DE102017115486A1

DE102017115486A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses

Info

Publication number: DE102017115486A1
Application number: DE102017115486.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dünzkofer; Robert Schröder
Original assignee: Messer Cutting Sys GmbH; Messer Cutting Systems GmbH
Current assignee: Messer Cutting Sys GmbH; Messer Cutting Systems GmbH
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2018-12-06
Also published as: WO2018219860A1

Abstract

Bei einem bekannten Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses wird ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet, gestreutes Laserlicht als Streulicht erfasst, und eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses anhand der erfassten Streulicht-Intensität identifiziert. Um davon ausgehend ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, das gestreute Laserstrahlung zur Identifizierung des aktuellen Prozesszustandes bei der Laserbearbeitung verwendet, und das eine zuverlässige Prozesskontrolle insbesondere zur Durchsticherkennung gewährleistet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Streulicht unterhalb des Werkstücks erfasst und zur Identifizierung der Zustandsänderung ausgewertet wird.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, wobei ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet, gestreutes Laserlicht als Streulicht erfasst, und eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses anhand der erfassten Streulicht-Intensität identifiziert wird.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, mit einem Laserschneidkopf zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein Werkstück, mit einem optischen Sensor zur Erfassung von gestreutem Laserlicht als Streulicht, und mit einer Auswerte- und Regeleinheit, mittels der die Streulicht-Intensität ausgewertet und in Abhängigkeit davon eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses identifizierbar ist.
Das Laser-unterstützte thermische Schneiden von Werkstücken erfolgt in der Regel durch kombinierten Einsatz eines fokussierten Laserstrahls und eines Gasstrahls. Dabei wird zwischen Laserstrahl-Schmelzschneiden, Laserstrahl-Verdampfungsschneiden oder Laser-Brennschneiden unterschieden. Es werden Hochleistungslaser, insbesondere CO₂-, Faser-, Scheiben- und Diodenlaser eingesetzt, wobei überwiegend zirkular polarisierte oder unpolarisierte Laserstrahlung verwendet wird, um eine Richtungsabhängigkeit im Absorptionsverhalten bei Konturschnitten zu vermeiden.
Der vom Laser emittierte Laserstrahl wird mittels einer Optik oder mittels Lichtleitfasern, die in einem Faserkabel gebündelt sind, zu einem Laserbearbeitungskopf geleitet. Dabei wird er gegebenenfalls über eine Kollimator-Optik parallelisiert und einer Fokussierungsoptik zugeführt, welche den parallelen Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert. Beim Schneiden des Werkstücks wird der Laserbearbeitungskopf entlang einer vorgegebenen Schnittkontur relativ zu dem in einer Bearbeitungsebene angeordneten Werkstück bewegt.
Stand der Technik
Vor dem eigentlichen Laserschneidprozess wird in einem sogenannten Einstech- oder Durchstechvorgang ein erstes Loch in dem Werkstück erzeugt. Problemtisch ist dabei die Erkennung des erfolgten Durchstichs. Bei einem von Hand programmierten Einstechvorgang sind für jede spezifische Konstellation von Werkstückart und -dicke die Einstechparameter einschließlich der typischen Einstechdauer in einer Datenbank hinterlegt. Dabei muss jedoch aufgrund nicht vorhersehbarer Materialabweichungen und Veränderungen im Prozess die Einstechdauer mit einem zeitlichen Sicherheitspuffer versehen werden, der die Gesamtzeit zur Bearbeitung verlängert und trotz eigentlich beendetem Einstechvorgang unnötigerweise weitere Prozessenergie in das Werkstück einleitet.
Diesen Nachteil vermeiden Einrichtungen zur automatischen Erkennung des erfolgten Durchstichs. Diese Einrichtungen verfügen über thermische oder photoempfindliche Sensoren im Strahlgang oberhalb der Schneiddüse. Gemessen wird dabei das Prozesslicht, welches vom Einstechort beim Einstechvorgang emittiert wird, oder das Laserlicht, welches vom Einstechort reflektiert wird. Überschreitet die gemessene Lichtintensität einen Schwellwert wird dies beispielsweise als Abschluss des Einstechvorgangs interpretiert.
Diese Messdaten können auch Aufschluss über die Qualität der Bearbeitung und auf den aktuellen Zustand anderer charakteristischer Parameter des Laserbearbeitungsprozesses geben und daher für die Überwachung und Regelung des Schneidprozesses verwendet werden. Neben der Ermittlung des eigentlichen Durchstechzeitpunkts sind solche weiteren Parameter beispielsweise die Leistungsregelung beim Einstechprozess, die Kantenfindung, das Erkennen eines Schnittabrisses oder von Plasmabildung oder die Durchgängigkeit (Qualität) der Schnittfuge.
