WO1991012923A1 - Vorrichtung zum überwachen von mit laserstrahlung bearbeiteten werkstücken - Google Patents

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WO1991012923A1
WO1991012923A1 PCT/DE1991/000188 DE9100188W WO9112923A1 WO 1991012923 A1 WO1991012923 A1 WO 1991012923A1 DE 9100188 W DE9100188 W DE 9100188W WO 9112923 A1 WO9112923 A1 WO 9112923A1
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radiation
mirror
laser beam
laser
evaluation unit
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PCT/DE1991/000188
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Inventor
Ulrich KÖHLER
Eckhard Beyer
Original Assignee
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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    • B23K26/0665—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by beam condensation on the workpiece, e.g. for focusing

Definitions

  • the invention relates to a device for monitoring workpieces machined with laser radiation, in particular CO 2 laser radiation, with a device which directs, in particular focuses, the laser beam onto the machining point
  • Processing optics and with a radiation-reflecting mirror arranged in the beam path of the laser beam, from which at least a portion of a secondary radiation emitted by the processing point into the processing optics is directed to an evaluation unit that analyzes this radiation, preferably during processing.
  • the secondary radiation depends on the type of process as it is carried out during welding, cutting, ablation, hardening or remelting, and also on the material, which can be metallic, organic or inorganic, for example.
  • the secondary radiation is either continuous, for example if the workpiece is not heated to form a melt, or discrete, for example by means of flame-retardant dung. Process errors also affect the secondary radiation, such as misfires, loss of power of the laser or lens contamination. Accordingly, the secondary radiation is composed of different strengths and / or different spectral compositions.
  • detectors in the laser beam processing of workpieces during processing, for example photodiodes, which evaluate various blue and infrared spectral components of the secondary radiation emitted by the laser beam-induced welding plasma.
  • the detectors must be arranged next to the processing optics and aligned precisely with the processing point. This results in space problems because additional supply and fastening devices for the diagnostic devices are required, also adjustment problems and the risk of contamination from welding spatter, vapors and filler materials as well as a lack of flexibility of the entire optical device in the case of combined or sequential processes such as cutting,
  • a device with the features mentioned at the outset makes it possible to observe the machining process through the machining optics, so that the aforementioned disadvantages, which are present due to an arrangement of the detector in addition to the machining optics, are eliminated.
  • the mirror used in this known device is a generally known beam splitting plate, namely a ZnSe beam splitting plate, with which it is achieved that the laser beam is reflected except for a small portion serving for beam analysis, while the secondary radiation also striking the mirror reflects far less is used because of the wavelength of the.
  • Laser radiation has a different wavelength, for which the reflectivity of the mirror is far lower than for laser radiation.
  • the known device is still unsuitable for improvement because the radiation splitter used still has a considerable reflectivity, at least for some wavelengths of the secondary radiation, so that the detection and evaluation of these secondary beam components is considerably more difficult.
  • the known beam splitting plate has the generally known disadvantages, in particular it can only be used to a limited extent for higher radiation intensities.
  • the previously known device also has the fundamental disadvantage that its partially reflecting mirror couples the radiation division of the laser beam and the radiation division of the secondary radiation reflected back from the processing point, which is not in the sense of an optimal system design, because, for example, a beam analysis with the beam portion coupled out by the division mirror does not may be sufficient or inappropriate.
  • the invention has for its object to improve a device of the type mentioned so that it allows monitoring of the processing site without affecting the laser radiation used for processing, the advantages given by the observation of the processing site by the optical system used for the laser radiation should be preserved.
  • the radiation-reflecting mirror is provided in the reflection area for the laser beam with a diffraction grating which directs a predetermined order of diffraction of the secondary radiation onto the evaluation unit and is ineffective in the wavelength range of the laser radiation.
  • the radiation-reflecting mirror is provided with a diffraction grating with which the secondary radiation can be deflected without influencing the laser radiation.
  • the diffraction grating can be used in conjunction with conventional mirror designs, which have also proven themselves in particular with high laser powers, for example with metal mirrors.
  • the metal mirrors are thermal, highly resilient and the diffraction gratings can be manufactured with them without considerable effort. It is also not necessary to design the mirrors with bores or the like with complex shapes in order to be able to measure secondary radiation.
  • the beam paths of the CO 2 laser beam and the secondary radiation emitted by the workpiece are always the same regardless of the processing method and the processing geometry remain, the machining point is precisely measured, i.e. the interaction zone between the laser beam and the workpiece.
  • the device is designed such that the diffraction grating of a single mirror has a grating spacing that reflects the first or at the same time a higher diffraction order of the secondary radiation, and the evaluation unit is arranged in the direction of reflection determined by the diffraction arrangement.
  • the evaluation unit is arranged in the direction of reflection determined by the diffraction arrangement.
  • the mirror provided with the diffraction grating is a component that is simple in the same way. If the diffraction grating is designed in such a way that, due to its grating spacing, it also reflects a higher diffraction order of the secondary radiation based on a different frequency, the result is that the same radiation-reflecting mirror can be used to couple out secondary radiation of this other frequency, that is to say without a mirror conversion.
