweils eine Anzahl von Prozessparame tem enthalten, die Einfluss auf die Bearbeitungsposition haben, wird jeweils eine dazugehö rige Vergleichsbearbeitungsposition TCPn bestimmt. Ein Vergleichsparametersatz kann insbesondere einen Geschwindigkeitsvektor, der Betrag und Richtung einer Vorschubbewe gung des Laserstrahls relativ zum Werkstück angibt, und eine Leistung P des Laserstrahls umfassen. Der Verlgeichsparametersatz kann darüber hinaus weitere Prozessparameter ent halten, wie etwa ein Material bzw. Materialparameter des Werkstücks.
Bei einer Ausführungsform des Verfahrens wird zunächst eine statische Verarbeitungsposi tion TCPS ohne Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserstrahl für eine Laserleis tung Po vermessen, so wie in Fig. 2A dargestellt. Anschließend wird mindestens eine dyna mische Bearbeitungsposition TCPdi für eine Laserleistung Po und eine Vorschubgeschwin digkeit vi größer als Null vermessen (Fig. 2B). Die Vorschubgeschwindigkeit vi wird dabei in Richtung und Betrag durch einen Geschwindigkeitsvektor v1 beschrieben. Vorzugsweise wird dieser Vektor vx während der Bestimmung der Bearbeitungsposition TCPdi konstant gehalten. Die statische Bearbeitungsposition TCPS und die dynamische Bearbeitungsposition TCPdi lassen sich jeweils als Funktion ihrer Prozessparametersätze PPSs und PPSdi darstellen. Aufgrund der Messungen während des Einrichtungsprozesses lässt sich daher ein Modell (bzw. Gesetzmäßigkeiten) ableiten, das eine Errechnung und somit Prognose von dynami schen Bearbeitungspositionen TCPi für Prozessparameter erlaubt, für welche keine Messun gen vorliegen, d.h. die also keinem Vergleichsparametersatz unmittelbar entsprechen. Mit Hilfe des Modells und den Prozessparametem des Bearbeitungsprozesses kann die entspre chende aktuelle Bearbeitungsposition TCPi bestimmt werden.
Zur Bestimmung der statischen Bearbeitungsposition TCPS können auch zwei dynamische Bearbeitungspositionen TCPdi und TCP_di herangezogen werden, deren Parametersätze PPSdi und PPS-di Vorschubgeschwindigkeitsvektoren mit identischen Beträge aufweisen, die jedoch entgegengesetzt gerichtet sind, d.h. deren Richtungen im Vergleich zueinander um 180° gedreht sind. Mit anderen Worten, kann aus zwei dynamischen Bearbeitungsposi tionen TCPdi, -TCPdi mit zwei entgegensetzten Geschwindigkeitsvektoren vx und v2 eine statische Bearbeitungsposition TCPS noch genauer bestimmt werden, z.B. als räumlicher Mitelwert aus den dynamischen Bearbeitungspositionen TCPdi, -TCPdi.
Zusätzlich oder alternativ können die im Einrichtungsprozess ermittelten Vergleichsbearbei tungspositionen TCPn zwei dynamische Bearbeitungspositionen TCPdi, TCPd2 umfassen, deren Vorschubgeschwindigkeitsvektoren vx und v2 senkrecht zueinander stehen, wobei beide Geschwindigkeitsvektoren eine Komponente senkrecht zur Achse des Laserstrahls aufweisen können. Es kann also zusätzlich zur dynamischen Bearbeitungsposition TCPdi eine zweite dynamische Bearbeitungsposition TCPd2 für einen zweiten Prozessparameter satz PPSd2 mit der Laserleistung Po und einer zweiten Vorschubgeschwindigkeit V2 mit dem Geschwindigkeitsvektor v2 vermessen werden. Vorzugsweise stehen die Geschwindigkeits vektoren v1 und v2 senkrecht zueinander sowie senkrecht zur Achse des Bearbeitungs strahls.