So schlägt beispielsweise die US 9,427,823 B2 , aus der eine Vorrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß der eingangs genannten Gattung bekannt sind vor, die Schnittqualität zu kontrollieren, indem die beim Laserschneidprozess von der Bearbeitungsstelle des Werkstücks zurückgestreute Laserstrahlung mittels eines optischen Sensors erfasst und für die Regelung des Schneidprozesses ausgewertet wird. Die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts ist geringer, wenn die Schnittfüge vollständig durch das Werkstück geht. Um den Abtransport von Schlacke zu optimieren, werden die Frequenz beziehungsweise der Druck von beim Schneidprozess verwendeten Gaspulsen mittels einer Steuerungseinrichtung so angepasst, dass die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts einen minimalen Wert annimmt. Der optische Sensor ist in einem seitlich am Laserschneidkopf angebrachten Gehäuse untergebracht, das eine Öffnung zum Laserstrahlengang hat, durch die das zurückgestreute Laserlicht auf den Sensor umgelenkt wird.
Technische Aufgabenstellung
Der Einbau derartiger optischer Sensoren erfordert einen gewissen Bauraum. Darüber hinaus sind die Sensoren entweder in der Nähe des Werkstücks angeordnet, so dass sie unter Trennbedingungen hohen thermischen Beanspruchungen oder Verschmutzung etwa durch den Einstechprozess ausgesetzt sind oder sie sind in großem Abstand zum Trennprozess angeordnet, was zu einem ungünstigen Signal/Rauschverhältnis führt, so dass das Signal des Sensors in der Regel verstärkt werden muss. Des Weiteren haben optische Sensoren den Nachteil, dass es Einflussfaktoren im Strahlgang gibt, die das Sensor-Signal verändern, beispielsweise der Düsendurchmesser. Gegebenenfalls müssen die Aperturen im Laserbearbeitungskopf größer dimensioniert werden als ansonsten notwendig. Diese Vorrichtungen sind aufwändig, empfindlich und teuer.
Je dicker das Werkstück, desto schwieriger und unzuverlässiger werden die Überwachung des Einstechvorganges und die der Schnittfugenqualität, da das Einstechloch beziehungsweise die Schnittfuge tiefer werden und weniger Prozesslicht beziehungsweise Laserstrahlung nach oben auf den Sensor gelangt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, das gestreutes Laserlicht zur Identifizierung des aktuellen Prozess-Zustandes bei der Laserbearbeitung verwendet, dabei aber die obigen Nachteile verringert und das eine zuverlässige Prozesskontrolle, insbesondere zur Durchsticherkennung gewährleistet.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache konstruktiv wenig aufwändige und dennoch betriebssichere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Streulicht unterhalb des Werkstücks erfasst und zur Identifizierung der Zustandsänderung ausgewertet wird.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Streulicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks, und gegebenenfalls unterhalb einer etwaigen Werkstückauflage erfasst, und die dort ermittelte Streulicht-Intensität beziehungsweise deren zeitliche Veränderung wird für die Identifizierung einer Zustandsänderung im Laserbearbeitungsprozess herangezogen. Dabei wird nicht nur das am Werkstück unmittelbar gestreute Laserlicht erfasst, sondern insbesondere auch das Laserlicht, das ein Einstichloch, eine durchgängige Schnittfuge oder eine Werkstückkante zunächst unbeeinflusst passiert und dann in einem Arbeitsbereich unterhalb des Werkstücks gestreut wird, beispielsweise in einem sogenannten „Arbeitstisch“.
Ein zur Erfassung des Streulichts erforderlicher Sensor ist dabei nicht unmittelbar dem Laserschneidkopf zugeordnet oder darin integriert, so dass diese Maßnahme im Folgenden auch als kurz als „externe Streulichterfassung“ bezeichnet wird. Im Unterschied dazu erfolgt bei der aus dem Stand der Technik bekannten „internen Streulichterfassung“ die Messung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks und einer etwaigen Werkstückauflage.
Die externe Streulichterfassung ersetzt die interne Streulichterfassung oder sie ergänzt sie. Im Ergänzungsfall können Messung und Auswertung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks mit weniger apparativem Aufwand erfolgen. Im Ersetzungsfall entfällt dieser Aufwand vollständig. Da die externe Streulichterfassung mittels eines Sensors erfolgen kann, der nicht direkt in den Laserschneidkopf integriert ist, unterliegt dieser Sensor weniger den oben erwähnten Beschränkungen und Belastungen hinsichtlich Baugröße, Messabstand, Verschmutzung und Temperatur, was zu einem günstigen Signal/Rauschverhältnis führen kann. Außerdem unterliegt das Messergebnis bei der externen Streulichterfassung keinem direkten Einfluss von geführter oder reflektierter Laserstrahlung im Strahlgang, so dass die Optiken im Laserbearbeitungskopf vergleichsweise klein dimensioniert werden können.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Streulicht-Erfassungsbereich unterhalb des Werkstücks. Dort wird das Streulicht kontinuierlich, in regelmäßigen Zeitabständen oder bei Bedarf erfasst. Dabei kann eine allmähliche Drift der Streulicht-Intensität oder eine rapide Veränderung detektiert werden. In beiden Fällen wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Obergrenze oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Untergrenze (beides wird im Folgenden auch unter dem Begriff „Schwellwerterkennung“ zusammengefasst) angenommen, dass ein bestimmter mit der Streulicht-Intensität korrelierter Prozess-Zustand eingetreten ist.