  • the diffraction grating of the mirror is formed by a grating, which consists of a plurality of equidistant grooves.
  • the groove spacing is matched to that wave range of the polychromatic secondary radiation that is primarily to be detected. In addition, this distance is chosen so that the laser radiation is not deflected from the intended beam direction.
  • Such a dimensioning of the device is therefore particularly suitable for the high-power CO 2 lasers. Such high-power lasers in particular require extensive and exact control of the machining area.
  • the device In order to detect the secondary radiation deflected with the aid of the diffraction grating as completely as possible, the device is designed such that a secondary radiation that bundles the reflection reflected by the mirror onto one or more detectors of the evaluation unit or a bundling mirror is arranged between the mirror and the evaluation unit.
  • the multiple detectors are used when radiation of a single wavelength is to be integrated, or when secondary radiation of different wavelengths is to be measured separately in accordance with these wavelengths.
  • the device can be designed in such a way that different spectral components of the secondary radiation reflected by the mirror are assigned separate detectors whose signals corresponding to the spectral components of the desired process control can be evaluated accordingly.
  • the diffraction grating of the mirror is formed by a grating which consists of a plurality of grooves, each of which has a different grating spacing from one another and a curve which is curved in accordance with the beam incidence angle
  • the diffraction grating is designed as a focusing Fresnel zone plate , which thus acts as a converging lens, so that the use of an additional converging lens can be dispensed with.
  • processing optics already in operation can be converted in a simple manner, for example in that the mirror provided with a diffraction grating is arranged in the laser beam path between the laser and its processing optics, or in that an optical element of the processing optics is replaced by an optical element provided with a diffraction grating.
  • the secondary radiation reflected by these mirrors can be correspondingly analyzed several times by spectrography. In this way, the design of the device in detail, or of its seal and evaluation units, can be more easily adapted to the given spatial error reporting.
  • processing optics means any optical element that somehow influences the laser beam on its way from the laser to the processing location.
  • the focusing mirror 4 focuses the laser beam 1 in such a way that its focus lies in the area of the processing parts 17 and a welding process can be carried out there.
  • 1 shows a plasma 5 with which the energy of the laser beam 1 is coupled into the workpiece 6.
  • Machining optics 18 are the devices still required for the machining presses, such as jet nozzles, etc., which have not been shown. The in that
  • Workpiece 6 coupled energy of the laser beam 1 leads to the heating of the workpiece 6 and, for example, to the aforementioned plasma formation.
  • a secondary radiation 7 emitted by the processing point 17 emerges, which passes through the outlet opening 12 of a housing 13 of the processing optics 18 and is reflected back by the mirrors 2, 3 and 4 on the path of the laser beam 1.
  • the deflecting head 2 or another mirror of the processing optics 18, which is not shown, is provided with a diffraction grating 20, which allows the secondary radiation to be deflected from the perception of the laser beam 1.
  • the diffraction grating 20 is located in the reflection region 19-19 of the mirror 2 which serves to deflect the laser beam 1.
  • the diffraction grating 20 of this mirror 2 is a grating, formed from a multiplicity of grooves 21. The shape and depth of these grooves and their spacing d are selected so that only a small part of the incident laser radiation can be reflected diffusely. The energy losses of the laser beam 1 in the processing optics or through the diffraction grating 20 are therefore low.
  • the secondary radiation 7 deflected by the diffraction grating 20 from the path of the laser beam 1 arrives at an evaluation unit 10 which is preceded by a converging lens 9.
  • the converging lens 9 focuses the incident secondary radiation 7 on one detector 11 or on several detectors of the evaluation unit 10, a detector 11 being symbolically represented as an image.
  • FIG. 2a shows the diffraction grating 20 with a plurality of equidistant grooves 21 of the grating position d.
  • This laser beam 1 is reflected by the mirror 2 without being impaired by the diffraction grating 20.
  • Secondary radiation 7 reaches the deflecting mirror 2 in the opposite direction 15.
  • This secondary radiation is used in a wavelength range between 200 nm and 2 ⁇ m, that is to say deflected by the diffraction grating 20 from the path shown in dotted lines. Unwanted wavelength components, e.g. residues of directly reflected carbon dioxide radiation remain undeflected and cannot falsify the measurement result.
  • the diffraction grating 23 is formed with a grating spacing d that the first diffraction order is reflected.
  • the reflection of the secondary radiation 7 results in the different spectral components. 2b shows this for example for the spectral component with the wavelengths ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the light of the wavelength ⁇ 1 of the secondary radiation is deflected to a lesser extent than the light of the wavelength ⁇ 2.
  • the wavelength ⁇ 1 is therefore greater than the wavelength ⁇ 2.
  • the spectral components of different wavelengths can be detected by several detectors of the evaluation unit 10.
  • FIG. 3 shows a diffraction grating 20 with a plurality of grooves 21, each of which has a different grating spacing d (n) from one another.
  • the grooves 21 have a curved course, the. Curvature is selected according to the beam incidence angle.
  • the associated deflecting mirror 2 is consequently designed in its reflection region having the diffraction grating 20 as a Fresnel zone plate, which focuses the reflected spectral components of the secondary radiation. With such a design of the deflecting mirror 2, it is not necessary to use a converging lens 9.