Um die Genauigkeit der Vorhersage bzw. Ermittlung des aktuellen dynamischen TCPi eines zukünftigen Bearbeitungsprozesses zu erhöhen, kann dieses Vorgehen für weitere PPSn mit verschiedenen Laserleistungen Pn und/oder verschiedenen Geschwindigkeitsvektoren vn wiederholt werden. Während Fig. 2B eine Situation zeigt, in welcher ein Geschwindigkeitsvektor »j der Vor schubbewegung des Laserstrahls relativ zum Werkstück entlang der horizontalen X-Achse nach rechts gerichtet ist und die entsprechende dynamische Bearbeitungsposition TCPdi entlang der X-Achse gegenüber der momentanen Auftreffposition AP des Laserstrahls nach links verschoben ist, zeigt Fig. 2C eine andere Situation, in welcher der Geschwindigkeits vektor v2 entlang der Y-Achse nach unten, d.h. senkrecht zu dem Vektor vx aus Fig. 2B, gerichtet ist und die entsprechende dynamische Bearbeitungsposition TCPd2 gegenüber der momentanen Auftreffposition AP entlang der Y-Achse nach oben verschoben ist.
Auf diese Weise können die so bestimmten Zusammenhänge zwischen den Vergleichsbear beitungspositionen TCPn und den jeweiligen Vergleichsparametersätzen PPSn, die mindes tens eine statische Bearbeitungsposition TCPS und/oder mindestens eine dynamische Bear beitungsposition TCP dn umfassen, zur Erstellung eines Modells dienen, das die Vorhersage bzw. die Berechnung eines aktuellen dynamischen TCPi für beliebige Prozessparameter, etwa verschiedene Geschwindigkeitsvektoren bzw. Laserleistungen, erlaubt. Dieses Modell kann in einer Ausführungsform die aktuelle dynamische Bearbeitungsposition TCPi in Ab hängigkeit von einem aktuellen Prozessparametersatz PPSi des Bearbeitungsprozesses be rechnen, ohne dass ein dynamischer TCP für diesen Prozessparametersatz PPS zuvor ver messen werden muss, z.B. durch Interpolation oder anhand von Modellen des maschinellen Lernens, wobei die TCPi in einem neuronalen Netz berechnet werden.
In Fig. 3 ist eine von der Recheneinheit berechnete aktuelle dynamische Bearbeitungspositi on TCPi für einen Geschwindigkeitsvektor v3 der Vorschubbewegung des Laserstrahls rela tiv zum Werkstück dargestellt, die basierend auf ermittelten Bearbeitungspositionen TCPn und den diesen zugeordneten Prozessparametersätzen PPSn errechnet worden ist, z.B. basie rend auf den Vergleichsbearbeitungspositionen TCPdi, TCPd2, und/oder TCPS. In dem Bear beitungsprozess kann diese errechnete Bearbeitungsposition TCPi dazu verwendet werden, die Messposition der Beobachtungseinheit 17 darauf auszurichten.
Beispielsweise kann für ein Verfahren zur Überwachung eines Laserschweiß- oder Laser tiefschweißprozesses die Beobachtungseinheit 17 einen optischen Kohärenztomographen umfassen, um eine aktuelle Tiefe der Dampfkapillare bzw. des Keyholes KH mittels opti scher Kohärenztomographie (OCT, Optical Coherence Tomography) zu bestimmen. Um die Keyhole-Tiefe korrekt bestimmen zu können, muss der Messlichtstrahl 3 auf die aktuelle Bearbeitungsposition TCPi und somit in die Dampfkapillare KH treffen. Hierfür muss die aktuelle Bearbeitungsposition TCPi bekannt sein, um die Messposition, d.h. die Position des Messlichtstrahls, entsprechend ausrichten zu können. Ändert sich während des Laserbear beitungsprozesses die Position des dynamischen TCPi, beispielsweise aufgrund einer Ände- rung der Vorschubbewegungsrichtung zwischen Laserstrahl und Werkstück, kann der aktu- elle Vorschubgeschwindigkeitsvektor von dem Modell genutzt werden, um die neue dyna mische Bearbeitungsposition TCPi vorherzusagen. Das heißt, dass auf Grundlage von vor gegebenen Vergleichsbearbeitungspositionen TCPn, denen jeweils Vergleichsparametersät ze PPSn zugeordnet sind, und welche beispielsweise zuvor in einem Einrichtungsprozess ermittelt worden sind, eine aktuelle dynamische Bearbeitungsposition TCPi für einen ge genwärtigen Prozessparametersatz PPSi des durchgeführten Bearbeitungsprozesses errech net werden kann. Beispielsweise lässt sich basierend auf der aktuellen Vorschubbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück und vorliegender Laserleistung eine entsprechende dynamische Bearbeitungsposition TCPi Vorhersagen. In Kombination mit einer Positionie reinheit der Beobachtungseinheit, beispielsweise einer Ablenk- bzw. Scannereinheit für den Messlichtstrahl, kann die Vorrichtung die Messposition bzw. die Position des Messlicht- strahls in Echtzeit korrigieren, um die korrekte Keyhole-Tiefe zu messen.