Anstelle der oder ergänzend zur Streulicht-Intensität kann auch eine daraus abgeleitete Messgröße festgestellt oder ausgewertet werden, wie etwa die zeitliche Veränderung, eine mathematische Ableitung des zeitlichen Verlaufs des Intensitätssignals oder die Differenz zwischen dem aktuellen Intensitätssignal und einem permanent aktualisierten, zeitlich gemittelten Intensitätswert. Die Schwellwerterkennung auf Basis derartiger abgeleiteter Messgrößen erlaubt insbesondere eine schnellere und genauere Erfassung plötzlich eintretender Ereignisse, wie etwa ein Durchstich oder das Treffen des Laserstrahls an einer Werkstückkante.
Der Laserbearbeitungsprozess gemäß der Erfindung ist beispielsweise die Prozessphase zur Erzeugung eines Durchstichs in dem zu bearbeitenden Werkstück. Der erzeugte Durchstich ergibt hierbei die zu identifizierende Zustandsänderung. Im Fall eines erkannten Durchstichs wird beispielsweise der Energieeintrag in den Einstichkrater verändert oder gestoppt. Die erkannte Zustandsänderung kann zu einer Bedienermeldung führen, um dem Bedienpersonal optisch oder akustisch die veränderten Bedingungen anzuzeigen, so dass bei einer Fehlinterpretation manuell eingegriffen werden kann. Danach beginnt der eigentliche Laserschneidprozess, bei dem die Bewegungsrichtung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserschneidkopfes relativ zur Werkstück-Oberfläche sowie die Laserenergie- und Gasparameter an den Schneidvorgang angepasst werden..
Da Streulicht das Werkstück nur nach erfolgtem Durchstich durchdringen kann, wird gegebenenfalls ein rapider Anstieg der Streulicht-Intensität im Bereich unterhalb des Werkstücks detektiert, so dass ein eindeutiger, reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Verlauf der Streulicht-Intensität und dem Durchstich gegeben ist. Das so erhaltene Auswertungssignal weist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf, was es beispielsweise auch ermöglicht, einen Durchstich frühzeitig, vorzugsweise noch in seiner Entstehung, zu erkennen.
Da die zeitliche Veränderung der Streulicht-Intensität bei erfolgtem Durchstich nahezu unabhängig von der Materialart und der Werkstück-Dicke ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Werkstücken mit größeren Materialstärken von beispielsweise mehr als 10 mm uneingeschränkt einsatzbar.
Abgesehen von der Durchsticherkennung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Phasen des Laserbearbeitungsprozesses vorteilhaft einsetzbar, bei denen es zu einer allmählichen und insbesondere zu einer plötzlichen Veränderung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks kommt. Als Beispiel dafür seien die Erkennung eines Schnittabrisses oder das Detektieren von Werkstoffkanten genannt. Im erstgenannten Fall ist der Abriss des Schneidstrahls die zu identifizierende Zustandsänderung, und im zweitgenannten Fall ist es die Positionierung des Abtastlaserstrahls für die Kantenfindung außerhalb der Werkstückkontur.
Die Erfassung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgt mittels einer Streulicht- Erfassungseinrichtung oder mittels mehrerer Streulicht-Erfassungseinrichtungen. Jede der Erfassungseinrichtungen ist mit mindestens einem photoempfindlichen optischen Sensor ausgestattet. Das Streulicht kann unmittelbar auf den Sensor auftreffen, wenn dieser im Erfassungsbereich für das gestreute Laserlicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet ist. Das Streulicht kann aber auch über optische Leitmittel, wie etwa eine Lichtleitfaser, ein Lichtleitfaserkabel oder eine Abbildungsoptik auf einen Sensor übertragen werden, der gegebenenfalls innerhalb oder außerhalb des Erfassungsbereichs angeordnet sein kann. Um Störeinflüsse durch Umgebungslicht und Prozessstrahlung möglichst gering zu halten, haben sich folgende Maßnahmen bewährt, die einzeln oder vorzugsweise in beliebiger Kombination miteinander verwirklicht sein können:

1. Das unterhalb der Werkstückauflage gestreute Laserlicht wird mittels mindestens einer optisch weitgehend abgeschirmten Erfassungseinrichtung erfasst. Das heißt, die Streulicht-Erfassungseinrichtung wird im Streulicht-Erfassungsbereich weitgehend optisch abgeschirmt, zum Beispiel, indem sie in einer Kammer untergebracht wird, die nur eine einzige Lichtöffnung zum Streulicht-Erfassungsbereich aufweist.