  • the secondary radiation 7 reflected by a converging lens 9 or a Fresnel zone plate or its respective spectral component, characterized by the wavelengths ⁇ 1, ⁇ 2 etc., are dipped and focused according to FIG. 1 onto a plurality of, in each case separate, detectors 11 of the evaluation unit 10 the Fig.1, 4 is symbolized by the arrowheads 17.
  • the individual detectors 11 emit signals corresponding to the secondary radiation components, which can be used in a conventional manner to display and / or regulate the process.
  • Use is made of the fact that the different spectral components of the secondary radiation can be assigned to different processes at the processing point, for example plasma formation, the humping effect or a weld point formation, for example through-welding or pore formation.
  • FIG. 4 shows one for retrofitting one Processing optics 18 suitable device, from which a laser beam 1 irradiated in the direction 14 with the wavelength ⁇ co2 is deflected by a deflecting mirror 16 to a mirror 2 provided with a diffraction grating 20, which is aligned parallel to the direction 14. From this mirror 2, the laser beam 1 is directed onto a further deflecting mirror 16, which deflects the laser beam 1 back in the direction 14.
  • the secondary radiation incident in the opposite direction 14 is deflected by the diffraction grating 20 from the path of the laser beam 1, specifically onto a converging lens 9, which focuses the secondary radiation onto an evaluation unit 10 in the manner described for FIG.
  • the secondary radiation is deflected by the diffraction grating 20 into a region between the beam path section 22 incident on the mirror 2 and the beam path section 23 emanating from the mirror 2.
  • This enables good use of the processing optics 18 or the measuring optics to be retrofitted with such optics, that is to say to be arranged between the laser and the processing optics 18, for the secondary radiation according to FIG. 4.
  • the secondary radiation is used for monitoring, which is returned into the beam path of the laser beam by the last optical element of the processing optics in the direction of the laser beam. However, this is not absolutely necessary.
  • the device is used to measure and monitor the laser radiation at the processing point of the laser without the laser beam used for processing being impaired.

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Abstract

Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung bearbeiteten Werkstücken (6), insbesondere CO2-Laserstrahlung, mit einer den Laserstrahl (1) auf die Bearbeitungsstelle (17) lenkenden, insbesondere fokussierenden Bearbeitungsoptik (18), und mit einem im Strahlengang des Laserstrahls (1) angeordneten strahlungsreflektierenden Spiegel (2), von dem zumindest ein Anteil einer von der Bearbeitungsstelle (17) in die Bearbeitungsoptik (18) abgestrahlten Sekundärstrahlung (7) einer diese Strahlung (7) vorzugsweise während der Bearbeitung analysierenden Auswertungseinheit (10) zugelenkt ist. Um die Sekundärstrahlung auch bei mit hoher Leistung erfolgender Laserbearbeitung mit einfachen Mitteln problemlos analysieren zu können, wird die Vorrichtung so ausgebildet, daß der strahlungsreflektierende Spiegel (2) im Reflexionsbereich (19-19) für den Laserstrahl (1) mit einem Beugungsgitter (20) versehen ist , das eine vorbestimmte Beugungsordnung der Sekundärstrahlung (7) auf die Auswertungseinheit (10) lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.

Description

Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrah- lung bearbeiteten Werkstücken
Technisches Gebiet
Die Erfindung beziehr sich auf eine Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung bearbeiteten Werkstücken, insbesondere CO2-Laserstrahlung, mit einer den Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle lenkenden, insbesondere fokussierenden
Bearbeitungsoptik, und mit einem im Strahlengang des Laserstrahls angeordneten strahlungsreflektierenden Spiegel, von dem zumindest ein Anteil einer von der Bearbeitungsstelle in die Bearbeitungsoptik abgestrahlten Sekundärstrahlung einer diese Strahlung vorzugsweise während der Bearbeitung analysierenden Auswertungseinheit zugelenkt ist.
Stand der Technik
Bei der Bearbeitung von Werkstücken wird deren Werkstoff je nach Bearbeitungsprozeß durch Wärmeeinkopplung beeinflußt. Der Werkstoff strahlt die eingekoppelte Wärmeenergie zum Teil zurück. Diese zurückgestrahlte sogenannte Sekundärstrahlung ist abhängig von der Art des Prozesses, wie er beim Schweißen, Schneiden, Abtragen, Härten oder ümschmelzen durchgeführt wird, und auch abhängig vom Werkstoff, der beispielsweise metallisch, organisch oder anorganisch sein kann. Die Sekundärstrahiung ist entweder kontinuierlich, z.B. bei einer nicht schmelzebildenden Aufheizung des Werkstücks oder diskret, z.B. durch Flasmabil dung. Auch Prozeßfehler beeinträchtigen die Sekundärstrahlung, z.B. Schweißaussetzer, Leistungsabfall des Lasers oder Linsenverschmutzung. Die Sekundärstrahlung ist dementsprechend jeweils unterschiedlich stark und/oder unterschiedlich spektral zusammengesetzt. Sie kann daher dazu benutzt werden, die sie beeinflussenden, vorgenannten Ursachen zu ermitteln, um dementsprechend in den Bearbeitungsprozeß regelnd eingreifen zu können. Ein solches Messen und Eingreifen kann insbesondere gleichzeitig mit der Bearbeitung erfolgen, was bei verschiedenen Prozessen besonders wichtig ist, um ein gutes Eearbeitungsergebnis zu erreichen. Beispielsweise ist während der Bearbeitung eine Analyse des Laserstrahischweißens und dessen Regelung insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Schweißen mit Hilfe eines laserstrahlinduzierten Schweißolasmas erfolgt, dessen Ausprägung und zeitliche Fluktuation die Qualität des Schveißergebnisses hinsichtlich Durunschweißungsgrad, Porenbiidung, Bearbeitungsunterbrechung, Humpingeffekt usw. charakterisiert.