Fig. 4 steht schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 15 zur Überwachung ei nes Bearbeitungsprozesses dar. Die Vorrichtung umfasst eine Recheneinheit 16, die eine aktuelle Bearbeitungsposition TCPi relativ zu einem Auftreffpunkt AP des Laserstrahls 1 für einen Prozessparametersatz PPSi des Laserbearbeitungsprozesses anhand des Modells be rechnet und an die Beobachtungseinheit 17 als Messposition übermittelt, und eine Beobach tungseinheit 17 zum Ermitteln mindestens eines Überwachungsparameters, z.B. einen Ab stand, an der Messposition. Die Recheneinheit 16 und die Beobachtungseinheit 17 können zum wechselseitigen Datenaustausch drahtlos oder drahtgebunden gekoppelt sein. Die Re cheneinheit 16 kann eingerichtet sein, um direkt mit der jeweiligen Maschine bzw. dem jeweiligen Bearbeitungssystem verbunden zu werden. Selbstverständlich können die Re cheneinheit 16 und die Beobachtungseinheit 17 gemeinsam als eine Einheit ausgebildet sein, oder die Recheneinheit 16 kann in der Beobachtungseinheit 17 integriert ausgebildet sein. Die Recheneinheit 16 ist dazu eingerichtet, aufgrund der Prozessparametersätze PPSi aktuel- le Bearbeitungspositionen TCPi zu errechnen, die wiederum an die Beobachtungsvorrich tung 17 ausgegeben werden. Die berechneten Bearbeitungspositionen TCPi dienen dazu, eine Messposition, z.B. eines Messlichtstrahls, der Beobachtungseinheit 17 auf eine errech- nete Bearbeitungsposition TCPi auszurichten. Im Fall einer Laserschweißanlage kann dies der Position einer erzeugten Dampfkapillare entsprechen, die während des Bearbeitungspro- zesses in der Werkstückoberfläche gebildet wird.
Die Recheneinheit 16 errechnet diese aktuellen Bearbeitungspositionen TCPi mittels des Modells auf Grundlage der jeweiligen Prozessparametersätze PPSi des Bearbeitungsprozes- ses sowie von vorgegebenen Vergleichsbearbeitungspositionen TCPn und diesen zugeordne- ten Vergleichsparametersätzen PPSn. Das Modell kann eine Abhängigkeit oder einen Zu sammenhang der jeweiligen Bearbeitungspositionen TCPi von den Bearbeitungsparameter sätzen PPSi darstellen. Dieses Modell kann in der Recheneinheit 16 gespeichert sein und der Berechnung der aktuellen Bearbeitungspositionen TCPi zugrunde liegen.
Fig. 5 zeigt ein Laserbearbeitungssystem 10, das einen Laserbearbeitungskopf 12 und die Vorrichtung 15 umfasst. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem 10 eine SPS- Steuereinrichtung 14 umfassen, die dazu eingerichtet ist, aktuelle Prozessparametersätze PPSi an den Laserbearbeitungskopf 12 auszugeben und auf diese Weise den Bearbeitungs prozess zu steuern, also insbesondere den Betrag und die Richtung einer relativen Vor schubbewegung zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück, die Leistung des Laser strahls und dergleichen. Diese Prozessparametersätze PPSi können von der SPS- Steuereinrichtung 14 auch an die Recheneinheit 16 über eine entsprechende Schnittstelle ausgegeben werden. Alternativ kann die Recheneinheit 16 die Prozessparametersätze PPSi direkt vom Laserbearbeitungskopf 12 erhalten. Die vorhergesagte aktuelle Bearbeitungspo sition TCPi kann so direkt in den Prozess zurückgesteuert werden, um so die Prozessqualität zu erhöhen.