2. Die Streulicht-Intensität wird in einem Wellenlängenbereich erfasst, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig umfasst, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das photosensitive Element des optischen Sensors so beschaffen ist, dass seine maximale Empfindlichkeit innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, in dem auch die zu erwartende Wellenlänge des Streulichts liegt. Diese entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers.
Oder alternativ oder ergänzend dadurch, dass die Streulicht- Erfassungseinrichtung mit einem optischen Filter ausgestattet wird, der für Strahlung mit einer Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers durchlässig ist und Strahlung anderer Wellenlängenbereiche im Wesentlichen blockiert.
Die mindestens eine Streulicht-Erfassungseinrichtung ist im Streulicht-Erfassungsbereich ortsfest oder beweglich angeordnet. Im Fall einer ortsfesten Anordnung sind vorzugsweise mehrere Streulicht-Erfassungseinrichtungen im Streulicht-Erfassungsbereich verteilt.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird mindestens eine Erfassungseinrichtung für das Streulicht entlang einer Bewegungsachse dem Laserstrahl nachgeführt. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der mittels eines Maschinenportals bewegt wird, und wobei die mindestens eine Erfassungseinrichtung synchron zur Bewegung des Maschinenportals bewegt wird.
Die Erfassungseinrichtung ist zu diesem Zweck beispielsweise am Maschinenportal montiert. Durch die uniaxiale, reversierende Nachführung des Streulicht- Erfassungseinrichtung kann der Abstand zwischen dem Laserstrahl und der Erfassungseinrichtung so gering wie möglich gehalten werden. Dadurch wird erreicht, dass die erfasste Streulicht-Intensität möglichst wenig von diesem Abstand beeinflusst wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für eine Phase des Laserbearbeitungsprozesses besonders gut geeignet, die als „Kantenfindung“ bezeichnet wird. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der mittels eines Maschinenportals bewegt wird, und wobei der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase der Erkennung einer Werkstückkante umfasst.
Bei der Kantenfindung oder Kantenerkennung wird der Laserstrahl über eine Werkstückkante verfahren. Die Verfahrbewegung erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückkante. Um das Werkstück so wenig wie möglich zu verletzen und im besten Fall nur geringe oder gar keine Markierspuren zu hinterlassen, wird mit möglichst geringer effektiver Laserleistung gearbeitet. Die geringe effektive Leistung wird von der Streulichterfassungseinrichtung dennoch gut erkannt. Der Anstieg beziehungsweise der Abfall des Messsignals zeigt entsprechend der dazu korrelierenden Maschinenkoordinate die Position der Werkstückkante und somit bei Messung von mehreren Punkten die Position und Lage des Werkstückes.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Phase des Laserbearbeitungsprozesses besonders gut geeignet, bei der die Qualität der vom Laserstrahl erzeugten Schnittfuge und ein etwaiger Abriss des Laserstrahls überwacht wird. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der entlang einer vorgegebenen Schnittkontur bewegt wird und dabei in der Schnittkontur eine Schnittfuge erzeugt, wobei der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase umfasst, während der die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder der Energieeintrag in die Schnittfuge in Abhängigkeit von der erfassten Streulicht-Intensität eingestellt wird.
Die Stellgröße der Prozessregelung in dieser Phase des Laserbearbeitungsprozesses ist somit die Bewegungsgeschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage, Abstand zwischen Laserkopf und Werkstück, der Gasdruck und/oder der Energieeintrag in die Schnittfuge in Abhängigkeit von der erfassten Streulicht-Intensität.
Im einfachsten Fall wird der Laserschneidprozess gestoppt und eine Meldung ausgegeben. Die Schnittkontur kann an der Position des Schnittabrisses auch wiederholt überfahren werden, oder die Geschwindigkeit wird kurzzeitig reduziert.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine optische Einrichtung zur Erfassung von Streulicht unterhalb des Werkstücks vorgesehen ist, die mit der Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine „externe Streulichterfassung“ ausgelegt, wie sie oben anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben ist. Die Vorrichtung ist zur Durchführung dieses Verfahrens besonders gut geeignet.
Bei der externen Streulichterfassung wird das Streulicht unterhalb des Werkstücks beziehungsweise unterhalb einer Werkstückauflage erfasst, und die dort ermittelte Streulicht-Intensität beziehungsweise deren zeitliche Veränderung oder eine damit korrelierte Messgröße wird der Auswerte- und Regeleinheit übermittelt. Auf Basis der Streulicht-Intensitätsmessung wird eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses kontinuierlich, in regelmäßigen Abständen oder bei Bedarf identifiziert.