Ähnliches gilt für das Laseretrahischneiden . Aber auch die thermische Oberflächenbehandlung durch Laserstrahlung, wie das Umwandlungshärten, das Umschmelzen, das Dieuergieren oder das Beschichten ist derart kritisch, daß ein gutes Eearbeitungsergebnis häufig nur dann zu erreichen ist, wenn während des Prozesses geregelt werden kann, so daß unerwünschte komplexe
Strukturen, wie lokale Anschmelzungen der Cberflächenkonturen, vermieden werden können.
Es ist allgemein bekannt, bei der Laserstrahlbearbeitung von Werkstücken während der Bearbeitung Detektoren einzusetzen, beispielsweise Fotodioden, welche verschiedene blaue und infrarote Spektralanteile der vom laserstrahlinduzierten Schweißplasma ausgehenden Sekundärstrahlung auswerten. Die Detektoren müssen neben der Bearbeitungsoptik angeordnet und exakt auf die Bearbeitungsstelle ausgerichtet werden. Daraus ergeben sich Platzprobleme, weil zusätzliche Zuführungs- und Befestigungseinrichtungen der Diagnostikgeräte erforderlich sind, ferner Justageprobleme und Verschmutzungsgefahr durch Schweißepritzer, Dämpfe und Zusatzwerkstoffe sowie mangelnde Flexibilität der gesamten optischen Einrichtung bei kombinierten oder dicht nacheinander durchzuführenden Verfahren, wie Schneiden,
Schweißen, ümschmelzen und Vergüten mit Laserstrahlung. Erheb lieh sind auch die Anforderungen an die Nachführung des Detektors, um zu einer exakten Messung der Sekundärstrahlung zu kommen.
Eine Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ermöglicht es, den Bearbeitungsprozeß durch die Bearbeitungsoptik zu beobachten, so daß die vorgenannten, durch eine Anordnung des Detektors neben der Bearbeitungsoptik gegebenen Nachteile entfallen. Der bei dieser bekannten Vorrichtung eingesetzte Spiegel ist eine allgemein bekannte Strahlteilungsplatte, nämlich eine ZnSe-Strahlteilungsplatte, mit der erreicht wird, daß der Laserstrahl bis auf einen geringen, der Strahlanalyse dienenden Anteil reflektiert wird, während die ebenfalls auf den Spiegel treffende Sekundärstrahiung weit weniger reflektiert wird, weil sie eine von der Wellenlänge der verwendeter. Laserstrahiung abweichende Wellenlänge hat, für die die Reflexionsfähigkeit des Spiegels weit geringer ist, als für die Laserstrahiung. Diese bekannte Vorrichtung ist noch verbesserungefähig, weil der eingesetzte Strahlungsteiler zumindest für einige Wellenlängen der Sekundärstrahlung noch ein erhebliches Reflexionsvermögen hat, so daß die Detektion und die Auswertung dieser Sekundärstrahlanteile erheblich erschwert ist. Außerdem hat die bekannte Strahlteilungsplatte die allgemein bekannten Nachteile, insbesondere ist sie für höhere Strahlungsintensitäten nur begrenzt einsetzbar.
Ferner ist es aus der DE 36 23 409 AI bekannt, Umlenkspiegel zu verwenden, die mit Bohrungen zum Ausblenden von Sekundärstrahlung so versehen sind, daß letztere auf Detektoren treffen kann, mit denen die Bearbeitungsoptik im Sinne einer Minimierung der Sekundärstrahlung verfahren werden kann. Die zum Detektieren der Sekundärstrahlung erforderlichen Bohrungen sind vergleichsweise zahlreich, so daß sich dementsprechend ein Flächenanteil der gesamten reflektierenden Spiegelfläche ergibt, der nicht dazu benutzt werden kann, um den Laserstrahl umzulenken. Es sind infolgedessen diffuse Reflexionen der Laseretrahlung sowie auf diesen und der Erwärmung des Umlenkspiegels beruhende Verluste in Kauf zu nehmen. Die vorbekannte Vorrichtung hat darüber hinaus den grundsätzlichen Nachteil, daß ihr teilreflektierender Spiegel die Strahlungsteilung des Laserstrahls und die Strahlungsteilung der von der Bearbeitungsstelle zurückgestrahlten Sekundärstrahlung miteinander koppelt, was nicht im Sinne einer optimalen Systemauslegung ist, weil beispielsweise eine Strahlanalyse mit dem vom Teilungsspiegel ausgekoppelten Strahlanteil nicht ausreichend oder unzweckmäßig sein kann.