Die Recheneinheit 16 kann mit einer Mensch-Maschine-Schnittstelle 20 verbunden sein, die zur Eingabe und/oder Auswahl von Prozessparametersätzen PPSi des Bearbeitungsprozesses vorgesehen ist. Beispielsweise kann diese Mensch-Maschine-Schnittstelle 20 eine grafische Benutzeroberfläche umfassen. Es versteht sich, dass auch andere Arten von Eingabeschnitt stellen vorgesehen sein können. Vorzugsweise berechnet die Recheneinheit 16 eine aktuelle Bearbeitungsposition TCPi un ter Berücksichtigung der aktuellen Prozesseinstellung, d.h. basierend auf einem aktuellen Prozessparametersatz PPSi. Alternativ oder zusätzlich kann die Recheneinheit 16 eingerich tet sein, eine aktuelle Bearbeitungsposition TCPi basierend auf einem vorgegebenen Pro- zessparametersatz für einen vorher definierten Teilprozess zu berechnen. Dies ermöglicht eine Berechnung der aktuellen Bearbeitungsposition TCPi, wenn keine aktuellen Prozesspa rametersätze zu Verfügung stehen. Beispielsweise können für unterschiedliche Teilprozesse des Bearbeitungsprozesses verschiedene Prozessparametersätze ausgewählt werden.
Ferner kann der Laserbearbeitungskopf 12 und/oder die Vorrichtung 15 mit Sensoren 18 ausgestattet sein, die es beispielsweise erlauben, eine aktuelle Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Laserstrahl und dem Werkstück und deren Richtung zu messen und/oder wei tere Parameter, wie etwa die aktuelle Laserleistung, eine Temperatur etc., zu messen. Diese Sensoren 18 können Encoder umfassen, die an Achsen des Laserbearbeitungskopfs 12 be festigt sind. Die Messwerte können als aktuelle Parameter für die Prozessparametersätze des Bearbeitungsprozesses an die Recheneinheit 16 übertragen werden. Die Prognose der aktu ellen Bearbeitungspositionen TCPi kann somit auch aufgrund der von den Sensoren 18 übergebenen Prozessparametersätze PPSi durchgeführt werden.
Auf diese Weise ist es möglich, anhand eines Prozessparametersatzes eines Bearbeitungs prozesses eine aktuelle bzw. momentane Bearbeitungsposition, auf welche die Messposition der Beobachtungseinheit auszurichten ist, exakt in Echtzeit zu bestimmen und somit den Bearbeitungsprozess kontinuierlich überwachen zu können. Außerdem kann das Modell, welches den Zusammenhang zwischen den Prozessparametersätzen PPSn und den Bearbei tungspositionen TCPn wiedergibt, bei baugleichen Laserbearbeitungssystemen, z.B. auf ei nen„digital twin“, übertragbar sein, ohne dass der Zusammenhang erneut bestimmt werden muss.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werk stück, umfassend:
eine Recheneinheit (16), die eingerichtet ist, eine dynamische Bearbeitungsposition (TCPi) relativ zu einem Auftreffpunkt (AP) des Laserstrahls (1) für einen Prozessparameter satz (PPSi) des Laserbearbeitungsprozesses mittels eines Modells zu bestimmen, das auf mindestens einem vorgegebenen Vergleichsparametersatz und einer dazugehörigen Ver gleichsbearbeitungsposition beruht, und
eine Beobachtungseinheit (17), die eingerichtet ist, an der dynamischen Bearbei tungsposition (TCPi) mindestens einen Überwachungsparameter des Laserbearbeitungspro zesses zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Prozessparametersatz (PPSi) zumindest einen Prozessparameter umfasst, der die Bearbeitungsposition (TCPi) beeinflusst und dessen Wert von dem eines entsprechenden Vergleichsparameters verschieden ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Prozessparame tersatz (PPSi) und der Vergleichsparametersatz mindestens einen Parameter umfasst von: einem Geschwindigkeitsvektor einer Vorschubbewegung des Laserstrahls (1) relativ zum Werkstück, einem Betrag einer Vorschubgeschwindigkeit, einer Richtung einer Vorschub bewegung, eine Leistung des Laserstrahls (1), und ein oder mehrere Materialparameter des Werkstücks.
4. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei mehrere Ver gleichsparametersätze vorgegeben sind, die sich zumindest in einem Parameter unterschei den.
5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Überwachungs parameter eine Tiefe einer Dampfkapillare (Td), einen Abstand zum Werkstück an der dy namischen Bearbeitungsposition (TCPi), eine Temperatur an der dynamischen Bearbei tungsposition (TCPi) und/oder eine Wellenlänge von an der dynamischen Bearbeitungsposi tion (TCPi) reflektiertem Licht umfasst.
6. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Beobachtungs- einheit (17) einen optischen Kohärenztomographen umfasst und eingerichtet ist, einen opti schen Messlichtstrahl (3) auf die dynamische Bearbeitungsposition (TCPi) zu richten.
7. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine vorgegebene Vergleichsbearbeitungsposition mindestens eine statische Bearbeitungspositi on (TCPS) mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück gleich Null und zumindest eine dynamische Bearbeitungsposition (TCPdi, TCPd2) mit einer Vorschubgeschwindigkeit (vi, v2) größer Null umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine vorgegebene Vergleichsbearbeitungsposition zwei dynamische Bearbeitungspositionen (TCPdi, -TCPdi) mit betragsgleichen und einander entgegengesetzten Geschwindigkeitsvek- toren (vi, v_i) einer Vorschubbewegung und/oder zwei dynamische Bearbeitungspositionen (TCPdi, TCPd2) mit senkrecht zueinanderstehenden Geschwindigkeitsvektoren (vi, v2) einer V orschubbewegung .
9. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, umfassend zumindest eine Sensoreinrichtung (18), eingerichtet zur Ermittlung von mindestens einem aktuellen Pro- zessparameter des Prozessparametersatzes (PPSi) des Bearbeitungsprozesses, und eine Schnittstelle, durch welche die Sensoreinrichtung (18) mit der Recheneinheit (16) zur Über gabe des aktuellen Prozessparameters des Bearbeitungsprozesses an die Recheneinheit (16) verbunden ist.
10. Laserbearbeitungssystem, umfassend:
einen Laserbearbeitungskopf (12), der eingerichtet ist, um einen Laserstrahl (1) auf ein Werkstück zu richten; und
eine Vorrichtung gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche.
11. Laserbearbeitungssystem nach Anspruch 10, umfassend: eine Schnittstelle, durch welche das Laserbearbeitungssystem (12) mit der Rechen einheit (16) zur Übergabe mindestens eines aktuellen Prozessparameters des Bearbeitungs- prozesses an die Recheneinheit (16) verbunden ist, und/oder
eine Steuereinrichtung (14), eingerichtet zur Vorgabe mindestens eines aktuellen Prozessparameters für den Bearbeitungsprozess und zur Steuerung des Laserbearbeitungs- systems auf Grundlage dieses aktuellen Prozessparameters, und eine Schnittstelle, durch welche die Steuereinrichtung (14) mit der Recheneinheit (16) zur Übergabe des aktuellen Prozessparameters an die Recheneinheit (16) verbunden ist, und/oder
eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (20), eingerichtet zur Eingabe und/oder Aus- wahl mindestens eines Prozessparameters des Bearbeitungsprozesses und zur Übergabe desselben an die Recheneinheit (16).
12. Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, umfassend:
Bestimmen einer dynamischen Bearbeitungsposition (TCPi) relativ zu einem Auf- treffpunkt (AP) des Laserstrahls (1) für einen Prozessparametersatz (PPSi) des Laserbearbei- tungsprozesses mittels eines Modells, das auf mindestens einem vorgegebenen Vergleichs- parametersatz und einer dazugehörigen Vergleichsbearbeitungsposition beruht, und
Bestimmen mindestens eines Überwachungsparameters des Laserbearbeitungspro- zesses an der dynamischen Bearbeitungsposition (TCPi).
13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei für jeden vorgegebenen Vergleichsparameter satz die dazugehörige Vergleichsbearbeitungsposition in einem Einrichtungsprozess be stimmt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei in dem Einrichtungsprozess mehrere Vergleichsbearbeitungspositionen ermittelt werden, die mindestens eine statische Bearbei tungsposition (TCPS) mit einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls relativ zum Werkstück gleich Null und zumindest eine dynamische Bearbeitungsposition (TCPdi) mit einer Vorschubgeschwindigkeit größer Null umfassen.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei während der Ermittlung der dynamischen Bear beitungsposition (TCPdi) eine entsprechende Vorschubgeschwindigkeit konstant ist.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei die statische Bearbeitungsposition (TCPS) aus zwei dynamischen Bearbeitungspositionen (TCPdi, -TCPdi) mit betragsgleichen und einander entgegengesetzten Geschwindigkeitsvektoren (vi, v_i) der Vorschubbewegun gen ermittelt wird.
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