Die externe Streulichterfassung ersetzt die interne Streulichterfassung oder sie ergänzt sie. Im Ergänzungsfall können Messung und Auswertung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks mit weniger apparativem Aufwand erfolgen. Im Ersetzungsfall entfällt dieser Aufwand vollständig. Da die externe Streulichterfassung mittels eines Sensors erfolgen kann, der nicht direkt in den Laserschneidkopf integriert ist, unterliegt dieser Sensor weniger den oben erwähnten Beschränkungen und Belastungen hinsichtlich Baugröße, Messabstand, Verschmutzung und Temperatur, was zu einem günstigen Signal/Rauschverhältnis führen kann. Außerdem unterliegt das Messergebnis bei der externen Streulichterfassung keinem direkten Einfluss von geführter oder reflektierter Laserstrahlung im Strahlgang, so dass die Optiken im Laserbearbeitungskopf vergleichsweise klein dimensioniert werden können.
Bei der externen Streulichterfassung liegt der Streulicht-Erfassungsbereich in der Regel unterhalb einer Werkstückauflage, beispielsweise einem sogenannten Schneidgitter. Dabei kann eine allmähliche Drift der Streulicht-Intensität oder eine rapide Veränderung detektiert werden. In beiden Fällen wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Obergrenze oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Untergrenze angenommen, dass ein bestimmte mit der Streulicht-Intensität korrelierte Änderung eines Prozesszustandes eingetreten ist.
Gegebenenfalls kann darauf die Steuer- und Regeleinheit reagieren, indem ein Parameter verändert oder ein charakteristischer Parameterwert gespeichert wird, wie etwa der aufgefundene Positionswert einer Werkstückkante.
Beispielsweise wird im Fall eines erkannten Durchstichs der Energieeintrag in den Einstichkrater verändert oder gestoppt oder die Bewegungsrichtung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserschneidkopfes relativ zur Werkstück-Oberfläche werden verändert. Der Energieeintrag in den Einstichkrater wird beispielsweise verändert, indem Fokuslage, Pulsfrequenz, Leistung und/oder Tastverhältnis des Lasers verändert werden. Da Streulicht das Werkstück nur nach erfolgtem Durchstich durchdringen kann, wird gegebenenfalls ein rapider Anstieg der Streulicht-Intensität im Bereich unterhalb des Werkstücks detektiert, so dass ein eindeutiger, reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Verlauf der Streulicht-Intensität und dem Durchstich gegeben ist. Das so erhaltene Auswertungssignal weist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf, was es beispielsweise auch ermöglicht, einen Durchstich frühzeitig, vorzugsweise noch in seiner Entstehung, zu erkennen.
Die zeitliche Veränderung der Streulicht-Intensität bei erfolgtem Durchstich ist nahezu unabhängig von der Materialart und der Werkstück-Dicke, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für das Schneiden von Werkstücken mit größeren Materialstärken von beispielsweise mehr als 10 mm uneingeschränkt einsatzbar ist.
Abgesehen von der Durchsticherkennung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Phasen des Laserbearbeitungsprozesses vorteilhaft einsetzbar, bei denen es zu einer allmählichen und insbesondere zu einer plötzlichen Veränderung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks kommen kann. Als Beispiel dafür seien die Erkennung eines Schnittabrisses oder das Detektieren von Werkstoffkanten genannt.
Die Erfassung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgt mittels einer Streulicht-Erfassungseinrichtung oder mittels mehrerer Streulicht-Erfassungseinrichtungen. Jede der Erfassungseinrichtungen ist mit mindestens einem photoempfindlichen optischen Sensor ausgestattet. Das Streulicht kann unmittelbar auf den Sensor auftreffen, wenn dieser im Erfassungsbereich für das gestreute Laserlicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet ist. Das Streulicht kann aber auch über optische Leitmittel, wie etwa eine Lichtleitfaser, ein Lichtleitfaserkabel oder eine Abbildungsoptik auf einen Sensor übertragen werden, der gegebenenfalls innerhalb oder außerhalb des Erfassungsbereichs angeordnet sein kann. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung ist hier dasjenige Bauteil, das im Streulicht-Erfassungsbereich angeordnet ist und auf das das Streulicht unmittelbar auftrifft. Um Störeinflüsse durch Umgebungslicht und Prozessstrahlung möglichst gering zu halten, haben sich folgende Ausführungsformen bewährt, die einzeln oder vorzugsweise in beliebiger Kombination miteinander verwirklicht sein können:

1. Zur Erfassung des unterhalb der Werkstückauflage gestreuten Laserlichts ist vorzugsweise mindestens eine optisch weitgehend abgeschirmte Erfassungseinrichtung vorgesehen. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung wird im Streulicht-Erfassungsbereich weitgehend optisch abgeschirmt, zum Beispiel, indem sie in einer Kammer untergebracht wird, die nur eine einzige Lichtöffnung zum Streulicht-Erfassungsbereich aufweist.
2. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung ist zur Erfassung der Streulicht-Intensität in einem Wellenlängenbereich ausgelegt, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm umfasst.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das photosensitive Element des optischen Sensors so beschaffen ist, dass seine maximale Empfindlichkeit innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, in dem auch die zu erwartende Wellenlänge des Streulichts liegt. Diese entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers.
Oder alternativ oder ergänzend dadurch, dass die Streulicht- Erfassungseinrichtung mit einem optischen Filter ausgestattet wird, der für Strahlung mit einer Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers durchlässig ist und Strahlung anderer Wellenlängenbereiche im Wesentlichen blockiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise eine frühzeitige und zuverlässige Erkennung des bevorstehenden oder erfolgten Durchstichs, das Auffinden einer Werkstückkante und das Erkennen eines sogenannten Schnittabrisses, also ein Aussetzen des Laserstrahls.
Figurenliste
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt:

1 ein Aufbauschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchstich-Erkennung in schematischer Darstellung,
2 eine Ausführungsform eines Streulicht-Sensors zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung,
3 ein Schema einer Laserbearbeitungsmaschine mit Bewegungseinheit und Schneidtisch in einer Draufsicht,
4 ein Diagramm zur Erläuterung der Durchstich-Erkennung und des daraufhin fortgeführten Laserschneidprozesses bei einer Schnittkontur mit Innenschnitt und Außenschnitt anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität,
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Reproduzierbarkeit der Durchstich-Erkennung bei einem schmalen Werkstückstreifen anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei fünf aufeinanderfolgenden Durchstichversuchen,
6 ein Diagramm zur Erläuterung der Reproduzierbarkeit der Durchstich-Erkennung bei Einsatz von Sensoren in unterschiedlichen Bereichen einer Schneidwanne anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei einem Durchstichversuch, und
7 ein Diagramm mit Signalantworten beim Durchstich mit unterschiedlichen Laserstrahl-Parametern anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei mehreren Durchstichversuchen.

Die in 1 schematisch gezeigte Vorrichtung 1 zur Durchstich-Erkennung ist Teil einer Laserschneidmaschine und wird bei der thermischen Bearbeitung eines Werkstücks 2 zur Überwachung eines Durchstechvorgangs in das Werkstück 2 und zur Ansteuerung der Laserschneidmaschine während des Durchstechvorgangs eingesetzt. Die Laserschneidmaschine umfasst eine in allen Raumrichtungen bewegbare Laserbearbeitungseinheit (schematisch in 3 dargestellt) mit einem Laser-Schneidkopf (3; Bezugsziffern 4 und 5), mittels dem ein Laserstrahl 3 über einen Kollimator und eine Fokussierlinse 4 und eine Schneiddüse 5 auf das Werkstück 2 fokussiert wird. Das Werkstück 2 liegt auf einem Schneidgitter 7 und dieses auf einer Schneidwanne 8 auf. Der Schneidwannen-Raum unterhalb des Werkstücks 2 ist mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Bei dem Laser handelt es sich um einen Faserlaser und der Laserstrahl hat eine Arbeitswellenlänge von ca. 1070 nm.
Zur Einstellung eines vorgegebenen Abstands des Laser-Schneidkopfs zur Werkstück-Oberfläche und zur Steuerung seines Bewegungsablaufs entlang der vorgegebenen Schnittkontur sowie der Laserparameter ist eine Maschinensteuerung 6 vorgesehen. Mit der Maschinensteuerung 6 sind mehrere Streulicht-Sensoren 9 verbunden, die in einem Abstand von 100 cm ortsfest innerhalb des Schneidwannen-Innenraums 11 unterhalb des Schneidgitters 7 montiert sind. Die Streulicht-Sensoren 9 dienen zur Messung von Streustrahlung 10, die beim Laserschneidprozess aufgrund unterschiedlicher Ereignisse in den Schneidwannen-Innenraum 11 gelangt, und diesen aufgrund von Mehrfachreflexionen und diffuser Streuung mehr oder weniger homogen ausfüllt, was in 1 optisch durch gleiche Schattierung von Laserstrahl 3 und Schneidwannen-Innenraum 11 angedeutet ist.
2 zeigt schematisch einen derartigen Streulicht-Sensor 9 in einem Längsschnitt. In der Innenbohrung eines Metallrohres 21 sind ausgehend von einer stirnseitigen schmalen Strahleneintrittsöffnung 22 mit einem Innendurchmesser von 5 mm angeordnet: eine Schutzglas 23 gegen das Eindringen von Staub in die Innenbohrung, ein optisches Filter 24 für Durchlass von Infrarotstrahlung im Wellenlängenbereich von 1050 bis 1110 nm und ein photosensitives Element 25 mit einer Hauptabsorptionswellenlänge in diesem Wellenlängenbereich, das mit einer Auswerteeinheit der Maschinensteuerung 6 verbunden ist.