Darstellung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie eine Überwachung der Bearbeitungsstelle ohne Beeinträchtigung der zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahlung ermöglicht, wobei die infolge der Beobachtung der Bearbeitungsstelle durch das für die Laserstrahlung verwendete optische System gegebenen Vorteile erhalten bleiben sollen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der strahlungsreflektierende Spiegel im Reflexionsbereich für den Laserstrahl mit einem Beugungsgitter versehen ist, das eine vorbestimmte Beugungsordnung der Sekundärstrahlung auf die Auswertungseinheit lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.
Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der Strahlungsreflektierende Spiegel mit einem Beugungsgitter versehen ist, mit dem die Sekundärstrahlung ohne Beeinflussung der Laserstrahlung abgelenkt werden kann. Das Beugungsgitter kann in Verbindung mit herkömmlichen Spiegelgestaltungen verwendet werden, die sich insbesondere auch bei hohen Laserleistungen bewährt haben, beispielsweise bei Metallspiegeln. Die Metallspiegel sind thermisch, hoch belastbar und bei ihnen können die Beugungsgitter ohne erheblichen Aufwand hergestellt werden. Es ist auch nicht erforderlich, die Spiegel mit Bohrungen oder dergleichen komplizierten Formgebungen auszubilden, um damit Sekundärstrahlung messen zu können. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung die Strahlwege des CO2-Laserstrahls und der vom Werkstück emittierten Sekundärstrahlung ungeachtet des Bearbeitungsverfahrens und der Bearbeitungsgeometrie stets gleich bleiben, wird exakt die Bearbeitungsstelle ausgemessen, also die Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß das Beugungsgitter eines einzigen Spiegels einen die erste oder zugleich auch eine auf eine andere Frequenz bezogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung reflektierenden Gitterabstand aufweist, und daß die Auswertungseinheit in der durch die Beugungsanordnung bestimmten Reflexionsrichtung angeordnet ist. Infolgedessen ergibt sich eine spektralmäßige Zerlegung der Sekundärstrahlung, bei der also deren Spektralanteile in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Diese Zerlegung der kurzwelligen Sekundärstrahlung nach dem Spektrographenprinzip ermöglicht es also bei entsprechender Auslegung des Beugungsgitters, die gewünschten Spektralanteile ohne weiteres herauszufiltern und durch entsprechend angeerdnete Detektoren der Auswertungseinheit getrennt aber gleichzeitig registrieren zu können. Damit erübrigt sich die bei den bekannten Vorrichtungen erforderliche spektrale Zerlegung der Sekundärstrahlung durch Einsatz von Filtern oder Strahlteilern, was bekanntlich mit Strahlungsverlusten verbunden ist und daher das Detektieren erschwert. Auch bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist der mit dem Beugungsgitter versehene Spiegel ein in derselben Weise einfaches Bauteil. Wenn das Beugungsgitter so ausgebildet ist, daß es infolge seines Gitterabstandes zugleich auch eine auf eine andere Frequenz bezogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung reflektiert, so wird dadurch erreicht, daß derselbe Strahlungsreflektierende Spiegel zum Auskoppeln von Sekundärstrahlung dieser anderen Frequenz benutzt werden kann, also ohne Spiegelumbau.
Das Beugungsgitter des Spiegels ist von einem Strichgitter gebildet, das aus einer Vielzahl äquidistanter Rillen besteht. Der Rillenabstand wird auf denjenigen Wellenbereich der polychromatischen Sekundärstrahlung abgestimmt, der vornehmlich detektiert werden soll. Außerdem wird dieser Abstand so gewählt, daß eine Ablenkung der Laserstrahlung von der vorgesehenen Strahlrichtung nicht erfolgt. Vorteilhafterweise ist die Verrichtung so ausgebildet, daß das Beugungsgitter bei CO2-Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2 μm wirksam ist. Gegenüber diesen Bereich ist die Wellenlänge des CO2-Laserstrahls mit λ = 10, 6 μm mindestens um den Faktor 10 größer als die detektierte Sekundärstrahlung. Eine derartige Bemessung der Vorrichtung ist also für die CO2-Hochleistungslaser besonders geeignet. Gerade derartige Hochleistungslaser bedürfen einer umfangreichen und exakten Kontrolle des Bearbeitungsbereichs.
Um die mit Hilfe des Beugungsgitters abgelenkte Sekundärstrahlung möglichst vollständig zu erfassen, ist die Verrichtung so ausgebildet, daß zwischen dem Spiegel und der Auswertungseinheit eine die vom Spiegel reflektierte Sekundärstrahiung auf einen oder mehrere Detektoren der Auswertungseinheit bündelnde Linse oder ein bündelnder Spiegel angeordnet ist. Die mehreren Detektoren werden dann eingesetzt, wenn eine Integr¬- tion von Strahlung einer einzigen Wellenlänge erfolgen soll, oder wenn Sekundärstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen diesen Weilenlängen entsprechend separat ausgemessen werden soll. In letzterem Fall kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß unterschiedlichen Spektraianteilen der vom Spiegel reflektierten Sekundärstrahlung separate Detektoren zugeordnet sind, deren den Spektralanteilen entsprechende Signale der gewünschten Prozeßsteuerung entsprechend auswertbar sind.
Wenn die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß das Beugungsgitter des Spiegels von einem Strichgitter gebildet ist, das aus einer Vielzahl von Rillen besteht, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand voneinander und entsprechend dem Strahleinfallswinkel gekrümmten Verlauf haben, liegt eine Ausgestaltung des Beugungsgitters als fokussierende Fresnel-Zonenpiatte vor, die also als Sammellinse wirkt, so daß auf den Einsatz einer zusätzlichen Sammellinse verzichtet werden kann. Es ist also bei dieser Ausgestaltung der Verrichtung mit Hilfe eines einfachen Spiegelbauteiis möglich, eine Vielzahl von Detektcren mit unterschiedlichen Spektralanteilen der Sekundärstrahlung fokussiert zu beaufschlagen, was eine erhebliche Vereinfachung der Vorrichtung bedeutet.
Infolge der grundsätzlichen Einfachheit der Verrichtung kann auch erreicht werden, daß bereits in Betrieb befindliche Bearbeitungsoptiken auf einfache Weise umgebaut werden können, beispielsweise dadurch, daß der mit einem Beugungsgitter versehene Spiegel im Laserstrahlengang zwischen dem Laser und dessen Bearbeitungsoptik angeordnet ist, oder daß ein optisches Element der Bearbeitungsoptik durch ein mit einem Beugungsgitter versehenes optisches Element ersetzt wird.
Wenn im Strahlengang des Laserstrahls mehrere strahlungsreflektierende Spiegel mit jeweils unterschiedlichen Beugungsgittern angeordnet und einer Auswertungseinheit oder mehreren Einheiten zugeordnet sind, so läßt sich die von diesen Spiegeln reflektierte Sekundärstrahlung entsprechend mehrfach spektrographisch analysieren. Damit kann die Ausgestaltung der Vorrichtung im Einzelnen bzw. ihrer Suiegel und Auswertungseinheiten leichter an die jeweils gegebenen räumlichen Errordernisee angepaßt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
Fig.1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,
Fig.2a, 2b und Fig.3 Darstellungen zur grundsätzlichen Wirkung von mit Beugungsgittern versehenen Spiegeln, und
Fig.4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
In der Fig.1 ist eine herkömmliche Bearbeitungsoptik 18 dargestellt, in der ein vertikal einfallender Laserstrahl 1 von einem ersten Umlenkspiegel 2 horizontal auf einen zweiten, auf demselben Höhenniveau angeordneten Umlenkspiegel 3 gelenkt wird, von dem aus ein oberhalb dieses ümlenkspiegels 3 angeordneter Fokussierspiegel 4 den Laserstrahl 1 vertikal nach unten auf eine Bearbeitungsstelle 17 eines Werkstücks 6 lenkt. Ee versteht sich jedoch, daß unter dem Begriff Bearbeitungsoptik jedes den Laserstrahl auf seinem Weg vom Laser zur Eearbeitungsstelle irgendwie beeinflussende optische Element verstanden wird. Der Fokussierspiegel 4 bündelt den Laserstrahl 1 derart, daß dessen Fokus im Bereich der Bearbeitungssteile 17 liegt und dort ein Schweißprozeß durchgeführt werden kann. In Fig.1 ist ein Plasma 5 dargestellt, mit der die Energie des Laserstrahls 1 in das Werkstück 6 eincekoppelt wird. Statt eines Schweißprozesses kann mit der Bearbeitungsoptik auch ein anderer Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden, beispielsweise eine Härtung der Oberfläche des Werkstücks 6. Außer der
Bearbeitungsoptik 18 sind die für die Bearbeitungsprezesse desweiteren noch benötigten Einrichtungen vorhanden, wie Strahldüsen usw., die aber nicht dargestellt wurden. Die in das
Werkstück 6 eingekoppelte Energie des Laserstrahls 1 führt zur Erwärmung des Werkstücks 6 und beispielsweise zu der vorerwähnten Plasmabildung. Infolgedessen geht eine von der Bearbeitungsstelle 17 emittierte Sekundärstrahlung 7 aus, die durch die Austrittsöffnung 12 eines Gehäuses 13 der Bearbeitungsoptik 18 zurück in letztere gelangt und von den Spiegeln 2,3 und 4 auf der Bahn des Laserstrahls 1 zurückreflektiert wird.
Um die Sekundärstrahlung 7 zur Prozeßbecbachtung an der Bearbeitungsstelle 17 ausnutzen zu kennen, ist der Umlenkstitgel 2, oder in nicht dargesteilter Weise ein anderer Spiegel der Bearbeitungsoptik 18, mit einem Eeugungsgitter 20 versehen, welches die Sekundärstrahlung aus der Eahn des Laserstrahls 1 abzulenken erlaubt. Das Beugungsgitter 20 befindet sich aise im der Umlenkung des Laserstrahls 1 dienenden Reflexionsbereich 19-19 des Spiegels 2. Das Beugungsgitter 20 dieses Spiegels 2 ist ein Strichgitter, gebildet aus einer Vielzahl von Rillen 21. Die Form und die Tiefe dieser Rillen und ihr Abstand d sind so gewählt, daß von der einfallenden Laserstrahlung nur ein kleiner Teil diffus reflektiert werden kann. Die Energieverluste des Laserstrahls 1 in der Bearbeitungsoptik bzw. durch das Beugungsgitter 20 sind also gering.