3 zeigt, dass der Laserschneidkopf (4; 5) an einem Maschinenportal 31 montiert ist. Das Maschinenportal 31 ist auf Führungsschienen 32 gelagert, entlang denen es in x-Richtung (Richtungspfeil 33) longitudinal verfahrbar ist. Der Laserschneidkopf (4; 5) selbst ist am Maschinenportal 31 entlang einer y-Bewegungsachse (Richtungspfeil 34) reversierend transversal hin- und herbewegbar. Zwischen den Führungsschienen 32 erstreckt sich die Schneidwanne 8, die in mehrere räumlich voneinander getrennte Segmente 38 unterteilt ist. Entweder ist in jedem der Segmente 38 ein Streulicht-Sensor 9 angeordnet, oder alternativ dazu (wie bei der in 3 gezeigten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung) ist ein Streulicht-Sensor 39 vorgesehen, der am Maschinenportal 31 montiert ist. Dieser Streulicht-Sensor 39 führt dieselben longitudinalen Bewegungen entlang der x-Bewegungsachse aus wie das Maschinenportal 31 und der Laserschneidkopf (4; 5). Bei dieser Ausführungsform ist der Streulicht-Sensor 39 somit stets synchron mit dem Laserschneidkopf (4; 5), sowohl was die longitudinale Position als auch die Bewegungsgeschwindigkeit der longitudinalen Bewegung des Laserschneidkopfes (4; 5) anbelangt; er empfängt die gestreute Laserstrahlung aus dem Schneidwannen-Innenraum 11 aus dem jeweils vom Laserschneidkopf überfahrenen Segment 38. Daher genügt bei dieser Ausführungsform auch ein einziger Streulicht-Sensor 39 zur Erfassung des Streulichts.
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figurennäher erläutert. In den Diagrammen der 4 bis 7 ist auf der y-Achse die Streulicht-Intensität I (Kurven A) und die Laserleistung L (Kurven B), beides in relativen Einheiten, jeweils gegen die Zeit t in Sekunden aufgetragen.
4 zeigt den zeitlichen Verlauf der gemessenen Streulicht-Intensität beim Ausschneiden eines Quadrates mit Innenbohrung aus einem Werkstück aus 15 mm dickem Baustahl. Etwa 4 Sekunden nach Start des Einstechvorgangs 40 ergibt sich ein rapider Anstieg der Streulicht-Intensität 41, was auf einen erfolgten Durchstich hindeutet. Das Mess-Signal der Streulicht-Intensität A wird dabei etwa auf ein höheres Niveau gehoben, und bleibt bei andauerndem Laserstrahl auf diesem Niveau 41. Nach erfolgtem Durchstich wird der Laserstrahl kurzzeitig abgeschaltet und das Signal der Streulicht-Intensität A fällt ab.
Sowohl der Herstellung der Innenkontur (Rundloch; 43) als auch die der Außenkontur (Quadrat; 44) geht jeweils ein derartiger Einstechvorgang (40; 41) voraus, was in der Figur jeweils als „piercing“ bezeichnet ist. Danach beginnt der eigentliche Schneidprozess zur Erzeugung der Innenbohrung beziehungsweise zum Ausschneiden des Quadrates, was durch den Streulicht-Intensitätsverlauf in den jeweiligen Intensitätsbereichen 43 und 44 angezeigt wird. Diese Prozessphase wird in der Figur jeweils als „cutting“ bezeichnet. Beim Schneiden der Kanten des Quadrats ergeben sich markante Streulichtänderungen beim Erreichen der Ecken, wie mit den Bezugsziffern 45 angezeigt. Auch Beginn und Ende des Konturschneidens sind jeweils durch einen markanten Anstieg der Streulicht-Intensität zu erkennen.
In einem weiteren Vorversuch wurden mehrere Einstichlöcher in einem ca. 1 cm breiten Streifen aus dem Baustahl erzeugt. Die Herausforderung liegt hierbei darin, dass der schmale Werkstück-Streifen die Öffnung der Schneidwanne 8 nur zu einem Bruchteil abdecken kann, so dass auf den Streulicht-Sensor 9 neben der eigentlichen Streustrahlung auch Störstrahlung in Form von Umgebungslicht und Prozessstrahlung in hohem Maße auftrifft. Dieses Problem kann auch beim Schneiden von Konturen in der Nähe von Werkstückkanten auftreten. Es soll geklärt werden, ob der Streulicht-Sensor 9 gegenüber der Störstrahlung genügend selektiv ist. 5 zeigt den Streulicht-Intensitätsverlauf bei fünf aufeinanderfolgenden Durchstichversuchen in den Werkstückstreifen. Ein Einfluss von Störstrahlung ist nicht erkennbar. Der Ausreißer 51 bei einer der Durchschnitte ist auf einen explosionsartigen Auswurf des Werkstückmaterials aufgrund eines Werkstückfehlers oder nicht optimale Einstechparameter zurückzuführen.