Die vom Beugungsgitter 20 aus der Bahn des Laserstrahls 1 abgelenkte Sekundärstrahlung 7 gelangt zu einer Auswertungseinheit 10, der eine Sammellinse 9 vorgeordnet ist. Die Sammellinse 9 fokussiert die einfallende Sekundärstrahlung 7 auf einen Detektor 11 oder auf mehrere Detektoren der Auswertungseinheit 10, wobei ein Detektor 11 symbolisch als Fctcdicde dargestellt ist.
In Fig.2a ist das Beugungsgitter 20 mit einer Vielzahl äquidistanter Rillen 21 des Gitterabetands d dargestellt.
Fig.2b zeigt einen in der Richtung des Pfeils 14 auf einen Um lenkspiegel 2 gerichteten Laserstrahls 1 eines Kohlendioxidlasers mit der Wellenlänge λco2 = 10, 6 μm. Dieser Laserstrahl 1 wird ohne Beeinträchtigung durch das Beugungsgitter 20 vom Spiegel 2 reflektiert. In entgegengesetzter Richtung 15 gelangt Sekundärstrahlung 7 auf den Umlenkspiegel 2. Diese Sekundärstrahlung wird in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2 um ausgenutzt, das heißt vom Beugungsgitter 20 aus der gepunktet dargestellten Bahn abgelenkt. Unerwünschte Wellenlängenanteile, beispielsweise Reste direkt reflektierter KohlendioxidStrahlung bleiben unabgelenkt, können also das Meßergebnis nicht verfälschen.
Das Beugungsgitter 23 ist mit einem solchen Gitterabstand d ausgebildet, daß die erste Beugungsordnung reflektiert wird. Dabei ergibt sich bei der Reflexion eine Zerlegung der Sekundärstrahlung 7 in die unterschiedlichen Spektralanteile. Fig.2b stellt dies beispielsweise für die Spektralanteiie mit den Wellenlängen λ1 und λ2 dar. Das Licht der Wellenlänge λ1 der Sekundärstrahlung wird in geringerem Maße abgelenkt, als das Licht der Wellenlänge λ2. Die Wellenlänge λ1 ist daher größer als die Wellenlänge λ2. Die Spektralanteile unterschiedlicher Wellenlängen können von mehreren Detektoren der Auswertungseinheit 10 erfaßt werden.
Fig.3 zeigt ein Beugungsgitter 20 mit einer Vielzahl von Rillen 21, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand d (n) voneinander aufweisen. Außerdem haben die Rillen 21 einen gekrümmten Verlauf, wobei die. Krümmung dem Strahleinfallswinkel entsprechend gewählt ist. Der zugehörige Umlenkspiegel 2 ist infolgedessen in seinem das Beugungsgitter 20 aufweisenden Reflexionsbereich als Fresnel-Zonenplatte ausgebildet, die die reflektierten Spektralanteile der Sekundärstrahlung jeweils fokussiert. Bei einer derartigen Ausbildung des Umlenkspiegels 2 ist es nicht erforderlich, eine Sammellinse 9 zu verwenden.
Die durch eine Sammellinse 9 oder eine Fresnel-Zonenplatte reflektierte Sekundärstrahlung 7 bzw. ihre jeweiligen Spektralanteiie, gekennzeichnet durch die Wellenlängen λ1,λ2 usw., werden gemäß Fig.1 auf mehrere, jeweils separate Detektoren 11 der Auswertungseinheit 10 geienkt und fokussiert, was in den Fig.1, 4 durch die Pfeilspitzen 17 symbolisiert ist. Die einzelnen Detektoren 11 geben den Sekundärstrahiungsanteilen entsprechende Signale ab, die in herkömmlicher Weise zur Anzeige und/oder zur Regelung des Prozesses verwendet werden können. Dabei wird davon Gebrauch gemacht, daß die unterschiedlichen Spektralanteile der Sekundärstrahlung unterschiedlichen Vorgängen der Eearbeitungsstelle zugeordnet werden können, beispieisweise der Plasmabildung, dem Humpingeffekt oder einer Schweißstellenausbildung, beispielsweise dem Durchschweißen oder einer Porenbildung.