6 zeigt den Streulicht-Intensitätsverlauf bei einem dreifachen weiderholten Durchstichversuch, wobei das Streulicht-Intensitäts-Signal von einem Sensor 9 ausgewertet worden ist, der sich in einem Segment 38 (siehe 3) der Schneidwanne 8 befindet, das sich nicht unmittelbar unterhalb der Schneidposition befindet, sondern in einem dazu benachbarten Segment. Obwohl die jeweiligen Segmente durch Bleche optisch weitgehend voneinander abgeschirmt sind und insoweit separate Kammern innerhalb der Schneidwanne 8 bilden, stellt sich bei allen Durchstichversuchen ein ähnliches Streulicht-Intensitätssignal ein, was für die Reproduzierbarkeit des Verfahrens spricht. Die Überhöhungen im Intensitäts-Signal bei den Einstichen 2 und 3 ist auf einen explosionsartigen Schlackenauswurf infolge eines nicht optimalen Einstiches zurückzuführen.
Das Diagramm von 7 zeigt das Ergebnis eines weiteren Vorversuchs, bei dem die Laserpulsfrequenz in drei Schritten auf 10 Hz, 50 Hz und 100 Hz eingestellt, und anschließend das Tastverhältnis (Pulsdauer/Periodendauer) der Laserparameter ebenfalls in drei Schritten von 10 % und 30 % auf 50% erhöht worden ist. Dass in allen Fällen ein eindeutiges Durchstechsignal zu erkennen ist, belegt, dass der Durchstich anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen unabhängig von den verwendeten Einstechparametern identifizierbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 9427823 B2 [0008]

Claims

Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, wobei ein Laserstrahl (3) auf ein Werkstück (2) gerichtet, gestreutes Laserlicht als Streulicht (10) erfasst, und eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses anhand der erfassten Streulicht-Intensität identifiziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass Streulicht (10) unterhalb des Werkstücks (2) erfasst und zur Identifizierung der Zustandsänderung ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das unterhalb der Werkstückauflage (7) Streulicht (10) mittels mindestens einer optisch weitgehend abgeschirmten Erfassungseinrichtung (9; 39) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere stationäre Erfassungseinrichtungen (9) eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) mittels eines Laserschneidkopfes (4; 5) erzeugt wird, der mittels eines Maschinenportals (31) bewegt wird, und dass die mindestens eine Erfassungseinrichtung (39) synchron zur Bewegung des Maschinenportals (31) bewegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Streulicht-Intensität in einem Wellenlängenbereich erfasst wird, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) mittels eines Laserschneidkopfes (4; 5) erzeugt wird, der mittels eines Maschinenportals (31) bewegt wird, und dass der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase der Erkennung einer Werkstückkante umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (3) mittels eines Laserschneidkopfes (4; 5) erzeugt wird, der entlang einer vorgegebenen Schnittkontur bewegt wird und dabei in der Schnittkontur eine Schnittfuge erzeugt, und dass der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase umfasst, während der die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder der Energieeintrag in die Schnittfuge in Abhängigkeit von der erfassten Streulicht-Intensität eingestellt wird.
Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, mit einem Laserschneidkopf (4; 5) zur Fokussierung eines Laserstrahls (3) auf ein Werkstück (2), mit einem optischen Sensor (9; 39) zur Erfassung von gestreutem Laserlicht als Streulicht(10), und mit einer Auswerte- und Regeleinheit (6), mittels der die Streulicht-Intensität ausgewertet und in Abhängigkeit davon eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses identifizierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine optische Einrichtung (9; 39) zur Erfassung von Streulicht (10) unterhalb des Werkstücks (2) vorgesehen ist, die mit der Auswerte- und Regeleinheit (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkstück-Auflage (7) vorgesehen ist, die ein Schneidgitter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Streulicht (10) unterhalb des Werkstücks (2) mindestens eine optisch weitgehend abgeschirmte Erfassungseinrichtung (9; 39) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere stationäre optische Erfassungseinrichtungen (9) vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserschneidkopf (4; 5) mittels eines Maschinenportals (31) bewegbar ist, und dass die mindestens eine optische Erfassungseinrichtung (39) synchron zur Bewegung des Maschinenportals (31) bewegbar ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Erfassungseinrichtung (9) zur Erfassung der Streulicht-Intensität in einem Wellenlängenbereich ausgelegt ist, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm umfasst.