Bereits existierende Bearbeitungsoptiken können einfach nachgerüstet werden. Entweder wird ein bereits im Einsatz befindlicher Spiegel nachträglich mit einem Beugungsgitter 20 versehen, oder es wird ein mit einem Beugungsgitter versehener Spiegel 2 in den Strahlengang eines Laserstrahls eingefügt, zweckmäßigerweise zwischen den Laser und dessen Bearbeitungsoptik 18. Fig.4 zeigt eine solche zur Nachrüstung einer Eearbeitungsoptik 18 geeignete Einrichtung, von der ein in Richtung 14 eingestrahlter Laserstrahl 1 mit der Weilenlänge λco2 von einem Umlenkspiegel 16 auf einen mit einem Beugungsgitter 20 versehenen Spiegel 2 umgelenkt wird, der parallel zur Richtung 14 ausgerichtet ist. Von diesem Spiegel 2 wird der Laserstrahl 1 auf einen weiteren Umlenkspiegel 16 gelenkt, der den Laserstrahl 1 wieder in die Richtung 14 zurücklenkt. Die der Richtung 14 entgegengesetzt einfallende Sekundärstrahlung wird vom Beugungsgitter 20 aus der Bahn des Laserstrahls 1 abgelenkt, und zwar auf eine Sammellinse 9, welche die Sekundärstrahlung in zur Fig.1 beschriebenen Weise auf eine Auswertungseinheit 10 fokussiert.
Für die Ausbildung der Vorrichtung ist noch von Bedeutung, daß die Sekundärstrahlung durch das Beugungsgitter 20 in einen Bereich zwischen den auf den Spiegel 2 einfallenden Strahlengangabschnitt 22 und den vom Spiegel 2 abgehenden Strahlengangabschnitt 23 abgelenkt wird. Dies ermöglicht eine jeweils gute Raumausnutzung der Bearbeitungsoptik 18 bzw. der einer sclchen Optik nachzurüstenden, also zwischen Laser und Bearbeitungsoptik 18 anzuordnenden Meßoptik für die Sekundärstrahlung gemäß Fig.4. In den Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen worden, daß diejenige Sekundärstrahlung der Überwachung dient, die von dem in Richtung auf den Laserstrahl letzten optischen Element der Bearbeitungsoptik in den Strahlengang des Laserstrahls zurückgegeben wird. Das ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es ist vielmehr auch möglich, was insbesondere bei schräger Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl von Verteil wäre, ein besonderes optisches Element vorzusehen, mit dessen Hilfe vom Werkstück rückgestrahlte Sekundärstrahlung in den Strahlengang des Laserstrahls rückgekoppelt wird, um sie dort einem mit Beugungsgitter versehenen Spiegel zuzulenken.
Gewerbliche Verwertbarkeit
Die Vorrichtung dient zum Messen und Überwachen der Laserstrahlung an der Bearbeitungsstelle des Lasers, ohne daß es zu einer Beeinträchtigung des zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls kommt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung bearbeiteten Werkstücken (6), insbesondere CO2-Laserstrahlung, mit einer den Laserstrahl (1) auf die Bearbeitungsstelle (17) lenkenden, insbesondere fokussierenden Bearbeitungsoptik (18), und mit einem im Strahlengang des Laserstrahls (1) angeordneten Strahlungsreflektierenden Spiegel (2), von dem zumindest ein Anteil einer von der Bearbeitungsetelle (17) in die Bearbeitungsoptik (18) abgestrahlten Sekundärstrahlung (7) einer diese Strahlung (7) vorzugsweise während der Bearbeitung analysierenden Auswertungseinheit (10) zugelenkt ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der strahlungsref lektierende Spiegel (2) im Reflexionsbereich (19-19) für den Laserstrahl (1) mit einem Beugungsgitter (20) versehen ist, das eine vorbestimmte Beugungsordnung der Sekundärstrahiung (7) auf die Auswertungseinheit (10) lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Beugungsgitter (20) eines einzigen Spiegels (2) einen die erste oder zugleich auch eine auf eine andere Frequenz bezogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung (7) reflektierenden Gitterabstand (d) aufweist, und daß die Auswertungseinheit (10) in der durch die Beugungsanordnung bestimmten Reflexionsrichtung angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 cder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Beugungsgitter (20) des Spiegels (2) von einem Strichgitter gebildet ist, das aus einer Vielzahl äquidistanter Rillen (21) besteht.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Beugungsgitter (20) bei CO2-Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2 um wirksam ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem Spiegel (2) und der Auswertungseinheit (10) eine die vom Spiegel (2) reflektierte Sekundärstrahiung (7) auf einen oder mehrere Detektoren (11) der Auswertungseinheit (10) bündelnde Linse (9) oder ein bündelnder Spiegel angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Beugungsgitter (20) des Spiegels (2) von einem Strichgitter gebiidet ist, das aus einer Vielzahl von Rillen (21) besteht, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand d (n) voneinander und entsprechend dem Strahleinfallswinkel gekrümmten Verlauf haben.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß unterschiedlichen Spektralanteilen der vom Spiegel (2) reflektierten Sekundärstrahlung (7) separate Detektoren (11) zugeordnet sind, deren den Spektralanteilen entsprechende Signale der gewünschten Prozeßsteuerung entsprechend auswertbar sind.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der mit einem Beugungsgitter (20) versehene Spiegel (2) im Laserstrahlengang zwischen dem Laser und dessen Bearbeitungsoptik (18) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis
8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß im Strahlengang des Laserstrahls (1) mehrere strahlungsreflektierende Spiegel (2) mit jeweils unterschiedlichen Beugungsgittern angeordnet und einer Auswertungseinheit
(10) oder mehrere Einheiten zugeordnet sind.
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